Основные теоретические положения. Лабораторная работа № 2

Лабораторная работа № 2

Исследование работы двухпроводной линии электропередачи

 

Цель работы:

1) познакомиться с основными электротехническими параметрами, характеризующими работу линии электропередачи (ЛЭП);

2) исследовать работу линии в режиме холостого хода  нагрузки;

3) исследовать влияние тока нагрузки на потерю напряжения и мощности, а также коэффициент полезного действия линии.

 

 

Основные теоретические положения

Передача и распределение электрической энергии осуществляется в большинстве случаев с помощью воздушных и кабельных линий электропередачи. Однолинейная, принципиальная схема производства, передачи и распределения электроэнергии показана на рис. 1.

На строительных площадках получили широкое распространение воздушные линии (ВЛ) вследствие возможности простого изменения трассы в ходе строительных работ, их меньшей стоимости (по сравнению с кабельными), простоты обнаружения мест повреждения, а также удобства ремонта.

 

Рис.1. Принципиальная схема производства, передачи и распределения электроэнергии:

1-трехфазный генератор электростанции; 2-трансформаторная подстанция (ТП) с повышающим трансформатором; 3-воздушная линия электроснабжения (ЛЭП); 4-главная понижающая подстанция; 5-ТП с поникающим трансформатором; 6-кабепьнае воздушные распределительные линии электроснабжения; 7-ТП3 и ТП4 - трансформаторные подстанции потребителей электроэнергии; 8-приемники электроэнергии.

В условиях предприятии стройиндустрии, как и вообще промышленных предприятий, а также в жилых районах и на стройплощадках, распределение электроэнергии осуществляется и кабельными линиями (КЛ), которые отличаются высокой надежностью электроснабжения. Они не подвержены влиянию ветра и гололеда, не загромождают, подобно ВЛ, улицы ropoда и территории предприятий

При передаче электроэнергии от электростанции к потребителю, т.е. при прохождении по проводам электрического тока, в ЛЭП возникает потеря напряжения, под которой понимают разность напряжений в начале U ₁ и в конце U ₂ линии:

                                              (1)

Потеря напряжения может быть определена и таким образом

                                                (2)

где  I - величина токе в линии передачи;

R - сопротивление проводов линии.

Необходимо отметить, что потеря напряжения в ЛЭП ухудшает работу электроприемников. Так, при уменьшении напряжения на 10% от
номинального, световой поток ламп снижается на 30%. Поскольку вращающий момент на валy асинхронных двигателей пропорционален квадрату напряжения на его зажимах, то он значительно уменьшается при снижении питающего напряжения. А это отрицательно сказывается на работе производственных механизмов.

ГОСТом нормируются допустимые отклонения напряжения в проц.:

а) на зажимах приборов рабочего освещения, в т.ч. и прожекторного, от ‑2,5 до +5 % от номинального;

б) не электродвигателях от -5 до +10% от номинального;

в) на зажимах остальных приемников электрической энергии в пределах ±5% от номинального.

В связи с этим потерю напряжения, при расчетах выражают часто
не в вольтах, а в процентах

                                               (3)

Прохождение электрического тока по проводам линий электропередач приводит к необратимому преобразованию электрической энергии в тепловую, т.е. к их бесполезному нагреву. Этот нагрев происходит за счет потерь мощности Р в проводах

                                                      (4)

которые можно определить и так:

                                                               (5)

Мощность Р ₁ (затраченная) подается на вход линии передачи
от генератора и может быть определена из соотношения

                                                       (6)

Мощность Р ₂ (полезная) снимается с выхода линии и передается
потребителям. Её величину рассчитывают, используя выражение

                                                       (7)

Отношение этих мощностей называют коэффициентом полезного
действия h

                         (8)

который характеризует экономичность работы линии электропередачи. Современные ЛЭП обеспечивают передачу электрической энергии с h=95÷98 %.

 

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему лабораторной установки, показанной на рис. 2

 

Рис.2. Схема лабораторной установки

2. При отключенных потребителях (холостой ход линии) измерить напряжение на входе U₁ и выходе U₂ линии.

3. Тумблером подключить первый потребитель (резистор) и измерить U_1, U₂, I

4. Подключая последовательно остальные пять резисторов, повторить измерения U_1, U₂, I и все полученные результаты занести в таблицу.

