Характеристика магнитопровода Ш-Ш 10х11

Задание


На лабораторно установке в аудитории 454 измерить магнитные характеристики магнитопровода Ш-Ш 10×11 и спроектировать с его использованием преобразователь 12,6В/15В 1А.


1. Общие сведения: магнитопроводы


Магнитопровод, один из важнейших узлов преобразователя, является его магнитной системой, а также служит конструктивным основанием для установки и крепления обмоток, отводов и других деталей.

Важнейшие характеристики магнитопровода зависят от величины индукции (В [В·с/м2], [T]), то есть величины магнитного потока, проходящего через единицу поперечного сечения магнитопровода. Величина магнитной индукции зависит от напряженности магнитного поля, в котором находится магнитопровод. Напряженность магнитного поля (Н [А/м]) характеризуется полем, создаваемым внешним источником. Величина напряженности магнитного поля определяется отношением магнитодвижущей силы (произведение тока в обмотке на ее число витков) к длине магнитной цепи[1].

Процесс намагничивания характеризуется начальной кривой намагничивания (рисунок 1).


Рисунок 1. Начальная кривая намагничивания [3]


Она представляет собой зависимость магнитной индукции от напряженности намагничивающего поля В = f (Н), которая получается на предварительно размагниченном образце при монотонном увеличении напряженности поля [3]. Эта зависимость является нелинейной: на кривой имеется участок, после которого дальнейший рост напряженности магнитного поля практически не приводит к увеличению индукции. Эта зона характеризует насыщение сердечника [1]. На практике получают начальную кривую намагничивания как геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса (рисунок 2).

Основные параметры магнитных материалов определяют по начальной (или основной) кривой намагничивания [3]. Отношение индукции к напряженности поля в любой точке кривой намагничивания называют относительной магнитной проницаемостью (?r [Т·м/А]), которая характеризует способность материала к намагничиванию. Зависимость магнитной проницаемости от индукции также нелинейная [1].


?r = (1/?0) · (B/H), (1)


где ?0 - магнитная постоянная; ?0 = 0,4? · 10-6 [Т·м/А].


Рисунок 2. Построение начальной кривой намагничивания по петлям гистерезиса [3]

2. Краткое описание Ш-образных ферритовых сердечников


Ферриты - это магнитные материалы, представляющие собой смесь окислов металлов и обладающие ферромагнетизмом.

Одним из основных достоинств ферритов является высокое удельное электрическое сопротивление в сочетании с достаточно высоким значением магнитной проницаемости; индукция насыщения ферритов меньше, чем металлических магнитных материалов. Особенно выгодно применение их на высоких частотах при малых индукциях. Эффективная удельная электрическая проводимость ферритов увеличивается с возрастанием частоты.

Высокочастотные электромагнитные параметры магнитомягких ферритов способствовали чрезвычайно широкому их применению.

Ш-образные сердечники применяются в качестве магнитопроводов трансформаторов. Основным требованием, которое предъявляется к согласующим, чтобы на высокой частоте не возникали потери, вызванные собственной емкостью, и отсутствовала так называемая индуктивность рассеивания. Особые требования по отношению к температурному коэффициенту проницаемости сердечников трансформаторов не предъявляются.

Ш-образные сердечники по конструкции применяют в разных сочетаниях: замкнутые типа Ш (Ш-образные), состоящие из двух Ш-образных деталей, сложенными шлифованными плоскостями ножек, и типа ШП (Ш-образные с пластиной), состоящие из Ш-образной детали и пластины, сложенных шлифованными плоскостями ножек и пластины.


3. Экспериментальная установка


Рисунок 3. Общий вид экспериментальной установки


В курсовой работе для измерений и проектирования использовался сердечник Ш-I 10х11, размеры которого приведены на рисунке 4. Данный сердечник имеет в центральной части конструктивный зазор, который был ликвидирован заполнением тремя пермаллоевыми пластинами толщиной в 1 мм. Пермаллой имеет магнитную проницаемость гораздо большую, чем феррит, поэтому устранение зазора такими пластинами не вносит погрешность при измерениях. Размеры пластин - 13х13 мм, чтобы выступ с каждой стороны центральной части сердечника был равен 1 мм.


