Overview
Source : Ali Bazzi, département de génie électrique, Université du Connecticut, Storrs, CT.
L’objectif de cette expérience consiste à réaliser une expérience pratique avec différents composants magnétiques de vue design et matériau. Cette expérience couvre les courbes B-H de matériau magnétique et conception inducteur à travers l’identification des facteurs de conception inconnue. La courbe de B-H d’un élément magnétique, tel qu’un inducteur ou transformateur, est une caractéristique du matériau magnétique formant le noyau autour duquel les enroulements sont enveloppés. Cette caractéristique fournit des informations sur la densité de flux magnétique que le noyau peut gérer en ce qui concerne le courant circulant dans les enroulements. Il fournit également des informations sur les limites avant que le noyau est magnétiquement saturé, c'est-à-dire lorsque poussant plus de courant dans la bobine conduit à aucun flux de flux magnétique supplémentaire.
Principles
La courbe de B-H peut être identifiée à l’aide d’un circuit simple. À l’aide de la Loi de l’ampère, l’intensité du flux magnétique (H) est proportionnel au courant dans une bobine ; par exemple, pour un unique N-tourner les bobines dont le courant (i) enroulé autour d’un noyau de longueur moyenne (l) et transversale (A), les rendements de loi de l’ampère,
(1)
En outre, la tension aux bornes de la bobine (v) peut être déterminée en le taux de flux de changement dφ/dt à l’aide de la Loi de Faraday. Pour la même bobine décrite précédemment,
(2)
La densité de flux (B) est également définie comme,
(3)
qui peut donc être écrite comme,
(4)
Par conséquent, afin d’estimer la courbe de B-H d’un matériau, j’ai et le temps-l’intégrale de v peut être utilisé. Il est possible de l’échelle vers le réel B et H quantités lorsque N, let A sont connus.
Afin de mesurer le temps-l’intégrale de v, un simple circuit R-C en parallèle avec la bobine peut être utilisé (Fig. 1). Le diviseur de R-C devrait avoir R >> XC sur la fréquence de fonctionnement alors que vR≈v. À l’aide de cette hypothèse, mesurer la tension condensateur vC donne une approximation raisonnable de l’intégrale de temps de v depuis,
(5)
Le signe négatif est efficace pour la représentation au moment du domaine mais devrait être supprimé lorsqu’ils traitent de RMS et quantités de crête, ainsi il est courant d’utiliser,
(6)
Figure 1 : Test de circuit pour déterminer la courbe de B-H d’un inducteur. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Procedure
1. relative perméabilité Identification
Suivez la procédure pour trouver la perméabilité relative de l’inducteur petit (jaune/blanc de ferrite). Les dimensions de base sont présentées sur la Fig. 2, et le nombre de tours est N= 75.
- À l’aide d’un RLC, mesurer l’inductance de la bobine à 120 Hz et 1000 Hz.
- Construire le circuit dans la Fig. 1 un proto-Conseil d’administration, mais garder la sortie de générateur de fonction déconnectée de la proto-Conseil.
- Vérifier une sonde de tension différentielle et une sonde de courant pour aucun décalages avec la sonde de courant connectée sur le canal 1 et la sonde de tension connectée sur le canal 2.
- Noter les facteurs d’échelle pour la sonde différentielle sur la sonde elle-même et sur la portée. La valeur de la sonde différentielle à 1/20 pour une meilleure résolution.
- La valeur de la sonde de courant à 100 mV / A sur la sonde elle-même et 1 X sur la portée. N’oubliez pas que ces facteurs d’échelle doivent être utilisée lorsque vous effectuez des calculs.
- Définissez la fonction générateur de sortie (connecteur 50 Ω de la sortie BNC) à 10 V crête et forme d’onde sinusoïdale à 1000 Hz. Observer la forme d’onde à l’aide de la sonde de tension différentielle.
- Laisser le générateur de fonction même quand vous êtes déconnecté, mais éviter de court-circuiter ses bornes. Éteindre le générateur de fonction réinitialise les paramètres nombreux.
- Brancher le courant et tension des sondes pour mesurer vC et i.
- Vérifier que le circuit est comme vous le souhaitez et que toutes les connexions sont conservées.
- Connectez l’appareil au circuit.
- Prendre une capture d’écran du courant mesuré et tension avec au moins trois périodes montrés en plus de la crête ou de la valeur efficace du signal mesuré.
