В. А. Рыбаков, С. О. Хомутов

В. А. Рыбаков, С. О. Хомутов

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ И КОНСТРУКЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ студентами направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» всех форм обучения

Барнаул · 2015

Рыбаков В. А. Электротехническое и конструкционное материаловедение: Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ студентами направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» всех форм обучения / В. А. Рыбаков, С. О. Хомутов. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2015. – 27 с.

В учебно-методическом пособии приведены методики выполнения лабораторных работ по курсу «Электротехническое и конструкционное материаловедение».

Предназначены для студентов, обучающихся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» всех форм обучения.

Рассмотрены и одобрены

на заседании Методической школы им. О.И. Хомутова.

Протокол № 2 от 28.01.2015 г.

технический университет им. И.И. Ползунова», 2015

Порядок выполнения работы

1) Выбрать требуемую частоту измерений и установить её на генераторе.

2) Установить выходное напряжение генератора 2, 5 В по стрелочному индикатору генератора.

3) «Установить переключатель " Поляризация" “т А", размещенный на задней стенке моста, в положение " 5".

4) Убедиться, что переключатель " 3" или " 4" находится в соответствии со схемой измерения (четырехэлектродная или трехэлектродная).

5) Ознакомиться с техническим описанием и инструкцией по эксплуатации нульиндикатора и установить на нем требуемую частоту.

6) Перевести переключатель " Чувствительность" нульиндикатора в положение, при котором вертикальная полуось эллипса или размах вертикального отклонения составит 5 - 6 мм на его экране при положении тумблера чувствительность " ЛОГ". Добиться ручкой " Настройка" максимального отклонения.

7) Не работать на частотах, кратных 50 Гц (25, 50, 100, 150 и 200 Гц), так как влияние гармоник и субгармоник питающей сети переменного тока снижает чувствительность нульиндикатора (наводка). Поэтому для уменьшения уровня помех работать следует в экранированных помещениях и пользоваться фильтром, встроенным в нульиндикатор. Фильтр включается Тумблером " Фильтр 50Hz, вкл".

8) При подаче на вход " X" нульиндикатора напряжения переменного тока, совпадающего о частотой питания измерительной цепи моста, на экране электронно-лучевой трубки нульиндикатора будет наблюдаться эллипс. При соответствующем навыке возможно различить направление уравновешивания по активной и реактивной составляющей исследуемого образца.

9) Выбрать требуемую схему замещения нажатием одной из кнопок переключателя " Схема замещения" моста.

10) Нажать кнопку переключения " Поддиапазоны", соответствующую поддиапазону и установить на старшей декаде: C₁ - " 9"

С₂ - " 1", остальные знаки - знаки отсчёта могут находиться в произвольном положении.

11) Подключить объект измерения и установить по индикатору моста " U объекта” с помощью ручки установки требуемое напряжение переменного тока. В дальнейшем это напряжение будет поддерживаться на заданном уровне автоматически.

Внимание! При переключении поддиапазонов измерения или схем замещения следует отключать источник поляризующего напряжения и один из электродов ИО.

12) Выбрать требуемый поддиапазон измерений поочередньм нажатием кнопок переключателя " Поддиапазоны”, начиная с положения 1 до 1У.

13) Произвести уравновешивание измерительной цепи моста вращением ручек управления магазинов, включенных в соответствии с требуемой схемой замещения, и, следя за размером вертикальной полуоси эллипса по электронно -лучевой трубке нульиндикатора, которая в случае правильного направления уравновешивания будет уменьшаться, вращать ручки управления магазинов до превращения эллипса в горизонтальную или наклонную линию.

14) По мере приближения к равновесию следует увеличивать чувствительность ну ль индикатора с помощью переключателя " Чувствительность".

15) При работе на пределе максимальной чувствительности нульиндикатора переключатель «лин – лог» перевести в положение «Лин» при окончательном уравновешивании измерительной цели моста.

16) При измерении по последовательно-параллельной схеме замещения следует пользоваться методом последовательного приближения на частотах питания измерительной цепи отличающихся друг от друга в 100 и более раз.

17) Выбрать частоту питания измерительной цепи и уравновесить мост декадами G₁ и С при выключенных декадах ряда G₂. Получив отчет, определить tg δ ₁ по формуле:

, (2.5)

где ω = 2π f, f - частота, Гц;

С - определенная емкость;

G₁ - определённая проводимость;

Значение полученного тангенса должно находиться в пределах 0, 1 ≤ tg δ ≤ 20. Если tg δ ₁ меньше 0, 1 – нужно уменьшить частоту питания измерительной цепи, если больше – увеличить, до получения требуемого значений.

