Методические указания по ЭТМ нов для 2020-2021 у г. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу Электротехнические материалы для студентов направления
 Скачать 1.28 Mb.
|
Принципиальная схема лабораторной установки для испытания твердых диэлектриков показана на рис. 10. Рис.10.Принципиальная схема установки для испытания диэлектриков П1, ПК - рубильники для создания двух видимых разрывов в цепи питания при отключении установки; ЛС1; ЛС2 - лампы сигнальные; одна лампа установлена на пульте управления, а вторая - над дверью ограждения; Т1 - лабораторный автотрансформатор, предназначенный для плавного регулирования подводимого к испытательному трансформатору напряжения; А - автоматический выключатель, отключающий испытательную установку в момент пробоя образца; БК - блокировочный контакт, установлен на двери ограждения и предназначен для разрыва цепи питания трансформатора в случае ошибочного открывания двери ограждения при включенной установке; Т2 - испытательный трансформатор; Кз - защитный водяной резистор, предназначенный для ограничения тока в схеме при пробое испытуемого образца; К - кнопка включения трансформатора Т2 Лабораторное задание 1. На переменном токе снять зависимость пробивного напряжения U ПР для пропитанного и непропитанного электротехнического картона от толщины пакета. Результаты испытаний занести в таблицу: Наименование исследуемых величин Толщина картона непропитанного пропитанного мм мм мм мм мм мм U 1 , кВ U 2 , кВ U 3 , кВ U ср, кВ E, кВ/м 2. Для пакета из трех листов снять зависимость пробивного напряжения от времени его приложения и вычислить электрическую прочность при "бесконечной выдержке". 3. Сделать письменные выводы по проделанной работе. Порядок выполнения работы Перед началом работы следует ознакомиться с устройством установки. Работа ведется при напряжениях, безусловно, опасных для жизни, и в этой связи требует строгого выполнения правил по технике безопасности. Перед тем, как войти в помещение высокого напряжения, необходимо обязательно выключить рубильник Ш на стенном щите. Находясь в помещении высокого напряжения, запрещается закрывать дверь -необходимо, чтобы дверной блок-контакт БК был разомкнут. Категорически запрещается закрывать дверь ограждения, если внутри него есть люди. Поместив пакет бумаги на электрод и установив верхний электрод на выбранном для пробоя участке, операцию по определению пробивных напряжений нужно проводить в следующем порядке: 1. Закрыть дверь ограждения и включить рубильник Ш. При этом на пульте зажигается трафарет "Установка включена". 2. Установив переключатель вольтметра на пределе "250 В", рубильником П2 подать напряжение на обмотку регулировочного трансформатора Т1. При этом над дверью ограждения зажигается трафарет "Высокое напряжение подано". Вращая маховичок автотрансформатора Т1 , снизить до "О" напряжение на обмотке испытательного трансформатора и перевести переключатель пределов вольтметра в положение "50 В". 3. Включить автомат А и при нажатой кнопке К плавно со скоростью 2 кВ/с поднимать напряжение на электродах до пробоя. Испытательный трансформатор Т2 при пробое отключается автоматически с помощью автомата А. После пробоя кнопку К следует отпустить. В случае необходимости переключатель пределов вольтметра в процессе подъема напряжения переводится на более высокий предел измерения. За пробивное напряжение принимают наибольшее показание вольтметра перед началом пробоя. 4. После пробоя с помощью автотрансформатора снизить до "О" напряжение на обмотке испытательного трансформатора Т. Рубильником П2 отключить его от сети и выключить щитовой рубильник П1. Только после этого можно входить в помещение высокого напряжения. Пробивное напряжение пакета бумаги вычисляется усредненным для 5 пробоев. 5. Зависимость пробивного напряжения от времени его приложения определяется с помощью электрического секундомера, который автоматически включается с подачей напряжения на образец и отключается при пробое. Найденное указанным выше способом пробивное напряжение \] пр пакета бумаги из трех листов принимается за мгновенное. Затем определяется время, которое выдерживает образец до пробоя при напряжении 95%, 90%, 85%, 80% от 11 пр . Для этого по вольтметру V при разомкнутой кнопке К выставляется напряжение требуемой величины. Замыканием кнопки К это напряжение подается на образец, одновременно включается секундомер. В ходе выдержки напряжение следует поддерживать постоянным с помощью автотрансформатора Т1. Содержание отчета Отчет должен содержать: 1. Принципиальную схему лабораторной установки." 