Исследование магнитных материалов осциллографическим методом

                          1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1 Исследовать магнитные свойства сердечника трансфор-матора напряжения из феррита.

1.2 Исследовать магнитные свойства сердечника трансфор-матора напряжения из электротехнической стали.

В результате выполненной работы студент должен:

знать - основные свойства, преимущества и недостатки, область применения магнитных материалов, магнитные характерис-тики, размерности магнитных параметров;

уметь - анализировать характеристики магнитных материалов с целью их сравнения, правильно выбрать материал для конкретного применения.

ПОЯСНЕНИя К РАБОТЕ

Лабораторная работа выполняется на установке (см.рис.2.1), которая состоит из электронного осциллографа (на схеме не показан), двух исследуемых трансформаторов TV1 и TV2 с сердечниками из феррита и электротехнической стали, автотрансформатора Т1, автома-тического выключателя QF, промежуточного реле 1KV, реле напря-жения 2KV, измерительных приборов PA, PV1 и PV2, сигнальных ламп HL1 и HL2, трансформатора Т2 для питания сигнальных ламп HL1 и HL2, резисторов RR1, RR2, RR3, интегрирующей цепи RR4 - C.

Падение напряжения на резисторе RR3, пропорциональное напряженности магнитного поля (Н) в сердечниках трансформаторов TV1 или TV2, подается на пластины "X" осциллографа, а напряжение на конденсаторе С интегрирующей цепи RR4 - C, пропорциональное величине индукции (В) в сердечниках трансформаторов TV1 или TV2, подается на пластины "Y" осциллографа. Регулирование напряжения, которое подается на схему, осуществляется автотрансформатором Т1. При напряжениях от 0 В до 50 В исследуется трансформатор TV1 с сердечником из феррита. При напряжениях от 50 В до 100 В исследуется трансформатор TV2 с сердечником из электротехнической стали. Переключение трансформаторов TV1 и TV2 осуществляется автоматически с помощью реле напряжения 2KV и промежуточного реле 1KV при достижении на выходе автотрансформатора Т1 вели-чины напряжения порядка 50 В. Момент переключения фиксируется по загоранию сигнальной лампы HL2.

УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ТБ

3.1 Перед включением лабораторной установки рукоятку автотрансформатора Т1 поставить в исходное положение, вращая ее против часовой стрелки до упора. Подачу напряжения осуществлять только в присутствии преподавателя.

3.2 Включить тумблер "сеть" на осциллографе и прогреть его.

3.3 Рукоятку регулятора "диапазон частот" поставить в поло-ження "выкл.".

3.4 Рукоятки регуляторов "усиление" по входам на пластины осциллографа "X" и "Y" поставить в положение "0".

 

Рисунок 2.1 - Схема для исследования магнитных свойств сердечников трансформато-ров TV1 и TV2

 

3.5 Регуляторами положения луча выставить светлую точку в центр экрана осциллографа и отрегулировать яркость свечения. При необходимости откорректировать фокусирование луча.

3.6 Включить тумблером SA1 (на схеме не показанный) сетевой разделительный трансформатор.

3.7 Включить автоматический выключатель QF на панели лабораторной установки. При этом загорается сигнальная лампа HL1.

3.8 Наложить кальку или другой прозрачный материал на экран осциллографа для зарисовки изображения петли гистерезиса.

3.9 В присутствии преподавателя, постепенно увеличивая величину напряжения U₁ автотрансформатором Т1 и регулируя усиление по входам на пластины "X" и " Y " осциллографа, получить четкое изображение петли гистерезиса.  

 

3.10 При установленных коэффициентах усиления осцилло-графа в пределах изменения напряжения U₁ от 10 В до 50 В, используя при этом вольтметр PV1, зарисовать на кальку с экрана осциллографа семейство из 4-5 петель гистерезиса для исследуемого сердечника трансформатора напряжения TV1 из феррита. Для каждого фиксиро-ванного напряжения U₁ одновременно регистрируются показания приборов РА и PV2. Полученные данные заносятся в протокол.

3.11 Не меняя усиление на входах осциллографа автотранс-форматором Т1 увеличить напряжение U₁ до величины более 50 В. При этом срабатывают реле напряжения 2KV и промежуточное реле 1KV, с помощью которого отключается трансформатор TV1 и подклю-чается к источнику питания трансформатор TV2 с сердечником из электротехнической стали, одновременно гаснет сигнальная лампа HL1 и загорается сигнальная лампа HL2.

3.12 В пределах изменения напряжения U₁ от 50 В до 100 В зарисовать на кальку с экрана осциллографа семейство из 4-5 петель гистерезиса для исследуемого сердечника трансформатора TV2 из электротехнической стали. Для каждой петли гистерезиса записать показание приборов, как и в п. 3.10.

3.13 После выполнения работы рукоятку автотрансформатора Т1 поставить у положения "0", отключить автоматический выключа-тель QF и все тумблеры управления.

3.14 Результаты измерений и расчетов занести в табл. 3.1.

 

 

Таблица 3.1 - Исследование магнитных свойств сердечников трансформаторов напряжения

Наименование исследуемого образца	Измерено			Рассчитано
	U1	U2	I1	Bm	Hm	mr	mrн	mrm	Pуд
	В	В	А	Тл	А/м	-	-	-	Вт/кг
Трансформатор TV1
Трансформатор TV2

 

Примечание. Полученные расчетные значения В_m; Н_m; m_rн; m_rm; P_уд  сопоставить с аналогичными данными, которые приводятся в учебнике или справочной литературе для исследуемых магнитных материалов.

РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ И ДРУГИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

4.1 Расчет напряженности  внешнего магнитного поля в исследуемых сердечниках приизводить по формуле:

, А/М,

где I₁ - действующее значение тока в первичной обмотке W₁ исследуемого трансформатора напряжения, А;

W₁ - число витков первичной обмотки;

      - длина средней магнитной силовой линии в исследуемом сердечнике трансформатора напряжения, м.

4.2  Расчет значения магнитной индукции  в сердечниках призводить по формуле:

, Тл,

где  - действующее значение напряжения на вторичной обмотке W₂ исследуемого трансформатора, В;

f = 50 Гц - частота тока;

 - число витков вторичной обмотки;

S_c – площадь сечения исследуемого сердечника, м ².

4.3 Расчет относительной магнитной проницаемости m_r для полученных значений  и  приизводить по формуле:

где - магнитная постоянная или магнитная проницаемость вакуума, Гн/м;

 - расчетное значение магнитной индукции, Тл;

- расчетное значение напряженности внешнего магнитного поля, А/м;

 - абсолютная магнитная проницаемость ферромаг-нетика в данных условиях, Гн/м.

 Для построения зависимости  для каждого из сердечников необходимо также рассчитать два характерных для нее параметра: начальную (  ) и максимальную (  ) относи-тельные магнитные проницаемости. Значение  можно определить по основной кривой намагничивания, то есть по кривой  , которая строится по расчетным значениям и , или через вершины снятых симметричных петель гистерезиса, включая точку начала координат (кривая ОД),  как показано на рис. 4.1.

     

где ;  - максимальные значения магнитной индукции и напря-женности внешнего магнитного поля для граничной петли гисте-резиса;

             ±В_Г  -  остаточная магнитная индукция; ±Н_С – коэрцитивная сила;

        х;у - координаты точки D на основной кривой намагничивання (в мм), которым соответствуют значения Н_m и В_m для предельной петли гистерезиса;

   - масштабный коэффициент по оси Н, ;

    - масштабный коэффициент по оси В,  ;

   1 -основная кривая намагничивания; 2-средняя кривая намагничивания; 3 - предельная петля гистерезиса.

 

 

Рисунок 4.1 - Семейство петель гистерезиса для исследуемого магнитного материала

 

Максимальная относительная магнитная проницаемость  прямо пропорциональна tg a между осью абсцисс и касательной ОК к основной кривой намагничивания  , проведенной из нача-ла координат (см. рис. 4.2).

         

  где OD - основная кривая намагничивания; ОК - касательная к кривой OD;

α - угол между осью абсцисс (осью Н) и касательной ОК;

          Х_m;У_m - координаты точки m (мм), которым соответствуют напряженность внешнего магнитного поля Н_{m m} и магнитная индукция В_{m m}

 

Рисунок 4.2 - Пример построения касательной ОК к основной кривой намагничивания OD

                

           Рисунок 4.3 - Примерная зависимость

Расчет максимальной относительной проницаемости  привизодить по формуле:

где ;  - координаты точки m (см. пояснения на рис. 4.2)

          ;  - масштабные коэффициенты по осям абсцисс и ординат (см. пояснения на рис. 4.1)

 Для практических расчетов начальной магнитной проницаемости m_rн необходимо воспользоваться установленным соотношением:

откуда

           где В_r^* - рекомендованная остаточная магнитная индукция, Тл

         (для электротехнической стали рекомендованное значение    В_r^* = (0,1÷0,2) Тл;    для феррита рекомендованное значение В_r^* = (0,01÷0,05) Тл);

       Н_с — коэрцитивная сила для предельной петли гістерезиса, А/м      (определяется по осциллограмме петли гистерезиса с учетом рассчитанного масштабного коэффициента, то есть , (см. рис. 4.1).

Примечание. Примерная зависимость  приведе-на на рис. 4.3 с указанием характерных относительных магнитных проницаемостей  и  , которые относятся к паспортным данным ферромагнетика.

 

4.4 Расчет удельных потерь в исследуемых сердечниках трансформаторов напряжения производить по формуле:

, Вт/кг,

где . - площадь предельной петли гистерезиса, мм²;

- масштабные коэффициенты по осям абсцисс и ординат (см. рис.4.1);

f = 50 Гц - частота напряжения источника питания;

γ - плотность материала сердечников трансформаторов напряжения, кг/ м ³ (см. п.5).

Площадь предельной петли гистерезиса можно определить, если перенести осциллограмму этой петли с кальки на милиметровую бумагу и рассчитать количество мм², охваченных этой петлей. Для облегчения определения площади предельной петли гистерезиса S_n.r.. для сердечника трансформатора из электротехнической стали можно рекомендовать воспользоваться следующим методом:

1) соединить точку D прямыми с точками + В_г и -В_г и получить треугольник KLD, как показано на рис. 4.4;

2) сместить начало координат петли гистерезиса в точку 2, принимая что указанная петля гистерезиса размещена строго симметрично относительно осей В и Н;

3) определить координаты точек К.1; К.2; К.3, которые соответствуют вершинам треугольника К; L; D во вновь введенной системе координат: К.1 (х₁; y₁); К.2 (x₂.: у₂); К.3 (x₃; y₃), где х и у значение координат в мм.

           Расчет S_n._r. произвести по формуле:

, мм²

 

Погрешность определения S_n._r при правильно выполненных построениях не превышает 5-10 %.

 

Рисунок 4.4 - Построения для определения площади предельной петли гистерезиса S_{n.r .} графоаналитическим методом