Результаты измерений и расчетов

№ п/п	Измерено			Вычислено
	U 1	U 2	I	Δ U	R Л	P 1	P 2	P	h	R Н
	В	В	мА	В	Ом	Вт	Вт	Вт	%	Ом

 

5. Вычислить потерю напряжения ΔU (формула 1), сопротивление проводов линии R_Л (2), мощность в начале линии Р₁ (6) и P₂ отдаваемую ЛЭП потребителям (7), потери мощности в проводах линии ΔР (4), коэффициент полезного действия работающей линии (8), величину эквивалентного сопротивления потребителей

 

6. Полученные результата занести в таблицу и построить в масштабе графические зависимости: Δ U= f(I); Δ P= f(I); U ₂ = f(I); h= f(I).

7. По результатам работы сделать выводы и записать их в отчет.

 

Контрольные вопросы и задания.

 

1. Нарисуйте схему передачи электроэнергии от генератора электростанции до потребителя.

2. Каким напряжением выгодно передавать заданную мощность (высоким или низким) и почему?

3. Что такое потеря напряжения в линии? Как её можно определить?

4. 0т чего зависит потеря мощности в ЛЭП

5. Что такое коэффициент полезного действия линии и как он определяется?

6. Как найти сопротивление линии электропередачи?

7. Какие отклонения напряжения на зажимах электроприемников допускаются ГОСТом?

8. Расскажите о цели, порядке выполнения лабораторной работа.

9. Соберите схему лабораторной установки.

 

 

Лабораторная работа № 3

Последовательное соединение резистора, катушки индуктивности и конденсатора

 

Цель работы:

1) проверить основные соотношения для цепи, содержащей последовательно соединенные активные и реактивные элементы;

2) ознакомиться с построением векторных диаграмм напряжений и токов, а также треугольников сопротивлений и мощностей.

 

Лабораторная работа № 4

 

Цель работы:

1) ознакомить с понятием и технико- экономическим значением повышения коэффициента мощности;

2) изучить практические способы определения и улучшения коэффициента мощности электрических цепей.

Порядок выполнения работы

 

1. Собрать на стенде электрическую схему лабораторной работы (рис. 2) и дать ее проверить преподавателю.

 

Рис. 2. Электрическая схема лабораторной установки

2. Определить коэффициент мощности цепи, содержащей обмотку возбуждения однофазного асинхронного двигателя с активным сопротивлением R и индуктивностью L. Для этого разомкнуть тумблер P ₁ и P ₂, а затем включить стенд. Снять показания приборов и записать их в таблицу измерений и расчетов.

3. Исследовать способ повышения cos φ цепи с обмоткой возбуждения при параллельном подключении к ней электрической печи с резистивным нагревательным элементом, имеющем сопротивление R _доб. Для этого замкнуть тумблер P ₁, снять показания приборов и записать их в таблицу.

4. Исследовать способ повышения cos φ цепи с обмоткой возбуждения при параллельном подключении к ней статического конденсатора, имеющего реактивное емкостное сопротивление X _C. Для этого разомкнуть тумблер P ₁ и замкнуть тумблер P ₂. Снять показания приборов и записать их в таблицу.

5. Отключить стенд и показать результаты наблюдений преподавателю.

Результаты измерений и расчетов                    Таблица 5

№ п/п

Измерено

Вычислено

U

I 1

I 2

X L

X C

P

Q L

Q C

Q

S

cos φ

I

В

мА

мА

Ом

Ом

Вт

вар

вар

вар

ВА

-

мА

6. Пользуясь результатами наблюдений и значениями параметров схемы R, L, и R _доб вычислить для опытов и записать в таблицу:

                    а) индуктивное сопротивление обмотки возбуждения:

, Ом;

                    б) реактивное емкостное сопротивление конденсатора:

,  Ом;

в) активную мощность потребителя или цепи:, Вт (1-й и 3-й опыты) и, Вт (2-й опыт);

г) реактивную индуктивную мощность цепи:, вар;

д) реактивную емкостную мощность конденсатора:, вар (3-й опыт);

е) суммарную реактивную мощность, потребляемую из сети (от генератора): Q= Q _L- Q _C,

ж) полную электрическую млщность потребителя:, ВА;

з) коэффициент мощности цепи переменного тока:;

к) общий ток цепи:.

7. Для каждого опыта вычислений построить в масштабе треугольники мощностей.

8. По полученным результатам лабораторной работы сделать выводы о роли и значении коэффициента мощности в электрических цепях, необходимости и способах его повышения.

 

Контрольные вопросы и задания

 

1. Что называется коэффициентом мощности электрической цепи?

2. Поясните природу угла сдвига по фазе φ между током и напряжением в электрической цепи.

3. Как можно рассчитать величину cos φ цепи?

4. Для расчета какой мощности цепи используется значение cos φ?

5. Влияет ли величина cos φ на значение тока при неизменных напряжении и активной мощности в цепи?

6. В чем заключается технико-экономическое значение повышения cos φ?

7. Какие естественные способы повышения cos φ Вы знаете?

8. Поясните суть и методы искусственных способов повышения cos φ.

9. Влияет ли и почему значение cos φ на нагрев проводов линии электропередач?

10. Расскажите о цели и порядке проведения работы.

11. Соберите схему лабораторной установки.

 

Лабораторная работа № 5

 

Соединение приемников звездой трехфазной цепи

 

Цель работы:

1. Установить соотношение между линейными и фазными величинами токов и напряжений при различных режимах работы соединения;

2. По опытным данным построить векторные диаграммы напряжений и токов при симметричной нагрузке фаз;

3. Выяснить влияние обрыва линейного и нейирального проводов на режим работы потребителей.

 

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему (рис.4)

2. Замкнуть рубильники Р ₁ и P ₂ и после проверки преподавателем правильности соединений в схеме включить питание.

3. Изменяя выключателями число параллельно включенных резисторов в каждом фазной приемнике добиться симметричной активной нагрузки фаз, при которой амперметры фазных токов дают одинаковые показания. Амперметр, включенный в нулевой провод, должен показать отсутствие тока. Вольтметром со щупами измерить последовательно линейные U _AB, U _BC, U _CA и фазные U _A, U _B, U _C напряжения. Показания всех приборов записать в таблицу.

4. Создать несимметричную активную нагрузку по фазам, измерить фазные и линейные токи и напряжения. Обратить внимание на показания амперметра в нулевом проводе. Показания записать в таблицу.

5. Создать обрыв линейного провода фазы А при установленной несимметричной нагрузке и включенном нулевом проводе путем размыкания рубильника Р ₁ и вновь провести те же наблюдения.

6. Восстановить целостность линейного провода А-А путем включения рубильнике P₁. Оборвать нулевой провод, разомкнув рубильник Р ₂. Как и в предыдущем случае, нагрузка останется несимметричной.

Полученные экспериментальные данные необходимо обработать в следующем порядке:

а) найти отношение среднеарифметических значении линейных и фазных напряжений для опыта с симметричной нагрузкой и полученную величину сравнить с теоретическим значением;

б) рассчитать величины активной нагрузки каждой фазы для всех опытов по формуле:

                                                           (6)

Результаты занести в таблицу.

 

Результаты измерений и расчетов

Данные измерений

Результаты вычислений

Ток, мА

Напряжение, В

Нагрузка, Ом

Активная мощность

фазные

линейные

Фазная

Об-щая

I A

I B

I C

I N

U A

U B

U C

U AB

U BC

U CA

R A

R B

R C

P A

P B

P C

P

 

Примечание. Опыт №1 – симметричная активная нагрузка с нулевым проводом; №2 - несимметричная активная нагрузка с ну левым проводом; №3 - несимметричная активная нагрузка при обрыве линейного провода фазы А и наличии нулевого провода; №4 – несимметричная активная нагрузка без нулевого провода.

в) рассчитать активную мощность приемников каждой фазы для всех опытов по формуле:

                                  (7)

и общую активную мощность соединения

                                                      (8)

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема стенда

г) построить в масштабе по опытным данным векторные диаграммы напряжения и токов для всех исследованных режимов работы трехфазной системы.

По результатам сделать выводы о соотношении между фазными и линейными величинами; о назначении нулевого провода; о работе соединения "звезда" при всех исследованных режимах.

Контрольные вопросы и задан

1. Как соединить потребители звездой?

2. Какие напряжения и токи называются

а) фазными; б) линейными?

3. Запишите векторные уравнения, связывающие между собой фазные и линейные напряжения.

4. Каковы соотношения между а) фазными и линейными токами; б) фазными и линейными напряжениями при симметричной нагрузке?

5. Какие функции выполняет нулевой провод?

6. Как отразится обрыв нулевого провода на работу потребителей при несимметричной нагрузке?

7. Как изменятся напряжения потребителей при обрыве одного из линейных проводов и отсутствии нулевого провода?

8. Построите векторную диаграмму токов и напряжений при несимметричной активно-индуктивной нагрузке.

9. По каким формулам рассчитываются мощности соединения "звезда" при симметричной и несимметричной нагрузке?

10. Приведите пример использования симметричной (несимметричной) нагрузки, соединенной звездой в технике.

11. Соберите схему лабораторной установки.

12. Расскажите порядок выполнения лабораторной работы.

