2 семестр / ЛР 3 Катушка с сердечником

2

Печатается по решению редакционно-издательского совета Вятского государственного университета.

УДК

Авторы: доцент Агалакова Л.М., кафедра ЭиЭ ст. преподаватель Семёновых Л.В., кафедра ЭиЭ

Агалакова Л.М., Семёновых Л.В. Катушка с ферромагнитным сердечником: методические указания к лабораторным работам по ТОЭ ч.2. – Киров: Изд-во ВятГУ, 2012. – 11 с.

Авторская редакция

Текст напечатан с оригинал-макета, предоставленного авторами

____________________________________________________________________________

610000, г. Киров, ул. Московская, 36.

Оформление обложки, изготовление – ПРИП ВятГУ.

©Вятский государственный университет, 2012

©Агалакова Л.М., 2012

©Семёновых Л.В., 2012

3

Введение

Общие указания и правила выполнения лабораторных работ

Выполнение лабораторных работ – важная часть учебного процесса, преследующая

цель более глубокого усвоения теоретических положений изучаемой дисциплины и приобретения навыков исследовательской работы.

Перед началом лабораторных работ студенты должны изучить правила и технику безопасности работы в лаборатории.

Для успешного проведения лабораторных занятий каждая лабораторная работа выполняется бригадой в составе 2–3 человека. Бригада обязана проделать все лабораторные работы, предусмотренные учебным планом кафедры.

До начала очередной лабораторной работы студент должен ознакомиться с соответствующими указаниями и рекомендованной литературой. Перед выполнением работы необходимо иметь заранее заготовленную форму протокола измерений. Бланк

протокола измерений должен быть подготовлен каждым студентом перед лабораторной работой с использованием множительной техники или переписан от руки.

Прежде чем приступить к выполнению работы, студент должен твердо знать теоретический материал темы, к которой принадлежит данная работа, ясно представлять поставленную в работе задачу, способы ее разрешения и ожидаемые результаты.

Вся экспериментальная часть работы выполняется в полном объеме и той последовательности, как это предусмотрено данными методическими рекомендациями, под наблюдением преподавателя.

Если составляются сложные схемы, следует придерживаться определенного порядка:

сначала соединяются последовательно цепи всех приборов с соответствующей аппаратурой, а затем – все параллельные цепи приборов и аппаратура, относящаяся к ним.

При соединении элементов цепи и измерительных приборов рекомендуется подключать к клеммам не более двух проводников. Соединяя элементы цепи, следует обратить внимание на правильное включение генераторных зажимов приборов (фазометра, ваттметра). В работах на постоянном токе, необходимо следить за правильным включением приборов, поскольку показания их зависят от направления тока.

Во всех случаях, когда возникает сомнение в правильности полученных результатов измерений, необходимо повторить их вместе с преподавателем.

Обращение с приборами и оборудованием требует большой осторожности и внимательности. Включать напряжение для выполнения опыта можно только после проверки цепи преподавателем или лаборантом.

Описание каждой лабораторной работы в данном учебном пособии включает теоретическую часть, практическую часть и образец бланка протокола измерений.

4

Составление протокола измерений

Протокол измерений должен вестись с особой тщательностью, так как он является единственным документом, остающимся в распоряжении экспериментаторов. В протоколе

должны отмечаться содержание соответствующего пункта лабораторной работы по программе, электрическая схема, по которой производились измерения.

Запись измерений необходимо вести карандашом в таблицах, указывая в заголовках граф таблиц наименование измеряемых величин и единицы измерения.

Ошибочные записи, промахи и сомнительные наблюдения зачеркиваются, но так, чтобы зачеркнутое можно было разобрать.

Если проведение опыта требует выполнения предварительных расчетов, то в протоколе должны быть указаны формулы, по которым они производились и числовые значения, подставленные в формулы.

Рекомендуется после выполнения каждого пункта работы производить, хотя бы ориентировочно, требуемые программой расчеты и построения. Это дает возможность установить правильность проведения опыта.

После выполнения лабораторной работы заполненный протокол утверждается у преподавателя и является неотъемлемой частью отчета о лабораторной работе. Отсутствие у студента утвержденного протокола приравнивается к прогулу. Результаты измерений предъявляются для просмотра преподавателю до разборки исследуемой цепи, затем обводятся чернилами.

Если результаты наблюдений оказываются неудовлетворительными, то опыт необходимо повторить. Удовлетворительные результаты подписываются преподавателем.

Составление отчета

На основании протокола измерений составляется отчет о работе, который включает все данные, занесенные в протокол наблюдений, а также все необходимые вычисления, схемы, графики и диаграммы.

Отчет по выполненной работе составляется по соответствующей форме, приведенной в каждой работе, и должен содержать титульный лист с полной информацией об авторе.

Представляя результаты в графической форме, следует пользоваться масштабами, которые давали бы возможность легко пользоваться графиком. Рекомендуется применять шкалы, масштаб которых выражается числами 1, 2 или 5, умноженными на 10n, где n – целое число. Координатные оси должны быть обозначены с указанием единиц измерения.

На графиках экспериментальных зависимостей обязательно должны быть отмечены точки кривой, полученные в результате эксперимента. На расчетных кривых точки не ставятся.

Векторные и круговые диаграммы должны быть построены в масштабе с указанием его на диаграмме. Масштаб на векторных и круговых диаграммах обозначается указанием масштабного коэффициента. Например, если на диаграмме напряжений отрезку 1 см соответствует 5 В, то следует писать mU =5 В/см. Если на диаграмме токов отрезку 1 см соответствует 0,1 A, то следует писать mI = 0,1 A/см.

Отчет представляется преподавателю к следующему лабораторному занятию отдельно каждым студентом. Без сдачи отчета студент не допускается к выполнению очередной работы. Кроме того, вместе с отчетами каждый студент представляет протокол измерений, подписанный ранее преподавателем.

5

Цель работы

Целью работы является экспериментальное определение параметров схемы замещения катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником для основного магнитного потока.

I Общие сведения

При подключении катушки с ферромагнитным сердечником к источнику

Начальная фаза ϕ - это разность фаз между приложенным к катушке напряжением и эквивалентным синусоидальным током в ней. Начальная фаза ϕ эквивалентного

синусоидального тока выбирается из условия сохранения активной мощности, потребляемой катушкой. Такая замена тока синусоидальным позволяет записать уравнения цепи в комплексной форме, составлять схемы замещения и строить векторные диаграммы катушки с ферромагнитным сердечником.

Переменный магнитный поток делится на основной магнитный поток F0 , который

замыкается по ферромагнитному сердечнику, и незначительный поток рассеяния, замыкающийся вокруг обмотки по воздуху. Потоком рассеяния при расчетах в данной лабораторной работе пренебрегаем.

Синусоидальное напряжение u(t) = Um ×sin(ωt) , приложенное к катушке,

уравновешивает ЭДС индукции от изменения основного магнитного потока и падение напряжения на активном сопротивлении катушки:

Потокосцепление Y0 (t) = òu(t)dt = Uωm ×sin(ωt - π2) , как и напряжение u(t) является

синусоидальным и отстаёт от напряжения на угол π2 .

Эквивалентный синусоидальный ток iэк (t) из-за наличия потерь энергии в сердечнике отстаёт от напряжения на угол ϕ < π 2 .

Из условия сохранения энергии в цепи активная мощность, потребляемая катушкой:

P = U × I × cosϕ = Pc + Rk × I 2 ,

где Pc - потери в ферромагнитном сердечнике из-за гистерезиса и вихревых токов.

Замена несинусоидального тока эквивалентным синусоидальным позволяет экспериментально определить параметры R0 , X0 последовательной схемы замещения

катушки (рисунок 1 а) или параметры G0 , B0 параллельной схемы (рисунок 1 б).

а) б)

Рисунок 1 – Последовательная и параллельная схемы замещения катушки с ферромагнитным сердечником.

Активная проводимость G0 или активное сопротивление R0 учитывают потери энергии в ферромагнитном сердечнике.

Индуктивная проводимость B0 или индуктивное сопротивление X0 учитывают

нелинейную зависимость между основным магнитным потоком и током в катушке индуктивности.

