ТОЭ. Лабы

61

Лабораторная работа №6 Исследование магнитной цепи постоянного тока.

Цель работы: Изучение основных свойств и законов магнитных цепей, методов их расчета

Подготовка к работе.

1.Изучить по рекомендуемой литературе основные понятия, определения, свойства, характеристики магнитных материалов и магнитных цепей; величины и единицы их измерения; законы полного тока, Ома, Кирхгофа для магнитных цепей; методы расчета.

2.Начертить схему опыта, заготовить таблицы для записи опытных данных, наметить порядок проведения работы, ознакомиться с приборами.

3.Подготовиться к ответу на следующие вопросы:

1.Дать определение понятий магнитного потока, вектора магнитной индукции, напряженности магнитного поля, магнитно-движущей силы, магнитной проницаемости магнитных материалов и цепей.

2.Показать аналитические и графические зависимости, устанавливающие связь между различными магнитными величинами, также между магнитными и электрическими величинами; единицы измерения всех магнитных величин.

3.Что такое основная кривая намагничивания магнитного материала, веберамперная характеристика магнитной цепи?

4.Сформулировать закон Ома, закон полного тока и закон Кирхгофа для магнитной цепи.

5.Показать последовательность проведения опыта по снятию данных и расчета точек основной кривой намагничивания материала исследуемой магнитной цепи.

6.Показать правила пользования миливеберметром при снятии основной кривой намагничивания.

7.Как проверить правильность сборки исследуемой схемы для снятия основной кривой намагничивания материала магнитной цепи?

Литература.

1 Бессонов Л. А. ТОЭ. М 2002г

2.Г.В. Зевеке. П.А. Ионкин и др. Основы теории цепей, М. 1989г.

3.К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин, ТОЭ, т.1,

М-П.,2004г.

4Г.И. Атабеков, Линейные электрические цепи, учебное пособие, М., 2009г.

62

Описание установки.

Магнитная цепь, исследуемая в данной лабораторной работе (рис. 1),

Рис. 1. Схема исследуемой магнитной цепи.

состоит из трех участков(стержней), представляющих собой пакет из листов электротехнической стали. На 1 и 3 стержнях (участках) находятся намагничивающие обмотки с одинаковым числом витковW1 = W3 = 500 витков. Площади сечения стержней S1 = S3 = 5,44 · 10-4 см2, S2 = 8 · 10-4 см2. Длины участков магнитопровода равны l1 = l3 = 18,1 см, l2 = 6,4 см. Кроме того, на каждом стержне магнитопровода расположены измерительные обмотки с числом витков W1изм.=W2изм.=W3изм.=5 витков. С помощью переключателя П(Рис.2) намагничивающие обмотки могут подключаться к постоянному току(для создания и изучения магнитного потока в магнитопроводе) и переменному току (для размагничивания магнитопровода). Измерение магнитных потоков производится миливеберметром, подключаемым поочерёдно к концам измерительных обмоток. Для измерения токов в витках намагничивающих обмоток используется амперметр.

Содержание работы.

1. Собрать цепь опытной установки по схеме рис. 2.

После проверки схемы преподавателем или лаборантом подготовить ее для снятия основной кривой намагничивания материала магнитной цепи. Для этого проверить правильность соединения обмоток намагничивания и освоить четкую безошибочную работу с миливеберметром, усвоить последовательность действий при проведении этого опыта.

Изменяя значения намагничивающего тока от нуля до максимума снять показания измерительных приборов и занести в таблицу 1.

Рис. 2. Схема опытной установки.

2.Для заданного значения намагничивающего тока измерить магнитные потоки всех трех стержней магнитопровода при согласованном или при встречном соединении намагничивающих обмоток (по заданию).

3.Рассчитать значения магнитных потоков и исследуемой цепи при одном из токов (по заданию) и сопоставить результаты расчета и опыта.

Выбор задания для каждой бригады проводится по вариантам.

Таблица 1. Варианты заданий.

Содержание отчета.

1.Схема опытной установки.

2.Таблицы опытных данных и вычислений.

3.Графики основной кривой намагничивания и зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля.

4.Графические построения расчета магнитных потоков в стержнях магнитопровода заданной цепи.

5.Ответы на контрольные вопросы к зачету.

64

Вопросы к зачету.

1.Почему снятие основной кривой намагничивания материала данной магнитной цепи производится только при согласном включении намагничивающих обмоток?

2.Показать методику и результаты расчета разветвленной магнитной цепи постоянного тока в исследуемом режиме.

3.Показать расчет исследуемой магнитной цепи, если ток первой намагничивающей обмотки будет равен нулю?

4.Показать расчет исследуемой магнитной цепи, если изменится направление тока в намагничивающей обмотке третьего стержня?

Методические указания.

Все опыты данной работы проводятся на одной установке, электрическая цепь которой собирается по схеме рис. 2. Смысл работы заключается в том, что сначала опытным путем определяют основную кривую намагничивания материала исследуемой магнитной цепи. Затем, используя эту характеристику, размеры магнитопровода и число витков намагничивающих обмоток, при определенной схеме их соединения, рассчитывают значения магнитных потоков на участках магнитной цепи при определенных намагничивающих токах. Опытным путем проверяют результаты расчета.

При проведении работы можно сначала провести все опыты, .е. снять основную кривую намагничивания, а затем для одного или двух значений тока в обмотках измерить значения магнитных потоков на участках магнитопровода. Магнитные потоки измеряются или при согласном или при встречном включении намагничивающих обмоток. Последующим расчетом определяются значения магнитных потоков в магнитной цепи при тех же токах и схемах соединения обмоток, что и в опыте. Результаты опыта и расчета сравнивают, делают выводы.

