Overview
Fuente: Ali Bazzi, Departamento de ingeniería eléctrica, Universidad de Connecticut, Storrs, CT.
El objetivo de este experimento es obtener experiencia práctica con diferentes componentes magnéticos desde perspectivas de diseño y material. Este experimento cubiertas curvas B-H de material magnético y diseño del inductor a través de la identificación de factores de diseño desconocido. La curva B-H de un elemento magnético, como un inductor o transformador, es una característica del material magnético que forman la base alrededor de la cual se envuelven los bobinados. Esta característica proporciona información sobre la densidad de flujo magnético que puede manejar el núcleo con respecto a la corriente que circula en los devanados. También proporciona información acerca de límites antes de que el núcleo está magnéticamente saturado, es decir, cuando empujar más actual a través de la bobina conduce a no hay más flujo de flujo magnético.
Principles
La curva B-H puede identificarse mediante un circuito simple. Usando la ley de Ampère, la intensidad de flujo magnético (H) es proporcional a la corriente en una bobina; por ejemplo, para una sola N-girar a la bobina circula una corriente () envuelta alrededor de un núcleo de media longitud (l) y área de sección transversal (A), rendimientos de ley de Ampère,
(1)
También, el voltaje en la bobina (v) puede ser determinado por la tasa de flujo de cambio dφ/dt usando la ley de Faraday. Para la bobina del mismo se ha descrito anteriormente,
(2)
La densidad de flujo (B) también se define como,
(3)
así que se puede escribir como,
(4)
Por lo tanto estimar la curva de B-H de un material, yo y el tiempo integral de v puede utilizarse. Escalando hacia el real B y H cantidades es posible cuando se conocen N, ly A .
Para medir el tiempo integral de v, un simple circuito R-C en paralelo con la bobina puede ser usada (Fig. 1). El divisor de C R debe tener R >> XC en la frecuencia de funcionamiento hasta que vR≈v. Utilizando esta hipótesis, medición de la tensión del condensador vC da una razonable aproximación de la integral de tiempo del v
(5)
El signo negativo es eficaz para la representación del dominio de tiempo, pero debe se tratándose de RMS y cantidades de pico, por lo tanto es común el uso,
(6)
Figura 1: prueba de circuito para determinar la curva de B-H de un inductor de. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Procedure
1. relativa permeabilidad identificación
Siga el procedimiento para obtener la permeabilidad relativa del pequeño inductor (núcleo de ferrita de amarillo/blanco). Las dimensiones del núcleo se muestran en la figura 2, y el número de vueltas es N= 75.
- Con un Medidor LCR, mida la inductancia del inductor de 120 Hz y 1000 Hz.
- Construir el circuito en la figura 1 en un proto-board, pero mantener la salida del generador de función desconectada del proto-board.
- Compruebe una sonda de voltaje diferencial y una sonda de corriente para no compensaciones con la sonda de corriente conectados en el canal 1 y la sonda de tensión conectados en el canal 2.
- Tenga en cuenta los factores de escala para la sonda diferencial en la punta de prueba sí mismo y en el ámbito de aplicación. Coloque la sonda diferencial 1/20 para una mejor resolución.
- Fijar la sonda de corriente a 100 mV / A en la sonda de sí mismo y 1 X en el ámbito de aplicación. Recuerde que estos factores de escala deben utilizarse al realizar cálculos.
- La función de salida del generador (50 Ω BNC conector de salida) en 10 V pico y forma de onda sinusoidal de 1000 Hz. Observar la forma de onda utilizando la sonda de voltaje diferencial.
- Deja el generador de funciones en incluso cuando se desconecta, pero evitar cortocircuitos en sus terminales. Apagar el generador de función reajusta la configuración muchas.
- Conecte la corriente y voltaje de las sondas para medir vC y i.
- Compruebe que el circuito es como desea y que todas las conexiones se mantienen.
- Conecte el generador al circuito.
- Tome una captura de pantalla de la medida corriente y voltaje con al menos tres períodos que se muestra además el pico o los valores RMS de las señales de medida.
- Desde el menú "Pantalla" en el ámbito de aplicación, cambiar el formato de presentación de "YT" a "XY".
- Observar la curva de B-H por el canal 1 y canal 2 ajuste vertical pomos de ajuste hasta que la curva ajusta a la pantalla de alcance.
- Para ver una curva más estable, utilice la opción "persisten" en el menú de la pantalla a un ajuste de s 1 o 2.
- Tomar una captura de pantalla de la curva de B-H medida.
- Ajustar la frecuencia del generador de función a 120 Hz y retomar la captura de pantalla de la curva de B-H después de los ajustes de la curva de ajuste según sea necesario.
- Desconecte el generador de funciones y quitar el inductor. Mantener intacto el resto del circuito.
Figura 2 : Dimensiones de la base menor del inductor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
2. identificar el número de vueltas
El mayor inductor negro (Bourns 1140-K 472-RC) tiene un número desconocido de vueltas. Para simplificar los cálculos, suponga la base que un solenoide de núcleo de aire de todos con un radio de 1,5 cm y 2,5 cm de longitud. Si esta hipótesis no se toma, la geometría de la base tendrá que ser considerado y complica los cálculos. Sin embargo, esta hipótesis es aún razonable teniendo en cuenta que con un solenoide, flujo debe pasar a través del aire a ambos lados del dispositivo y el aire es el medio de la ruta de flujo dominante.
- Con el Medidor LCR, mida la inductancia del inductor proporcionado a 120 Hz y 1000 Hz.
- Colocar el inductor en el circuito mostrado en la figura 1, que debe estar intacta de la parte anterior del experimento.
- Compruebe una sonda de voltaje diferencial y una sonda de corriente para no compensaciones con la sonda de corriente conectados en el canal 1 y la sonda de tensión conectados en el canal 2.
- Tenga en cuenta los factores de escala para la sonda diferencial en la punta de prueba sí mismo y en el ámbito de aplicación. Coloque la sonda diferencial 1/20 para una mejor resolución.
- Fijar la sonda de corriente a 100 mV / A en la sonda de sí mismo y 1 X en el ámbito de aplicación. Recuerde que estos factores de escala deben utilizarse cuando haciendo cálculos utilizando datos ni mediciones de captura para su posterior análisis.
- La función de salida del generador (50 Ω BNC conector de salida) en 10 V pico y forma de onda sinusoidal de 1000 Hz. Observar la forma de onda utilizando la sonda de voltaje diferencial.
- Deja el generador de funciones en incluso cuando se desconecta, pero evitar cortocircuitos en sus terminales. Apagar el generador de función reajusta la configuración muchas.
- Conecte la corriente y voltaje de las sondas para medir vC y i.
- Controlar el circuito y compruebe que las conexiones como deseado.
- Conecte el generador al circuito.
- Tome una captura de pantalla de la medida corriente y voltaje con al menos tres períodos que se muestra además el pico o los valores RMS de las señales de medida.
- Desde el menú "pantalla" en el ámbito de aplicación, cambiar el formato de presentación de "YT" a "XY".
- Observar la curva de B-H por el canal 1 y canal 2 ajuste vertical pomos de ajuste hasta que la curva ajusta a la pantalla de alcance.
- Para ver una curva más estable, utilice la opción "persisten" en el menú de la pantalla a un ajuste de s 1 o 2.
- Tomar una captura de pantalla de la curva de B-H medida.
- Ajustar la frecuencia del generador de función a 120 Hz y retomar la captura de pantalla de la curva de B-H después de los ajustes de la curva de ajuste según sea necesario.
- Apague el generador de funciones y desarme el circuito.
3. B-H la curva de un transformador de 60 Hz
El transformador utilizado en este pasos de la demostración abajo 115 V RMS para 24 V RMS, pero puede utilizarse para la caracterización de la curva de B-H en este experimento, por lo tanto se utilizan sólo los 120 terminales V RMS. Las dimensiones del transformador se muestran en la figura 3.
- Usar el Medidor LCR, medir la inductancia 115 V-del lado de la bobina en 120 Hz (más cerca de lo 60 Hz nominal).
- Asegúrese que el interruptor de desconexión trifásica esté en la posición de apagado.
- Conecte el cable de corriente trifásica a la VARIAC.
