- •Описание и технические характеристики функциональных блоков
- •Основные теоретические сведения
- •I. Исследование статической характеристики активной нагрузки порядок проведения эксперимента
- •II. Исследование статической характеристики индуктивной нагрузки порядок проведения эксперимента
- •III. Исследование статической характеристики активно – индуктивной нагрузки и порядок проведения эксперимента
- •IV. Исследование статической характеристики емкостной нагрузки порядок проведения эксперимента
- •V. Исследование статической характеристики осветительной нагрузки порядок проведения эксперимента
- •VI. Исследование статической характеристики выпрямительной нагрузки порядок проведения эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК , АКТИВНОЙ, ИНДУКТИВНОЙ, ЕМКОСТНОЙ, ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ И ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ НАГРУЗОК
Цель работы – исследование статических характеристик , активной, индуктивной, емкостной, осветительной, выпрямительной нагрузок.
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА И ВХОДЯЩИХ В ЕГО СОСТАВ ЭЛЕМЕНТОВ.
Исследуемые нагрузки получают питание от трёхфазного источника G1 через модель линии электропередачи А3, трёхполюсный выключатель А2 и регулировочный трансформатор А1.
Мощность, потребляемую нагрузками, можно контролировать с помощью измерителя Р1, а величину питающего напряжения – с помощью вольтметра Р2.1 блока мультиметров Р2.
Перечень аппаратуры, используемой в лабораторной работе
Количество аппаратуры определённого типа, используемой в конкретных экспериментах, приведено в таблице 1.
Таблица 1
Тип аппаратуры |
Номер эксперимента |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
201.2 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
301.1 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
306.1 |
+ |
|
|
|
+ |
+ |
313.2 |
|
|
+ |
|
|
|
317.1 |
|
|
+ |
|
|
|
324.1 |
|
+ |
|
|
|
|
332 |
|
|
|
|
+ |
+ |
338 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
340 |
|
|
|
+ |
|
|
507.2 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
508.2 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Описание и технические характеристики функциональных блоков
Таблица 2
Наименование и описание |
Параметры |
Тип |
Размеры, высота/ ширина/ глубина, мм |
1 |
2 |
3 |
4 |
Трехфазный источник питания Предназначен для питания комплекса трехфазным переменным напряжением. Включается вручную. Имеет защиту от перегрузок, устройство защитного отключения, кнопку аварийного отключения и ключ от несанкционированного включения. |
400 В ~; 16 А Ток срабатывания УЗО 30 mA |
201.2 |
297/285/ 140 |
Трехполюсный выключатель Предназначен для ручного или дистанционного / автоматического (от ПЭВМ) включения / отключения электрических цепей. |
400 В ~; 10 А |
301.1 |
297/95/ 120 |
Активная нагрузка Предназначена для моделирования однофазных и трехфазных потребителей активной мощности. Регулируется вручную. |
220/380 В; 50Гц; 30…50 Вт; |
306.1 |
297/285/ 200 |
Модель линии электропередачи Предназначена для моделирования ЛЭП переменного тока как цепи с сосредоточенными параметрами |
400 В~; 3х0,3 А 0…1,5 Гн/0…50 Ом 0…2х0,45 мкФ 0…250 Ом |
313.2 |
297/285/ 145 |
Емкостная нагрузка Предназначена для моделирования опережающей реактивной мощности в электрической системе |
220/380 В; 50 Гц; 3х40 ВАр |
317.1 |
297/285/ 145 |
Индуктивная нагрузка Предназначена для моделирования потребителя отстающей реактивной мощности в электрической системе |
220/380 В; 50Гц; 3х40 ВАр |
324.1 |
297/285/ 200 |
Блок диодов Предназначен для изучения характеристик диодов и схем выпрямителей |
2 А, 600 В |
332 |
297/95/95 |
Осветительная нагрузка Предназначена для моделирования и исследования характеристик узла комплексной электрической нагрузки |
220/380 В; 50 Гц; 3х45 Вт |
340 |
297/285/ 95 |
Измеритель мощностей Предназначен для измерения активной и реактивной мощностей в трехфазных цепях, и отображения их в аналоговой форме. |
0…600 ВА 0…1 А 0…600 В |
507.2 |
297/285/ 155 |
Блок мультиметров Предназначен для измерения токов, напряжений, активного сопротивления. Цифровой с жидкокристаллическим дисплеем. |
3 мультиметра 0…1000 В ; 0…10 А ; 0…20 МОм |
508.2 |
297/285/ 80 |
Основные теоретические сведения
Важнейшая характеристика нагрузки потребителя – значение ее активной и реактивной мощностей. Мощность, потребляемая нагрузкой, зависит от напряжения и частоты. Статические характеристики нагрузки по напряжению , это зависимости активной и реактивной мощностей от напряжения при медленных изменениях параметров режима. Имеются в виду такие медленные изменения параметров режима, при котором каждое их значение соответствует установившемуся режиму.
