Завдання для учбово-дослідницької роботи

1. Скласти й зібрати схему найпростішого ферорезонансного стабілізатора напруг.

2. Визначити критичну напругу для даного стабілізатора.

3. Розрахувати значення коефіцієнта стабілізації в режимі неробочого ходу і у навантажувальному режимі (як навантаження використати реостат).

4. Замість конденсатора включити в коло реостат, опір якого , потім замінити реостат котушкою без осердя, дотримуючи . З'ясувати, як впливає значення і характер опору навантаження на ефект стабілізації. Результати дослідів порівняти з результатами, отриманими в п.3.

Методичні вказівки

У колах з послідовним з'єднанням котушки з феромагнітним осердям і конденсатором (рис.42.2,а) плавна зміна напруги джерела живлення може викликати стрибки фази і амплітуди основної гармоніки струму.

Явище зміни знака кута зсуву фаз між основними гармоніками напруги і струму при зміні напруги або струму джерела живлення, яка обумовлена нелінійністю котушки з феромагнітним осердям, називається ферорезонансом напруг.

У лінійному колі таке явище принципово неможливе.

Як відомо, резонансу напруг у лінійному колі можна домогтися шляхом зміни ємності конденсатора, індуктивності котушки або частоти напруги живлення. На відміну від кіл з постійними параметрами резонанс у розглянутому колі може бути досягнуто шляхом зміни значення прикладеної напруги. Це пояснюється тим, що індуктивність котушки з феромагнітним осердям залежить від значення струму, і, отже, зміниться при зміні напруги всього кола.

Точний аналіз ферорезонанса з урахуванням несинусоїдної форми кривих зробити досить важко, тому звичайно дають такі допущення:

1) несинусоїдні напруги і струм заміняють еквівалентними синусоїдами, вибравши їх рівними першим гармонікам дійсних кривих, іншими словами, зневажають наявністю вищих гармонік;

2) конденсатор і котушку з феромагнітним осердям вважають такими, що не мають втрат.

При зазначених умовах напруга на котушці випереджає струм на кут 90°, напруга на конденсаторі відстає від струму на кут 90°, а прикладена напруга (рис. 42.2,б). Залежність напруги на котушці від струму задана кривою , залежність напруги на конденсаторі від струму являє собою похилу пряму через початок координат (рис. 42.3). Ємність Іс завжди можна підібрати так, щоб пряма перетинала криву . Різниця ординат кривої і прямої дає криву яка визначає значення прикладеної напруги при різних значеннях струму. Так як діюче значення напруги - позитивна величина, то і крива співпадає з кривою тільки при значеннях . При значеннях крива являє собою дзеркальне відображення кривої (рис. 42.3).

Особлива точка характеристики , що лежить на осі абсцис (струм ), є точкою резонансу, тому що в цій точці напруги й взаємно компенсуються. Кут зсуву фаз між першими гармоніками напруги і струму в цій точці близький до нуля. Ділянки графіка поблизу точки чисто теоретичні. Практично через втрати в сталі та в опорі обмоток, а також через наявність вищих гармонік у струмі й напрузі, крива має трохи інший вигляд (рис. 42.4).

Рис 42. 4

Якщо коло живиться від джерела напруги, то при збільшенні напруги джерела живлення від нуля до значення (робоча точка на рис. 42.4 переміщається від 0 через точку 1 до точки 2), струм по фазі відстає від напруги (кут індуктивний).

У точці 2 відбувається стрибок, при якому струм зростає до величини , тепер по фазі струм випереджає напругу (кут - ємнісний). Подальше зростання напруги викликає плавне збільшення струму. При зменшенні напруги до величини (робоча точка переміщається від точки 5 через точку 4 до точки 3) струм по фазі випереджає напругу. У точці 3 відбувається стрибкоподібне зменшення струму до значення , що супроводжується перекиданням фази, кут стає індуктивним.

Явище різкої зміни струму в колі при незначній зміні напруги на вході будемо називати тригерним ефектом у послідовному ферорезонансному колі.

При підключенні кола до напруги, значення якого перебуває в інтервалі між і , у колі встановиться один із двох можливих режимів. Перший режим відповідає положенню робочої точки на ділянці між точками 1 і 2, другий - на ділянці між точками 3 і 4. Те, на якому із двох ділянок виявиться робоча точка залежить від характеру перехідного процесу при включенні.

Характеристики при всіх значеннях струму можна отримати при живленні кола від джерела струму.

На рис. 42.5 показані залежності струму і напруг на елементах кола від вхідної напруги. Порівнюючи криві й , можна помітити, що при деякому значенні вхідної напруги, яке більше так званої критичної напруги , нахил кривої набагато менший, ніж нахил кривої .

Малий нахил характеристики в області більших насичень сталі дозволяють здійснити ферорезонансні стабілізатори напруги. Схема найпростішого стабілізатора показана на рис. 42.6.

Визначивши для ряду значень вхідної напруги відповідні значення вхідної напруги , можна встановити значення при перевищенні яких починають проявлятися стабілізуючі властивості кола. Коефіцієнт стабілізації при цьому визначається формулою

,

де , - зміна напруги відповідно на вході кола і при навантаженні.

Рис.42.5 Рис.42.6

Сутність явища стабілізації в такому колі полягає в наступному. Зі збільшенням напруги живлення струм у колі різко зростає; збільшення струму призводить до зменшення індуктивності котушки з феромагнітним осердям, у той час як ємність конденсатора залишається без зміни. Таким чином, відносна зміна напруги на котушці виявляється значно меншою, ніж на вході кола.

Замість конденсатора можуть бути використані реостат або лінійна котушка, однак стабілізація при цьому погіршиться, тому що струм у колі буде менше і, отже, насичення сталі осердя не настільки великим, як у випадку застосування конденсатора. Очевидно, що стабілізація буде тим краще, чим більше насичення, тобто чим більше пологою буде кінцева частина характеристики котушки.

При включенні навантаження утворюється гілка, паралельна котушці з феромагнітним осердям, у результаті чого струм в останній зменшується, і, отже, погіршуються стабілізуючі властивості кола.

До недоліків феромагнітних стабілізаторів напруги також варто віднести несинусоїдність форми вихідної напруги й залежність стабілізуючих властивостей від частоти.

[1, с.97-101, 103-105; 2, с.658-660, 662-664]