- Construya el circuito mostrado en la figura 4. Tiene el transformador de sentarse en el lado del proto-board. Utilice cables banana para conectar AC1 y N de la VARIAC para el proto-board.
- Asegúrese de que el VARIAC se establece en 0%.
- Compruebe una sonda de voltaje diferencial y una sonda de corriente para no compensaciones con la sonda de corriente conectados en el canal 1 y la sonda de tensión conectados en el canal 2.
- Anotar los factores de escala para la sonda diferencial en la punta de prueba sí mismo y en el ámbito de aplicación. Fijar la sonda diferencial de escala 1/200.
- Fijar la sonda de corriente a 100 mV / A en la sonda de sí mismo y 1 X en el ámbito de aplicación. Recuerde que estos factores de escala deben usarse al hacer cálculos.
- Conecte la corriente y voltaje de las sondas para medir vC y i.
- Controlar el circuito.
- Encienda el interruptor de desconexión trifásica y ajuste lentamente el VARIAC hasta llegar a 90%.
- Tome una captura de pantalla de la medida corriente y voltaje con al menos tres períodos que se muestra además el pico o los valores RMS de las señales de medida.
- Desde el menú "Pantalla" en el ámbito de aplicación, cambiar el formato de presentación de "YT" a "XY".
- Observar la curva de B-H por el canal 1 y canal 2 ajuste vertical pomos de ajuste hasta que la curva ajusta a la pantalla de alcance.
- Para ver una curva más estable, utilice la opción "persisten" en el menú de la pantalla a un ajuste de s 1 o 2.
- Tomar una captura de pantalla de la curva de B-H medida.
- Restaurar el VARIAC de 0%, gire el interruptor de desconexión off y desmontar el circuito.
Figura 3 : Dimensiones de la base del transformador. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4 : Prueba de circuito para determinar la curva de B-H de un transformador de 60 Hz. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los elementos magnéticos, como inductores o transformadores, tienen propiedades características que dependen en el material magnético que forma el núcleo interior de la bobina. Cuando la corriente fluye en un inductor o transformador de la bobina, crea un campo magnético. La capacidad del material del núcleo para mantener el campo magnético, llamado su permeabilidad, determina la fuerza del campo, llamado la fuerza que magnetiza. La fuerza que magnetiza entonces produce el flujo magnético en el núcleo del inductor. Inductores y transformadores, la relación entre la fuerza y la densidad de flujo de magnetización se define como el flujo magnético a través de un área de sección transversal y puede analizarse mediante una curva B-H. La curva B-H describe el material de base e identifica su límite de saturación magnética. Esto ocurre cuando la corriente adicional a través de las bobinas ya no aumenta el flujo magnético. Este video ilustra la medición de curvas de BH para inductores y transformadores y la caracterización de las bobinas de material e inductor de núcleo.
Una curva B-H muestra la relación entre la densidad de flujo magnético, B y la fuerza del campo magnético, H. Inicialmente, como se aumenta la fuerza del campo magnético, la densidad de flujo aumenta también a un cierto valor máximo. Después de este punto, cualquier aumento en fuerza del campo magnético como resultado ningún aumento significativo en la densidad de flujo magnético y el material se considera saturado. Materiales magnéticos reales exhiben histéresis como el material es magnetizado alternativamente en las direcciones positivas y negativas. Esto implica que como la fuerza del campo magnético se reduce a cero, un magnetismo residual sigue siendo. El área dentro de la curva de B H es proporcional a la pérdida de energía como el material es magnetizado en las direcciones positivas y negativas. Un material con baja pérdida de histéresis, tales como el acero, se utiliza comúnmente en corazones del transformador debido a esta propiedad. La curva B-H puede utilizarse también para describir la permeabilidad del material, calculada como el cociente de la densidad del flujo magnético a la fuerza del campo magnético. Es a menudo relacionada con la permeabilidad del espacio libre y así denomina permeabilidad relativa. Materiales con muy baja susceptibilidad magnética, como la madera, tienen una baja permeabilidad relativa. Donde como materiales con alta susceptibilidad magnética, como el hierro, tienen una alta permeabilidad relativa. Para crear una curva B-H, la densidad de flujo B, primero debe ser determinada. Para ello, se mide la tasa de flujo de cambio, que está en relación con la tensión en la bobina utilizando la ley de Faraday. Esto puede identificarse con un simple circuito RC en paralelo con la bobina. Para información más detallada sobre estos cálculos, consulte el protocolo de texto. La fuerza del campo magnético, o H, se puede encontrar utilizando ley de amperios y variables medibles, la corriente en la bobina, el número de vueltas del bobinado y la duración media de la base. La curva B-H de un material puede estimarse de las mediciones de corriente y la integral de tiempo del voltaje en el elemento. Cuando el número de vueltas y dimensiones de los elementos también son conocidos, estos se pueden escalar a cantidades reales. Ahora, vamos a demostrar cómo medir la permeabilidad relativa y calcular curvas B-H.
