Лабораторные работы по электротехнике и электронике

 
Лабораторные работы по электротехнике
Электрические цепи постоянного тока
ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ
СОЕДИНЕНИЕ НАГРУЗКИ ТРЕУГОЛЬНИКОМ
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ УТРОИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ
ЧАСТИЧНЫЕ ЕМКОСТИ В СИСТЕМЕ ПРОВОДНИКОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Исследование характеристик источника
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСА
Исследование однофазного трансформатора
Исследование трехфазного асинхронного двигателя
Исследование синхронных микродвигателей
Исследование исполнительного двигателя постоянного тока
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ
Резонанс токов
ПОВЫШЕНИЕ  КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕНЕРАТОРАХ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОСТОГО ХОДА
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
RLC элементы
Трансформатор
Катушка индуктивности
Квазистационарные процессы
Биполярные транзисторы
Каскады на биполярных транзисторах
Дифференциальный усилитель
Полевые транзисторы
Операционные усилители
Практические задания
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СДВИГА ФАЗ

Лабораторная работа 13

ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШКИ СО СТАЛЬНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ

Цель работы - исследование зависимости параметров схемы замещения и потерь в стали катушки от длины воздушного зазора и напряжения сети.

1. Пояснения к работе

Синусоидальное напряжение на зажимах катушки со стальным сердечником уравновешивается ЭДС, индуктируемой основным магнитным потоком в сердечнике, а также падениями напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях ее обмотки, т.е.

, (1.1)

где: r - активное сопротивление обмотки (сопротивление меди);

хs - индуктивное сопротивление обмотки, обусловленное магнитным потоком рассеяния;

Z - комплекс полного сопротивления обмотки;

Е - ЭДС самоиндукции от основного магнитного потока

, (1.2)

где: W - число витков катушки;

 f - частота сети;

 Фm - амплитуда основного магнитного потока.

Для определения ЭДС Е используется дополнительная обмотка с числом витков Wд, помещенная на том же сердечнике, что и основная. Измерив напряжение на зажимах этой обмотки Uд, и зная число витков W и Wд, нетрудно определить ЭДС:

, (1.3)

и амплитудное значение магнитной индукции

, (1.4)

где Sc - поперечное сечение сердечника катушки.

Схема замещения катушки со стальным сердечником показана на рис. 13.1.

Здесь: ro - активное сопротивление, характеризующее тепловые потери в стали;

 хо - индуктивное сопротивление, обусловленное основным потоком.

Общее активное сопротивление катушки

, (1.5)

а общее реактивное сопротивление

. (1.6)

Тепловые потери в стали

 

, (1.7)

где: Pг - потери на гистерезис;

 PВ - потери от вихревых токов.

При частоте f =50 Гц потери в стали обычно определяются по формуле

, (1.8)

где: Р1/50 - удельные потери (в 1 кг стали ) при f =50 Гц и Вm=1Тл (зависят

от сорта стали и толщины листов шихтованного сердечника);

G - масса сердечника.

В катушке со стальным сердечником обычно падение напряжения I·Z значительно меньше ЭДС Е. Поэтому можно считать, что U»E. Следовательно, Вm пропорционально U, и при постоянной частоте потери в стали будут примерно пропорциональны квадрату напряжения сети, т.е. Рс≡U2. Параметры катушки определяют из выражений:

; ;

; . (1.9)

Коэффициент мощности катушки .

При изменении воздушного зазора сердечника d или напряжения сети U cопротивления ro и хо катушки не будут оставаться постоянными, а следовательно, будет изменяться полное сопротивление Z, коэффициент мощности cosj, ток I и потребляемая мощность Р.

Так, например, при увеличении длины воздушного зазора происходит возрастание тока катушки при неизменной величине напряжения сети. Это объясняется тем, что воздушный зазор из-за очень малой, по сравнению со сталью, магнитной проницаемостью оказывает большое сопротивление магнитному потоку. В связи с этим, при увеличении длины зазора падает индуктивность Lo (коэффициент пропорциональности между потокосцеплением и током) и индуктивное сопротивление хо основного магнитного потока. Это приводит к уменьшению полного сопротивления цепи Z, в составе которого хо имеет наибольший удельный вес, и как следствие - к возрастанию тока. Этот факт может быть объяснен и на основании закона полного тока

,

если учесть, что амплитуда магнитной индукции Вm, а значит и напряженности магнитного поля в сердечнике Нс и в воздухе Нв поддерживаются подведенным напряжением (1.2) и уменьшаются незначительно, а lв возрастает.

