Исследование режимов работы линии передачи постоянного тока с помощью схемы замещения

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

           

R л + R н

I = ————;                                                   (2.1)

 

 

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:

P 2

 

P 1

                                η = — * 100%                                                                (2.7)

 

 

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).

 

P 2

R н I2 * 100%

R н* 100%

1

                  

P 1

R п + R н

R п R н

η = — * 100% = ————— = ———— = ———— * 100%               (2.8)

(R п + R н) I2

 

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:

 

I к

2

                                             I _с.р. = —. 

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:

U 1

R л

                                                             I _к = —

 

 

                           

 

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.