ЕРВ

Магнітні поля у більшості випадків пов’язані з електричним струмом. Саме вони викликають появу ЕРС у генераторів електричної енергії, саме вони спричиняють появу сил і обертових моментів у електродвигунах і електричних апаратах. У більшості електротехнічного устаткування магнітне поле є проміжним чинником між перетворюваною електричною енергією, споживаною цим устаткуванням, і енергією,яка виходить з устаткування. Тому вимірювання магнітних величин нерозривно пов’язані з електричними вимірюваннями.

До магнітних величин, які підлягають вимірюванням, належать:

• магнітний потік;
• напруженість магнітного поля;
• магнітна індукція.

В енергетичному машинобудуванні надзвичайно важливим є визначення ряду характеристик магнітних матеріалів: втрат потужності в них, величини індукції насичення, залишкової індукції та коерцитивної сили, бо цими величинами визначається економічність і розміри електричних машин, трансформаторів, апаратів і приладів.

Магнітні потоки незмінного напрямку зручно вимірювати флюксметрами .

Флюксметр — це переносний магнітоелектричний прилад з дуже малим моментом протидії, розрахований на вимірювання величини магнітного потоку з використанням вимірювальної котушки, що приєднана до його затискачів.

Вимірювальна котушка повинна вільно насаджуватися на ту частину магніту чи електромагніта, через яку проходить магнітний потік, величину котрого бажано виміряти, а також вільно зніматись з неї. При вимірюванні флюксметром вимірювальна котушка обов’язково повинна мати відносно невеликий електричний опір (не більший за 5... 10 Ом).

Початкове положення вимірювальної котушки, за якого можна визначити величину потоку магніта, показано на рис. 1.

Для вимірювання величини магнітного потоку досить зняти вимірювальну котушку 3 з магніта 1 або подовжувана його полюса 2, як показано стрілкою.

Величина відхилення покажчика приладу від його початкового положення (а воно може бути й не нульовим!) буде пропорційна величині потокозчеплення магніта з котушкою.

Величина магнітного потоку Ф визначається з виразу

де С — постійна флюксметра [Вб/поділку];

W — число витків вимірювальної котушки;

α₁ — показання флюксметра до початку вимірювання (до зняття котушки з магніта);

α₂ — показання флюксметра після зняття котушки з магніта.

Якщо різниця показань α₂ — α₁ незначна, порівняно з загальним числом поділок шкали приладу, то для підвищення точності виміру магнітного потоку 2 вимірювальну котушку доцільно виконати з більшим числом витків. При цьому не слід забувати застереження відносно допустимої величини опору котушки.

Переводячи вимірювання з різних початкових положень котушки (вони вказані штриховими лініями з позначками 1, 2, 3, 4), можна виміряти величини магнітних потоків на різних ділянках магнітного шляху і оцінити величини потоків розсіювання досліджуваного магніта з подовжувачами його полюсів.

Переводячи вимірювання з різних початкових положень котушки (вони вказані штриховими лініями з позначками 1, 2, 3, 4), можна виміряти величини магнітних потоків на різних ділянках магнітного шляху і оцінити величини потоків розсіювання досліджуваного магніта з подовжувачами його полюсів.

Рисунок 1. Вимірювання величини магнітного потоку постійного магніту флюксметром Рисунок 2. Вимірювання величини магнітного потоку електромагніту флюксметром

Різниця між ними лише в тому, що споживана потужність у феродинамічного приладу може бути суттєво меншою, ніж у електродинамічного. Часто феродинамічні частотоміри виконують на основі найпростіших однорамочних логометрів, у котрих як діючий, так і протидіючий моменти створюються однією рамкою, через яку водночас проходять два струми: один (що створює момент протидії) викликаний ЕРС взаємоіндукції від дії струму, що є у обмотці нерухомої котушки, другий (той, що створює діючий момент) викликаний напругою мережі, частота якої вимірюється. Ця напруга прикладена до ємнісно-індуктивного кола приладу.

Початкове положення вимірювальної котушки при визначенні магнітного потоку у повітряному проміжку електромагніта показано на рис. 2.

Зауважимо, що достовірно з’ясувати величини незначних магнітних потоків (менших за 10 мВб) за допомогою флюксметра не вдається через недостатню чутливість цього приладу.

У подібних випадках можна користуватись балістичним гальванометром і величину магнітного потоку визначити з величини першого відхилення покажчика гальванометра α1, яке відбудеться після видалення вимірювальної котушки з місця дії магнітного потоку:

де r— опір кола рамки гальванометра, Ом;

С_Б — балістична постійна гальванометра, Кл/поділку;

α₁ — величина першого відхилення покажчика гальванометра по його шкалі, поділок;

W— число витків вимірювальної котушки.