Векторная диаграмма катушки со стальным сердечником строится следующим образом (рис.13.2). Заменив несинусоидальные функции времени эквивалентными синусоидами, в выбранном масштабе произвольно указывают положение вектора основного магнитного потока Фm. ЭДС самоиндукции Е отстает по фазе на 900 от основного магнитного потока. Активная составляющая тока Ia (Ia = Pc/Е) совпадает с напряжением U`=-Е, а реактивная составляющая тока IP (IP = ) отстает от этого напряжения (совпадает с Фm).

Затем, построив вектор тока I=Ia+Ip, находят положение вектора напряжение сети U по формуле (1.1).

2. Порядок выполнения работы

2.1. Ознакомиться с конструкцией катушки со стальным сердечником и записать в табл.13.1 ее основные характеристики: число витков основной W и дополнительной WД обмоток, поперечное сечение сердечника Sc, и активное сопротивление основной обмотки r.

2.2. Собрать схему (рис.13.3).

2.3. Провести исследования катушки со стальным сердечником при постоянной величине напряжения U на ее зажимах и переменном воздушном зазоре d.


2.3.1. Установить и затем поддерживать в процессе проведения экспериментов постоянное значение напряжения на зажимах катушки U = 60-80B.

2.3.2. Изменяя воздушный зазор d в сердечнике катушки от 0 до 50 мм, провести 6-7 измерений тока I, мощности Р и напряжения UД на дополнительной обмотке. При этом нужно следить за тем, чтобы ток в катушке не превышал 3,5 А.

По данным измерений определить параметры катушки R, x, Z, r0, x0, Z0, xs, а также Рс, Е, соsj  и Вm.

2.3.3. По данным табл.13.2 в одной и той же системе координат построить графики зависимостей: I (d); Z0 (d); Bm (d) при U=const.

Объяснить характер графиков.

2.4. Исследовать катушку со стальным сердечником при постоянном воздушном зазоре d и изменяющемся напряжении U, для чего:

а) установить постоянный воздушный зазор в сердечнике d=0;

б) изменяя с помощью автотрансформатора напряжение U от нуля до максимально возможного значения, произвести 5-6 измерений тока I, мощности Р и напряжения UД.

По данным измерения определить параметры катушки.

в) по данным табл.13.3 в одной и той же системе координат построить кривые: Рс(U); I (U); Z0 (U); Bm(U) при d = const.

Объяснить характер кривых.

г) последовательно с основной обмоткой включить реостат, на котором установить небольшое сопротивление (3-5Ом). К зажимам этого реостата подключить вход электронного осциллографа. При напряжении U, равном 240В, 160В и 80В с экрана осциллографа снять кривую напряжения на реостате, которая повторяет кривую тока катушки. Указанные осциллограммы привести в отчете. Сделать заключение о влиянии напряжения на форму кривой тока катушки.

2.5. Для одного из отсчетов по данным табл.13.3 построить векторную диаграмму (с соблюдением масштабов) и схему замещения катушки со стальным сердечником.

3. Вопросы для самопроверки

3.1. Каково назначение стальных сердечников трансформаторов и электрических машин?

3.2. Почему сердечники трансформаторов и электрических машин выполняются шихтованными из отдельных, изолированных друг от друга, тонких листов?

3.3. Начертите схему замещения и векторную диаграмму катушки со стальным сердечником. Объясните физическую сущность каждого элемента схемы.

3.4. Как и почему изменяется ток катушки при увеличении воздушного зазора в сердечнике?

3.5. Объясните характер вольтамперной характеристики катушки со стальным сердечником.

3.6. Как и почему изменяется реактивное сопротивление катушки при увеличении питающего напряжения?

3.7. Какие виды потерь имеются в стали? Как зависят потери в стали от частоты? От подведенного напряжения?

Методика решения задач