Ннннрр. Лабораторная работа 1 Исследование свойств катушки индуктивности с кольцевым ферритовым сердечником Цель работы

• Название: Лабораторная работа 1 Исследование свойств катушки индуктивности с кольцевым ферритовым сердечником Цель работы
• Анкор: Ннннрр
• Дата: 11.03.2022
• Размер: 0.77 Mb.
• Имя файла: 1Lab.rab.1obrazca2021goda.docx
• Тип: Лабораторная работа; #392118

Лабораторная работа №1

Исследование свойств катушки индуктивности с кольцевым ферритовым сердечником
1. Цель работы

Моделирование электромагнитного процесса в цепи с помощью программы «Micro-Cap 12» [1] для исследования влияния параметров сердечника на форму петли гистерезиса и другие характеристики электромагнитного процесса.
2. Задание на самостоятельную подготовку к работе

2.1. Изучите теоретические вопросы, связанные с анализом электромагнитного процесса в цепях, содержащих ферромагнитные (ферримагнитные) элементы.



Рис. 1. Катушка с тороидальным (кольцевым) сердечником.

2.2. В соответствии со своим номером варианта определите значения параметров элементов исследуемой цепи (рис. 2).



Рис. 2. Схема исследуемой цепи (I1 – источник гармонического тока, L1 – катушка индуктивности, K1 – сердечник катушки индуктивности).

3. Исходные данные (n – номер варианта – номер бригады)

1. Источник тока.

Амплитуда тока источника гармонического тока равна 0.1 А (А=0.1), частота равна 100 кГц (F=100 kHz). Остальные параметры источника равны нулю.

2. Катушка индуктивности.

Число витков W обмотки катушки равно 10+n (INDACTANCE=W).

3. Сердечник катушки индуктивности.

Средняя длина магнитной линии l в сердечнике равна 10+n см (PATH=l).

Площадь S поперечного сечения сердечника равна 1 см² (AREA=1).

Тип сердечника – 3F3 (MODEL=3F3).

Коэффициент связи сердечника с обмоткой COUPLING=0.999.

4. Задание для работы в компьютерном классе

4.1. Загрузите программу «Micro-Cap 12».

4.2. Нарисуйте схему исследуемой цепи и введите параметры ее элементов согласно варианту. Для этого Вам понадобятся следующие три программных библиотечных элемента: источник тока (Current Source), катушка индуктивности (inductor) и сердечник (K).

При вводе в схему элемента одновременно вводятся и его параметры.

Замечание. Индуктивность катушки с сердечником определяется свойствами сердечника и числом витков катушки. Поэтому при вводе катушки с сердечником указывается вместо величины ее индуктивности (которая не является постоянной и вычисляется при моделировании), а число ее витков. Т.е. вводится параметр обмотки катушки – число ее витков. Например, если у катушки 10 витков, нужно ввести в окне ее параметров INDACTANCE=10.

При вводе источника тока необходимо указать его параметры:

- форма тока – гармоническая (синусоидальная) – Sin;

- амплитуда тока (для анализа в переходном режиме) – IA;

- частота - F0.

Остальные параметры задать равными нулю.

Окно вводимых параметров источника тока и форма его тока приведены на рис. 3.



Рис. 3. Окно задания параметров источника тока и форма его тока.
При вводе катушки индуктивности укажите число ее витков: INDACTANCE=10+n.

При вводе сердечника катушки необходимо указать материал сердечника и его габариты.

В качестве материала сердечника возьмите имеющийся в библиотеке программы «Micro-Cap 12 » феррит марки 3F3: MODEL=3F3.

Феррит 3F3 – высокочастотный (используемый на частотах до нескольких мегагерц) марганцево-цинковый феррит фирмы Ferroxcube.

Его характеристики можно посмотреть на сайте производителя [2].

Для примера на рисунке 4 приведены параметры кольцевого сердечника TN32/19/13 из феррита 3F3 [3].


Рис. 4. Геометрические параметры кольцевого сердечника TN32/19/13.


Рис. 5. Характеристики феррита 3F3.
В программе «Micro-Cap 12» для имитации ферромагнитного сердечника используется модель Джилса – Атертона [4,5].
Смысл параметров модели кольцевого сердечника виден из таблицы 2.

Таблица 2.

