12820

Исследование работы феррорезонансного стабилизатора напряжения

Лабораторная работа

Энергетика

Изучение и экспериментальное исследование основ феррорезо-нансной стабилизации напряжения на базе промышленного образца феррорезонансного стабилизатора, снятие его основных рабочих характеристик.

Русский

2013-05-03

295 KB

29 чел.

Лабораторная работа №12

«Исследование работы феррорезонансного

стабилизатора напряжения»

  1.  Цель работы

Изучение и экспериментальное исследование основ феррорезонансной стабилизации напряжения на базе промышленного образца феррорезонансного стабилизатора, снятие его основных рабочих характеристик.

2. Подготовка к работе

2.1. Изучить теоретический материал по рекомендованной литературе и приложению к данной лабораторной работе.

2.2. Ознакомиться с методическими указаниями к данной лабораторной работе.

2.3. По материалам Приложения 8 к данной работе ознакомиться с лабораторным макетом для снятия основных рабочих характеристик феррорезонансного стабилизатора.

2.4. Подготовить бланк отчета, где привести информацию, необходимую для выполнения лабораторной работы.

2.5. Ответить на контрольные вопросы.

  1.  Контрольные вопросы
    1.  В чем заключается стабилизирующее действие цепей, содержащих дроссель со стальным насыщенным сердечником?
    2.  Объясните явление феррорезонанса. Как оно полезно используется в технике электропитания?
    3.  Какие недостатки присущи простейшим параметрическим стабилизаторам напряжения с реактивными элементами?
    4.  Каковы достоинства и недостатки схем стабилизации напряжения с использованием резонансных явлений?
    5.  Какова роль компенсационной обмотки в стабилизаторе?
    6.  Назовите факторы, влияющие на стабилизирующие свойства феррорезонансного стабилизатора. Каков их механизм  влияния?
    7.  Наблюдается ли искажение формы кривой выходного напряжения стабилизатора при его работе и если да, то почему?
    8.  От каких факторов зависит гармонический состав выходного напряжения стабилизатора?
    9.  Какие существуют способы улучшения рабочих характеристик стабилизатора?
    10.  Почему феррорезонансный стабилизатор напряжения обладает относительно высоким КПД и относительно низким коэффициентом мощности (cos )?
  2.  Содержание работы
    1.  Изучить по рекомендуемой литературе процессы функционирования и область применения феррорезонансного стабилизатора напряжения.
    2.  Произвести испытание феррорезонансного стабилизатора при изменении напряжения питающей сети и тока нагрузки.

4.2.1 Исследовать характеристики стабилизации стабилизатора:

  •   при  RН=const, т.е. зависимости выходного напряжения от изменения входного напряжения сети при постоянном сопротивлении нагрузки;
  •  , т.е. зависимость нестабильности выходного напряжения от нестабильности входного напряжения;
  •  , т.е. зависимость коэффициента полезного действия от изменения входного напряжения;
  •  , т.е. зависимость коэффициента мощности от изменения входного напряжения.

       Определить коэффициент стабилизации Kст.

4.2.2 Исследовать внешнюю (нагрузочную) характеристику стабилизатора:

  •   при , т.е. зависимость выходного напряжения от величины тока нагрузки;
  •  N2i, т.е. нестабильность выходного напряжения (ее среднее значение) от изменения тока нагрузки;
  •  , т.е. зависимость коэффициента полезного действия от величины тока нагрузки;
  •  , т.е. зависимость коэффициента мощности от величины тока нагрузки.
    1.  Произвести осциллографические измерения входного и выходного напряжений стабилизатора. Зарисовать осциллограммы выходного напряжения стабилизатора при различных  значениях уровня входного напряжения и постоянном сопротивлении нагрузки.
    2.  Привести результаты обработки данных и графики зависимостей основных рабочих характеристик стабилизатора.
    3.  Сделать выводы по результатам испытаний.
  1.  Содержание отчета

Отчет о проделанной работе должен содержать:

  1.  Принципиальную схему макета лабораторной работы.
    1.  Таблицы с результатами измерений и расчетов для построения необходимых характеристик стабилизатора.
    2.  Графики характеристик стабилизации стабилизатора:
  •   при  RН=const;
  •  ,,;
    1.  График внешней (нагрузочной) характеристики стабилизатора
  •   при ;
  •  среднее значение N2i, , .
    1.  Осциллограммы входного и выходного напряжений стабилизатора.
    2.  Выводы по результатам работы.

