• Zespół Napędów Wieloźródłowych

Instytut Maszyn Roboczych Ciężkich

• Laboratorium Elektrotechniki i Elektroniki

• Ćwiczenie P2 - protokół

Pomiary parametrów w obwodach

magnetycznych i łączach selsynowych

• Data wykonania ćwiczenia: 12.05.2011

Data oddania sprawozdania: 19.05.2011

Ocena:...................................................

Wykonał zespół:

1. Marcin Kołda

2. Dawid Grochowiec

3. Arct Patryk

4. Mateusz Krystek

5. Konrad Bojko

6. Piotr Żaczek

7. Szymon Jakubowski

8. Bartosz Dębowski

9. Patryk Huszcza

• Wydział SiMR

Rok ak.: 2010/2011

Semestr: 2

Grupa: 1.3

Warszawa 2011r.

• 1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest:

• utrwalenie podstawowych wiadomości charakteryzujących pole magnetyczne,

• poznanie metody pomiaru natężenia pola magnetycznego, indukcji magnetycznej, przenikalności i stratności blach magnetycznych Permeametru EPSTEINA,

• zapoznanie się z budową i zasadą działania selsynów, możliwymi konfiguracjami pracy i zastosowaniami.

2. Wstęp teoretyczny

• Selsyn - o zasadzie działania zbliżonej do silnika elektrycznego, używana jako przyrząd pomiarowo-wskaźnikowy, który może jednocześnie wykonać pewną pracę. Złożony jest z dwóch uzwojeń ułożonych w stałym polu magnetycznym o tej samej orientacji (np. pionowo w góre), przez które płynie prąd. Obydwa uzwojenia są zwykle odseparowane przestrzennie, jedno znajduje się w miejscu, gdzie dokonywany jest pomiar, drugie zaś tam, gdzie znajduje się mierzony obiekt. Zmiana orientacji jednego z uzwojeń powoduje wychylenie się drugiego. Selsyny spotkać można np. nastacjach elektroenergetycznych wyposażonych w transformatory z przełączaniem zaczepów pod obciążeniem w roli wskaźnika położenia zaczepów. Selsyn nadawczy znajduje się wtedy w obudowie przełącznika zaczepów na transformatorze, selsyn odbiorczy (poruszający wskazówke na tarczy) w nastawni obiektu.

• Histereza- zjawisko zależności aktualnego stanu układu od stanów w poprzedzających chwilach. Histereza towarzyszy takim procesom, jak zmiany namagnesowania ferromagnetyków (histereza magnetyczna),odkształcanie sprężyste ciał rzeczywistych (histereza sprężysta) lub zmiany polaryzacji ferroelektryków(histereza dielektryczna). Przykładowo histerezę magnetyczną opisuje zamknięta krzywa (pętla) we współrzędnych namagnesowania (I) -pole magnetyczne (H). Ferromagnetyk, po pierwszym osiągnięciu maksymalnego namagnesowania Is, (w wyniku przyłożonego pola nasycenia Hm), wykazuje ciągle pewne namagnesowanie Ir zwane namagnesowaniem resztkowym, nawet przy zaniku zewnętrznego pola.

Pętla histerezy

2.1 Badanie natężenia pola magnetycznego - krzywa magnesowania

Pomiaru dokonaliśmy przy stałej częstotliwości f = 46 Hz.

a) Obliczam wartość maksymalną (amplitudę) natężenia pola magnetycznego.

gdzie:

l - średnia droga przepływu strumienia magnetycznego w rdzeniu [m]

I₁ - wartość prądu magnesującego [A]

z₁ - liczba zwojów uzwojenia magnesującego

l = 2 [m]

z_{1 =} 500

Dla pierwszej wartości I₁ = 1,7 [A]

Dla pozostałych wartości prądu magnesującego obliczam identycznie amplitudę natężenia pola magnetycznego.

b) Obliczam wartość maksymalną (amplitudę) indukcji magnetycznej.

gdzie:

s - pole przekroju próbki rdzenia [m²]

s = 0,0009 [m²]

z₂ - liczba zwojów uzwojenia pomiarowego

z_{2 =} 600

Dla pierwszej wartości U₂ = 60 [V]

Kolejne wartości indukcji dla następnych napięć obliczam analogicznie.

c) Obliczam przenikalność magnetyczną danego środowiska.

Między amplitudą indukcji magnetycznej a amplitudą natężenia pola magnetycznego istnieje zależność:

z tego warunku otrzymam:

dla pierwszego przypadku:

Pozostałe przypadki obliczam analogicznie.

d) Obliczam przenikalność magnetyczną względną, korzystając z zależności:

gdzie:

μ_o - przenikalność magnetyczna w próżni

μ_o = 4*π*10^-7 = 12,566 * 10-7[H/m]

μ - przenikalność magnetyczna danego środowiska [H/m]

Dla pierwszego przypadku:

Dla pozostałych przypadków obliczam analogicznie.

