Краткие теоретические сведения. В результате выполнения работы студенты должны усвоить, что катушка с замкнутым магнитопроводом обладает существенной нелинейностью

В результате выполнения работы студенты должны усвоить, что катушка с замкнутым магнитопроводом обладает существенной нелинейностью. Её ВАХ характеризуется тем, что при больших значениях тока увеличение падения напряжения постепенно замедляется и возникает насыщение. В катушках с незамкнутым магнитопроводом этого не происходит, её ВАХ практически линейна. Если же в катушке имеется ферромагнитный сердечник, то требуется еще энергия на перемагничивание сердечника и на индуцирование вихревых токов в нем, что приведет к нагреванию сердечника. Для выполнения лабораторной работы по исследованию катушки с разомкнутым магнитопроводом собирается схема (рис. 2.1.12).

 

 

Рис. 2.1.12

 

 

Параметры схемы замещения двух катушек определяются при токе I_2H = 0, 25 A и напряжении U_H = 100 B.

Рис. 2.1.13. Схема исследования резонанса напряжения

 

Чтобы снять вольтамперную характеристику катушки индуктивности, рекомендуется изменять ток от минимального значения 0, 25 А до номинального 0, 45 А. Также рекомендуется последовательно с катушкой индуктивности включить конденсатор С₂ (рис. 2.1.13) и снять его ВАХ, сравнить ВАХ конденсатора С₂ с ВАХ катушки. Обе вольтамперные характеристики построить на одном графике.

Для исследования катушки с замкнутым магнитопроводом собирается схема однофазного силового трансформатора (рис. 2.1.14). При этом вторичную обмотку трансформатора следует разомкнуть.

 

Рис. 2.1.14. Схема исследования катушки с замкнутым магнитопроводом

 

 

Рис. 2.1.15. Схема исследования феррорезонанса напряжения

Чтобы рассмотреть более сложный случай, к катушке с замкнутым магнитопроводом последовательно подключим конденсатор С₂. В этом случае прямолинейные ВАХ конденсатора будут пересекать нелинейную ВАХ катушки. (Для обеих схем следует брать емкость С₂ = 3, 5, 7, 10,

15 мкФ). ВАХ последовательно соединенных катушки индуктивности с замкнутым магнитопроводом и конденсатора С₂ имеет примечательную особенность: при увеличении емкости С₂, напряжение в цепи в начале плавно увеличивается, а затем, при увеличении тока, напряжение изменяется скачкообразно (сначала уменьшаясь, после - увеличиваясь). Описанное примечательное явление можно назвать феррорезонансом напряжения.

В приведенной схеме (рис. 2.1.16, а) последовательно включены: нелинейная индуктивная катушка L, линейный резистор с сопротивлением R и линейный конденсатор с емкостью С.

На рис. 2.1.16, б ВАХ катушки со стальным сердечником U_L = f(I) изображается кривой 1; ВАХ конденсатора Uc = I(1/ω C) – прямой 2; ВАХ резистора U_R = RI – прямой 3.

Точки, принадлежащие результирующей ВАХ схемы (кривая 4), получаем следующим образом: произвольно задаемся некоторым током I, находим для него разность напряжений U_L - U_C (напряжения на индуктивной катушке и на конденсаторе находятся в противофазе) и напряжение U_R; результирующее напряжение U равно гипотенузе треугольника, построенного на катетах U_R и U_L-U_C (рис. 2.1.16, в).

 

а) б) в)

Рис. 2.1.16

 

При сравнительно малом R на результирующей ВАХ цепи имеется «падающий участок», а сама ВАХ имеет N-образную форму. С увеличением R, «падающий участок» на ВАХ исчезает.

В схеме (рис. 2.1.17, а) параллельно соединены нелинейная индуктивная катушка L и конденсатор с ёмкостью С.

На рис. 2.1.17, б ВАХ катушки со стальным сердечником изображена кривой 1, а конденсатора – прямой 2. По первому закону Кирхгофа I = I_с + I_L. Так как токи I_С и I_L находятся в противофазе, то в точке (р) пересечения кривой 1 и прямой 2 соответствует режим феррорезонанса токов, ток I = 0. Результирующая ВАХ всей схемы изображена в виде пунктирной кривой 3 на рис. 2.1.17, б (абсциссы кривой 3 равны модулю разности абсцисс кривой 1 и прямой 2). Кривая 3 (рис. 2.1.17, б) построена на рис. 2.1.17, в с учетом того, что в режиме феррорезонанса токов (точка d), ток I в неразветвленной части схемы не снижается до нуля за счет высших гармоник и активной составляющей первой гармоники в токе I _Ј.

 

 

	а)		б)		в)

 

 

Рис. 2.1.17

 

Схема замещения катушки индуктивности с замкнутым магнитопроводом дана на рис. 2.1.18.

Рис. 2.1.18.

 

, , .

На линейном участке кривой намагничивания замкнутого магнитопровода катушки величины R_m и X_m уменьшаются, следовательно, вольтамперная характеристика катушки индуктивности с замкнутым магнитопроводом имеет нелинейный характер. При изменении тока, в пределах от минимального до номинального (от 0, 25 до 0, 45 А), строят вольтамперную характеристику катушки. Анализируются вольтамперные характеристики с замкнутым и разомкнутым магнитопроводами.