Экспериментальное исследование и расчёт магнитной цепи при постоянном токе

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Волгодонский инженерно-технический институт – филиал

НИЯУ МИФИ

Кафедра «Атомная энергетика»

В. Ф. Катаев

«ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ»

Цепи постоянного тока, синусоидальные цепи переменного тока, трехфазные цепи, нелинейные цепи

Стендовые лабораторные работы

Лабораторный практикум

Для энергетических, электротехнических и радиотехнических специальностей и направлений подготовки ВУЗов

(3-й семестр)

Волгодонск 2017г.

УДК 621.3.01(075.8)(076.5)

ББК 31.2

К 29

          Катаев В.Ф

Теоретические основы электротехники Цепи постоянного тока, цепи однофазного синусоидального тока, трехфазные цепи, нелинейные цепи. Стендовые лабораторные работы [Текст] : лабораторный практикум / В. Ф. Катаев ; ВИТИ НИЯУ МИФИ. – Волгодонск : ВИТИ НИЯУ МИФИ, 2017. – 58 с. : ил.

Пособие предназначено для выполнения лабораторных работ по разделам: «Цепи постоянного тока», «Цепи однофазного синусоидального тока», «Трехфазные цепи», «Нелинейные цепи» базового курса «Теоретические основы электротехники».

Пособие посвящено выполнению лабораторных работ на стендах типа ЭОЭ1-СК, ЭОЭ1-СК, ЭОЭ4-СК, ЭОЭ5-СК.

Тематика курса является базовой для энергетических, электротехнических и радиотехнических специальностей и направлений подготовки. 

Пособие ориентировано на студентов технических специальностей и направлений подготовки вузов, а также инженеров, занимающихся исследованием электрических цепей.. / ВИТИ НИЯУ МИФИ. – Волгодонск, 2017. – 53 с.

Рецензент  – Кривин В.В.., д.т.н. профессор.

Автор – Катаев В.Ф., к.т.н. доцент.

                                      © ВИТИ НИЯУ МИФИ, 2018

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………..………………………………5

1. Цепи постоянного тока…………………………..…………………………6

1.1. Лабораторная работа №1. Снятие вольтамперных характеристик нелинейных элементов на постоянном токе…..……………………………6

1.1.1. Общие сведения……………………………………………….…..…6

1.1.2. Экспериментальная часть……………………………………..…….8

1.1.2.1. Задание……………………………………..……..….…..……8

1.1.2.2. Порядок выполнения эксперимента и расчёта…..…….……8

1.1.3. Контрольные вопросы………………………………….………….10

1.2. Лабораторная работа №2. Экспериментальное исследование и расчёт магнитной цепи при постоянном токе………………..…….………….…..11

1.2.1.Общие сведения….….…………………………..….………....…....11

1.2.2.Экспериментальная часть…………..………………………........…14

1.2.1.1. Задание....……………………………………………..….…..14

1.2.1.2. Порядок выполнения эксперимента и расчёта…..…..…….14

1.2.3.Контрольные вопросы………..………………..……….……..….....17

2. Цепи однофазного синусоидального тока………………...……….….18

2.1. Лабораторная работа №3. Цепь синусоидального тока при последовательном соединении R, L и С…………………..……………....…....18

2.1.1. Общие сведения…………….……………….………………….…18

2.1.2. Экспериментальная часть………………………………….….….20

2.1.2.1. Задание…………….…………………………………....…..…20

2.1.2.2. Порядок выполнения эксперимента и расчёта….………..…20

2.1.3. Контрольные вопросы…………………………………………….23

2.2.Лабораторная работа №4. Параллельное соединение катушки индуктивности и конденсатора……………………………………..…..…..24

2.2.1. Общие сведения…………………………………….…………..…24

2.2.2. Экспериментальная часть…………………………………..…….26

2.2.2.1. Задание…………………………………..…………..………26

2.2.2.2. Порядок выполнения эксперимента и расчёта……………26

2.2.3. Контрольные вопросы…………………………………………….29

3. Трефазные цепи……………………………………………………………...30

3.1. Лабораторная работа №5. Исследование трехфазной цепи при соединении нагрузки в звезду……….…………………………………....…....30

3.1.1. Общие сведения…………….…….………….………………….…30

3.1.2. Экспериментальная часть………………………………….….….32

3.1.2.1. Задание……..…………………………………………....…..…32

3.1.2.2. Порядок выполнения эксперимента и расчёта……..……..…32

3.1.3.Контрольные вопросы…………………………………………….35

3.2.Лабораторная работа №6. Исследование трехфазной цепи при соединении нагрузки в треугольник…………………………………..…..36

