Manyetik Bileşenlerin Karakterizasyonu

İndüktörler veya transformatörler gibi manyetik elemanlar, bobinin içindeki çekirdeği oluşturan manyetik malzemeye bağlı olan karakteristik özelliklere sahiptir. Bir indüktör veya transformatör bobininde akım aktığında, bir manyetik alan oluşturur. Çekirdek malzemenin geçirgenliği olarak adlandırılan manyetik alanı tutma yeteneği, mıknatıslanma kuvveti adı verilen alanın gücünü belirler. Mıknatıslama kuvveti daha sonra indüktör çekirdeğinde manyetik akı üretir. İndüktörlerde ve transformatörde, manyetizasyon kuvveti ile akı yoğunluğu arasındaki ilişki, bir kesit alanı boyunca manyetik akı olarak tanımlanır ve bir BH eğrisi kullanılarak analiz edilebilir. BH eğrisi, çekirdek malzemeyi tanımlar ve manyetik doygunluk sınırını tanımlar. Bu, sargılardan geçen ek akım artık manyetik akıyı artırmadığında meydana gelir. Bu video, indüktörler ve transformatörler için BH eğrilerinin ölçümünü ve çekirdek malzeme ve indüktör sargılarının karakterizasyonunu göstermektedir.

Bir BH eğrisi, manyetik akı yoğunluğu, B ve manyetik alan kuvveti, H arasındaki ilişkiyi gösterir. Başlangıçta, manyetik alan kuvveti arttıkça, akı yoğunluğu da belirli bir maksimum değere yükselir. Bu noktadan sonra, manyetik alan kuvvetindeki herhangi bir artış, manyetik akı yoğunluğunda önemli bir artışa neden olmaz ve malzeme doymuş olarak kabul edilir. Gerçek manyetik malzemeler, malzeme dönüşümlü olarak pozitif ve negatif yönlerde manyetize edildiğinden histerezis sergiler. Bu, manyetik alan kuvveti sıfıra düşürüldüğünde, bir miktar artık manyetizmanın kaldığı anlamına gelir. BH eğrisinin içindeki alan, malzeme pozitif ve negatif yönlerde manyetize olduğu için enerji kaybıyla orantılıdır. Çelik gibi daha düşük histerezis kaybına sahip bir malzeme, bu özelliğinden dolayı transformatör çekirdeklerinde yaygın olarak kullanılır. BH eğrisi, manyetik akı yoğunluğunun manyetik alan kuvvetine oranı olarak hesaplanan bir malzemenin geçirgenliğini tanımlamak için de kullanılabilir. Genellikle boş alanın geçirgenliği ile ilgilidir ve bu nedenle göreceli geçirgenlik olarak adlandırılır. Ahşap gibi çok düşük manyetik duyarlılığa sahip malzemeler, düşük bağıl geçirgenliğe sahiptir. Demir gibi yüksek manyetik duyarlılığa sahip malzemeler yüksek bağıl geçirgenliğe sahiptir. Bir BH eğrisi oluşturmak için, önce akı yoğunluğu, B, belirlenmelidir. Bunun için, Faraday Yasası kullanılarak bobin üzerindeki voltaja göre olan akı değişim oranı ölçülür. Bu, bobine paralel olarak basit bir RC devresi kullanılarak tanımlanabilir. Bu hesaplamalar hakkında daha ayrıntılı bilgi için lütfen metin protokolüne bakın. Manyetik alan kuvveti veya H, Amper Yasası ve ölçülebilir değişkenler, bobindeki akım, sargı dönüşlerinin sayısı ve çekirdeğin ortalama uzunluğu kullanılarak bulunabilir. Bir malzemenin BH eğrisi, eleman boyunca akım ve voltajın zaman integrali ölçümlerinden tahmin edilebilir. Elemanların dönüş sayısı ve boyutları da bilindiğinde, bunlar gerçek miktarlara ölçeklendirilebilir. Şimdi, bağıl geçirgenliğin nasıl ölçüleceğini ve BH eğrilerinin nasıl hesaplanacağını gösterelim.

