10a. Měření rozptylového magnetického pole transformátoru s toroidním jádrem a jádrem EI



Podobné dokumenty
10a. Měření rozptylového magnetického pole transformátoru s toroidním jádrem a jádrem EI

MĚŘENÍ HYSTEREZNÍ SMYČKY TRANSFORMÁTORU

MĚŘENÍ HYSTEREZNÍ SMYČKY TRANSFORMÁTORU

1 Přesnost měření efektivní hodnoty různými typy přístrojů

6. Střídavý proud Sinusových průběh

Laboratorní úloha KLS 1 Vliv souhlasného rušení na výsledek měření stejnosměrného napětí

MĚŘENÍ NAPĚTÍ A PROUDŮ VE STEJNOSMĚRNÝCH OBVODECH.

Synchronní detektor, nazývaný též fázově řízený usměrňovač, je určen k měření elektrolytické střední hodnoty periodického signálu podle vztahu.

Pracovní třídy zesilovačů

Laboratorní měření 1. Seznam použitých přístrojů. Popis měřicího přípravku

Laboratorní úloha KLS 1 Vliv souhlasného rušení na výsledek měření stejnosměrného napětí

Pokud není uvedeno jinak, uvedený materiál je z vlastních zdrojů autora

17 Vlastnosti ručkových měřicích přístrojů

Ele 1 elektromagnetická indukce, střídavý proud, základní veličiny, RLC v obvodu střídavého proudu

6. Senzory elektrického proudu. Měření výkonu.

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření Měření magnetických veličin, část 3-9-1

Harmonický ustálený stav pokyny k měření Laboratorní cvičení č. 1

VY_32_INOVACE_ENI_2.MA_04_Zesilovače a Oscilátory

Úloha 1 Multimetr. 9. Snižte napájecí napětí na 0V (otočením ovládacího knoflíku výstupního napětí zcela doleva).

3. Změřte závislost proudu a výkonu na velikosti kapacity zařazené do sériového RLC obvodu. P = 1 T

MĚŘENÍ TRANZISTOROVÉHO ZESILOVAČE

Seznámení s přístroji, používanými při měření. Nezatížený a zatížený odporový dělič napětí, měření a simulace PSpice

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření magnetických veličin, část 3-9-4

Elektřina a magnetismus UF/ Základy elektřiny a magnetismu UF/PA112

napájecí zdroj I 1 zesilovač Obr. 1: Zesilovač jako čtyřpól

3. Změřte závislost proudu a výkonu na velikosti kapacity zařazené do sériového RLC obvodu.

2. Určete komplexní impedanci dvojpólu, jeli dáno: S = 900 VA, P = 720 W a I = 20 A, z jakých prvků lze dvojpól sestavit?

Datum tvorby

11. Odporový snímač teploty, měřicí systém a bezkontaktní teploměr

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ NAPÁJECÍ ZDROJE

Ele 1 RLC v sérií a paralelně, rezonance, trojfázová soustava, trojfázové točivé pole, rozdělení elektrických strojů

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS

Osciloskopické sondy.

Měření vlastností střídavého zesilovače

Teoretické úlohy celostátního kola 53. ročníku FO

Rezonanční elektromotor

SMĚŠOVAČ 104-4R

Účinky elektrického proudu. vzorová úloha (SŠ)

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření magnetických veličin, část 3-9-3

sf_2014.notebook March 31,

KAPACITNÍ, INDUKČNOSTNÍ A INDUKČNÍ SNÍMAČE

Fyzikální praktikum...

W1- Měření impedančního chování reálných elektronických součástek

Měření kapacity Opakování kapacita C (farad F) kapacita deskového kondenzátoru

4. Magnetické pole Fyzikální podstata magnetismu. je silové pole, které vzniká v důsledku pohybu elektrických nábojů

E L E K T R I C K Á M Ě Ř E N Í

Zadání úlohy: Schéma zapojení: Střední průmyslová škola elektroniky a informatiky, Ostrava, příspěvková organizace. Třída/Skupina: / Měřeno dne:

4.SCHÉMA ZAPOJENÍ. a U. kde a je zisk, U 2 je výstupní napětí zesilovače a U vst je vstupní napětí zesilovače. Zesilovač

