BADANIE DŁAWIKA E04. Instrukcja do zaj laboratoryjnych. Tytuł wiczenia. Numer wiczenia. Opracowanie: Dr in. Anna Maria Białostocka, Bogusław Butryło

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii Instrukcja do zaj laboratoryjnych Tytuł wiczenia BADANIE DŁAWIKA Numer wiczenia E04 Opracowanie: Dr in. Anna Maria Białostocka, Bogusław Butryło Białystok 009

2 Spis tre ci. Wprowadzenie ewka powietrzna ewka z rdzeniem ferromagnetycznym (bez szczeliny) ewka o rdzeniu ferromagnetycznym ze szczelin powietrzn...8. Pomiary ewka powietrzna ewka z rdzeniem ferromagnetycznym (bez szczeliny powietrznej) ewka o rdzeniu ferromagnetycznym ze szczelin powietrzn harakterystyka napi ciowo-pr dowa dławika Wymagania BHP Opracowanie wyników pomiarów Pytania sprawdzaj ce Literatura...4 Materiały dydaktyczne przeznaczone dla studentów Wydziału Elektrycznego PB. Wydział Elektryczny, Politechnika Białostocka, 009 Wszelkie prawa zastrze one. adna czę ś ć tej publikacji nie mo e być kopiowana i odtwarzana w jakiejkolwiek formie i przy u yciu jakichkolwiek ś rodków bez zgody posiadacza praw autorskich. - -

3 elem wiczenia jest poznanie wła ciwo ci dławika w oparciu o jego schemat zast pczy, wykres wskazowy oraz charakterystyk napi ciowo-pr dow. Dławik jest to cewka indukcyjna nawini ta na rdzeniu wykonanym z ferromagnetyka. Program wiczenia obejmuje badanie cewki powietrznej oraz tej samej cewki z rdzeniem bez szczeliny powietrznej oraz ze szczelin.. Wprowadzenie.. ewka powietrzna ewka taka reprezentuje sob okre lon rezystancj, indukcyjno własn oraz pojemno. Ostatnia wielko wywiera widoczny wpływ na prac cewki dopiero przy wysokich cz stotliwo ciach napi cia zasilaj cego, dlatego te nie uwzgl dniamy jej w naszych rozwa aniach. Na rys.a przedstawiono schemat zast pczy cewki powietrznej, za na rys. b, odpowiadaj cy mu wykres wskazowy. Zauwa my, e rezystancja R, wyst puj ca na schemacie, została zmierzona przy pr dzie przemiennym. I R Z = L Z = L =I ωl R L I R =I R Rys. a. Rys. b. W celu wyznaczenia parametrów R, L elementów schematu zast pczego oraz sporz dzenia wykresu wskazowego, posłu ymy si metod trzech woltomierzy. W szereg z badan cewk o impedancji zespolonej Z = R + jx = R + jωl wł cza si opornik wzorcowy o rezystancji R w (rys.a). Woltomierze, za pomoc których dokonujemy pomiaru napi,, 3 winny posiada mo liwie najwi ksze rezystancje wewn trzne. W ten sposób mo liwe jest pomini cie ich działania bocznikuj cego i przyj cie, e przez elementy R w oraz Z płynie pr d o tym samym nat eniu. Spełnienie tego warunku oznacza zatem, e - 3 -

4 przy przył czaniu woltomierzy V, V, V 3, rozpływ pr dów w układzie nie b dzie ulegał zmianom. Podczas wiczenia pomiar wszystkich napi b dzie dokonywany jednym woltomierzem o dostatecznie du ej rezystancji wewn trznej. Szeregowemu obwodowi R w, Z z rys. a odpowiada wykres wskazowy przedstawiony na rys. b. 3 I ωl I R W Z = Z V V 3 V 3 I = I R W I R Rys. a. Rys. b. Na podstawie wykresu wskazowego i twierdzenia cosinusów mo emy napisa sk d 0 3 = + cos(80 ϕ ), () Ponadto mamy (rys.a) 3 cosϕ =. () I Z = Z = RW. (3) IRw Rezystancj cewki R obliczymy z trójk ta impedancji R = Z cosϕ = R w 3 3 w = R. (4) - 4 -

