Основные методы измерения потерь на перемагничивание

Осциллографический метод. Идея осциллографического метода состоит в следующем. На магнитный образец (рис. 3.3) накладывают намагничивающую обмотку w_н и обмотку для измерения индукции w_B. На вертикальные пластины электронного осциллографа (с электростатическим управлением) подают напряжение, пропорциональное намагничивающему току, например с резистора R_ш, включенного в цепь последовательно. При этом мгновенное значение напряжения на вертикальных пластинах пропорционально мгновенному значению намагничивающего поля.

На горизонтальные пластины подают напряжение с конденсатора С, включенного последовательно с обмоткой w_B и активным сопротивлением r. При соблюдении условий r >> x_C напряжение на горизонтальных пластинах

(3)

т.е. его мгновенное значение пропорционально мгновенному значению индукции в образце.

В результате сложения отклонений по горизонтали и вертикали электронный луч описывает кривую, изображающую в некоторых масштабах (они могут быть подсчитаны) динамическую петлю гистерезиса.

Осциллографический метод обладает исключительной наглядностью и может быть использован в широком частотном диапазоне. Однако большим недостатком метода является его малая точность. Погрешности измерений Н и В для этого метода порядка 7–10%.

Ваттметровый метод основан на измерении ваттметром полной мощности, затрачиваемой в цепи катушки с магнитным образцом. Схема измерения показана на рис. 3.4. Потери на перемагничивание в образце подсчитывают как разность между показаниями ваттметра и потерями в измерительных приборах и намагничивающей обмотке.

Ваттметровый метод во многих странах стандартизован для испытания электротехнических сталей.

О значении индукции судят косвенно, по показаниям вольтметра, с помощью которого измеряют действующее значение напряжения на обмотке Wв:

U  E = 4 K_ф f w S B_max, (4)

где Е – э.д.с., уравновешивающая приложенное напряжение; К_ф – коэффициент формы кривой, равный для синусоиды 1,11; f – частота; w – число витков обмотки Wв; S – площадь сечения образца; B_max – максимальное значение магнитной индукции.

Ваттметровый метод позволяет измерять потери только на низких частотах, что объясняется в основном трудностью создания точных высокочастотных ваттметров.

Калориметрический метод основан на измерении теплоты, выделяемой перемагничиваемым образцом. Основное преимущество метода перед ваттметровым состоит в возможности измерений в сложных режимах намагничивания и в широком частотном диапазоне – от инфранизких частот до СВЧ.

Теплоту, выделяемую образцом, можно измерить абсолютным или дифференциальным методом.

Абсолютным методом измеряют температуру жидкости, заполняющей калориметр с образцом. Для этой цели применяют термометры с пределами измерения порядка 18–20°С с ценой деления 0,01°С.

Пределы измеряемых таким методом мощностей составляют от нескольких единиц до нескольких десятков ватт. Относительная погрешность измерения потерь в образце равна приблизительно 1%.

Дифференциальный метод, обладающий большей чувствительностью, чем абсолютный, реализуют с помощью установки, которая состоит из двух идентичных калориметров: в один помещают испытуемый магнитный образец, а в другой – заменитель образца из диэлектрика с малыми потерями. На образце имеется намагничивающая обмотка, а на заменителе образца – обмотка из провода с большим удельным сопротивлением, по которой пропускают плавно регулируемый постоянный ток известного значения. В каждый калориметр помещают батарею термопар, которые включают навстречу друг другу. Отсутствие тока в этой цепи означает равенство мощностей тепловыделений магнитного образца и его заменителя. В этом случае потери в образце можно вычислить по формуле

P = I² r, (5)

где Р – мощность постоянного тока, выделяемая в калориметре с заменителем образца.

Дифференциальный метод позволяет снизить предел измерения потерь до единиц милливатт с погрешностью порядка 2,5% в широком диапазоне частот (до 1 МГц). Для измерения индукции на кольцевой образец кроме намагничивающей наматывают измерительную обмотку, подключаемую к вольтметру.

При испытаниях наиболее удобны образцы кольцевой формы. Для кольцевого образца со средним диаметром D_ср, числом витков намагничивающей обмотки Wн и током в ней I напряженность поля подсчитывают по формуле

(6)

Преимуществом кольцевых образцов, кроме простоты определения напряженности поля, является высокая степень однородности намагничивания. Однако кольцевые образцы не всегда можно изготовить, на них трудно наматывать обмотки и они не позволяют создавать сильные намагничивающие поля.

Методика измерения магнитных свойств электротехнической стали.

