Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.

24 Sie 2018 18:55 879 9
  • Poziom 42  
    Witajcie.
    Od niedawna chcę się zabrać za budowę przetwornicy napięcia (początkowo układ APCF boost), ale niestety moja wiedza z zakresu magnetyzmu kuleje. O ile współczynnik indukcyjności (stała zwojowa) dla przypadkowo znalezionego rdzenia można dość łatwo zmierzyć zawijając kilka zwojów i podstawiając do wzoru:
    Al=L/N^2
    To mam mały problem z wyznaczeniem indukcji nasycenia rdzenia, W internecie można znaleźć urządzenia mogące określić tę indukcję, tu przykład:
    https://elportal.pl/pdf/k04/45_05.pdf
    https://elportal.pl/pdf/k04/46_15.pdf
    To uznałem, że sam układ składa się ze zbyt dużej ilości elementów by chciało mi się prowadzić eksperymenty. Powyższe urządzenie to i tak w zasadzie przystawka do oscyloskopu. Uznałem, że wezmę rdzeń o znanych wymiarach i parametrach, zmierzę indukcję nasycenia a następnie porównam ją z obliczeniami. W ten sposób sprawdzę, czy metoda pomiaru jest słuszna. Stworzyłem więc własną wersję tej przystawki, na szybko jedynie w ramach testu koncepcji. Poniżej schemat i zdjęcie:
    Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.
    Zasilanie 9V, bo miałem takie pod ręką. Kondensator ma na celu zapewnienie odpowiedniej wydajności prądowej (niskie ESR w porównaniu do baterii), oraz ogranicza energię jaka wydzieli się na cewce podczas pomiaru. Dioda to 1n4148, służy jako zabezpieczenie przeciwprzepięciowe po wyłączeniu cewki. Rezystor to bocznik do pomiaru prądu cewki. Całość zmontowana w pająku, bo było szybciej.
    Do testów użyłem cewki zbudowanej z rdzenia TN32/19/13-3E25 na którą nawinąłem 28 zwojów. Indukcyjność powinna wynieść:
    L=6.95uH*28^2=5.45mH, ale elektrodowy tester pokazuje 7.18mH.
    Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.
    Z obsługi urządzenia, to najpierw włączamy jeden przełącznik i ładujemy kondensator z baterii, następnie odłączamy baterię a włączamy cewkę. Oscyloskop zapiąłem na rezystorze 0R33. Z ustawieniem oscyloskopu miałem mały problem, bo nie bardzo wiedziałem gdzie mam się spodziewać interesującej części, więc kilkadziesiąt testów robiłem. Finalnie uzyskałem to:
    Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.
    Z tego co policzyłem odcinek narastania prądu zaznaczony poniżej na czerwono:
    Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.
    gdzie prąd narasta w tempie (20mV/0.33?)/65us=923.076923A/s, odpowiada prędkości narastania prądu dla cewki o indukcyjności około 7mH, bo podczas pomiaru napięcie na kondensatorze nieco przysiadało (co wynikało z ESR, a nie z ładunku kondensatora, bo po pewnym czasie ponownie rosło).
    Natomiast zieloną strzałką zaznaczyłem miejsce gdzie prawdopodobnie rdzeń się nasycał, co skutkowało nagłym skokiem prądu i spadkiem napięcia kondensatora. Prąd w tym miejscu wynosił jakieś 100mA.
    Teraz teoretyczne oblliczenia, z którymi mam problem bo nie bardzo potrafię połączyć wzory ze sobą. Próbowałem liczyć strumienie magnetyczne i kombinowałem w każdy możliwy sposób, ale mając na uwadze zmienną przenikalność zrezygnowałem. Jedyne co na razie zrobiłem, to policzyłem siłę magnetomotoryczną jako F=0.1A*28zw=2.8A.
    Natężenie pola magnetycznego policzyłem jako:
    H=2.8A/76mm=36.84A/m
    gdzie 76mm to długość użyteczna ścieżki magnetycznej.
    W datasheecie materiału tej cewki znalazłem wykres B(H):
    Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.
    Gdzie to natężenie występuje w tym miejscu:
    Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.
    Co dałoby indukcję nasycenia około 250mT, czyli mniej więcej taką jakiej można było się po ferrytach spodziewać.
    Czy dobrze to policzyłem i zmierzyłem? Mam kilka innych rdzeni, o dużo mniejszej stałej zwojowej i również chciałbym zmierzyć w ten sposób indukcję nasycenia, ale nie wiem czy zrobiłem to dobrze.
  • Poziom 34  
    1-tytuł mylący-bo to jest próba uzyskania odpowiedzi dotyczącej cewki mającej rdzeń żelazny.A układ pomiarowy jest do niczego nieprzydatny.
    I sposób też.
    2-z układów pomiarowych podanych przez autorów opisu wynika ,że :
    -na badaną cewkę L podaje się impuls delta t .Prąd płynący w cewce ustawia po kolei "magnesiki'w rdzeniu obwodu magnetycznego .Przebieg liniowo rośnie w czasie trwania impulsu -jak już wszystkie poustawia -prąd maksymalnie rośnie i grzeje cewkę /R/ -jeśli ma oporność .
    3-czyli -po skończeniu się impulsu -mamy na ekranie dwa przebiegi .TEN DRUGI TO STRATY w cewce -niepotrzebne .
    4-dlatego pomiar jest elektroniczny ,dlatego impulsowy -bo człowiek nie jest taki szybki -ma czasy reakcji sekundowe -raczej...
  • Poziom 42  
    KaW napisał:
    tytuł mylący-bo to jest próba uzyskania odpowiedzi dotyczącej cewki mającej rdzeń żelazny

