ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК Лабораторная работа 7

ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
Лабораторная работа 7
ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Большинство приемников электрической энергии имеют активно-индукционный
характер (электродвигатели переменного тока, трансформаторы, электромагнитные
коммутационные аппараты переменного тока: реле, контакторы, магнитные пускатели
и т.п.). Для нормальной работы этим приемникам необходима реактивная индуктивная
энергия, которая поступает от источника питания. Обмен реактивной энергией между
источником и приемником электрической энергии сопровождается увеличением тока,
потерей напряжения и мощности в проводах линии электропередачи, дополнительной
непроизводительной загрузкой источника. При этом коэффициент мощности нагрузки,
определяющий отношение активной мощности (совершающей полезную работу) к
полной мощности, всегда меньше единицы:
cos = P/S = P/ P 2  Q 2
(1)
Необходимо стремиться к такому режиму работы, при котором активная
мощность была бы равной полной мощности (P=S), а коэффициент мощности был бы
равен единице (cosφ=1).
Чтобы
уменьшить потери напряжения и мощности в проводах линии
электропередачи и получить дополнительную активную мощность от источника,
параллельно приемникам индуктивного характера подключают конденсаторы С (рис.
1а).
ЛЭП
Iл
R
С
U
Ic
Iл
U
1
Iн
L
а
Iс
Iн
IL
б
Рис.1.
Подключение конденсаторов не изменяет режим работы приемника
электрической энергии: напряжение на зажимах нагрузки не изменяется и,
следовательно, остаются неизменными ток, активная и реактивная мощность нагрузки.
Однако условия работы источника и линии существенно изменяются. Ток, текущий от
источника Ιл, не равен току нагрузки Ιн, а определяется из соотношения:
İл = İн + İс,
(2)
где İс – ток конденсатора.
Векторная диаграмма цепи с конденсатором показана на рис. 1.б. При
соответствующем подборе емкости конденсатора можно добиться резонансного
режима (режим резонанса токов), т.е. обеспечить работу источника при cosφ = 1, при
этом приемник электрической энергии будет обмениваться реактивной энергией,
запасенной в его магнитном поле, не с источником, а с конденсатором С. Линия будет
разгружена от реактивных токов, в ней будут протекать от источника только активные
токи, которые совершают полезную работу. При этом потери напряжения в линии
²
ΔUл = Rл · Ιл, и потери мощности ΔΡл=Rл·Ι л уменьшаются, соответственно, в первой и
второй степени от тока Ιл.
Рассмотренный процесс называется компенсацией реактивной мощности, а
конденсаторы – компенсирующими.
Расчет емкости «С» и реактивной мощности Qс компенсирующих конденсаторов
проводят по формулам:
C
P
 (tg 1  tg ),  ;
 U 2
Qc= P*(tg
- tgφ), ВАр,
(3)
(4)
где Р- активная мощность нагрузки, Вт;
U- напряжение на нагрузке, В;
ω=2πf – угловая частота тока;
– угол сдвига фаз между током и напряжением в нагрузке (и в линии) до
подключения конденсаторов;
φ – угол сдвига фаз между током и напряжением в линии после включения
конденсатора.
При полной компенсации реактивной мощности, то есть при сos φ= 1, угол φ=0 и,
следовательно, tg φ=0.
Прежде чем изучать методику эксперимента:
1. Запишите закон Ома для разветвленной цепи переменного тока [1] п. 2.8.1., п.
2.8.2. или [2] п. 2.15.
2. Запишите свойства цепи в режиме резонанса токов [1] п. 2.11.3. или [2] п.
2.21.5. стр. 97-98.
2
Задание 1.
Определение емкости конденсатора для полной
компенсации реактивной индуктивной мощности нагрузки.
Цель работы: исследовать активно-индуктивную нагрузку с целью определения
ее коэффициента мощности, реактивного индуктивного тока и активной мощности. По
данным измерений рассчитать емкость компенсирующего конденсатора,
необходимого для полной компенсации реактивного индуктивного тока в линии,
подводящей энергию к нагрузке. Сравнить ток и мощность до и после подключения
конденсатора, определить уменьшение потери напряжения и мощности в линии.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.