- Dans le menu « Affichage » sur le champ d’application, changer le format d’affichage de « Yukon » à « XY ».
- Observer la courbe de B-H en ajustant le canal 1 et les boutons de réglage vertical 2 canaux jusqu'à ce que la courbe s’adapte à l’écran de portée.
- Afin de voir une courbe plus stable, utilisez l’option « persistent » dans le menu Affichage avec une valeur de 1 ou 2 s.
- Prendre un screenshot de la courbe de B-H mesurée.
- Régler la fréquence de générateur de fonction à 120 Hz et de reprendre la capture d’écran de la courbe B-H après avoir réglé les paramètres de la courbe au besoin.
- Débranchez l’appareil et retirez l’inducteur. Le reste du circuit de garder intact.
Figure 2 : Dimensions du noyau plus petit inducteur. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
2. déterminer le nombre de tours
L’inducteur plu noir (Bourns 1140-472K-RC) a un nombre inconnu de tours. Pour simplifier les calculs, suppose que le noyau d’être une électrovanne tout-air-core avec un rayon de 1,5 cm et longueur de 2,5 cm. Si cette hypothèse n’est pas prise, la géométrie du noyau aura à prendre en considération et va compliquer les calculs. Toutefois, cette hypothèse n’est encore raisonnable étant donné qu’avec un solénoïde, flux doit passer par l’air des deux côtés de l’appareil et l’air est le support de chemin d’accès de flux dominant.
- En utilisant le RLC, mesurer l’inductance de la bobine fournie à 120 Hz et 1000 Hz.
- Placez l’inductance dans le circuit représenté à la figure 1, qui doivent rester intacts de la partie précédente de l’expérience.
- Vérifier une sonde de tension différentielle et une sonde de courant pour aucun décalages avec la sonde de courant connectée sur le canal 1 et la sonde de tension connectée sur le canal 2.
- Noter les facteurs d’échelle pour la sonde différentielle sur la sonde elle-même et sur la portée. La valeur de la sonde différentielle à 1/20 pour une meilleure résolution.
- La valeur de la sonde de courant à 100 mV / A sur la sonde elle-même et 1 X sur la portée. N’oubliez pas que ces facteurs d’échelle doivent servir à faire des calculs en utilisant des mesures ou des données de capture pour une analyse plus approfondie.
- Définissez la fonction générateur de sortie (connecteur 50 Ω de la sortie BNC) à 10 V crête et forme d’onde sinusoïdale à 1000 Hz. Observer la forme d’onde à l’aide de la sonde de tension différentielle.
- Laisser le générateur de fonction même quand vous êtes déconnecté, mais éviter de court-circuiter ses bornes. Éteindre le générateur de fonction réinitialise les paramètres nombreux.
- Brancher le courant et tension des sondes pour mesurer vC et i.
- Vérifier le circuit et assurez-vous que les connexions sont comme désiré.
- Connectez l’appareil au circuit.
- Prendre une capture d’écran du courant mesuré et tension avec au moins trois périodes montrés en plus de la crête ou de la valeur efficace du signal mesuré.
- Dans le menu « Affichage » sur le champ d’application, changer le format d’affichage de « Yukon » à « XY ».
- Observer la courbe de B-H en ajustant le canal 1 et les boutons de réglage vertical 2 canaux jusqu'à ce que la courbe s’adapte à l’écran de portée.
- Afin de voir une courbe plus stable, utilisez l’option « persistent » dans le menu Affichage avec une valeur de 1 ou 2 s.
- Prendre un screenshot de la courbe de B-H mesurée.
- Régler la fréquence de générateur de fonction à 120 Hz et de reprendre la capture d’écran de la courbe B-H après avoir réglé les paramètres de la courbe au besoin.
- Éteignez l’appareil et démonter le circuit.
3. B-H courbe d’un transformateur de 60 Hz
Le transformateur utilisé dans cette démonstration] procéder vers le bas de 115 V RMS 24 V RMS, mais ne peut être utilisé pour la caractérisation de courbe de B-H dans cette expérience, ainsi que les terminaux V RMS 120 sont utilisées. Les dimensions du transformateur sont indiquées sur la Fig. 3.
- En utilisant le RLC, mesurer l’inductance du 115 V-côté enroulement à 120 Hz (le plus proche de la nominale 60 Hz).
- Assurez-vous que l’interrupteur-sectionneur moteur triphasé est en position d’arrêt.
- Connectez le câble triphasé pour le VARIAC.