2. Таблицы результатов испытаний. 3.График зависимости Е пр = f (h), U пр = f(U). для непропитанного и пропитанного электротехнического картона. 4. График зависимости U пр = f(t). Контрольные вопросы 1.Что называется пробоем, пробивным напряжением и электрической прочностью диэлектрика? 2.Объясните связь между диэлектрическими потерями и тепловым пробоем твердых диэлектриков? 3.Конденсаторную бумагу марок КОН-1 или КОН-2 при изготовлении бумажных конденсаторов пропитывают конденсаторным маслом. Поясните, как изменяются ε, tgα и Е пр , при пропитке бумажного конденсатора. Почему? 4.Электрические прочности непропитанной конденсаторной бумаги и конденсаторного масла равна 35 и 20 МВ/м соответственно. После пропитки бумаги маслом ее прочность возросла до 50МВ/М, т.е. стала больше прочности непропитанной бумаги и масла. Почему? 5. Как влияет пористость на электрические свойства диэлектриков: а) диэлектрик сухой; б) диэлектрик увлажнен? 6.Какие электроизоляционные картоны применяются для электрической изоляции, работающей на воздухе и в масле? 7. Объясните, почему в однородном электрическое поле Е пр больше, чем Е пр в неоднородном поле. 8.Почему пропитанный картон имеет более высокую электрическую прочность, чем непропитанный? 9. Поясните механизм пробоя пропитанного и не пропитанного картона. 10. Какие факторы влияют на величину Е пр твердых диэлектриков и почему? 11.Поясните механизм основных видов пробоя диэлектриков. При каких условиях можно ожидать тот или иной вид пробоя. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7 Проводниковые и полупроводниковые материалы Определение температурного коэффициента сопротивления Цель работы Определение температурных коэффициентов сопротивления различных проводников и полупроводников, а также прямого напряжения p-n перехода кремниевого диода. Лабораторная установка и электрическая схема соединений В лабораторной работе определяются температурные коэффициенты: 1. Полупроводникового резистора с положительным температурным коэффициентом (PTC). Использованы резисторы КТ110, KTY81 или аналогичные. Маркировка: «600.13-1; PTC». 2. Металлической пленки резисторов типа MF, С2-33Н или аналогичных. Маркировка: «600.19-1; MF». 3. Углеродной пленки резисторов типа СF, С2-14 или аналогичных. Маркировка: «600.19-2; С». 4. Полупроводникового резистора с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Использованы резисторы В57861S, B57891M или аналогичные. Маркировка: «600.19-3; NTC». 5. Медного провода (термопреобразователь сопротивления медный типа дТС014- 50М.В3.20/0,2. Номинальное сопротивление при 0°С – 50 Ом). Маркировка: «600.19-4; Cu». 6. Прямого напряжения p-n перехода кремниевого диода при постоянном токе. Используются диоды КД522, 1N4148 или аналогичные. Маркировка: «600.19-5; диод Si». При выполнении работы используется электронагреватель (394.2). В блок встроен нагреватель с измерителем-регулятором температуры. Испытываемый образец вставляется в отверстие на лицевой панели нагревателя и с помощью мультиметра измеряется его выходное сопротивление или напряжение. Блок электронагревателя Блок электронагревателя (рис. 1) используется для определения температурного коэффициента сопротивления различных материалов. Блок позволяет задать и автоматически поддерживать температуру нагревателя. В блоке установлен маломощный источник +5 В, используемый как дополнительный источник питания в некоторых экспериментах. Рис. 1. Лицевая панель блока электронагревателя (394.2). 1 – отверстие нагревателя; 2 – измеритель-регулятор температуры; 3 – индикатор текущего значения температуры нагревателя (PV); 4 – индикатор заданного значения температуры нагревателя (SV); 5,6,7 – кнопки управления регулятором температуры; 8 – выключатель питания; 9 – гнезда источника питания +5 В. Слева от индикаторов 3 и 4 (рис. 1) на лицевой панели регулятора температуры установлены 4 светодиода K1 – включен при нагреве; K2 – не используется; AL – индикатор превышения предельных значений (не используется). RS – индикатор режима автоматического регулирования. Должен быть включен для нормальной работы блока в режиме автоматического регулирования. При выключении автоматического регулирования (см. ниже) прибор работает только как индикатор температуры нагревателя. Задание тепературы электронагревателя. 