Négypólusok vizsgálata

Átírás

1 7. mérés Négypólusok vizsgálata Bevezetés A Négypólusok vizsgálata című mérés szervesen kapcsolódik a BME-VIK Anyagtudomány, Fizika, Hálózatok és rendszerek, Elektromágneses terek és Méréstechnika című tárgyaihoz. A mérés a lágymágneses anyagok néhány jellemzőjének mérését, a transzformátor modellparamétereinek meghatározását, az in-circuit impedanciamérés technikáját és a Telecom transzformátor mint termék vizsgálatát, minősítését foglalja magába. A lágymágneses anyagok vizsgálata (első mérési feladatblokk) azon alapul, hogy a vizsgálandó mintára helyezett mérőtekercs kapcsain a permeabilitással arányos villamos impedancia mérhető, amelynek ohmos komponense a veszteségekkel arányos. A mérés előzetes tervezése során ki kell számítani a mérőtekercs optimális menetszámát és az optimális mérőfrekvenciát úgy, hogy a vizsgálandó rendszer a lehető legjobban illeszkedjék a Magnetics Analyzer-hez. Ügyelni kell arra is, hogy a skin-hatás valamint a menetkapacitás miatti rezonancia ne okozzanak számottevő mérési hibát. (Kiegészítő feladatként) megoldandó a réz- és vasveszteségek szétválasztása a mérési elv módosításával, valamint a veszteségek átszámítása olyan frekvenciára és indukcióra, amelyeknél nem lehetséges közvetlenül mérni a veszteségi komponenseket. Kidolgozandó egy tervezési eljárás is, amelynek révén a lehető legkisebb toleranciával gyártható egy adott értékű induktivitás. A második mérési feladatblokkban a transzformátort, mint az elektrotechnika és elektronika egyik fontos alapelemét, vizsgáljuk. A villamos hálózatokban nagyfeszültségű transzformátorokkal állítják elő az optimális hálózati veszteségeket biztosító kis-, közép- és nagyfeszültséget. Villamos és elektronikus készülékek hálózati tápegységében a kívánatos feszültségszintek előállítására és a galvanikus elválasztás biztosítására transzformátort használnak. Kapcsolóüzemű tápegységekben ma már nem ritka az 1 MHz-en működő transzformátor sem. A híradástechnikában transzformátorokkal érhető el a maximális teljesítményt és reflexiómentességet biztosító impedanciaillesztés úgy a HIFI-technikában, mint például az antennák illesztésénél. Transzformátorokkal lehet az aszimmetrikus jeleket szimmetrizálni és fordítva. Mérőtranszformátorok segítségével akár 6 számjegy pontosságú, maximum 10 7 :1 arányú jelkondicionálást és előjeles jelösszegzést végezhetünk a precíziós méréstechnikában. Aránytranszformátorok, induktív osztók és áramkomparátorok felhasználásával akár 24 bites A/D átalakítók is készíthetők. A szigetelt erősítők egyik fajtája a bemenet és kimenet galvanikus elválasztására miniatűr, felületszerelt transzformátort használ. A nagysebességű adatátvitelre úgynevezett Telecom transzformátorok használatosak, amelyekkel impedanciaillesztés és reflexiómentes jelátvitel biztosítható. A modellparaméterek mérése során (a második feladatblokkban) a Magnetics Analyzer segítségével közvetlenül mérhető a főmezőinduktivitás és jósági tényező, a menetszámáttétel, a primer és szekunder DC-ellenállás, a primer és szekunder rövidzárási impedancia, valamint a primer-szekunder kapacitás. Meghatározandók a mérési bizonytalanságok is. A Telecom transzformátor esetében (negyedik feladatblokk) irodalomkutatás (Internet) útján kiderítendő a beiktatási csillapítás (Insertion Loss) és a reflexiós csillapítás (Return Loss) 1