- Construire le circuit représenté sur la Fig. 4. Avoir le transformateur s’asseoir sur le côté de la proto-Conseil. Utilisez des câbles de banane d’installer AC1 et N entre le thyristor et le proto-Conseil.
- Assurez-vous que le thyristor est fixé à 0 %.
- Vérifier une sonde de tension différentielle et une sonde de courant pour aucun décalages avec la sonde de courant connectée sur le canal 1 et la sonde de tension connectée sur le canal 2.
- Noter les facteurs d’échelle pour la sonde différentielle sur la sonde elle-même et sur la portée. Mettre la sonde différentielle mise à l’échelle 1/200.
- La valeur de la sonde de courant à 100 mV / A sur la sonde elle-même et 1 X sur la portée. N’oubliez pas que ces facteurs d’échelle doivent être utilisée lorsque vous effectuez des calculs.
- Brancher le courant et tension des sondes pour mesurer vC et i.
- Vérifier le circuit.
- Allumez l’interrupteur-sectionneur moteur triphasé et réglez progressivement le VARIAC jusqu'à atteindre 90 %.
- Prendre une capture d’écran du courant mesuré et tension avec au moins trois périodes montrés en plus de la crête ou de la valeur efficace du signal mesuré.
- Dans le menu « Affichage » sur le champ d’application, changer le format d’affichage de « Yukon » à « XY ».
- Observer la courbe de B-H en ajustant le canal 1 et les boutons de réglage vertical 2 canaux jusqu'à ce que la courbe s’adapte à l’écran de portée.
- Afin de voir une courbe plus stable, utilisez l’option « persistent » dans le menu Affichage avec une valeur de 1 ou 2 s.
- Prendre un screenshot de la courbe de B-H mesurée.
- Restaurer le thyristor à 0 %, tournez l’interrupteur éteint et démonter le circuit.
Figure 3 : Dimensions du noyau du transformateur. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Test de circuit pour déterminer la courbe de B-H d’un transformateur de 60 Hz. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Éléments magnétiques, tels que les inductances ou transformateurs, ont des propriétés caractéristiques qui dépendent du matériau magnétique, formant le noyau à l’intérieur de la bobine. Lorsque le courant circule dans une bobine d’inductance ou transformateur, il crée un champ magnétique. La capacité du matériel du noyau pour contenir le champ magnétique, appelé sa perméabilité, détermine l’intensité du champ, appelé sa force magnétisante. La force magnétisante produit alors le flux magnétique dans le noyau de l’inducteur. Inductances et transformateurs, la relation entre magnétisant la vigueur et la densité de flux est définie comme le flux magnétique à travers une section transversale et peut être analysée à l’aide d’une courbe de B-H. La courbe de B-H décrit le matériel de noyau et identifie sa limite de saturation magnétique. Cela se produit lorsque supplémentaire courant dans les enroulements n’augmente plus les flux magnétique. Cette vidéo illustre la mesure des courbes de la BH pour les transformateurs et inductances et la caractérisation des enroulements de matériel et inducteur du noyau.
Une courbe de B-H montre la relation entre la densité de flux magnétique B et intensité du champ magnétique, H. Au départ, comme l’intensité du champ magnétique est augmentée, la densité de flux augmente aussi à une certaine valeur maximale. Après que ce point, toute augmentation de l’intensité du champ magnétique résultats aucune augmentation significative de la densité de flux magnétique et le matériel est considéré comme saturé. Matériaux magnétiques véritable pièce hystérésis que le matériau est magnétisé alternativement dans le sens positif et négatif. Cela implique que l’intensité du champ magnétique est réduite à zéro, un magnétisme résiduel reste. La zone à l’intérieur de la courbe de B-H est proportionnelle à la perte d’énergie que la matière est magnétisée dans le sens positif et négatif. Un matériau avec perte d’hystérésis inférieure, tels que l’acier, est couramment utilisé dans les noyaux de transformateur en raison de cette propriété. La courbe de B-H peut également être utilisée pour décrire la perméabilité d’un matériau, calculée comme le rapport de densité de flux magnétique à champ magnétique. Il est souvent lié à la perméabilité de l’espace libre et ainsi appelé perméabilité relative. Matériaux à très faible susceptibilité magnétique, comme le bois, ont une faible perméabilité relative. Alors que les matériaux avec une susceptibilité magnétique élevée, comme le fer, ont une haute perméabilité relative. Afin de créer une courbe de B-H, il faut d’abord déterminer la densité de flux, B. Pour ce faire, le taux de flux du changement est mesuré, qui est par rapport à la tension dans la bobine à l’aide de la Loi de Faraday. Cela peut être identifié à l’aide d’un simple circuit RC en parallèle avec la bobine. Pour plus d’informations sur ces calculs, veuillez consulter le protocole de texte. L’intensité du champ magnétique, ou H, se trouvent à l’aide d’ampère Law et variables mesurables, le courant dans la bobine, le nombre de tours de bobinage et la longueur moyenne du noyau. La courbe de B-H d’un matériau peut estimer à partir des mesures du courant et l’intégrale de temps de tension dans l’ensemble de l’élément. Lorsque le nombre de tours et les dimensions des éléments sont également connues, ceux-ci peuvent être redimensionnées pour les quantités réelles. Maintenant, nous allons démontrer comment mesurer la perméabilité relative et calculer des courbes B-H.