5 Nast pnie obliczymy reaktancj indukcyjn cewki X = Z R, (5) a dalej jej indukcyjno własn L X =. (6) πf.. ewka z rdzeniem ferromagnetycznym (bez szczeliny) Ta sama co poprzednio cewka (o liczbie zwojów z ) osadzona jest teraz na zamkni tym rdzeniu ferromagnetycznym (rys. 3). Druga cewka, o liczbie zwojów z odgrywa rol pomocnicz, pozwalaj c na wyznaczenie warto ci siły elektromotorycznej E indukowanej w cewce badanej przez strumie główny G. Schemat zast pczy cewki badanej przedstawia rys. 4, za odpowiadaj cy temu schematowi wykres wskazowy - rys. 5. Φ 0 Φ G z z E Rys. 3. Element R przedstawia rezystancj uzwojenia cewki zmierzon przy zasilaniu jej pr dem zmiennym (patrz p..). Indukcyjno L 0 zwi zana jest ze strumieniem rozproszenia 0, którego znaczny odcinek drogi przechodzi przez powietrze o stałej przenikalno ci magnetycznej. St d L 0 ma warto stał, niezale n praktycznie od indukcji w rdzeniu, a co za tym idzie - od napi cia zasilaj cego. Indukcyjno L dotyczy tej samej cewki z, ale zwi zana jest ze strumieniem głównym G, przebiegaj cym całkowicie w rdzeniu. Dlatego warto L zmienia si w czasie wraz z napi ciem tak jak przenikalno magnetyczna rdzenia. hc c cho cz ciowo ustali t indukcyjno, przyjmujemy w praktyce pewn indukcyjno zast pcz, stał w czasie

6 Zakładamy, e jej warto jest zale na jedynie od amplitudy indukcji, a co za tym idzie - amplitudy napi cia zasilaj cego. Warto indukcyjno ci L µ jest okre lona zale no ci (3). Rezystancj elementu R Fe dobiera si tak, aby pr d I Fe (narzucony przez straty w rdzeniu P Fe i SEM E - patrz równanie (0)), wydzielał w tym elemencie moc równ mocy całkowitych strat w rdzeniu dławika. L I R L 0 I R I ωl 0 I Fe I µ R Fe -E L µ Rys. 4. I ωl 0 L I R -E δ ϑ I Fe I I µ Φ 0 Φ G Rys

7 Nieliniowo charakterystyki magnesowania rdzenia oraz histereza powoduj silne odkształcenie pr du dławika I od sinusoidy (mowa tu o pracy dławika przy znacznych warto ciach indukcji). Jako niesinusoidalny, pr d nie mógłby by przedstawiony na wykresie wskazowym i utrudniałby analiz teoretyczn pracy dławika. Dlatego zast puje si go dwoma pr dami składowymi idealnie sinusoidalnymi według zasad opartych o podan literatur. Do wiadczalno-rachunkowe wyznaczanie parametrów elementów schematu zast pczego Metod pomiaru rezystancji R opisano w punkcie.. W celu wyznaczenia siły elektromotorycznej E, mierzy si dla okre lonego napi cia warto siły elektromotorycznej E (rys. 3). Znaj c liczb zwojów cewki badanej z oraz cewki pomocniczej z, mo emy obliczy siły elektromotorycznej E z równania z E =. (7) E z Przy tym samym napi ciu zasilaj cym mierzymy moc czynn P pobieran przez dławik I P Fe P = I cosϕ = R +, (8) gdzie P Fe - moc całkowitych strat w rdzeniu, w uzwojeniu cewki. Z równania (8) mamy R I - moc tracona na ciepło P Fe I = P R. (9) Znajomo mocy P Fe oraz siły elektromotorycznej E pozwala wyznaczy pr d I Fe oraz rezystancj R Fe I Fe = P Fe E RFe I Fe, (0) E =. () - 7 -

8 ałkowity pr d dławika I mierzymy bezpo rednio amperomierzem. Znaj c I oraz I Fe, znajdziemy pr d I I Fe a nast pnie reaktancj X i indukcyjno L I µ = I, () E =, X µ I µ L µ X µ =. (3) πf Ostatnim elementem, który pozostaje do wyznaczenia jest indukcyjno L 0. Z wykresu wskazowego mamy I ωl 0 = L ( I R ) L 0 = L ( I R ωi ), (4) przy czym L = E + E cosδ, (5) δ = ϕ ϑ, (6) I ϑ = arctg µ. (7) I Fe Na podstawie równania (8) mamy P ϕ = arccos. (8) I.3. ewka o rdzeniu ferromagnetycznym ze szczelin powietrzn Jakkolwiek wła ciwo ci takiej cewki ró ni si od wła ciwo ci cewki umieszczonej na rdzeniu bez szczeliny powietrznej, jej schemat zast pczy ma t sam konfiguracj (rys. 4). Analogiczny jest równie dla niej wykres wskazowy (rys. 5). W celu wyznaczenia parametrów schematu zast pczego oraz sporz dzenia wykresu wskazowego cewki, posługujemy si znanymi ju równaniami (7) do (8)