2 Labor I. Mérési útmutató definíciója, amely paraméterek a Magnetics Analyzer segítségével a Telecom módban mérhetők meg: közvetlen csatolással, RC csillapító taggal és kapacitív csatolással. Az RC csillapító tag a transzformátor rezonanciáját hivatott tompítani, míg a kapacitív csatolás a nemkívánatos DC-jeleket választja le, mert azok a transzformátorban zavaró hatású előmágnesezést idéznének elő. A fentiekben vázolt mérési eljárások lehetővé teszik a transzformátorok gyártásközi és végellenőrzését, hatékony szervizét. Az in-circuit impedanciaméréssel (harmadik feladatblokk) bonyolult RLC-hálózatok szelektív tesztelése végezhető el az alkatrészek kiemelése nélkül, mellőzve a bonyolult számításokat. Fontos, előzetes feladat a tesztelhetőségre való tervezés, ami többek között az ehhez szükséges tesztpontok kialakítását jelenti. Ugyancsak megtervezendő, hogy az egyes RLC elemek és kombinációik milyen optimális frekvencián mérhetők a legkisebb mérési bizonytalansággal és ezzel összefüggésben az egyértelmű hibadiagnózis milyen toleranciaszintig lehetséges. A mérés sikeres elvégzése alapos felkészülést igényel. A felkészülés az előtanulmányok során megismert releváns témakörök átismétlését, bizonyos új ismeretek elsajátítását, a felkészülési feladatok önálló megoldását és a laboratóriumi mérés elvégzéséhez szükséges képletek és táblázatok előzetes összeállítását jelenti. Ezen feladatok megfelelő szintű teljesítése előfeltétele a laboratóriumi munka megkezdésének. A mérés célja A mérés célja a korábban megszerzett elméleti ismeretek gyakorlati vonatkozásainak bemutatása a modellalkotás, az impedanciamérés és a mágneses jellemzők mérése témakörökben, elsősorban anyagvizsgálati, paraméter-identifikációs feladatokhoz, ill. incircuit mérésekhez kapcsolódóan. A mérés elméleti alapjai A mérés elméleti alapjait az [1]-[2] irodalmak, valamint a Mágneses és kapcsolódó mennyiségek Lágymágneses anyagok c. táblázat foglalják össze. 2

3 MÁGNESES ÉS KAPCSOLÓDÓ MENNYISÉGEK - Lágymágneses anyagok Jel Mennyiség neve Mértékegység Érték, számítás, értelmezés I, I Áram, gerjesztőáram A (ma) N Menetszám, tekercsé 1 Θ Mágneses gerjesztés A (ma) Θ = NI l Közepes erővonalhossz m (cm) Zárt, légrésmentes vasmagra. H, H Mágneses térerősség A/m (A/cm, ma/cm) H = Θ/l = NI/l H = ReH + jimh H m Mágneses térerősség csúcsértéke A/m (A/cm, ma/cm) H m = 2 H szinuszos H-ra B, B Mágneses indukció T, Wb/m 2 (mt) B = µ 0 µ r H B = µ 0 µ r H B = ReB + jimb B m Mágneses indukció csúcsértéke T, Wb/m 2 (mt) B m = 2 B szinuszos B-re µ Abszolut permeabilitás V s/a m µ = B/H = µ 0 µ r µ 0 A vákuum permeabilitása V s/a m 4π 10-7 Mágneses térállandónak is nevezik. µ r Relatív permeabilitás 1 µ r = µ / µ 0 = µ -1 0 B/H Nemlineáris függvény. µ a Amplitudópermeabilitás, relatív 1 µ a = µ -1 0 B m /H m Váltakozó gerjesztésre, H dc =0 