Ćwiczenie odbywa się w sali 303

APARAT EPSTEINA

INSTRUKCJA DO POMIARU STRATNOŚCI MAGNETYCZNEJ ORAZ WYZNACZANIA DYNAMICZNEJ KRZYWEJ MAGNESOWANIA APARATEM EPSTEINA

Dane techniczne stanowiska

Stanowisko do badania właściwości magnetycznych blach transformatorowych i silnikowych za pomocą aparatu Epsteina , zostało zbudowane na tekstolitowej płycie, którą dodatkowo oklejono kolorowym tworzywem sztucznym. Pod płytą dokonano wewnętrznych połączeń układu. Połączenia te zostały wykonane drutem miedzianym o przekroju o pojedynczej izolacji. Połączenia cewek aparatu Epsteina , kompensatora strumienia rozproszenia oraz transformatora powietrznego, wykonano nad płytą. W celu rozróżnienia obwodów aparatu Epsteina uzwojenie pomiarowe wykonano linką miedzianą o przekroju o pojedynczej izolacji koloru niebieskiego. Natomiast uzwojenie magnesujące wykonano tym samym przewodem o izolacji koloru czarnego. Dodatkowo na każdym karkasie cewki aparatu Epsteina zamocowano zaciski w kolorze niebieskim (dla uzwojeń pomiarowych) i czerwonym (dla uzwojeń magnesujących). Na płycie umieszczono wszystkie niezbędne zaciski, do których przyłączane są przyrządy pomiarowe oraz poszczególne elementy układu. W celu uniknięcia błędnego połączenia, płyta montażowa zawiera opisy poszczególnych zacisków, odpowiednie do przyłączanych przyrządów pomiarowych, oraz oznaczenia zacisków, do których przyłączamy aparat Epsteina oraz transformator powietrzny. Dla uzwojeń magnesujących początki oznaczono jako "1.1", a końce jako "1.2". Natomiast dla uzwojeń pomiarowych początki oznaczono jako "2.1", a końce jako "2.2". Transformator powietrzny zawiera opis zacisków według powyższej zasady, natomiast w celu ustalenia początków i końców uzwojeń poszczególnych cewek aparatu Epsteina oraz kompensatora rozproszenia, zastosowano oznaczenia kropką początków uzwojeń. W związku z tym, że każda z cewek aparatu Epsteina ma w tym samym miejscu początki i końce uzwojenia magnesującego i pomiarowego, w celu oznaczenia początków użyto jednej kropki, wspólnej dla obu uzwojeń. Schemat układu połączeń pokazano na rysunku nr 1. Na rysunku nr 2 pokazano rozmieszczenie wszystkich elementów układu, a w tabelach poniżej umieszczono parametry wszystkich zamontowanych elementów.

Transformator powietrzny

1

Wymiary karkasu

średnica zewnętrzna

średnica wewnętrzna

długość

2

Ułożenie drutu

cewka pierwotna wewnętrzna

warstwy po zwojów

cewka pierwotna wewnętrzna

warstwy po zwojów

cewka wtórna

zwojów

3

Parametry elektryczne

rezystancja uzwojenia pierwotnego

rezystancja uzwojenia wtórnego

indukcyjność wzajemna

4

Przekroje przewodów

cewka pierwotna

cewka wtórna

Kompensator strumienia rozproszenia

1

Wymiary karkasu

średnica

długość

2

Ułożenie drutu

liczba zwojów uzwojenia pierwotnego

liczba zwojów uzwojenia wtórnego

3

Parametry elektryczne

rezystancja uzwojenia pierwotnego

rezystancja uzwojenia wtórnego

Aparat Epsteina

1

Wymiary jednego karkasu

wewnętrzny przekrój poprzeczny karkasu

długość nawinięcia

2

Ułożenie drutu

liczba zwojów uzwojenia pierwotnego

w trzech warstwach

liczba zwojów uzwojenia wtórnego

w jednej warstwie

cewka pierwotna

druty równoległe o przekroju każdy

cewka wtórna

drut o przekroju

3

Parametry elektryczne

rezystancja uzwojenia pierwotnego (mag)

rezystancja uzwojenia wtórnego (pom)

Całkowita rezystancja na zaciskach pierwotnych aparatu Epsteina

Całkowita rezystancja na zaciskach wtórnych aparatu Epsteina

Układ pomiarowy

Wykaz mierników:

  1. - miernik częstotliwości;
  2. - amperomierz wartości skutecznej (elektroniczny M89 OD);
  3. - watomierz (elektroniczny LAVO 6 o rezystancji wewnętrznej );
  4. - woltomierz wartości skutecznej (elektroniczny YF-3503 o rezystancji wewnętrznej );
  5. - woltomierz wartości średniej magnetoelektryczny z prostownikiem i urządzeniem do kompensacji wpływu zmian temperatury klasy co najmniej 0,5 i rezystancji co najmniej 1000 powinien być wyskalowany w wartościach skutecznych. Dopuszcza się użycia woltomierza elektronicznego (M89 OD rezystancja wewnętrzna ).