Рисунок 4. Геометрические размеры магнитопровода типа Ш-I 10х11


Для выполнения измерений магнитных характеристик на сердечник была намотана первичная и измерительная обмотки. Диаметр проволоки первичной обмотки - 0,55 мм, диаметр измерительной обмотки - 0,25 мм. Они были намотаны таким образом, чтобы магнитный поток в центральной части складывался, как показано на рисунке 5. Количество витков первичной обмотки - 104, вторичной - 88, коэффициент заполнения - 0,8.


Рисунок 5. Направление магнитного потока в магнитопроводе


Измерения проводились на лабораторном стенде в аудитории 454, схема приведена на рисунке 6.

Осциллограф для получения кривых намагничивания был откалиброван с помощью калибратора. Для этого на вход осциллографа подавался сигнал 2 В и с экрана осциллографа снималась длина полученной прямой. Масштаб осциллографа равен отношению длины прямой на экране к поданному на вход сигналу.

Сначала были произведены эталонные измерения на тороидальном сердечнике, установленном на лабораторной установке.


Рисунок 6. Схема экспериментальной установки [3]


Лабораторная установка включает в себя: смонтированные на едином щите источник питания с регулируемым от 0 до 23 В напряжением частотой 50 Гц, Ш-образный магнитопровод с замыкающей пластиной типа ШП из ферромагнитного материала с уложенным на него намагничивающей w1 и измерительной w2 обмотками, измерительное сопротивление Rx в виде набора из трех резисторов R1…R3, фильтр RфСф, а также вольтметр средних значений, калибратор напряжений и осциллограф.

Выбор одного из резисторов R1…R3 и желаемого сердечника осуществляется с помощью внешних соединений на наборном поле. Для того чтобы исключить искажение результатов из-за нагрева сердечников при прохождении по обмоткам тока ток включается только на время отсчета кнопкой S3. Нужное значение тока устанавливается переключателем S2 [3].

4. Выполнение работы


Была собрана схема экспериментальной установки (рис. 5) с помощью соединительных проводов и произведена калибровка осциллографа по оси Ох.

В = 4 см;

В / 4 см = 0,5 В/см = 50 В/м.

Измерительное сопротивление Rx выбрано равным 1 Ом.

С помощью источника питания посредством поворота его переключателя S2 подаем на сердечник различные величины напряжения переменного тока, замыкая ключ S3 и считывая с осциллографа величину размаха петли по оси и снимая показания с вольтметра средних значений.

Величину полученного размаха умножаем на величину калибровки для получения истинного значения в вольтах. Вольтметр средних значений показывает эффективное значение напряжения, чтобы перевести его в среднее необходимо полученную величину разделить на 1,11. Полученные данные представлены в таблице 1. По формуле (2) вычисляем среднее значение тока Icp, мА:


Icp = Ucp / Rx. (2)


Находим максимальное значение напряженности магнитного поля Hmax, соответствующее крайней правой точке осциллограммы по формуле (3):


Hmax = UmRx w1 / Rx Lcp [A/м], (3)


где UmRx - значение напряжения на Rx, В,

Lcp - средняя длина сердечника, м:

Lcp = (2,5+7+5,5+25+7,5) ? 2 = 95 [мм] = 0,095 [м].

Максимальное значение магнитной индукции Bmax, соответствующее крайней верхней точке осциллограммы, находится с использованием закона электромагнитной индукции по формуле (4):


Bmax = U2cp / 4fw2 S0 [Тл], (4)


где U2cp - напряжение на измерительной обмотке, В;

f - частота, Гц; f = 50 Гц;

S0 - сечение сердечника:

S0 = 5 ? 11 = 55 мм2 = 55 ? 10 -6 м2.

Также необходимо рассчитать значения относительно магнитной проницаемости ? по формуле (1) для каждого из значений индукции и напряженности [3]. И далее по формуле (5) рассчитываем величину магнитного потока Ф при различных значениях ? и Н.