    Czemu nie nadaje się dla rdzeni ferrytowych?
    KaW napisał:
    z układów pomiarowych podanych przez autorów opisu wynika ,że :
    -na badaną cewkę L podaje się impuls delta t .Prąd płynący w cewce ustawia po kolei "magnesiki'w rdzeniu obwodu magnetycznego .Przebieg liniowo rośnie w czasie trwania impulsu -jak już wszystkie poustawia -prąd maksymalnie rośnie i grzeje cewkę /R/ -jeśli ma oporność .

    W zasadzie tak. Układ z linków elektronicznie generuje impuls napięcia o zadanym czasie trwania. Trzeba i tak dopasować jego długość ręcznie zależnie od tego co będziemy uzyskiwać na wyświetlaczu w kolejnych próbach. Sterowany jest elektronicznie, gdyż nie można tak po prostu podłączyć napięcia do cewki, gdyż prąd urósłby do wartości dziesiątek amperów w kilkadziesiąt mikrosekund. Ja czas trwania impulsu ograniczyłem prościej - używając ograniczonej energii w zgromadzonym kondensatorze. Z prób jakie robiłem potem wynikło, że kondensator 10uF również byłby wystarczający.
    Jak już wszystkie magnesiki będą poustawiane, to właśnie wtedy będzie płynął prąd nasycenia którego poszukuję. Potem prąd mocno rośnie ale jego wartość już mnie nie interesuje.
    KaW napisał:
    czyli -po skończeniu się impulsu -mamy na ekranie dwa przebiegi .TEN DRUGI TO STRATY w cewce -niepotrzebne .

    Jak dwa? Ja widzę jeden. Chodzi Ci o ten nagły wzrost? Tak, to straty których trzeba unikać, a więc nie przekraczać zadanego prądu cewki. A prąd jak już mówiłem chcę określić.
    KaW napisał:
    dlatego pomiar jest elektroniczny ,dlatego impulsowy -bo człowiek nie jest taki szybki -ma czasy reakcji sekundowe -raczej...

    Właśnie po to użyłem oscyloskopu a nie multimetru.

