Elektrické měření

Elaboráty

Měření měrných ztrát feromagnetických materiálů

Zadání

1) Změřte křivku prvotní magnetizace prstencového vzorku trafo plechů balistickou metodou. Tuto závislost znázorněte graficky.

2) Pomocí Epsteinova přístroje změřte měrné ztráty v transformátorových plechách. Měření proveďte pro indukci od B=0,15T do l,5T. Závislost P_ZTR =f(B) znázorněte graficky.

Teoretický úvod

Křivka prvotního magnetování

Tato křivka po průchodu počáteční oblastí 0A přechází do strmé části AC, na níž navazuje horní koleno v úseku CD. Od bodu D přechází křivka do oblasti nasycení. Při intenzitách pole H > H_S, tj. za bodem D, je feromagnetický materiál magneticky nasycen. Magnetická indukce v magnetickém nasycení B_S charakterizující materiál, závisí na jeho chemickém složení.

Obr : Křivka prvotního magnetování

Hysterezní smyčka

Hysterezní smyčka magnetického materiálu je uzavřená křivka magnetování, která vyjadřuje závislost B = f(H) při pomalé, plynulé změně intenzity magnetického pole od + H_S do - H_S . Intenzita magnetic­kého pole H_S, odpovídá bodu nasycení D.

Obr : Hysterezní smyčka a) normální typ, b) pravoúhlý typ, c) plochý typ, d) perminvarový typ

Hysterezní smyčka se získá provedením jednoho tzv. cyklu magnetování. Úsek hysterezní smyčky 0E se nazývá remanence B_r, úsek 0F koercivita H_CB. Hysterezní smyčka, která vychází z pracovního bodu odpovídajícího magnetické indukci v magnetickém na­sycení B_S, se nazývá hraniční (maximální) hysterezní smyčka.

Podle tvaru rozlišujeme několik typů hysterezních smyček:

a) normální - poměr B_R/B_S = 0,5 až 0,8

b) pravoúhlý - poměr B_R/B_S se blíží jedné

c) plochý - poměr B_R/B_S = 0,1 až 0,2

d) perminvarový - smyčka je ve střední části zútžená

Na tvar hysterezní smyčky má vliv především chemické složení a stav krystalové mřížky, související se způsoby technologického zpracování, jako např. válcováním za studena nebo za tepla, žíháním nebo kalením.

Ztráty v magnetickém obvodě

Celkové ztráty P představují výkon spotřebovaný magnetickým materiálem při jeho střídavém magnetování. Celkové ztráty se dělí na ztráty hysterezní P_h, ztráty vířivými proudy P_e a ztráty zbytkové P_r. Platí rovnice P = P_h + P_e + P_r . Tyto ztráty se projevují zahříváním magnetického materiálu.

Hysterezní ztráty jsou úměrné ploše hysterezní smyčky. Lze pro ně psát vztah P_h ~  kde f je frekvence proudu magnetování B_m maximální indukce.

V kovových feromagnetických materiálech vznikají při změně magnetic­ké indukce B při střídavém magnetování vířivé proudy. Ztráty vířivými proudy závisejí na maximální indukci B_m, frekvenci proudu magnetování f, rezistivitě  R materiálu, tloušťce r a na konstrukčních úpravách mate­riálu. Pro tyto ztráty lze psát vztah .

Zmenšení ztrát vířivými proudy se dosáhne zvětšením odporu cesty vířivých proudit tak, že se použijí materiály s velkou rezistivitou a malou tloušťkou plechu. Příkladem jsou ferity s rezistivitou až 105 S2 . m nebo kře­míková ocel, u níž se přísadou křemíku zvětší původní rezistivita oceli až šestinásobně.

Konstrukční úprava materiálu obvodu, jíž se dosáhne zmenšení induko­vaného napětí na cestě vířivých proudů, spočívá ve složení magnetického obvodu ze vzájemně izolovaných tenkých výlisků nebo ve slisování zrnek feromagnetického materiálu, která jsou vzájemně izolována (železové materiály). Zmenšování tloušťky plechu za účelem zmenšení ztrát vířivými proudy je omezeno ekonomickými důvody.

Velikost ztrát ve feromagnetickém materiálu se hodnotí podle měrných ztrát p.

Měrné ztráty

Měrné ztráty p ( W . kg^-1) ve feromagnetickém materiálu jsou ztráty v 1 kg uvažovaného materiálu při sinusové magnetické indukci s amplitudou 1 T nbo 0,5 T při frekveci 50 Hz. Označuje se p_1,0 nebo p_1,5.

Měrné ztráty p_1,0 pásů válcovaných za studena s orientovanou strukturou jsou v rozmezí 0,46 až 0,7 W . kg^-1, pásů válcovaných za studena s ne orientovanou strukturou jsou 2,3 až 3,6 W . kg^-1.

