Вимірювання магнітної проникності. Метод вольтметра – амперметра.

Це найпростіший і найдоступніший метод. Типова похибка вимірювання складає 10 … 15%. Для вимірів цим методом на досліджуваний сердечник внавал намотується котушка, що складається з двох обмоток, вимірювальної та намагнічує. Кількість витків у них некритично, і для спрощення їх можна мотати одночасно в два дроти. Сердечник повинен бути ретельно зібраний. Склеювати половини розрізних стрічкових сердечників не обов'язково, достатньо несильно стягнути підходящої струбциною. Для підвищення точності намагнічуються обмотка повинна мати мале опір. Вимірювальна обмотка повинна мати опір, принаймні, в 100 разів менше, ніж вхідний опір вольтметра. Найчастіше буває досить намотати по 50 … 70 витків проводом товщиною близько 1 мм для намагнічуються і 0,2 … 0,3 мм для вимірювальної.

Використання котушки з таким малим кількістю витків потребує малих напруг, близько 10 .. .30 В і великих струмів, до 3 .. .5 А. Це зручно з точки зору вимірювання струму в разі використання стрілочних приладів, адже магнітоелектричні амперметри мають велику погрішність при вимірюванні малих струмів. Однак, при цьому буде потрібно додатковий трансформатор Т2, який дозволить використовувати весь діапазон регулювання Латра, рис. 4.26. Увага! При використанні в якості вимірювальних приладів звукової карти комп'ютера додатковий ізолюючий трансформатор Т2 повинен бути присутнім обов'язково.

Рис. 4.26 а. Основна схема вимірювань параметрів трансформатора ТЗ.

Рис. 4.26 б. Схема з двома вольтметром.

Для цих цілей зручно використовувати уніфіковані понижувальні трансформатори серії ТН або ТПП, але найкраще підшукати понижуючий трансформатор, який призначений для роботи в мережі 380 В, наприклад, з серії ОСМ. Справа в тому, що ЛАТР та побутові трансформатори працюють при індукції, близької до насичення, при цьому напруга на вторинній обмотці має високий рівень гармонік. Це додатково знижує точність вимірювань. Трансформатор, розрахований на більш високу напругу на первинній обмотці, значно менше спотворює форму напруги. Якщо напруга на вторинній обмотці трансформатора додаткового складає U вольт, то орієнтовна кількість витків котушки намагнічує можна оцінити як wH = 30U / S, де S – переріз сердечника в квадратних сантиметрах. При досягненні

напруги, прикладеної до намагнічуються котушці (0,9 … 1,0) U, досліджуваний сердечник буде намагнічене до насичення, і тоді діапазон регулювання ЛАТР Т1 буде використано повністю. Можна рекомендувати напруга 24 В, як безпечне і зручне у вимірюваннях. На жаль, обійтися без автотрансформатора практично неможливо. Застосування потужних реостатів або інших способів регулювання струму не рекомендується. Активний опір в ланцюзі обмотки намагнічування змінює фазові співвідношення між струмом і напругою, а також призводить до сильних перекручень форми намагнічуються струму см. (4.40). З цієї ж причини опір шунта або рамки вимірювального приладу Ml повинно бути якомога меншим.

Як вже говорилося, наявність на сердечнику б / у трансформатора готових обмоток може полегшити завдання вимірювання. Як намагнічуються обмотки можна використовувати мережеву. При цьому додатковий трансформатор не знадобиться, але намагнітити сердечник до повного насичення не вдасться, навіть якщо ЛАТР має можливість підняти напругу до 250 В. Втім, для багатьох застосувань цілком достатньо отримати криву намагнічування до індукції 1,6 … 1,7 Тл. Кількість витків, що вимагається для обчислень, в цьому разі отримують при розмотуванні трансформатора. Якщо розмотувати первинну обмотку небажано, можна намотати пробну обмотку з невеликої кількості витків поверх наявної та розрахувати кількість витків первинної обмотки, вимірявши вихідна напруга отриманого трансформатора.

