С изменяемым воздушным зазором

1. Изучение принципа работы дросселей переменного тока.

2. Изучение особенностей работы дросселей с регулируемым воздушным зазором.

3. Экспериментальное исследование вольт-амперной характеристики дросселя с воздушным зазором.

4. Анализ экспериментальной зависимости тока в нагрузке от величины воздушного зазора дросселя.

5. Определение по экспериментальным данным зависимости индуктивности дросселя от величины воздушного зазора.

Приборы и принадлежности:

Установка «дроссель переменного тока с изменяемым воздушным зазором», омметр, вольтметр, амперметр, нагрузочный резистор, коммутационные провода.

Пояснения к работе

Дроссели переменного тока используются в качестве балластных и токоограничивающих сопротивлений в цепях переменного тока. Они также используются для получения различных ВАХ указанных цепей. Дроссель переменного тока состоит из замкнутого магнитопровода и обмотки (рис.1. 1).

а) б)

Рис. 1.1. Дроссель переменного тока:

а) – магнитопровод с обмоткой; б) – схема включения

Работа дросселя переменного тока, включенного последовательно
с активным сопротивлением, заключается в следующем. При подаче переменного напряжения на вход схемы в цепи устанавливается ток I, определяемый суммарным сопротивлением дросселя и нагрузки. Протекая по обмотке дросселя, этот ток создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, отстающий от тока на угол a (угол потерь) и индуктирующий в обмотке ЭДС (Е).

Вектор потока Ф можно представить в виде суммы двух составляющих (рис. 1.2): потока Ф_р, совпадающего с током и индуктирующего в обмотке дросселя ЭДС Е_р, и потока Ф_а, перпендикулярного току и индуктирующего в той же обмотке ЭДС Е_а. Наличие активного сопротивления обмотки дросселя R_д вызывает в ней активное падение напряжения I× R_д. На основании закона равновесия ЭДС напряжение на зажимах дросселя U_др должно уравновешиваться геометрической суммой Е_р, Е_а, I× R_д:

. (1.1)

Для схемы рис. 1.1б:

, (1.2)

где: U_сет – сетевое (питающее) напряжение; I – ток, протекающий по цепи;
R_н – сопротивление нагрузки.

Из этого соотношения может быть построена векторная диаграмма, представленная на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Векторная диаграмма дросселя переменного тока

Основным параметром дросселя переменного тока является его индуктивность, величину которой можно приближенно определить на основании следующего. Как видно из векторной диаграммы (рис.1.2) ЭДС Е_р сдвинута по фазе относительно тока I на 90^о, т. е. она является реактивной составляющей ЭДС, индуктированной в обмотке дросселя. Величина ЭДС Е_р может быть определена из выражения

, (1.3)

где Х_др – индуктивное сопротивление дросселя; L – индуктивность дросселя;
w – угловая частота тока, протекающего через дроссель, .

Если пренебречь величиной Е_а по сравнению с Е_р (см. рис. 1.2), то

, (1.4)

откуда получаем

. (1.5)

Рис. 1.3. Кривые намагничивания дросселя:

1 – без зазора в сердечнике; 2, 3 – с меньшим

и большим воздушным зазором соответственно

Выражение (1.5) верно лишь при синусоидальном характере изменения ЭДС и тока. Отношение Ф _max / I _max , а следовательно, и индуктивность дросселя переменного тока остаются постоянными лишь при сравнительно малых токах, когда сохраняется линейная зависимость между магнитным потоком и током.
С увеличением тока величина отношения Ф _max / I _max уменьшается, как видно из экспериментальных данных рис. 1.3 (кривая 1). Это приводит к уменьшению индуктивности дросселя переменного тока.