1. Нажать одну из кнопок управления 5 или 6 регулятора температуры 2 (рис. 1). Начинает мигать индикатор заданного значения температуры нагревателя (SV, зеленый индикатор 4). ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ 1 0 394.2 Учебная техника 1 А СЕТЬ 8 K1 K2 AL RS PV SV Текущая температура С Заданная температура С 0 B +5 В/50 мА 9 1 3 2 7 6 5 4 2. Для изменения заданного значения температуры повторно нажать кнопки 5 (уменьшение) или 6 (увеличение температуры). Удержание кнопки в течение некоторого времени включает режим автоматического ускоренного изменения значения. В процессе установки индикатор продолжает мигать. 3. После установки требуемого значения температуры необходимо однократно нажать кнопку 7 (рис. 2.1.1). Мигание индикатора 4 прекращается. Температура задана. При выполнении экспериментов рекомендуется начинать с низких значений температуры (на 5…10° выше комнатной) и постепенно повышать еѐ величину до 100° С, т. к. остывание электронагревателя происходит гораздо медленнее его нагрева. Включение (отключение) режима автоматического регулирования. При включении питания электронагревателя режим автоматического регулирования выключен. При выполнении экспериментов целесообразно задать начальное значение температуры и, после этого, включить режим автоматического регулирования. Переключение режима автоматического регулирования: 1. Однократно нажать кнопку 7 (рис. 1) регулятора температуры. На индикаторе 3 (красный, PV) отобразиться надпись «r-S». На индикаторе 4 (зеленый, SV) текущее состояние регулятора «StoP» (СТОП) или «rUn» (РАБОТА). 2. Для изменения состояния регулятора нажать любую из кнопок 5 или 6 – индикатор 4 начнет мигать. Повторное нажатие кнопки 5 или 6 переключит режим («StoP»↔«rUn»). 3. Нажатие кнопки 7 фиксирует выбранное значение (индикатор 4 не мигает). Повторное нажатие кнопки 7 возвращает регулятор температуры в исходное состояние – на индикаторе отображаются текущее и заданное значения температуры. Светодиод RS сигнализирует о состоянии регулятора: включен – режим «rUn» (РАБОТА), выключен - «StoP» (СТОП). Подробно режимы работы измерителя-регулятора температуры ТР441 и порядок его программирования описаны в литературе: «Измерители-регуляторы температуры ТР440 и ТР441. Руководство по эксплуатации» ТАЛС.405111.040 РЭ. (Файл TR440_TR441_doc_020607.pdf записан на компакт-диске с документацией). При выполнении экспериментов любые изменения параметров регулятора температуры, кроме указанных выше, не допускаются. Схема электрических соединений для определения температурных коэффициентов сопротивления показана на рис..2. 394.2 1 0 220 B 218 G1 1416 MY60 Образец из набора 600.19 A1 PP1 Рис. 2. Схема для определения температурного коэффициента сопротивления. Все образцы подключаются к гнездам «VΩ» и «COM» мультиметра MY60Т (блок 1416) и устанавливается один из пределов измерения сопротивления, соответствующий сопротивлению образца. При подключении кремниевого диода (образец 600.19-5, диод Si) необходимо соблюдать полярность: анод (красный провод) подключается к гнезду «VΩ», а катод (черный или синий провод) – к гнезду «COM». Для определения прямого напряжения на диоде в милливольтах используется предел измерения « ». В этом случае через диод протекает постоянный прямой ток в диапазоне 1…1,5 мА. Точное значение тока можно измерить дополнительным мультиметром, включенным последовательно с испытываемым диодом. Однофазный источник питания G1 предназначен для безопасного питания блока электронагревателя 394.2. Перечень аппаратуры Обозначение Наименование Тип Параметры G1 Однофазный источник питания 218 220 В / 16 А А1 Электронагреватель 394.2 30…100°С, источник +5 В, Набор образцов резисторов 600.19 6 образцов. РР1 Мультиметр 1416 MY60T Указания по проведению эксперимента Проверьте схему электропитания блоков электронагревателя (394.2) и источника питания G1 (218). Убедитесь, что выключатели «СЕТЬ» этих блоков отключены. Соедините блоки в соответствии со схемой электрической соединений рис. 2. Выберите значения температуры, при