Caracterización de componentes magnéticos

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.

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,

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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,

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La densidad de flujo (B) también se define como,

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así que se puede escribir como,

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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 >> X_C en la frecuencia de funcionamiento hasta que v_R≈v. Utilizando esta hipótesis, medición de la tensión del condensador v_C 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,

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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.

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.

1. Con un Medidor LCR, mida la inductancia del inductor de 120 Hz y 1000 Hz.
2. Construir el circuito en la figura 1 en un proto-board, pero mantener la salida del generador de función desconectada del proto-board.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Conecte la corriente y voltaje de las sondas para medir v_C y i.
9. Compruebe que el circuito es como desea y que todas las conexiones se mantienen.
10. Conecte el generador al circuito.
11. 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.
12. Desde el menú "Pantalla" en el ámbito de aplicación, cambiar el formato de presentación de "YT" a "XY".
13. 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.
14. Para ver una curva más estable, utilice la opción "persisten" en el menú de la pantalla a un ajuste de s 1 o 2.
15. Tomar una captura de pantalla de la curva de B-H medida.
16. 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.
17. 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.

1. Con el Medidor LCR, mida la inductancia del inductor proporcionado a 120 Hz y 1000 Hz.
2. Colocar el inductor en el circuito mostrado en la figura 1, que debe estar intacta de la parte anterior del experimento.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Conecte la corriente y voltaje de las sondas para medir v_C y i.
9. Controlar el circuito y compruebe que las conexiones como deseado.
10. Conecte el generador al circuito.
11. 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.
12. Desde el menú "pantalla" en el ámbito de aplicación, cambiar el formato de presentación de "YT" a "XY".
13. 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.
14. Para ver una curva más estable, utilice la opción "persisten" en el menú de la pantalla a un ajuste de s 1 o 2.
15. Tomar una captura de pantalla de la curva de B-H medida.
16. 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.
17. 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.

1. Usar el Medidor LCR, medir la inductancia 115 V-del lado de la bobina en 120 Hz (más cerca de lo 60 Hz nominal).
2. Asegúrese que el interruptor de desconexión trifásica esté en la posición de apagado.
3. Conecte el cable de corriente trifásica a la VARIAC.
4. 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.
5. Asegúrese de que el VARIAC se establece en 0%.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. Conecte la corriente y voltaje de las sondas para medir v_C y i.
10. Controlar el circuito.
11. Encienda el interruptor de desconexión trifásica y ajuste lentamente el VARIAC hasta llegar a 90%.
12. 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.
13. Desde el menú "Pantalla" en el ámbito de aplicación, cambiar el formato de presentación de "YT" a "XY".
14. 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.
15. Para ver una curva más estable, utilice la opción "persisten" en el menú de la pantalla a un ajuste de s 1 o 2.
16. Tomar una captura de pantalla de la curva de B-H medida.
17. 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.

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 (μ_r) es así:

(8)

donde μ_o 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 μ_r= 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 = μ_rμ_oH) 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, μ_r es del orden de varios miles, mientras que para las aleaciones de acero y, μ_r es del orden de decenas o cientos.

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.