Ф = Н · ? · S0 (5)


Находим величину намагничивающей силы ? по формуле (6) [4]:


? = UmRx · (k · Sобм) / (? · w1 · lcp), (6)


где k - коэффициент заполнения по меди, принимаем k = 0,8;

Sобм - сечение провода, при диаметре провода d = 0,55 мм = 0,00055 м:

Sобм = ? · d / 4 = 3,14 · (0,55 · 10-3)2 / 4 = 0,24 · 10-6 м2;

? - удельное сопротивление меди, ? = 1,72 · 10-8 Ом·м;

lcp - длина 1 витка:

lcp = 2 ? (5 + 11) = 32 мм = 32 · 10-3 м.

Все начальные значения условий опыта сведены в таблицу 1.


Таблица 1

Количество витков первичной обмотки ?1104Количество витков вторичной обмотки ?288Диаметр первичной обмотки, мм0,55Диаметр вторичной обмотки, мм0,25Площадь сечения первичной обмотки Sобм, м20,24 ? 10-6Периметр контура Lcp, м0,095Площадь сечения So, м255 ? 10-6Измерительное сопротивление Rx, Ом1Длина витка lcp, м0,032Коэффициент заполнения K0,8Частота f, Гц50

Все измеренные и вычисленные значения сведены в таблице 2.


Таблица 2. Значения измеренных и вычисленных данных

Uэфф, ВUcp, ВIcp, мАзначение по оси X, смURx, ВB, мТлН, А/м?r?, АФ, Вб0,230,2072207,24,12,050214224475,9026,8879,3690,230,2072207,23,751,875214205382,9876,2999,3690,220,1982198,23,21,600205175293,0225,3758,9610,210,1892189,22,751,3751951505103,3234,6198,5540,1750,1577157,721,0001631095118,3913,3597,1280,10,090190,11,30,65093712104,0802,1844,0730,050,045045,00,750,3754741190,2031,2602,037

По результатам измеренных и вычисленных данных были построены: статическая характеристика (рисунок 7), начальная кривая намагничивания (рисунок 8), магнитная характеристика (рисунок 9).


Рисунок 7. Статическая характеристика


Рисунок 8. Начальная кривая намагничивания


Рисунок 9. Магнитная характеристика магнитопровода Ш-Ш 10×11


При проектировании преобразователя нам известны: URx = 15 В, Icp = 1 А и Ucp = 12,6 В.

Из этих данных находим нагрузку: Rx = UmRx / Icp = 12,6 / 1 = 12,6 Ом.

Предположим, что в проектируемом трансформаторе на основе нашего магнитопровода намагничивающая сила ? будет равна 6,887 [А]. По полученной экспериментально магнитной характеристике находим, что величина циркулирующего потока в магнитопроводе будет равна 9,369 [Вб].

Так как по заданию текущий ток Icp должен равняться 1 [А], по приближенной формуле находим минимально необходимый диаметр первичной обмотки:

С учетом диаметра первичной обмотки принимаем коэффициент заполнения К равным 0,3.

С учетом толщины каркаса в 1 [мм] и минимально необходимой воздушной прослойки между магнитопроводом и каркасом 0,5 [мм], изменится длина одного витка обмоток:



где d - диаметр магнитопровода, равный 11 [мм].

Так как магнитопровод из феррита, то частоту тока зададим f = 3000 Гц.

Все значения условий проектирования сведены в таблицу 3


Таблица 3

Диаметр первичной обмотки, мм0,8Диаметр вторичной обмотки, мм0,25Площадь сечения первичной обмотки Sобм, м20,5 ? 10-6Периметр контура Lcp, м0,095Площадь сечения So, м295 ? 10-6Измерительное сопротивление Rx, Ом12,6Длина витка lcp, м0,0393Коэффициент заполнения K0,3Частота f, Гц3000

Выразив URx из формулы (6), получим:



где ? - намагничивающая сила, вычисленная по найденной экспериментально магнитной характеристике (рисунок 8).