Описание экспериментальной установки.
Работа выполняется на лабораторном стенде под названием «Однофазный ток».
На стенде имеются активно-индуктивная нагрузка, батарея конденсаторов,
измерительные приборы, источник питания. От всех элементов на передней панели
стенда имеются выводы в виде клемм, необходимые для сборки схемы.
Для набора необходимой емкости конденсаторов на стенде установлены
несколько тумблеров или два щеточных переключателя, позволяющих включать
десятки или единицы микрофарад емкости. Суммарная емкость батареи
конденсаторов – 110 мкФ. Напряжение источника питания на клеммах А – В, В – С, С
– А – 36 вольт, на клеммах A – N, B – N, C – N 21 вольт.
Приборы и методика измерений.
Амперметры и вольтметры, постоянно установленные на стенде, имеют
электромагнитную систему измерительного механизма. Приборы измеряют
действующие значения переменных величин. Класс точности приборов – 1,5.
Переносной лабораторный ваттметр класса точности 0,5 ферродинамической системы
– многопредельный. Он имеет три переключателя: переключатель тока,
переключатель напряжения, переключатель рода работы (измерение тока или
измерение только напряжение, или измерение мощностей). Предел измерения
ваттметра определяется положением его переключателей:
Pн = Iн · Uн,
(5)
где Iн – ток, на который установлен переключатель тока;
Uн – напряжение, на которое установлен переключатель напряжения.
Цена деления ваттметра определяется по формуле:
С = Pн /n, Вт/дел,
(6)
где n – число делений шкалы прибора.
3
Мощность, измеряемая ваттметром, равна:
P = C· n‫׳‬,
(7)
где n‫ ׳‬- число делений шкалы, показываемое стрелкой прибора.
В данной лабораторной работе при измерениях используется
непосредственного отсчета с прямыми однократными измерениями.
Точность прямых измерений оценивается определением абсолютной
максимальной погрешности по формуле:
ΔА = G · XN/100,
метод
(8)
где XN– верхний предел измерения прибора;
G– класс точности прибора.
Результат измерения записывается в виде:
A ± ΔA,
(9)
где A – показание стрелки прибора.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
A2
Rê
L
*
A
U
R
* W
V
A1
C
A3
B
Рис. 2
1. Установить переключатель тока многопредельного ваттметра в положение 0,5
А, переключатель напряжения – в положение 100 В.
2. Собрать электрическую схему (рис. 2) для исследования коэффициента
мощности индуктивной катушки, выбрав при этом амперметры с пределом измерения
1 А и вольтметр с пределом измерения 50 В.
3. Отключить ветвь с конденсаторами. Для этого, с помощью тумблеров или
щеточных переключателей установить емкость конденсаторов на нуль.
4. Представить преподавателю схему опыта для проверки.
5. Провести измерение тока, напряжения и активной мощности в цепи. Данные
наблюдения занести в табл. 1 в первую строку в графы.
4
Таблица 1
Номер
опыта
1
1
2
С,
мкФ
2
---
U сети,
В
3
Iл,
А
4
Iн,
А
5
Iс,
А
6
Р,
Вт
7
---
6. По данным наблюдений (табл.1) рассчитать: полную мощность цепи Sн, ВА;
коэффициент мощности индуктивной катушки cosφн; угол сдвига между током и
напряжением φн, град.; тангенс угла φн емкость
С, мкФ и реактивную мощность
конденсаторов Qc,BАp, необходимую для полной компенсации реактивного
индуктивного тока в линии. Результаты расчетов занести в табл.2 и показать
преподавателю.
Таблица 2
Номер Sн,
опыта ВА
1
сosφн
φн,
град.
tgφн
С,
мкФ
Qс,
ВАр
Хс,
Ом
Iс,
А
5. С помощью тумблеров или щеточных переключателей установить емкость
компенсирующих конденсаторов, равную расчетной емкости.
