Исследование цепи с параллельным соединением приемников электрической энергии. Повышение коэффициента мощности.

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 I_L, 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 I_C. Емкостный реактивный ток конденсатора I_C компенсирует реактивную индуктивную составляющую тока I_L 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 I_C, 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	I_C, mA	P, Вт	cosφ	φ, град	Q_C, ВАр	X_C, 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 I_K, 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	I_K	φ	P	cosφ	Q_L	I _аК	I_L	r _К	x_L	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 I_K и конденсатора I _С. Результаты измерений занести в табл. 6. Выключить источник питания E 3.

Таблица 6

Измерено

Рассчитано

I_K

I _С

cos φ

Q_L

Q_C

I_L

Гц

град

Вт

ВАр

мкФ

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 I_L 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