Методические указания к выполнению лабораторных работ по теоретической электротехнике

Лабораторные по электротехнике
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ УТРОИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ
ЧАСТИЧНЫЕ ЕМКОСТИ В СИСТЕМЕ ПРОВОДНИКОВ
Доказать закон Ома с помощью эксперимента
 

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.

Таблица 13.1

Основные характеристики катушки со сталью

W

Sc, см2

r, Ом

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.

Результаты измерений и вычислений записать в табл. 13.2.

Таблица 13.2

Исследование параметров катушки при изменении длины воздушного зазора

№,

п/п

Измерено

Вычислено

U,

В

I,

А

P,

Вт

UД,

В

δ,

мм

E,

В

Bm,

Тл

Z,

Ом

R,

Ом

x,

Ом

Pc,

Вт

Zo,

Ом

ro,

Ом

xo,

Ом

xs,

Ом

cosφ

1

2

и т.д.

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.

Результаты измерений и вычислений записать в табл.13.3.

Таблица 13.3

Исследование параметров катушки при изменении величины напряжения источника

№,

п/п

Измерено

Вычислено

U,

В

I,

А

P,

Вт

UД,

В

δ,

мм

E,

В

Bm,

Тл

Z,

Ом

R,

Ом

x,

Ом

Pc,

Вт

Zo,

Ом

ro,

Ом

xo,

Ом

xs,

Ом

cosφ

1

2

и т.д.

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?

Решение задач по электротехнике