Caractérisation des composants magnétiques

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.

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,

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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,

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La densité de flux (B) est également définie comme,

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qui peut donc être écrite comme,

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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 >> X_C sur la fréquence de fonctionnement alors que v_R≈v. À l’aide de cette hypothèse, mesurer la tension condensateur v_C 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,

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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.

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.

1. À l’aide d’un RLC, mesurer l’inductance de la bobine à 120 Hz et 1000 Hz.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Brancher le courant et tension des sondes pour mesurer v_C et i.
9. Vérifier que le circuit est comme vous le souhaitez et que toutes les connexions sont conservées.
10. Connectez l’appareil au circuit.
11. 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.
12. Dans le menu « Affichage » sur le champ d’application, changer le format d’affichage de « Yukon » à « XY ».
13. 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.
14. Afin de voir une courbe plus stable, utilisez l’option « persistent » dans le menu Affichage avec une valeur de 1 ou 2 s.
15. Prendre un screenshot de la courbe de B-H mesurée.
16. 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.
17. 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.

1. En utilisant le RLC, mesurer l’inductance de la bobine fournie à 120 Hz et 1000 Hz.
2. Placez l’inductance dans le circuit représenté à la figure 1, qui doivent rester intacts de la partie précédente de l’expérience.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Brancher le courant et tension des sondes pour mesurer v_C et i.
9. Vérifier le circuit et assurez-vous que les connexions sont comme désiré.
10. Connectez l’appareil au circuit.
11. 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.
12. Dans le menu « Affichage » sur le champ d’application, changer le format d’affichage de « Yukon » à « XY ».
13. 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.
14. Afin de voir une courbe plus stable, utilisez l’option « persistent » dans le menu Affichage avec une valeur de 1 ou 2 s.
15. Prendre un screenshot de la courbe de B-H mesurée.
16. 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.
17. 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.

1. En utilisant le RLC, mesurer l’inductance du 115 V-côté enroulement à 120 Hz (le plus proche de la nominale 60 Hz).
2. Assurez-vous que l’interrupteur-sectionneur moteur triphasé est en position d’arrêt.
3. Connectez le câble triphasé pour le VARIAC.
4. 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.
5. Assurez-vous que le thyristor est fixé à 0 %.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. Brancher le courant et tension des sondes pour mesurer v_C et i.
10. Vérifier le circuit.
11. Allumez l’interrupteur-sectionneur moteur triphasé et réglez progressivement le VARIAC jusqu'à atteindre 90 %.
12. 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.
13. Dans le menu « Affichage » sur le champ d’application, changer le format d’affichage de « Yukon » à « XY ».
14. 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.
15. Afin de voir une courbe plus stable, utilisez l’option « persistent » dans le menu Affichage avec une valeur de 1 ou 2 s.
16. Prendre un screenshot de la courbe de B-H mesurée.
17. 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.

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 (µ_r) est donc :

(8)

où µ_o 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 µ_r= 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 = µ_rµ_oH) 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, µ_r est l’ordre de plusieurs milliers, tandis que pour les alliages d’acier et d’acier, µ_r est de l’ordre des dizaines ou des centaines.

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.