Звичайно користуватись останнім методом можна лише у лабораторних умовах, бо балістичний гальванометр не є переносним приладом, а потребує стаціонарного встановлення у певному положенні та за відсутності механічних факторів впливу на нього.

Величину магнітного потоку в пристроях змінного струму можна вимірювати з допомогою вимірювальної обмотки з відомим числом витків W та вольтметра діючих значень напруги (електромагнітного, електродинамічного, феродинамічного тощо). Котушку намотують на магнітопровід, де треба визначити величину магнітного потоку, й приєднують до кінців котушки вольтметр.

Амплітуду Фм змінного магнітного потоку розраховують із виразу

де Е — виміряна ЕРС котушки, В;

К_f – коефіцієнт форми кривої напруги (для синусоїди К = 1,11);

f — частота напруги (магнітного потоку), Гц.

Напруженість постійного магнітного поля вимірюють виходячи з відомих залежностей електричного опору деяких металів (зокрема вісмуту) від 4 величини напруженості магнітного поля. Щоб визначити напруженість магнітного поля, резистор, виконаний у вигляді плоскої спіралі, розміщують у просторі, де діє магнітне поле, і вимірюють величину опору спіралі (частіш за все з допомогою мостової схеми). Величину цього опору порівнюють з величиною, виміряною при відсутності дії магнітного поля на цю спіраль. Якщо залежність кратності зміни величини опору від напруженості магнітного поля відома, то визначають величину напруженості.

Рисунок 3. Вісмутова спіраль для визначення величини напруженості магнітного поля: а – конструкція спіралі; б – залежність величини опору спіралі від напруженості магнітного поля

Конструкцію вісмутової спіралі зображено на рис. 3, а. Залежність величини кратності електричного опору вісмутової спіралі від величини напруженості магнітного поля зображено на рис. 3, б, з якого видно, що при зміні напруженості магнітного поля від нуля до 20* 10³ А/м величина опору вісмутової спіралі змінюється практично у два рази. Високої точності у визначенні величини напруженості при цьому чекати не доводиться.

Рисунок 4. Датчик Холла для вимірювання величини напруженості магнітного поля

Застосування для подібних вимірювань магніторезистивних напівпровідників, що мають значно більшу кратність зміни опору при зміні напруженості магнітного поля, на жаль, не дає змоги досягти вищих рівнів точності вимірювань через наявність у цих напівпровідників значної залежності опору від сторонніх факторів (наприклад, температури). І все ж деякі напівпровідники застосовують для вимірювань напруженості магнітного поля у схемах і приладах, де використовують ефект Холла. Полягає цей ефект у тому (рис. 4), що коли через тонку платівку з напівпровідникового матеріалу пропускати струм І, а перпендикулярно площині цієї платівки діяти магнітним полем, то на протилежних краях цієї платівки, паралельних напрямкові проходження струму, можна виявити ЕРС е_x. Величина цієї ЕРС буде пропорційна добуткові величин напруженості магнітного поля Н і струму / та обернено пропорційна товщині платівки Д. Крім того, величина цієї ЕРС залежить від матеріалу платівки, кількості та складу домішок у цьому матеріалі. Для виробництва таких перетворювачів напруженості магнітного поля у напругу беруть сурмистий чи арсенистий індій та деякі інші напівпровідники.

На основі датчиків Холла невеликого розміру (від 1 мм² ) виробляють зручні у користуванні зонди, що здатні вимірювати, разом із комплектним до них вимірювальним приладом, напруженості магнітного поля практично у яких завгодно повітряних проміжках, де є магнітне поле. Такі прилади водночас дають можливість вимірювати у повітрі й магнітну індукцію при користуванні іншою шкалою, яка є на приладі.

Магнітну індукцію, якщо вона створена постійним магнітом чи дією постійного струму, можна вимірювати тими самими методами, що й при вимірюванні величини магнітного потоку. Для цього необхідно застосовувати вимірювальну котушку з точно визначеною величиною її площі (при вимірюваннях магнітних потоків площа котушки практично не мала суттєвого значення). Лінійні розміри котушки для вимірювання індукції мають бути такими, щоб котушка вільно вміщалася у зоні, де величина індукції є постійною по усій площі, охопленій котушкою. Якщо ж розміри котушки будуть значними, то виміряне з її допомогою значення магнітної індукції буде середнім на площі, яку ця котушка охоплює.