3.2.1. Общие сведения…………………………………….…………..…36

3.2.2. Экспериментальная часть…………………………………..…….37

3.2.2.1.Задание……………………………………..…………..………37

3.2.2.2.Порядок выполнения эксперимента и расчёта…........………37

3.2.3. Контрольные вопросы…………………………………………….40

4. Нелинейные цепи……………………………………………..…………….41

4.1. Лабораторная работа №7. Определение линеаризованных параметров эквивалентной схемы замещения биполярного транзистора………....…....41

4.1.1. Общие сведения…………….……………….………………….…41

4.1.2. Экспериментальная часть………………………………….….….43

4.1.2.1. Задание………………………………………………....…..…43

4.1.2.2. Порядок выполнения эксперимента и расчёта……..…..…43

4.1.3.Контрольные вопросы…………………………………………….46

4.2.Лабораторная работа №8. Исследование явления резонанса при последовательном соединении нелинейной катушки и конденсатора.….47

4.2.1. Общие сведения…………………………………….…………..…47

4.2.2. Экспериментальная часть…………………………………..…….49

4.1.2.3. Задание……………………..…………..…………..……..…49

4.1.2.4. Порядок выполнения эксперимента и расчёта….....………49

4.2.3. Контрольные вопросы…………………………………………….51

4.3. Лабораторная работа №8. Передача мощности от активного двухполюсника к нагрузке………………………………………………………53

     4.3.1.Общие сведения…………………………………………………..…53

     4.3.2.Экспериментальная часть…………….……………………..…….55

          4.3.2.1. Задание………...…………………………………..……..……55

          4.3.2.2. Порядок выполнения эксперимента и расчёта……..………55

     4.3.3. Контрольные вопросы………….………………………………....56

Список использованной литературы………………………………………..57

Введение

Комплект типового лабораторного оборудования «Электрические и магнитные цепи» предназначен для проведения лабораторного практикума по одноимённым разделам курсов «Теоретические основы электротехники», «Теория электрических цепей», «Электротехника и основы электроники», Общая электротехника» и др. в профессиональных начальных, средних и высших учебных учреждениях.

Основными компонентами «ручного» (т.е. некомпьютеризованного) варианта комплекта являются:

- однофазный источник питания,

- блок генераторов напряжений с наборным полем;

- набор миниблоков;

- блок мультиметров;

- ваттметр;

- электронный осциллограф;

- соединительные провода и перемычки, питающие кабели.

- настольная рама для установки оборудования и с контейнером для хранения аксессуаров;

-настоящее пособие по выполнению базовых экспериментов.

В первом разделе даны общие методические рекомендации по выполнению стендовых лабораторных работ и требования по технике безопасности.

Во втором разделе пособия описано устройство составных частей комплекта «Электрические и магнитные цепи», даны рекомендации по их использованию и приведены некоторые технические характеристики. В последующих главах описаны базовые эксперименты.

- Описание каждого эксперимента содержит

- Общие сведения,

- экспериментальную часть.

Раздел «Общие сведения» содержит краткое введение в теорию соответствующего эксперимента. Для более глубокого изучения теоретического материала учащемуся следует обратиться к учебникам и компьютерным программам тестирования для проверки усвоения теории и оценки готовности к лабораторно-практическим занятиям. 

В разделе «Экспериментальная часть» сформулированы конкретные задачи эксперимента, представлены схемы электрических цепей, таблицы и графики для регистрации и представления экспериментальных данных. Все опыты, где используется коннектор и виртуальные приборы могут быть проделаны и без компьютера с использованием мультиметров, ваттметра и электронного осциллографа.

Настоящее пособие предназначено для быстрого освоения комплекса студентами для проведения лабораторного практикума в соответствии с рабочими планами и традициями кафедры.

Цепи постоянного тока

Лабораторная работа №1

Снятие вольтамперных характеристик нелинейных элементов на постоянном токе

Общие сведения

Вольтамперная характеристика представляет собой график зависимости напряжения от тока U(I) (или наоборот I(U)) на данном элементе электрической цепи.

У линейных резисторов вольтамперная характеристика представляет собой прямую линию U = RI (рисунок 1.1). У нелинейных элементов (лампы накаливания, электрическая дуга, диоды, транзисторы и другие электронные приборы) эта зависимость более сложная и часто неоднозначная.

