Charakterisierung von magnetischen Komponenten

Quelle: Ali Bazzi, Department of Electrical Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT.

Das Ziel dieses Experiments ist es, praktische Erfahrungen mit verschiedenen magnetischen Komponenten aus Design und Material Perspektiven zu erreichen. Dieses Experiment umfasst B-H-Kurven aus magnetischem Material und Induktor Design durch Identifizierung von unbekannten Designfaktoren. Die B-H-Kurve ein magnetisches Element, wie z. B. ein Induktor oder Transformator, ist ein Merkmal des magnetischen Materials bilden den Kern, um den Wicklungen gewickelt werden. Diese Eigenschaft enthält Informationen über die magnetische Flussdichte, die der Kern in Bezug auf den Strom in den Wicklungen verarbeiten kann. Darüber hinaus Informationen über Grenzen, bevor der Kern magnetisch, d.h. gesättigt ist wenn mehr Strom durch die Spule schieben zu Stromstille weitere magnetische Fluss führt.

Die B-H-Kurve kann mit einer einfachen Schaltung identifiziert werden. (H) ist mit Ampere Gesetz, die Intensität des magnetischen Flusses proportional zum Strom in einer Spule; zum Beispiel für eine einzelne N-Spule trägt einen Strom (ich) umwickelt einen Kern der durchschnittlichen Länge (l) und Querschnittsfläche (A), Ampere Gesetz Erträgen, drehen

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Darüber hinaus kann die Spannung über der Spule (V) durch die Flux-Rate der Veränderung Dφ/dt mit Faradaysches Gesetz bestimmt werden. Für die gleiche Spule, wie oben beschrieben,

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Die Flussdichte (B) wird auch als definiert,

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Das kann so geschrieben werden,

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Daher können einzuschätzen, die B-H-Kurve eines Materials, ich und das Zeitintegral V verwendet werden. Zurück zum eigentlichen B und H Mengen Skalierung ist möglich, wenn N, lund A bekannt sind.

Um das Zeitintegral des vzu messen, kann eine einfache RC Schaltung parallel mit der Spule werden verwendet (Abb. 1). Der R-C-Teiler müsste R >> X_C bei der Betriebsfrequenz so, dass V_R≈V. Mit dieser Annahme, gibt Messung der Kondensator Spannung V_C eine angemessene Annäherung an das Zeitintegral der V seit,

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Die negativen Vorzeichen gilt für Domäne Zeitanzeige aber sollte gelöscht werden, beim Umgang mit RMS und Peak Mengen, so ist es üblich, zu verwenden,

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Abbildung 1: Testen Schaltung zu bestimmen, die B-H-Kurve eines Induktors. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

1. relative Permeabilität Identifikation

Folgen Sie den Anweisungen um die relative Permeabilität der kleine Induktivität (gelb/weiß Ferritkern) zu finden. Die Kerndimensionen sind in Abb. 2 dargestellt, und die Anzahl der Windungen ist N= 75.

1. Messen Sie einen LCR-Meter die Induktivität des Induktors 120 Hz und 1000 Hz.
2. Die Schaltung in Abb. 1 auf einem Proto-Board zu bauen, aber die Funktion Generatorleistung getrennt aus dem Proto-Vorstand halten.
3. Überprüfen Sie eine differentielle Spannung-Sonde und eine Stromzange für keine Versätze mit der Stromzange auf Kanal 1 und die Spannung Sonde angeschlossen auf Kanal 2.
4. Beachten Sie die Skalierungsfaktoren für Differenzialfühler auf die Sonde selbst und über den Umfang. Legen Sie die Differenzialfühler auf 1/20 für eine bessere Auflösung.
5. Legen Sie den aktuellen Prüfpunkt auf 100 mV / A auf die Sonde selbst und 1 X auf den Anwendungsbereich. Denken Sie daran, dass diese Skalierungsfaktoren verwendet werden, wenn Berechnungen durchführen müssen.
6. Stellen Sie die Funktion Generator Ausgang 10 V Spitze und 1000 Hz sinusförmig Wellenform (50 Ω BNC Ausgang). Beobachten Sie die Wellenform, die mit der Sonde differentielle Spannung.
7. Abgeben Sie der Funktionsgenerator, selbst wenn getrennt, aber vermeiden Sie Kurzschließen der Klemmen. Der Funktionsgenerator ausschalten, wird viele Einstellungen zurückgesetzt.
8. Schließen Sie den Strom und Spannung-Sonden zur Messung V_C und i.
9. Überprüfen Sie, dass die Schaltung wie gewünscht und alle Verbindungen werden beibehalten.
10. Der Funktionsgenerator an den Stromkreis anschließen.
11. Mache einen Screenshot von dem gemessenen Strom und Spannung mit mindestens drei Perioden, die neben den Höhepunkt oder die RMS-Werte der gemessenen Signale gezeigt.
12. Ändern Sie im Menü "Anzeige" über den Umfang das Anzeigeformat von "YT" nach "XY".
13. Beobachten Sie die B-H-Kurve von Kanal 1 und Kanal 2 vertikale Einstellknöpfen einstellen, bis die Kurve den Umfang Bildschirm passt.
14. Um eine gleichmäßigere Kurve zu sehen, die Option "bestehen" aus dem Anzeigemenü bei einer Einstellung von 1 oder 2 s.
15. Mache einen Screenshot von der gemessenen B-H-Kurve.
16. Stellen Sie die Funktion Generator Frequenz von 120 Hz und wiederholen Sie den B-H-Kurve-Screenshot nach der Kurve einstellen, je nach Bedarf zu.
17. Der Funktionsgenerator lösen und Entfernen des Induktors. Den Rest der Strecke intakt zu halten.

