AKADEMIA MORSKA W GDYNI KATEDRA ELEKTROENERGETYKI OKRĘTOWEJ
Temat: Parametry układu zastępczego cewki bez rdzenia i z rdzeniem ferromagnetycznym. Prowadzący: mgr.inż. A.Piłat
Data wyk. ćwiczenia: 28.10.2013r. Data oddania sprawozdania:12.11.2013r.

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest:

Zapoznanie się z metodami pomiarowymi, wyznaczającymi parametry układu zastępczego cewki bez rdzenia i z rdzeniem żelaznym dla częstotliwości sieciowej.

1. Wykaz użytych przyrządów

W skład aparatury potrzebnej do wykonania ćwiczenia wchodzą:

1. Zasilacz

2. Amperomierz magnetoelektryczne,

3. Woltomierz

4. Oporniki dekadowe

1. Przebieg wykonanego ćwiczenia

3.1 Charakterystyka napięciowo-prądowa U=f(I) cewki bez rdzenia

a) zestawić układ pomiarowy jak na rysunku:

Rys.1 Układ do badania cewki powietrznej

b) zdjąć charakterystykę, zmieniając napięcie zasilania od zera do takiej wartości U, przy której prąd nie przekroczy 1,1In prądu dopuszczalnego dla uzwojeń cewki.Wyniki zestawić w tab.1.

c) zmierzyć rezystancję drutu cewki w układzie prądu stałego metodą techniczną lub za pomocą mostka Wheatstone'a.

3.2 Parametry schematu zastępczego dławika

a) zestawić schemat pomiarowy jak na rys.1 z cewką z rdzeniem,

b)wykonać pomiary jak w punkcie 3.1

Można uwzględnić, że moc czynna pobierana przez dławik wynosi:

gdzie:

P_D- moc pobierana przez dławik,

P_W-moc wskazywana przez watomierz,

U- wskazanie woltomierza,

R_W- rezystancja cewki napięciowej watomierza,

R_V- rezystancja woltomierza.

Przy czym:

R_W=150Ω/V

R_V=1000Ω/V

1. Wyniki pomiarów:

Wartości pomierzone dla cewki bez rdzenia żelaznego	U[V]	26.6	23	19.5	15.3	12	10.5	8.3	4.8	0
	I[A]	1.5	1.3	1.1	0.86	0.7	0.6	0.5	0.3	0
	P[W]	31	22	16	10	6	4	3	1	0
Wartości obliczone	P[W]	27	20.28	14.52	8.875	5.88	4.32	3	1.08	0
	L[H]	0.042	0.041	0.042	0.042	0.039	0.041	0.037	0.034	0

Tab.1. Wyniki pomiarów dla cewki bez rdzenia(Nawinięty miedziany drut na karkaz)

Uwaga:

Przedstawione poniżej obliczenia dotyczą układu z cewką bez rdzenia ferromagnetycznego.

*** Poniżej przedstawiono wykresy charakterystyk dla cewki bez rdzenia kolejno:

R=f(I),

L=f(I),

U=f(I).

Założono, że f=50Hz(tyle ile wynosi częstotliwość sieciowa Polskiej Sieci Energetycznej)

Rysunek R=f(I)

Rysunek L=f(I)

Rysunek U=f(I)

Tab.2 Wyniki pomiarów dla cewki z rdzeniem( Karkaz cewki został umieszczony na magnetowodzie wykonanym z materiału ferromagnetycznego tworząc dławik)

Wartości pomierzone dla cewki z rdzeniem żelaznym	U[V]	220	200	180	160	140	120	100	80	0
	I[A]	0.49	0.42	0.35	0.285	0.23	0.19	0.14	0.1	0
	P[W]	46	34	24	18	13	9	5	3	0
Wartości obliczone	Pd[W]	44.225	32.533	22.812	17.061	11.563	7.944	4.267	2.488	0
	PRfe[W]	1108.921	1249.63	1448.114	1524.079	1723.559	1845.076	239.843	2622.23	0
	L[H]	1.484	1.562	1.675	1.845	1.995	2.064	2.308	2.6	0

Uwaga:

Przedstawione poniżej obliczenia dotyczą cewki z rdzeniem ferromagnetycznym.

***Przedstawione poniżej wykresy charakterystyk dotyczą cewki z rdzeniem ferromagnetycznym, czyli:

cosɸ=f(I)

R_FE=f(I)

U=f(I)

L=f(I)

Rysunek cosɸ=f(I)

Rysunek Rfe=f(I)

Rysunek U=f(I)

Rysunek L=f(I)

5.Wnioski:

Z przeprowadzonych pomiarów możemy stwierdzić, że indukcyjność własna cewki silnie zależy od materiału z jakiego wykonany jest rdzeń cewki i jej wartość jest wprost proporcjonalna do iloczynu przenikalności magnetycznej[μ] rdzenia, liczby zwojów cewki [z], jej poprzecznego przekroju [S] oraz odwrotności długości[ l] rdzenia cewki. W przypadku rdzenia wykonanego z materiału paramagnetycznego (w naszym przypadku powietrza), którego przenikalność magnetyczna jest wielkością stałą, indukcyjność cewki jest stała i taka cewka stanowi element liniowy co zostało zilustrowane za pomocą charakterystyki U=f(I) -rysunek.3. W przypadku rdzenia ferromagnetycznego, ze względu na nieliniową zależność indukcji magnetycznej 'B' od natężenia pola magnetycznego 'H' przenikalność magnetyczna jest wielkością zmienną, zależną od natężenia pola magnetycznego 'H', które jest funkcją natężenia prądu 'I'. W związku z tym indukcyjność własna cewki jest także zmienna i zależna od natężenia pola magnetycznego 'H', a tym samym od natężenia prądu I(Charakterystyka L w funkcji prądu dla cewki z rdzeniem-rysunek.2. Cewka o takich własnościach jest cewką nieliniową(charakterystyka U=f(I)-rysunek.6).

Z rodzajem użytego rdzenia wiążą się także straty mocy jakie będą tracone na cewce tudzież dławiku. W przypadku cewki bez rdzenia straty mocy będą ściśle związane z rezystancją drutu [Rcu]oraz kwadratu prądu [I] przepływającego przez niego. W przypadku dławika gdzie rdzeniem jest ferromagnetyk, straty mocy nie są związane tylko z rezystancją uzwojenia [Rcu], ale także ze zjawiskami zachodzącymi w rdzeniu. Straty w rdzeniu ferromagnetycznym możemy podzielić na straty histerezowe oraz straty na prądy wirowe. Straty mocy na histerezę związane są z prądem magnesującym, ich miarą w czasie trwania okresu jest pole powierzchni ograniczonej pętlą histerezy. Prądy wirowe i związane z nimi starty mocy wywołane są przez zmienny strumień magnetyczny indukujący się w rdzeniu. W celu ograniczenia prądów wirowych wykonuje się rdzenie nie z jednolitego materiału, lecz z cienkich blach izolowanych od siebie. Zwiększa się w ten sposób rezystancję na drodze prądów wirowych, co wpływa na ich znaczne ograniczenie. Często stratność materiału określa się stosunek strat mocy do masy próbki lub niekiedy do objętości próbki. Jednostką stratności jest W/kg lub W/m3.

Warto zwrócić uwagę na fakt, że po zdjęciu cewki z ferromagnetyka, prąd w cewce gwałtownie rośnie, związane jest to ze zmniejszeniem indukcyjności własnej cewki(zmiana przenikalności magnetycznej), a co za tym idzie zmniejszenie reaktancji cewki co powoduje wzrost prądu w obwodzie cewki. Jest to cenna uwaga w przypadku zaworów, które są przesterowane za pomocą cewek pracujących przy napięciu przemiennym. Zdejmowanie zasilonej cewki z rdzenia zaworu może spowodować jej uszkodzenie.

Różnice w przypadku wartości obliczonych dla cewki bez rdzenia mogą wynikać z błędów pomiarowych(błąd paralaksy oraz niezerowa rezystancja styków używanej aparatury kontrolno-pomiarowej i okablowania.

6. Uwagi dodatkowe:

*Rysunek.1 wykonany zostały w programie SEE ELECTRICAL V0.5

*Całość naszych obliczeń została wsparta programem MathCad 13.0, również za jego pomocą zostały wykreślone charakterystyki.

* Literatura pomocnicza:

• "Teoria obwodów elektrycznych"- Stanisław Bolkowski

• "Elektrotechnika teoretyczna. Obwody prądu stałego."- Tadeusz St. Piotrowski

• Prezentacja multimedialna pt."Inżynieria Materiałowa "-dr hab. inż. Tomasz Tarasiuk