В данной лабораторной работе использовалась методика измерения магнитных свойств электротехнической стали, основанная на комбинации осциллографического и ваттметрового методов. Испытания проводились путем измерения мгновенных значений напряжения и тока катушки за один период частоты сети и дальнейшей обработки полученных данных с использованием ЭВМ.

Исследование магнитных свойств электротехнической стали на переменном токе частотой 50 Гц в проводится на двух образцах, фотографии которых показаны на рис. 3.5 и 3.6. Первый образец имеет кольцевой магнитопровод из стали марки 2412, вторым образцом является магнитопровод статора асинхронного двигателя из стали марки 1521. На обоих образцах намотаны две тороидальные обмотки – намагничивающая Wн и измерительная Wв. Параметры образцов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметр и единица измерения	Образец 1	Образец 2
Число витков намагничивающей катушки Wн, вит
Число витков измерительной катушки Wв, вит
Наружный диаметр D, м	0,140	0,1355
Внутренний диаметр d, м	0,092	0,112
Высота h, м	0,023	0,05
Коэффициент заполнения kз	0,90	0,91
Площадь сечения магнитопровода Sст, м2	0,00056	0,000469
Средняя длина магнитной силовой линии lср, м	0,364	0,389
Плотность материала , кг/м3
Сопротивление намагничивающей обмотки, Ом	0,117	0,384

Электрическая схема установки представлена на рис. 3.7. Питание намагничивающей катушки Wн осуществляется от сети 220 В, 50 Гц через регулирующий автотрансформатор Т1 и понижающий трансформатор Т2 (220 В – 17/34 В). Мгновенные значения напряжения на основной катушке Wн и ЭДС на измерительной катушке Wв снимаются с делителей напряжения R1 – R2 и R4 – R5. Сигнал, пропорциональный току катушки, снимается с шунта R3. Измеряемые сигналы подключены к измерительно-вычислительному комплексу (ИВК).

В состав компьютерной части системы измерения входят персональный компьютер и измерительная плата PCL-818L с коммутатором входов и аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Аналого-цифровой преобразователь PCL-818L имеет 16 входных аналоговых каналов, разрешение 12 разрядов, скорость опроса каналов 40 кГц, входное напряжение с программным переключением 10, 5, 2.5, 1.25, 0.625 В, входное сопротивление 10 МОм.

Программное обеспечение обеспечивает управление измерительной платой (переключение коммутатора входов, опрос АЦП, передачу измеренного значения в оперативную память), обработку результатов измерения, вывод полученных данных на дисплей и их запись на жестком диске для последующей обработки. Программа написана на языке Borland Pascal для работы в среде MS DOS.

Основной цикл работы программы состоит из следующих этапов:

1. измерение данных по трем каналам u (t), i (t) и e (t) за один период частоты питающего напряжения и накопление их в памяти ЭВМ;

2. вычисление интегральных параметров (действующих значений тока I и напряжения U, полной S и активной P мощностей, потерь на перемагничивание P_гист и т.д.);

3. вывод интегральных параметров на дисплей в виде линейных индикаторов;

4. запись данных на жесткий диск;

5. возврат к пункту 1.

Полная активная мощность потерь Р испытываемого образца включает в себя потери на гистерезис в магнитопроводе P_гист и потери в меди намагничивющей обмотки Р_м.

Р = P_гист + Р_м. (7)

Полная активная мощность P вычисляется как среднее значение мгновенной мощности за период частоты сети T с помощью численного интегрирования измеренных величин:

(8)

где p = u · i – мгновенная мощность, u (t) и i (t) – мгновенные значения напряжения и тока, u_k и i_k – измеренные величины, N – число измеренных точек за период T.

Потери в меди намагничивающей обмотки P_м определяются как:

(9)

где r – активное сопротивление катушки.

Гистерезисные потери на перемагничивание магнитопровода P_гист вычисляются как:

(10)

где V – объем магнитопровода, f – частота сети, w_г – энергия потерь на перемагничивание стали за один период частоты сети, численно равные площади петли гистерезиса по формуле (1):

(11)

Принималось, что весь магнитный поток сосредоточен в магнитопроводе и равномерно распределен по сечению. В этом случае мгновенные значения напряженности и индукции магнитного поля для последующего интегрирования вычисляются по следующим соотношениям:

(12)

Здесь i_k и e_k – мгновенные значения тока намагничивающей катушки и ЭДС измерительной катушки.

Кроме вышеназванных величин вычисляются действующие значения напряжения U и тока I, полная мощность S и коэффициент мощности CosFi:

(13)