 

Лабораторная работа № 6

Соединение приемника треугольником в трехфазной цепи

 

Цель работы: l) установить соотношения между фазными и линейными величинами токов и напряжений при различных режимах работы соединения; 2) по опытным данным построить векторные диаграммы токов и напряжений при симметричной и несимметричной нагрузках фаз; З) выяснить влияние обрыва линейного провода и разрыва в фазе на режим работы потребителей.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Собрать схему соединения "треугольник" (рис. 2)

2. Включить рубильники Р ₁ и P ₂ и после проверки правильности соединений в схеме включить питание схемы.

3. Установить симметричная режим работы соединения. Это достигается соответствующим включением резисторов в каждой фазе. При этом амперметры фазных токов должны показывать одинаковые величины. С помощью вольтметра со щупами измерить линейные напряжения U _AB, U _BC, U _CA. Показания записать в таблицу.

4. Установить несимметричный режим работы за счет изменения разных нагрузок. Измерить фазные и линейные величины, записать их в таблицу.

5. При несимметричном режиме (установленном в п.4) создать разрыв в фазе АВ. Для этого надо отключить P ₂, измерить фазные и линейные величину и записать их в таблицу.

6. Включить рубильник P ₂. При несимметричном режиме (установленном в п.4) выключить рубильник P ₁. Этим будет создан режим обрыва линейного провода А. Произвести измерения, записать их в таблицу.

 Результаты измерений и вычислений

Экспериментальные величины						Расчетные величины
Фазные токи, мА			Напряжение, В			Линейные токи мА			Сопротивления фаз, Ом
I AB	I BC	I CA	U AB	U BC	U CA	I A	I B	I C	R AB	R BC	R CA

Примечания:

Опыт 1. Симметричная нагрузка, P ₁ и P ₂ включены;

Опыт 2. Несимметричная нагрузка, P ₁ и P ₂ включены;

Опыт 3. Несимметричная нагрузка, P ₁ – включен, P ₂ – отключен, разрыв фазы АВ;

Опыт 4. Несимметричная нагрузка, P ₁ – отключен, P ₂ – включен. Обрыв линейного провода А.

    

7. Найти отношение среднеарифметических значений линейных и фазных токов и сравнить их о теоретическим значением.

8. Рассчитать величины активной нагрузки в каждой фазе по формуле.

.

9. Для первых трех опытов построить в масштабе векторные диаграммы токов и напряжений. Определить по ним значения линейных токов и записать их в таблицу.

10. Сделать выводы по каждому исследованному режиму.

 

Контрольные вопросы и задания

 

1. Нарисуйте схему соединения "треугольник" для следующих потребителей: в фазе АВ – активно-индуктивная нагрузка, в фазе ВС – активная нагрузка, в фазе СА – активно-емкостная нагрузка.

2. Постройте векторную диаграмму токов и напряжений для этого случая.

3. Для трех фазных обмоток электродвигателя нужно произвести соединение "треугольник". Нарисуйте схему с указанием начала и конца фазных обмоток.

4. Постройте векторную диаграмму токов и напряжений для этого случая. Графически определите эти токи.

5. Какому режиму соответствует отключение рубильника P ₁ (или P ₂) при реальном использовании соединения "треугольник".

6. Как изменится активная мощность трехфазного асинхронного электродвигателя при переключении его обмоток со "звезды" на "треугольник" при сохранении величины линейного напряжения.

7. Можно ли допустить длительную эксплуатацию фазных потребителей, соединенных треугольником, при обрыве одного из линейных проводов?

8. Расскажите о ходе выполнения лабораторной работы.

9. Соберите схему лабораторной установки.

 

Литература

 

1. Кононенко В.В. и др. Электротехника и электроника: Учебное пособие для вузов. Серия "Высшее образование", 2-е изд. – Ростов н/Д: Феникс, 2006.

2. Методические указания к лабораторной работе по курсу "Общая электротехника" /Г.С.Селезнев, И.М. Эршон, А.П. Мальков, Н.Л. Быкадорова, В.В.Кононенко.– Ростов н/Д: РИСИ, 1972.

3. Методические указания к лабораторным работам по электротехнике /В.В.Кононенко, Н.В.Кузнецов, В.Е. Столярчук, Т.С.Иванова, В.И. Ми-

шкович, Ю.П. Шагинян. Часть 1. II-е изд. – Ростов н/Д: РИСИ, 1981.

4. Электротехника  /Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1985.

5. ГОСТ 2.721-74 ÷ ГОСТ 2.766-76. Обозначения условные графические в электрических схемах.

 

 

Редактор Н.Е. Гладких

Темплан 2007 г.,поз. 87________________________________________________

 Подписано в печать 26.04.07 Формат 60х84 1/16.

Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд.л. 2.0. Тираж 250 экз.

Зказ_________________________________________________________________

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета

344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162