Цель работы: экспериментальное исследование резонанса токов, знакомство с его практическим использованием для повышения коэффициента мощности.
Программа работы.
1. Собрать измерительную цепь, изображенную на рис. 9, подключить к зажимам a, b конденсатор. По измеренным напряжению U, току I и активной мощности P вычислить реактивную проводимость b C.
|
| Рис. 9. Схема измерительной цепи. |
2. К измерительной цепи подключить индуктивную катушку. Изменяя величину воздушного зазора индуктивной катушки, найти такое положение сердечника, при котором ее реактивная проводимость b к будет равна проводимости конденсатора b C.
3. Собрать электрическую цепь (рис. 10) с параллельным соединением индуктивной катушки и конденсатора (). измерить показания всех приборов и убедиться, что в цепи фазовый резонанс. Построить векторную диаграмму (в масштабе).
|
| Рис. 10. Схема электрической цепи с параллельным соединением индуктивной катушки и конденсатора для исследования режимов, когда,, |
4. В схеме к п. 3 произвести расстройку изменением положения сердечника индуктивной катушки. Измерить напряжение, ток и мощность в двух режимах: и. По результатам измерения построить в масштабе векторные диаграммы. Построить полную (S), активную (P) и реактивную (Q) мощности цепи.
5. Собрать цепь (рис. 11), содержащую активно-индуктивный приемник – асинхронный двигатель (АД). При отключенных конденсаторах измерить U, I и P. Вычислить коэффициент мощности АД.
|
| Рис. 11. Схема цепи для исследования проблемы повышения cos φ активно-индуктивного приемника. |
Подключить параллельно двигателю батарею конденсаторов, установив ее емкость такой, чтобы существенно уменьшился ток источника. Измерить напряжение, токи источника, двигателя и конденсаторов, активную мощность. Вычислить коэффициент мощности всей нагрузки. Построить векторные диаграммы для цепи с отключенным и подключенным конденсатором.
Объяснить, почему при той же мощности АД ток источника во втором случае меньше.
6. Собрать цепь питания АД через «линию передачи» - r л (рис. 12). Измерить ток, напряжение и мощность на зажимах источника и на зажимах приемника. Вычислить коэффициент мощности на входных и выходных зажимах линии.
|
| Рис. 12. Схема цепи для исследования проблемы cos φ в системе «источник → линия передач → приемник» |
Подключить батарею конденсаторов и провести те же измерения. Вычислить коэффициенты мощности для этого случая. Рассчитать для этих двух режимов полную, активную и реактивную мощности источника и нагрузки.
Объяснить, почему в данном случае ток и напряжение на АД увеличится, а ток в линии уменьшится.
Пояснения к работе.
Условием фазового резонанса токов () в цепи с параллельным соединением ветвей индуктивного и емкостного характера является равенство нулю общей реактивной проводимости:
или в комплексной форме:
где; U, I – входные напряжение и ток.
Эквивалентные параметры параллельной схемы замещения пассивного двухполюсника вычисляются по измеренным на входе напряжению U, току I и активной мощности P по формулам:
;;
или
;;;
По приведенным формулам реактивная проводимость b определяется с точностью до знака. Характер нагрузки – индуктивный () или емкостный () – устанавливают специальным измерением знака угла φ.
В данной работе характер нагрузки однозначно устанавливается для схемы (см. рис. 2) c помощью векторной диаграммы по измеренным токам I, I 1, I 2, напряжению U и мощности P.
Формулы для вычисления мощностей в параллельных схемах замещения пассивных двухполюсников:
Полная мощность
Активная мощность
Реактивная мощность
Методические указания
При выполнении пп. 1 – 4 программы рекомендуется опыты проводить при одинаковом значении входного напряжения.
К пункту 2. Поиск положения сердечника индуктивной катушки, при котором ее реактивная проводимость b к будет равна реактивной проводимости конденсатора b C, рекомендуется проводить в следующей последовательности. Установить такое же значение входного напряжения, что и при выполнении п. 1. Изменяя положение сердечника индуктивной катушки, добиться, чтобы ток в цепи был равен по величине току в опыте п. 1. Измерить U, I, P и рассчитать b к. сравнить эту величину с b C. Увеличив воздушный зазор, повторить измерения и вычисления. Сравнить новое значение b к с b C и наметить ход дальнейших действий по поиску такого положения сердечника, при котором. Практически оказывается достаточно сделать 2–3 приближения.
К пункту 3. Если цепь настроена в режим фазового резонанса (,), то, что легко контролируется по показаниям приборов.
К пункту 4. Для выполнения условий и необходимо в первом случае уменьшить воздушный зазор индуктивной катушки по сравнению с воздушным зазором при резонансе. При построении векторных диаграмм за базисную величину удобно принять вектор напряжений U.
К пункту 5,6. Опыты пп. 5,6 иллюстрируют одно практические применение фазового резонанса при параллельном соединении индуктивного приемника и конденсатора.
В энергетическое системе «генератор → линия → приемник» существует проблема повышения коэффициента мощности – cos φ. Сущность ее состоит в том, что для более полного использования установленной мощности генератора и линии приемник должен иметь высокий cos φ. Как правило, потребители большой мощности: заводы, фабрики и т.д. – представляют собой индуктивную нагрузку с. однофазная схема замещения такой цепи представлена на рис. 13,а. Здесь же показана для нее векторная диаграмма. Приемник представлен в виде параллельно включенной активной и реактивной проводимости. Ток I а характеризует потребление активной мощности (безвозвратное превращение электромагнитной энергии в механическую и тепловую). Ток I р характеризует максимальную энергию магнитного поля приемника W м. Эта энергия необходима для нормальной работы приемника. Она периодически то запасается в магнитном поле приемника, то отдается во внешнюю цепь. Реактивный ток соответствует обмену энергией между «далеко» расположенными генератором и приемником, является «вредным», т.к. он не позволяет полно использовать пропускную способность линии и установленную мощность генератора.
| 
|
| а) | |
| 
|
| б) | |
| Рис. 13. Однофазные схемы замещения системы «генератор → линия → приемник» и соответствующие им векторные диаграммы: а – без компенсации реактивной составляющей тока; б – с компенсацией при помощи емкости C |
Подключение конденсаторов параллельно приемнику (рис. 13,б) позволяет осуществить «ближний» обмен энергией между магнитным полем приемника и электрическим полем конденсаторов. При этом цепь «генератор → линия» освобождается полностью или частично от реактивного тока и может быть нагружена дополнительной активной нагрузкой. Этим и окупаются затраты на установку батареи конденсаторов.
Параллельное включение батареи конденсаторов физически не изменяет режима работы потребителя. При подключении конденсаторов падение напряжения в линии уменьшается (т.к. уменьшается ток в линии), за счет этого несколько возрастает напряжение на приемнике (сравнить векторные диаграммы, рис. 13). Для повышения cos φ нельзя использовать резонанс напряжений потому, что в этом случае сильно изменится режим работы приемника – увеличится напряжение.
В лабораторной работе в качестве приемника используются асинхронный двигатель с низким cos φ, а линию передачи имитирует некоторое активное сопротивление r л. При построении векторных диаграмм рекомендуется выбирать в качестве базисной величины напряжение приемника U пр.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте условие, при котором на участке цепи с параллельным соединением емкостного и индуктивного приемника возможен фазовый резонанс токов.
2. Какие величины необходимо измерить в цепи (рис. 10), чтобы убедиться в том, что цепь настроена в резонанс?
3. Что такое коэффициент мощности приемника?
4. Почему для повышения коэффициента мощности в энергетике используется режим, близкий к резонансу токов, а не к резонансу напряжений?
5. Почему при анализе режимов, близких к режиму резонанса токов удобно использовать параллельную схему замещения приемника?
6. Поясните, почему при подключении параллельно АД батареи конденсаторов в цепи (рис. 12) ток и напряжение на двигателе увеличится, а ток в линии уменьшится?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10