Zasilanie układu odbywa się przez autotransformator, którym zasilamy transformator separacyjny o przekładni . Dzięki takiemu zasilaniu uzyskujemy płynniejszą regulację napięcia.

Przygotowanie próbki

Próbka powinna składać się z jednakowych pasków o szerokości i długości od do . Do pomiarów należy stosować blachy bez dodatkowej izolacji, ponieważ w trakcie pomiarów sprawdzamy właściwości magnetyczne blachy, a nie izolacji. Próbki do badań powinny zawierać co najmniej pasków, przy czym liczba pasków powinna być wielokrotnością liczby , aby masa pasków w każdym karkasie cewki była jednakowa. Masa próbki powinna być nie mniejsza niż , a błąd określania masy powinien być nie mniejszy niż . Paski blachy używane do pomiarów nie mogą być poddawane żadnej obróbce mechanicznej lub cieplnej.

Układanie próbki polega na ułożeniu kwadratu w taki sposób, aby narożniki były ułożone na podwójną zakładkę. W tym celu układanie próbki należy rozpocząć od włożenia po jednym pasku do każdej z dwóch przeciwległych cewek, a następnie do dwóch pozostałych cewek w taki sposób, aby te dwa ostatnie pokryły poprzednie dwa w czterech narożnikach aparatu. W ten sposób zostaje skompletowana jedna warstwa pasków zamykająca drogę strumienia magnetycznego. Tym sposobem należy sukcesywnie nakładać kolejne warstwy, aż próbka zostanie kompletnie ułożona (rys. 3.1). Jeżeli paski mają długość , to końce wszystkich pasków powinny znajdować się na jednej linii każdego boku. Po ułożeniu ostatniej warstwy, w celu polepszenia jakości złącz blachy, na cztery rogi próbek należy nałożyć ściski z materiału nie magnetycznego. Jeżeli długość pasków jest większa niż , dopuszcza się wystawienie ich końców poza złącza na zakładkę. Do badań można stosować próbki o zorientowanym ziarnie (wszystkie blachy są cięte równolegle do kierunku walcowania) oraz o niezorientowanym ziarnie (połowa blach jest cięta wzdłuż kierunku walcowania, a połowa w poprzek kierunku walcowania).

W trakcie badania można także sprawdzić wpływ sposobu ułożenia próbek na właściwości magnetyczne. W tym celu należy ułożyć blachy w następujący sposób:

Warunki wykonywania pomiarów

Przed dokonaniem pomiarów należy sprawdzić połączenia transformatora powietrznego, zwanego inaczej wzorcem indukcyjności wzajemnej. Upewnić się, czy mierniki używane są do pomiarów są prawidłowo podłączone oraz czy zakresy pomiarowe są prawidłowo ustawione. Zwrócić szczególną uwagę na podłączenie watomierza, początki i końce cewki prądowej i napięciowej watomierza połączyć z odpowiednimi zaciskami układu pomiarowego. W celu wykonania jak najdokładniejszych pomiarów aparat Epsteina należy umieścić z dala od przedmiotów metalowych. Zaleca się także aby zasilacz wraz z transformatorem separacyjnym był umieszczony jak najdalej od aparatu. Stół, na którym umieszczony zostanie umieszczony przyrząd, powinien być z materiałów nie metalowych. Badanie należy przeprowadzić w temperaturze . Wilgotność względna otaczającego powietrza powinna wynosić . W trakcie wykonywania pomiarów nie należy przekraczać wartości napięcia zasilania oraz prądu zasilania . W celu kontroli napięcia zasilania należy do zacisków opisanych jako "zasilanie" podłączyć dodatkowy woltomierz wartości skutecznej.

Kontrola kompensacji strumienia rozproszenia

W celu sprawdzenia kompensacji strumienia rozproszenia należy zasilić aparat, w którym nie ma próbki, napięciem po stronie pierwotnej i mierzyć napięcie po stronie wtórnej (). W tym celu przełącznik ustawić w położeniu 2 (rys. 2.1). W związku z tym, że wewnątrz aparatu nie ma rdzenia, nastąpi bardzo gwałtowny przyrost prądu. Należy więc tak regulować napięciem, aby prąd po stronie pierwotnej nie przekroczył wartości 1 A. Napięcie, którym zasilimy układ, należy porównać z napięciem po stronie wtórnej aparatu Epsteina (). W przybliżeniu powinna być to wartość bliska zeru.

Kontrola przebiegu napięcia w uzwojeniu pomiarowym

Przebieg napięcia w uzwojeniu pomiarowym aparatu Epsteina należy kontrolować przez wyznaczanie współczynnika kształtu zdefiniowanego jako stosunek wartości skutecznej do wartości średniej napięcia wg wzoru

(6.1)

Gdzie:

- wartość skuteczna napięcia w uzwojeniu pomiarowym przy wybranej indukcji,

- wartość średnia napięcia w uzwojeniu pomiarowym aparatu Epsteina.

Przy sinusoidalnym przebiegu współczynnik .

Rozmagnesowanie próbki

Przed przystąpieniem do pomiarów każdą badaną próbkę należy rozmagnesować przy użyciu autotransformatora, stosując prąd przemienny o częstotliwości . W tym celu do uzwojenia magnesującego próbkę należy doprowadzić prąd o takiej wartości, aby natężenie pola magnetycznego wytworzone przez ten prąd wyniosło nie mniej niż , a jego regulacja pozwalała na stopniowe zmniejszenie prądu do odpowiadającej mu wartości pola magnetycznego, mniejszej niż wartość najniższego punktu pomiaru. Po przeprowadzeniu rozmagnesowania należy po upływie około 10 minut przystąpić do wykonania zamierzonych badań.

Badanie własności dynamicznych

W celu wykonania początkowej charakterystyki magnesowania, należy przyjąć rząd natężeń pola magnetycznego. Następnie należy podstawiać do wzoru (8.1) kolejne wartości natężenia pola magnetycznego.

(8.1)

gdzie:

- częstotliwość źródła zasilania ;

- wartość indukcyjności wzajemnej ;

- średnia długość drogi magnetycznej ;

- natężenie pola magnetycznego ;

- ilość zwojów uzwojenia magnesującego aparatu Epsteina;

- rezystancja wewnętrzna woltomierza o wartości średniej ;

- rezystancja uzwojenia wtórnego transformatora powietrznego.

W wyniku tych podstawień otrzymujemy wartości napięć, które należy ustawiać na woltomierzu.

Badanie własności dynamicznych należy wykonać za pomocą układu pomiarowego według rys. 2.1, w którym przełącznik znajduje się w położeniu 1, a wyłącznik jest w położeniu O. Regulując autotransformatorem należy ustawić żądaną wartość natężenia pola magnetycznego w aparacie Epsteina , odpowiadającą wynikającej ze wzoru (8.1), średniej wartości napięcia na wtórnym uzwojeniu transformatora powietrznego. Następnie należy przełącznik ustawić w położenie 2 i odczytać wskazania na skali woltomierza wartości średniej.

Wartość indukcji magnetycznej nastawionego stanu magnesowania należy wyliczyć ze wzoru

(8.2)

gdzie:

- średnia wartość napięcia na uzwojeniu pomiarowym aparatu Epsteina ;

- rezystancja uzwojenia pomiarowego aparatu Epsteina ;

- powierzchnia poprzecznego przekroju próbki ;

- liczba zwojów uzwojenia pomiarowego aparatu Epsteina ;

- częstotliwość źródła zasilania ;

- rezystancja wewnętrzna woltomierza wartości średniej ;

Powierzchnie poprzecznego przekroju próbki oblicza się ze wzoru:

(9.1.2)

gdzie:

- całkowita masa pasków wchodzących w skład próbki ;

- długość pasków ;

- gęstość materiału próbki .

uwzględniając uproszczenia wynikające z zastosowanych przyrządów pomiarowych.

Wyniki pomiarów zestawić w tabeli numer 8.1.

Na podstawie pomiarów należy wyznaczyć charakterystykę magnesowania wstępnego.

Jeżeli w trakcie pomiarów wyliczona wartość napięcia zostanie przekroczona, to zabronione jest regulowanie napięcia do określonej wartości. Raz ustawione napięcie nie może być zmienione. Jeżeli nastąpiło przeregulowanie, to wartość ustawionego napięcia należy zanotować, a następnie przeliczyć na wartość odpowiadającego mu natężenia pola magnetycznego.

TABELA NR 8.1

Lp.

Indukcyjność

Natężenie pola

zał.

zał.

nast.

nast.

1

             

2

             

3

             

4

             

5

             

6

             

7

             

Badanie stratności próbki

Stratność - jest to moc czynna tracona w blachach rdzenia przy przemagnesowywaniu z określoną częstotliwością do określonej wartości indukcji maksymalnej, przeliczona na jeden kilogram masy blachy.

Badanie stratności magnetycznej

Badanie stratności magnetycznej p wykonuje się za pomocą układu pomiarowego wg rys. 2.1, w którym przełącznik znajduje się w położeniu 2, a amperomierz zostaje zmostkowany. Na wyjściu transformatora separacyjnego należy ustawić tak duże napięcie, aby osiągnąć określoną dla danego magnesowania wielkość napięcia po stronie wtórnej transformatora powietrznego, wyliczoną ze wzoru:

(9.1.1)

gdzie:

- częstotliwość źródła zasilania ;

- liczba zwojów uzwojenia pomiarowego aparatu Epsteina ;

- powierzchnia poprzecznego przekroju dla próbki ;

- indukcja magnetyczna ;

- rezystancja wewnętrzna woltomierza wartości średniej ;

- rezystancja uzwojenia pomiarowego aparatu Epsteina .

Następnie należy odczytać wskazanie watomierza i zanotować wyniki w tabeli nr 9.1.1, a wielkość wyliczonych strat podstawić do wzoru:

(9.1.3)

gdzie:

- moc czynna wskazana przez watomierz ;

- liczba zwojów uzwojenia magnesującego aparatu Epsteina ;

- liczba zwojów uzwojenia pomiarowego próbki ;

- efektywna masa czynna próbki ;

- skuteczna wartość napięcia w uzwojeniu pomiarowym przy wybranej indukcji ;

- rezystancja wewnętrzna, wypadkowa woltomierzy i watomierza ;

- rezystancja uzwojenia pomiarowego aparatu Epsteina .

Efektywną masę czynną próbki m' oblicza się ze wzoru:

(9.1.4)

gdzie:

- długość średniej drogi magnetycznej (dla aparatu Epsteina lśr=0,94m);

- całkowita masa pasków wchodząca w skład próbki ;

- długość pasków [m].

Podczas magnesowania do założonej wartości należy pilnie śledzić wskazania amperomierza wartości skutecznej w tym celu, aby wielkość prądu magnesującego nie przekroczyła w uzwojeniu magnesującym aparatu Epsteina .

TABELA NR 9.1.1

Masa próbki

Przekrój próbki

Indukcja

Napięcie skuteczne na wtórnej stronie transformatora powietrznego

Napięcie zasilania

Prąd zasilania

Moc mierzona watomierzem

 

     

     

Badanie stratności pozornej

Badanie stratności pozornej należy przeprowadzić tak jak we wcześniejszym punkcie. Należy więc ustawić na stronie wtórnej transformatora wyliczone według wzoru (9.1.1), jednak w czasie pomiarów odczytuje się wskazania amperomierza i woltomierza wartości skutecznej. Wartość stratności pozornej należy obliczyć ze wzoru, a wyniki wstawić do tabeli nr 9.2.1.

(9.2.1)

gdzie:

- skuteczna wartość napięcia indukowanego w uzwojeniu wtórnym ;

- skuteczna wartość prądu magnesującego próbkę ;

- liczba zwojów uzwojenia magnesującego aparatu Epsteina ;

- liczba zwojów uzwojenia pomiarowego aparatu Epsteina ;

- efektywna masa czynna próbki .

Badanie stratności wykonywać w trakcie badania właściwości dynamicznych

TABELA NR 9.2.1

Efektywna masa czynna próbki

Indukcja magnetyczna

Stratność magnetyczna

Stratność pozorna

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

  1. Wyniki pomiarów zestawione w tabelach
  2. Opracowania i analizy wyników w formie wykreślnej
  3. Opis próbki jaką dysponowaliśmy do pomiarów
  4. Temperaturę badania
  5. Porównanie wyników pomiarów z danymi wytwórcy

Literatura

Nałęcz, Jaworski: "Miernictwo magnetyczne", WNT Warszawa 1968