У разі потреби можна обійтися без амперметра. Струм намагнічування в цьому випадку вимірюють з падіння напруги на резисторі невеликої величини, рис. 4.26 б. Опір додаткового резистора некритично, але падіння напруги на ньому має бути, принаймні, в 10 разів менше напруги живлення обмотки намагнічування. Зазвичай опір датчика струму може бути вибрано в межах 1 … 2 Ом. Струм намагнічування дорівнює I = UR1 / R1.

З деяким погіршенням точності вимірювання можна досліджувати сердечники з єдиною обмоткою, рис. 4.27. Через падіння напруги на активному опорі обмотки свідчення вольтметра будуть завищені.

Рис. 4.27. Схема вимірювань з єдиною обмоткою.

Дослідження починається з малих струмів намагнічування.

Плавно змінюючи положення ручки ЛАТР від нуля до максимуму, стежимо за показаннями

вольтметра та амперметра. У деякий момент струм починає швидко рости, але напруга

практично не змінюється. Це означає, що індукція в осерді досягла величини, при

якої матеріал насичений.

Показання вольтметра та амперметра слід занести в таблицю. Зазвичай достатньо 20 … 30

точок, а для швидкої оцінки навіть менше. За цими даними може бути побудована крива

намагнічування і залежність магнітної проникності сердечника від індукції.

Методом вольтметра-амперметра можна вимірювати індуктивність розсіювання трансформаторів. Для цього вторинна обмотка замикається накоротко. Повний опір первинної обмотки при цьому визначається активним опором проводу обмотки і індуктивністю розсіювання між первинною і вторинною обмоткою. Зазвичай активним опором можна знехтувати без втрати точності. Зрозуміло, слід вжити заходів щодо запобігання перевантаження первинної обмотки, проводячи вимірювання на мінімальних напругах. Індуктивність розсіювання не залежить від напруги на обмотці, тому досить одного виміру.

Використання Spectralab'а.

У цьому випадку струм намагнічування також обчислюється з падіння напруги на резисторі

R1, рис. 4.28. Додатковий резисторні дільник R2R3 забезпечує приведення рівня

сигналу до чутливості звукової карти, яка може становити Uвх.макс = 0,1 … 2,5

Вольт.

Рис. 4.28. Використання звукової плати комп'ютера.

Опір датчика струму розраховується за формулою R1 = Uex.макс / Iмакс, де Iмакс максимальний струм намагнічування для даного трансформатора ТЗ. Опір R3

вибирається в межах 100 .. .200 КОм, a R2 – з умови

тобто

(4.67)

Після побудови таблиці залежності напруги самоіндукції від струму намагнічування можна розрахувати напруженість поля, магнітну індукцію та магнітну проникність:

в системі СІ. У розрахунках зручніше користуватися формулою

(4.68)

підставляючи струм у міліампер, а середню довжину магнітної силової лінії – в сантиметрах. Напруженість поля, як і раніше буде виражена в амперах на метр.

або в інженерних одиницях (Тл, Гц, см)

(4.69)

а магнітна проникність

(4.70)

Звичайно цих даних достатньо для перевірки магнітопровода, але для повноти опису прокоментуємо відому методику вимірювання повного опору низькоомних обмоток для обчислення індуктивності [53]. У цій роботі пропонується обчислювати параметри котушок трохи по іншому – через повний опір. Ми будемо розраховувати магнітну проникність обома способами.

Знявши вольтамперні характеристики пробної котушки, попутно можна обчислити повний опір Z і індуктивність обмотки L, як функцію магнітної індукції. Знаючи ці величини, можна в розумі оцінити кількість витків w ', необхідний для отримання потрібної індуктивності L' на цьому осерді:

(4.71)

Повний опір обмотки

але на практиці активний опір обмотки r1 значно менше індуктивного, тому в розрахунках активний опір не враховується. За виміряним значенням напруги U та струму I обчислюється повне

опір

а потім індуктивність

(4.72)

або при вимірюванні на частоті 50Гц,

(4.72)

Залежність індуктивності первинної (або вторинної) обмотки від змінного струму намагнічування вельми інформативна при аналізі готового трансформатора, але матеріал сердечника краще характеризує величина, яка не залежить від параметрів обмотки,-магнітна проникність. Вид графіків індуктивності та магнітної проникності повністю співпадає, вони відрізняються тільки масштабом. Широко використовується формула зв'язку індуктивності обмотки з параметрами сердечника і катушки:

(4.73)

де SC-площа перетину сердечника, кв.см., LС-середня довжина магнітної силової лінії,

см. Звідси можна отримати ще одну формулу, яку також можна з успіхом використовувати для обчислення магнітної проникності:

(4.74)

Обидва методу дослідження ілюстровані фрагментом Excel – програми, рис. 4.29. Можна помітити, що величина магнітної проникності, обчислена двома різними методами, стовпці Н і К, практично збігається. Незначне різниця пояснюється тим, що в другому випадку у формулах бере участь величина площі перетину сердечника, яка відрізняється від реальної. Насправді сумарна площа перерізу пластин магнітопровода дещо менше тієї величини, яку можна виміряти штангенциркулем. Ця відмінність виражається коефіцієнтом заповнення сердечника сталлю Кс, який зазвичай знаходиться в межах 0,92 … 0,96. Таким чином, в розрахунках слід використовувати "ефективне" значення площі сердечника: Sc = а * b * Кс

Пояснення до програми:

Деяким осередкам призначені імена, для зручності використання в формулах і

наочності:

Е5 (кількість витків пробної обмотки) має ім'я NNN,

13 (середня довжина магнітної силової лінії) – 1сс;

Е7 (m0 = 4p-107)-mu0;

J3 (площа перерізу осердя) – Scc; Е6 (частота 50 Гц) – fff50;

Осередки F10 – К10 містять формули:

F10=0,14*E10*NNN/lcc

G10=100000000*D10/(4.44*fff50*Scc*NNN)

Н10 = G10 / (10000 * F10 * mu0) I10 = D10 * 1000/E10 J10 = I10 / (2 * ПІ () * fff50) K10 = 100000000 * lcc * J10 / (0.4 * ПІ () * (NNN) A2 * Scc)

Формули в рядках 11-18 отримані шляхом автозаповнення. Для цього осередку F10-K10 виділяються. Після перетягування мишею маркера автозаповнення (тонкий хрестик у правому нижньому куті виділеної рядка) вниз на потрібну кількість рядків програма готова до роботи.

D E F G Н I J K
1 Ширина стрижня Набір Ширина вікна Висота вікна Довжина магн. сіл.лініі Площа перерізу Площа вікна
2 a b з h Ic Sc Sok
3 ШЛ25 * 40 25 40 25 62,5 21,3 10 15,63
4
5 W= 78 вит д = 1,0
6 F= 50 Гц
7 muO= 1,26E-06
8
9 U(B)= I(mA)= Н (А / м) = В (Гс) = Mu=B/H Z(Om)= L(rH)=Z/2Pi*F Mu=f(z) :
10 0.15 5 2.56 87 2691 30 0.10 26601
11 0.35 10 5.13 202 3139 35 0.11 3104!
12 0.65 15 7.69 375 3886 43 0.14 3843!
13 0.95 20 10.25 549 4260 48 0.15 4212]
14 1.2 25 12.82 693 4305 48 0.15 4257]
15 3 50 25.63 1733 5381 60 0.19 5321!
16 2.3 40 20.51 1328 5157 58 0.18 5099!
17 3.8 60 30.76 2195 5680 63 0.20 5616!
18 5.7 80 41.01 3292 6390 71 0.23 63191

Рис. 4.29. Розрахунок параметрів сердечника в MS EXCEL.

© Є. Васильченко, 2003р.

© Видавництво Солон-Прес, 2003р.