Тема диплома: Искажение формы тока в катушках с ферромагнитным сердечником.

Введение.

Целью моей работы является исследование искажения формы тока в катушках с ферромагнитным сердечником. Для этого я должна изучить принципы составления уравнения для тока, содержащего индуктивность; также изучить принципы расчета индуктивности катушек с сердечниками; и провести расчет тока в цепи с нелинейной индуктивностью при синусоидальном питающем напряжении.

Изучение колебаний в электрических цепях основано на анализе временных зависимостей циркулирующих в цепях токов, напряжений в разных узлах цепей. Методика такого анализа требует знания основных законов электротехники, умения составить уравнения, решить их для конкретных видов цепей.

В обычной катушке величина ее индуктивности не зависит от величины, протекающего по ней тока (L=const). Но если ту же самую катушку намотать на ферромагнитный сердечник, ее индуктивность станет нелинейной функцией от тока (L=L(i)). В теоретической электротехнике под реактивными катушками понимаются катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником. Основными представителями ферромагнитных веществ являются железо, никель, кобальт и их сплавы. Поэтому при питании катушки с ферромагнитным сердечником синусоидальным напряжением, через нее протекает существенно несинусоидальный ток. Взаимодействие ферромагнетиков с внешним магнитным полем носит нелинейный характер. Нелинейность объясняется так: Характеристика индуктивной катушки _L=F(i), которая выражает зависимость потока самоиндукции от тока в катушке, является линейной, если магнитная проницаемость среды, в которой существует магнитный поток, не зависит от тока. А магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от напряженности магнитного поля. А также взаимодействие ферромагнетиков с внешним магнитным полем обладает запаздыванием магнитной индукции внутри магнетика по отношению к воздействию на него.

1. Изучить принципы составления уравнения для тока в цепи переменного тока, содержащую индуктивность.

1.1 Принцип составления уравнений для переменного тока.

Принцип составления уравнений базируется на трех принципах:

• 2 уравнения Кирхгофа. Реальные цепи являются, как правило, разветвленными, и для них действуют два закона Кирхгофа: первый – для любого узла электрической цепи сумма втекающих в него токов равна сумме вытекающих токов, т.е.

∑i_n = 0;

второй – в любом замкнутом контуре с током алгебраическая сумма э.д.с., встречающихся по ходу тока, равна алгебраической сумме падений напряжений на элементах этого контура:

∑e_k = ∑U_k = i*∑z_k.

• модели элементов цепи (например, зависимость напряжения от тока, U_L = L*(dI/dt), - это модель). Катушка индуктивности включается последовательно в цепь, где есть источник. Используя принцип Кирхгофа, составляем уравнение для этой схемы:

RI + L(dI/dt) = E_m sint.

Если индуктивность L не зависит от тока I, то это уравнение будет линейным, если же есть зависимость, то уравнение нелинейное.

• Закон Ома.

Приведем примеры того, как составляются уравнения для переменного тока.

1. Пусть у нас есть неразветвленный контур, содержащий индуктивность, конденсатор и резистор. Для составления уравнения используем второй закон Кирхгофа, т.е. ∑e_k = ∑U_k.

Найдем для каждого элемента цепи его напряжения:

• Для R: U_R = R*i, где i – мгновенное значение тока, т.е. его значение зависит от времени;

• Для L: U_L = L ;

• Для C: U_c = ;

В итоге получим уравнение R*I + L + = E , где Е – э.д.с. контура. Далее продифференцируем это уравнение по времени, мы можем это сделать, потому что все члены уравнения непрерывны. Получим

L + R + = .

Искажение формы тока мы можем наблюдать за счет эффекта нелинейности, который дает элемент индуктивности, т.е. L = L(i), так как µ = F(H).

Решать нелинейные уравнения мы можем различными способами, такими как: Метод Рунге Кутта(1,2,4 порядка), конечно-разностный метод, метод стрельбы и.т.п.

2. Рассмотрим еще один пример, в котором сравним данные, полученные экспериментально и теоретически:

Исследуемая схема имеет вид:

где L(i) – нелинейная индуктивность; R – резистор; U – э.д.с. контура.

Значения R =10 Ом и w = 10 Гц заданы.

Результаты, полученные при проведении измерений, запишем в таблицу:

L, Гн	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9
I, А	0,99	0,94	0,87	0,78	0,65	0,5	0,33	0,2	0,15

С помощью 2 закона Кирхгофа составим уравнение для этого контура.

RI + L = A*e^jwt;

Уравнение неоднородное, т.к. правая часть не равна нулю. Искать решение этого уравнения вручную громоздко, поэтому сделаем это с помощью компьютерной программы Математика. Вводим значения L=1 Гн, R=10 Ом, w=10 Гц, A= 1. Увидим, что графическое решение уравнения, где индуктивность не зависит от величины протекающего по ней тока, будет совершенно неискаженным.