Визначення величини індукції полягає у вимірюванні величини магнітного потоку Ф вже відомим методом — за допомогою флюксметра чи балістичного гальванометра та розрахунку величини індукції В (Тл):

де Ф — магнітний потік, В с;

SР — площа, охоплена вимірювальною рамкою, м2

Число витків рамки до цього виразу не входить, бо його враховано при визначенні величини магнітного потоку Ф.

Величину магнітної індукції при змінному магнітному полі, якщо змінний магнітний потік перетинає повітряний проміжок, можна визначити з допомогою вимірювальної рамки точно визначеної площі і вольтметра змінного струму, приєднаного до кінців обмотки цієї рамки. Струм, споживаний вольтметром, що вимірює ЕРС рамки, має бути якомога меншим. Найдоцільніше в цьому випадку користуватись електронним вольтметром. При синусоїдальному магнітному потоці величину максимального значення індукції визначають з виразу

де Ер —величина ЕРС вимірювальної рамки, В;

f —частота магнітного потоку, Гц;

W_p — число витків рамки;

S_Р —площа рамки, м².

При вимірюванні ЕРС рамки положення її площини мас бути перпендикулярним напрямові дії магнітного поля.

Якщо величина магнітної індукції визначається у магнітопроводі, то вимірювальну обмотку намотують на магнітопровід через шар тонкої ізоляційної плівки, паперу чи лакотканини, а за величину площі рамки приймають величину площі поперечного перерізу магнітопроводу.

На підприємствах енергетичного машинобудування, трансформаторобудування і електроапаратобудування значну увагу приділяють питанням, пов’язаним з якістю феромагнітних матеріалів, що застосовуються у виробництві. Головним чином це має відношення до електротехнічних сталей, на основі яких виготовляються всі електричні машини, трансформатори та апарати, що працюють на змінному струмі; магнітом’яких матеріалів, застосованих у електричних машинах та апаратах постійного струму, та магнітотвердих матеріалів, що застосовуються в електричних машинах постійного і змінного струмів малої потужності.

Вказані матеріали надходять до підприємств енергомашинобудування від постачальників з інших галузей промисловості й мають проходити вхідний контроль для того, щоб уникнути суттєвих витрат коштів, якщо у виготовленому енергетичному обладнанні при вихідному контролі чи (що ще гірше) у споживача (на електричній станції чи підстанції) виявиться, що через наявність підвищених втрат потужності у генераторі чи трансформаторі їх буде неможливо завантажити на повну (розраховану) потужність. При повному ж завантаженні через підвищені втрати потужності температура електричної ізоляції, що прилягає до вузлів, виконаних з матеріалів, що не відповідають нормам, буде дещо більшою за розрахункову, а це призведе до прискореного старіння ізоляції та зменшення часу між ремонтами обладнання.

Основними характеристиками магнітних матеріалів вважають:

• характеристику намагнічування;
• залежність питомих втрат потужності від величини індукції при певній (робочій) частоті струму, а іноді й залежність цих втрат від самої частоти (та ще й для різних значень магнітної індукції);
• величину магнітної проникності, а також залежності величини магнітної проникності від напруженості магнітного поля чи від величини індукції.

Таким чином, подальший матеріал цієї глави буде присвячений саме вимірюванням або визначенню за результатами вимірювань характеристик намагнічування, магнітної проникності та втрат потужності у магнітних (головним чином феромагнітних) матеріалів.

Визначення характеристики намагнічування доцільно виконувати за допомогою вимірювального приладу — пермеаметра. Будову цього приладу і схему його вмикання показано на рис. 5. Як видно з рисунка, досліджуваний зразок магнітного матеріалу 7, охоплюваний намагнічувальною котушкою 2, закріплено у магнітопроводах 3. Площа поперечного перерізу цих магнітопроводів у багато десятків разів більша, ніж площа поперечного перерізу зразка Д тому опір проходженню магнітного потоку, що створюється дією намагнічувальної котушки 2, практично визначається магнітним опором самого зразка 1. Магнітний потік, що створюється дією котушки 2, частково проходить через вимірювальний механізм феромагнітної системи, рухома рамка якого з обмоткою 4 живиться від елемента 7.