которых Вы хотите измерить сопротивления образцов. Из-за инерционности нагревателя целесообразно выбрать не более 5…7 точек в диапазоне температур до 100°С. Начальное значение – комнатная температура. Включите устройство защитного отключения и автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1. Включите выключатель «СЕТЬ» блока электронагревателя (394.2). При включении питания автоматический режим регулятора температуры электронагревателя выключен. Установите требуемую температуру (см. раздел «Блок электронагревателя»). Включите автоматический режим регулятора температуры. Начнется разогрев нагревателя (включены светодиоды индикаторов K1 и RS). Измерьте сопротивление образцов при комнатной температуре. Для исключения нагрева образцов от рук их необходимо брать за корпус вблизи выводов. После стабилизации температуры нагревателя вблизи заданного значения поочередно вставьте каждый из образцов в отверстие нагревателя до упора. Выждите 2..3 минуты для стабилизации температуры и измерьте сопротивление образца. Задайте следующее значение температуры, дождитесь еѐ стабилизации и повторите измерения сопротивления образцов. При высоких температурах образцов будьте осторожны: не касайтесь рабочей части образца, извлеченного из нагревателя. По результатам измерений постройте графики зависимостей сопротивления образцов (или напряжения для диода) от температуры. По завершении измерений отключите питание всех блоков. По результатам испытания отберите образцы, имеющих линейную зависимость сопротивления от температуры, и вычислите их температурный коэффициент сопротивления 1 2 2 1 1 2 t t R t t R t R t R , (*) где ) ( 2 t R , ) ( 1 t R - сопротивление образца, соответственно при температуре 2 t и 1 t 1 ãðàä - температурный коэффициент сопротивления образца. Сопротивление образца при произвольной температуре t вычисляется по формуле 1 1 1 1 t t t R t R , (*) Примечание. При определении сопротивления только одного образца порядок выполнения эксперимента можно изменить. Соберите схему рис.2. Установите испытываемый образец в отверстие нагревателя. Задайте температуру 100°С и включите автоматический режим регулятора температуры («rUn», режим «РАБОТА», индикатор RS включен). Дождитесь установления заданной температуры и выключите автоматический режим регулятора («StoP», режим «СТОП», индикатор RS выключен). По мере снижения температуры нагревателя измерьте сопротивление образца (или напряжение для диода) при нескольких значениях температуры в диапазоне 100…30°С. Ориентировочное время остывания датчика 15…30 мин. Обработайте результаты эксперимента в соответствии с приведенными выше рекомендациями. Контрольные вопросы 1. Чем отличается полупроводниковый материал от проводникового ? 2. От чего зависит удельная проводимость полупроводников? 3. Какие примеси называются акцепторными и донорными? 4. Что представляет собой p-n переход? 5. Основные свойства полупроводников? 6. Чем отличаются по свойствам Кремний от Германия? 7. ВАХ кремниевого и германиевого диода? 8. В чем состоит эффект Холла? 9. Что такое темновая проводимость? 10. Какие материалы относятся к полупроводникам? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8 СНЯТИЕ НАЧАЛЬНОЙ КРИВОЙ НАМАГНИЧИВАНИЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ Целью работы Снять экспериментально начальную кривую намагничивания ферромагнетика, рассчитать и построить графики В(Н) и (H). Краткие теоретические сведения В электротехнике в качестве магнитных материалов используются главным образом, ферромагнетики и ферримагнетики. По значению коэрцитивной силы Кс они делятся на две большие группы – магнитомягкие материалы с малой Кс и магнитотвердые материалы с большой Кс. В соответствии со стандартом ГОСТ19083-74 магнитомягкими называются магнитные материалы с коэрцитивной силой не более 4 кА/м, а магнитотвердыми – с коэрцитивной силой не менее 4 кА/м. Магнитомягкие материалы предназначены прежде всего для работы в переменных магнитных полях или в динамических режимах (магнитопроводы трансформаторов, электрических машин), магнитотвердые материалы – для работы в статическом режиме (постоянные магниты). По типу химических связей магнитные материалы делятся на металлические и неметаллические. К металлическим магнитным материалам относятся железо, никель, кобальт и их