2014 ТОЭ Лаб3-12. Исследование феррорезонанса напряжений в последовательной цепи и феррорезонанса токов в параллельной цепи
 Скачать 1.01 Mb.
|
|
РАБОТА № 12 ФЕРРОРЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ. Цель работы: Целью работы является экспериментальное исследование феррорезонанса напряжений в последовательной цепи и феррорезонанса токов в параллельной цепи. Общие теоретические сведения. Резонанс в цепи, содержащей катушку с насыщенным ферромагнитным сердечником, соединенную последовательно или параллельно с конденсатором, называется феррорезонансом. Известно, что катушка с ферромагнитным сердечником (катушка со сталью) является нелинейным элементом. Поэтому при синусоидальном напряжении ток в катушке несинусоидален, он содержит высшие гармоники, и, наоборот, при синусоидальном токе напряжение на катушке несинусоидальное. При анализе явлений феррорезонанса, в целях упрощения действительные несинусоидальные кривые напряжения и тока в катушке заменяются эквивалентными синусоидами. Это дает возможность пользоваться векторными диаграммами. Однако связь между UL и I остается нелинейной. Следовательно, эквивалентная индуктивность катушки является величиной переменной и зависит от приложенного напряжения L=f(U). В линейной электрической цепи (L=const, C=const, r=const) изменение величины приложенного напряжения не может вызвать явления резонанса. В нелинейной же цепи (L=f(U), C=const, r=const) как раз изменение напряжения вызывает изменение знака угла сдвига фаз между основными гармониками тока и напряжения (опрокидывание фазы тока). Это объясняется тем, что индуктивность L катушки со сталью изменяется при изменении напряжения. Феррорезонанс напряжений возникает в цепи с последовательным соединением катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора (рис. 12-1а). Вольтамперная характеристика нелинейной индуктивности UL=f(I) и конденсатора UC=f(I) изображены на рис.12-1б. Вольтамперная характеристика катушки со сталью снимается экспериментально, а конденсатора рассчитывается по формуле:  А  ктивным сопротивлением r –пренебрегаем. Эквивалентные напряжения на индуктивности и емкости находятся в противофазе. Результирующая ВАХ получается как алгебраическая сумма напряжений ULи UC.Для построения ее нужно из ординат кривой UL=f(I) вычесть соответствующие ординаты прямой UC=f(I). Результирующая теоретическая вольтамперная характеристика (показана пунктиром) имеет N-образную форму и на ней имеется падающий участок ab. Действительная результирующая – (показана сплошной линией) отличается от теоретической тем, что при UL=UCобщее напряжение U2 не равно нулю за счет активной составляющей и искажения формы кривой тока и напряжения. При I<I0 – ток в цепи отстает от напряжения, а при I>I0 – ток опережает напряжение. При I=I0 в цепи возникает феррорезонанс напряжений. Падающий участок является областью неустойчивых режимов. При изменении подводимого напряжения его наблюдать не удается, т.к. в цепи происходят скачки тока (триггерный эффект). Ток изменяется при увеличении напряжения на участках: аd – плавно ac – скачком cg – плавно. При уменьшении напряжения на участках: gd - плавно dh – скачком ho – плавно. Феррорезонансные схемы широко применяются для стабилизации переменного тока. Феррорезонанс токов возникает при параллельном соединении катушки со стальным сердечником и конденсатора (рис.12-1в). Векторная диаграмма цепи, а также вольтамперная характеристика катушки IL=f(U), конденсатора IC=f(U) и результирующая теоретическая I=f(u)=|IL-IC|f(U) показаны на рис.12-1г. При расчете результирующей теоретической характеристики считаем, что токи в катушке и конденсаторе находятся в противофазе. Действительная результирующая кривая отличается от теоретической. Э  то объясняется тем, что кривая тока катушки со сталью несинусоидальная, она содержит высшие гармоники. Ток в конденсаторе синусоидален. Таким образом, при феррорезонансе токов ток IC компенсирует лишь реактивную составляющую основной гармоники тока катушки со сталью I1L, т.