5. ELEKTRICKÁ MĚŘENÍ

Laboratorní úloha č. 1 Základní elektrická měření

1.5 Operační zesilovače I.

INFORMACE NRL č. 12/2002 Magnetická pole v okolí vodičů protékaných elektrickým proudem s frekvencí 50 Hz. I. Úvod

Zkouškové otázky z A7B31ELI

Řešení: Nejdříve musíme určit sílu, kterou působí kladka proti směru pohybu padajícího vědra a napíná tak lano. Moment síly otáčení kladky je:

Návod k přípravku pro laboratorní cvičení v předmětu EO.

9. MĚŘENÍ SÍLY TENZOMETRICKÝM MŮSTKEM

Příklady: 31. Elektromagnetická indukce

ZDROJE MĚŘÍCÍHO SIGNÁLU MĚŘÍCÍ GENERÁTORY

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická Božetěchova 3, Olomouc Laboratoře elektrotechnických měření

3. Komutátorové motory na střídavý proud Rozdělení střídavých komutátorových motorů Konstrukce jednofázových komutátorových

MĚŘENÍ JALOVÉHO VÝKONU

MĚŘĚNÍ LOGICKÝCH ČÍSLICOVÝCH OBVODŮ TTL I

výkon střídavého proudu, kompenzace jalového výkonu

Vyzařování černého tělesa, termoelektrický jev, závislost odporu na teplotě.

Moderní číslicové řídicí systémy vstupy, výstupy, připojení snímačů, problematika rušení (zpracoval P. Beneš)

Název: Zdroje stejnosměrného napětí

20ZEKT: přednáška č. 10. Elektrické zdroje a stroje: výpočetní příklady

Měření kmitočtu a tvaru signálů pomocí osciloskopu

3.1 Magnetické pole ve vakuu a v látkovén prostředí

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS kontrolní otázky a odpovědi

Laboratorní úloha č. 2 Vzájemná induktivní vazba dvou kruhových vzduchových cívek - Faradayův indukční zákon. Max Šauer

Měření vlastností optických vláken a WDM přenos

Elektrotechnická měření - 2. ročník

Mˇeˇren ı vlastn ı indukˇcnosti Ondˇrej ˇ Sika

Magneticky měkké materiály

A U. kde A je zesílení zesilovače, U 2 je výstupní napětí zesilovače a U 1 je vstupní napětí na zesilovači. Zisk po té můžeme vypočítat podle vztahu:

Interakce ve výuce základů elektrotechniky

Kroužek elektroniky

4 Blikání světelných zdrojů způsobené kolísáním napětí

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

Mikroelektronika a technologie součástek

Fázory, impedance a admitance

1. Dva dlouhé přímé rovnoběžné vodiče vzdálené od sebe 0,75 cm leží kolmo k rovine obrázku 1. Vodičem 1 protéká proud o velikosti 6,5A směrem od nás.

MĚŘENÍ POLOVODIČOVÉHO USMĚRŇOVAČE STABILIZACE NAPĚTÍ

Zesilovač s tranzistorem MOSFET

Motor s kotvou nakrátko. Konstrukce: a) stator skládá se: z nosného tělesa (krytu) motoru svazku statorových plechů statorového vinutí

Obsah. 4.1 Astabilní klopný obvod(555) Astabilní klopný obvod(diskrétní)... 7

1. Určete proud procházející vodičem, jestliže za jednu minutu prošel jeho průřezem náboj a) 150 C, b) 30 C.

ZADÁNÍ: ÚVOD: Měření proveďte na osciloskopu Goldstar OS-9020P.

Elektronický analogový otáčkoměr V2.0

+ ω y = 0 pohybová rovnice tlumených kmitů. r dr dt. B m. k m. Tlumené kmity

Voltův článek, ampérmetr, voltmetr, ohmmetr

2. Změřte a nakreslete časové průběhy napětí u 1 (t) a u 2 (t). 3. Nakreslete převodní charakteristiku komparátoru

"Rozvoj vědy a pokrok poznání se stávají stále obtížnější. Na experimentování již nestačí zápalky a sláma." Richard Philips Feynman

Vytvořeno v rámci Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost CZ.1.07/1.1.30/01,0038 Automatizace výrobních procesů ve strojírenství a

Elektrická měření pro I. ročník (Laboratorní cvičení)

NETYPICKÉ VYUŽITÍ INDUKČNÍHO VAŘIČE

Hlídač plamene SP 1.4 S

Transkript:

0a. Měření rozptylového magnetického pole transformátoru s toroidním jádrem a jádrem EI Úvod: Klasický síťový transformátor transformátor s jádrem skládaným z plechů je stále běžně používanou součástí síťových zdrojů. Protože neexistuje dokonalý magnetický vodič relativní permeabilita jádra je maximálně v desítkách tisíc a vzduch má relativní permeabilitu, magnetický tok se neuzavírá pouze jádrem a vždy existuje rozptylové magnetické pole. Pokud tento fakt nezohledníme při konstrukci elektronického zařízení s transformátorem a do oblasti rozptylového pole umístíme třeba desku plošného spoje, bude se do smyček vodičů na spoji indukovat rušivé napětí 50 Hz (tzv. brum). Úloha ukazuje velikost rozptylového pole u konkrétních transformátorů a seznamuje rovněž s principy a problémy spojenými s jeho měřením. Po změření úlohy bude jasné, proč jsou např. v zesilovačích pro akustické účely zásadně používány toroidní transformátory. Zleva: EI transformátor, jádro EI transf. (vinutí patří na širší středový sloupek), toroidní transformátor a jeho řez Otázky k úloze (domácí příprava): Jaký senzor je vhodný pro měření maximální hodnoty indukce střídavého magnetického pole? Jaká hodnota výstupního napětí u tohoto senzoru (střední, efektivní nebo maximální) odpovídá maximální hodnotě indukce? Úkol měření. Změřte indukci rozptylového magnetického pole (μt) transformátoru s jádrem EI. Výsledky měření zpracujte v Excelu do společného paprskového grafu (jako v obr. 4).. Ověřte potlačení rozptylového magnetického pole u toroidního transformátoru. Otáčením transformátoru vyhledejte maximum pole v poloze a srovnejte ho s maximem pole u transformátoru EI. Nepovinná část: 3. Určete rezonanční kmitočet snímací cívky. 4. Měřením ve větší vzdálenosti v tzv. Gaussových polohách (v poloze pro = 0 o, v poloze pro = 90 o ) u transformátoru EI ověřte, zda indukce mg. pole klesá se 3. mocninou vzdálenosti. 5. U transformátoru EI zvažte, lze-li rozptylové pole ve vzdálenosti 5 cm považovat za pole přibližně dipólového charakteru. Pokud ano, spočtěte Ampérův magnetický moment ma (Am ) Str. /8

Poznámky k měření K bodu : Měření proveďte ve vodorovné rovině procházející středním sloupkem transformátoru (viz obr. ). U tohoto typu transformátoru s cívkou na středním sloupku lze očekávat přibližně dipólový charakter rozptylového pole (viz obr. 3). Umístěte transformátor na polohovacím zařízení tak, aby osa cívky byla ve směru 0 0-80 0. Měřte s cívkou citlivou ve směru (radiální) a citlivou ve směru (tangenciální), vždy ve vzdálenosti 5 cm od středu transformátoru. Pro oba směry citlivosti měřte s krokem minimálně 30 0. K bodu : Zde měřte v rovině kolmé na osu rotace transformátoru (obr. ). Obr.. Umístění transformátoru s jádrem EI na polohovacím zařízení Obr.. Umístění toroidního transformátoru na polohovacím zařízení Obr. 3. Magnetické pole dipólového zdroje U ideálního toroidního transformátoru (homogenní jádro, rovnoměrné vinutí) se veškerý tok uzavírá jádrem a rozptylový tok je nulový. U reálného transformátoru, kde není celistvý počet vrstev vinutí, se rozptylový tok objevuje zejména tehdy, je-li jeho jádro více syceno (klesá permeabilita). Str. /8

K bodu a : Pro periodické průběhy s jedním průchodem nulou během periody lze magnetickou indukci vypočítat ze vztahu U s Bm () 4 f S N kde Bm je maximální hodnota složky měřené indukce B(t) (T), Us aritmetická střední hodnota napětí U(t) (po dvoucestném usměrnění) indukovaného v měřicí cívce (V), f kmitočet základní harmonické měřeného napětí (Hz), N počet závitů měřicí cívky, S plocha průřezu měřicí cívky (m ). Součin NS se často určuje kalibrací cívky ve známém poli a nazývá se závitová plocha (m ). NS měřicí cívky je...,,,,,,,, m. Poznámka: Budeme-li napětí indukované v měřicí cívce měřit voltmetrem udávajícím hodnotu Uef získanou měřením střední hodnoty Us po dvoucestném usměrnění a násobením činitelem tvaru, pro sinusový průběh, můžeme hodnotu Us získat vydělením údaje přístroje,. (Pozor, pro neharmonický průběh neodpovídá údaj efektivní hodnotě). Magnetické pole dipólu Ideální dipól (obr. 3) je tvořen nekonečně malým zdrojem ma. V praxi velmi dobře dipólovému zdroji odpovídá pro vzdálenosti x >> d malý jednovrstvý solenoid s poměrem l/d = /. Jeho Ampérův magnetický moment ma = NSI (m ). V rovině dipólu lze radiální a tangenciální složky indukce spočítat ze vztahu B m cos 4 r m sin 4 r 0 A 0 A rad 3 tg 3 B B total B B (), (3), (4) Průběh Brad = f(), Btg = f() a Btotal = f() je pro konstantní vzdálenost od dipólu uveden na obr. 4. rad tg 80 70 60 300 90 50 40 0 350 340 0 330 00 30 30 80 30 0 0 00 90 60 40 0 0 80 0 0 30 40 50 60 70 80 90 00 0 0 30 40 50 70 60 Brad (poloha "") Btg (poloha "") B total Obr.4. Průběh B rad = f(), B tg = f() a B total = f() pro konstantní vzdálenost od dipólu Poznámka: Měřicí cívka s voltmetrem nerozlišuje fázi napětí, proto jsou v modelu na obr. 4 funkce sin a cos počítány v absolutní hodnotě. Str. 3/8

K bodu 3: Určení rezonančního kmitočtu cívky Měřicí cívku lze nahradit obvodem RLC dle obr 5. Je zřejmé, že se jedná o paralelní rezonanční obvod. Pokud se frekvence měřeného pole (nebo některá složka jeho frekvenčního spektra) přiblíží rezonančnímu kmitočtu fr, vybudí se v cívce rezonance a měření je zatíženo hrubou chybou. Před použitím měřicí cívky se tedy musíme přesvědčit, že tento stav nenastane. Hodnotu vlastního rezonančního kmitočtu fr cívky můžeme zjistit v zapojení dle obr. 5, kde při rezonančním kmitočtu nastane minimum proudu. ma I měřicí cívka L s C p R s G U V Obr. 5 Obvod pro stanovení vlastního rezonančního kmitočtu měřicí cívky Poznámka : Kapacita Cp je fiktivní a nahrazuje účinek jednotlivých mezizávitových kapacit. Náhradní obvod dobře vyhovuje pro nejnižší rezonanční kmitočet, kapacita Cp je zde tvořena hlavně kapacitou kabelu. Poznámka : V současné době je v mnoha zařízeních tzv. spínaný zdroj. I v něm je transformátor, síťové napětí je ale nejprve usměrněno, potom znovu rozstřídáno na kmitočtu desítek až stovek khz, transformováno a opět usměrněno. Z rovnice (6) vyplývá, že pro vyšší kmitočet postačí menší transformátor. Str. 4/8

