Задание и методические указания к эксперименту

1. Замерить мультиметром активное сопротивление R_К катушки индуктивности, используемой в эксперименте.

2. На рабочем поле лабораторного комплекса набрать цепь, приведенную на рис.4.

В качестве источника выбрать генератор синусоидального напряжения регулируемой частоты. Установить на источнике значение напряжения, приведенного на схеме. В качестве амперметров использовать мультиметры, настроенные на соответствующий режим.

3. Изменяя частоту источника от 0,2 до 4,0 кГц, измерить ток в общей части цепи I, токи катушки I_К и конденсатора I_C. Результаты измерений занести в таблицу.

Таблица

№ п\п	f (кГц)	Измеренные величины			Расчетные величины
		I (mА)	IК (mА)	IC (mА)	Y (мCм)	BC (мCм)	ZК (кОм)	BL (мCм)	G (кОм)	φ (град)
1.	0
2.	0,2
3.	0,5
4	1,0
5.	2,0
6.	3,0
7.	4,0

4. По данным измерений рассчитать полную проводимость цепи , емкостную проводимость В_{С ,} полное сопротивление катушки .

Вычислить эквивалентные проводимости катушки B_L ,G по формулам (14).

Рассчитать угол сдвига фаз между напряжением и током φ .

Результаты расчетов занести в таблицу.

5. По результатам измерений и расчетов на одном графике построить зависимости I, I_К, I_C и φ от частоты f, объяснить их характер.

6. Построить векторные диаграммы для трех режимов работы цепи В_L>В_С, В_L<В_С и В_L=В_С и обосновать их особенности.

Контрольные вопросы

1. При каких условиях получается режим резонанса токов?

2. Как и по каким приборам можно определить момент резонанса токов?

3. В чем заключаются характерные особенности резонансного режима работы цепи?

4. При каких условиях токи I_L, и I_C при резонансе токов могут превышать общий ток цепи I?

5. Чем бы характеризовался резонанс токов в цепи, в которой нет активного сопротивления?

6. Как по данным эксперимента определить волновое сопротивление и затухание?

Работа №3

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ НАГРУЗКИ

Цели работы:

• изучение основных эксплуатационных характеристик линии электропередачи переменного тока;

• исследование режимов работы линии при изменении коэффициента мощности нагрузки.

Общие сведения.

Линия электропередачи переменного тока (рис.1) обладает активным сопротивлением R_Л , индуктивностью L_Л и индуктивным сопротивлением X_Л=ωL_Л. Таким образом полное комплексное сопротивление линии равно

Z _Л= R_Л+jX_Л, .

Приемник электроэнергии на конце линии в общем случае имеет активно-реактивный характер, его полное комплексное сопротивление

Z₂= R₂+jX₂,

Вследствие падения напряжения на сопротивлении Z_Л линии напряжение в конце линии (на клеммах приемника) U₂ отличается от напряжения в начале линии U₁.

В расчетах линий электропередачи переменного тока различают падение напряжения и потерю напряжения.

Падение напряжения ΔU есть векторная разность напряжения U₁ на входе линии и напряжения на ее выходе U₂

ΔU= U₁ - U₂ = I Z_Л . (1)

Однако для расчетов качества энергоснабжения потребителей более удобной является алгебраическая разность напряжений в начале и конце линии, называемая потерей напряжения:

δU = U₁ – U₂. (2)

Рассматривая, линию передачи как цепь с последовательным соединением элементов, построим векторную диаграмму (рис.2), иллюстрирующую соотношение между напряжением в начале и конце линии.

Рис.2

Из диаграммы видно, что с достаточно высокой точностью потеря напряжения δU может рассматриваться как сумма проекций на направление U₂ составляющих падения напряжения Ir_Л и jI Х_Л и равна

δU=I₂(R_Лcosφ₂+X_Лsin φ₂), (3)

где φ₂=arctgX₂/R₂ – угол сдвига фаз между напряжением и током приемника.

Формула (3) является основной для расчета линий на потерю напряжения. Из нее видно, что потери напряжения в линии существенно зависит как от силы тока в линии, так и от характера нагрузки подключенной к ней ( угол φ₂). Потери напряжения определяют качество электроснабжения.

Основным параметром характеризующим эксплуатационно-экономические характеристики линии является потеря энергии в ней . Мощность потерь в линии

Р_П.Л=I²_ЛR_Л. (4)

С учетом того, что сила тока в линии определяется током и мощностью приемника подключенного к ней

I_Л= I₂=,

Потери в линии выражается через передаваемую активную мощность как

.

Таким образом, потери мощности в линии, как и потери напряжения, зависят от характера нагрузки. При фиксированной передаваемой активной мощности потери минимальны при cos φ₂ = 1.

Большинство производственных потребителей содержит электродвигатели, трансформаторы и другое оборудование, использующее для нормальной работы энергию магнитного поля. Поэтому наряду с активной мощностью такие приемники потребляют реактивную индуктивную мощность Q=UIsinφ

Предел пропускной способности линий и максимальная загрузка источников определяется полной мощностью и соответственно полным током. При этом лишь часть полной мощности равная S сos φ = P является активной, т.е. может быть преобразована в другие виды энергии и полезно использована. В этой связи cosφ называется коэффициентом мощности. Реактивная мощность лишь загружает линию реактивным током, уменьшая, таким образом, ее пропускную способность.

Однако необходимую для создания магнитного поля реактивную энергию можно получать на месте, не загружая линию передачи и источник реактивным током. Поэтому для разгрузки линии от реактивного тока параллельно потребителю подключают батарею конденсаторов емкостью С (рис.1).

Ток I_С конденсатора является чисто реактивным, опережающим напряжение U₂ на угол π/2 (рис.3). Этот ток компенсирует реактивную индуктивную составляющую тока приемника I_LН, в результате чего общая реактивная составляющая тока уменьшается, что приводит, как видно из векторной диаграммы (рис.3), к уменьшению угла φ₂ и к увеличению коэффициента мощности cos φ₂.

Рис.3

Для обеспечения требуемого значения cos φ_2тр необходимо установить в цепи батарею конденсаторов определенной мощности или емкости. Если приемник имеет мощность P₂=Р_ном и cos φ_Н=cos φ_ном <1 , то он потребляет из сети реактивную индуктивную мощность Q₂=P_номtg φ_ном. При требуемом значении cos φ_2тр> cos φ_ном потребляемая реактивная мощность приемника становится равной Q_2тр= P_номtg φ_2тр.

Разность реактивных мощностей (Q₂ - Q_2тр) компенсируется емкостной реактивной мощностью конденсатора

Q_С= Q₂- Q_2тр= P_ном(tg φ_ном- tg φ_2тр ) . (5)

Реактивная мощность конденсатора определяется

. (6)

Приравнивая правые части уравнений (4) и (5), получим

(7)

При этом емкость выражается в фарадах, если мощность выражена в ваттах, а напряжение в вольтах. Для полной компенсации (φ_2тр=0) необходимо, чтобы

. (8)

В этом случае реактивная составляющая тока нагрузки I_Р полностью компенсируется емкостной составляющей тока I_С и нагрузку вместе с конденсатором можно рассматривать как чисто активную.

В данной работе исследуются режимы работы линии передачи при изменении коэффициента мощности нагрузки.

Схема эксперимента приведена на рис.4.

Рис.4