Величина струму рамки встановлюється за допомогою резистора змінного опору 5 залежно від величини площі поперечного перерізу зразка 1. Ця величина лишається незмінною протягом всього часу дослідження зразка. Величина індукції у проміжку, де містяться активні сторони рамки 4, буде пропорційна величині індукції, що створена у Рисунок 5 Пермеаметр зразку 1 дією намагнічувальної котушки 2 зі струмом. Завдяки цьому кут відхилення рамки і стрілки вимірювального механізму 4 буде пропорційним величині магнітної індукції у зразку 1. У порядку, рекомендованому описом приладу, резистором 8 змінюють величину струму в котушці 2, записуючи для кожного значення струму, взятого з показань амперметра 9, величину магнітної індукції, яку вказуватиме стрілка пермеаметра. За показаннями пермеаметра й амперметра 9 будують характеристику початкового намагнічування (характеристика 1 на рис. 6), а потім, користуючись перемикачем П, і петлю гістерезису, що складається з ділянок 2, 3, 4, 5, 6 і 7. Далі, з характеристики 1, якщо відомо, що магнітна проникність μ=В/Н, розраховують точки залежності μ=f(H) та будують цю залежність у координатах μ-H.

Рисунок 5. Пермеаметр

Петля гістерезису є важливою характеристикою магнітного матеріалу, бо за її допомогою одержують дані про залишкову індукцію В_г, коерцитивну силу Я_к та енергію втрат за один цикл повного перемагнічування. Цю енергію характеризує величина площі, що охоплена петлею гістерезису.

Рисунок 6. Характеристики намагнічування феромагнітного матеріалу і петля гістерезису

Для магнітних матеріалів, які працюють в устаткуваннях змінного струму, бажано вибирати матеріали з вузькими петлями гістерезису (магнітом’які матеріали, наприклад електротехнічні сталі).

Щодо матеріалів, з яких виконують постійні магніти, то бажано вибирати матеріали з великою коерцитивною силою H_к, тобто з широкою петлею гістерезису (магнітотверді матеріали).

Визначення величини потужності, що втрачається у магнітопроводах, виготовлених із листів електротехнічної сталі чи з якихось інших феромагнітних сплавів, найбільш доцільно виконувати за допомогою малокосинусного ватметра, ввімкненого як показано на рис. 7. На рисунку позначено: AT — регульований автотрансформатор; f, А, V₁, V₂, W — відповідно частотомір, амперметр, вольтметри та ватметр; АЕ — апарат Епштейна.

Розглянемо будову апарата Епштейна. Він має чотири пакети, складені зі смуг феромагнітного листового матеріалу, що випробовується. Кожний з пакетів охоплений четвертинами двох обмоток: W₁ (первинної, намагнічувальної) і W₂ — (вторинної, вимірювальної). Вторинну обмотку використовують лише для живлення вольтметра V₂, з показань якого визначають величину магнітної індукції в магнітопроводі, складеному з чотирьох указаних вище пакетів. Струм і потужність, споживані вольтметром V₂ мають бути якомога меншими, щоб ними можна було знехтувати при розрахунку втрат потужності у сталевих пакетах.

Слід мати на увазі, що сучасні електротехнічні сталі, які в основному досліджують за допомогою апаратів, котрі розглядали, мають питомі втрати потужності десь між 1 і 5 Вт/кг при індукціях 1,0 Тл. Тобто при вимірюваннях на апаратах, розрахованих на загальну масу сталі 5 кг, очікувана потужність втрат сягне всього 5...25 Вт. Менше значення величини потужності є сумірним з потужністю, споживаною електродинамічними чи електромагнітними вольтметрами.

Тому при вимірюваннях з такими вольтметрами споживану ними потужність необхідно брати до уваги, як і потужність, споживану обмотками W₁ і W₂ Якщо ж користуватись електростатичним вольтметром, то при вимірюваннях на частоті 50 Гц та близьких до неї на потужність, споживану вольтметром, можна не зважати. Те ж стосується і використання електронних вольтметрів.

Рисунок 7. Схема визначення величини втрат потужності у сталі за допомогою ватметра

На що дійсно необхідно звернути увагу, то це на втрати потужності в активному опорі обмотки W₁ Її величину 𝐼₁²*𝑟1 необхідно віднімати від потужності, виміряної ватметром W. Доцільність використання у цій схемі саме малокосинусного ватметра зумовлена тим, що у нього завжди будуть незначні втрати потужності в обмотці струму (вони сумірні з класом точності приладу) і на них можна не зважати при вимірюваннях.

Крім того, малокосинусні ватметри мають незначну кутову похибку меншу, ніж у звичайних ватметрів, у 5... 10 разів, що підвищує точність вимірювань у колах з малими значеннями коефіцієнта потужності, якими і є вимірювальні кола з котушками, що мають феромагнітні осердя.