0b. Měření amplitudové permeability Úvod: Z níže uvedené rovnice (6) mimo jiné vyplývá, že pokud v jádru transformátoru můžeme dosáhnout vyšší hodnoty Bm, můžeme ušetřit na průřezu transformátor bude menší, nebo na mědi transformátor bude tvrdší a hlavně levnější a s menšími ztrátami. Pokud ale maximální hodnotu Bm překročíme, klesne permeabilita, dramaticky rostou ztráty a také rozptylové pole. Hledisko ztrát je velmi významné u distribučních transformátorů velkých výkonů, kde každá desetina procenta zlepšení účinnosti přináší velké ekonomické úspory. Tvar hysterezní smyčky má zásadní vliv i na parametry senzorů, které obsahují jádro z magnetického materiálu (senzory proudu, senzory magnetické indukce). Úloha prezentuje základní principy měření magnetických parametrů feromagnetických materiálů. BH smyčka moderního materiálu pro distribuční transformátory (porovnání nežíhaného a žíhaného materiálu) Otázky k úloze (domácí příprava): Za jakých podmínek lze určit intenzitu magnetického pole z magnetovacího proudu? Za jakých podmínek lze použít pasivní integrační článek pro integraci indukovaného napětí? Úkol měření:. Zapojte měřicí obvod dle obr.. Tr Tr i N N R R 0 V ~ U R 4 = 0, U V R 3 C U v OSC Y OSC X Obr.. Schéma zapojení pro měření amplitudové permeability a zobrazení dynamické hysterezní smyčky na osciloskopu. Zobrazte na osciloskopu (viz obr. 4) dynamickou hysterezní smyčku prstencového (toroidního) vzorku magneticky měkkého materiálu při napěťovém magnetování (sinusovém průběhu B) pro zadanou maximální hodnotu magnetické indukce Bm =,75 T. Pozorujte vliv velikosti integrační konstanty použitého pasivního integračního RC článku na tvar smyčky a pro další měření rozhodněte, který z rezistorů R, R, R3 v integračním článku je vhodné použít. Str. 5/8

3. Z naměřené hodnoty Im a zadaných parametrů vzorku určete hodnotu Hm. Odečtem z osciloskopu zjistěte hodnotu remanence Br a koercitivity Hc. 4. Změřte závislost amplitudové permeability μa na maximální hodnotě magnetické indukce pro zadané hodnoty Bm = 0,45; 0,65; 0,9;,;,3;,55;,75 T. Poznámky k měření: Před měřením spočtěte pro zadané hodnoty Bm odpovídající hodnoty indukovaného napětí na měřicím vinutí N. Maximální hodnoty magnetovacího proudu Im se zjišťují měřením úbytku napětí na snímacím rezistoru číslicovým osciloskopem viz obr. 5. (Synchronizace Line - síťovým kmitočtem, hodnotu Up-p měřte s průměrováním.) Parametry vzorku: počty závitů: N = 3 z, N = 64 z rozměry: D = 50 mm, D = 98 mm, v = 40 mm v S D D Obr.. Prstencový vzorek K bodu : Výpočet B m Z Faradayova indukčního zákona odvodíme t d dbt ui t N N S () Fe dt dt kde ui(t) je okamžitá hodnota indukovaného napětí (V), N počet závitů sekundárního (měřicího) vinutí, SFe průřez měřeného vzorku (m ), t okamžitá hodnota magnetického toku ve vzorku (Wb); () pro okamžitou hodnotu magnetické indukce B(t) platí Bt N S t Fe 0 ui t d t () Ze vztahu () vyplývá, že časový průběh magnetické indukce má stejný tvar jako průběh integrálu indukovaného napětí. Střídavá magnetická měření se standardně provádějí při sinusovém průběhu magnetické indukce, což odpovídá požadavku sinusového průběhu indukovaného napětí. Tuto podmínku je nutné dodržet, protože parametry magnetických materiálů, jako např. permeabilita, koercitivita nebo ztráty jsou závislé na průběhu indukce. Požadovaného sinusového průběhu indukce B(t) se dosahuje tzv. napěťovým magnetováním, tj. buzením vzorku ze zdroje sinusového napětí. Celková impedance magnetovacího obvodu musí být tedy co nejmenší. Jako snímací rezistor pro měření magnetovacího proudu je proto nutné použít rezistor malé hodnoty (pro měření magnetovacího proudu nelze použít ampérmetr, protože proud není sinusový). Při měření musíme dodržet také nízký výstupní odpor napájecího zdroje (což je obvykle odpor vinutí napájecího transformátoru) a nízký odpor primárního (magnetovacího) vinutí vzorku. Tento požadavek lze snadno dodržet při použití napájecího transformátoru dimenzovaného na velký proud (s velkým průřezem vinutí) a magnetovacího vinutí s velkým průřezem drátu. Hodnotu Bm lze pro obecný periodický průběh stanovit z aritmetické střední hodnoty indukovaného napětí. Integrujeme-li rovnici (), dostaneme pro kladnou půlperiodu napětí ui(t) rovnici Str. 6/8