Магнитный поток Ф найдем, исходя из формул (1), (4) и (5):



Исходя из начальных данных, что URx = 15 В, Ucp = 12,6 В, ? = 6,887 А, Ф = 9,369 Вб, выразим количество витков ?1 и ?2.

?1 = 562.

?2 = 90.

Найдем значение магнитной индукции по формуле (4):

В = 12,6 / (4 · 3000 · 82 · 95 · 10-6) = 0,123 Тл.

Тогда магнитный поток будет равен:


Ф = S0 · В / ?0 = 95 · 10-6 · 0,135 / 1,256 · 10-6 = 9,284 Вб.


По магнитной характеристике находим величину намагничивающей силы ? = 6,026 А и выразив из формулы (6) URx, находим его величину:

URx = 14,992 В.

По формуле (3) определяем напряженность магнитного поля:


Н = 7039 А/м.


Однако в магнитопроводе имеется воздушный зазор толщиной в 3 [мм], который существенно влияет на магнитный поток и магнитную проницаемость магнитопровода. С учетом зазора получаем [5]:


где Фн - значение магнитного потока без учета воздушного зазора

lcp - средняя длина магнитопровода, равная 32,5 [мм]

? - толщина воздушного зазора.

В результате расчетов Ф = 8,5 Вб, соответственно ? = 4,443 А, а URx = 11,055 В.

Снова, уже с учетом зазора, пересчитаем количество витков первичной и вторичной обмотки, чтобы URx = 15 В, и округлим до целых значений. В результате расчетов:

?1 = 552.

?2 = 82.

Затем снова по формулам (3), (4), (6) пересчитаем значения индукции В, напряженности Н, магнитной проницаемости ? и выходного напряжения URx, а результаты занесем в сводную таблицу 4.


Таблица 4. Результаты расчетов

Количество витков первичной обмотки ?1552Количество витков вторичной обмотки ?282Входное напряжение Ucp, В12,6Входной ток Icp, А1Измерительное сопротивление Rx, Ом12,6Индукция В, Тл0,135Напряженность Н, А/м6920Магнитная проницаемость ?14,18Намагничивающая сила ?, А6,141Магнитный поток Ф, Вб9,33Выходное напряжение URx, В15,006

Заключение

магнитопровод преобразователь ферритовый сердечник

В данной работе был спроектирован преобразователь на базе магнитопровода Ш-Ш 10×11 с числом витков первичной w1 и вторичной w2 обмоток: w1 = 552; w2 = 88; величиной магнитной индукции В = 0,135 Тл, напряженностью Н = 6920 А/м и магнитным потоком Ф = 9,33 Вб. А также выбрана однотактная схема управления данным преобразователем, представленная на рисунке 9. В преобразователе напряжения можно использовать транзисторы КТ373А, КТ801А, КТ801, диоды КД503А или Д226Д, выдерживающие прямой входной ток в 0,5 А.


Рисунок 9. Однотактная схема включения преобразователя.


Список используемой литературы


1.А. И. Майоров и др. Магнитопроводы силовых трансформаторов (технологии и оборудование). - М.: Энергия, 1973, - 272 с. ил.;

.Михайлова М. М., Филиппов В. В. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Под. ред. А. Е. Оборсинко. - М.: Радио и связь, 1983, - 200 с. ил.;

.Ю. С. Артамонов. Определение петель перемагничивания ферромагнитных материалов. Инструкция к лабораторной работе по дисциплине Электроника и электротехника для студентов специальности 220300. Магнитогорск: МГТУ, 2001, 12 с. ил.$

.Основы теоретической электротехники [Текст] / К. Купфмюллер; пер. с нем. И. И. Кодкинда; под ред. В. Ю. Ломоносова. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 464 с.

.Б. Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному. 2005.


Теги: Характеристика магнитопровода Ш-Ш 10х11  Курсовая работа (теория)  Информатика, ВТ, телекоммуникации
Просмотров: 27466
Найти в Wikkipedia статьи с фразой: Характеристика магнитопровода Ш-Ш 10х11
Назад