Epsteinův přístroj je tvořen transformátorem s převodem 1:1. Indukované napětí je dáno vztahem : U = 4,44.f.Sž.Bm.N2

Velikost Sž se v praxi určuje přes objem Vž=G/g a Sž=V/l. Pro měřený školní Epsteinův přístroj je hmotnost G 10 kg a délka l = 2 m. Pro výpočet dosaďte Sž=7,5.10^-4m³.

Schéma zapojení

Měřili jsme podle tohoto schématu.

Postup měření

Ze vztahu pro transformační napětí určete před měřením potřebné hodnoty napětí pro zvo­lené hodnoty mg. indukce od 0,15 do l,5 T ( tabulku je nutné připravit předem ). V primárním obvodu je zapojen ampérmetr, protože na výchylce wattmetru nelze poznat přetížení. Dále je nutné mít znalosti o měřiči frekven­ce, jehož použití je jedním z důvodů připojení ampérmetru, ale ne jediným.

Wattmetr použijte s cos  j asi 0,1 a s rozsahem proudového obvodu 5A.

K výstupu připojte dva voltmetry různých měřících systémů. Mají-li tato dvě měřidla stej­nou třídu přesnosti, pak by při sinusovém průběhu napětí měla ukazovat stejnou výchylku. Z praxe víme, že elektrodynamický systém ukazuje vždy efektivní hodnotu. Uveďte, jakou hod­notu měří systém magnetoelektrický a v čem je cejchována jeho stupnice. Z toho vyplývá, že při přesných měřeních se bere v úvahu i sinusový průběh napěti na výstupu a pak lze použít pro výpočet napětí vztahu z teoretického úvodu. Uveďte, jakým způsobem musíte upravit vztah pro nesinusový průběh napětí a z kterého voltmetru se použije údaj pro výpočet.

Pro získání sinusového průběhu napětí musí být primární vinutí napájeno ze zdroje s co nej­menším odporem, proto kontrolní ampérmetr při měření vyřadíte, neboť jeho údaje nejsou pro výsledky měření potřebné.

Z hlediska jednoduchosti měření můžeme na výstupu použít pouze voltmetr elektrodyna­mický a sinusový průběh výstupního napětí předpokládat. Protože transformátor má převod 1:1, je možné zapojit wattmetr až na sekundární vynutí. Velikost měřeného výkonu se určí ze vztahu P = P_Fe + Pw, přičemž. Pw charakterizuje spotřebu napěťových cívek wattmetru, Pokud při měření neodpojíte voltmetry, měří wattmetr i spotřebu těchto přístrojů. Z předchozího vzta­hu pak určíme P_Fe = P – U₂²Rw.

Pro měření podle prvního bodu zadání musíte nejdříve určit balistickou konstantu galvanometru. Náboj kondenzátoru určíte ze vztahu Q = C.U = KQ. a_max, při známém C a U ze známé výchylky a_max lze určit konstantu galvanoměru jako KQ = .

Pro naše měření použijte U = 1OV, C=l mF, z toho je přibližná hodnota KQ = 3,26.10^-3 (C/d). Ke změně citlivosti použijte buď klasický balistický bočník nebo pro jednoduchost pouze předřadný odpor Rd o velikosti asi 4kW.

Proud protékající primárním vinutím budete měnit v mezích od 0,5 do 4-5A, vinuti musí být na tyto proudy dimenzováno.

Ze vztahu pro magnetomotorické napětí určíte intenzitu mg.pole H: Fm = H.l ..... H = Fm/1.

Při měření hysterezní smyčky nastavte požadovanou hodnotu proudu a asi 10x komutujte. Vycházíme ze vztahu . Hodnota indukce pro daný bod křivky je . Protože při komutaci je , bude pro měření takovýmto způsobem platit vztah .

Pokud při měření nepoužijeme balistický bočník, musíme celý vztah násobit celkovým tlumícím odporem Rc = R_N2 + Rg + Rd. Velikost Rd musíme volit takovou, aby při maximálním měřeném proudu nepřesáhla výchylka galvanometru jeho stupnici.

Výsledný vztah pro výpočet mg. indukce .

Vypočítané a naměřené hodnoty

Použité přístroje

Epsteinův přístroj

Autotransformátor : B1303

Multimetr : D2-3-AL1482, D2-4-AL1485

Wattmetr : 1-1-CL/111-5/389

Graf

Závěr

Z naměřených hodnot je patrné, že pokud se zvětšuje indukce tak se  zvyšují ztráty ve feromagnetických materiálech. Čím vyšší je hodnota indukce tím strměji se zvedá velikost ztrát. Při měření si musíme dát pozor na značný proud, který teče obvodem.