6. Включить исследуемую цепь в сеть.
7. Убедиться, что в цепи возник режим резонанса токов
(Iл –
минимальный; S=P). Для этого заменить технический амперметр А1 на
образцовый с классом точности 0,5. Затем, сначала прибавляя, а потом
убавляя установленную в п.6 емкость конденсаторов на несколько
микрофарад найти минимальное отклонение стрелки образцового
амперметра.
8. Записать значения всех физических величин, указанных в табл.1 в строку 2.
9. Записать технические характеристики применяемых приборов.
10.Построить векторную диаграмму токов и напряжений для цепи с
индуктивной катушкой и конденсатором.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. По данным наблюдений провести вычисления по формулам:
полной мощности цепи S = I·U, ВА;
коэффициента мощности cosφ = P/S;
емкости и реактивной мощности конденсатора по формулам (3) и (4);
реактивного сопротивления конденсаторов
5
Хс= 1/(ω·С) = 106 /(2·π·f·C), Ом ,
где С- в мкФ.
2. Векторная диаграмма цепи, рис.1б, строится в следующем порядке.
Выбираем масштаб по напряжению mv = …В/см и току
mi = … А/см.
Откладываем вектор напряжения сети U по горизонтали. Затем под углом φн в сторону
отставания от вектора напряжения откладываем вектор тока Iн. Ток индуктивной
катушки содержит активный ток Iа и реактивный индуктивный ток Iр. При
подключении конденсатора ток Iс откладывают опережающим напряжением на 90º.
Результирующий ток линии
находят как векторную сумму токов нагрузки и
конденсатора по формуле (2).
При полной компенсации реактивного индуктивного тока, когда
Iр = Iс, ток
в линии Iл совпадает с напряжением сети.
2. Произвести оценку погрешности измерения по одному значению
минимальных величин: напряжения, активной мощности, тока, полной мощности и
коэффициента мощности.
СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА О РАБОТЕ
Отчет оформляется каждым студентом на отдельном листе. Отчет должен
содержать название лабораторной работы, формулировку цели работы, перечень
применяемых приборов и их характеристики, результаты наблюдений и вычислений;
формулы, используемые при вычислениях, графики и векторные диаграммы,
выполненные на миллиметровой бумаге (или на бумаге в клеточку).
В отчете должны быть сведения по оценке точности измеряемых и вычисляемых
величин.
Отчет заканчивается выводами по работе, в которых необходимо отразить:
каковы величины емкости и реактивной мощности конденсаторов необходимы для
компенсации реактивного индуктивного тока в линии; выполняется ли при этом
условие резонанса токов (P=S; Ia=min); во сколько раз уменьшается ток в линии после
подключения конденсаторов и во сколько раз уменьшаются потери напряжения и
мощности в линии.
Указать основные источники погрешностей измерения и вычисления.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какую роль играют реактивные токи в нагрузке и в проводах линии
электропередачи?
2. Для какой цели параллельно индуктивным приемникам электрической энергии
подключают конденсатор?
3. Как подсчитать емкость и мощность компенсирующего конденсатора?
6
4. Как изменяется активная мощность нагрузки, если к ней подключить
конденсатор?
5. Изменяется ли режим работы индуктивного приемника электрической энергии
при подключении параллельно ему конденсатора (Ιнагр., Ρнагр., Qнагр.)?
6. Как изменяются потери напряжения и мощности в проводах линии, если
параллельно нагрузке индуктивного характера подключить конденсатор?
7. Укажите на схеме лабораторной работы путь протекания активного тока,
реактивного индуктивного и реактивного емкостного тока.
8. Напишите формулу законов Ома для цепи переменного тока при
последовательном и параллельном соединении ветвей.
9. В каких цепях возникает резонанс токов? Дайте определение режимов резонанса
токов. Условие возникновения резонанса токов.