е.: IC=I1L. Активная составляющая и высшие гармоники тока катушки со сталью Ia,I3, I5, I7, …и т.д. не компенсируются. Поэтому ток при феррорезонансе в неразветвленной части цепи не равен нулю, т.к. содержит активную составляющую и высшие гармоники. Действующее значение общего тока, если пренебречь гармониками, порядок которых выше трех, равно: При напряжении U<U0 в цепи преобладает емкость, а при напряжении U>U0 - индуктивность. При U=U0 в цепи возникает резонанс токов. Если цепь питать от источника изменяющегося напряжения, то при увеличении напряжения токи IL, IC, Iизменяются плавно, без скачков. ПОРЯДОК РАБОТЫ1. По заданной вольтамперной характеристике катушки со стальным сердечником (табл.12-1) и заданной преподавателем величине емкости С построить общую вольтамперную характеристику для последовательного соединения катушки со сталью и конденсатора. Таблица 12-1
2. По результирующей теоретической характеристике примерно определить напряжение, при котором произойдет скачок тока, а также значения тока до скачка и после него. 3. Собрать схему №1 (рис.12-2а) для исследования феррорезонанса напряжений. В схему включить катушку со стальным сердечником, конденсатор с емкостью, заданной в п. 1. Пределы измерений приборов подобрать по п.2. 4. Медленно повышая напряжение на входе схемы, записать показания всех приборов для 5-6 значений напряжения до скачка тока, и для 2-3 значений напряжения после скачка тока (табл. 12-2). Особенно тщательно нужно зафиксировать токи и напряжения перед скачком и сразу же после него. Перед скачком произвести переключение приборов с меньшего предела на больший. Таблица 12-2
5. Повторить опыт при снижении напряжения до нуля, записывая данные измерений в ту же таблицу 12-2. Обратить внимание на то, что скачок тока при снижении напряжения происходит при другом значении напряжения, чем скачок при повышении напряжения. Объяснить это явление. 6. Построить в одних осях координат зависимости тока, напряжения на катушке и на конденсаторе от приложенного напряжения (для повышения и понижения напряжения): I; Uк; UC=f(U) 7. Для двух состояний (до и после резонанса) по указанию преподавателя построить векторные диаграммы. 8. Наблюдать на осциллографе форму кривых напряжений на конденсаторе, на катушке и тока в цепи. 9. Собрать схему №2 для исследования феррорезонансов токов по рис. 12-2б. Для измерения токов Iки ICвзять амперметры с пределом измерений 1-3 А, а для измерения общего тока – амперметр на 1 А. 10. Плавно увеличивать напряжение от 60 до 170 В, снимая показания всех приборов и записывая полученные данные в таблицу 12-3. Особенно тщательно снять значение общего тока при его наибольшем и наименьшем значениях. Таблица 12-3
По опытным данным произвести расчет всех величин по следующим формулам:        11. Построить в одних осях координат зависимости: Ia,; Iк,; Iс, I=f(U) 12. По характеристикам Iк=f(UиIC=f(U) в этих же осях построить результирующую вольтамперную характеристику I=|Iк - IC| Сравнить опытную и теоретическую характеристики. Объяснить, почему они не совпадают. 13. Включить осциллограф и наблюдать изменение формы кривой общего тока при изменении напряжения. Снять осциллограмму общего тока при феррорезонансе токов. Убедиться, что общий ток при резонансе содержит активную составляющую тока первой гармоники и резко выраженную третью гармонику. Вычислить для режима резонанса ток третьей гармоники по формуле: З  десь I - показание общего амперметра при феррорезонансе; - активная составляющая тока 1-ой гармоники.14. Написать заключение об особенностях феррорезонанса напряжений и феррорезонанса токов.  Рис.12-1а  Рис.12-1б   Рис.12-1в Рис.12-1г Р  ис.12-2КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. к работе №12. Феррорезонанс напряжений и токов.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||