3.4. Методические указания к проведению лабораторных работ Общие указания

В процессе изучения дисциплины студенты должны выполнить лабораторные работы, основной целью которых является закрепление теоретического материала по курсу.

Лабораторные работы проводятся в лабораториях университета и включают физическое и компьютерное моделирование различных режимов работы систем электроснабжения.

Структура всех работ одинакова и включает в себя:

- цель работы;

- основные теоретические положения;

- описание лабораторной модели;

- порядок выполнения работы;

- оформление отчета.

До выполнения лабораторных работ студенты должны прослушать лекции по соответствующим разделам дисциплины или самостоятельно проработать теоретический материал. Перед каждым занятием необходимо ознакомиться с целью, теоретическими положениями, заданием и порядком проведения работы.

В виртуальных лабораторных работах допуск к непосредственному выполнению работы осуществляется через компьютерное тестирование. Исходные данные, необходимые для выполнения работ, указываются в описании работы или задаются преподавателем, ведущим лабораторные занятия.

После выполнения каждой лабораторной работы следует оформить отчет. На титульном листе отчета указываются название дисциплины, наименование лабораторной работы, фамилия, инициалы и шифр студента. Текст отчета должен быть изложен аккуратно, с обязательным приведением цели занятия, исходных данных, необходимых формул, схем, единиц измерения физических величин.

К экзамену по дисциплине допускаются студенты, выполнившие в полном объеме лабораторный практикум, оформившие и защитившие отчеты по работам.

Работа 1. Моделирование электрических нагрузок

Работа 2. Исследование режимов работы асинхронной нагрузки

Работа 3. Исследование плавких предохранителей

Работа 4. Определение показателей качества

электроэнергии

Работа 8. Компенсация реактивной мощности

Работы 1-4 и 8 являются виртуальными и выполняются на персональных компьютерах в дисплейном классе университета. Цель работы, теоретическая часть, тестирование, порядок выполнения работы и составление отчета входят составными частями в виртуальную работу и здесь подробно не рассматриваются.

Работа 5. Измерение показателей качества электроэнергии

Цель работы – измерение и анализ показателей качества электрической энергии в однофазной сети 220 В.

Основные теоретические положения

Приемники электроэнергии, присоединенные к электрическим сетям, предназначены для работы при определенных показателях качества электроэнергии (ПКЭ). ГОСТ 13109-97 устанавливает 11 основных ПКЭ в электрических сетях систем электро­снабжения общего назначения и два вида норм ПКЭ:

- нормально допустимые;

- предельно допустимые.

ПКЭ не должны выходить за пределы нормально допустимых значений в 95 % времени наблюдения и не должны выходить за предельно допустимые значения в оставшиеся 5 % времени наблюдения.

Рассмотрим подробнее наиболее характерные ПКЭ.

Отклонение частоты в электрической системе, Гц, характеризу­ет разность между действительным f и номинальным значениями частоты f_ном переменного тока в системе электроснабжения и опре­деляется по выражению

Δ f = f - f_ном. (5.1)

Допустимые нормы отклонения частоты Δf_норм = ± 0,2 Гц; Δ f_пред = ±0,4 Гц.

Отклонение напряжения характеризуется показателем установив­шегося отклонения текущего значения напряжения U от номинального значения U _ном:

. (5.2)

Отклонение напряжения обусловлено изменением потерь напря­жения, вызываемых изменением мощностей нагрузок.

Отклонение напряжения нормируется на выводах приемников элек­трической энергии δU_.норм = ±5 %, δU_.пред = ±10 %.

Несинусоидальность напряжения появляется потому, что в кри­вой напряжения, помимо гармоники основной частоты U₁, имеют место гармоники U_n других высших частот, кратных основ­ной частоте (n = 2, 3, 4, ... n). Гармоники U_n определяются разложением кривой фактического напряжения в ряд Фурье.

Причиной возникновения несинусоидальности напряжения явля­ется наличие потребителей электроэнергии с нелинейной вольт-ампер­ной характеристикой. Основной вклад в несинусоидальность напря­жения вносят тиристорные преобразователи электрической энергии, получившие широкое распространение в промышленности.

Несинусоидальность напряжения характеризуется коэфициентами:

- искажения синусоидальности кривой напряжения;

- n-й гармонической составляющей напряжения.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения К_U, %, является отношением суммарного действующего значения всех высших гармоник к действующему значению напряжения ос­новной гармоники, причем n ≥ 2:

K_U = . (5.3)

При определении коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения допускается не учитывать гармонические со­ставляющие порядка п > 40 или действующее значение которых ме­нее 0,3 % от U₁.

Коэффициент п-й гармонической составляющей К_Un, %, являет­ся отношением действующего значения напряжения n-й гармоники U_n к действующему значению напряжения первой гармоники:

К_Un = . (5.4)

Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэф­фициента искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения в электрических сетях с разными номинальными напряжениями регламенированы ГОСТ 13109-97.

Несимметрия трехфазной системы напряжений появляется при наличии в трехфазной электрической сети напряжений обратной и нулевой последовательностей, значительно меньших по величине соответствующих составляющих напряжения прямой (основной) последовательности.