По мере насыщения магнитопровода форма кривой тока дросселя искажается. Это видно из построений, представленных на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Форма намагничивающего тока дросселя переменного тока:

1 – ненасыщенный магнитопровод; 2 – насыщенный магнитопровод

На рис. 1.4 показана форма тока при синусоидальном напряжении питающей сети (левый верхний рисунок) и работе дросселя на насыщенном и ненасыщенном участках кривой намагничивания. В нижней правой части рисунка показана форма тока, прошедшего через дроссель. Степень искажения зависит также от соотношения между величиной индуктивного сопротивления дросселя и активного сопротивления нагрузки и понижается при уменьшении отношения Х_др / R_н. Уменьшение индуктивности дросселя при больших токах является нежелательным. Величину индуктивности при изменении тока в широких пределах можно сохранить практически неизменной путем введения в магнитную цепь дросселя немагнитного зазора. При этом возрастает общее магнитное сопротивление сердечника, а величина потока уменьшается. Это приводит к уменьшению индуктивности дросселя, однако зависимость между магнитным потоком и током становится более линейной. Это объясняется тем, что зазор, определяющий в основном магнитное сопротивление магнитопровода, не насыщается, и поэтому общее сопротивление магнитной цепи при зазоре достаточной величины остается практически неизменным. Сравнительные кривые намагничивания для магнитопроводов без зазора 1 и с зазорами различной величины 2, 3 приведены на рис. 1.3. Изменяя величину зазора, можно изменять величину сопротивления магнитной цепи дросселя, а следовательно, и его индуктивность. Это видно из сравнительных кривых 2 и 3 (см. рис. 1.3). Поэтому дроссель переменного тока с изменяющимся воздушным зазором может быть использован в качестве регулируемого индуктивного сопротивления.

Воздушный зазор вносит ряд особенностей в работу дросселя. Основной из них является так называемое «выпучивание», или уширение магнитного потока. Это явление связано с тем, что в дросселе переменного тока с разрезанным сердечником часть магнитного потока проходит вне пределов пространства, находящегося между двумя концами сердечника. В результате этого площадь поперечного сечения для магнитного потока в воздушном зазоре как бы увеличивается (рис. 1.5).

а) б)

Рис. 1.5. Уширение потока в воздушном зазоре магнитопровода дросселя:

а) – стержень дросселя; б) – поперечное сечение дросселя

(пунктиром обозначены размеры фиктивного сечения)

Наличие воздушного зазора нарушает также равномерное распределение магнитного потока по сечению ферромагнитного сердечника. В зазоре под его серединой магнитная индукция максимальна, а по направлению к краям сердечника она убывает. Заметное ослабление поля происходит за пределами сердечника. В результате этого потери в стали сердечника дросселя переменного тока, имеющего воздушный зазор, всегда больше, чем потери в дросселе переменного тока без зазора.

Параметры дросселей переменного тока можно разделить на номинальные, характеризующие дроссель как самостоятельное изделие, и расчетные, характеризующие его как элемент конкретной схемы.

В связи с тем, что дроссель переменного тока представляет собой в общем случае нелинейный элемент, его номинальные параметры следует определять при строго оговоренных условиях. В качестве этих условий принято считать синусоидальное напряжение на зажимах дросселя переменного тока с указанием величины напряжения и частоты.

Величину индуктивности дросселя переменного тока при заданных значениях напряжения и тока можно определить по (1.5).

Типовую мощность дросселя переменного тока, определяющую габаритные размеры его сердечника, можно находить по формуле

, (1.6)

где Q_др – реактивная мощность дросселя, Е_р – реактивная составляющая ЭДС, индуктированная в обмотке дросселя (определяется из (1.3)).

Задание к работе

1. Изучить принцип работы дросселей переменного тока.

2. Изучить особенности работы дросселей с регулируемым воздушным зазором.

3. Измерить активное сопротивление дросселя R_д.

4. Снять зависимость тока I и падение напряжения на дросселе U_д от величины воздушного зазора.

5. Вычислить и построить зависимость индуктивности дросселя L от величины воздушного зазора.

6. Построить векторную диаграмму схемы лабораторной установки при величине воздушного зазора в магнитопроводе дросселя, заданного преподавателем.

7. Рассчитать типовую мощность дросселя для заданного воздушного зазора.