9 . Pomiary.. ewka powietrzna Do wiadczalne wyznaczenie parametrów elementów schematu zast pczego odbywa si przy pomocy układu, którego schemat przedstawia rys. 6. AT R ogr I A R W Z 30V 50Hz 3 V p Rys. 6. Oznaczenia: AT - autotransformator laboratoryjny (np. typu AL-500), R ogr - opornik ograniczaj cy 95 lub 98, R W - opornik dekadowy typu OK 0 x, (ustawi warto 4 ), Z - impedancja badanej cewki o ilo ci zwojów z = 550, A - amperomierz elektromagnetyczny (np. typ LE-3P; zakres, A), - woltomierz pomocniczy (multimetr cyfrowy). V p Przy pomocy autotransformatora AT nastawiamy pr d I = 0,75 A, a nast pnie mierzymy woltomierzem V p napi cia,, 3. Wyniki notujemy w tabeli. W sprawozdaniu obliczy warto ci R i L na podstawie wzorów zawartych w instrukcji. Tabela 3 I R W R L V V V A H - 9 -

10 .. ewka z rdzeniem ferromagnetycznym (bez szczeliny powietrznej) Schemat pomiarowy do badania dławika bez szczeliny i ze szczelin powietrzn przedstawia rys. 7. AT I A W 30V 50Hz V z z E V Rys. 7 Oznaczenia: A - amperomierz elektromagnetyczny (np. LE-3P; zakres 3 A), W - watomierz ferrodynamiczny (zakres:,5 A/00V), V - woltomierz elektromagnetyczny (zakres 300 V), V - multimetr cyfrowy, z - cewka badana, liczba zwojów z = 550, z - cewka pomocnicza, liczba zwojów z = 50, AT - autotransformator (np. typu AL-500). Przy pomocy autotransformatora nastawiamy pr d I =,5 A i odczytujemy wskazania wszystkich przyrz dów pomiarowych, zapisuj c wyniki w tabeli. Tabela I P E E I Fe R Fe I µ L µ L 0 ϕ A W V V V A Ω A H H - 0 -

11 .3. ewka o rdzeniu ferromagnetycznym ze szczelin powietrzn stalamy w rdzeniu dwie szczeliny powietrzne zdejmuj c pokr tła z dławika i wyjmuj c poprzeczne rami rdzenia. Na odsłoni te ramiona podłu ne rdzenia układamy po 4 blaszki, po czym skr camy ponownie dławik. Schemat układu pomiarowego zamieszczono na rys. 7. Przy pomocy autotransformatora nastawiamy pr d I =,5 A. Odczytujemy wskazania przyrz dów, zapisuj c wyniki w tabeli 3. Tabela 3 I P E E I Fe R Fe I µ L µ L 0 ϕ A W V V V A Ω A H H.4. harakterystyka napi ciowo-pr dowa dławika =f(i ) harakterystyka ta przedstawia zwi zek mi dzy napi ciem przemiennym przykładanym do zacisków dławika a pr dem wymuszonym przez to napi cie. harakterystyk zdejmujemy dla dwóch przypadków: rdzenia bez szczeliny oraz ze szczelin. kład pomiarowy uzyskujemy przez usuni cie z poprzedniego układu (rys. 7) watomierza oraz woltomierza V. ewka pomocnicza mo e pozosta na rdzeniu. Zalecane zakresy przyrz dów pomiarowych: - amperomierz A:,5 A; - woltomierz V : 300 V. A. Rdze bez szczeliny powietrznej Przy pomocy AT zwi kszamy stopniowo napi cie, odczytuj c równocze nie, I. Zaleca si odczyty dla warto ci pr du I podanych w tabeli 4. Tabela 4 V I A 0,5 0,5 0,75,0,5,5,75,0,5,5 - -