Для снятия основной кривой намагничивания намагничивающие обмотки соединяют последовательно и согласно. В этом случае в симметричной магнитной цепи при равенстве чисел витков намагничивающих обмоток магнитный поток в среднем стержне будет равен нулю. Весь магнитный поток будет проходить по 1 и 3 участкам и он будет создаваться совместным действием МДС обеих обмоток.

Для проверки правильности схемы, для снятия основной кривой намагничивания необходимо для произвольного значения тока в намагничивающих обмотках провести измерения значений магнитного потока во всех3-х стержнях. Схема будет правильной, если в 1-ом и 3-ем стержнях потоки будут одинаковы, а во 2-ом равен нулю.

66

Напряженность магнитного поля, как уже сказано выше, создается двумя намагничивающими обмотками. При последовательном и согласном включении намагничивающих обмоток, магнитный поток в исследуемом режиме, создаваемым МДС этих обмоток, будет замыкаться по 1 и 3 стержня.

где l1, l3 – соответственно длина первого и третьего участков магнитопровода. Предельная (максимальная) величина намагничивающего тока должна быть такой, при которой наступает насыщение магнитной цепи. Следует иметь в виду,

что при малых значениях намагничивающего тока приращения отклонения стрелки милливеберметра при приращении тока будут значительными, при больших токах – приращения отклонений стрелки с приращением тока уменьшается вследствие насыщения магнитной цепи. Поэтому в начале опыта приращения тока следует брать сравнительно малыми и увеличивать по мерена сыщения магнитной цепи. Результаты измерений записывают в таблицу 2.

Таблица 2. Данные опыта и расчета основной кривой намагничивания.

Для выполнения п.2 содержания работы делают измерения магнитных потоков во всех 3-х стержнях для заданного тока намагничивания и заданной схемы включения намагничивающих обмоток (таблица индивидуального задания). Данные этих измерений и последующего расчета заносят в таблицу 3.

Таблица 3. Результаты исследования магнитной цепи.

Исходными данными для расчета магнитной цепи являются: намагничивающий ток в обмотках, число витков намагничивающих обмоток, геометрические размеры магнитопровода и основная кривая намагничивания, построенная по опытным данным.

По методу аналогии заменим магнитную цепь эквивалентной электрической (Рис.3). Исследуемая цепь состоит из двух узлов и трёх ветвей. В первой и третьей ветвях имеются источники магнитодвижущей силы (МДС) I1W1, I2W2 и

67

нелинейные элементы, представляющие веберамперные характеристики стерж-

Расчёт производим графическим методом, используя первый закон Кирхгофа для магнитной цепи. Задаёмся произвольно направлениями магнитных потоков в стержнях. Тогда

Ф1 – Ф2 + Ф3=0.

С учётом того, что свойства нели-

нейных элементов выражаются гра Рис.3

фическими зависимостями, это уравнение представим веберамперными характеристиками.

Ф1(UM1) – Ф2(UM2) + Ф3(UM3)=0

Покажем построение веберамперных характеристик на примере1-го участка магнитопровода. На основной кривой намагничивания выбираем точки (6…8), которые полно отражают свойства материала. Для одной из точек определяем значения магнитной индукции и напряженности магнитного поля. Поток и падение магнитного напряжения на1-ом участке определяем по формулам:

Ф1 = В · S1, Вб; UM1 = H · ℓ1, A.

Аналогично повторяем расчеты для остальных точек и по результатам строим

зависимость Ф1 = f (UM1).

Также рассчитываем и строим вебеамперные характеристики для других участков.

Так как цепь не линейная, то уравнение, составленное по первому закону Кирхгофа, также нелинейное и может быть решено графическим методом. Этот графический метод предполагает графическое сложение составляющих уравнения как функций одного и того же аргумента и нахождение последнего на оси абсцисс (аргумента), так как правая часть уравнения равна нулю.

В нашем случае ВАХ нелинейных элементов представляют функции раз-

ных аргументов (Ф1(UM1), Ф2(UM2), Ф3(UM3).

Чтобы воспользоваться таким графическим методом расчета для заданной цепи необходимо преобразовать ВАХ НЭ цепи, т.е. получить ВАХ НЭ, для которых потоки ветвей были бы функциями одного и того же аргумента. Для заданной цепи это возможно и таким напряжением является магнитное напряжение между узламиU12. Для этого нужно выразить напряжение между узлами U12 для каждой ветви через ЭДС и напряжение на элементах ветви.

68

Для первой ветви U12 =I1W1 –Ф1(UM1); Для второй ветви U12 =Ф2(UM2);

Для третьей ветви U12 = I3W3 – Ф3(UM3).

Для каждой из ветвей ее ВАХ можно записать теперь как

Ф1(U12) = Ф1(I1W1 – Ф1(UM1)), Ф2(U12) = Ф2(Ф2(UM2), Ф3(U12) = Ф3(I3W3–Ф3(UM3)).

ВАХ ветвей строятся как ВАХ активных двухполюсников, рассмотренные выше.

Теперь мы имеем уравнение для магнитных потоков по первому закону Кирхгофа, удовлетворяющее условию графического расчета

Ф1(U12) – Ф2(U12) + Ф3(U12) = 0

Будем считать ВАХ симметричными относительно начала координат, .е. их свойства не зависят от направления тока.

Сложив ВАХ ветвей по оси ординат, на оси абсцисс (UМ) найдем значение U12 как отрезок между точкой пересечения суммарной кривой и началом координат.

Можно делать расчет, используя другую форму записи первого закона Кирхгофа.

Ф1(U12)+Ф3(U12)=Ф2(U12).

Решение по этому уравнению представлено на Рис.6

Рис. 6. Графический расчет исследуемой магнитной цепи.