esetén. µ Komplex permeabilitás, relatív 1 µ = µ'-j µ" B és H között fázistolást okoz. µ' Komplex permeabilitás valós része, relatív 1 µ' = Re µ - µ" Komplex permeabilitás képzetes része, relatív 1 - µ" = Im µ µ Komplex permeabilitás abszolut értéke, relatív 1 µ = sqr ( µ' 2 + µ" 2 ) Látszólagos (amplitúdó)permeabilitásnak is nevezik. µ i Kezdeti permeabilitás, relatív 1 µ i = µ a = µ -1 0 B m /H m ha B m, H m 0 µ 4 Kezdeti permeabilitás, relatív 1 µ 4 = µ a = µ -1 0 B m /H m ha H m = 4 ma/cm µ max Maximális permeabilitás, relatív 1 µ r (H) vagy µ r (B) görbe csúcsa µ e Effektív permeabilitás, relatív 1 Inhomogén keresztmetszet, vegyes vasanyag, légrés alkalmazása esetén egy ekvivalans, homogén toroid mag relatív permeabilitása A Vasmag keresztmetszete m 2 (cm 2 ) Lemezelt vasmag esetén kisebb, mint a geometriai keresztmetszet! Φ Mágneses fluxus Wb, V s Φ = BA L Induktivitás H, Wb/A L = NΦ /I L= µ 0 µ r N 2 A/l = 10-9 N 2 A L A L Induktivitástényező, A L nh A L = 10 9 µ 0 µ r A/l Z s Soros impedancia, vasmagos tekercsé Ω, V/A Z s = R s +jωl s = jω µ 0 (µ'-j µ")n 2 A/l, L s = µ 0 µ'n 2 A/l R s = ω µ 0 µ"n 2 A/l Z s = sqr (R 2 s +ω 2 L 2 s ) = ω µ 0 µ N 2 A/l Q Jósági tényező 1 Q = ωl s /R s = µ'/µ" tgδ Veszteségi szög tangense 1 tgδ =1/Q = µ"/µ' Z s ' Soros impedancia, korrigált Ω, V/A Z s ' = R v +jωl s = jω µ 0 (µ'-j µ")n 2 A/l, L s = µ 0 µ'n 2 A/l R v = ω µ 0 µ"n 2 A/l Z s ' = sqr (R 2 v +ω 2 L 2 s ) = ω µ 0 µ N 2 A/l, R v =R s -R Cu

4 MÁGNESES ÉS KAPCSOLÓDÓ MENNYISÉGEK - Lágymágneses anyagok (folyt.) Jel Mennyiség neve Mértékegység Érték, számítás, értelmezés ρ Fajlagos ellenállás Ωm, Ω mm 2 /m R Cu Egyenáramú ellenállás, rézellenállás Ω, V/A R cu = ρ l Cu /A Cu R h Hiszterézisellenállás Ω, V/A A hiszterézisveszteséget modellezi. R ö Örvényáramellenállás Ω, V/A Az örvényáramveszteséget modellezi. R v Veszteségiellenállás Ω, V/A R v = R h + R ö = R s R Cu A vasveszteséget modellezi. R s Soros ellenállás Ω, V/A R s = R Cu + R h + R ö = R Cu + R v A vas- és rézveszteséget modellezi. P Veszteségi teljesítmény W (mw) P = I 2 R s = I 2 (R Cu + R h + R ö ) P Cu Rézveszteség W (mw) P Cu = I 2 R Cu P h Hiszterézisveszteség W (mw) P h = I 2 R h = c 1 B p m f p= 1 3 P ö Örvényáramveszteség W (mw) P ö = I 2 R ö = c 2 B q m f 2 q= 1 3 szinuszos B-re P v Vasveszteség W (mw) P v = I 2 R v = P h + P ö = c 1 B p m f + c 2 B q m f 2 szinuszos B-re P v /f Periódusonkénti vasveszteség, B m = állandó W/Hz (mw/hz) P v /f = c 1 B p m + c 2 B q m f B m = állandó! m Vasmag tömege kg (g) p v Fajlagos vasveszteség W/kg (mw/g) p v = P v /m J Áramsűrűség A/mm 2 J=I/A Cu δ Behatolási mélység mm δ = sqr (ρ/(π µ 0 µ r f )) 4

