Praktikum EE2 Grundlagen der Elektrotechnik Teil 2 Name: Studienrichtung:
Versuch 6 Messen der magnetischen Flussdichte Versuch 7 Transformator Versuch 8 Helmholtzspulen Versuch 9 Leistungsmessung
Testat :
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Grundlagen der Elektrotechnik für Elektrotechniker Fachbereich Elektrotechnik
Magnetisches Feld, Leistungsmessung
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6. Messen der magnetischen Flussdichte im Eisenkreis 6.1 Versuchsbeschreibung Positioniert man ein stromdurchflossenes Halbleiterplättchen mit der Dicke d so in einem Magnetfeld, dass es senkrecht von den magnetischen Feldlinien durchsetzt wird, so werden die bewegten Ladungsträger durch die Lorentz-Kraft von ihrer ursprünglichen Flussrichtung abgelenkt. Die positiven Ladungsträger werden nach der Linken-Hand-Regel von ihrer Flussrichtung nach links abgelenkt. Die Elektronen werden zur anderen Seite abgelenkt. Durch diese getrennten Ladungen entsteht die Hallspannung UH. Diese Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial (Hall-Konstante KH), der Dicke des Plättchens d, der Stärke des magnetischen Feldes (Magnetische Flussdichte B) und dem Steuerstrom IH durch die Hall-Sonde Ist.
6.2 Versuchsdurchführung Verstellen Sie in den vorgegebenen Schritten den Strom durch die Spulen an der Strombegrenzung des Netzgerätes und messen Sie die Flussdichte im Luftspalt des Eisenkerns mit einem Teslameter. Führen Sie diese Messungen für die Luftspalte a) = 3mm b) = 6mm durch.
Achtung! Bei Gleichfeldmessungen muss vor dem Messen ein Nullpunktabgleich am Teslameter durchgeführt werden! Der Versuchsaufbau darf noch nicht eingeschaltet sein. Den Betriebsartenschalter auf „Gleichfeld“ stellen. Sonde anschließen und Gerät einschalten. Messbereich auf 20mT stellen. Am Stellknopf die Anzeige auf Null stellen. Das Umschalten in einen anderen Messbereich erfordert keinen neuen Abgleich.
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6. 3 Versuchsaufbau
Quelle Strommessgerät Sonde Induktivität Teslameter
Q A HS L
Gleichstrom-Netzgerät Digital-Multimeter Hallsonde 2 Spulen mit Eisenkern N=900 Phywe-Teslameter
6.4 Versuchsauswertung Zeichnen Sie die Funktionen B = f(I) für beide Luftspalte in ein gemeinsames Diagramm
Aufgabe 6a I/A 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0
B / mT
Aufgabe 6b I/A 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0
B / mT
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7. Transformator 7.1 Versuchsbeschreibung Gekoppelte magnetische Kreise werden in der Praxis unter anderem dazu verwendet, Wechselspannungen in ihrer Amplitude zu verändern (Transformator), elektrische Kreise galvanisch voneinander zu trennen (Übertrager) oder Messinstrumente mit einer spezifischen messtechnischen Aufgabe zu verbinden (Wandler). Alle Anordnungen bestehen in der Regel aus zwei Spulen, die auf einen Kern aufgebracht werden. Dieser Kern kann ein verzweigter oder unverzweigter magnetischer Kreis mit oder ohne Luftspalt sein. Die Spule, in die die ursprüngliche Funktion (Eingangssignal) eingespeist wird, heißt Primärspule. Die durch den gekoppelten magnetischen Kreis veränderte Funktion (Ausgangssignal) wird an der Sekundärspule abgegriffen.
7.2 Versuchsdurchführung An einem Aufbautransformator sollen für Leerlauf, Kurzschluss und Belastung Spannungen und Ströme auf der Primär- und Sekundärseite gemessen werden. Im Belastungsfall sind die Leistungen und der Wirkungsgrad zu errechnen. 7.2.1 Leerlauf Bauen Sie die Schaltung nach Bild 1 auf und stellen Sie auf der Primärseite eine Spannung von 30V ein. Messen Sie mit einem Spannungsmesser an den einzelnen Abgriffen der Sekundärspule die jeweiligen Spannungen. 7.2.2 Kurzschluss Bauen Sie die Schaltung nach Bild 2 auf und stellen Sie auf der Primärseite einen Strom von 100mA ein. Messen Sie mit einem Strommesser an den einzelnen Abgriffen der Sekundärspule die jeweiligen Ströme. Bei jeder Änderung der Windungszahlen muss der Primärstrom erneut eingestellt werden. 7.2.3 Belastung Bauen Sie die Schaltung nach Bild 3 auf und stellen Sie auf der Primärseite eine Spannung von 30V ein. Auf der Sekundärseite wird der Belastungswiderstand an die gesamte Windungszahl angeschlossen. Messen Sie auf der Primär- und Sekundärseite Strom und Spannung.
Denken Sie daran, die Messgeräte in den WechselstromMessbereich (AC) zu schalten!
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7.3 Versuchsaufbau I
I
I
A
A UQ
~
V
V
L1
UQ
A
~
L1
L2
Bild 1
UQ
~
A V V L1
L2
Bild 2
Quelle Strommesser Spannungsmesser Induktivität Induktivität Belastungswiderstand
Q A V L1 L2
V
L2
Bild 3 Regel-Trenntrafo Digital-Multimeter Digital-Multimeter Phywe Spule N = 900 Phywe Spule mit Anzapfungen Leistungswiderstand 47Ω
7.4 Versuchsauswertung 7.2.1 Leerlauf N2
U2 / V
7.2.2 Kurzschluss ü (N1/N2)
ü (U1/U2)
N2
I2 / A
ü (N1/N2)
ü (I2 / I1)
7.2.3 Belastung N2
U1 / V
I1 / mA
U2 / V
I2 / A
P1 / W
P2 / W
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8. Helmholtzspulen 8.1 Gleichsinnige Schaltung 8.1.1 Versuchsbeschreibung Für zwei gleichsinnig geschaltete Helmholtzspulen soll mit einer Hallsonde die magnetische Flussdichte B entlang der Spulenachsen gemessen werden. Durch die gleichsinnige Schaltung addieren sich die Magnetfelder und in der geometrischen Mitte ist das Maximum zu messen.
