«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ» 4 страница

1. Цель работы

Экспериментальное исследование вольтамперных характеристик катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником и конденсатора. Изучение формы кривой тока в катушке с сердечником. Исследование феррорезонанса напряжений. Сравнение экспериментальных результатов с расчетными результатами. Знакомст- во с работой двустороннего ограничителя уровня напряжения.

2. Пояснения к работе

Важным элементом конструкции различных электрических машин и аппа- ратов, устройств электроавтоматики является катушка индуктивности. При проте- кании тока по виткам катушки создается магнитное поле, интенсивность которого характеризуется магнитной индукцией В и магнитным потоком Ф, который про- порционален намагничивающей (магнитодвижущей) силе, равной произведению тока I катушки на число её витков w: F=Iw, Зависимость Ф(I) при отсутствии фер- ромагнитного магнитопровода (сердечника) является линейной.

При наличии сердечника магнитный поток, создаваемый такой катушкой, при прочих равных условиях значительно возрастает, так как в этом случае маг- нитный поток создается не только проводниками с током (источником внешнего магнитного поля), но и соответствующим ферромагнитным веществом магнито- провода (источником внутреннего магнитного поля).

Магнитная индукция В катушки индуктивности связана с напряженностью Н магнитного поля и магнитной проницаемостью m известным соотношением В =

mН, магнитный поток Ф = Вs = mНs, где s – поперечное сечение катушки.

Отсюда следует, что магнитный поток пропорционален магнитной прони- цаемости среды m, которая для ферромагнитных материалов значительно больше, чем магнитная проницаемость других материалов. Поэтому для уменьшения на- магничивающей силы F, а следовательно, и для уменьшения тока, необходимого для создания требуемого магнитного потока, катушки индуктивности снабжаются магнитопроводом (сердечником) из ферромагнитного материала, чаще всего из электротехнической стали.

Так как зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материа-

лов m(Н) является нелинейной (рис. 1), то и зависи- мость Ф(Н) или В(Н) при наличии магнитопровода оказывается тоже нелинейной. Зависимость В(Н) – кривая намагничивания – является одной из важней- ших характеристик ферромагнитных материалов (рис. 2). Кривая, проходящая через начало координат, явля- ется основной кривой намагничивания. Она снимается при одностороннем намагничивании размагниченного материала.

В, m

Рис. 1.

При питании катушки переменным током ферромагнитный магнитопровод из-за переменного магнитного потока циклически, с частотой тока перемагничива- ется по кривой гистерезиса, обусловленной наличием остаточной магнитной ин-

дукции В₀ и коэрцитивной силы Н_С (рис. 2). В процессе циклического перемагничивания за несколько полупе- риодов переменного тока устанавливается замкнутая симметричная петля гистерезиса.

На циклическое перемагничивание магнитопро- вода затрачивается мощность, выделяемая в виде тепло- ты, которая относится к потерям мощности в магнито- проводе. Потери мощности в магнитопроводе (потери мощности в стали) Р_СТ включают в себя потери на гис- терезис Р_Г и потери от вихревых токов Р_ВТ, наводимых

переменным магнитным потоком в металле магнитопровода, :

РСТ = РГ + РВТ.

Рис. 2.

Для уменьшения потерь мощности на гистерезис в качестве материала для магнитопровода используют ферромагнитные материалы с узкой петлей гистерези- са. Уменьшение потерь мощности на вихревые токи достигается применением для магнитопровода металлов с большим удельным электрическим сопротивлением за счет повышенного содержания кремния в металле. При этом магнитопровод соби- рается из тонких электрически изолированных друг от друга пластин, что способ- ствует уменьшению наводимых в каждой пластине вихревых токов и снижению потерь мощности от этих токов.

При питании синусоидальным напряжением ток в катушке с ферромагнит- ным сердечником искажает свою форму и является несинусоидальным во времени. На рис. 3 показано построение кривой тока в катушке с ферромагнитным сердеч- ником с учетом магнитного гистерезиса. Из рисунка видно, что начальные фазы магнитного потока и тока не совпадают (угол сдвига d). В связи с этим первая гар- моника тока (или эквивалентный ток) отстает от приложенного напряжения на угол j < 90°. Наличие сдвига по фазе между напряжением и током меньшего, чем 90° указывает на то, что активная мощность в цепи не равна нулю даже если ак- тивное сопротивление обмотки катушки рано нулю. Поэтому ток катушки из-за потерь на гистерезис имеет

активную составляющую I_А, а средняя мощность за период не равна нулю. Эта активная мощность характеризует рас- ход энергии на перемагничи- вание ферромагнитного сер- дечника.