    Dodano po 14 [godziny] 31 [minuty]:

    Aktualizacja,
    Wpadłem na pewien pomysł jak sprawdzić, czy nasycenie faktycznie występuje w tamtym miejscu. Układ testowy wygląda praktycznie tak samo, tylko przerzuciłem go na płytkę uniwersalną. Na tym samym rdzeniu nawinąłem drugie uzwojenie 10 zwojów, do którego podłączyłem drugi kanał oscyloskopu. Uzyskałem taki wynik:
    Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.
    Żółty wykres to ponownie prąd cewki na boczniku, a niebieski to napięcie drugiego uzwojenia.
    Teoria:
    Gdy przyrost prądu przed nasyceniem jest stały, stała jest też zmiana strumienia magnetycznego, więc zgodnie ze wzorem E=dΦ/dt napięcie strony wtórnej jest stałe. Gdy nagle prąd zaczyna szybciej rosnąć napięcie strony wtórnej również powinno rosnąć. Jeżeli nie rośnie, a spada, wtedy rdzeń się nasycił.
    Poniżej ponownie ten sam wykres z nieco inną podziałką:
    Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.
    Czerwona linia pokazuje, że szybki spadek napięcia pokrywa się ze wzrostem prądu. Jednakże spadek napięcia jest dość nagły, podczas gdy wzrost prądu nie jest tak widoczny.
    Moim zdaniem w ten sposób można bardzo dobrze wyznaczyć prąd nasycenia rdzenia.
  • Specjalista elektryk
    Witam
    Nieźle to wykombinowałeś. Ja robiłem to trochę prościej - używając napięcia sinusoidalnego (zmieniając jego amplitudę) i obserwując na oscyloskopie prąd. Jednak w Twoim przypadku lepiej widać to przejście w fazę nasycenia.

    pzdr
    -DAREK-
  • Poziom 42  
    Darom napisał:
    Witam
    Nieźle to wykombinowałeś. Ja robiłem to trochę prościej - używając napięcia sinusoidalnego (zmieniając jego amplitudę) i obserwując na oscyloskopie prąd. Jednak w Twoim przypadku lepiej widać to przejście w fazę nasycenia.

    pzdr
    -DAREK-

    Dziękuję. Niestety nie posiadam generatora o odpowiedniej wydajności prądowej. Za to wykonałem dzisiaj kolejne 2 testy.
    Pierwszy, na cewce o wymiarach:
    Średnica wewnętrzna 14mm
    Średnica zewnętrzna 22mm
    Wysokość 8mm
    Stała zwojowa 7.82uH
    Materiał rdzenia nieznany.
    Na cewce nawinąłem 38 zwojów (uzwojenie zasilane), oraz 18 zwojów (pomiar napięcia). Wyniki prezentują się tak:
    Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.
    Tutaj niestety spadek napięcia strony wtórnej następuje dość sporo za wzrostem prądu, ale teoretycznie tyle co jest potrzebne do przetwornicy, to widać. Powyżej nasycenie występuje w okolicach 0.18-0.2A co daje siłę magnetomotoryczną F=7.6A.
    Problem mam niestety w drugiej cewce. Jej parametry:
    Średnica wewnętrzna 14mm
    Średnica zewnętrzna 27mm
    Wysokość 10mm
    Stała zwojowa około 96nH. W każdym razie bardzo mała.
    Materiał również nieznany. Cewka pochodzi prawdopodobnie z zasilacza ATX. Nawinąłem na niej 28 zwojów (uzwojenie zasilane) i 10 zwojów (pomiar napięcia).
    Wraz z prowadzeniem pomiarów musiałem zwiększyć pojemność kondensatorów magazynujących ładunek do 10mF. Mimo to wykres wygląda tak:
    Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.
    W szczycie przebiegu prąd wynosi 135A, więc siła magnetomotoryczna wyniosła 3780A co jak dla mnie jest chorą wartością. Nie wiem czy jest to spowodowane tym, że kondensatory zbyt mocno się rozładowały, a więc prąd nie dotarł w okolice nasycenia, czy nasycenie nastąpiło dużo wcześniej, a więc zaraz po włączeniu napięcia. Niestety na początku napięcia mam jakieś dziwne oscylacje o wielkiej częstotliwości, następnie prąd rośnie ładnie liniowo. Nigdzie nie mogę znaleźć jakiejś zależności między stałą zwojową a prądem nasycenia. Może podpowiesz mi coś w tej kwestii?