Рисунок 1.1 – Вольтамперные характеристики резисторов на постоянном токе

Две принципиальные схемы для снятия вольтамперных характеристик на постоянном токе изображены на рисунке 1.1а и 1.2б. В них используется регулируемый источник постоянного напряжения, а резистор R_огр в этих схемах служит для ограничения тока в цепи при малых сопротивлениях исследуемых элементов.

Рисунок 1.2 – Принципиальные схемы снятия ВАХ на постоянном токе: а) схема измерения с погрешностью по напряжению; б) схема измерения с погрешностью по току

Схема (а) называется схемой измерения с погрешностью по напряжению. Она используется в том случае, когда сопротивление испытуемого элемента велико по сравнению с сопротивлением амперметра. Тогда показание вольтметра близко к напряжению на элементе, хотя фактически он измеряет сумму напряжений на данном элементе и амперметре.

Вторая схема (б) называется схемой измерения с погрешностью по току. Здесь амперметр фактически измеряет сумму токов в данном элементе и вольтметре. Эта схема используется, если сопротивление испытуемого элемента мало по сравнению с сопротивлением вольтметра. Тогда ток вольтметра гораздо меньше тока в испытуемом элементе и им можно пренебречь.

В данной работе по схеме (а) снимаются вольтамперные характеристики лампы накаливания, прямая ветвь характеристики стабилитрона и обратная ветвь характеристики полупроводникового диода. По схеме (б) снимаются обратная ветвь характеристики стабилитрона и прямая ветвь характеристики полупроводникового диода.

Экспериментальная часть

Задание

Снять экспериментально и построить графики вольтамперных характеристик лампы накаливания, стабилитрона и полупроводникового диода.

Порядок выполнения работы

- Соберите цепь (рисунок 1.2а) для снятия вольтамперной характеристики лампы накаливания. Монтажная схема изображена на рисунке 1.3. Обратите внимание, что вольтметр и амперметр в этой схеме своими положительными клеммами подключены к точке «А»

- Изменяя ток в цепи, как показано в таблица 1.1, запишите в таблицу соответствующие значения напряжения на лампе и на рисунке 1.4 постройте график вольтамперной характеристики лампы накаливания.

Таблица 1.1 – Экспериментальные данные с лампой накаливания

- Замените лампу накаливания стабилитроном, соблюдая полярность, показанную на рисунок 1.2, и снимите его вольтамперную характеристику, устанавливая либо напряжения, либо токи, указанные в таблице 1.2. Для увеличения точности при отрицательных напряжениях и токах вольтметр должен быть подключён к точке «В», а при положительных – к точке «А». График вольтамперной характеристики стабилитрона постройте также на рисунке 1.4.

Контрольные вопросы

1. Что такое электрическая цепь?

2. Дайте определение источников электрической энергии.

3. Нарисуйте вольтамперные характеристики идеальных источников электрической энергии, линейного резистора.

4. Нарисуйте вольтамперную характеристику реального источника электрической энергии.

5. Какие виды носителей зарядов в различных средах Вы знаете?

6. Дайте определение постоянного тока. Чему он равен численно?

7. Что такое электродвижущая сила?

8. Что характеризует напряжение?

9. Сформулируйте закон Ома.

10. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.

11. Какими измерительными приборами определяется ток, напряжение, мощность, сопротивление?

12. Что означают стрелки тока, напряжения, э.д.с. на расчетной схеме?

13. Определите понятия «электрическая цепь», «электрическая схема», «узел», «устранимый узел», «ветвь», «источник ЭДС» и «источник тока».

14. Что понимают под обобщенной ветвью?

15. Соберите на стенде схему, изображенную на рисунке 1.3.

16. Как выбирают положительные направления для токов ветвей и как связаны с ними положительные направления напряжений на сопротивлениях?

17. Что понимают под ВАХ?

18. Сформулируйте закон Ома для участка цепи с ЭДС.

19. В чем отличие напряжения от падения напряжения?

20. Чему равно внутреннее сопротивление идеального источника ЭДС и как его определить?

21. Чем отличаются неидеальные источники энергии от идеальных?

22. Как осуществить эквивалентное преобразование неидеального источника напряжения в неидеальный источник тока и обратное преобразование?

Лабораторная работа №2

Экспериментальное исследование и расчёт магнитной цепи при постоянном токе

Общие сведения

Участок магнитной цепи характеризуется вебер-амперной характеристикой, т.е. зависимостью магнитного потока Ф от магнитного напряжения на этом участке Hl, где H – напряжённость магнитного поля, а l – длина участка. В замкнутом контуре магнитной цепи алгебраическая сумма магнитных напряжений всех участков равна алгебраической сумме намагничивающих (магнитодвижущих) сил всех катушек iW,

S Hl =S iW,

где i – ток в катушке, а W – число витков.