Wyniki pomiarów i obliczeń umieściliśmy w poniższej tabelce:

1. Badanie stratności magnetycznej - rozdział strat.

Do obliczeń wykorzystuje się zależności Perneametru:

Straty mocy w cewce napięciowej:

gdzie: R_w - odczyt z przyrządu pomiarowego

Straty mocy w cewce woltomierza:

gdzie: R_v - odczyt z przyrządu pomiarowego

W naszych obliczeniach przyjeliśmy:

R_w = 5000 Ω

Straty mocy w obwodzie magnetycznym:

Stratność:

straty mocy P_m w obwodzie magnetycznym dzieli się przez masę rdzenia m = 10 kg

Straty na prądy wirowe P_w dla B_m = const

gdzie: a = P_m/f - bf = 1,28; b = tgß = 0,011

Straty na histerezę:

Wyniki pomiarów i obliczeń umieściliśmy w poniższej tabelce oraz na wykresach:

3. Pomiary dotyczące selsynów

1. Wyznaczanie sił elektromotorycznych (SEM) fazowych wirnika selsynu w funkcji kąta obrotu.

Podczas ćwiczenia dokonywaliśmy pomiarów SEM międzyfazowych na selsynie o schemacie zamieszczonym poniżej:

Po zauważeniu niezgodności wyników pomiarów ze wskazywanymi kątami postanowiliśmy zastowować kąt korygujący, do obliczenia E_m, wynoszący 5 ͦ oraz w celu uzyskania wartości maksymalnych SEM fazowych dla kątów 30 ͦ, 90 ͦ, 150 ͦ zastosowaliśmy korekcję 30 ͦ.

Następnie z poniższych wzorów będziemy wyznaczać SEM fazowe :

=>

Brakujące E_m wyznaczymy z równania

=>

i podstawiamy do powyższych równań.

E₁,E₂,E₃ - wartości SEM fazowych;

E_m - maksymalna wartość SEM fazowej równa:

E₁₂=E₂₃=E₃₁ - maksymalne wartości SEM międzyfazowych

Wyniki pomiarów oraz obliczeń przedstawione są w tabelce oraz na wykresach:

4. Pytania do opracowania.

4.1 Wyjaśnić dlaczego selsyn odbiorczy ustawia się w takim samym położeniu jak nadawczy?

Jeśli poruszymy wirnikiem SN zachwiana zostaje SEM dzięki czemu płynie prąd. Prąd ten wspołdziała ze strumieniem wzbudzenia selsynu SO powodując moment obrotowy synchroniczny, który próbuje ustawić wirnik w tym samym położeniu jak położenie wirnika selsynu SN. Na SN działa ten sam moment obrotowy tylko o przeciwnym kierunku gdyż prąd w uzwojeniach fazowych tych selsynów płynie w kierunku przeciwnym względem kierunku wzbudzenia.

4.2 Wyjaśnić dlaczego w stanie równowagi prąd pomiędzy uzwojeniami wirników selsynów jest równy zero, a w stanie nierównowagi nie?

Jeżeli połączone ze sobą uzwojenia fazowe wirników SN i SO zajmują takie samo położenie względem swoich uzwojeń stojanów to SEM indukowane w tych uzwojeniach mają taką samą fazę i amplitudę lecz jest przeciwnie skierowane. Wobec, tego w uzwojeniach tych prąd nie płynie. Lecz gdy poruszymy wirnikiem SN o kąt alfa to zachwiane zostaje SEM i wtedy płynie prąd, co tym samym powoduje odchylenie wirnika SO o ten sam kąt alfa.

5. Wnioski

Prądy wirowe mają tym większe skłonności do powstawania im większe jest pole przekroju rdzenia obwodu magnetycznego. Zmniejszenie strat od prądów wirowych w rdzeniu przy zadanej indukcji magnetycznej i częstotliwości można otrzymać, wykonując rdzeń z cienkich blach magnetycznych izolowanych od siebie papierem, lakierem lub warstwą ceramiczną lub stosując blachy z materiału ferromagnetycznego o dużej rezystywności. Rezystywność materiału ferromagnetycznego można zwiększyć stosując odpowiednie domieszki stopowe, np. do stali elektrotechnicznej jako domieszkę stosuje się krzem. W środowisku nieruchomym prądy wirowe powstają w skutek zmian strumienia magnetycznego.

Przenikalność magnetyczna ferromagnetyków zmienia się w dużym zakresie. Od niewielkiej wartości początkowej wzrasta wraz z natężeniem pola magnetycznego do pewnej wartości, po przekroczeniu której maleje. Na sporządzonym wykresie μ_w = f(H_m) widoczna jest jedynie malejąca część charakterystyki.

Jeżeli materiał ferromagnetyczny umieścimy w zewnętrznym polu magnetycznym, to po zaniku pola magnetycznego materiał zachowa pewną polaryzację magnetyczną. Zjawisko to nosi nazwę magnetyzmu szczątkowego, a charakteryzująca je wartość indukcji magnetycznej. Powierzchnia zawarta wewnątrz pętli histerezy jest proporcjonalna do mocy zużywanej na przemagnesowanie materiału, zwanej stratami na histerezę. Materiały charakteryzujące się wąską pętlą histerezy nazywamy magnetycznie miękkimi.

W jednofazowym uzwojeniu stojana zasilanym napięciem sinusoidalnie zmiennym płynie prąd magnesujący I_μ, który wywołuje pulsujący strumień magnetyczny. W każdym z uzwojeń fazowych wirnika indukuje się SEM, której amplituda zależy od kąta pomiędzy osią geometryczną danego uzwojenia fazowago, a kierunkiem pulsującego strumienia magnetycznego.

W zależności od roli, jaką spełnia w układzie selsyn jednofazowy nazywa się go selsynem nadawczym, odbiorczym lub transformatorowym.

---