Методические указания к лабораторной работе №3

“ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ"

Цель работы.

В работе проводится экспериментальное определение активного сопротивления и индуктивности катушки. По опытным данным делается заключение о техническом состоянии катушки индуктивности.

1. Основные теоретические положения.

Одним из основных элементов конструкции различного рода электрических машин и аппаратов, устройств электроавтоматики, промышленной электроники, транспортных средств и т.п. является катушка индуктивности. Произвольное изменение параметров катушки в производственных условиях может оказать существенное влияние на ход технологического процесса или сделать его вообще невозможным. Поэтому технический персонал предприятия должен знать основные методы контроля технического состояния катушек индуктивности.

При протекании тока по виткам катушки с поперечным сечением магнитопровода S создается магнитное поле, интенсивность которого характеризуется магнитной индукцией В и магнитным потоком , который пропорционален магнитодвижущей силе F, равной произведению тока I катушки на число ее витков W. Зависимость Ф (I) при W=const катушки при отсутствии ферромагнитного магнитопровода является линейной.

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

При включении катушки индуктивности с магнитопроводом (в общем случае с воздушным зазором под переменное синусоидальное напряжение в цепи катушки появляется переменный ток, под действием которого в магнитопроводе возникает переменный магнитный поток Ф (t). Основная часть результирующего магнитного потока замыкается по цепи магнитопровода, так как магнитная проницаемость его во много раз больше магнитной проницаемости воздуха. Однако незначительная часть результирующего потока (порядка 3...5%) рассеивается и замыкается вокруг отдельных витков катушки индуктивности. Из курса физики известно, что для ферромагнитных материалов существует нелинейная зависимость между величиной магнитной индукции и напряженностью магнитного поля , создаваемого катушкой индуктивности (l_{ср. -} длина средней магнитной линии). Эта зависимость В (Н) - кривая намагничивания, является одной из важнейших характеристик ферромагнитных материалов.

Основными параметрами катушки являются активное сопротивление и индуктивность.

АКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ R зависит от длины, площади поперечного сечения S и удельного сопротивления проводника :

 

, Ом (4.1)

 

Активное сопротивление катушки можно измерить омметром, методом амперметра и вольтметра или при помощи измерительных мостов. Измерения проводят на постоянном токе.

Активное сопротивление катушки при переменном токе будет несколько больше того значения, которое получается при постоянном токе. Это обусловлено поверхностным эффектом, который сказывается особенно заметно при высокой частоте тока и большой площади поперечного сечения проводника. При промышленной частоте 50 Гц поверхностный эффект заметно проявляется в стальных (ферромагнитных) проводниках, а в проводниках из цветных металлов он настолько слаб, что его не учитывают.

При работе катушки в цепях переменного тока следует учитывать ее индуктивное сопротивление:

 

, Ом (4.2)

 

где f - частота тока, Гц;

L - индуктивность катушки, Гн.

Индуктивность катушки зависит от числа витков, размеров и формы катушки, а также от магнитной проницаемости материала, из которого изготовлен сердечник, размеров и конфигурации магнитопровода. Так, например, индуктивность тороидальной катушки с сердечником любого сечения может быть определена по формуле:

 

, Гн (4.3)

 

где W - число витков катушки,

 - магнитная проницаемость сердечника,

S - площадь поперечного сердечника, см^2,l_ср - средняя длина магнитной силовой линии, см.

Вследствие того, что индуктивность катушки, снабженной ферромагнитным сердечником, величина переменная, зависящая от тока (вследствие непостоянства магнитной проницаемости), ее обычно определяют опытным путем. Если неизвестен какой-либо параметр катушки (l, W, S, ), то этот метод является единственно возможным.

При экспериментальном определении индуктивности катушки дополнительно предоставляется возможность оценить ее техническое состояние. В этом случае опытные данные сравниваются с паспортными или с данными, полученными на образцовой (исправной) катушке. Таким образом можно выявить такую распространенную неисправность, как витковое замыкание в катушке. Измерения индуктивности в катушке производятся специализированными приборами, измерителями R, L, C, методом амперметра и вольтметра на переменном токе.

2. Задание по работе.

Составить схему опыта для измерения сопротивлений катушки на постоянном и переменном токе.

Составить таблицы для регистрации экспериментальных и расчетных данных.

Записать необходимые расчетные формулы.

Определить индуктивность катушки несколькими методами.

Построить график изменения индуктивности в зависимости от тока L (I).

По результатам одного из опытов построить: треугольник сопротивления и векторную диаграмму.

Составить краткие выводы по работе.

Подготовить ответы на вопросы самопроверки.

3. Методические указания по выполнению работы.

Определение индуктивности катушки по методу амперметра и вольтметра провести в следующей последовательности:

Измерить омическое сопротивление катушки омметром и по методу амперметра и вольтметра на постоянном токе (для данной катушки I_max=3A)

2. Сравнить полученные значения с образцовыми (по паспорту катушки).