18) Уменьшить частоту питания измерительной цепи в 100 раз и уравновесить мост декадами ряда С и G₂, не изменяя набора, полученного в процессе уравновешивания по пункту 17.

После получения отсчета определить tg δ ₂ по формуле:

. (2.6)

Значение полученного тангенса угла потерь не должно выходить из предела 0, 1 ≤ tg δ ≤ 20. Если tg δ меньше 0, 1 - следует увеличить частоту питания измерительной цепи моста, если больше - уменьшить до получения требуемого значения (от 0, 1 до 20).

19) Повторить операцию уравновешивания согласно пункту 17; пользуясь декадами ряда G₁ и С не изменяя набора G₂, полученного в процессе уравновешивания но пункту 18.

20) Повторить операцию уравновешивания согласно пункту 18 и произвести отсчёт рядов.

21) Указанные в пунктах 17 и 18 действия повторять более 3-х раз не имеет смысла, так как это не приводит и увеличению точности измерений.

22) Диэлектрическую проницаемость вычислять, исходя из формулы:

. (2.7)

23) По результатам измерений заполнить таблицу 2.1

Таблица 2.1

Материалы:
t, ⁰C	ε	tg δ	f, Гц	ε	tg δ

и построить графики зависимостей: ε = F(t); ε = Ф(t); tg δ = ψ (t); tg δ = φ (t).

С ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛОГРОФА

Цель работы: Исследование зависимости индукции В, относительно магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля Н и мощности потерь Р от частоты изменения электрического поля.

Сведения из теории. Все ферромагнитные материалы обладают нелинейной зависимостью магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н. Указанная нелинейность объясняется доменной структурой этих материалов. При воздействии внешнего поля на магнитный материал, его домены ориентируются в направлении этого поля. С этого момента практически прекращается рост магнитной индукции при увеличении напряженности магнитного поля, то есть наступает насыщение.

На рисунке 6.1. показана кривая намагничивания ОА и петля гистерезиса АВДН. Гистерезисный цикл можно получить при монотонном изменении поля Н последовательно от +Нмакс до –Нмакс и обратно. Площадь гистерезисного цикла зависит от приложенной напряженности магнитного поля Нмакс. Однако увеличение площади гистерезисного цикла с некоторого значения напряженности Н прекращается и наступает насыщенность образца.

Если образец намагнитить до насыщения, а затем снять внешние намагничивающие поля, то магнитная индукция уменьшится до значения В, которое называется остаточной индукцией. Чтобы уменьшить индукцию от значения В до нуля, необходимо приложить обратно направленную напряженность поля –Нс, называемую коэрцитивной силой. На рисунке 6.2 дана зависимость магнитной проницаемости μ от величины напряженности магнитного поля Н. Её можно определить по кривой намагничивания и формуле: Гн/м.

К основным характеристикам магнитного материала относятся начальная магнитная проницаемость μ _н и максимальная магнитная проницаемость μ _max. Всё вышесказанное относится к кривым, снятым на постоянном токе, которые называются статическими. При снятии этих же зависимостей на переменном токе получаются динамические кривые.

Площадь гистерезисной петли в последнем случае пропорциональна потерям на перемагничивание и вихревые токи. Потери на перемагничивание могут быть определены по формуле:

(6.1)

где η – коэффициент зависит от свойств материала; f – частота тока; Вмах – максимальная индукция, достигаемая в данном цикле; n – показатель степени (в пределах от 1, 6 до 2).

Потери на вихревые тока определяются по формуле:

, (6.2)

где К – коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления материала ферромагнитного сердечника и его формы.

При низких частотах можно не учитывать потери на вихревые токи по сравнению с потерями на перемагничивание. С увеличением частоты потери, связанные с возникновением вихревых токов, также возрастают. Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечника выполняются не сплошными, а разделенными на отдельные пластины, изолированные друг от друга.

Для работы на более высоких частотах ферромагнитные сердечники изготавливаются из порошка, который смешивается с изолирующим материалом, а затем прессуется в виде сердечников необходимой формы. Такие материалы называются магнитодиэлектрическими. Они имеют малую величину коэффициента магнитной проницаемости.

Другим видом высокочастотного материала, имеющего большую магнитную проницаемость, являются ферриты и оксиферы (μ _max≈ 10^-2 Гн/м). По всей структуре они представляют собой феррокерамику. Указанные материалы имеют малое значение потерь на вихревые токи.