Активная нагрузка. Если переменное напряжение приложено к зажимам цепи (рис.), имеющей только активное сопротивление , но не обладающей сколько-нибудь заметными индуктивностью и емкостью, то по закону Ома мгновенное значение тока
,
где
.
Таким образом, ток, как и напряжение, изменяется синусоидально, достигая своего положительного максимума (амплитуды) при , т.е. одновременно с напряжением (рис. 1, а).
а)
|
б)
|
Рис. 1. График изменения напряжения и тока (а), векторная диаграмма (б) |
Это значит, что ток и напряжение совпадают по фазе и векторная диаграмма имеет вид, представленный на рис. 1, б.
Рис. 2. Сеть с активной нагрузкой
Так как действующие значения тока и напряжения равны соответствующим амплитудам, деленным на , то разделив на обе части равенства , получим соотношение:
,
показывающее, что в цепи только с активной нагрузкой действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома, имеющему совершенно такую же форму, как и для цепи постоянного тока.
Индуктивная нагрузка. Известно, что прохождение переменного тока всегда сопровождается возникновением переменного, изменяющегося с частотой тока, магнитного потока. Изменение магнитного потока неизбежно сопровождается индуктированием электродвижущей силы самоиндукции, действие которой всегда направлено против изменений тока, проходящего в электрической цепи.
Рис. 3. Сеть с индуктивной нагрузкой
Это и является индуктивной нагрузкой , вызывающей отставание во времени изменений переменного тока от изменений переменного напряжения на так называемый угол сдвига фаз .
На рис. 4 приведена векторная диаграмма мгновенных значений напряжения и тока в цепи переменного тока с индуктивной нагрузкой.
Рис. 4. Сдвиг фаз между напряжением и током
в цепи переменного тока
Индуктивная нагрузка, вызываемая явлением самоиндукции, в цепи переменного тока всегда имеет место, так как для прохождения переменного тока проводники цепи представляют не только активное , но и индуктивное сопротивления. Основное индуктивное сопротивление или индуктивную нагрузку в сетях переменного тока представляют машины и аппараты, действие которых основано на использовании магнитного потока: трансформаторы, реакторы, электродвигатели, индукционные электрические печи и т.п. Они и являются основными потребителями индуктивной, или, как принято называть реактивной мощности .
Таким образом, в сети переменного тока имеются потребители активной и реактивной мощности. Потребителями активной мощности являются потребители, предназначенные для преобразования энергии электрического тока в механическую работу (электродвигатели), в тепло (электрические печи, нагревательные приборы), в свет (источники света), в химические реакции (электролиз, гальваника). Активная мощность выражается формулой для трехфазного тока
Из рис. 4 видно, что , представляет собой активную составляющую полного тока , совпадающую по фазе с напряжением сети , а , где реактивная составляющая тока при индуктивном характере нагрузки, отстающая от напряжения сети на угол .
При смешанном характере нагрузки угол сдвига фазы относительно напряжения меньше .
Емкостная нагрузка. Если к зажимам источника питания, создающего синусоидальное напряжение, присоединить конденсатор (рис. 5.), последний будет периодически заряжаться и разряжаться и, следовательно, в соединительных проводах будет иметь место переменный ток, связанный с напряжением соотношением:
,
где напряжение на зажимах конденсатора, равное в данном случае напряжению источника питания
Рис. 5. Сеть с емкостной нагрузкой
Подставляя, это выражение в предыдущее уравнение и выполняя дифференцирование, получим:
или
где
Таким образом, ток в цепи с емкостью на четверть периода опережает напряжение на зажимах этой емкости (рис. 6, а).
Разделив на обе части равенства , получим действующее значение этого тока:
.
Соответствующая векторная диаграмма представлена на рис. 6, б.
-
а)
б)
Рис.6. Кривые изменения тока и напряжения в цепи с емкостью (а) и векторная диаграмма цепи с емкостью (б)
Произведение , имеющее размерность проводимости, называется емкостной проводимостью. Обратная величина называется емкостным или реактивным сопротивлением и обозначается .
Осветительная нагрузка. В настоящее время использование осветительной нагрузки резко возросло. Так, в сети пониженное напряжение и тусклая освещенность создают дополнительную утомляемость человека, ухудшают его зрение и соответственно уменьшают производительность его труда.
Осветительная нагрузка, состоящая из ламп накаливания, содержит только активное сопротивление нитей ламп и не потребляет реактивной мощности. Активная мощность не зависит от частоты и пропорциональна квадрату напряжения, если считать :
.
Если учитывать зависимость сопротивления нитей ламп от напряжения, то активная мощность осветительной нагрузки пропорциональна напряжению в степени 1,6. Статические характеристики активной мощности осветительной нагрузки по напряжению приведены на рис. 7.
Рис. 7. Зависимость мощности от напряжения при .
Наиболее чувствительными к отклонению напряжения являются лампы накаливания. Люминесцентные лампы менее чувствительны (приблизительно в 2 раза меньше, чем лампы накаливания (ЛН).
Для ламп накаливания снижение напряжения вызывает резкое уменьшение светового потока : снижение напряжения на 5% вызывает снижение светового потока на 10%, а при снижении напряжения на 10% световой поток снижается более чем на 30%. Это вызывает ухудшение зрения, снижение производительности труда, повышает вероятность травматизма. Повышение напряжения на 10% увеличивает световой поток примерно на 30%, но срок службы ламп снижается в 3 раза, что, естественно, ведет к материальным и трудовым затратам на замену ламп. Потребляемая лампами мощность сильно зависит от напряжения:
Выпрямительная нагрузка. Трехфазная мостовая схема, приведенная на рис. 8, была впервые предложена проф. А.Н. Ларионовым в 1923 г.
Рис. 8. Трехфазная мостовая схема выпрямления
Схема состоит из трехфазного трансформатора и шести вентилей . Первичная и вторичная обмотки трансформатора могут соединяться по любой схеме, как в звезду, так и в треугольник. Вентили соединены в две группы: катодную, в которой катоды трех вентилей соединены вместе, и анодную, в которой соединены вместе аноды.
Трехфазная мостовая схема представляет собой сочетание двух трехфазных выпрямителей, включенных последовательно и питающихся от общих обмоток трансформатора напряжениями, сдвинутыми по фазе на . Схема является двухтактной, так как токи во вторичных обмотках трансформатора протекают как в одном, так и в другом направлении; она является также двухполупериодной, так как выпрямляет напряжение как за положительную, так и отрицательную часть периода.
Рис.9. Диаграммы напряжений и токов
в трехфазной мостовой схеме
На рис. 9, а изображены кривые фазных напряжений на зажимах вторичных обмоток трансформатора , и .
На рис. 9, б приведены кривые выпрямленных напряжений и токов для выпрямителей с катодной и анодной группами вентилей. Из этих кривых видно, что выпрямленные напряжения (а также токи) двух трехфазных выпрямителей сдвинуты по фазе на .
Так как оба выпрямителя соединены между собой последовательно, то в любой, произвольно выбранный момент времени напряжение на зажимах нагрузки представляет собой сумму мгновенных значений напряжений на выходе каждого из трехфазных выпрямителей. На рис…г приведена форма кривой выпрямленного напряжения и тока , построенный путем суммирования ординат кривых рис. 9, б и в.
Постоянную составляющую выпрямленного напряжения в трехфазной мостовой схеме можно представить как сумму постоянных составляющих двух трехфазных выпрямителей. Поэтому на основании имеем:
(1)
где фазное напряжение вторичной обмотки.
Выражение (1) удобнее представить в виде:
для фазного напряжения и
для линейного напряжения.
Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора определяется по выражению:
Из рассмотрения рис. 9, г видно, что напряжение на нагрузке достигает максимума шесть раз за период. Следовательно, частота основной гармоники выпрямленного напряжения равна шестикратной частоте тока сети
Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения равна:
Подставив в формулу для определения коэффициента пульсации :
где – амплитуда основной гармоники, коэффициент пульсации напряжения.