Bu deneylerde, ferrit çekirdekli küçük bir indüktör, bilinmeyen sayıda dönüşe sahip daha büyük bir siyah indüktör ve 60 Hz'lik bir transformatör olmak üzere üç manyetik bileşen ölçülür. Boyutları gösterildiği gibi olan küçük indüktörle başlayın ve bir sargı dönüş sayısı 75'tir. İlk olarak, bir LCR ölçer kullanarak indüktörün endüktansını 120 ve 1,000 Hz'de ölçün. İkinci olarak, fonksiyon üreteci çıkışını 50 ohm'da ve BNC konektör kablosunun bağlantısını keserek devreyi gösterildiği gibi oluşturun. Ardından, diferansiyel voltaj ve akım problarını bağlayın ve ofset olmadığını doğrulayın. Daha iyi çözünürlük için diferansiyel probu 120. olarak ayarlayın. Son olarak, akım probunu prob üzerinde amper başına 100 milivolt ve kapsam üzerinde 1x olarak ayarlayın. Ve daha sonraki hesaplamalar için bu ölçeklendirme faktörlerine dikkat edin. Fonksiyon üreteci çıkışını 1,000 voltluk bir tepe noktası ile 10 Hz sinüs dalga formuna ayarlayın. VC ve I'yi ölçün, fonksiyon üretecini bağlayın ve tüm devre bağlantılarının gösterildiği gibi olduğunu doğrulayın. Ardından, ölçülen akımı ve voltajı kaydedin. Son olarak, BH eğrisini görüntülemek için osiloskop görüntüleme biçimini yt'den xy'ye değiştirin. Eğri dürbün ekranına sığana kadar birinci kanal ve ikinci kanal dikey ayar düğmelerini ayarlayın. Ardından, ekran için kalıcı seçeneğini ayarlayarak eğriyi sabitleyin. Ardından, eğrinin ekran görüntüsünü alın. Son olarak, fonksiyon üreteci frekansını 120 Hz'e ayarlayın ve eğri ayarlarını gerektiği gibi ayarladıktan sonra BH eğrisi ekran görüntüsünü yeniden alın. Son olarak, fonksiyon üretecinin bağlantısını kesin ve indüktörü çıkarın. Devrenin geri kalanını sağlam tutun.

Daha büyük indüktörün dönüş sayısını belirlemek için önce BH eğrisini ölçelim. Hesaplamaları basitleştirmek için, çekirdeğin tamamen hava çekirdeği olduğunu varsayalım. İlk olarak, LCR ölçeri kullanarak indüktörün endüktansını 120 ve 1,000 Hz'de ölçün. Ardından, indüktörü RC devresine yerleştirin. Küçük indüktör için açıklanan prosedürün aynısını kullanarak daha büyük indüktör için BH eğrisini ölçün. Ölçülen akım ve voltajı gözlemleyin ve kaydedin. BH eğrisini görüntüleyin. Fonksiyon üreteci frekansını 120 Hz'e ayarlayın ve eğri ayarlarını gerektiği gibi ayarlayın.

Tek fazlı transformatörler, manyetik bir çekirdek ile birleştirilmiş iki sargıdan oluşur. Burada 60 Hz transformatör için BH eğrisi ölçülür. LCR sayacını kullanarak, 115 voltluk yan sargının endüktansını 120 Hz'de ölçün. Ardından, banana kablolar kullanarak protokol devresi üzerinden variac'tan AC1 ve N'yi transformatör birincil tarafına bağlayarak devreyi monte edin. Ölçeklendirme faktörlerini ve fonksiyon üreteci parametrelerini daha önce açıklandığı gibi ayarlayın. Varyak yüzde 90'dayken, akımı ve voltajı ölçün. Ardından, BH eğrisini görüntüleyin ve kaydedin.

Bobin için dönüş sayısı, ortalama çekirdek uzunluğu ve kesit alanı biliniyorsa, bobinin endüktansı doğrudan ölçülür ve bağıl geçirgenlik hesaplanabilir. Alternatif olarak, bir elemanın bağıl geçirgenliğini belirlemek ve ardından bobindeki dönüş sayısını hesaplamak için ölçülen bir BH eğrisi kullanılabilir. BH eğrisinin doğrusal bölgesinde, bağıl geçirgenlik eğimden bulunabilir. Bağıl geçirgenlik kullanılarak ve endüktans ve çekirdek boyutlarının bilindiği göz önüne alındığında, dönüş sayısı aşağıdaki ilişki kullanılarak kolayca hesaplanabilir.

İndüktörler ve transformatörler gibi diğer elektromanyetik cihazlar birçok elektrik, elektronik ve mekanik sistemde yaygındır. Elektrik şebekesi, yüksek voltajlı elektriği iletim hatları aracılığıyla uzun mesafelere dağıtarak tüketicilere elektrik sağlar. Enerji kayıplarını telafi etmek için uzun mesafelerde yüksek voltajlar gereklidir. Transformatörler, daha yüksek iletim voltajlarını dağıtım istasyonlarında ihtiyaç duyulan daha düşük seviyelere düşürmek ve son kullanıcı beslemesi için güç hatları boyunca kullanılır. Transformatörler, elektromanyetik indüksiyon yoluyla enerjiyi aktararak AC voltajlarının kontrollü bir şekilde düşürülmesini sağlar. Çeliğin yüksek manyetik doygunluk noktası nedeniyle genellikle çelik çekirdeklerle tasarlanırlar. Stator mıknatısı, rotorda dönen bir manyetik alana neden olarak rotorun dönmesine neden olur. Etkili bir şekilde, stator bir transformatörün birincil sargısıdır ve sincap kafesi, ikincil sargıdır. AC endüksiyon motorları çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Motor, dışta sabit sargılı bir mıknatıs ve rotorun iç ferromanyetik çekirdeğinden oluşur. Tipik olarak, sincap kafesini oluşturan iletken çubukların silindirik bir düzenlemesi.

JoVE'nin Manyetik Bileşenlerin Karakterizasyonuna Giriş kitabını az önce izlediniz. Artık, bağıl geçirgenlik ve dönüş sayısı gibi bilinmeyen tasarım faktörlerini belirlerken, indüktörlerin ve transformatörlerin BH eğrilerini nasıl ölçeceğinizi anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.