Вебер-амперная характеристика неразветвлённой магнитной цепи представляет собой зависимость Ф(iW). Её можно построить, если известны кривя намагничивания B(H) ферромагнитного материала, из которого сделан магнитопровод, и его геометрические размеры: площадь поперечного сечения S и длина средней линии l каждого участка.

Задаваясь рядом произвольных значений магнитной индукции В₁ для одного из участков магнитной цепи, находим по кривой намагничивания напряжённость Н₁ на этом участке, магнитный поток Ф = В₁S₁и магнитное напряжение Н₁l₁ на этом участке. Считая магнитный поток вдоль всей неразветвлённой цепи одинаковым находим далее магнитную индукцию на втором участке В₂ и находим аналогично Н₂, и Н₂l₂ Повторяем этот расчёт для всех участков замкнутой магнитной цепи, находим S Hl=iW и строим график Ф(iW). Для воздушных зазоров магнитной цепи при определении Н вместо кривой намагничивания используем зависимость Н = В/m₀, где m₀ = 4p10^-7   - магнитная проницаемость пустоты.

Принципиальная схема лабораторной установки показана на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Схема принципиальная лабораторной установки

Конденсатор 100 мкФ включён параллельно катушке W1 для предотвращения перенапряжений при отключении цепи и более плавного нарастания напряжения при включении. Кроме того, после отключения цепи в контуре LС возникают затухающие колебания, и сердечник размагничивается.

Для измерения магнитного потока на постоянном токе обычно используется так называемый баллистический метод, основанный на измерении заряда, протекающего по измерительной катушке, намотанной на магнитопровод. При включении цепи на постоянный ток или при её выключении магнитный поток изменяется. При этом, в измерительной катушке индуктируется ЭДС  ив ней возникает ток . За время t через измерительную катушку протекает заряд

,

где R – сопротивление контура с измерительной катушкой.

Для измерения заряда раньше часто использовался баллистический гальванометр, отклонение подвижной части которого пропорционально заряду протекшего через него за короткое время. Отсюда этот метод получил название баллистического. В данной работе вместо баллистического гальванометра используется интегрирующий усилитель. Приращение напряжения на его выходе пропорционально интегралу от тока, протекающего через его входные зажимы. Если начальное напряжение на выходе усилителя равно нулю, то после протекания заряда q на его выходе устанавливается напряжение

U_вых = q/C,

где С – ёмкость в обратной связи интегратора.

Подставляя в эту формулу выражение заряда через магнитный поток, получим:

,

где R и C – параметры интегрирующего усилителя, указанные на его этикетке.

При измерениях следует иметь в виду, что даже при отсутствии напряжения на входе интегратора, напряжение на его выходе медленно изменяется (дрейфует) вследствие несовершенства интегратора и внешних помех. Поэтому, непосредственно перед включением или выключением цепи нужно «обнулить» интегратор, замкнув на 2…3 с выключатель «Сброс», а отсчёт выходного напряжения произвести после включения или выключения цепи в течение нескольких секунд. Для увеличения достоверности результатов рекомендуется произвести несколько включений и выключений и записать среднее значение выходного напряжения.

Исследуемая магнитная цепь схематично показана на рисунке 1.6.

Магнитопровод выполнен из двух Ш-образных ферритовых сердечников марки М2000НМ. На среднем стержне магнитопровода расположены две одинаковые обмотки (намагничивающая и измерительная) по 200 витков каждая. Зазор может регулироваться винтом. Для устранения перекоса сердечника рекомендуется в левый и правый зазоры вставить немагнитные прокладки (например, полоски бумаги) и осторожно от руки затянуть винт. Так, например, толщина бумаги «Снегурочка» для офисной техники 0,1 мм, толщина газетной бумаги - 0.05…0,06 мм.

Будьте осторожны: большое усилие при затягивании винта может привести к разлому печатной платы, на которой смонтирована вся конструкция!

Необходимые для расчёта размеры сердечника приведены на рисунке 1.7,  а кривая намагничивания феррита М2000НМ – на рисунок 1.8.

Рисунок 1.6 – Схематичное представление исследуемой цепи

Рисунок 1.7 - размеры сердечника Рисунок 1.8 - кривая намагничивания

                                              феррита М2000НМ

Экспериментальная часть

Задание

Снять экспериментально вебер-амперные характеристики магнитной цепи без зазора, а также с зазорами 0,06 и 0,1 мм. Сделать расчёт характеристики без зазора и с одним из зазоров. Сравнить результаты.