Изучение свойств нелинейных элементов в цепях переменного тока (Лабораторная работа № 11)

Лабораторная работа № 11

Изучение свойств нелинейных элементов в цепях

 переменного тока

    Цель работы:

- ознакомиться с физическими процессами, возникающими в цепях переменного тока, содержащих катушку с ферромагнитным сердечником;

- научиться измерять и вычислять основные параметры катушек индуктивности;

- ознакомиться с работой дроссельных катушек;

- ознакомиться с работой дроссельных усилителей.

    Продолжительность работы 4 часа.

      1 Сведения из теории

    На практике широкое применение находят цепи с нелинейными элементами, параметры которых (R,L,C) зависят от величины и направления тока (напряжения). Электрическая цепь является нелинейной, если в ней содержится хотя бы один нелинейный элемент.

    К нелинейным цепям относятся:

- индуктивные катушки с ферромагнитными сердечниками, работающими в условиях магнитного насыщения;

- электронные и ионные приборы;

- конденсаторы с сегнетоэлектриками, у которых диэлектрическая проницаемость зависит от величины приложенного напряжения.

    Нелинейные элементы используются в установках, предназначенных для преобразования переменного тока в постоянный (выпрямители), стабилизации напряжения и тока, усиления мощности электрических сигналов и т.д.

    Рассмотрим элементы, нелинейность которых обусловлена зависимостью индуктивности L от протекающего тока.

     1.1 Катушка с ферромагнитным сердечником

    Физические процессы в цепях переменного тока, содержащих катушки со стальным сердечником, имеют ряд особенностей по сравнению с процессами в цепях, содержащих индуктивные катушки, магнитный поток которых целиком замыкается через воздух или другой неферромагнитный материал.

При  протекании тока по виткам катушки с поперечным сечением s создается магнитное поле, интенсивность которого характеризуется магнитной индукцией  и магнитным потоком , который пропорционален магнитодвижущей силе , равной произведению тока  катушки на число её витков . Зависимость  при  катушки при отсутствии ферромагнитного магнитопровода является линейной.

При наличие магнитопровода магнитный поток, создаваемый подобной катушкой индуктивности , при прочих равных условиях значительно возрастает, так как при этом магнитный поток создается не только проводниками с током катушки (источником внешнего магнитного поля), но и соответствующим ферромагнитным веществом магнитопровода (источником внутреннего магнитного поля).

Магнитная индукция катушки индуктивности связана с напряженностью магнитного поля и магнитной проницаемостью соотношением  .

С учетом этого магнитный поток катушки

Следовательно, магнитный поток пропорционален магнитной проницаемости  среды, которая для ферромагнитных материалов значительно больше магнитной проницаемости других материалов и на несколько порядков выше магнитной проницаемости воздуха. поэтому для уменьшения намагничивающей силы F , а следовательно  уменьшения тока, необходимого для создания заданного магнитного потока, катушки индуктивности снабжаются магнитопроводом (сердечником) из ферромагнитного материала (электротехническая сталь).

Так как зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов является нелинейной (рис.1), то зависимость  или  при наличии магнитопровода оказывается также нелинейной.

При включении катушки индуктивности с магнитопроводом (в общем случае с воздушным зазором δ рис.2) под переменное синусоидальное напряжение   в цепи катушки появляется переменный ток , под действием которого в магнитопроводе возникает переменный магнитный поток . Основная часть результирующего магнитного потока, создаваемого катушкой индуктивности, замыкается по цепи магнитопровода, так как магнитная проводимость его во  много раз больше магнитной проводимости воздуха, однако незначительная часть результирующего магнитного потока (порядка 3-5%) все же рассеивается и замыкается вокруг отдельных витков катушки индуктивности (поток рассеяния).

Результирующий магнитный поток катушки индуктивности с магнитопроводом равен векторной сумме , так как основной магнитный поток Ф и поток рассеяния не совпадают во времени по фазе.

Зависимость  – кривая намагничивания является одной из важнейших характеристик ферромагнитных материалов (рис.3). Кривая оа, проходящая через начало координат, является основной кривой намагничивания, она снимается при одностороннем намагничивании ненамагниченного материала.

При питании катушки переменным током ферромагнитный магнитопровод вследствие наличия переменного магнитного потока циклически, с частотой тока, перемагничивается по кривой гистерезиса, обусловленной наличием остаточного магнетизма (остаточной магнитной индукции)  и коэрцитивной (задерживающей) силы . В процессе циклического перемагничивания за несколько полупериодов переменного тока устанавливается замкнутая симметричная петля гистерезиса.

На циклическое перемагничивание магнитопровода затрачивается мощность, выделяемая в нем в виде теплоты, которая относится к потерям мощности в магнитопроводе. Потери мощности в магнитопроводе включают в себя потери на гистерезис и потери от вихревых токов, наводимых переменным магнитным потоком в металле магнитопровода: