Цель работы: Изучение энергетического процесса и распределение напряжений в схеме замещения двухпроводной линии постоянного тока при изменении ее нагрузки от холостого хода (R н = ∞) до короткого замыкания (R н =0) при постоянном напряжении U 1, в начале линии.
Основные теоретические сведения.
Всякий потребитель электрической энергии получает энергию от генератора по воздушной или кабельной линии передачи, выполненной из металлического (медного, алюминиевого или стального) провода и обладающей большим или меньшим сопротивлением. Это сопротивление обуславливает падение напряжения и потерю мощности в линии.
При изменении нагрузки линии (тока потребителя) падение напряжения и потеря мощности в линии изменяются, что сказывается на работе потребителя.
Для теоретического и экспериментального изучения процессов в двухпроводной линии постоянного тока пользуются схемой замещения, изображенной на рис. 2-1.
Рис. 2-1. Схема замещения линии передачи энергии
На схеме приняты следующие обозначения:
R п – сопротивление линии передачи;
R н – сопротивление потребителя, которое может меняться от 0 до ∞
I – ток в линии передачи и у потребителя.
|
|
U 1 – напряжение в начале линии,
U 2 – напряжение в конце линии у потребителя.
Падение напряжения в линии определяется соотношением:
∆ U = U 1 – U 2 = R л I, (2.2)
откуда
R л = Δ U / I. (2.3)
Энергетический процесс в схеме характеризуется соотношением мощностей:
Р 1– мощность, получаемая линией от генератора;
P 1 = U 1 I = (R л + R н ) I ² (2.4)
Р 2 – мощность, отдаваемая линией потребителю;
Р 2 = U 2 I = R н I ² (2.5)
∆ P – потеря мощности в линии
∆ P = R л I ² (2.6)
Коэффициент полезного действия линии η может быть определен из соотношения:
|
|
Для определения к.п.д. линии передачи энергии в предельных режимах работы (режимы холостого хода и короткого замыкания) удобнее пользоваться формулой, которую можно получить воспользовавшись выше приведенными соотношениями (2.4), (2.5), (2.7).
|
|
|
|
|
|
|
|
 |
Основными режимами работы электрической цепи являются: номинальный режим; режим холостого хода; режим короткого замыкания; согласованный режим.
Номинальным режимом называют такой режим, для которого рассчитан источник электрической энергии или электроприемник. Номинальный режим работы определяют номинальное напряжение, номинальный ток, номинальная мощность (U н, I н, R н).
Шкала номинальных напряжений устанавливается общесоюзными государственными стандартами. Ограничение числа номинальных напряжений диктуется как техническими, так и экономическими соображениями. Номинальное напряжение U н влияет на выбор необходимой электрической изоляции и на конструктивное выполнение элементов электрических установок.
Значение номинальных токов I н электрических генераторов и электроприемников лимитируется предельно допустимыми температурами нагрева этих устройств.
Номинальная мощность Р н для электрического генератора – это наибольшая полезная мощность, которую он в нормальных (номинальных) условиях работы может отдавать во внешнюю цепь. Номинальная мощность для электродвигателей – это наибольшая полезная мощность на валу, которую двигатель способен длительно развивать при нормальных условиях работы. Для остальных приемников (ламп, электронагревательных устройств и др.) номинальная мощность – это электрическая мощность, которую они потребляют при нормальном режиме работы.
Режим холостого хода источника – это режим, при котором ток в нем равен нулю. Для практического осуществления режима холостого хода достаточно отключить один из проводов, при помощи которого источник присоединен к цепи (рис. 2-2).
В режиме холостого хода, т.е. при разомкнутой внешней цепи, ее сопротивление практически равно бесконечности (R н = ∞). Напряжение на внешних зажимах источника в режиме холостого хода U х будет наибольшим и равным э.д.с. источника: U х = Е. Следовательно, э.д.с. источника можно измерить вольтметром, подключенным к его разомкнутым внешним зажимам.
Рис. 2-2. Режим холостого хода Рис. 2-3. Режим короткого замыкания
источника источника
Режим короткого замыкания характеризуется тем, что напряжение на короткозамкнутом участке равно нулю (рис. 2-3), сопротивление на этом участке также равно нулю. Ток на короткозамкнутом участке I к будет наибольшим, во много раз превышающим номинальное значение тока I н, поэтому представляет опасность.
Согласованным режимом называют режим, при котором сопротивление внутренней цепи равно сопротивлению внешней, источник отдает на внешнюю цепь наибольшую мощность. Ток при согласованном режиме I с.р. равен половине тока короткого замыкания:
|
|
Перечень оборудования:
1. Источник питания. N варианта по списку + сдвиг заданный преподавателем.
2. Резисторы: R 2 ≈ 24 Ом, R р = 0 ÷ 100 Ом.
3. Измерительные приборы: амперметр и вольтметр.
Содержание работы
Исследовать режимы работы простейшей электрической цепи: номинальный режим, режим холостого хода, режим короткого замыкания, согласованный режим.
Порядок выполнения работы
1. Собрать схему для исследования линии передачи энергии (рис. 2-4).
В качестве сопротивления линии R л используется резистор R 2, в качестве потребителя – резистор R р.
Наибольший возможный ток будет при коротком замыкании в конце линии при R р = 0 (ключ В 1 замкнут). В этом режиме он равен:
|
|
Рис. 2-4. Схема исследования режимов работы.
2. Включив схему под напряжение (показаний приборов не записывать), определить диапазон изменения тока от минимальной нагрузки до короткого замыкания.
3. Изменяя сопротивление резистора R p, выполняющего роль потребителя, снять показания для 5-6 точек, соответствующих различным нагрузкам от холостого хода до короткого замыкания, и занести их в табл. 1. Выделить точки, соответствующие режимам х.х., к.з., с.р., н.р.
Таблица 2-1
| № п.п. | Режимы работы | Данные измерений | Данные вычислений | ||||||
| I, А | U 1, В | U 2, В | Р 1, Вт | Р 2, Вт | R л, Ом | R р, Ом | η, % | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 1. 2. 3. 4. 5. 6. … | х.х. к.з. с.р. н.р. п.р. п.р. ……. | ||||||||
4. По ранее приведенным формулам вычислить для всех режимов Р 1, Р 2, R л, R р, η.
5. По данным таблицы построить на одном графике кривые зависимости U 2(I), P 1 (I), P 2 (I), Δ U (I), η (I).
Примечание: Вольтметр, измеряющий напряжение U 2, должен быть включен до ключа В1.
Содержание отчета
1. Краткое изложение цели работы.
2. Электрическую схему эксперимента.
3. Таблицу с паспортными данными используемых приборов.
4. Результаты измерений и расчетов в виде таблицы.
5. Расчетные формулы.
6. Вывод по работе.
Контрольные вопросы
1. При каких условиях в цепи возникает согласованный режим?
2. При каких условиях в цепи возникает режим короткого замыкания?
3. При каких условиях в цепи возникает согласованный режим?
4. Какой режим работы электрической цепи называют нормальным?
5. Как определяются P 1, P 2, η?
6. Как определить э.д.с. Е генератора экспериментальным путем?
Литература
1. Электротехника [Текст]: / Под ред. В. С. Пантюшина.- М.: Высшая школа, 1976. - гл.2, с. 29-31
2. Касаткин, А.С. Электротехника [Текст]: / А.С. Касаткин, М.В. Немцов; - М.: Высшая школа, 2002. - гл.12, с. 339-356.
3. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. [Текст]: - М.: Гардарики, 2001. - §1.28.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3.