8.1.2 Versuchsdurchführung Bauen Sie die Schaltung nach Bild 1 auf. Richten Sie die Hallsonde auf die Mittelachse der Helmholtzspulen aus. Stellen Sie am Netzgerät einen Spulenstrom I = 0,5A ein. Bewegen Sie die Hallsonde in den angegebenen Abständen entlang des Maßstabes (Koordinate X) und messen Sie den Betrag der Flussdichte.
8.1.3 Versuchsaufbau
Teslameter
mT 1 2
2 1
~
Maßstab
A
UQ Bild 1 Quelle Strommesser Teslameter Messobjekt
Q A
Netzgerät Digital-Multimeter Teslameter Helmholtzspulen
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8.1.4 Versuchsauswertung Zeichnen Sie ein Diagramm mit der Kennlinie |B| = f (x). X / cm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
|B| / mT
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8.2 Gegensinnige Schaltung 8.2.1 Versuchsbeschreibung Für zwei gegensinnig geschaltete Helmholtzspulen soll mit einer Hallsonde die magnetische Flussdichte B entlang der Spulenachsen gemessen werden. Bei der gegensinnigen Schaltung wirken die Magnetfelder gegeneinander und in der geometrischen Mitte ist das Minimum zu messen.
8.2.2 Versuchsdurchführung Bauen Sie die Schaltung nach Bild 2 auf. Richten Sie die Testspule auf die Mittelachse der Helmholtzspulen aus. Stellen Sie am Netzgerät einen Spulenstrom I = 0,5A ein. Bewegen Sie die Hallsonde in den angegebenen Abständen entlang des Maßstabes (Koordinate X) und messen Sie den Betrag der Flussdichte.
8.2.3 Versuchsaufbau
Bild 2
Quelle Strommesser Teslameter Messobjekt
Q A
Netzgerät Multimeter Teslameter Helmholtzspule
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8.2.4 Versuchsauswertung Zeichnen Sie ein Diagramm mit der Kennlinie |B| = f (x). X / cm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
|B| / mT
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9. Leistungsmessung 9.1 Belastung mit einem ohmschen Widerstand 9.1.1 Versuchsbeschreibung Die Leistung im Wechselstromkreis ergibt sich aus dem Produkt der beiden Zeitfunktionen von Spannung und Strom. Besteht der Lastzweipol aus einem ohmschen Widerstand, so pendelt der Augenblickswert der Leistung nur im positiven Bereich. In der Last wird eine reine Wirkleistung umgesetzt.
9.1.2 Versuchsdurchführung Bauen Sie die Schaltung nach Bild 3 auf. Verstellen Sie am Regel-TrennTransformator die Spannung zwischen 10 – 60 V. Messen Sie die Spannung U, den Strom I und die Wirkleistung P.
9.1.3 Versuchsaufbau
A
Q
~
W
UQ
V
Bild 3
Quelle Spannungsmesser Strommesser Leistungsmesser Verbraucher
Q V A W R
Regel - Trenn - Transformator Digital-Multimeter Zangen-Amperemeter Metrix PX 110 Schiebewiderstand 33Ω
R = 33Ω
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9.1.4 Versuchsauswertung - Zeichnen Sie die Kennlinie P = f (U). - Vergleichen Sie die vom Leistungsmesser angezeigten Leistung mit der aus Strom - und Spannungsmessung errechneten Leistung. - Erklären Sie den Unterschied.
Leistungsmessung am ohmschen Verbraucher
U/V
I/A
P/W
UI
Erklärung des Unterschiedes zwischen gemessener und gerechneter Leistung:
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9.2 Belastung mit einem Scheinwiderstand 9.2.1 Versuchsbeschreibung Besteht der Lastzweipol aus einer Kombination von Wirk- und Blindwiderständen (Scheinwiderstand), so entsteht neben der Wirkleistung P zugleich eine Blindleistung Q. Beide Leistungskomponenten werden unter dem Begriff der Scheinleistung S zusammengefasst.
9.2.2 Versuchsdurchführung Bauen Sie die Schaltung nach Bild 4 auf. Verstellen Sie am Regel-TrennTransformator die Spannung zwischen 10 – 60 V. Messen Sie die Spannung U, den Strom I, die Scheinleistung S, die Wirkleistung P, die Blindleistung Q und den Leistungsfaktor cosφ. Mit Taste DISPLAY am Leistungsmessgerät können Sie zwischen den Anzeigen umschalten
A
Q
~
W R = 33Ω
UQ
V L ≈ 300mH
Bild 4
Quelle Belastung Spannungsmesser Strommesser Leistungsmesser
Q R, L V A W
Regel-Trenntrafo Schiebewiderstand 33Ω Induktivität Digital-Multimeter Zangen-Amperemeter Metrix PX 110
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9.2.3 Versuchsauswertung - Errechnen Sie die Werte für den Scheinwiderstand Z, den Wirkwiderstand R und den Blindwiderstand XL. - Zeichnen Sie das maßstäbliche Zeigerbild der Widerstände und Leistungen bei U = 50 V.
U/V
I/A
P/W
S / VA
Q / var
cos
Z/Ω
R/Ω
XL / Ω