По каждой схеме замещения может быть построена векторная диаграмма токов и

Далее строится векторная диаграмма с указанием масштабов тока и напряжения.

Рисунок 2 – Векторная диаграмма для последовательной схемы замещения

Для параллельной схемы замещения запишем:

-комплексное значение входного напряжения U& В,

-комплексная проводимость катушки Y 0 = G0 - jB0 = Y0 × e jϕ ,

-комплексные значения токов ветвей: I&G = G0 ×U& , I&B = - jB0 ×U& ,

-уравнение по первому закону Кирхгофа: I& = I&G + I&B = G0 ×U& - jB0 ×U& = Y 0 ×U& . Далее строится векторная диаграмма с указанием масштабов тока и напряжения.

Рисунок 3 – Векторная диаграмма для параллельной схемы замещения

Параметры схемы замещения определяются из физического эксперимента, в котором

для заданного напряжения измеряют действующие значения тока и активную мощность P - рисунок 4.

Рисунок 4 – Схема исследуемой цепи с измерительными приборами.

элементы схемы замещения являются нелинейными.

8

IIСодержание и порядок выполнения работы

Влабораторной работе исследуется катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником из модуля НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. Источником синусоидального напряжения является ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР. В работе используются измерительные приборы из модуля ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗЫ.

Порядок выполнения работы:

• Собрать электрическую цепь по схеме рисунка 5.

Рисунок 5 – Схема экспериментальной цепи.

•Тумблер SA2 модуля ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗЫ установить в положение I2

•Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя.

•Включить автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ,

тумблеры Сеть модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР и SA1 блока МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗЫ. Переключатель Форма модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ

ГЕНЕРАТОР установить в положение . Регулятором Частота установить частоту в соответствии с выбранным вариантом по табл. 1. Регулятором Амплитуда установить напряжения U = 1В. Записать частоту в протокол измерений.

•Измерить действующее значение тока I , активную мощность P . Данные занести в протокол измерений (таблица 1П).

•Выполнить аналогичные измерения на других напряжениях U = 2...8В. Результаты занести в протокол.

•Протокол измерения утвердить у преподавателя.

•Выключить тумблер СЕТЬ модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР и

выключатель QF модуля питания.

•Выключить автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ. Разобрать цепь, прибрать рабочее место.

9

Протокол измерений к лабораторной работе №18

«КАТУШКА С ФЕРРОМАГНИТНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ»

Схема исследуемой электрической цепи с измерительными приборами представлена на рисунке 1П.

Рисунок 1П – Схема исследуемой цепи с измерительными приборами.

Работу выполнил _______________________________

Работу проверил _________________________________

10

IIIСодержание отчёта

1.Отчет должен содержать титульный лист с темой лабораторной работы, датой оформления, информацией о студенте: фамилия, курс и группа.

2.Начертить электрическую схему исследуемой цепи с измерительными приборами.

3.Перенести экспериментальные данные из протокола измерений.

4.По экспериментальным данным построить ВАХ катушки с ферромагнитным сердечником.

5.По экспериментальным данным рассчитать параметры Z0 , R0 , X0

последовательной и параметры Y0 , G0 , B0 параллельной схем замещения катушки с

ферромагнитным сердечником. Необходимые расчётные формулы приведены в разделе «Общие сведения».

Таблица 2 – Параметры последовательной и параллельной схем замещения.

6. По данным таблицы 2 построить зависимости: Z0 (U ) , R0 (U ) , X0 (U ) - в одной системе координат.

7.По данным таблицы 2 построить зависимости: Y0 (U ) , G0 (U ) , B0 (U ) - в одной системе координат.

8.Для напряжения, при котором полное сопротивление катушки максимально,

рассчитать и построить векторные диаграммы напряжений и токов для последовательной

ипараллельной схем замещения катушки с ферромагнитным сердечником. Изобразить схемы замещения, обозначить на них токи и напряжения, изображенные на векторных диаграммах.

9.Записать выводы по работе, например, пояснить причины изменения параметров схемы замещения катушки в зависимости от приложенного напряжения.