5 7.mérés Négypólusok vizsgálata Hivatkozások, felkészüléshez ajánlott irodalom 0 [1] Dr. Schnell László: Jelek és rendszerek méréstechnikája, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, Mágneses jellemzők mérése, old. [2] Dr. Zoltán István: Méréstechnika, Műegyetemi Kiadó, 55029, Budapest, RLC-elemek, old Feszültségváltók, old. 4. Impedanciamérés, old és old [3] BME VIK: Műszerismertető segédlet a Laboratórium I. c. tárgy méréseihez, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2003 Bevezető az Wayne Kerr 3260B Precision Magnetics Analyzer használatához Feladatok a felkészüléshez 0. A mérést megelőző otthoni felkészülésként végezze el az alábbiakat önállóan! 1. A Ferromágneses jellemzők mérése (anyagvizsgálat) c. mérési pontokhoz válaszolja meg az alábbi kérdéseket, felhasználva a vizsgálandó vasmagról és a mágneses analizátorról ott közölt adatokat! 1.1. Határozza meg a mérési feladatoknál megadott vasmagra az A vaskeresztmetszetet és az l közepes erővonalhosszt! 1.2. N menetszámú mérőtekercs és ismert µ r (illetve A L ) esetén határozza meg a vasmagos tekercs induktivitását és impedanciáját! 1.3. C menetkapacitás esetén határozza meg az effektív induktivitást és a rezonancia frekvenciát! Milyen frekvenciatartományban okoz a rezonancia 1%-nál kisebb járulékos hibát az induktivitás értékében? 1.4. N menetszámú mérőtekercs és ismert I mérőáram esetén határozza meg a vasmagban kialakuló H közepes térerősséget! 1.5. N menetszámú mérőtekercs és B m csúcsértékű szinuszos mágneses indukció esetén határozza meg a vasmagos tekercsben indukált feszültséget! 1.6. Mekkora legyen a mérőtekercs menetszáma, hogy B m = 0,41T telítési indukció esetén a mérőfeszültség 5 V, a mérőáram 100 ma legyen, illetve ezen értékeket éppen ne lépjük túl? 1.7. Miért nem célszerű 10 V, 200 ma határértékekre tervezni? 1.8. Válasszon a fentiek alapján alkalmas kerek menetszámot és kerek mérőfrekvenciát! 1.9. Mekkora a behatolási mélység réz esetén, 50 Hz frekvencián? Milyen szempontok alapján választaná meg a tekercshuzal átmérőjét 100 khz működési frekvencián? Mi a fizikai különbség Z s és Z s ' között, mikor melyiket használná? Zs helyett mit és hogyan kellene mérni, hogy a rézveszteséget leválasszuk? Hogyan mérné meg a komplex permeabilitást? 5

6 Labor I. Hallgatói segédlet Milyen toleranciával lehetséges egy 10 mh értékű induktivitást előállítani a fenti vasmagon? Hogyan tudná minimalizálni a toleranciát? 2. A Transzformátor vizsgálata (modellparaméterek mérése) c. mérési pontokhoz válaszolja meg az alábbi kérdéseket, felhasználva a vizsgálandó transzformátorokról (Tr-1 és Tr-2) ott közölt adatokat! 2.1. Hogyan képzeli el a tekercselést szoros és laza csatolás esetén? 2.2. Adja meg a transzformátor helyettesítő képét és definiálja az egyes modell-elemek fizikai jelentését! Miért lemezelik a vasmagot, illetve miért használnak Ferritet? 2.3. Határozza meg a bemeneti impedanciát terheletlen és rövidre zárt transzformátor esetén az a = N p /N s menetszámáttétel függvényében! Milyen jogos elhanyagolások tehetők? 2.4. Mire való az 1:1 áttételű transzformátor? 2.5. Határozza meg a transzformátorra kapcsolható maximális feszültséget! Mitől függ a maximális üzemi feszültség? 2.6. Számítsa ki a főmező-induktivitást a kezdeti permeabilitás és az A L érték alapján! 2.7. Határozza meg az l Cu1 közepes menethosszt egyrétegű primer és egyrétegű szekunder tekercs feltételezésével! 2.8. Mekkora a réz ρ fajlagos ellenállása? Számítsa ki a primer és szekunder tekercsek egyenáramú ellenállását! 