10.Каковы свойства цепи в режиме резонанса токов.
11.Расскажите порядок построения векторной диаграммы при параллельном
соединении ветвей.
Задание 2
учебно-исследовательское
Исследование цепи однофазного синусоидального тока с параллельным
соединением индуктивной катушки и конденсатора переменной емкости
Цель работы: исследовать влияние величины емкости конденсатора на
изменение величины и фазы тока в линии и на величину и характер потребляемой
реактивной мощности цепью, состоящей из параллельно соединенных индуктивной
катушки и конденсатора переменной емкости.
ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ
При выполнении данного задания используются то же оборудование и
принадлежности, что при выполнения учебного задания 1, без каких-либо дополнений.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Собрать схему цепи и показать для проверки преподавателю;
2. Подготовить табл.3 измерений и вычислений, в которой должно быть не
менее 7 строк для записи результатов наблюдений.
Таблица 3.
№
Данные наблюдений
Вычислить
п.п.
U,
C,
P,
S,
cosφ φ,
Iл , Iн ,
Iс ,
В
мкФ
Вт
ВА
град.
А А
А
3. В 4-ю строку таблицы записать данные 2-й строки табл.1.
7
4. Провести измерения напряжения, токов и мощности при трех значениях
емкости батареи конденсаторов меньших, чем при резонансе токов. Данные
наблюдений занести в табл. 3, строки 1-3 в возрастающем порядке для
емкости.
5. Провести измерения напряжения, токов и мощности при трех значениях
емкости батареи конденсаторов больших, чем при
резонансе токов. Данные наблюдений занести в табл. 3, строки 5-7 в
возрастающем порядке для емкости.
6. Провести вычисление величин, указанных в табл. №3 по формулам
приведенным на стр.7 данного руководства.
7. На одном графике построить зависимости Iн=f(C), Ic = f(C),
Iл = f(C),
cosφ=f(C).
8. Провести построение двух векторных диаграмм; одной - для случая
потребления цепью реактивной индуктивной мощности, другой – для случая
потребления цепью емкостной реактивной мощности;
9. По результатам исследования сделать выводы, в которых дать анализ
полученных зависимостей и векторных диаграмм.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЯ
Отчет должен содержать формулировку цели задания, таблицу измерений и
вычислений, расчетные формулы, графики и векторные диаграммы исследуемых
зависимостей, вывод по результатам исследований.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какова зависимость реактивного сопротивления конденсатора от величины
емкости?
2. Какова зависимость тока протекающего через конденсатор, от величины
емкости конденсатора?
3. Каковы зависимости индуктивного сопротивления и тока индуктивной катушки
от величины индуктивности катушки?
4. Как определяется полное сопротивление разветвленной цепи переменного тока?
5. Почему в режиме резонанса токов общий ток цепи минимален?
6. Допустимо ли увеличивать емкость батареи конденсаторов по сравнению с
расчетной, при которой цепь находится в режиме резонанса токов? К чему это
приведет?
7. Как рассчитать угол сдвига между током и напряжением на входе разветвленной
цепи?
8. Как рассчитать реактивную мощность разветвленной цепи переменного тока?
9. Имеет ли цепь, потребляющая активно-индуктивный ток, преимущество по
сравнению с цепью, потребляющей активный емкостный ток, при одинаковом
коэффициенте мощности? Ответ поясните на векторных диаграммах.
10.Параллельно
активно-индуктивной
нагрузке
подключили
батарею
конденсаторов. При этом общий ток цепи остался неизменным. При какой
8
емкости батареи конденсаторов это возможно? Ответ пояснить векторной
диаграммой.
11.Почему при исследовании разветвленной цепи с увеличением емкости
конденсаторов общий ток цепи сначала уменьшается, а затем достигнув
минимума, начинает увеличиваться?
12.Объясните ход зависимости φ=f(C) и докажите это с помощью формул.
13.Объясните ход зависимости Q=f(C) и докажите это с помощью формул.
9