ENS1C BADANIE DŁAWIKA E04

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii Instrukcja do zajęć laboratoryjnych ENS00 03 BADANIE DŁAWIKA Numer ćwiczenia E04 Opracowanie: Dr inż. Anna Maria Białostocka, Bogusław Butryło Białystok 009

2 Spis treści. Wprowadzenie ewka powietrzna ewka z rdzeniem ferromagnetycznym (bez szczeliny) ewka o rdzeniu ferromagnetycznym ze szczeliną powietrzną Pomiary ewka powietrzna ewka z rdzeniem ferromagnetycznym (bez szczeliny powietrznej) ewka o rdzeniu ferromagnetycznym ze szczeliną powietrzną harakterystyka napięciowo-prądowa dławika Wymagania BHP Opracowanie wyników pomiarów Pytania sprawdzające Literatura... 4 Materiały dydaktyczne przeznaczone dla studentów Wydziału Elektrycznego PB. Wydział Elektryczny, Politechnika Białostocka, 009 Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być kopiowana i odtwarzana w jakiejkolwiek formie i przy użyciu jakichkolwiek środków bez zgody posiadacza praw autorskich. - -

3 elem ćwiczenia jest poznanie właściwości dławika w oparciu o jego schemat zastępczy, wykres wskazowy oraz charakterystykę napięciowo-prądową. Dławik jest to cewka indukcyjna nawinięta na rdzeniu wykonanym z ferromagnetyka. Program ćwiczenia obejmuje badanie cewki powietrznej oraz tej samej cewki z rdzeniem bez szczeliny powietrznej oraz ze szczeliną.. Wprowadzenie.. ewka powietrzna ewka taka reprezentuje sobą określoną rezystancję, indukcyjność własną oraz pojemność. Ostatnia wielkość wywiera widoczny wpływ na pracę cewki dopiero przy wysokich częstotliwościach napięcia zasilającego, dlatego też nie uwzględniamy jej w naszych rozważaniach. Na rys.a przedstawiono schemat zastępczy cewki powietrznej, zaś na rys. b, odpowiadający mu wykres wskazowy. Zauważmy, że rezystancja R, występująca na schemacie, została zmierzona przy prądzie przemiennym. I R Z = L Z = L =I L R L φ I R =I R Rys. a. Rys. b. W celu wyznaczenia parametrów R, L elementów schematu zastępczego oraz sporządzenia wykresu wskazowego, posłużymy się metodą trzech woltomierzy. W szereg z badaną cewką o impedancji zespolonej Z R jx R jl włącza się opornik wzorcowy o rezystancji R w (rys.a). Woltomierze, za pomocą których dokonujemy pomiaru napięć,, 3 winny posiadać możliwie największe rezystancje wewnętrzne. W ten sposób możliwe jest pominięcie ich działania bocznikującego i przyjęcie, że przez elementy R w oraz Z płynie prąd o tym samym natężeniu. Spełnienie tego warunku oznacza zatem, że - 3 -

4 przy przyłączaniu woltomierzy V, V, V 3, rozpływ prądów w układzie nie będzie ulegał zmianom. Podczas ćwiczenia pomiar wszystkich napięć będzie dokonywany jednym woltomierzem o dostatecznie dużej rezystancji wewnętrznej. Szeregowemu obwodowi R w, Z z rys. a odpowiada wykres wskazowy przedstawiony na rys. b. 3 I L I R W Z = Z V V 3 V 3 I = I R W φ I R Rys. a. Rys. b. Na podstawie wykresu wskazowego i twierdzenia cosinusów możemy napisać skąd 0 3 cos(80 ), () Ponadto mamy (rys.a) 3 cos. () I Z Z RW. (3) IRw Rezystancję cewki R obliczymy z trójkąta impedancji R Z cos R w 3 3 w R. (4) - 4 -

5 Następnie obliczymy reaktancję indukcyjną cewki X Z R, (5) a dalej jej indukcyjność własną L X. (6) f.. ewka z rdzeniem ferromagnetycznym (bez szczeliny) Ta sama co poprzednio cewka (o liczbie zwojów z ) osadzona jest teraz na zamkniętym rdzeniu ferromagnetycznym (rys. 3). Druga cewka, o liczbie zwojów z odgrywa rolę pomocniczą, pozwalając na wyznaczenie wartości siły elektromotorycznej E indukowanej w cewce badanej przez strumień główny Φ G. Schemat zastępczy cewki badanej przedstawia rys. 4, zaś odpowiadający temu schematowi wykres wskazowy - rys. 5. L G I R L 0 0 z z E I R I L 0 R Fe I Fe I L Rys. 3. Element R przedstawia rezystancję uzwojenia cewki zmierzoną przy zasilaniu jej prądem zmiennym (patrz p..). Indukcyjność L 0 związana jest ze strumieniem rozproszenia Φ 0, którego znaczny odcinek drogi przechodzi przez powietrze o stałej przenikalności magnetycznej. Stąd L 0 ma wartość stałą, niezależną praktycznie od indukcji w rdzeniu, a co za tym idzie - od napięcia zasilającego. Indukcyjność L μ dotyczy tej samej cewki z, ale związana jest ze strumieniem głównym Φ G, przebiegającym całkowicie w rdzeniu. Dlatego wartość L μ zmienia się w czasie wraz z napięciem tak jak przenikalność magnetyczna rdzenia. hcąc choć częściowo ustalić tę indukcyjność, przyjmujemy w praktyce pewną indukcyjność zastępczą, stałą w czasie