12 B. Rdze ze szczelin powietrzn Po ustaleniu szczelin w rdzeniu (analogicznie jak w p..3), zdejmujemy charakterystyk napi ciowo-pr dow dokładnie według opisu z punktu A. Wyniki umieszczamy w tabeli 5. Tabela 5 V I A 0,5 0,5 0,75,0,5,5,75,0,5,5 3. Wymagania BHP Warunkiem przyst pienia do praktycznej realizacji wiczenia jest zapoznanie si z instrukcj BHP i instrukcj przeciw po arow oraz przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urz dzenia dost pne na stanowisku laboratoryjnym mog posiada instrukcje stanowiskowe. Przed rozpocz ciem pracy nale y zapozna si z instrukcjami stanowiskowymi wskazanymi przez prowadz cego. W trakcie zaj laboratoryjnych nale y przestrzega nast puj cych zasad. - Sprawdzi, czy urz dzenia dost pne na stanowisku laboratoryjnym s w stanie kompletnym, nie wskazuj cym na fizyczne uszkodzenie. - Sprawdzi prawidłowo poł cze urz dze. - Zał czenie napi cia do układu pomiarowego mo e si odbywa po wyra eniu zgody przez prowadz cego. - Przyrz dy pomiarowe nale y ustawi w sposób zapewniaj cy stał obserwacj, bez konieczno ci nachylania si nad innymi elementami układu znajduj cymi si pod napi ciem. - Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przeł cze oraz wymiana elementów składowych stanowiska pod napi ciem. - Zmiana konfiguracji stanowiska i poł cze w badanym układzie mo e si odbywa wył cznie w porozumieniu z prowadz cym zaj cia. - W przypadku zaniku napi cia zasilaj cego nale y niezwłocznie wył czy wszystkie urz dzenia. - -

13 - Wszelkie braki stwierdzone w wyposa eniu stanowiska oraz nieprawidłowo ci w funkcjonowaniu sprz tu nale y zgłasza prowadz cemu zaj cia. - Zabrania si samodzielnego wł czania, manipulowania i korzystania z urz dze nie nale cych do danego wiczenia. - W przypadku wyst pienia pora enia pr dem elektrycznym nale y niezwłocznie wył czy zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomoc wył cznika bezpiecze stwa, dost pnego na ka dej tablicy rozdzielczej w laboratorium. Przed odł czeniem napi cia nie dotyka pora onego. 4. Opracowanie wyników pomiarów Sprawozdanie z wiczenia powinno zawiera : ) wypełnione tabelki pomiarowe, ) wykresy wskazowe pr dów i napi cewki powietrznej oraz cewek z rdzeniem ferromagnetycznym, sporz dzone na podstawie wyników pomiarów Wykresy wykonujemy na papierze milimetrowym formatu A4!! Przy wykresie umieszczamy skale dotycz ce pr dów i napi!! 3) wykresy charakterystyk napi ciowo - pr dowych, 4) analiz wpływu rdzenia ferromagnetycznego na wła ciwo ci cewki indukcyjnej a tak e wpływ szczeliny powietrznej w rdzeniu na wła ciwo ci dławika (w formie wniosków na ko cu sporz dzonego sprawozdania)

14 5. Pytania sprawdzaj ce. Narysuj i obja nij schemat zast pczy oraz wykres wskazowy cewki powietrznej.. Obja nij metod pomiaru parametrów cewki powietrznej. 3. Narysuj charakterystyk napi ciowo-pr dow cewki powietrznej. 4. Narysuj i obja nij schemat zast pczy cewki z rdzeniem (dławika). 5. Podaj kolejno rysowania wykresu wskazowego dławika. 6. Wyja nij zasady zast powania niesinusoidalnego pr du dławika I sinusoidalnymi pr dami składowymi. 7. Wyja nij rol cewki pomocniczej. 8. Indukcyjno ci L 0, L µ dotycz tej samej cewki, dlaczego wi c na schemacie zast pczym przypisuje si je dwóm oddzielnym elementom? 9. Jakie zjawisko jest odpowiedzialne za przesuni cie fazowe mi dzy pr dem I a strumieniem głównym Φ G? 0. Jaka zale no istnieje pomi dzy całkowitymi stratami w rdzeniu i warto ci indukcji maksymalnej?. Które ze strat w rdzeniu stanowi wi kszy procent strat całkowitych: straty od pr dów wirowych, czy straty histerezowe?. zym ró ni si warto R mierzona przy napi ciu stałym od pomiaru tej wielko ci przy napi ciu przemiennym? 6. Literatura. Bolkowski S.: Teoria obwodów elektrycznych, WNT Bolkowski S.: Elektrotechnika, WNT Krakowski M.: Elektrotechnika teoretyczna. PWN