Визначення динамічних характеристик матеріалів за допомогою ватметра, амперметра та вольтметра

Одним із методів визначення динамічних характеристик магнітних матеріалів є метод ватметра, амперметра та вольтметра [1, с. 564]. Цей метод є найпростішим, його в основному використовують у звуковому діапазоні частот, проте можливим є його використання з відповідними приладами і на частотах до 200 кГц.

Метод амперметра, вольтметра і ватметра базується на законі електромагнітної індукції. Для визначення динамічної кривої намагнічення В_m= f(H_m) на досліджуваний зразок із феромагнітного матеріалу (рис.6.1) намотують дві обмотки: намагнічувальну з кількістю витків w₁ і вимірювальну з кількістю витків w₂.

На рис. 6.1 представлено схеми визначення динамічних характеристик магнітних матеріалів: без (а) та з використанням вимірювального трансформатора струму (б).

При намагнічуванні зразка в режимі не синусоїдної індукції і синусоїдної напруженості (див.п.2.1), амплітудне значення напруженості магнітного поля H_m можна визначити на підставі закону повного струму:

А/м (6.9)

де І_1m, І₁ – амплітудне та середньоквадратичне значення намагнічувального струму.

 

а)

 

б)

Рис. 6.1 Схеми визначення динамічних характеристик матеріалів: без (а) або з використанням вимірювального трансформатора струму (б).

 

Для визначення амплітудного значення магнітної індукції В_m необхідно виміряти середньовипрямлене значення е.р.с. U ₂ в обмотці w₂:

, (6.10)

де f – частота намагнічувального струму (50 Гц); S – площа поперечного перерізу зразка, м². Для вимірювання середньовипрямлених значень е.р.с. U_{2 ,сер} необхідно використовувати вольтметр середньовипрямлених значень.

Оскільки вольтметром вимірюється не е.р.с., а спад напруги U₂ на обмотці w₂, то необхідно врахувати споживання струму вольтметром і напруговим колом ватметра, тобто формула (6.10) трансформується в:

, (6.11)

де – активний опір обмотки w₂,Ом; – повний активний опір кола вимірювання напруги, Ом; – опір вольтметра, Ом; – опір кола напруги ватметра, Ом.

Для вимірювання е.р.с. U₂, яка має синусоїдну форму, можна використати вольтметр середньоквадратичних значень, тоді значення магнітної індукції В_m:

, (6.12)

де – коефіцієнт форми, який пов’язує середньоквадратичне та середньовипрямлене значення напруги (для синусоїди = 1,11).

Потужність втрат на перемагнічування матеріалу, яка складається із втрат на гістерезис, вихрові струми, магнітну в’язкість вимірюють за допомогою ватметра (рис.6.1).

Потужність втрат феромагнітного зразка при вимірюванні за схемою (рис.6.1,а) визначають як:

, (6.13)

де Р_W – показ ватметра, Вт, – потужність, споживана вимірювальними приладами (вольтметром та колом напруги ватметра).

Потужність втрат феромагнітного зразка при вимірюванні за схемою (рис.6.1,б) визначають як:

, (6.14)

де – номінальне значення коефіцієнта трансформації вимірювального трансформатора струму.

Отже, якщо визначити споживану вимірювальними приладами потужність, то можна ввести поправку на систематичні відхилення до показу ватметра і, отже, скорегувати результат вимірювання потужності втрат.

Питомі втрати визначають за формулою:

, (6.15)

де m – маса досліджуваного зразка, кг (її можна визначити за формулою , знаючи l_сер, S і густину матеріалу зразка, для заліза = =7800кг/м³).

Потужність, виміряна аналоговим ватметром:

, (6.16)

де N_W – відлік по шкалі ватметра; C_W – стала ватметра, Вт;

Сталу ватметра розраховують за формулою

, (6.17)

де U_kw, I_kw – границі вимірювання ватметра за напругою і струмом; cosφ_нw – номінальний коефіцієнт потужності ватметра; N_{w, max}– максимальний відлік по шкалі ватметра (зазвичай N_{w, max} =150).

Найпоширеніші однофазні лабораторні ватметри мають такі характеристики:

– діапазони вимірювання: за напругою U_kw = 30; 75; 150; 300; 450; 600 В;

– за струмом I_kw = 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2,5; 5; 10 А;

– cosφ_нw = 1; 0,1;

– клас точності – 0,1; 0,2; 0,5;

- максимальний відлік по шкалі ватметра N_{w, max} =150.

Ватметри, в яких cosφ_нw = 0,1, називають малокосинусними і використовують переважно для вимірювання потужності при cosφ_x ≤0,5. При cosφ_x >0,5 використовують ватметри з cosφ_нw = 1.

Безпосереднє ввімкнення ватметра в коло споживача за схемами рис. 6.1,а використовують, коли значення струмів і напруг є до 10 А і 600 В відповідно. Якщо струм споживача перевищує межу вимірювання ватметра за струмом, або, навпаки, і значно меншим від неї використовують схему з вимірювальним трансформатором струму (ВТС), зображену на рис. 6.1,б.

Використовуючи схему рис. 6.1,б, виміряне значення потужності втрат досліджуваного зразка Рв і струму I_х знаходять, враховуючи номінальне значення коефіцієнта трансформації k_I,ном ВТС:

, (6.18)

, (6.19)

де С_W, N_W, Р_W – відповідно cтала, відлік і показ ватметра; С_A, N_A, I_A – стала, відлік і показ амперметра.

У лабораторних ВТС номінальні струми:

I_1,ном = 0,5; 1; 2; 2,5; 5; 7,5; 10; 15; 20; 25; 50; 75; 100...3000 А.

I_2,ном = 5 А (рідко 1 А).

Номінальне значення коефіцієнта трансформації ВТС:

, (6.20)

де I_1,ном, I_2,ном – номінальні значення первинного і вторинного струмів ВТС.

Внаслідок різниці між номінальним і реальним коефіцієнтами трансформації ВТС виникає струмова похибка коефіцієнта трансформації f_i, і якщо значення струму у вторинній обмотці ВТСлежить в межах (0,5…1) I_2,ном, то можна прийняти, що , де с – клас точності ВТС.

Вибір необхідного значення k_I,ном практично зводиться до вибору номінального значення первинного струму I_1,ном, з умови I_1,ном ≥ І_x.

ВТС можна використовувати як для пониження (наприклад, k_I,ном = =20А/5А), так і для підвищення (наприклад, k_I,ном = 1А/5А) струму, що протікає в колі ватметра. Границя вимірювання ватметра за струмом І_kW в цьому випадку не повинна бути менша від значення струму I_А (рис. 6.1,б)

(6.21)

Затискачі первинної обмотки ВТС позначають Л1–Л2, а вторинної – И1–И2.