Аппаратно-программный измерительный комплекс (АПИК) для исследования поверхностного эффекта в ферромагнитном пазу

Татевосян Александр Сергеевич; Захарова Наталья Васильевна; Осинина Елена Викторовна

Научно-технический прогресс УДК 621.313

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС (АПИК) ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ЭФФЕКТА В ФЕРРОМАГНИТНОМ ПАЗУ

Татевосян А.С., ЗахароваН.В., ОсининаЕ.В.*

ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет», *ОАО НПП «Эталон», Омск, Россия

В статье приведены результаты экспериментального исследования электромагнитного поля в ферромагнитном пазу на основе разработанного лабораторного стенда, оснащенного аппаратно-программным измерительным комплексом, и численного моделирования переменного электромагнитного поля с помощью комплекса программ (профессиональная версия). Получено распределение плотности тока и магнитной индукции по высоте проводника в ферромагнитном пазу, его активное и индуктивное сопротивление на промышленной частоте

Ключевые слова: поверхностный эффект, ферромагнитный паз, проводник с током, магнитное поле, плотность тока в проводнике.

К числу приоритетных направлений развития регионов России относится, несомненно, качественное обучение будущих специалистов, которым предстоит работать в различных областях техники, в частности, электрической.

Очень часто сложность математического аппарата, применяемого для решения ряда электротехнических задач, не позволяет аналитическими методами обеспечить приемлемую точность инженерных расчетов. К числу таких задач относится изучение поверхностного эффекта в проводнике с током, расположенном в ферромагнитном пазу, связанное с исследованием магнитного поля переменных токов [1]. С другой стороны, будущим специалистам в значительной степени полезным является изучение экспериментальных методов исследования поставленной задачи.

Оптимальным в этой связи представляется исследование поверхностного эффекта в ферромагнитном пазу путем использования сочетания программ численного расчета электромагнитных полей и физического моделирования.

Для достижения цели предлагается разработанный лабораторный стенд и аппаратно-программный измерительный комплекс (АПИК), позволяющие провести сопоставление экспериментальных данных, полученных на лабораторном стенде, с результатами математического моделирования переменного магнитного поля в пазу с использованием комплекса программ Е1си 5.6 (профессиональная версия) [2].

Компоненты используемого оборудования имеют собственное программное обеспечение, например, USB осциллограф и лабораторные виртуальные приборы, разработанные в среде LabView.

В состав лабораторного стенда входят (рис. 1):

• физическая модель паза в виде штампованных листов трансформаторной стали, стянутых болтами. Глубина паза h = 50 мм, его ширина b = 5 мм. В ферромагнитном пазу расположена медная шина (проводник), площадь поперечного сечения проводника Snp = 50 х 2,5 мм2;

• силовая часть - понижающий трансформатор, гибкий токопровод, токоограничивающее сопротивление Rorp (нагревательный элемент, изготовленный из нихрома, охлаждаемый вентилятором), выключатель для сети переменного напряжения 220 B;

• измерительная часть (АПИК) - это ПК с разработанным программным приложением [2], USB осциллограф BM8020, миллитесламетр ТПУ-02, измерительная катушка, цифровой вольтметр, трансформатор тока (TT) с коэффициентом трансформации К = 60/1 = 60, измерительное сопротивление R^M = 0,1 Ом (датчик тока).

Методика определения плотности тока в сечении проводника основывается на измерении индукции магнитного поля на поверхности проводника при погружении датчика на различную глубину внутри паза. Для этого в лабораторном стенде имеются два типа датчика, а именно:

т.

Национальные приоритеты России. 2013. № 3 (10)

• бескаркасная тонкая (толщиной менее 0,5 мм) измерительная катушка, изготовленная в виде вытянутой по длине паза прямоугольной рамки площадью 5 х 50 мм2, имеющая небольшое число витков ^ = 40) сечением провода 0,2 мм2;

• датчик Холла (измерительный зонд) цифрового миллитесламетра.

Рис. 1. Электрическая схема лабораторной установки по исследованию поверхностного эффекта в ферромагнитном пазу: 1 - ПК, 2 - USB-осциллограф, 3 - цифровой вольтметр, 4 - цифровой миллитесламетр, 5 - медная шина с током, 6 - датчик Холла, 7 - ферромагнитный паз

Использование измерительной катушки в качестве датчика позволяет получить распределение плотности тока по высоте проводника через процедуру интегрирования напряжения, пропорционального наведенной в измерительной катушке ЭДС, используя аналоговый или цифровой интегратор. Цифровой метод интегрирования напряжения на выводах измерительной катушки с помощью USB осциллографа и виртуального интегратора, построенного в среде LabVIEW для ПК, является предпочтительным по повышению точности измерений. Работа с датчиком Холла в ферромагнитном пазу вносит дополнительные сложности, связанные с возможностью его случайной механической деформации и поврежде-

ния. Вместе с тем, измерение индукции магнитного поля датчиком Холла цифрового миллитесламетра в лабораторном стенде позволяет выполнить поверку измерительной катушки и определить надежность экспериментального исследования.

Программное приложение «Поверхностный эффект в ферромагнитном пазу» АПИК разработано в среде визуального программирования Borland Delphi 7.0, связанное через технологию ActieveX со средой LabVIEW [3].

В программном приложении предусмотрено, что ток в проводнике, расположенном в ферромагнитном пазу, определяется по напряжению на измерительном сопротивлении R^, которое передается на вход BXj (канал А) USB осциллографа. На вход Вх2 (канал В) USB осциллографа поступает напряжение с цифрового миллитесламетра, оснащенного датчиком Холла, или напряжение с измерительной катушки, используемой в качестве датчика индукции магнитного поля. Период квантования сигнала в программном обеспечении USB осциллографа задается из условия, чтобы число точек на периоде составляло не менее 200, например, при частоте сигнала 50 Гц период квантования должен быть не более 0,1 мс. Данные на ПК поступают напрямую через стандартный высокоскоростной USB порт. При использовании в качестве датчика магнитной индукции измерительной катушки в программном приложении используется цифровое интегрирование напряжения на катушке с помощью построенного в среде LabVIEW виртуального интегратора.

В разработанном комплексе реализован цифровой метод обработки экспериментальных данных с использованием современных информационных технологий. Предлагаемая разработка позволяет студенту получить достоверную экспериментальную информацию о неравномерности распределения плотности тока в сечении проводника по высоте паза и тем самым, изучить важное физическое явление, сопровождаемое работой электрических машин переменного тока.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

1. Теоретические основы электротехники: учеб. для вузов: в 3 т. Т.3 / К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коров-кин, В.Л. Чечурин. - СПб.: Питер, 2004.

2. ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов: руководство пользователя. - М.: ПК TOP; СПб, 2007. - 293 с.

3. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW / под ред. П.А. Бутырина. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 264 с.

Татевосян Александр Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретиче- Статья поступила в редакцию

ская и общая электротехника»; Захарова Наталья Васильевна - кандидат технических наук, 2 декабря 2013 г.

доцент кафедры «Детали машин» Омского государственного технического университета. Осинина Елена Викторовна - инженер ОАО НПП «Эталон», Омск.

Текст научной работы на тему «Аппаратно-программный измерительный комплекс (АПИК) для исследования поверхностного эффекта в ферромагнитном пазу»