Dans ces expériences, trois composants magnétiques sont mesurées, un petit inducteur avec un noyau en ferrite, un inducteur plus grand noir avec un nombre inconnu de tours et un transformateur de 60 Hz. Commencez par l’inducteur de petite dimensions comme indiqué et un nombre de virages sinueux de 75. Tout d’abord, mesurez inductance de la bobine à 120 et 1 000 Hz à l’aide d’un compteur LCR. Deuxièmement, construire le circuit comme indiqué, gardant le générateur de fonctions de sortie à 50 ohms et la BNC Connecteur câble déconnecté. Ensuite, connecter les sondes courants et tension différentielle et vérifiez qu’il n’y a aucune compensation. Affectez la sonde différentielle 120e pour la meilleure résolution. Enfin, mettre la sonde de courant à 100 millivolts par ampère sur la sonde et 1 x sur la portée. Et notez ces facteurs d’échelle pour les calculs ultérieurs. Régler la sortie de générateur de fonction à une forme d’onde de soto 1 000 Hz sinus avec un pic de 10 volts. Mesurer les VC et j’ai, connecter le générateur de fonction et vérifiez que toutes les connexions du circuit sont comme indiqué. Ensuite, enregistrer le courant mesuré et la tension. Enfin, changer le format d’affichage oscilloscope de yt à xy pour afficher la courbe de B-H. Réglez le canal un et les boutons de réglage vertical canal deux jusqu'à ce que la courbe s’adapte à l’écran de portée. Ensuite, stabiliser la courbe en définissant l’option persistent pour l’affichage. Et puis, prendre une capture d’écran de la courbe. Enfin, réglez la fréquence de générateur de fonction à 120 Hz et de reprendre la capture d’écran de la courbe B-H après avoir réglé les paramètres de la courbe au besoin. Enfin, débranchez l’appareil et retirez l’inducteur. Le reste du circuit de garder intact.
Pour déterminer le nombre de tours pour l’inducteur plus grande, nous allons tout d’abord mesurer sa courbe de B-H. Afin de simplifier les calculs, suppose que le cœur est un cœur tout-air. Tout d’abord, mesurez inductance de la bobine à 120 et 1 000 Hz à l’aide de la RLC. Ensuite, placez l’inductance dans le circuit RC. Mesurer la courbe de B-H pour l’inducteur plus gros à l’aide de la procédure décrite pour le petit inducteur. Observer et de consigner le courant mesuré et la tension. Afficher la courbe de B-H. Régler la fréquence de générateur de fonction à 120 Hz et ajuster les paramètres de la courbe, tel que requis.
Transformateurs monophasés sont constitués de deux enroulements couplées par un noyau magnétique. Ici, la courbe de B-H pour 60Hz transformateur est mesurée. En utilisant le RLC, mesurer l’inductance du bobinage à 120Hz côté 115 volts. Ensuite, monter le circuit en branchant AC1 et N de la transfo variable sur le côté primaire du transformateur à travers le circuit de protoboard à l’aide de câbles de banane. Ajuster les facteurs d’échelle et fonction des paramètres de générateur comme décrits précédemment. Avec le transfo variable à 90 pour cent, mesurer le courant et la tension. Puis, afficher et enregistrer la courbe de B-H.
Si le nombre de spires de la bobine, base de moyenne longueur et section transversale est connu, puis l’inductance de la bobine est mesurée directement, et on peut calculer la perméabilité relative. Par ailleurs, une courbe de B-H mesurée peut être utilisée pour déterminer la perméabilité relative d’un élément puis calcule le nombre de spires de la bobine. Dans la région linéaire de la courbe de B-H, on trouvera la perméabilité relative de la pente. À l’aide de perméabilité relative, et étant donné que les dimensions de l’inductance et la base sont connues, le nombre de tours peut être facilement calculé en utilisant la relation suivante.
Inductances et autres dispositifs électromagnétiques, comme les transformateurs, sont communs dans de nombreux systèmes électriques, électroniques et mécaniques. Le réseau électrique fournit de l’électricité aux consommateurs par la distribution d’électricité de haute tension sur de longues distances par l’intermédiaire de lignes de transmission. Des tensions élevées sont nécessaires sur de longues distances pour compenser les pertes d’énergie. Les transformateurs sont utilisés sur des lignes électriques à démissionner de la tension de transmission supérieure à des niveaux inférieurs, nécessaires dans les stations de distribution et de fourniture de l’utilisateur final. Transformateurs de transfert d’énergie par induction électromagnétique, permettant à l’étape contrôlée vers le bas des tensions alternatives. Ils sont généralement conçus avec pivots en acier en raison du point de saturation magnétique élevé de l’acier. L’aimant du stator induit un champ magnétique tournant dans le rotor entraînant le rotor à tourner. En effet, le stator est l’enroulement primaire d’un transformateur et la cage d’écureuil, l’enroulement secondaire. Moteurs à induction AC sont utilisés dans une grande variété d’applications. Le moteur se compose d’un aimant externe plaie stationnaire et le noyau ferromagnétique interne du rotor. En règle générale, un arrangement cylindrique de barres conductrices formant la cage d’écureuil.
Vous avez juste regardé Introduction de JoVE à la caractérisation de composants magnétiques. Vous devez maintenant comprendre comment, à mesure B-H, courbes d’inductances et de transformateurs, tout en identifiant inconnu conçoivent des facteurs tels que la perméabilité relative et tourner numéros. Merci de regarder.
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Results
Afin de trouver la perméabilité relative du matériel du noyau, deux approches peuvent être utilisées. La première approche consiste à utiliser un RLC, où l’inductance (L) d’une bobine avec un nombre de tours (N) est mesurée, et puis la perméabilité relative peut être calculée comme suit :
Réticence du noyau : 
(7)
La perméabilité relative (µr) est donc :
(8)
où µo est la perméabilité du vide, l est la longueur moyenne de base en m, et A est l’aire transversale de noyau en m2.
Par exemple, si un noyau toroïdal est utilisé avec un rayon interne r1= 1 cm, un rayon externe r2= 2 cm, une section transversale de 1 cm2et la LCR meter lectures 1 µH à 10 tours, puis :
l= 2π (r2-r,1) = 2π cm, 
et µr= 50 000.
La deuxième méthode utilise la courbe de B-H mesurée. Dans la région linéaire, qui peut être visible ou par approximation, on trouvera la perméabilité relative de la pente (B = µrµoH) pour chaque fréquence. Pour trouver les valeurs de B et H , l’échelle appropriée doit être effectuée pour sonde facteurs et éléments de circuits dimensions essentielles à l’aide de mesures antérieures.
Dans une approche similaire à la recherche de la perméabilité relative, on trouvera le nombre de spires si la perméabilité relative est inconnue. Ceci peut être réalisé en manipulant les équations précédentes pour trouver N.
Pour les ferrites, µr est l’ordre de plusieurs milliers, tandis que pour les alliages d’acier et d’acier, µr est de l’ordre des dizaines ou des centaines.
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Applications and Summary
Même si les inducteurs et autres appareils électromagnétiques (p. ex., transformateurs) sont très courantes dans de nombreux systèmes électriques, électroniques et mécaniques, achetant des inductances pour une application spécifique n’est pas triviale. Même quand on achète un inducteur, fiche information peut encore avoir des ambiguïtés sur le matériel réel, nombre de tours et d’autres détails. Les tests de cette expérience sont particulièrement utiles pour les ingénieurs et techniciens qui ont l’intention de construire leurs propres inducteurs ou caractériser ceux sur étagère. Ceci est fréquent avec les applications d’électronique de puissance (p. ex., convertisseurs DC/DC) ainsi que des applications de lecteur de moteur électrique (p. ex., inductances de filtre AC) lorsque plus d’informations sont souhaitées sur l’inducteur dans la main.
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