Питання для самоконтролю

1. Яку величину показує вольтметр змінного струму: амплітудне, миттєве, діюче або середнє значення напруги? Поясніть, що це за величини.

2. Сформулюйте закони Кірхгофа для кіл постійного струму і для кіл змінного струму. З чим пов'язана зміна формулювання законів в колах змінного струму?

3. Як знайти повний опір і зсув по фазі нерозгалуженого кола

змінного струму?

4. У якому випадку коло має активно-індуктивний характер, активно-ємнісний характер; коли виникає резонанс напруг?

5. На якій частоті потрапить в резонанс нерозгалужене коло з елементами , і ? Чому буде дорівнювати повний опір цього кола в резонансі? Записати формули.

6. Який характер має коло, якщо в результаті вимірів виявили, що , а ? (те ж при і ; те ж при і ).

7. В результаті вимірювань виявили, що в нерозгалуженому колі , , . Чому дорівнює зсув по фазі в цьому колі? Чому дорівнює напруга, подана на це коло?

Лабораторна робота ц -5

ПІДВИЩЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОТУЖНОСТІ В КОЛІ

МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦІЇ РЕАКТИВНОЇ ПОТУЖНОСТІ

Ціль роботи: експериментальне вивчення дії першого закону Кірхгофа в колах змінного струму; ознайомлення з принципами компенсації реактивної потужності.

Теоретичні відомості

В активних (резистивних) елементах енергія електричного струму, що протікає через них, витрачається на виділення тепла або перетворюється в механічну енергію, які, в свою чергу, можуть бути використані для виконання корисної роботи. Потужність, споживана активним приймачем, називається активною потужністю.

При протіканні змінного струму через реактивні елементи останні протягом однієї чверті періоду перетворюють енергію струму в енергію свого магнітного поля (індуктивності) або електричного поля (ємності), щоб протягом наступної чверті періоду перетворити цю енергію в енергію струму. Ця енергія отримала назву реактивної (тобто енергія, яка повертається); вона принципово не може бути використана для виконання корисної роботи. Потужність обміну енергією між реактивним елементом і струмом називається реактивною потужністю, що споживається цим елементом.

Якщо реальний елемент одночасно має і активні і реактивні властивості, то при протіканні струму він споживає і активну, і реактивну потужність.

У колах змінного струму, де напруга і струм – функції часу, вводиться поняття миттєвої потужності , яка, як видно, теж залежить від часу. Споживана активна потужність знаходиться як середнє значення миттєвої потужності за період:

. (5.1)

Ця величина вже не залежить від часу. Відтепер і далі під словом «потужність» буде матися на увазі саме «середнє значення потужності за період коливання струму». Споживана активна потужність виражається через діючі значення напруги та струму і залежить від зсуву по фазі у приймача:

(5.2)

Реактивна потужність (зрозуміло, середня за період) також визначається діючими значеннями напруги і струму і зсувом по фазі:

(5.3)

Разом активна і реактивна потужності складають повну потужність, споживану приймачем, однак вони підсумовуються не арифметично, а векторно. Оскільки вектори активної та реактивної потужності повернуті один щодо одного на , то повну потужність можна знайти за теоремою Піфагора:

(5.4)

Важливою характеристикою приймача є коефіцієнт потужності, що є відношенням активної потужності приймача до його повної потужності:

(5.5)

Спеціального позначення коефіцієнт потужності не отримав. Він показує, яка частина повної потужності, переданої приймачу, може бути використана для виконання корисної роботи.

Значення коефіцієнта потужності в колі змінного струму розглянемо на прикладі спрощеної схеми електропостачання промислового об'єкта (рис 5.1): джерело (електростанція) постачає на об'єкт, розрахований на номінальну напругу , потужність із зсувом по фазі , по лінії електропередач з опором лінії . Для того, щоб об'єкт спожив свою номінальну потужність, джерело повинно забезпечити в лінії струм . Цей струм, протікаючи по лінії, викликає нагрів проводів; потужність виділення тепла в лінії складає

(5.6)

Т аким чином, втрати енергії в лінії електропередач ростуть обернено пропорційно квадрату коефіцієнта потужності. Звідси випливає важливе завдання: забезпечити промисловим об'єктам великі коефіцієнти потужності.

Якщо обладнання об'єкта таке, що його зсув по фазі занадто великий, то на об'єкті встановлюється додаткове компенсуюче обладнання. Розглянемо схему компенсації реактивної потужності активно-індуктивного приймача (рис. 5.2).

Коло моделює об'єкт, що має індуктивність і активний опір (у схемі окремо виділені опір котушки індуктивності і опір активного елемента ).

Струм , який тече через приймач, відстає по фазі від напруги на кут (див. векторну діаграму на рис. 5.3). Компенсуючий конденсатор підключено паралельно приймачу. Струм конденсатора випереджає по фазі напругу на . Відповідно до першого закону Кірхгофа струм в лінії електропередач дорівнює векторній сумі струмів приймача і компенсуючого конденсатора. Конденсатор розраховується так, щоб кут зсуву фаз виявився рівним заданому (встановленому постачальником енергії) куту ; при цьому струм в лінії виявляється менше струму приймача: . В результаті втрати енергії на нагрівання проводів зменшуються.

В екторна діаграма потужностей активно-індуктивного приймача до та після компенсації за допомогою паралельно підключеного конденсатора (рис. 5.4) наочно ілюструє зменшення повної потужності приймача за рахунок реактивної потужності конденсатора, яка діє у протифазі з реактивною потужністю індуктивності.

Також на цій діаграмі наочно видно зменшення зсуву фаз від до _.

Зміст і порядок виконання роботи.

1. У відповідності з вихідними даними необхідно розрахувати номінал компенсуючого конденсатора в колі, що зображено на рис. 5.2.