Цель работы: изучение процессов в электрической цепи с параллельным соединением приемников, повышение коэффициента мощности цепи путем подключения конденсатора параллельно потребителю, построение векторных диаграмм.
Общие сведения
Потребители электрической энергии по своему характеру нагрузки в большинстве случаев являются активно-индуктивными, т.е. потребляют из сети активную и индуктивную мощности. Индуктивная нагрузка потребителя вызывает наличие в токе нагрузки индуктивной составляющей тока IL, которая вызывает положительный угол сдвига фаз между напряжением и током. Чем больше индуктивная нагрузка, тем больше угол сдвига фаз φ и меньше коэффициент мощности cos φ потребителя. Низкое значение коэффициента мощности вызывает увеличение общего тока цепи и обуславливает увеличение потерь мощности и напряжения в питающей линии. Одним из способов повышения коэффициента мощности цепи является подключение параллельно нагрузке батареи конденсаторов, которое вызывает протекание в цепи емкостного тока IC. Емкостный реактивный ток конденсатора IC компенсирует реактивную индуктивную составляющую тока IL потребителя. Компенсация индуктивной составляющей тока нагрузки приводит к повышению коэффициента мощности cos φ цепи, уменьшению величины общего тока I и, следовательно, к уменьшению потерь напряжении и мощности в линии. Обычно применяется неполная компенсация сдвига фаз, при которой коэффициент мощности достигает значения cosφ ≥ 0,95. Улучшение коэффициента мощности cos φ посредством включения конденсатора называется компенсацией реактивной мощности и является мерой искусственного улучшения коэффициента мощности.
Домашнее задание
1. Изучить теоретический материал «Параллельное соединение элементов в цепи переменного тока». Обратить внимание на коэффициент мощности и способы его повышения для экономичности системы электроснабжения предприятий.
2. Подготовить таблицы 2, 4 и 6 для записи опытных данных и ответы на контрольные вопросы к данной работе.
Рабочее задание
1. Ознакомиться с лабораторной установкой.
2. Собрать электрическую цепь с конденсатором C (рис. 1), используя элемент цепи в соответствии с заданным вариантом (табл. 1). Представить схему для проверки преподавателю.
Рис. 1. Электрическая цепь с конденсатором
Таблица 1
| № варианта | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| f, Гц | 150 | 200 | 150 | 200 | 150 |
| C | C 1-1 | C 2-1 | C 2-2 | C 1-1 | C 2-1 |
3. После проверки схемы преподавателем включить источник питания E 3, установить значение напряжения питания 10 В.
4. Определение режимных параметров цепи.
Нажимая кнопку на измерительном приборе PP 1 вывести на экран в четвертой строке значение частоты f. Изменяя регулятором частоту f напряжения источника питания, установить значение частоты f в соответствии с вариантом. Снять с прибора PP 1 показания напряжения U, тока IC, мощности P. Затем повторными нажатиями кнопки на приборе PP 1 последовательно вывести на экран значения коэффициента мощности cosφ и угла φ. Результаты измерений занести в табл. 2. Выключить источник питания E 3.
Таблица 2
| Измерено | Рассчитано | |||||||
| f, Гц | U, В | IC, mA | P, Вт | cosφ | φ, град | QC, ВАр | XC, Ом | С, мкФ |
5. По результатам измерений вычислить величины, указанные в табл. 2.
6. Собрать электрическую цепь (рис. 2) с катушкой индуктивности L, используя элемент цепи в соответствии с заданным вариантом (табл. 3). Представить схему для проверки преподавателю.
Таблица 3
| № варианта | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| f, Гц | 150 | 200 | 150 | 200 | 150 |
| L | L 1 | ||||
7. После проверки схемы преподавателем включить источник питания E 3, установить значение напряжения питания 10 В.
8. Определение режимных параметров цепи
Нажимая кнопку на измерительном приборе PP 1 вывести на экран в четвертой строке значение частоты f. Изменяя регулятором частоту напряжения источника питания, установить значение частоты f в соответствии с вариантом. Снять с прибора PP 1 показания напряжения U, тока IK, мощности P. Затем повторными нажатиями кнопки на приборе PP 1 последовательно вывести на экран значения коэффициента мощности cos φ и угла φ. Результаты измерений занести в табл. 4. Выключить источник питания E3.