  1.  Методические указания по выполнению

лабораторной работы

  1.  Указания к пункту 4.1. Изучить по рекомендованной литературе и Приложению 8 процессы функционирования феррорезонансного стабилизатора. С использованием п.7 методических указаний к лабораторной работе ознакомиться со схемой стенда лабораторного макета, с расположением измерительных приборов и измерительных гнезд для испытания стабилизатора.

Ознакомиться с методикой расчетной части лабораторной работы, изложенной в п.6.4. Получить у преподавателя контрольные вопросы по изучаемому материалу и подготовить ответы на них.

  1.  Измерение электрических параметров и характеристик исследуемого стабилизатора.

6.2.1 Указания к пункту 4.2.1.

Экспериментальное определение характеристик стабилизации стабилизатора при изменении первичного напряжения питающей сети

при  RН=const,

производится по упрощенной принципиальной электрической схеме стабилизатора, изображенного на рис. 12.1 с учетом схемы стенда лабораторного макета, изображенного на рис. 12.3.

Изучите краткое описание стенда лабораторного макета, изображенного на рис. 12.3 (п.7 методических указаний).

Снятие характеристик стабилизации начинается с включения стабилизатора с помощью тумблера SA1 в первичную сеть и далее установки с помощью регулятора напряжения ATV (ЛАТРа) по вольтметру PU1 номинального напряжения сети . При этом выходное напряжение будет также близко к (но не обязательно равно точно этому значению, так как оно зависит от внутренней регулировки стабилизатора УСН-350, производимой заводом изготовителем).

  

Напряжение U2  при U1ном =220В  принимается за U2ном.

Ток нагрузки при снятии характеристики стабилизации устанавливается с помощью регулятора нагрузки номинальным за счет поворота его рукоятки  по часовой стрелке до упора. С помощью регулятора напряжения ATV изменять напряжение сети U1 сначала в сторону увеличения до 240250 В, а затем в сторону уменьшения до 160 В от номинального значения через интервал 10 В.

Таблица 12.1

№ п/п изм

Экспериментальная часть

Расчетная часть

U1

В

U2

В

I1

А

I2

А

Р1

Вт

U1

В

U2

В

N1

%

N2

%

Р2

Вт

%

cos1

1

250

2

240

220

210

8

160

Показания всех приборов лабораторного макета порядка 8 точек заносят в экспериментальную часть таблицы 12.1.

6.2.2 Указания к пункту 4.2.2.

Экспериментальное определение внешней (нагрузочной) характеристики при .

Исходное состояние лабораторного макета для проведения данного опыта следующее: , Iн=Iнmin, U2=U2max (режим близкий к холостому ходу) устанавливается поворотом рукоятки регулятора нагрузки против часовой стрелке до упора. Затем с помощью регулятора нагрузки плавно изменять ток в сторону увеличения, вращая рукоятку регулятора по часовой стрелки до упора.

Показания всех приборов лабораторного макета заносятся в таблицу 12.2.

Таблица 12.2.

№ п/п изм

Экспериментальная часть

Расчетная часть

I2

А 

U2

В

I1

А

U1

В

Р1

Вт

Р2

Вт

%

cos1

1

2

  1.  Указания к пункту 4.3.

Для наблюдения формы кривой входного и выходного напряжений необходимо электронный осциллограф подключать к гнездам XS1-XS2 или XS3-XS4 соответственно.

Электронный осциллограф целесообразно подключить постоянно с точки зрения техники безопасности к указанным гнездам внутри лабораторного макета рис. 12.3, а переключение на измерение входного и выходного напряжений осуществлять поворотом переключателя К1 с крайне левого положения (положение “1”) в крайне правое положение (положение “2”).

Для исключения нагрузок входных цепей осциллографа при изменении напряжения сети, оно понижается с помощью резистивного делителя, не показанного  на рис. 12.1.

Наблюдения формы напряжений проводятся для трех его значений на входе стабилизатора: 100 В, 150 В, 240 В.

Во время наблюдений зарисовать кривые входного и выходного напряжений стабилизатора, в реальном масштабе по клеткам осциллографа, используя величину масштабного множителя «Вольт/деление» одноименного переключателя осциллографа.

При осциллографировании для минимального уровня U1= 100 В с помощью регулятора нагрузки RН выставляется значение тока I2=1 А. При других уровнях выходного напряжения величина RН не изменяется.

6.4. Расчетная часть работы.

6.4.1. Указания к пункту 4.2.1.