Исследование свойств магнитных материалов в данной работе производится с помощью электронного осциллографа, на экране которого фиксируется гистерезисная петля.

Схема для определения динамической петли гистерезиса при помощи электронного осциллографа показана на рисунке 6.3, где Г – генератор переменного тока; R₀ – сопротивление, обеспечивающее работу генератора в режиме «заданного» тока; R₁ – калиброванное сопротивление; ИО – испытуемый образец с двумя обмотками; R₂C – интегрирующая цепь; ЭО – электронный осциллограф.

К горизонтальному входу (Х) осциллографа подводятся напряжение, снимаемое с калиброванного сопротивления R₁. Падение напряжения на нём будет пропорционально намагничивающемуся току I.

Максимальная напряженность магнитного поля определяется из выражения:

(6.3)

где ω ₁ – число витков первичной обмотки; I₁– действующая величина тока; – средняя длина силовой линии магнитного потока, замыкающегося в испытуемом сердечнике.

Максимальная индукция в сердечнике определяется по формуле:

(6.4)

где U₂ – напряжение, индуцированное на входных зажимах вторичной обмотки; ω ₂ – число витков на вторичной обмотке; f – частота тока, на которой производятся измерения; S – площадь сечения магнитопровода сердечника.

Порядок выполнения работы.

1. Образец магнитного материала (феррита) подключить к схеме как указано на рис.3. Включить питание генератора, установив частоту 1000 Гц. Для получения гистерезисной петли на экране осциллографа необходимо предварительно установить ручку вертикального и горизонтального усиления примерно в среднее положение. Снимаемое с генератора напряжение, увеличить с помощью ручки «рег.вых.напряж.» так, чтобы получить на экране осциллографа гистерезисную петлю в режиме насыщения образца. Поставить положение ручек усиления по горизонтальному и вертикальному входам осциллографа с таким расчетом, чтобы вершина гистерезисной петли соответствовала значениям:

Нмакс=4 см, Вмакс=3 см.

2. Произвести градуировку чувствительности по осям осциллографа. Чувствительность горизонтальной оси осциллографа определить по формуле:

(6.5)

где - максимальное отклонение луча на экране осциллографа по горизонтальной оси в метрах; - ток в амперах, измеренный по миллиамперметру, включенному в первичную обмотку образца (рис. 3).

Градуировку чувствительности по вертикальной оси осциллографа произвести по вольметру, включенному во вторичную обмотку испытуемого образца, и определить по формуле:

(6.6)

где - максимальное отклонение луча на экране осциллографа по вертикальной оси в метрах; - напряжение по вольтметру в вольтах.

После градуировки чувствительности положение ручек «усиление» на осциллографе не изменять до конца испытания.

3. Снять кривую намагничивания образца. Для чего ручкой «регулировка выхода» на генераторе установить по оси Х h_х=0, 5; I: 1, 5; 2; 2, 3; 2, 5; 3; 3, 5; 4 см и записать в таблицу соответствующие значения h_х, . Рассчитать хотя бы одно значение μ ₂.

Таблица 6.1

h_х, м	, м	Н, А/м	В, Тл	μ, Гн/м	μ ₂

Одновременно зарисовать все гистерезисные петли магнитного образца на одном графике.

4. Определить потери в образце магнитного материала при разных частотах от 0 до 1000 Гц. При изменениях потерь необходимо для каждой частоты определить ширину гистерезисной петли Q_x и её полную высоту Q_y (рис.5.3.). Результаты измерений занести в таблицу 2 и зарисовать гистерезисные петли.

Таблица 6.2

f, Гц	Q_x, м	Q_y, м	S, м²	Р, Вт

5. По результатам измерений произвести расчёты.

Вычисление максимального напряжения произвести по формуле:

A/m (6.7)

где

Максимальную индукцию в сердечнике определить по формуле:

Тл, (6.8)

где ; S=42·10^-6м².

Величину потерь в образце ферромагнитного материала найти из выражения:

, Вт, (6.9)

где S –площадь гистерезисной петли в м².

Вычисление площади гистерезисной петли произвести из графика (рисунок 6.3) приближенным методом по формуле:

м² (6.10)

Магнитную проницаемость образца рассчитать по формуле:

Тл/м, (6.11)

где μ – абсолютная величина магнитной проницаемости.

Для магнитных материалов в литературе указывается относительная магнитная проницаемость μ ₂, а абсолютная магнитная проницаемость рассчитывается по формуле:

(6.12)