Рис. 2. Электрическая цепь с катушкой индуктивности
Таблица 4
| Измерено | Рассчитано | ||||||||||
| U | f | IK | φ | P | cosφ | QL | I аК | IL | r К | xL | L |
| В | Гц | mA | град | Вт | о.е. | ВАр | A | A | Ом | Ом | Гн |
9. По результатам измерений вычислить величины, указанные в табл. 4.
10. Собрать электрическую цепь с параллельным соединением катушки индуктивности L и конденсатора C (рис. 3), используя элементы цепи в соответствии с заданным вариантом (табл. 5). Представить схему для проверки преподавателю.
Таблица 5
| № варианта | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| f, Гц | 150 | 200 | 150 | 200 | 150 |
| C | C 1-1 | C 2-1 | C 2-2 | C 1-1 | C 2-1 |
| L | L 1 | ||||
11. После проверки схемы преподавателем включить источник питания E 3, установить значение напряжения питания 10 В.
Рис. 3. Электрическая цепь при параллельном соединении катушки индуктивности и конденсатора
12. Определение режимных параметров цепи.
Нажимая кнопку на измерительном приборе PP 1 вывести на экран в четвертой строке значение частоты f. Изменяя регулятором частоту напряжения источника питания, установить значение частоты f в соответствии с вариантом. Снять с измерительного прибора показания напряжения U, тока I и мощности P. Затем повторными нажатиями кнопки на приборе PP 1 последовательно вывести на экран значения коэффициента мощности cos φ и угла φ. С помощью амперметров А в параллельных ветвях измерить токи катушки IK и конденсатора I С. Результаты измерений занести в табл. 6. Выключить источник питания E 3.
Таблица 6
| Измерено | Рассчитано | |||||||||||
| U | f | I | IK | I С | φ | P | cos φ | Q | QL | QC | C | IL |
| В | Гц | mA | mA | mA | град | Вт | ВАр | ВАр | ВАр | мкФ | mA | |
13. По результатам измерений вычислить величины, указанные в табл. 6.
14. Теоретически для заданной частоты тока f рассчитать величину емкости C конденсатора, при которой наблюдается полная компенсация реактивной индуктивной мощности катушки - резонанс токов. Для этого принять во внимание равенство индуктивной составляющей тока катушки IL и тока конденсатора I С. Рассчитать при этой величине емкости конденсатора все режимные параметры цепи и заполнить вторую строчку в табл. 6.
15. Построить для схем исследуемых цепей в масштабе четыре векторные диаграммы напряжения и токов.
Расчетные формулы
Для схемы рис.1
Ёмкостное сопротивление цепи
Ёмкость конденсатора
Реактивная емкостная мощность батареи конденсаторов
Для схемы рис.2
Полная мощность катушки
Реактивная индуктивная мощность катушки
Активная составляющая тока катушки
Индуктивная составляющая тока катушки
Полное сопротивление катушки
Активное сопротивление катушки
Индуктивное сопротивление катушки
Индуктивность катушки
Для схемы рис.3
Полная мощность цепи
Реактивная мощность цепи
Реактивная емкостная мощность
Реактивная индуктивная мощность
Индуктивная составляющая тока катушки
Ёмкость конденсатора
Содержание отчета
Отчет по работе должен содержать:
- наименование работы и цель работы;
- схемы исследуемых цепей;
- таблицы с результатами опытов и вычислений;
- расчетные соотношения;
- четыре векторные диаграммы для исследуемых схем;
- выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Как на векторных диаграммах при параллельном включении потребителей определить величину тока, потребляемого из сети?
2. С какой целью повышают коэффициент мощности цепи?
3. Как можно определить коэффициент мощности цепи?
4. Как изменится величина тока, потребляемого из сети, если параллельно потребителю с активно-индуктивным характером нагрузки включить конденсатор?
5. Как изменится активная мощность цепи, если параллельно потребителю включить конденсатор?
6. Почему уменьшается ток, потребляемый из сети, при подключении конденсатора параллельно индуктивной катушке?
7. Может ли возрасти ток, потребляемый из сети, при подключении конденсатора параллельно индуктивной катушке?
8. Как применяется 1-й закон Кирхгофа в цепях переменного тока?
9. Построить векторную диаграмму цепи, которая содержит параллельно включенные идеальную индуктивную катушку и конденсатор?
10. Что такое «резонанс токов»? При каком условии он возникает?
Работа №5
