ЭПУ-1 (Методические указания по выполнению лабораторных работ), страница 2

Индуктивность намагничивания определяет форму переходной характеристики в области больших времен. Так, спад вершины импульса  = U₂/U₂ связан с L_ следующим соотношением:

 = (_и/L_)[(R₁R₂/n²)/(R₁ + R₂/n²)],

где R₁ = r₁ + Rг и R₂ = r₂ + Rн – резистивные сопротивления в цепях первичной и вторичной обмоток (включая внутреннее сопротивление источника сигнала Rг и сопротивление нагрузки Rн).

Описание лабораторного макета

У
прощенная принципиальная схема установки приведена на рис. 4.
Исследуемый трансформатор содержит первичную и вторичную обмотки с числами витков w₁ w₂. К первичной обмотке трансформатора подключен источник сигнала u₁, к вторичной – нагрузка Rн. Для коррекции частотных характеристик параллельно Rн можно подключать корректирующие конденсаторы Cк, (С_к1 = 22 нФ, C_к2 = 33 нФ)

Одна из дополнительных обмоток используется как измерительная и работает в режиме, близком к холостому ходу, поэтому напряжение на ней практически равно ЭДС, наводимой основным магнитным потоком в соответствии с числом витков этой обмотки w₃. Нагрузкой этой обмотки служит высокое входное сопротивление интегрирующей цепи, выходное напряжение которой на основании закона электромагнитной индукции будет пропорционально (по форме и по величине) основному магнитному потоку, т. е. магнитной индукции в сердечнике трансформатора:

,

где e₀ – ЭДС на зажимах обмотки; S – площадь поперечного сечения магнитопровода.

Вторая дополнительная обмотка подключена к источнику постоянного напряжения, что позволяет исследовать процессы, обусловленные током подмагничивания. Резистор R1 обеспечивает высокое выходное сопротивление источника тока подмагничивания.

Помимо исследуемого широкополосного трансформатора лабораторный макет содержит встроенные генератор тестовых сигналов, регулируемый источник тока подмагничивания и мультиметр

Генератор позволяет получать сигналы: синусоидальной и прямоугольной (меандр) формы. Установка формы, частоты и амплитуды тестовых сигналов осуществляется с помощью органов управления, расположенных на лицевой панели макета.

Органы управления мультиметром позволяют выводить значения измеряемых величин сигналов в контрольных точках схемы – амплитуды напряжения U₁ и тока первичной обмотки I₁, напряжения на вторичной обмотке U₂, магнитной индукции B в сердечнике трансформатора, вызванной основным магнитным потоком ЭДС E₀ и постоянный ток подмагничивания I_П. Выбор измеряемой величины осуществляется соответствующими кнопками, расположенными под жидкокристаллическим дисплеем.

Наличие двух выходов на внешний осциллограф позволяет одновременно наблюдать формы токов и напряжений в различных точках схемы:
u₁, i₁, u₂, e₀, B (напряжение u₁ поступает на осциллограф с ослаблением в 10 раз). Для исследования взаимосвязи сигналов во времени рекомендуется на один из каналов двухлучевого осциллографа постоянно подавать опорный сигнал (например, напряжение на первичной обмотке трансформатора) и этим сигналом синхронизировать развертку осциллографа.

Если используемый осциллограф имеет вход усилителя горизонтального отклонения луча, то возможно наблюдать кривую перемагничивания материала магнитопровода при синусоидальном и импульсном воздействиях.

Программа выполнения работы

Ознакомиться со схемой лабораторного макета, размещением органов управления и контроля. Включить лабораторный макет и осциллограф.

1. Исследование процесса намагничивания сердечника трансформатора.

1.1. Установить частоту гармонического напряжения 80…100 Гц, среднее значение сопротивления нагрузки. Ток подмагничивания установить близким к нулю. Зарисовать форму тока первичной обмотки трансформатора при трех значениях входного напряжения (при индукции меньше, больше и примерно равной индукции насыщения).

Проследить изменение формы тока i₁ при введении подмагничивания. Для этого установить входное напряжение, при котором индукция в магнитопроводе превышает индукцию насыщения. Зарисовать диаграммы тока i₁ при различных направлениях протекания тока подмагничивания I₀.