При наличии несину- соидальных токов для упро-

щения расчетов обычно переходят к эквивалентному синусоидальному току I_ЭК, имеющему одинаковое с соответствующим несинусоидальным током действующее значение при одинаковой частоте и развивающему одинаковую с ним активную мощность при одинаковом значении коэффициента мощности

I= = I_ЭК = I _mЭК /Ö 2;

cosj =Р/UI = сosj _ЭК= P/U I_ЭК

Полное сопротивление катушки индуктивности с магнитопроводом при расчетах находят по закону Ома

Z_ЭК= U/I.

Эквивалентное активное сопротивление катушки определяют при этом по значению активной мощности Р, потребляемой катушкой из питающей сети, и её току или по значению потерь мощности в сердечнике Р_СТ и активному сопротивле- нию R проводов катушки

R_ЭК =Р/I² =P_СТ/I² +R.

Эквивалентное индуктивное сопротивление катушки

ЭК

–R

ЭК

ХЭК= Ö Z2 2

При этом индуктивность катушки L= Х_ЭК/w =Х/2pf.

При увеличении амплитуды напряжения на катушке индуктивности с фер- ромагнитным сердечником амплитуда и действующее значение тока в ней будут возрастать быстрее. В результате вольтамперная характеристика катушки с ферро- магнитным сердечником оказывается нелинейной (рис. 4). По форме она повторяет кривую намагничивания сердечника В(H).

В цепях, содержащих катушку с ферромагнитным сердечником и конденса- тор, резонансные явления, связанные с нелинейным характером индуктивности, называются феррорезонансом. В отличии от линейной

цепи феррорезонанс может наступить в такой цепи при U

изменении тока в цепи или приложенного напряжения без какой либо регулировки катушки или конденсатора. На рис. 5 показана вольтамперная характеристика после- довательной цепи, в которой возможен феррорезонанс напряжений. Вольтамперная характеристика емкости (2) пересекает вольтамперную характеристику катушки (1). Точка пересечения А является точкой резонанса. В этой

Рис. 4.

точке U_L и U_C одинаковы, а их разность равна нулю. При непрерывном увеличе- нии напряжения источника ток плавно растет до

I₂, затем скачком увеличивается до I₄ и далее U плавно растет. При уменьшении напряжения ток плавно уменьшается до I₃, затем скачком до I₁ и снова плавно падает. Скачкообразное изменение тока сопровождается изменением на 180° фазы то-

ка по отношению к напряжению (опрокидывание фазы).

Явление резкого изменения тока в цепи при незначительных изменениях напряжения на входе

I₁ I₂

Рис. 5.

I₃ I₄

цепи иногда называют триггерным эффектом в последовательной феррорезонанс- ной цепи.

При напряжениях источника, больших напряжения опрокидывания фазы, напряжение на катушке изменяется мало, что связано с переходом по характери- стике намагничивания в область магнитного насыщения. Это используется в прак- тике для стабилизации напряжения.

Ограничители амплитуды – это устройства, у которых выходное напряже- ние изменяется пропорционально входному до некоторого значения, называемого уровнем ограничения. После этого значение выходного напряжения не зависит от входного и остается постоянным (рис. 6). В низкочастотных устройствах часто ис- пользуют ограничители на стабили-

тронах (рис. 7). Вольтамперная харак- теристика двухфазного стабилитрона показана на рис. 8. С помощью этих устройств легко формировать трапе- цеидальное напряжение из синусои- дального (рис. 6). Если амплитуда U_вх> > U_ст можно получить напряже- ние, близкое по форме к прямоуголь- ным импульсам.

Рис. 6.

Рис. 7.

3. Порядок выполнения работы

Ознакомиться с лабораторной установкой (модуль питания, модуль нелинейных элементов, модуль автотранс- форматора, модуль реактивных элементов, модуль мульти- метров).

Для снятия вольтамперной характеристики

Рис. 8.