6 Zakładamy, że jej wartość jest zależna jedynie od amplitudy indukcji, a co za tym idzie - amplitudy napięcia zasilającego. Wartość indukcyjności L jest określona zależnością (3). Rezystancję elementu R Fe dobiera się tak, aby prąd I Fe (narzucony przez straty w rdzeniu P Fe i SEM E - patrz równanie (0)), wydzielał w tym elemencie moc równą mocy całkowitych strat w rdzeniu dławika. L I R L 0 I R I L 0 I Fe I R Fe -E L Rys. 4. I L 0 L I R -E φ 0 I Fe I I G Rys

7 Nieliniowość charakterystyki magnesowania rdzenia oraz histereza powodują silne odkształcenie prądu dławika I od sinusoidy (mowa tu o pracy dławika przy znacznych wartościach indukcji). Jako niesinusoidalny, prąd nie mógłby być przedstawiony na wykresie wskazowym i utrudniałby analizę teoretyczną pracy dławika. Dlatego zastępuje się go dwoma prądami składowymi idealnie sinusoidalnymi według zasad opartych o podaną literaturę. Doświadczalno-rachunkowe wyznaczanie parametrów elementów schematu zastępczego Metodę pomiaru rezystancji R opisano w punkcie.. W celu wyznaczenia siły elektromotorycznej E, mierzy się dla określonego napięcia wartość siły elektromotorycznej E (rys. 3). Znając liczbę zwojów cewki badanej z oraz cewki pomocniczej z, możemy obliczyć siły elektromotorycznej E z równania z E. (7) E z Przy tym samym napięciu zasilającym mierzymy moc czynną P pobieraną przez dławik P I P Fe I cos 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) Znajomość mocy P Fe oraz siły elektromotorycznej E pozwala wyznaczyć prąd I Fe oraz rezystancję R Fe P I Fe, (0) Fe E E. () RFe I Fe - 7 -

8 ałkowity prąd dławika I mierzymy bezpośrednio amperomierzem. Znając I oraz I Fe, znajdziemy prąd I μ I Fe a następnie reaktancję X μ i indukcyjność L μ I I, () E, X I L X. (3) f Ostatnim elementem, który pozostaje do wyznaczenia jest indukcyjność L 0. Z wykresu wskazowego mamy I L 0 L ( I R ) L 0 L ( I R I ), (4) przy czym L E E cos, (5), (6) I arctg. (7) I Fe Na podstawie równania (8) mamy P arccos. (8) I.3. ewka o rdzeniu ferromagnetycznym ze szczeliną powietrzną Jakkolwiek właściwości takiej cewki różnią się od właściwości cewki umieszczonej na rdzeniu bez szczeliny powietrznej, jej schemat zastępczy ma tę samą konfigurację (rys. 4). Analogiczny jest również dla niej wykres wskazowy (rys. 5). W celu wyznaczenia parametrów schematu zastępczego oraz sporządzenia wykresu wskazowego cewki, posługujemy się znanymi już równaniami (7) do (8)

9 . Pomiary.. ewka powietrzna Doświadczalne wyznaczenie parametrów elementów schematu zastępczego odbywa się 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 ograniczający 95 Ω lub 98 Ω, R W - opornik dekadowy typu OK 0 x Ω, (ustawić wartość 4 Ω), Z - impedancja badanej cewki o ilości zwojów z = 550, A - amperomierz elektromagnetyczny (np. typ LE-3P; zakres, A), - woltomierz pomocniczy (multimetr cyfrowy). V p Przy pomocy autotransformatora AT nastawiamy prąd I = 0,75 A, a następnie mierzymy woltomierzem V p napięcia,, 3. Wyniki notujemy w tabeli. W sprawozdaniu obliczyć wartości R i L na podstawie wzorów zawartych w instrukcji. Tabela 3 I R W R L V V V A Ω Ω H - 9 -

10 .. ewka z rdzeniem ferromagnetycznym (bez szczeliny powietrznej) Schemat pomiarowy do badania dławika bez szczeliny i ze szczeliną powietrzną 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 prąd I =,5 A i odczytujemy wskazania wszystkich przyrządów pomiarowych, zapisując wyniki w tabeli. Tabela I P E E I Fe R Fe I L L 0 A W V V V A A H H - 0 -