3. Включая катушку в цепь переменного тока известной частоты, измеряем ток и напряжение на катушке, вычисляем сопротивление катушки:

 

, Ом (4.4)

 

Вычислить индуктивное сопротивление катушки Х, которое из треугольника сопротивлений (рис.1) определяется как

 

                                                                                 Z                 X   

                                                                                                          

, Ом   (4.5)                         R

 

5. Вычислить индуктивность катушки: Рис.1

 

, Гн (4.6)

 

6. Снятие экспериментальных данных производится для 5-6 значений тока в катушке.

7. Определение индуктивности катушки при помощи измерителя R, L, C производится в следующей последовательности:

7.1. Подготовить прибор к работе.

7.2. Включить вилку шнура питания в сеть.

7.3. Ручку “Чувств." повернуть вниз до упора.

7.4. Подключить резистор 100 Ом к измерительным клеммам прибора.

7.5. Нажать кнопку R переключателя “РОД РАБОТ" и кнопку 10 переключателя “МНОЖИТЕЛЬ".

7.6. Произвести балансировку моста: ручкой “Чувств." вывести стрелку индикатора в среднюю часть шкалы; добиться минимального отклонения стрелки, вращая ручку “БАЛАНС", постепенно повышая чувствительность. Чем выше чувствительность, тем более четко определяется момент минимального отклонения стрелки индикатора; снимите показания по правой шкале барабана “БАЛАНС" с учетом множителя; если показания соответствуют 100 Ом и не отличаются от этой величины более чем на 5%, значит мощность прибора соответствует техническим данным. Оценку погрешности производить по левой шкале барабана “БАЛАНС", на которой одному делению ценой 1 мм соответствует величина погрешности 1%.

7.7. Подключить измеряемую катушку индуктивности к клеммам прибора.

7.8. Нажать кнопку “L” переключателя “РОД РАБОТ".

7.9. Произвести балансировку моста и произвести отсчет по правой шкале с учетом множителя.

7.10. При измерении следует учитывать, что точные измерения можно получить на двух диапазонах с множителями 10 и 10². На поддиапазонах с множителями 1 и 10³ измерения носят сравнительный характер.

7.11. По окончании измерения ручку “Чувств. ” повернуть до упора против стрелки и все кнопки переключателей установить в исходное состояние.

ПРИМЕЧАНИЯ к п.1-6:

1. При определении активного сопротивления катушки индуктивности результаты экспериментальных исследований могут быть сведены в таблицу 1, на основании расчетов определяется среднее значение активного сопротивления.

Таблица 1

U, B
I, A
R, Ом

 

2. При проведении опытов на переменном напряжении необходимо использовать соответствующие электроизмерительные приборы.

Измеряя ток в цепи, записать в таблицу 2 показания прибора при 5-6 значениях токов. Вычислить для каждого опыта полное сопротивление, индуктивное сопротивление, индуктивность катушки и ее коэффициент мощности (cos ).

Таблица 2.

№	ИЗМЕРЕНО		ВЫЧИСЛЕНО
опыта	U, B	I, A	Z, Ом	XL, Ом	L, Гн	cos
1
2
3
4
5
6

4. Вопросы самопроверки.

Как определяется сопротивление катушки индуктивности?

Как определяется полное сопротивление катушки индуктивности?

Как определяется индуктивное сопротивление катушки индуктивности?

Что произойдет с углом сдвига фаз между напряжением и током в катушке, если увеличить частоту тока, удалить из катушки сердечник?

Объясните назначение магнитопровода в катушке индуктивности.

Поясните влияние магнитопровода на значение индуктивности катушки.

Как изменится величина тока в катушке индуктивности при питании ее от сети постоянного тока и от сети переменного тока одной и той же величины напряжения?

Почему магнитопровод катушек индуктивности, работающих в цепях переменного тока, изготавливается из листовой электротехнической стали?

Изобразите кривую перемагничивания ферромагнитного материала (петля гистерезиса) и укажите характерные точки.

Приведите характерные примеры неисправности катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником.

Приведите методы поиска различных неисправностей катушки индуктивности.

Катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником включили под напряжением. Через некоторое время из нее пошел дым. Приведите возможные причины.

Объясните, почему индуктивность катушки с ферромагнитным сердечником уменьшается при увеличении тока?

Приведите примеры устройств с катушками индуктивности и объясните их назначение.

Приведите формулы, которые связывают магнитную индукцию и напряженность магнитного поля в вакууме и в ферромагнитном материале. Назовите единицы измерения и объясните физический смысл величин.

Как выявить неисправность катушки зажигания автомобиля?

Литература

 

1. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника. - М.: Высшая школа, 1984,с.49 - 51.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983,с.7 - 12, 143 - 149.