Name	Parameter	Units	Default
AREA	Cross-sectional core area	cm2	1	Площадь поперечного сечения сердечника
PATH	Mean magnetic path length	cm	1	Средняя длина магнитной линии
GAP	Length of the air gap	cm	0	Длина магнитного зазора
MS	Saturation magnetization	Amp/m	400000	Намагниченность насыщения
A	Shape parameter	Amp/m	25	Параметр формы безгистерезисной кривой намагничивания
C	Domain wall flexing constant		.001	Постоянная упругого смещения доменных границ
K	Domain wall pinning constant		25	Постоянная необратимых деформаций доменных стенок

После указания материала сердечника (MODEL=3F3) автоматически загрузятся значения параметров его модели: MS, A, C и K.

Остается указать длину средней магнитной линии в сердечнике l(PATH=10+n см) и площадь его поперечного сечения S (AREA=1 см²).

При описании любого сердечника нужно указать каким катушкам он принадлежит (какие на нем обмотки) и какова связь между его обмотками. Хотя исследуемая катушка имеет единственную обмотку, коэффициент связи формально нужно ввести, например, равным 1 (только не 0).

Т.е. в окне параметров сердечника нужно ввести INDUCTOR=L1 и COUPLING=1.



Рис. 6. Окно задания параметров сердечника катушки индуктивности.
4.3. Исследуйте влияние средней длины магнитной линии в сердечнике на форму петли гистерезиса другие характеристики электромагнитного процесса.

Для этого при двух значениях средней длины магнитной линии (10+n см и 2(10+n) см) в режиме «Stepping» получите графики зависимостей (в системе SI):

- B(L1) от H(L1) – кривую намагничивания;

- X(L1) от I(L1) – вебер-амперную характеристику катушки;

- L(L1) от t – дифференциальную индуктивность катушки;

- V(L1) от t – напряжения на катушке;

- X(L1) от t – магнитного потока в сердечнике.

Приступите к анализу цепи («analysis») в переходном режиме («transient»).



Рис. 7. Окно задания параметров моделирования.



Рис. 8. Окно задания параметров «Stepping» (здесь принято n=0).



Рис. 9. График кривых B(H) в режиме «Stepping» при двух разных средних длинах магнитных линий.



Рис. 10. Графики Ф(t), L(t) и U_L(t) в режиме «Stepping» при двух разных средних длинах магнитных линий.

4.4. Повторите расчёт при l=10+0.1n и двух значениях S: 1 и 2 см².

5. 
   . Повторите расчёт при l=10+0.1n см, S=1см² и двух значениях числа витков: W и 0.5W.
   
6. 
   . Сделайте выводы о влиянии l, S и W на B, H, Ф, L, U_L катушки.
   

5. Указания к защите

5.1 Отчет по лабораторной работе должен содержать:

• 
  Моделируемую схему
  
• 
  Графики B(H), Ф(i), Ф(t), L(t) и U_L(t) согласно пунктам 4.3.-4.5.
  
• 
  Выводы о свойствах катушки, вытекающие из анализа полученных графиков. Физическое обоснование установленных свойств.
  

5.2. Контрольные вопросы

1. 
   Как связаны и ?
   
2. 
   Что такое относительная магнитная проницаемость μ?
   
3. 
   Что такое индукция насыщения B_s, остаточная индукция B_r?
   
4. 
   Какие ферромагнетики называются магнитотвёрдыми, а какие – магнитомягкими?
   
5. 
   Что представляет собой ферриты? Чем они отличаются от металлических ферромагнетиков?
   
6. 
   Что такое магнитодвижущая сила? Как выглядит закон полного тока в магнитостатике (теорема Ампера) применительно к однородному кольцевому сердечнику?
   
7. 
   Что такое вебер-амперная характеристика?
   
8. 
   Что такое эффективные параметры сердечника? (IEC 60205:2006 [6])
   
9. 
   Что такое основная кривая намагничивания?
   
10. 
    Что такое начальная магнитная проницаемость μ_i?
    
11. 
    Как изменится процесс намагничивания, если источник гармонического тока заменить на источник гармонического напряжения (для ответа нужно смоделировать этот вариант схемы)?
    

Источники

1. 
   
   
2. 
   https://www.spectrum-soft.com/download/download.shtm
   
3. 
   https://allstarmagnetics.com/assets/3f3.pdf
   
4. 
   http://ferroxcube.home.pl/prod/assets/tn321913.pdf
   
5. 
    Jiles, D. C.; Atherton, D.L. (1984). "Theory of ferromagnetic hysteresis". Journal of Applied Physics. 55 (6): 2115. doi:10.1063/1.333582
   
6. 
   https://en.wikipedia.org/wiki/Jiles%E2%80%93Atherton_model
   
7. 
   https://www.sis.se/api/document/preview/567981/