сплавы (ферромагнетики). К неметаллическим относятся ферриты, которые представляют собой двойные окиси железа с общей формулой МеОFе2О3. Все ферромагнетики имеют кристаллические строения. Основным условием существования ферромагнетизма является: а) наличие у атомов некомпенсированных спиновых магнитных моментов; б) отношение параметра кристаллической решетки α к диаметру электронной орбиты, на которой находится некомпенсированный электрон, должно удовлетворять соотношение α/2R > 1.5. В этом случае в результате обменного взаимодействия между соседними атомами внутри ферромагнетики образуются особые области - домены, которые обладает магнитным моментом.Направление магнитных моментов доменов равновероятны, поэтому весь образец не имеет магнитного момента, т.е. он не намаг- ничен. Процесс намагничивания ферромагнитного материала практически характеризует основная кривая намагничивания В=f(Н) (рис.1) На этой кривой имеются четыре области, каждой из которых соответствует собственный физический механизм намагничивания, отличный от других. В самых слабых полях (область 0-1 кривой) происходит рост объема доменов, магнитный момент которых ориентирован ближе всех к направлению внешнего магнитного поля. Этот рост осуществляется путем обратимых перемещений доменных границ. В области 1- 2 продолжается рост благоприятно ориентированных доменов за счет доменов с неблагоприятной ориентацией. Это осуществляется за счет перемещения доменных границ, которые происходят скачкообразно и Рис.1. Основная кривая намагничивания необратимо. В конце области 1-2 перемещение доменных границ прекращаются. В области 2-3 происходит ориентация магнитного момента доменов в направлении внешнего поля. Этот процесс требует большие энергии, чем перемещение доменных границ, поэтому происходит только при сильных полях. В конце этой области все магнитные моменты доменов ориентируются в направлении магнитного поля, что соответствует состоянию насыщения. В дальнейшем самопроизвольная намагниченность уже не изменяет своего направления, а только медленно увеличивается. Этот процесс называется парапроцессом. По основной кривой намагничивания экспериментально определяют магнитную проницаемость μи ее зависимость от поля μ= f( H) (рис, 2). Относительная проницаемость М= В/( μ 0Н) , где μ о - магнитная постоянная μ о=4П * 10^ -3 Гн/м. Если напряженность поля меняется периодически, то зависимость В =f(Н) представляет замкнутую линию, которую называют петлей магнитного гистерезиса (рис.3). На рис.3 показано семейство петель гистерезиса. Петля с самой большой площадью называется предельной, площадь ее при увеличении напряженности поля но изменяется, растут только безгистерезисные участки. По предельной петле определяют коэрцитивную силу К С , остаточную индукцию Вr , максимальную индукции B тах. , а также магнитные потери. Перемагничивание магнитного материала в переменных полях сопровождается потерями на гистерезис и вихревые токи. Потери на гистерезис вызываются трением при смещении доменов. Величина потерь и гистерезис в единице объема за один цикл перемагничивания пропорциональна площади статического цикла гистерезиса, когда потери на вихревые токи отсутствуют. Мощность, расходуемая на магнитный гистерезис, определяется по эмпирической формуле Pr = ηf B тахV Где η- коэффициент, зависящий от материала; n - показатель степени n=1,6-2; V- объем материала. Потери на вихревые токи называются протекающими по замкнутым контурам внутри материала токами, индуцированными внешним магнитным полем. Они зависят от удельного электрического сопротивления материла и формы сердечника. Мощность потерь на вихревые токи определяются по формуле: Pв =ξf^2 B тахV Где ξ – коэффициент, зависящий от типа ферромагнетики. Одним из широко распространенных в настоящее время методов исследования Рис.2. Зависимость μ= f( H) Рис.3. Петля магнитного гистерезиса магнитных материалов является осциллографический метод. Достоинством этого метода является возможность визуального наблюдения петли гистерезиса, широкий диапазон частот переменного тока, в котором можно производить исследование возможность применения образцов малых размеров и веса в силу высокой" чувствительности осциллографа. Снятие начальной кривой намагничивания ферромагнитных материалов и определение магнитной проницаемости. |