При выполнении расчетной части таблицы 12.1 необходимо иметь ввиду, что определение указанных в них величины производится по следующим выражениям:

  •  U1= U1- U1номабсолютное значение приращений входного напряжения сети;
  •  U2= U2- U2ном - абсолютное значение приращений выходного напряжения на нагрузке;
  •  Знак “+” соответствует повышению напряжения, а знак “-” – его понижению относительно номинального.
  •  N1=U1/ U1ном, N2=U2/ U2номнестабильности входного и выходного напряжений (относительные значения этих приращений).

При повышении и понижении входного напряжения от U1ном значения N1 и N2 будут иметь различные значения, что соответствует двум графикам N2=f(N1) (рис. 12.2).

, - значения активных мощностей, потребляемые стабилизатором от первичной сети, и мощности отдаваемой в нагрузку;

- коэффициент полезного действия (КПД) стабилизатора;

- коэффициент мощности стабилизатора.

Коэффициент стабилизации  показывает во сколько раз при постоянной нагрузке нестабильность, т.е. относительное изменение напряжения на выходе стабилизатора (N2) меньше, чем вызывающая его нестабильность, т.е. относительное изменение напряжения на входе (N1).

На практике обычно определяется “усредненный” или интегральный коэффициент стабилизации в требуемом диапазоне стабилизации.

где ,  - максимальное и минимальное значения входного напряжения сети, в диапазоне которого определяется коэффициент стабилизации;

, - напряжения на нагрузке, соответствующие напряжениям , .

При расчете следует иметь ввиду, что хотя сетевые источники электропитания имеют колебания входного напряжения U1 в пределах +10%…-15% от номинального значения, для упрощения расчетов при проведении лабораторной работы следует принять эти колебания в пределах  10%, т.е. , а , где значения В.

6.4.2. Указания к пункту 4.2.2.

При выполнении расчетной части таблицы 12.2 следует иметь в виду, что нестабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки N2i определяется как

N2i=ΔU2/U2=(U2max-U2ном)/U2ном ,

а   Р2, ŋ, cosφ1 - аналогично п. 6.4.1.

7. Особенности лабораторной установки

Феррорезонансный стабилизатор типа УСН-350 (универсальный стабилизатор напряжения на выходную мощность 350 ВА) предназначен для питания бытовой радиоаппаратуры. Внешний вид передней панели и горизонтальной части лабораторного макета для снятия рабочих характеристик исследуемого стабилизатора изображен на рис. 12.3.

Обозначение измерительных приборов: V1; А1; V2; А2; W1 соответствуют принципиальной схеме рис. 12.1, а их назначение указано ниже:

  •  SA1 – тумблер включения первичного напряжения питающей сети;
  •  FU1 – плавкий предохранитель;
  •  ATV – лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) с плавной регулировкой входного напряжения сети в пределах  160250 В. Регулятор напряжения   ЛАТРа  выведен на левой боковой панели лабораторного макета;
  •  РА1 – амперметр переменного тока, измеряющий первичный ток, потребляемый стабилизатором от сети;
  •  PV1 – вольтметр переменного тока, измеряющий первичное напряжение, питающее стабилизатор от сети;
  •  PW1 – однофазный ваттметр, измеряющий активную мощность, потребляемую стабилизатором от первичной сети:

Вт

  •  где - коэффициент мощности, равный косинусу угла сдвига фаз между первичным напряжением и током, потребляемыми стабилизатором от сети.
  •  УСН – 350 – исследуемый феррорезонансный стабилизатор на выходную мощность 350 ВА. Его электрическая схема на рис. 12.1 обведена пунктиром;
  •  РА2 – амперметр переменного тока, измеряющий выходной ток, т.е. ток нагрузки;
  •  PU2 – вольтметр переменного тока, измеряющий выходное напряжение стабилизатора на нагрузке;
  •  RН – регулируемое сопротивление нагрузки, позволяющее плавно изменять ток нагрузки, расположенное на правой боковой панели лабораторного макета.
  •  К1 – переключатель, служащий для измерения осциллограмм входного и выходного напряжений стабилизатора.

К клеммам “гнезда осциллографа” может быть подключен усилитель вертикального усиления электронного осциллографа.

Возможен также вариант подключения к гнездам ХS1-XS2 и XS3-XS4 переключателя К1 внутри лабораторного макета. Тогда клеммы “гнезда осциллографа” не используются.

8. Приложение

Основы феррорезонансной стабилизации

напряжения

Феррорезонансный стабилизатор напряжения относится к классу параметрических, в которых эффект стабилизации основан на нелинейной вольт-амперной характеристике (ВАХ) нелинейных элементов (НЭ) (кремниевого стабилитрона – на постоянном токе, дросселя с насыщенным ферромагнитном сердечнике – на переменном токе и т.д.).