Abbildung 2 : Dimensionen des kleineren Induktivität Kerns. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

2. ermitteln die Anzahl der Windungen

Die größere schwarze Induktivität (Bourns 1140-472K-RC) hat eine unbekannte Anzahl von Umdrehungen. Zur Vereinfachung der Berechnungen übernehmen Sie den Kern einer All-Luftkern Magnetventil mit einem Radius von 1,5 cm und 2,5 cm lang sein. Wenn diese Annahme nicht genommen wird, die Geometrie des Kerns wird müssen berücksichtigt werden und Berechnungen zu erschweren. Diese Annahme ist jedoch immer noch vernünftig gegeben, die mit einem Magnetventil Flussmittel hat Luft auf beiden Seiten des Geräts passieren und Luft ist das dominierende Flussmittel Pfad Medium.

1. Mit dem LCR-Meter, Messen Sie die Induktivität der bereitgestellten Induktivität bei 120 Hz und 1000 Hz.
2. Ort der Induktor in der Schaltung in Abb. 1 gezeigt, noch intakt aus dem vorherigen Teil des Experiments sein sollten.
3. Überprüfen Sie eine differentielle Spannung-Sonde und eine Stromzange für keine Versätze mit der Stromzange auf Kanal 1 und die Spannung Sonde angeschlossen auf Kanal 2.
4. Beachten Sie die Skalierungsfaktoren für Differenzialfühler auf die Sonde selbst und über den Umfang. Legen Sie die Differenzialfühler auf 1/20 für eine bessere Auflösung.
5. Legen Sie den aktuellen Prüfpunkt auf 100 mV / A auf die Sonde selbst und 1 X auf den Anwendungsbereich. Denken Sie daran, dass diese Skalierungsfaktoren verwendet werden müssen, wenn Berechnungen nutzen alle Messungen oder Daten zur weiteren Analyse erfasst.
6. Stellen Sie die Funktion Generator Ausgang 10 V Spitze und 1000 Hz sinusförmig Wellenform (50 Ω BNC Ausgang). Beobachten Sie die Wellenform, die mit der Sonde differentielle Spannung.
7. Abgeben Sie der Funktionsgenerator, selbst wenn getrennt, aber vermeiden Sie Kurzschließen der Klemmen. Der Funktionsgenerator ausschalten, wird viele Einstellungen zurückgesetzt.
8. Schließen Sie den Strom und Spannung-Sonden zur Messung V_C und i.
9. Überprüfen Sie die Schaltung, und stellen Sie sicher, dass Verbindungen wie gewünscht.
10. Der Funktionsgenerator an den Stromkreis anschließen.
11. Mache einen Screenshot von dem gemessenen Strom und Spannung mit mindestens drei Perioden, die neben den Höhepunkt oder die RMS-Werte der gemessenen Signale gezeigt.
12. Ändern Sie im Menü "Anzeige" über den Umfang das Anzeigeformat von "YT" nach "XY".
13. Beobachten Sie die B-H-Kurve von Kanal 1 und Kanal 2 vertikale Einstellknöpfen einstellen, bis die Kurve den Umfang Bildschirm passt.
14. Um eine gleichmäßigere Kurve zu sehen, die Option "bestehen" aus dem Anzeigemenü bei einer Einstellung von 1 oder 2 s.
15. Mache einen Screenshot von der gemessenen B-H-Kurve.
16. Stellen Sie die Funktion Generator Frequenz von 120 Hz und wiederholen Sie den B-H-Kurve-Screenshot nach der Kurve einstellen, je nach Bedarf zu.
17. Schalten Sie der Funktionsgenerator aus und zerlegen Sie die Schaltung zu.

(3) B-H-Kurve von einem 60 Hz-Transformator

Der Transformator in dieser Demonstration Schritte auf 115 V RMS auf 24 V RMS verwendet, sondern kann nur für die B-H-Kurve Charakterisierung in diesem Experiment verwendet werden, so werden nur die 120 V RMS Klemmen verwendet. Der Transformator-Dimensionen sind in Abb. 3 gezeigt.