1.2. Повторить эксперимент п. 1.1 при прямоугольной форме входного напряжения.

При проведении дальнейших исследований ток подмагничивания установить близким к нулю.

1.3. При гармонической и прямоугольной формах входного напряжения проследить за изменением формы и временного положения (по отношению к входному напряжению) тока i₁ и магнитной индукции B при изменении сопротивления нагрузки. Зарисовать временные диаграммы i₁ и B при номинальной нагрузке и в режиме холостого хода. Установить частоту сигнала 80…100 Гц. Максимальное значение индукции в сердечнике не должно превышать индукцию насыщения.

2. Исследование трансформатора при гармоническом воздействии.

2.1. Исследование характеристик холостого хода трансформатора.
Установить максимальное сопротивление нагрузки и частоту гармонического сигнала 80…100 Гц. Изменяя входное напряжение U₁, снять зависимости:
I₁, U₂, B, E₀ = F(U₁). Построить графики, вычислить коэффициент трансформации n = U₂/U₁ и индуктивность первичной обмотки трансформатора (при величине сигнала, когда отсутствуют заметные искажения формы тока i₁).

2.2. Исследование нагрузочных характеристик трансформатора.
Изменяя сопротивление нагрузки, снять зависимости U₂, E₀, B, I₁ = F(I₂) при U₁, ≈ 4 В, Cк = 0, f = 500…1000 Гц. Ток I₂ вычислять по соотношению I₂ = U₂/Rн. Построить графики, вычислить относительные изменения U₂, E₀, B.

2.3. Исследование частотных характеристик трансформатора:
Установить U₁ = 3 – 4 В. При резистивном характере нагрузки (Rн = 300 Ом) и резистивно-емкостном (Rн = 350 Ом, С_к1 и С_к2 включены) снять зависимости: U₂, I₁, B, E₀ = F(f). По построенным графикам определить граничные частоты: нижнюю fн (по возрастанию тока I₁) и верхнюю fв (по спаду U₂). Используя соотношение (2), вычислить индуктивность намагничивания.

3. Исследование трансформатора при импульсном воздействии.

3.1. Зарисовать временные диаграммы u₁, u₂, e₀, i₁, B при резистивной нагрузке (Rн = 50 Ом), изменяя частоту повторения прямоугольных импульсов в пределах 300…1000 Гц.

3.2. Снять зависимость относительного спада вершины импульсов напряжения на вторичной обмотке трансформатора от длительности импульса входного напряжения τи. Сопротивление нагрузки 250 Ом, частоту следования импульсов изменять в пределах 80…800 Гц. Величину напряжения U₁ установить такой, чтобы сердечник трансформатора не входил в насыщение на частоте 80 Гц. Построить график λ = F(τи).

3.3. При резистивно-емкостной (или только емкостной) нагрузке, добившись колебательного характера переходного процесса (см. рис. 3), определить период колебаний и по соотношению (5) вычислить индуктивность рассеяния обмоток трансформатора. Для удобства наблюдения рекомендуется установить частоту следования импульсов 2 – 10 кГц.

Содержание отчета

1. Принципиальная схема макета.

2. Временные диаграммы, таблицы экспериментальных данных, графики снятых характеристик и зависимостей.

3. Краткие выводы.

Вопросы для подготовки

1. Объяснить характер процессов в трансформаторе при гармоническом и импульсном воздействиях.

2. Почему снижается магнитная проницаемость материала сердечника при импульсном характере входного сигнала?

3. Объяснить физический смысл параметров эквивалентной схемы трансформатора.

4. Каково назначение магнитопровода в трансформаторе?

5. Как изменяется значение основного магнитного потока (магнитной индукции) в сердечнике трансформатора при изменении напряжения на первичной обмотке, сопротивления нагрузки, магнитной проницаемости материала сердечника, частоты входного сигнала?

6. Объяснить причины возникновения и характер потерь в трансформаторе, перечислить меры по снижению этих потерь. Какие потери в трансформаторе определяются в опыте холостого хода и в опыте короткого замыкания?

7. С какой целью сердечник низкочастотного трансформатора выполняется наборным, из листов электротехнической стали?