ВАХ дросселя с насыщенным сердечником, которая в другом масштабе является магнитной характеристикой материала сердечника , изображена на рис. 12.4 а, на котором в области насыщения (на пологом участке кривой) относительно большим приращениям тока в дросселе соответствуют незначительные изменения напряжения U.

Простейший параметрический стабилизатор рис. 12.4б состоит из дросселя с ненасыщенным сердечником Lл (обычно его магнитопровод имеет  небольшой воздушный зазор) и дросселя с насыщенным сердечником Lн (без всякого зазора). Параллельно насыщенному дросселю включается сопротивление нагрузки.

При изменении входного напряжения U1  его избыток падает на линейном сопротивлении дросселя Lл , а на насыщенном дросселе Lн (а значит и параллельно включенной нагрузке Rн) напряжение U2=const в некотором диапазоне изменения тока I. Включение емкости параллельно насыщенному дросселю позволяет сместить рабочий участок НЭ в область малых токов.

Такой стабилизатор называется феррорезонансным (рис.12.5,а).

На рис. 12.5, б представлены ВАХ насыщенного дросселя , конденсатора Uc=f(I) и характеристики параллельного контура, полученная сложением двух этих характеристик.

Результирующий ток Iр резонансного контура на рис.12.5,а равен геометрической сумме токов индуктивности и емкости, т.е. .

Если потерь в дросселе и конденсаторе нет, то токи и  находятся в противофазе и результирующий ток равен арифметической разности этих токов, т.е. . Поэтому на рис.12.5 а ток  отложен вправо  (положительный), а ток  - влево (отрицательный).

При малых напряжениях индуктивность дросселя велика, ток в дросселе мал и результирующий ток имеет емкостной характер.

В точке А, соответствующей  резонансу токов, результирующий ток равен нулю и при дальнейшем повышении напряжения имеет  индуктивный характер. Сравнение рабочих (пологих участков) кривых ULH и ULC показывает, что при одинаковых изменениях тока напряжение на резонансном контуре (кривая ULC ) меняется меньше, чем в схеме с одним дросселем (кривая ULH), т.е. резонансный контур улучшает  стабилизирующую способность устройства.

Феррорезонансный стабилизатор очень чувствителен к изменению частоты тока питающей сети. Изменение частоты на 12% вызывает изменение выходного напряжения на 24%.

При увеличении частоты тока индуктивное сопротивление увеличивается, а емкостное - уменьшается. Поэтому кривая ULH  пройдет выше, а UC  ниже и кривая выходного напряжения ULC  сместится вверх, т.е. напряжение на выходе стабилизатора повысится. Уменьшение частоты тока вызывает понижение напряжения на выходе.

Практическая схема феррорезонансного стабилизатора изображена на рис. 12.1. Дроссель с насыщенным сердечником L2 представляет  собой повышающий автотрансформатор (5-6…4-6), первичное напряжение U1 которого подается от сети  через ненасыщенный дроссель L1 (1-2). Снятое с обмотки 4-6 напряжение U4, 6>U5, 6, и  оно подается через  компенсационную обмотку   L3 (7-8) на выход, т.е. на RН. Таким образом, компенсируются падения напряжения на элементах L1 и L2, благодаря чему выходное напряжение стабилизатора равно входному номинальному, т.е. 220 В.

Резонансная обмотка 3-6 имеет еще большее число витков для увеличения индуктивности, что дает возможность уменьшить емкость конденсатора С1, так как необходимая резонансная частота определяется определенной величиной L2.

Так как напряжение, снимаемое с автотрансформатора, не остается строго постоянным, то для повышения стабильности на дроссель L1 наносится дополнительная компенсационная обмотка, включаемая так, чтобы эдс Uк была направлена встречно напряжению U4,6 и  выходное напряжение получалось равным геометрической разности U4,6 и Uк=U7,8, т.е. U2= U4,6- Uк.

Отметим, что эдс компенсационной обмотки, так же как и напряжение на  индуктивности L1 пропорциональна току I.

Эффект влияния компенсационной обмотки виден на из рис. 12.6.

Достоинством феррорезонансных стабилизаторов напряжения являются простота устройства, высокая надежность, относительно высокий КПД (до 0,85), стойкость к перегрузкам и механическим воздействиям и относительно низкая стоимость.

К недостаткам феррорезонансных стабилизаторов напряжения стоит отнести зависимость выходного напряжения от частоты источника питания, несинусоидальность формы кривой выходного напряжения и относительно большую массу.


Рис. 12.1. Электрическая схема феррорезонансного стабилиз
атора

Rн

XS4

XS3

 УСН- 350

L1                            L3

1       2                       7       8

              C1

4       L2

5

220 В

XS1

XS2

PW1

FU1  ATV

SA1

6

А

А

РА1

РU1

Исследуемый стабилизатор

РU2

PA2

         +N2

2%

1%

   0

-1%

-2%

          -N2

   5%    10%    15%    20%    25%     N1   

Рис. 12.2. Графики нестабильностей напряжения

W1

0

0

0

0

250

V1

V2

A1

A2

SА1

K1

Гнезда осциллографа

ATV

Rн

Рис. 12.3. Внешний вид макета

U

I

U

I

R

H

L

H

U

2

а)

б)

Рис.12.4. ВАХ дросселя с насыщенным сердечником 

~U

1

L

Л

Iр

Рис. 12.5. Феррорезонансный стабилизатор

R

H

L

H

U

2

а)

~U

1

L

Л

I

L

I

C

C

б)

I

I

0

U

U = f(I)

C

U   = f(I)

LC

U  = f(I)

LH

A

B

U2

I

I

0

U

U

C

U

L

U

K

U

4,6

Рис. 12.6. ВАХ стабилизатора

с учетом компенсационной обмотки

U

K


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

17875. КОРПОРАТИВНАЯ КУЛЬТУРА В МЕЖДУНАРОДНОМ БИЗНЕСЕ 261.5 KB
  Стиль выдерживания международной фирмой этических норм и правил определяет ее репутацию в международной среде, что в свою очередь предоставляет результативность и долговременное решение вопросов приспособления фирмой к внешним условиям международного рынка.
17876. Розробка та вдосконалення агротехнічних прийомів підвищення рівня урожайності та якості плодів гарбуза столового 374.5 KB
  Аналіз виробництва баштанних культур у Херсонській області свідчить, що за останні роки в цій галузі спостерігаються позитивні зрушення. Виробництво продовольчих баштанних повертає свої втрачені позиції і стає прибутковим, хоча досягнуто це було переважно екстенсивними методами (збільшенням посівних площ).
17877. Понятие общего равновесия 224 KB
  Понятие общего равновесия Caeteris paribus или при прочих равных При исследовании частичного равновесия мы рассматривали равновесие отдельного субъекта или рынка делая предположение caeteris paribus или в переводе с латинского языка при прочих равных. Например мы пытал...
17878. Общее равновесие конкурентных рынков 297.5 KB
  Лекция 16 Тема: Общее равновесие конкурентных рынков Учебная цель лекции: изложить основные положения теории предельной полезности дать понятия потребностей экономических благ равновесия потребителя оказать содействие развитию у студентов экономического ...
17879. Провалы государства 565 KB
  Теория провалов государства создана применительно к современным демократическим странам с развитой рыночной экономикой, тем не менее многое в ней (например, теория бюрократии) позволяет глубже понять природу и целевые функции огосударствленной экономики
17880. Фирма и рынок 229 KB
  Лекция 24. Фирма и рынок РАЗДЕЛ 1. Зачем экономике нужна фирма Фирма одно из главных действующих лиц экономической жизни. Мир фирм удивительно многолик. Есть среди них крупные и мелкие; многопрофильные и узкоспециализированные; замыкающиеся на какойлибо одной стад...
17881. ПРАКТИКА ПРОИЗВОДСТВА 265.5 KB
  НАЗВАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ: ПРАКТИКА ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Определить главный технологический параметр микроэкономической модели предприятия производственную функцию изучить ее виды и свойства рассчитать отдачу производительность различных фак...
17882. КАРДИНАЛИСТСКАЯ ПРАКТИКА ПОВЕДЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЯ 757.5 KB
  НАЗВАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ: КАРДИНАЛИСТСКАЯ ПРАКТИКА ПОВЕДЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЯ ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Рассмотреть потребительское поведение с позиций предельной полезности и количественных показателей полезности максимально приближенных к аб...
17883. ПОВЕДЕНИЕ СОВЕРШЕННО КОНКУРЕНТНОЙ ФИРМЫ НА ТОВАРНОМ РЫНКЕ 135.85 KB
  НАЗВАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ: ПОВЕДЕНИЕ СОВЕРШЕННО КОНКУРЕНТНОЙ ФИРМЫ НА ТОВАРНОМ РЫНКЕ ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Выявить основные характеристики совершенно конкурентного товарного рынка СКрынка объяснить неспособность невозможность воздействия СКфирм на рыночну...