1. Mit dem LCR-Meter messen die Induktivität der Wicklung bei 120 Hz 115 V-Seite (näher an der bewerteten 60 Hz).
2. Sicherstellen Sie, dass der drei-Phasen-Trennschalter ausgeschaltet ist.
3. Drehstrom-Kabel an den VARIAC.
4. Bauen Sie die Schaltung in Abb. 4 dargestellt. Haben Sie den Transformator auf der Seite der Proto-Vorstand sitzen. Verwenden Sie Banane Kabel zum AC1 und N aus dem VARIAC das Proto-Board herstellen.
5. Stellen Sie sicher, dass die VARIAC auf 0 % eingestellt ist.
6. Überprüfen Sie eine differentielle Spannung-Sonde und eine Stromzange für keine Versätze mit der Stromzange auf Kanal 1 und die Spannung Sonde angeschlossen auf Kanal 2.
7. Notieren Sie sich die Skalierungsfaktoren für Differenzialfühler auf die Sonde selbst und über den Umfang. Legen Sie die Skalierung auf 1/200 Differenzialfühler.
8. Legen Sie den aktuellen Prüfpunkt auf 100 mV / A auf die Sonde selbst und 1 X auf den Anwendungsbereich. Beachten Sie, dass diese Skalierungsfaktoren müssen bei Berechnungen verwendet werden.
9. Schließen Sie den Strom und Spannung-Sonden zur Messung V_C und i.
10. Überprüfen Sie die Schaltung.
11. Schalten Sie der Drehstrom-Trennschalter ein, und einstellen Sie langsam der VARIAC bis 90 % erreicht wird.
12. Mache einen Screenshot von dem gemessenen Strom und Spannung mit mindestens drei Perioden, die neben den Höhepunkt oder die RMS-Werte der gemessenen Signale gezeigt.
13. Ändern Sie im Menü "Anzeige" über den Umfang das Anzeigeformat von "YT" nach "XY".
14. Beobachten Sie die B-H-Kurve von Kanal 1 und Kanal 2 vertikale Einstellknöpfen einstellen, bis die Kurve den Umfang Bildschirm passt.
15. Um eine gleichmäßigere Kurve zu sehen, die Option "bestehen" aus dem Anzeigemenü bei einer Einstellung von 1 oder 2 s.
16. Mache einen Screenshot von der gemessenen B-H-Kurve.
17. Wiederherstellen Sie der VARIAC auf 0 %, schalten Sie den Trennschalter aus und zerlegen Sie die Schaltung zu.

Abbildung 3 : Dimensionen des Transformators Kerns. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 4 : Testen Schaltung zu bestimmen, die B-H-Kurve eines Transformators 60 Hz. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Um die relative Permeabilität des Kernmaterials zu finden, können zwei Ansätze verwendet werden. Der erste Ansatz ist zu verwenden eine LCR-Meter, die Induktivität (L) von einer Spule, die mit einer bekannten Anzahl von Umdrehungen (N) gemessen, wobei dann die relative Permeabilität kann wie folgt berechnet werden:

Zurückhaltung des Kerns: (7)

Die relative Permeabilität (µ-_R) ist also:

(8)

wo µ_o ist die Permeabilität des Vakuums, l ist die durchschnittliche Kernlänge in m und A ist die Kern-Querschnittsfläche in m².

Zum Beispiel wenn ein Ringkern, mit einer inneren Radius R_{1 verwendet wird}= 1 cm, einem Außenradius R₂= 2 cm, eine Querschnittsfläche von 1 cm²und der LCR Meter mal gelesen 1 µH für 10 Umdrehungen, dann:

l= 2π (R₂-R-₁) = 2π cm, , und µ_R= 50.000.

Die zweite Methode verwendet die gemessenen B-H-Kurve. In der linearen Region, die entweder sichtbar oder angenähert ist, die relative Permeabilität finden Sie von der Piste (B = µ_Rµ_oH) für jede Frequenz. Um B und H -Werte zu finden, sollte die entsprechende Skalierung für Sonde Faktoren, Schaltelemente und Kerndimensionen mit früheren Messungen durchgeführt werden.

In einem Ansatz ähnlich zu finden, die relative Permeabilität die Anzahl der Umdrehungen finden Sie wenn die relative Permeabilität unbekannt ist. Dies kann erreicht werden durch die Manipulation der vorherigen Gleichungen um Nzu finden.

Für Ferrite ist µ_R in der Größenordnung von mehreren tausend, während für Stahl und Legierungen, µ_f in der Größenordnung von Dutzenden oder Hunderten ist.

Obwohl Induktoren und andere elektro-magnetische Geräte (z.B. Transformatoren) in vielen elektrischen, elektronischen und mechanischen Systemen weit verbreitet sind, ist es nicht trivial, Induktoren für eine bestimmte Anwendung zu kaufen. Auch bei eine Induktivität gekauft wird, möglicherweise Datenblatt Informationen noch Unklarheiten auf dem Material, Anzahl der Windungen und andere Details. Die Tests in diesem Experiment eignen sich besonders für Ingenieure und Techniker planen, bauen ihre eigenen Induktoren oder handelsübliche diejenigen zu charakterisieren. Dies ist häufig bei Power-Elektronik-Anwendungen (z.B. DC/DC-Wandler) sowie Elektromotor Antriebsanwendungen (z.B. AC Filter Induktoren), wo weitere Informationen in der hand über den Induktor erwünscht.