катушки с сердечником собрать электрическую цепь по рис. 9. В качестве амперметра и вольтметра ис- пользовать мультиметры в соответствующих режимах работы или стрелочные приборы. В качестве регули- руемого источника переменного напряжения исполь- зовать выход пониженного переменного напряжения автотрансформатора 0…12В (модуль автотрансформа- тора). Подключить параллельно добавочному резисто- ру выводы осциллографа. Установить ручку регуля- тора модуля автотрансформатора в крайнее левое по-

~0…12 B V

к осциллографу

Рис. 9.

ложение. Включить модуль питания (выключатель QF) и модуль автотрансформа- тора (выключатель SA1). Изменяя величину выходного напряжения автотрансфор- матора от нуля, снять вольтамперную характеристику катушки с ферромагнитным сердечником. Результаты измерений занести в табл. 11. При проведении измерений

наблюдать с помощью осциллографа форму кривой тока в цепи. Зарисовать вид кривой тока для последней точки. Выключить электропитание модулей.

Таблица 1

U_К, B
I_К, A

Для снятия вольтамперной характеристики конденсатора подключить к выходу пониженного напряжения автотрансформатора вместо катушки с сердеч- ником батарею конденсаторов модуля реактивных элементов. Величину емкости батареи конденсаторов установить по указанию преподавателя (например, 250 мкФ). Снять вольтамперную характеристику конденсатора, изменяя выходное на- пряжение автотрансформатора от нуля. Результаты измерений занести в табл. 2. Выключить электропитание модулей.

Таблица 2

U_С, B
I_С, A

Используя полученные экспериментальные результаты, построить в од- ной системе координат вольтамперные характеристики катушки с ферромагнит- ным сердечником и конденсатора. Для случая последовательного соединения ка- тушки с ферромагнитным сердечником и исследованного конденсатора построить вольтамперную характеристику такой цепи и по ней определить величину напря- жения, при котором будет наблюдаться триггерный эффект.

Собрать электрическую цепь с последовательным соединением катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора (рис. 10). Плавно изменяя величи- ну входного напряжения, снять вольтамперную харак-

теристику всей цепи при увеличении и уменьшении L

входного напряжения. Обратить внимание на скачок тока при увеличении и уменьшении напряжения. Ре- зультаты измерений занести в табл. 3

Таблица 3

Uувел, B
Iувел, A
Uуменьш, B
Iуменьш, A

Рис. 10.

По экспериментальным результатам по-

строить ВАХ цепи с последовательным соединением катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора. Сравнить полученную характеристику с расчетной характеристикой.

Ознакомиться с работой ограничителя уровня напряжения. Для этого собрать схему по рис. 11. Подключить параллельно двуханодному стабилитрону осциллограф.

В качестве амперметра исполь- зовать мультиметр в режиме измере- ния переменного тока. Плавно увели- чивая входное напряжение наблюдать по осциллографу форму выходного напряжения. Измерить осциллографом амплитуду выходного напряжения и сравнить ее с паспортными данными стабилитрона Д815Г. Зарисовать ос-

~0…12 B V

Рис. 11.

осциллографу

циллограммы наибольшего входного и соответствующего выходного напряжений.

4. Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать: а) наименование и цель работы;

б) схемы экспериментов и таблицы с результатами измерений;

в) расчетные и экспериментальные вольтамперные характеристики; г) осциллограммы напряжений и токов;

д) сравнение результатов расчета с экспериментальными данными; е) выводы о свойствах исследованных цепей.

ности.

5. Контрольные вопросы

1. Объяснить назначение ферромагнитного сердечника катушки индуктив-

2. Пояснить влияние сердечника на величину индуктивности катушки.

3. Как изменится вольтамперная характеристика катушки индуктивности

при наличии воздушного зазора в сердечнике?

4. Почему сердечник обычно выполняется из изолированных друг от друга пластин электротехнической стали?

5. Объяснить причину искажения синусоидальной формы тока при питании катушки индуктивности синусоидальным напряжением.

6. Как определить параметры схемы замещения катушки с ферромагнитным сердечником?

7. Каким образом в цепи с последовательным соединением линейной ка- тушки индуктивности и конденсатора можно обеспечить возникновение резонанса напряжений?

8. В чем особенности явления феррорезонанса напряжений?

9. Почему с увеличением емкости конденсатора возможно изменение вели- чины питающего напряжения, при котором происходит триггерный эффект?

10. Каково практическое применение феррорезонансных явлений?

11. Объяснить причину изменения формы выходного напряжения ограни- чителя уровня напряжения.

⇐ Предыдущая 1 2 34