Основной причиной возникновения несимметрии напряжения являются потребители с несимметричным потреблением мощности по фазам. К ним относятся: однофазные потребители; трехфазные потребите­ли с несимметричным потреблением мощности по фазам (дуговые сталеплавильные печи, сварочные установки).

Несимметрия трехфазной системы напряжений характеризуется коэффициентами несимметрии обратной последовательности К_2U, %, и нулевой последовательности К_0U, %

; , (5.5)

где U₂ и U₀ - действующие значения напряжения соответственно обратной и нулевой последовательностей основной частоты трех­фазной системы напряжений.

Допустимые значения этих показателей следующие:

- нормальные К_2Uнорм = К_0Uнорм = 2%;

- предельные К_2Uпред = К_0Uпред = 4%.

Описание лабораторной модели

Физическая модель электроустановки, в которой будут измеряться ПКЭ, набирается блоками на универсальном лабораторном стенде.

Для выполнения данной лабораторной работы используются блоки, указанные в табл. 5.1.

Эти блоки следует поставить на вертикальную панель стенда. Порядок установки блоков может быть любой, но для логики схемы и удобства ее последующей сборки рекомендуется все блоки ставить в один ряд (верхний или нижний) в следующей последовательности слева направо: G1, А9, А4, A6, Р3. Порядок установки блоков показан на рис. 5.1.

Таблица 5.1

Блоки, используемые в работе

Обозначение блока	Наименование блока	Тип	Параметры блока
G1	Однофазный источник питания	218.2	~220 В; 10 А
А9	Регулируемый автотрансформатор	318.1	~0...240 В / 2А
А4	Активная нагрузка	306.4	~220 В / 0...30 Вт
А6	Индуктивная нагрузка	324.4	~220 В / 0...30 вар
Р3	Измеритель показателей качества электрической энергии ЭРИС-КЭ.0,5	526	Однофазный ~220 В

Порядок выполнения работы

1. Соединить желто-зелеными монтажными проводами гнезда защитного заземления всех блоков с гнездом РЕ блока G1.

2. С помощью монтажных проводов красного и черного цвета и U-образных перемычек собрать схему электрических соединений, показанную на рис. 2.1.

3. Установить регулировочную рукоятку автотрансформатора в положение, близкое к крайнему по часовой стрелке.

4. Установить заданные преподавателем параметры активной и индуктивной нагрузки.

5. Показать для проверки собранную схему преподавателю (лаборанту), проводящему лабораторную работу. Подключение стенда к питающей сети лаборатории выполняет преподаватель (лаборант).

Рис. 5.1. Схема электрических соединений

6. Включить выключатели однофазного источника питания G1. О наличии напряжения на его выходе должен сигнализировать красный светодиод.

7. Включить выключатель «Сеть» автотрансформатора А9.

8. Включить тумблер питания измерителя показателей качества электроэнергии Р3. При этом включится подсветка дисплея и через 1-2 секунды на нем появится надпись «Текущие значения ПКЭ». Подсветка дисплея в любом режиме автоматически выключается через 30 секунд после последнего нажатия любой клавиши и включается снова при нажатии любой клавиши.

В первой строке дисплея отображается текущая дата и время. Во второй строке пользователь выбирает режим работы с прибором.

9. Просмотр ПКЭ.

На экране дисплея надпись «Текущие значения ПКЭ». Нажатием клавиши осуществляется вход в режим измерения ПКЭ. На дисплее надпись:

01 Напряжение

U = ... В

Обновление информации производится раз в минуту.

Нажатие клавиши выдаст на дисплей следующий показатель:

02 Частота

f = ... Гц

Обновление информации производится раз в 20 секунд.

Нажатие клавиши выдаст на дисплей следующий показатель:

03 Гармоника номер 1

Значение: 100 %

Нажатие клавиши выдаст на дисплей значение 2-й гармоники:

03 Гармоника номер 2

Значение: ... %

Дальнейшее последовательное нажатие клавиши будет выдавать на дисплей значения гармоник до номера 40. Обновление информации по каждой гармонике производится раз в 3 секунды.

После просмотра всех или интересующих гармоник нажатие клавиши выдаст на дисплей следующий показатель:

04 К несинусоидальности

КU = ... %

Обновление информации производится раз в 3 секунды.

Дальнейшее нажатие клавиши приведет по кольцевому принципу к первому показателю.

10. Просмотреть на дисплее измерителя Р3 показатели качества электроэнергии. Занести показатели качества в табл. 5.2. Рекомендуется учитывать только те гармоники, значения которых более 0,1%.

Т а б л и ц а 5.2

U, В

f, Гц

КU, %

КU2, %

КU3, %

КU4, %

КU5, %

КU6, %

КU7, %

КU8, %

КU9, %

…

КU39, %

КU40, %

Проверить ПКЭ на соответствие ГОСТ 13109-97.

Содержание отчета:

- название и цель работы;

- схема электрических соединений блоков физической модели;

- значения ПКЭ, снятые с дисплея измерителя Р3;

- анализ ПКЭ и выводы по работе.