    Prócz tego starałem się obliczyć moc jaką może przenieść rdzeń (że to tak kolokwialnie ujmę), pracując w przetwornicy. Liczyłem sobie energię zmagazynowaną w cewce o indukcyjności L przy prądzie I równemu prądowi nasycenia. Potem liczyłem czas w jakim prąd osiągnie wartość nasycenia, przyjmowałem to jako pół okresu i liczyłem częstotliwość.przełączania. Potem mnożyłem energię razy częstotliwość i wychodziła mi moc. Okazało się, że rdzeń TN32/19/13-3E25, pracując w ten sposób przy napięciu zasilania U[V] może przenieść moc P[W]=U/4. Pracując w topologii buck, więc się do tego nie nadaje. Nie wiem czy dobrze to policzyłem...
  • Poziom 33  
    Bardzo logicznie i precyzyjnie starasz się pomierzyć parametry rdzeni i ich przydatność do przetwornicy DC/DC. Nie mam doświadczeń w tym temacie, więc tylko pozwolę sobie na własne spostrzeżenie (pytanie ?) dotyczące ostetniej cewki.
    Czy z wykresu wynika, że zastosowany rdzeń pochodzi w filtra przeciwzakłóceniowego ? Nie nada się więc do przetwornicy .
    Napięcie wtórne (niebieski kolor na oscylogramie) maleje niemal od początku.
    Wskazywałoby to, że cała moc wytraca się w rdzeniu.
    Prąd na uzwojeniu pierwotnym rośnie ale nie jest przenoszony przez strumień magnetyczny i cała energia idzie na ciepło.
  • Poziom 42  
    Post przypadkiem edytowałem kasując poprzednia treść. Postaram się go mniej więcej odtworzyć.
    wieswas napisał:
    Czy z wykresu wynika, że zastosowany rdzeń pochodzi w filtra przeciwzakłóceniowego ?

    Na pewno któryś pochodził z filtra przeciwzakłóceniowego.
    wieswas napisał:
    Napięcie wtórne (niebieski kolor na oscylogramie) maleje niemal od początku.
    Wskazywałoby to, że cała moc wytraca się w rdzeniu.
    Prąd na uzwojeniu pierwotnym rośnie ale nie jest przenoszony przez strumień magnetyczny i cała energia idzie na ciepło.

    Nie do końca. We wzorze na napięcie mamy U=L*dI/dt. Skoro napięcie wtórne maleje, oznacza to że strumień magnetyczny rośnie coraz wolniej. W celu lepszego wyjaśnienia krzywy wykres jak przebieg tego strumienia mógłby wyglądać.
    Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.
    Zmiana strumienia jest coraz mniejsza, więc i napięcie coraz mniejsze.
    Cewki w filtrze przeciwzakłóceniowym nie muszą mieć dużego prądu nasycenia, gdyż na pojedynczym rdzeniu nawinięte są 2 uzwojenia - jedno podłączone do neutralnego, drugie do fazy. Nawinięte są w ten sposób, że prąd płynący przez obie cewki wytwarza 2 strumienie magnetyczne które nawzajem się znoszą. Indukcyjność takiej cewki zależy tylko od indukcyjności rozproszenia.

    A'propos wytłuszczonego odniosę się do tego w drugim poście który jest gotowy do wysłania.
  • Poziom 34  
    Mnie się ta metoda -prosta i efektywna -bardzo spodobała .Dziękuje za dobrą lekcje z fizyki .
  • Poziom 42  
    Tutaj ponownie rdzeń trzeci, czyli ten który nie chciał się nasycić. Zauważyłem błąd we wcześniejszym pomiarze tego rdzenia, mianowicie oscyloskop ustawiony dla sond X10, a sondy ustawione w X1 :P No cóż, zdarza się.
    Tym razem nawinąłem na nim 90 zwojów (uzwojenie zasilane) i jakieś 8 (uzwojenie pomiaru napięcia). Cewka zasilająca miała jakieś 960uH (wg testera z elektrody). Wyniki są dosyć ciekawe.
    Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.
    2x to samo tylko na jednym jest dodany przebieg napięcia z kondensatorów, więc i próbkowanie kanału spadło.
    Zauważyłem coś ciekawego:
    Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.
    2 czerwone kreski pokazują, że prąd nagle zmienia tempo narastania. W tym samym miejscu napięcie strony wtórnej też spada trochę szybciej.
    Dalej matematyka:
    W zaznaczonym zielonym odcinkiem miejscu prąd wyniósł jakieś 4A. Oznacza to, że siła magnetomotoryczna wyniosła F=4A*90=360A.
    Niestety nie wiem czym jest długość użyteczna ścieżki magnetycznej, by policzyć natężenie pola magnetycznego. Wikipedia twierdzi, że jest to:
    Cytat:
    Długość drogi magnetycznej w układach nieliniowych jest pojęciem umownym, ponieważ do obliczeń parametrów obwodów magnetycznych często zakłada się równomierny rozkład strumienia magnetycznego w obwodzie magnetycznym - w takim przypadku wypadkowa droga magnetyczna jest średnią arytmetyczną drogi najkrótszej i najdłuższej (zobacz ilustrację obok).