2.9. Határozza meg a terheletlen transzformátor 3 db-s ponthoz tartozó alsó határfrekvenciáját a szórt induktivitások és a vasveszteség elhanyagolásával! 3. A RC-hálózat vizsgálata (In-circuit mérések) c. mérési pontokhoz válaszolja meg az alábbi kérdéseket, felhasználva a vizsgálandó aluláteresztő szűrő ott közölt kapcsolását és adatait! 3.1. Tervezzen minimális lépésből álló in-circuit mérési eljárást a komponensek mérésére! Mi az in-circuit mérési eljárás előnye? 3.2. Hol szükséges teszt-pontok kialakítása? Hogyan választaná meg a mérési frekvenciát? Milyen stratégiák lehetségesek? 3.3. Mi az egyértelmű diagnosztizálhatóság feltétele? 4. A Telecom transzformátor vizsgálata (termékvizsgálat) c. mérési pontokhoz válaszolja meg az alábbi kérdéseket, felhasználva a vizsgálandó Telecom transzformátorról (Tr-3) ott közölt adatokat! 4.1. Definiálja a beiktatási csillapítást (Insertion Loss, IL) és a reflexiós csillapítást (Return Loss, RL)! 4.2. Mire használatos a Telecom transzformátor? Miért nem 1:1 áttételű a fenti Telecom transzformátor? 4.3. Mekkora feszültségek tartoznak a 0 dbm és a +10 dbm értékekhez? 5. Olvassa el a Mérési feladatokat, és készítsen táblázatokat a mérésekhez (a kiegészítő feladatokhoz is)! A megoldott feladatokat (kézzel írott formában) be kell mutatni a mérésvezetőnek. Elfogadásuk előfeltétele a mérés megkezdésének. Az , , kérdések eredményei a mérések elvégzéséhez elengedhetetlenül szükségesek! 6

7 7.mérés Négypólusok vizsgálata Alkalmazandó műszerek Precision Magnetics Analyzer A Magnetics Analyzer legfontosabb adatai: Frekvenciatartomány: 20Hz 3MHz Mérőfeszültség: 1mV 10V Forrásellenállás: 50 Ω Mérőáram: 50µA 200mA Wayne Kerr 3260B Tesztpanel A mérendő négypólusokat egy VIK számú Mérőpanel tartalmazza: Transzformátor laza csatolással, Tr-1 Transzformátor szoros csatolással, Tr-2 RC-hálózat Telecom transzformátor, Tr-3 Mérési feladatok0. 1. Ferromágneses jellemzők mérése (anyagvizsgálat) A vizsgálandó vasmag adatai: Vasmag típusa: TDK H5A Vasmag anyaga: ferrit Vasmag formája: toroid Vasmag mérete: D = 68 mm, d = 44 mm, h = 13,5 mm Használati frekvenciatartomány: max. 0,2 MHz Kezdeti permeabilitás, µ i : % Telítési indukció, B m : 410 mt Induktivitástényező, A L : 4300±25% nh 1.1. Mérje meg a vasmagos mérőtekercs impedanciáját 1 V mérőfeszültségen, 100 Hz 500 khz tartományban! 1.2. Mérje meg a rezonancia frekvenciát és a menetkapacitást! 1.3. Mekkora lehet az a maximális mérőfrekvencia, amelynél a rezonancia miatti járulékos hiba az 1%-ot nem haladja meg? 1.4. Mérje meg a mérőtekercs kapcsain az impedanciát 1 mv 10 V tartományban a kiválasztott mérőfrekvencián az Analizátor grafikus üzemmódjában! 1.5. Skálázza át a mért Z(U) karakterisztikát µ r (B m ) illetve A L (B m ) karakterisztikákra! 1.6. Mérje meg a mérőtekercs kapcsain az impedanciát 50 µa 200 ma tartományban a kiválasztott mérőfrekvencián az Analizátor grafikus üzemmódjában! 1.7. Skálázza át a mért Z(I) karakterisztikát µ r (H) illetve A L (H) karakterisztikákra! 1.8. Határozza meg a µ i közelítő értékét, valamint a µ 4 és µ max relatív permeabilitásokat és a hozzájuk tartozó A L -értékeket a térerősség függvényében! 7