En estos experimentos, se miden tres componentes magnéticos, un inductor pequeño con un núcleo de ferrita, un inductor más grande negro con un número desconocido de vueltas y un transformador de 60 Hz. Comience con el inductor pequeño con dimensiones como se muestra y un número de vueltas la bobina de 75. En primer lugar, medir la inductancia del inductor en 120 y 1.000 Hz usando un Medidor LCR. En segundo lugar, construir el circuito como se muestra, mantener el generador de funciones de salida de 50 ohmios y el BNC conector cable desconectado. A continuación, conecte el voltaje diferenciado y sondas de corriente y compruebe que hay no hay compensaciones. Fijar la sonda diferencial a 120 para mejor resolución. Finalmente, ajuste la sonda de corriente a 100 milivoltios por amp en la punta de prueba y 1 x en el ámbito de aplicación. Y tenga en cuenta estos factores de escala para los cálculos posteriores. Ajustar la salida de generador de función en una forma de onda de 1.000 Hz sine soto con un máximo de 10 voltios. Medir el VC y yo, conecte el generador de funciones y verificar que todas las conexiones del circuito como se muestra. Luego, registro de la medición de corriente y voltaje. Por último, cambiar el formato de la pantalla de osciloscopio de yt a xy para mostrar la curva de B-H. Ajuste el canal uno y perillas de ajuste vertical de canal dos hasta que la curva ajusta a la pantalla de alcance. A continuación, estabilizar la curva mediante la opción persist para la pantalla. Y luego, tomar una captura de pantalla de la curva. Por último, ajustar la frecuencia del generador de función a 120 Hz y retomar la captura de pantalla de la curva de B-H después de los ajustes de la curva de ajuste según sea necesario. Por último, desconectar el generador de funciones y quitar el inductor. Mantener intacto el resto del circuito.
Para determinar el número de vueltas para el inductor más grande, vamos a primero medir la curva de B-H. Para simplificar los cálculos, suponga que el núcleo es un núcleo de aire de todos. En primer lugar, medir la inductancia del inductor en 120 y 1.000 Hz utilizando el medidor de LCR. Luego, coloque el inductor en el circuito RC. Medir la curva de B-H para el inductor más grande usando el mismo procedimiento descrito para el inductor pequeño. Observar y registrar la corriente medida y la tensión. Mostrar la curva de B-H. Ajustar la frecuencia del generador de función a 120 Hz y ajuste los valores de las curvas según sea necesario.
Transformadores monofásicos constan de dos devanados acoplados por un núcleo magnético. Aquí, se mide la curva de B-H para el transformador de 60 Hz. Con el Medidor LCR, mida la inductancia del lado de 115 voltios de la bobina a 120 Hz. A continuación, montar el circuito conectando AC1 y N de la variac para el lado primario del transformador por el circuito de protoboard utilizando cables de plátano. Ajustar los factores de escala y función de parámetros del generador como se describió anteriormente. Con el variac en el 90 por ciento, medir la corriente y voltaje. A continuación, mostrar y registrar la curva de B-H.
Si se conoce el número de vueltas de bobina, núcleo promedio longitud y área transversal, entonces la inductancia de la bobina se mide directamente, y la permeabilidad relativa puede ser calculada. Alternativamente, una curva B-H medida puede utilizarse para determinar la permeabilidad relativa de un elemento y luego calcular el número de vueltas en la bobina. En la región lineal de la curva de B-H, puede encontrarse la permeabilidad relativa de la pendiente. Con permeabilidad relativa, y dado que se conocen las dimensiones de la inductancia y el núcleo, el número de vueltas puede fácilmente calcularse mediante la siguiente relación.
Inductores y otros dispositivos electromagnéticos, como los transformadores, son comunes en muchos sistemas eléctricos, electrónicos y mecánicos. La red eléctrica proporciona electricidad a los consumidores mediante la distribución de electricidad de alto voltaje a largas distancias a través de líneas de transmisión. Altos voltajes se requiere largas distancias para compensar las pérdidas de energía. Transformadores se utilizan a lo largo de las líneas eléctricas a los voltajes de transmisión más altos a los niveles inferiores es necesarios en las estaciones de distribución y suministro del usuario final. Transformadores de transfieren energía a través de la inducción electromagnética, que permite el paso controlado abajo de voltajes de CA. Comúnmente se diseñan con núcleos de acero debido a la alta saturación magnética de acero. El imán de estator induce un campo magnético giratorio en el rotor haciendo que el rotor a girar. Efectivamente, el estator es el bobinado primario de un transformador y la jaula de ardilla, la bobina secundaria. Motores de inducción de corriente alterna se utilizan en una gran variedad de aplicaciones. El motor consta de un imán externo herida inmóvil y el núcleo ferromagnético interior del rotor. Por lo general, un arreglo cilíndrico de barras conductoras formando la jaula de ardilla.
Sólo ha visto introducción de Zeus a la caracterización de los componentes magnéticos. Ahora debería entender cómo a medida B-H curvas de inductores y transformadores, mientras que identificar desconocido diseño de factores, tales como la permeabilidad relativa y vuelta número. Gracias por ver.
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Results
Para encontrar la permeabilidad relativa del material del núcleo, se pueden utilizar dos enfoques. El primer enfoque es utilizar un Medidor LCR, donde se mide la inductancia (L) de una bobina con un número conocido de vueltas (N), y entonces la permeabilidad relativa puede ser calculada como sigue:
Reluctancia del núcleo: 
(7)
La permeabilidad relativa (μr) es así:
(8)
donde μo es la permeabilidad del vacío, l es la longitud de la base promedio en m y A es el área transversal del núcleo en m2.
Por ejemplo, si se utiliza un núcleo toroidal con un radio interior r1= 1 cm, un radio externo r2= 2 cm, un área transversal de 1 cm2y el Medidor LCR Lee 1 μH de 10 vueltas, luego:
l= 2π (r2-r1) = 2π cm, 
y μr= 50.000.
El segundo método utiliza la medida curva B-H. En la región lineal, que es visible o aproximada, puede encontrarse la permeabilidad relativa de la pendiente (B = μrμoH) para cada frecuencia. Para encontrar los valores de B y H , escala apropiada se debe realizar para sonda factores, elementos del circuito y las dimensiones de base utilizando mediciones anteriores.
En un enfoque similar a la búsqueda de la permeabilidad relativa, el número de vueltas puede encontrarse si la permeabilidad relativa se desconoce. Esto puede lograrse mediante la manipulación de las ecuaciones anteriores para encontrar N.
Para ferritas, μr es del orden de varios miles, mientras que para las aleaciones de acero y, μr es del orden de decenas o cientos.
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Applications and Summary
A pesar de inductores y otros dispositivos electro-magnética (p. ej., transformadores) son muy comunes en muchos sistemas eléctricos, electrónicos y mecánicos, comprar bobinas para una aplicación específica no es trivial. Incluso cuando un inductor se compra, hoja de datos información todavía puede tener ambigüedades en el material actual, número de vueltas y otros detalles. Las pruebas en este experimento son especialmente útiles para los ingenieros y técnicos que planean construir sus propio inductores o caracterizar los estándares. Esto es común con aplicaciones de electrónica de potencia (por ejemplo, convertidores DC/DC) así como aplicaciones de unidad de motor eléctrico (por ejemplo, inductores del filtro AC) donde se desea más información sobre el inductor en la mano.
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