11 .3. ewka o rdzeniu ferromagnetycznym ze szczeliną powietrzną stalamy w rdzeniu dwie szczeliny powietrzne zdejmując pokrętła z dławika i wyjmując poprzeczne ramię rdzenia. Na odsłonięte ramiona podłużne rdzenia układamy po 4 blaszki, po czym skręcamy ponownie dławik. Schemat układu pomiarowego zamieszczono na rys. 7. Przy pomocy autotransformatora nastawiamy prąd I =,5 A. Odczytujemy wskazania przyrządów, zapisując wyniki w tabeli 3. Tabela 3 I P E E I Fe R Fe I L L 0 A W V V V A A H H.4. harakterystyka napięciowo-prądowa dławika =f(i ) harakterystyka ta przedstawia związek między napięciem przemiennym przykładanym do zacisków dławika a prądem wymuszonym przez to napięcie. harakterystykę zdejmujemy dla dwóch przypadków: rdzenia bez szczeliny oraz ze szczeliną. kład pomiarowy uzyskujemy przez usunięcie z poprzedniego układu (rys. 7) watomierza oraz woltomierza V. ewka pomocnicza może pozostać na rdzeniu. Zalecane zakresy przyrządów pomiarowych: - amperomierz A:,5 A; - woltomierz V : 300 V. A. Rdzeń bez szczeliny powietrznej Przy pomocy AT zwiększamy stopniowo napięcie, odczytując równocześnie, I. Zaleca się odczyty dla wartości prądu 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. Rdzeń ze szczeliną powietrzną Po ustaleniu szczelin w rdzeniu (analogicznie jak w p..3), zdejmujemy charakterystykę napięciowo-prądową 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 przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw pożarową oraz przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi wskazanymi przez prowadzącego. W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad. - Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie. - Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń. - Załączenie napięcia do układu pomiarowego może się odbywać po wyrażeniu zgody przez prowadzącego. - Przyrządy pomiarowe należy ustawić w sposób zapewniający stałą obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami układu znajdującymi się pod napięciem. - Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana elementów składowych stanowiska pod napięciem. - Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie może się odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia. - W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć wszystkie urządzenia. - -

13 - Wszelkie braki stwierdzone w wyposażeniu stanowiska oraz nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu należy zgłaszać prowadzącemu zajęcia. - Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z urządzeń nie należących do danego ćwiczenia. - W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej w laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego. 4. Opracowanie wyników pomiarów Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: ) wypełnione tabelki pomiarowe, ) wykresy wskazowe prądów i napięć cewki powietrznej oraz cewek z rdzeniem ferromagnetycznym, sporządzone na podstawie wyników pomiarów Wykresy wykonujemy na papierze milimetrowym formatu A4!! Przy wykresie umieszczamy skale dotyczące prądów i napięć!! 3) wykresy charakterystyk napięciowo - prądowych, 4) analizę wpływu rdzenia ferromagnetycznego na właściwości cewki indukcyjnej a także wpływ szczeliny powietrznej w rdzeniu na właściwości dławika (w formie wniosków na końcu sporządzonego sprawozdania)

14 5. Pytania sprawdzające. Narysuj i objaśnij schemat zastępczy oraz wykres wskazowy cewki powietrznej.. Objaśnij metodę pomiaru parametrów cewki powietrznej. 3. Narysuj charakterystykę napięciowo-prądową cewki powietrznej. 4. Narysuj i objaśnij schemat zastępczy cewki z rdzeniem (dławika). 5. Podaj kolejność rysowania wykresu wskazowego dławika. 6. Wyjaśnij zasady zastępowania niesinusoidalnego prądu dławika I sinusoidalnymi prądami składowymi. 7. Wyjaśnij rolę cewki pomocniczej. 8. Indukcyjności L 0, L dotyczą tej samej cewki, dlaczego więc na schemacie zastępczym przypisuje się je dwóm oddzielnym elementom? 9. Jakie zjawisko jest odpowiedzialne za przesunięcie fazowe między prądem I a strumieniem głównym G? 0. Jaka zależność istnieje pomiędzy całkowitymi stratami w rdzeniu i wartością indukcji maksymalnej?. Które ze strat w rdzeniu stanowią większy procent strat całkowitych: straty od prądów wirowych, czy straty histerezowe?. zym różni się wartość R mierzona przy napięciu stałym od pomiaru tej wielkości przy napięciu przemiennym? 6. Literatura. Bolkowski S.: Teoria obwodów elektrycznych, WNT Bolkowski S.: Elektrotechnika, WNT Krakowski M.: Elektrotechnika teoretyczna. PWN