8 Labor I. Hallgatói segédlet 1.9. Határozza meg a telítési szakaszon azt a térerősséget és indukciót, amelyeknél a permeabilitás azonos a kezdeti permeabilitással! 2. Transzformátor vizsgálata (modellparaméterek mérése) A vizsgálandó transzformátorok (Tr-1 és Tr-2) adatai: Vasmag típusa: TDK H5A Vasmag anyaga: ferrit Vasmag formája: toroid Vasmag mérete: D = 68 mm, d = 44 mm, h = 13,5 mm Használati frekvenciatartomány: max. 0,2 MHz Kezdeti permeabilitás, µ i : % Telítési indukció, B m : 410 mt Induktivitástényező, A L : 4300±25% nh Primer menetszám, N p : 110 Szekunder menetszám, N s : 110 Huzal keresztmetszet, A Cu : 0,05 mm 2 Huzal anyaga: réz Szigetelt huzal átmérője d v : 0,6 mm Tekercselési mód: laza csatolás (Tr-1), szoros csatolás (Tr-2) 2.1. Mérje meg a transzformátorok jellemző paramétereit U eff = 5V szinuszos feszültséggel f = 1 khz frekvencián illetve egyenáramon! Miben különbözik a két transzformátor? 2.2. Adja meg a rézellenállások és a főmezőinduktivitás mérésének bizonytalanságát! 2.3. Mérje meg a Z(U, f) primeroldali impedanciát terheletlen transzformátor esetében! 3. RC-hálózat vizsgálata (In-circuit mérések) A vizsgálandó aluláteresztő szűrő kapcsolása és adatai: Adatok: R 1 = 100 Ω ±0,1% R 2 = R 4 = 1 kω ±1% R 5 = 10 kω ±2% C 1 = 1 µf ±5% C 2 = 100 nf ±5% R4 R5 IN R1 R2 OUT C1 C ábra. Vizsgálandó aluláteresztő szűrő 3.1. Végezze el az in-circuit mérést és adjon értékelést! 8

9 7.mérés Négypólusok vizsgálata 4. Telecom transzformátor vizsgálata (termékvizsgálat) A vizsgálandó Telecom transzformátor (Tr-3) adatai: Tipus: PCM-40 Vasmag típusa: M30 Permalloy Áttétel, N s /N p : 408:384 Frekvenciatartomány: 200 Hz 220 khz Beiktatási csillapítás, IL: 0,1 db-n belül Max. jelszint: +10 db Lezáróimpedancia: 600 Ω 4.1. Mérje meg a Telecom transzformátor áttételét! 4.2. Mérje meg a Telecom transzformátor beiktatási és reflexiós csillapítását közvetlen csatolásnál, adott frekvencián! 4.3. Mérje meg a beiktatási és reflexiós csillapítást közvetlen csatolásnál, RCcsillapítással! 4.4. Mérje meg a beiktatási és reflexiós csillapítást kapacitív csatolásnál! Kiegészítő mérési feladatok 5. Ferromágneses jellemzők mérése (anyagvizsgálat) kiegészítés 5.1. Mérje meg az egyenáramú rézellenállást! Mérje meg az impedanciát és komponenseit f = 10 khz frekvencián, 1, 3 és 10 V feszültségen! 5.2. Számítsa ki az indukciót, a rézveszteséget és a vasveszteséget a fenti mérési pontokban! 5.3. Becsülje meg, hogy az indukció mely hatványával változik a vasveszteség! 5.4. Becsülje meg a vasveszteséget f = 10 khz frekvencián, B m = 400 mt indukciónál! 5.5. Mérje meg az impedanciát és komponenseit f = 10, 3 és 1 khz frekvencián, 10, 3 és 1 V feszültségen, állandó indukció mellett! 5.6. Számítsa ki a rézveszteséget valamint a vasveszteséget a fenti frekvenciákon, állandó B m -nél! 5.7. Ábrázolja a periódusonkénti vasveszteséget állandó B m -nél! 5.8. Határozza meg a vasveszteség komponenseit a fenti frekvenciákon! 5.9. Számítsa ki a vasveszteséget és komponenseit f = 20 khz frekvencián, változatlan indukcióra! 9