    Niestety dla rdzenia TN32/19/13-3E25 długość użyteczna ścieżki magnetycznej wg katalogu to 76mm, czyli droga ta ma promień około 12mm, gdzie średnica wewnętrzna rdzenia to 18mm. Dziwne.

    Edytując post #7 napisałem:
    Kraniec_Internetów napisał:
    We wzorze na napięcie mamy U=L*dI/dt. Skoro napięcie wtórne maleje, oznacza to że strumień magnetyczny rośnie coraz wolniej. W celu lepszego wyjaśnienia krzywy wykres jak przebieg tego strumienia mógłby wyglądać.
    Obliczanie indukcji nasycenia rdzenia.
    Zmiana strumienia jest coraz mniejsza, więc i napięcie coraz mniejsze.

    O ja głupi... Dopiero teraz zrozumiałem. Prąd szybko rośnie coraz szybciej, a strumień coraz wolniej. Czyżby rdzeń nasycał się już na początku przebiegu? Możliwe, w końcu wcześniej pisałem, że od tych rdzeni nie wymaga się dużego prądu nasycenia. Niestety chyba nie mogę go zmierzyć, bo początek wykresu to dość duże oscylacje które skutecznie zaciemniają mi wszystko. Jutro ewentualnie spróbuję zamiast wielu mF w elektrolitach, dać foliowe MKP10 z 6.6uF. Zobaczymy czy nadal powstaną oscylacje.
  • Poziom 42  
    Kraniec_Internetów napisał:
    Jutro ewentualnie spróbuję zamiast wielu mF w elektrolitach, dać foliowe MKP10 z 6.6uF. Zobaczymy czy nadal powstaną oscylacje.

    Więc sprawdziłem. Bez zmian, wykres taki sam, jedynie zaraz po włączeniu spada bo spada napięcie na kondensatorach. Z ciekawości policzę tylko indukcyjność cewki dla 2 części wykresu równoległych do czerwonych odcinków. Dodatkowe rezystancje w układzie pomijam, bo nie mają aż tak wielkiego znaczenia.
    Dla pierwszej części wykresu:
    L=U*dt/dI=9V*200us/2.21A=0.814mH, więc wartość zbliżona do tego co pokazuje tester.
    Dla drugiej części wykresu:
    L=9V*200us/4.26A=0.423mH więc 2x mniej niż wskazał tester.

    Moim zdaniem tester nie nadaje się do pomiaru tego rdzenia, a rdzeń faktycznie pochodzi z filtra gdzie w zasadzie nie płynie przez niego duży strumień magnetyczny.

    Za to z samej metody jestem zadowolony. Jedynie musiałbym zmienić bocznik pomiaru prądu na dokładniejszy i o oporze 200mΩ, by mnożnikiem w ustawieniach oscyloskopu móc automatycznie podzielić pomiar napięcia przez opór i uzyskać przebieg prądu bez dodatkowego ręcznego liczenia. Nie jestem też pewien na ile pomiarów starczy jedna bateria, prócz tego zwykła alkaliczna 9V jest zdecydowanie za słaba by ładować pojemność 10mF na tyle szybko, by móc wykonywać pomiar za pomiarem. Spróbuję wykombinować swoją przystawkę do oscyloskopu w wersji nie tylko działającej, ale też wyglądającej.