Исследование цепи, состоящей из последовательно соединенных катушки со стальным сердечником и конденсатора, изучение триггерного эффекта

Лабораторная работа № 7

ФЕРРОРЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ

Цель работы: исследование цепи, состоящей из последовательно соединенных катушки со стальным сердечником и конденсатора, изучение триггерного эффекта.

Приборы и материалы: лабораторный стенд, содержащий блок конденсаторов и катушку со стальным сердечником; вольтметр с пределом измерения напряжения 0 – 300 В; амперметр с пределом измерения тока 0 – 5 А; соединительные проводники; лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) с пределом изменения напряжения 0 – 300 В (при питании от промышленной однофазной электрической сети с напряжением 220 В и частотой 50 Гц).

Лабораторная работа проводилась студентами группы УИТ-22 Захаровым М.В., Елисеевым М.А., Горшуновой С.В., Калюжным А.А. под чутким руководством ассистента Ольковой В.Б.

XL

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

 

Схема состоит из нелинейной индуктивности L, зависящей от величины тока, протекающего через катушку; линейной емкости; активного сопротивления R, учитывающего активное сопротивление катушки и потери в сердечнике.

Цепь, содержащая нелинейную индуктивность и линейную емкость, называется феррорезонансной. При последовательном соединении возникает феррорезонанс напряжений. Увеличение тока в цепи приводит к уменьшению индуктивного сопротивления X_L, в то же время емкостное сопротивление X_C, не зависящее от величины тока остается неизменным (см. график). При некотором токе I_р индуктивное сопротивление X_L численно становится равным емкостному X_C, наступает резонанс.

Для анализа явлений можно воспользоваться методом расчета по действующим значениям. В этом методе в действительности несинусоидальные токи и напряжения заменяют их эквивалентными синусоидальными величинами.

На рисунке показаны вольт-амперная характеристика (ВАХ) катушки со стальным сердечником U_L = f(I), линейной емкости U_C = f(I), линейного активного сопротивления U_R = f(I) и результирующая ВАХ U = f(I).

Точки результирующей ВАХ получают следующим образом.

Произвольно задаются некоторым током I, через точку, соответствующую значению этого тока, проводят линию, параллельную оси ординат до пересечения с линиями U_L = f(I), U_C = f(I), U_R = f(I). Отрезки ординат, лежащие между осью абсцисс и полученными точками пересечения, дают значения U_L, U_C, U_R при токе в цепи I.

Напряжение на индуктивности и емкости находится в противофазе, поэтому реактивное напряжение U_р определяется как разность U_L – U_C. На рисунке U_р показано штриховой линией. Результирующее напряжение U равно гипотенузе треугольника, построенного на катетах U_R, U_р, так как разность фаз между ними составляет 90^o.

Затем задаются другими значениями тока и проводятся аналогичные действия, в результате чего получают результирующую ВАХ.

В последовательной феррорезонансной цепи при N-образной результирующей ВАХ и питании схемы от источника ЭДС возникает триггерный эффект.

Триггерным эффектом называется явление резкого изменения тока при незначительном изменении напряжения на входе схемы. Также во время скачка тока при триггерном эффекте происходит опрокидывание фазы (сдвиг фазы тока на 180^o).

В точке a и e сдвиг фаз напряжения и тока носит индуктивный характер, в точках b и c – емкостный, а в точке d он приближается к 0.

Будем плавно увеличивать напряжение на входе схемы, начиная с 0. При этом изображающая точка начнет перемещаться от точки 0 к точке a по результирующей ВАХ. Если напряжение увеличивать дальше, то изображающая тока скачком переместится из точки a в точку b, что соответствует скачкообразному увеличению тока, затем движение будет проходить на участке b – c.

При уменьшении напряжения изображающая точка перемещается от точки c через b к d. Если продолжать уменьшать напряжение, то изображающая точка скачком переместится из точки d в точку e (что соответствует скачкообразному уменьшению тока), затем движение будет проходить на участке e – 0.

Вследствие триггерного эффекта невозможно полностью снять ВАХ последовательно соединенных катушки со стальным сердечником и линейного конденсатора при изменении напряжения на входе схемы, однако это можно сделать, подключив цепь к источнику тока и плавно изменяя его величину.

Триггерный эффект можно наблюдать только в нелинейных цепях.

Катушки с ферромагнитным сердечником используются в устройствах для поддержания на выходе схемы неизменного напряжения – феррорезонансных стабилизаторах напряжения.

ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

На стенде имеются катушка со стальным сердечником L, конденсаторный блок C, амперметр электромагнитной системы с диапазоном измерений 0 – 5 А, вольтметр электромагнитной системы с диапазоном измерений 0 – 300 В. Регулирование напряжения питания осуществляется с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТР).

На стенде необходимо собрать измерительную схему, изображенную на рисунке.

В работе снимается ВАХ нелинейной индуктивности и конденсатора методом амперметра и вольтметра. При снятии ВАХ нелинейной индуктивности необходимо произвести порядка 10 измерений, для снятия ВАХ линейной емкости достаточно провести 2 – 3 измерения, так как ее ВАХ линейна. Прямолинейная ВАХ проводится через две точки: одна лежит в начале координат, вторая – точка, полученная в результате замера тока и напряжения. Остальные точки должны лежать на этой прямой. Ток в цепи не должен превышать 5 А.