Задача 1.
Ток в обмотке катушки при наличии стального сердечника I=0,69 А, а мощность P=32,2 Вт. При отсутствии сердечника ток в обмотке I=2,23 А и мощность P=100 Вт. Напряжение в обоих случаях U=120 В. Определить потери в меди и в стали и параметры схемы замещения катушки с сердечником.
Построить векторную диаграмму катушки с сердечником, если сопротивление рассеяния xs=23 Ом.
6.3.2 Задание на выполнение работы
1. Ознакомиться с элементами лабораторной установки и записать их номинальные данные.
2. Определить омическое сопротивление обмотки катушки.
3. Собрать электрическую цепь с включенными электроизмерительными приборами в соответствии с рисунком 6.1
4. Предъявить собранную схему для проверки преподавателю и получить разрешение на включение схемы.
5. Включить схему под напряжение (величина напряжения задается преподавателем). Определить параметры катушки при различных сердечниках:
а) воздушном (без сердечника);
б) медном проволочном;
в) стальном шихтованном;
г) стальном проволочном;
д) стальном сплошном.
Результаты измерений записать в таблицу 6.1. При определении параметров напряжение в цепи поддерживается неизменным.
6. Исследовать зависимость параметров катушки со сплошным стальным сердечником от переменного по действующему значению напряжения при постоянной частоте.
Данные наблюдений и вычислений записать в таблицу 6.1
Таблица 6.1
Вид сердечника |
Измерено |
Вычислено |
|||||||
U, В |
f, Гц |
I, А |
P, Вт |
Z, Ом |
R, Ом |
XL, Ом |
L, Гн |
cosφ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6.4 Основные теоретические положения
Вычисляемые величины определяются по формулам:
; 
; 
; 
;
.
В цепях, содержащих реактивные катушки с сердечником, процессы протекают по более сложным законам, нежели в цепях, магнитный поток которых полностью замыкается через воздух.
Катушки индуктивности, содержащие ферромагнитные сердечники, обладают следующими особенностями:
а) между магнитным потоком и током в катушке не существует прямой пропорциональности, эта зависимость выражается петлей гистерезиса;
б) при синусоидальном напряжении на зажимах катушки ток в цепи несинусоидален;
в) в сердечнике возникают потери энергии, на гистерезис и вихревые токи. В результате этого, даже если пренебречь активным сопротивлением обмотки катушки, ток будет отставать от напряжения на угол меньший 90°.
6.4.1 Влияние материала сердечника на параметры катушки
Параметры реактивной катушки с сердечником зависят от тока и напряжения на катушке, поэтому цепь, содержащая такую катушку, является нелинейной. Параметры катушки R, L (или XL), Z в сильной степени зависят от материала сердечника. Влияние сердечника обусловливается зависимостью магнитной проницаемости, гистерезиса и вихревых токов от материала сердечника.
С изменением магнитной проницаемости сердечника изменяется и индуктивность катушки.
Гистерезис и вихревые токи вызывают дополнительные потери энергии, обусловливающие различные активные сопротивления катушки для различных сердечников. Кроме того, имеет место размагничивающее действие вихревых токов, что сказывается на величине индуктивности катушки с сердечником.
С учетом этих обстоятельств можно предвидеть, что при прочих равных условиях активное сопротивление катушки с медным сердечником будет несколько больше активного сопротивления катушки без сердечника (дополнительные потери энергии в медном сердечнике), а индуктивность (или индуктивное сопротивление) катушки без сердечника будет больше таковых той же катушки, но с медным сердечником (размагничивающее действие вихревых токов).
Замена медного сердечника стальным (сплошным) вызовет потери на гистерезис, произойдет увеличение активного сопротивления; в результате резкого увеличения магнитной проницаемости индуктивность (индуктивное сопротивление) также резко возрастет.
Замена сплошного стального сердечника стальным проволочным вызовет уменьшение вихревых токов и потерь на них; произойдет уменьшение активного сопротивления катушки, уменьшение потерь и увеличение индуктивности (индуктивного сопротивления) катушки (ослабление размагничивающего действия вихревых токов).
Полные сопротивления также различны по величине при различных сердечниках. При стальных сердечниках они значительно больше, чем при медных. Катушки с медным сердечником и без сердечника имеют близкие по величине полные сопротивления.