a po vydělení rovnice hodnotou T/ bude T t 4 u t t T i d T N t T t t u t dt N m, kde i T m d f (4) Levá strana rovnice (4) je aritmetická střední hodnota Usar indukovaného napětí, kterou určíme např. z údaje voltmetru s usměrňovačem vydělením údaje činitelem,. (V tomto případě nelze použít voltmetr, který měří efektivní hodnotu.) Dostaneme tedy U 4 f N (5) sar a konečně pro maximální hodnotu magnetické indukce vztah Fe m U Bm (6) 4,44 f N S kde U je údaj voltmetru s usměrňovačem (V), který měří aritmetickou střední hodnotu, ale udává tuto hodnotu násobenou činitelem,; f frekvence magnetovacího proudu (Hz). m C u i US CM + CM - CM (3) 0 t 0 t t T/ Obr. 3. Průběh magnetického toku a indukovaného napětí t Integrace Přenos pasivního integračního RC článku je U v U jrc (7) Platí-li RC >> můžeme psát U v, U jrc (8) což je přenos ideálního integrátoru. Použití příliš malé časové konstanty RC integrátoru a tedy nesplnění podmínky RC >> vede ke zkreslení tvaru hysterezní smyčky. Použijeme-li velkou hodnotu RC, bude sice tato podmínka splněna, ale amplituda výstupního napětí integrátoru Uv může být příliš malá pro kvalitní zobrazení hysterezní smyčky na osciloskopu. Hodnoty použitých prvků RC článku: C = 470 nf, R = 40 kr = 0 kr3 = 350 k Poznámka: Pasivní integrační RC článek lze nahradit přesným elektronickým integrátorem. V měřicím systému řízeném počítačem, kde se využívá vzorkování průběhů, se integrace provádí numericky. Str. 7/8

K bodu 3: Pro intenzitu magnetického pole uvnitř prstencového vzorku platí vztah N Ht l s i t (9) kde H(t) je okamžitá hodnota intenzity magnetického pole (A m - ), N počet závitů primárního (magnetovacího) vinutí, ls střední délka siločáry ve vzorku (m), ls D D D pro <.3 D i(t) okamžitá hodnota magnetovacího proudu (A), D, D vnější a vnitřní průměr vzorku [m]. Časový průběh H(t) tedy přímo odpovídá časovému průběhu i(t). Je-li průběh H(t) a i(t) deformovaný, nelze hodnotu Hm počítat ani z efektivní, ani z aritmetické střední hodnoty proudu i(t). Špičkovou hodnotu Im lze s dostatečnou přesností změřit číslicovým osciloskopem (obr. 5). Poznámka: Mají-li být měřením stanoveny vlastnosti materiálu, musí být vzorek magnetován homogenně. To je dostatečně splněno pro D /D <.3. Při velkém poměru poloměrů je materiál blíže k vnitřnímu průměru vystaven výrazně vyšší intenzitě než materiál u obvodu vnějšího a jádro je tedy magnetováno nerovnoměrně. Získané výsledky jsou průměrnou hodnotou přes celý průřez a nelze je považovat za správnou charakteristiku materiálu. Tato skutečnost nevadí v případě, že naměřené výsledky chápeme jako charakteristiku příslušného uzavřeného vzorku (náš případ). Str. 8/8

Obr. 4. Princip výpočtu hodnoty H c a B r s použitím kurzorů v režimu XY Obr. 5. Měření maximální hodnoty proudu osciloskopem v režimu Quick meas, pro R 4 = 0, platí I m = 0 U p-p /. K bodu 4: Amplitudová permeabilita je definována z poměru amplitud (tj. maximálních hodnot) veličin B a H podle vztahu Bm a (-; T, H m -, A m - ) (8) H kde 0 = 40-7 H/m. 0 m Str. 9/8