8. Как изменяются индуктивность намагничивания и индуктивности рассеяния обмоток при существенном изменении магнитной проницаемости материала сердечника?

9. Какие элементы эквивалентной схемы трансформатора определяют ход частотной характеристики коэффициента передачи трансформатора в области верхних (нижних) частот?

10. Какие элементы эквивалентной схемы трансформатора определяют искажения импульсных сигналов в области малых (больших) времен?

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Цели работы:

1. Исследование работы трансформатора в диапазоне частот при гармоническом и импульсном воздействиях.

2. Исследование основных характеристик трансформатора на холостом ходу и под нагрузкой.

3. Приобретение навыков экспериментального определения параметров эквивалентной схемы трансформатора.

Краткие теоретические сведения

Трансформаторами называют электромагнитные устройства, предназначенные для изменения характеристик электрических сигналов, таких как напряжение, ток, форма, фазность (в том числе и переход от несимметричного относительно “земли” входа к симметричному выходу и наоборот). По виду связи между входными и выходными зажимами трансформаторы можно разделить на два класса: трансформаторы с магнитной связью (обмоточные) и с электромагнитной связью (трансформаторы типа длинной линии).

В
настоящей работе исследуется трансформатор с магнитной связью при работе в диапазоне частот от источника гармонического сигнала и в импульсном режиме. Однако все, что касается режима работы магнитной цепи, в полной мере справедливо и для трансформаторов типа длинной линии.

Принцип работы обмоточного трансформатора поясняется эскизом, приведенном на рис. 1. При подключении к первичной обмотке трансформатора источника сигнала u₁ (например, гармонического) по обмотке протекает ток i₁. В результате протекания переменного тока вокруг первичной обмотки создается переменное магнитное поле, характеризующееся потоками ₀ и _S1. Часть тока первичной обмотки, необходимая для создания потока ₀, носит название тока намагничивания i_µ.

Изменяющиеся во времени потоки ₀ и _S1 индуцируют в первичной обмотке электродвижущие силы (практически уравновешивающие входное напряжение u₁):

e₁ = d₀/dt = w₁ d₀/dt; e_S1 = d_S1/dt ,

где w₁ – число витков в первичной обмотке трансформатора; ₀ = w₁ ₀, _S1  потокосцепления первичной обмотки с магнитными потоками ₀ и _S1.

Магнитный поток ₀, пронизывая витки вторичной обмотки (с числом витков w₂), наводит в ней ЭДС e₂ = w₂ (d₀/dt). Если вторичная обмотка замкнута на сопротивление Zн, в цепи будет проходить ток i₂, который создает вокруг вторичной обмотки свое магнитное поле. Часть магнитного потока _S2 сцепляется только с витками вторичной обмотки, а основная часть замыкается по сердечнику и направлена навстречу потоку ₀. Ток первичной обмотки при этом возрастет на Δi₁ = Δi₂(w₂/w₁), компенсируя размагничивающее действие тока вторичной обмотки, так что магнитный поток ₀ останется практически постоянным.

Магнитный поток ₀, пересекающий витки обеих катушек, носит название основного магнитного потока, а потоки _S1 и _S2, связанные только с одной из обмоток,  магнитными потоками рассеяния, соответственно, первичной и вторичной обмоток. В трансформаторе с ферромагнитным сердечником (где, как правило, _S  ₀) основной магнитный поток замыкается по сердечнику, но нужно помнить, что первичное определение разделения магнитных потоков на основной и потоки рассеяния зависит от сцепления их с обмотками. Поэтому основной магнитный поток присутствует и в трансформаторе без ферромагнитного сердечника, и наоборот, в некоторых специальных трансформаторах (например, в составе феррорезонансных стабилизаторов) специально создается часть магнитопровода для замыкания по ней потоков рассеяния обмоток.

При гармоническом характере процессов в трансформаторе магнитные потоки и ток намагничивания отстают от входного напряжения на угол, близкий к 90°. Амплитуда магнитной индукции в сердечнике B₀ = ₀/Sс, характеризующая основной магнитный поток, связана с амплитудой входного напряжения U₁ следующим соотношением: