Стенд СЭЦ-1М
Ростов-на-Дону
ДГТУ 2017
ОГЛАВЛЕНИЕ
| 1. Цель практикума | |
| 2. Приборы и оборудование | |
| 3. Описание лабораторного стенда. | |
| 4. Указания по выполнению работ | |
| 4.1 Указания мер безопасности | |
| 4.2 Проверка работоспособности стенда | |
| 4.3 Лабораторная работа (№1) Исследование неразветвленной линейной электрической цепи постоянного тока. За- кон Ома. | |
| 4.4 Лабораторная работа (№2) Потери в линиях электропередач постоян- ного тока. | 15 |
| 4.5 Лабораторная работа. Исследование линейных электрических це- пей постоянного тока (№3 - Последовательное соединение; №4 – Параллельное соединение; №5 – Смешанное соединение) | 20 |
| 5. Титульный лист | 74 |
1. ЦЕЛЬ ПРАКТИКУМА
Целью данного лабораторного практикума является организация и проведение лабораторных работ для изучения дисциплины «Общая электротехника, электроснабжение и вертикальный транспорт » в части ее разделов, посвященных изучению линейных электрических цепей постоянного тока.
При доработке методического обеспечения и дооснащения стенда соответствующим приборным оборудованием, возможно также проведение цикла лабораторных работ по исследованию однофазных и трехфазных трансформаторов, исследованию переходных процессов в линейных электрических и магнитных цепях.
2. ПРИБОРЫИ ОБОРУДОВАНИЕ
Лабораторный стенд СЭЦ-1М (модернизированный) состоит из приборного блока, в составе которого находятся три однофазных трансформатора, регулируемый однофазный блок питания переменного и постоянного напряжений, блок нагрузок и два мультиметра VC97. Для выполнения лабораторных работ стенд должен быть укомплектован двумя стрелочными ваттметрами и фазометром с параметрами: ток – 0,5 - 1А, напряжение 30 – 150 В. Вместо стрелочных приборов могут быть использованы соответствующие цифровые приборы.
Паспортные данные однофазного трансформатора
Номинальная мощность  , ВA
| |
Номинальное напряжение первичной обмотки  , В
| |
Номинальное напряжение вторичной обмотки  , В
| |
| Номинальный ток первичной обмотки, А | 0,18 |
| Номинальный ток вторичной обмотки, А | |
| Напряжение короткого замыкания uк,% | |
| Ток холостого хода Iх, % | 1,5 |
3. Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд состоит из моноблока размерами 800 х 650 х 250, с расположенными на передней панели двумя мультиметрами предназначенных для измерения напряжений и токов, блока нагрузок, выключателей для модификации схемы, блока однофазных трансформаторов в количестве 3 шт и блока питания регулируемых напряжений переменного и постоянного тока. Комплектование стенда измерителем активной мощности и фазометром предусматривается заказчиком. Для подключения стенда к сети он снабжен силовым штепсельным разъемом в комплекте с кабелем.
Предусмотрен вариант поставки лабораторного стенда в компьютерном варианте для работы совместно с ПЭВМ. Настоящая редакция методических указаний ориентирована на базовый вариант лабораторного стенда (без работы с ПЭВМ).
3.1. ПЕРЕДНЯЯ ПАНЕЛЬ
Внешний вид лабораторного стенда представлен на рис. 3.1.
На левой боковой стенке стенда расположен сетевой ввод 1 для подключения стенда к трехфазной сети напряжением 380 В, нулевому проводуи присоединения корпуса стенда на «землю». Здесь же расположен ввод для подключения однофазного автотрансформатора регулируемого блока питания стенда.
На этой же стенке стенда расположены дифференциальный автомат защиты QF1 подключения стенда к напряжению сети и автомат защиты QF2 регулируемого блока питания стенда.
Передняя панель крепиться к корпусу стенда с помощью винтов, расположенных на самой панели. Приборы и различные элементы стенда, закрепленные на передней панели, соединены с элементами стенда на монтажной панели, расположенной внутри корпуса стенда, с помощью соединительных кабелей необходимой длины, которые позволяют при необходимости отсоединить переднюю панель от корпуса и произвести регламентное обслуживание передней и монтажной панелей.
Рис. 3.1. Внешний вид лабораторного стенда
Функционально передняя панель содержит набор электротехнических элементов, позволяющими с закрепленными на ней приборами и элементами схемы производить сборку принципиальных электрических схем лабораторных работ,
осуществлять необходимые измерения и переключения при выполнении работы.
На передней панели расположены органы управления стендом, индикаторы, измерительные приборы для контроля основных параметров, разъемы для подключения к приборному блоку внешних устройств и изображения электрических элементов лабораторных схем.
Таблица 3.1
| Наименование элемента | Обозначение на рис. 3.1, 3.2 | Исходное положение | Назначение | |
| Элементы защиты | ||||
| Дифференциальный автомат защиты QF1 | QF1 | Нижнее | Защита стенда от превышения потребляемого из сети тока допустимого значения и защита персонала от поражения током в случае прямого однополюсного прикосновения к частям электрооборудования, оказавшимся под напряжением | |
| Автомат защиты QF2 | QF2 | Нижнее | Защита блока питания от превышения допустимого тока нагрузки | ||||
| Индикаторы | |||||||
| Лампа индикаторная на кнопке «Вкл» | «Питание стенда» | Не горит | Индикация наличия на клеммах А, В, С сетевого напряжения | ||||
| Лампа индикаторная на кнопке «Откл» | «Питание стенда» | Не горит | Индикация включения автомата QF1 и подключения стенда к сети | ||||
| Лампа индикаторная на кнопке «Вкл» | «Блок питания» | Не горит | Индикация наличия на клеммах XS1 и XS2 переменного регулируемого напряжения (переключатель АS1 в верхнем положении) или регулируемого напряжения постоянного тока на клеммах XS3 и XS4 (переключатель AS1 нижнем положении) | ||||
| Лампа индикаторная на кнопке «Откл» | «Блок питания» | Не горит | Индикация включения автомата QF2 и подключения регулируемого блока питания к сети | ||||
| Измерительные приборы | |||||||
| Мультиметр | - | - | Измерение напряжения, тока, омического сопротивления, прозвонка цепи | ||||
| Переключатели и выключатели | |||||||
| Магазин сопротивлений | RP3 | 0-180 Ом | Переключение активной нагрузки | ||||
| Магазин емкостей | С | 5 -120 мкФ | Переключение емкостной нагрузки | ||||
| Регулятор выносного автотрансформатора | АТ | Крайнее левое | Регулирование напряжения переменного и постоянного тока на выходных клеммах XS1, XS2 и XS3, XS4 | ||||
| Выключатель | SА2 – SA7 | Нижнее | Модификация схем | ||||
| Переключатель | SA1 | Определяется при сборке схемы | Переключатель выходного напряжения блока питания | ||||
| Гнезда | |||||||
| Гнезда | А,B,C,N | - | Электрические разъемы трехфазного напряжения с нейтралью | ||||
| Гнезда | XS1 – XS2 | - | Регулируемое напряжение переменного тока 0 – 220 В | ||||
| Гнезда | XS3 – XS4 | - | Регулируемое напряжение постоянного тока 0 – 220 В | ||||
| Гнезда | XS25 – XS36 | - | Для подключения выключателей | ||||
| Гнезда | XS5 – XS24 | - | Для подключения нагрузок | ||||
| Гнезда | СШ1 – СШ3 | - | Гнезда сборных шин | ||||
4. УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТ
4.1. УКАЗАНИЯ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ
Корпус приборного блока стенда должен быть заземлен.
Не допускается работа обучающихся со стендом при открытом состоянии панелей приборного блока.
4.2. ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ СТЕНДА
· установить органы управления, расположенные на лицевой панели моноблока в соответствии с указаниями, приведенными в табл. 3.1
· включить автоматы QF1, QF2 на левой боковой панели стенда, при этом должны загореться индикаторные лампы красного света на кнопках «Откл» питания стенда и блока питания;
· с помощью мультиметра на лицевой панели проверить наличие линейного (380 В) и фазного (220 В) напряжения на гнездах А, В, С, N;
· с помощью регулятора напряжения и мультиметра на лицевой панели проверить работоспособность блока питания как по переменному (гнезда XS1,XS2), так и постоянному (гнезда S3,XS4) напряжениям;
· с помощью блока питания и мультиметров произвести проверку работоспособности нагрузочных элементов.
· (Внимание – в избежание перегрева нагрузочных элементов R1-R3, С, L1, L2 и L3 протекающий по ним ток не должен превышать 1 А, напряжение на нелинейном активном элементе не должно превышать 220 В).
· Внимание – обратить особое внимание на проверку полярности выводов обмоток трансформаторов и индуктивных катушек L2 и L3. Проверка полярности осуществляется с помощью блока питания и мультиметра.
· с помощью блока питания проверить работоспособность трансформаторов и параметры для включения в трансформаторную группу.
· Собрать на панели трансформаторную группу и осуществить проверку работоспособности трансформаторов.
4.3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА (№1)
Исследование неразветвленной линейной электрической цепи постоянного тока. Закон Ома.
4.3.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследование неразветвленной линейной электрической цепи постоянного тока работающей на нагрузку. Экспериментальное подтверждение закона Ома.
4.3.2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Электрическая цепь постоянного тока в общем случае содержит источники электрической энергии, приемники электрической энергии, измерительные приборы, коммутационную аппаратуру, соединительные линии и провода.
Графическое изображение электрической цепи называется схемой. Если в схеме каждое электротехническое устройство обозначено его условным обозначением согласно действующим стандартам, то такие графические изображения цепей называются принципиальными схемами.
Задача анализа электрических цепей обычно сводится к определению тем или иным методом токов в ветвях и напряжений на различных участках цепи.
Столкновения свободных электронов в проводниках с атомами кристаллической решетки тормозят их поступательное (дрейфовое) движение. Это противодействие направленному движению свободных электронов, т.е. постоянному току, составляет физическую сущность сопротивления проводника. Аналогичен механизм сопротивления постоянному току в электролитах и газах.
Для участка цепи с сопротивлением R (см. рис. 4.1) ток и напряжение связаны простым соотношением – законом Ома
Uab = RIab или U = RI (1)
Величина обратная сопротивлению, называется проводимостью G=1/R. Основная единица сопротивления в СИ – ом (Ом), проводимости – сименс (См).
Проводящие свойства материала определяет его обьемное удельное сопротивление ρv, равное сопротивлению между противоположными сторонами куба с ребром 1 м, изготовленного из данного материала. Величина обратная обьемному удельному сопротивлению, называется обьемной удельной проводимостью Yv = 1/ρv.
Единица обьемного сопротивления - 1 Ом м, обьемной удельной проводимости – 1 См/м.
Сопротивление проводника постоянному току зависит от температуры. В общем случае наблюдается сложная зависимость, но при изменении температуры в относительно узких пределах (примерно 2000 С) ее можно выразить формулой
R2 = R1(1 + α(Θ2 – Θ1)) (2)
где R1 и R2 – сопротивления соответственно при температурах Θ1 и Θ2;
α-температурный коэффициент сопротивления, равный относительному изменению сопротивления при изменении температуры на 1 0С.
В табл. 4.1 приведены значения обьемного удельного сопротивления и температурного коэффициента сопротивления некоторых материалов. Где 1 мкОм = 10-6 Ом.
Таблица 4.1.
| Материал | Обьемное удельное сопротивление при 20 0С, мкОм м | Температурный коэффициент сопротивления (на 1 0С) | ||
| Серебро | 0,016 | 0,0035 | ||
| Медь техническая | 0,0185 | 0,0041 | ||
| Алюминий | 0,0295 | 0,004 | ||
| Сталь | 0.125 – 0,146 | 0,00057 | ||
| Константан | 0,44 | 0,00005 | ||
| Нихром | 1,02 – 1,12 | 0,0001 | ||
Электротехническое устройство, обладающее сопротивлением и применяемое для ограничения тока, называется резистором.
Линейный резистивный элемент является схемой замещения любой части электротехнического устройства, в которой ток пропорционален напряжению. Его параметром служит сопротивление R = const.
Если зависимость тока от напряжения нелинейная, то схема замещения содержит нелинейный резистивный элемент, который задается нелинейной вольт-амперной характеристикой I(U). На рис. 4.2 приведены вольт-амперные характеристики линейного и нелинейного резистивных элементов (соответственно линии а, б, а также условные обозначения их на схемах замещения.
Рис. 4.2
4.3.3. ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Повторить разделы курса ТОЭ, посвященные описанию резистивных элементов, источников постоянного тока и закона Ома.
2. Ознакомиться с устройством стенда, записать данные измерительных приборов и регулятора напряжения.
3. На передней панели стенда с помощью соединительных концов собрать схему лабораторной работы и после проверки ее преподавателем выполнить экспериментальные исследования.
4. Используя результаты опытов, построить вольт-амперные характеристики и характеристики мощности линейных и нелинейного резистивных элементов.
5. Составить отчет и сделать заключение о проделанной работе.
4.3.4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Собрать электрическую цепь в соответствии со схемой изображенной на рис. 4.3.
Рис. 4.3
При сборке схемы в качестве амперметра использовать один из мультиметров с пределом измерения по току 10 А, второй мультиметр используется в качестве вольтметра (пределы измерений мультиметров регулируются автоматически). Для подключения мультиметров использовать приложенные в комплекте соединительные концы.
2. Установить переключатели на мультиметрах в положение соответствующее измерению постоянных тока и напряжения и после проверки схемы преподавателем снять вольт-амперные характеристики для трех значений резистивного элемента RP3 – 33 Ом, 66 Ом, 99 Ом. Автотрансформатор АТ позволяет плавно регулировать подводимое к резистору RP3 напряжение постоянного тока. Всего делают не менее пяти замеров для каждого резистивного элемента через приблизительно равные интервалы тока, изменяя подводимое к резистору напряжение от нуля до значения при котором ток в резистивном элементе достигнет значения 1 А. Показания измерительных приборов заносят в табл. 4.2.
Таблица 4.2
| Номер измерения | Измерения, R = 36, 72, 108, 144, 180 Ом | Вычисления | ||
| U, В | I, А | I, А | Р, Вт | |
| 0.55 | 0.55 | |||
| 0.27 | 0.27 | 5.4 | ||
| 0.18 | 0.18 | 3.6 | ||
| 0.14 | 0.14 | 2.8 | ||
| 0.10 | 0.10 | 2.2 |
Затем выполняют расчеты: ток в резистивном элементе по закону Ома.
I = U/R;
Мощность, потребляемая резистивным элементом.
Р = UI или Р = I2 R.
1опыт. I=U:R=20:36=0.55 А
Р=UI=20*0.55=11 Вт
2опыт. I=U:R=20:72=0.27 А
Р=UI=20*0.27=5.4 Вт
3опыт. I=U:R=20:108=0.18 А
Р=UI=20*0.18=3.6 Вт
4опыт. I=U:R=20:144=0.14 А
Р=UI=20*0.14=2.8 Вт
5опыт. I=U:R=20:180=0.10 А
Р=UI=20*0.10=2.2 Вт
Полученные значения вычисленных величин занести в табл.4.2. По данным таблицы строят экспериментальные и расчетные вольт-амперные характеристики и характеристики мощности резистивных элементов (на общей координатной сетке): I = f (U), Р = f(I).
|
|
Чем выше сопротивление, тем меньше значение силы тока.
|
|
Чем выше сила тока, тем выше и мощность.
4.3.5.ВЫВОД
Зависимость Р(I) линейная, что позволяет снизить значение силы тока, снижая его мощность.
4.3.6 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Обьяснить на основе закона Ома зависимость вольт-амперной характеристики для линейного элемента?
2. Обьяснить внешний вид характеристики мощности линейного резистивного элемента?
3. Температурная зависимость резистивного элемента?
4. Какие материалы Вы бы рекомендовали для изготовления соединительных проводов?
5. Закон Ома с учетом зависимости резистивного элемента от температуры?
4.4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА (№2)
Потери напряжения в линиях электропередач постоянного тока.
4.4.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Определение падения напряжения в медных и стальных проводах при различных нагрузках в линиях электропередач постоянного тока.
4.4.2 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Линии электропередачи – центральный элемент системы передачи и распределения электрической энергии. Линии выполняются преимущественно воздушными и кабельными. На энергоемких предприятиях применяют также токопроводы, на генераторном напряжении электростанций – шинопроводы, в производственных и жилых зданиях – внутренние проводки.
Наиболее распространены на всех ступенях системы электроснабжения воздушные линии ввиду их относительно малой стоимости.
Провода воздушных линий предназначены для передачи электроэнергии. Наряду с хорошей электропроводностью (возможно меньшим электрическим сопротивлением), достаточной механической прочностью и устойчивостью против коррозии, они должны удовлетворять условиям экономичности. С этой целью применяют провода из наиболее дешевых металлов – алюминия, стали, специальных сплавов алюминия. Хотя медь обладает наибольшей проводимостью, медные провода из-за высокой стоимости и необходимости для других целей в новых линиях не используются.
Кабельная линия – линия для передачи электроэнергии, состоящая из одного или нескольких параллельных кабелей, выполненная каким-либо способом прокладки. Кабельные линии прокладываются там, где строительство воздушных линий невозможно из-за стесненной территории, неприемлемо по условиям техники безопасности, нецелесообразно по экономическим, архитектурно-планировочным показателям и другим требованиям. Наибольшее применение кабельные линии нашли применение при передаче и распределении электроэнергии на промышленных предприятиях и городах, при передаче электроэнергии через большие водные пространства и т.п. Достоинства и преимущества кабельных линий по сравнению с воздушными: неподверженность атмосферным воздействиям, скрытность трассы и недоступность для посторонних лиц, меньшая повреждаемость, компактность линии и возможность широкого развития электроснабжения потребителей городских и промышленных районов. Однако кабельные линии значительно дороже воздушных того же напряжения (в среднем в 2-3 раза для линий 6 - 35 кВ и в 5 - 6 раз для линий 110 кВ и выше), сложнее при сооружении и эксплуатации.
Кабель – готовое заводское изделие, состоящее из изолированных токопроводящих жил, заключенных в защитную герметичную оболочку и броню, предохраняющие их от влаги, кислот и механических повреждений. Силовые кабели имеют от одной до четырех алюминиевых или медных жил сечением 1,5 – 2000 мм2. Жилы сечением до 16 мм2 – однопроволочные, свыше – многопроволочные.
Длина воздушной и кабельной линий электропередачи связана с номинальным напряжением на которое она рассчитана и при ее увеличении (передача электроэнергии на большие расстояния) возникает необходимость повышения напряжения электропередачи. При боле высоком напряжении увеличивается предельная мощность электропередачи, наряду с этим снижаются потери мощности и энергии в активном сопротивлении линии. Одновременно возрастают стоимость линии и оборудования подстанций, потери энергии на корону и емкостной ток линии.
Для передачи электроэнергии постоянным током сооружаются преобразовательные подстанции – выпрямительная (ВПС) на питающем конце электропередачи, преобразующая после трансформации на высокое напряжение переменный ток в постоянный с незначительными пульсациями с последующей передачей энергии на расстояние, и инверторная (ИПС) на переменном конце с обратным преобразованием постоянного тока в переменный для трансформации на низкое напряжение.
До настоящего времени не созданы удовлетворительной конструкции выключатели постоянного тока высокого напряжения. Отключение линий постоянного тока (ЛПТ) производится закрытием полупроводниковых вентилей ВПС. Поэтому электропередача постоянного тока имеет блоковую схему: ВПС – ЛПТ – ИПС без присоединения других ИПС в промежуточных пунктах линии. Техническая трудность осуществления разветвленных линий электропередачи постоянного тока вызвана также особенностями их режимного регулирования, обеспечения устойчивости, необходимостью локализации аварий и др.
Энергия передается по воздушным и кабельным линиям постоянного тока высокого напряжения. Реактивные элементы линии не проявляют себя при постоянном токе, а сопротивление линии ограничивается только омическим значением. Поэтому наибольшая мощность, передаваемая по ЛПТ, ограничена пропускной способностью преобразовательных подстанций и допустимым нагревом проводов, кабелей и других элементов.
Из ряда качеств ЛПТ выделим особое: по электропередаче постоянного тока возможно соединение электроэнергетических систем с различной частотой, т.е. возможно выполнить несинхронную связь различных систем и, в частности, передачу мощности от ГЭС при пониженных напоре и частоте, обьединение маломощной системы с более мощной без замены оборудования по параметрам режима короткого замыкания.
Наличие двух подстанций (выпрямительной и инверторной) – дорогих и сложных в эксплуатации – сдерживает широкое применение линий постоянного тока. Применение постоянного тока для передачи электроэнергии может быть альтернативой переменному току для сверхдальних линий (от 1500 км и выше и передаче мощности свыше 2000 МВт). Электропередачи постоянного тока меньшей протяженности применяются при решении технических задач формирования обьединенных энергосистем, не решаемых с помощью электропередач переменного тока (обеспечение устойчивости параллельной работы, несинхронная связь электроэнергетических систем большой мощности, кабельные линии большой протяженности), а также в тех случаях, когда сооружение воздушных и кабельных линий электропередачи переменного тока экономически нецелесообразно, например, для пересечения морского пространства.
Активное сопротивление обуславливает нагрев проводов (тепловые потери) и зависит от материала токоведущих проводников и их сечения. Для линий постоянного тока сопротивление принимают равным омическому, т.к. поверхностный эффект отсутствует поскольку частота тока равна нулю (f = 0).
Активное погонное сопротивление линии определяется по формуле, Ом/км,
R0 = ρ/F, (1)
где ρ – удельное активное сопротивление материала провода, Ом мм2/км;
F – сечение фазного провода (жилы), мм2.
Для технического алюминия в зависимости от его марки можно принять ρ = 29,5 – 31,5 Ом мм2/км, для меди ρ = 18,0 – 19,0 Ом мм2/км.
Применение стальных проводов ограничено вследствие высокого (по сравнению с медью и алюминием) электрического сопротивления стали (удельное сопротивление ρ достигает величины 130 Ом мм2 / км). Поэтому передача больших мощностей на значительные расстояния затруднена вследствие больших потерь напряжения и электроэнергии. Основное достоинство стальных проводов – их высокие механические свойства. Поэтому стальные провода применяют при выполнении больших переходов через естественные препятствия (широкие реки, горные ущелья и т.п.).
Активное сопротивление не остается постоянным. Оно зависит от температуры провода, которая определяется температурой окружающего воздуха (среды), скоростью ветра и значением проходящего по проводу тока.
Омическое сопротивление упрощенно можно трактовать как препятствие направленному движению зарядов узлов кристаллической решетки материала проводника, совершающих колебательное движение около равновесного состояния. Интенсивность колебаний и, соответственно, омическое сопротивление возрастают с ростом температуры проводника.
Зависимость активного сопротивления от температуры провода t в пределах 200 0С определяется в виде
R0t = 
(1 + α(t – 20 0C))
где – нормативное значение сопротивления R, рассчитывается по формуле (1), при температуре проводника t = 20 0С;
α – температурный коэффициент электрического сопротивления, Ом/град (для медных, алюминиевых и сталеалюминиевых проводов α = 0,00403, для стальных α = 0,00455).
Трудность уточнения активного сопротивления линий по представленному выражению заключается в том, что температура провода, зависящая от токовой нагрузки и интенсивности охлаждения, может заметно превышать температуру окружающей среды. Необходимость такого уточнения может возникнуть при расчете сезонных электрических режимов.
Маркируются провода по материалу токоведущей части провода и площади ее поперечного сечения в квадратных миллиметрах, например, М16 (медный), А50 (алюминиевый) и ПС16 (стальной).
4.4.3. ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Повторить разделы курса ТОЭ, посвященные описанию резистивных элементов, источников постоянного тока и закона Ома.
2. Ознакомиться с устройством стенда, записать данные измерительных приборов и регулятора напряжения.
3. На передней панели стенда с помощью соединительных концов собрать схему лабораторной работы и после проверки ее преподавателем выполнить экспериментальные исследования. При сборке схем учитывать, что линия W1 моделирует электропередачу постоянного тока медным проводом М16 (F=16мм2, погонное сопротивление R0=18:16=1,125 Ом/км, длинной L = 4666,7 м, сопротивление линии R= L*R0 = 4,6667*1,125 = 5,25 Ом), а линия W2 моделирует электропередачу постоянного тока стальным проводом ПС16 (F=16мм2, погонное сопротивление R0=128,6:16= 8,035 Ом/км, длинной L = 4666,7 м, сопротивление линии R= L*R0 = 37,5 Ом).
4. Используя результаты опытов, построить зависимости ΔU, ΔP, ΔU', ΔP',η = f(I) в одной координатной сетке для различных линий W1 и W2.
5. Составить отчет и сделать заключение о проделанной работе.
4.4.4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Собрать электрическую цепь в соответствии со схемой изображенной на рис. 4.4.
При сборке схемы в качестве амперметра использовать один из мультиметров с пределом измерения по току 10 А, второй мультиметр используется в качестве вольтметра PV1 и PV2 (пределы измерений мультиметров регулируются автоматически). Для подключения мультиметров использовать приложенные в комплекте соединительные концы.
Рис. 4.4
2. Установить переключатели на мультиметрах в положение соответствующее измерению постоянных тока и напряжения и после проверки схемы преподавателем снять экспериментальные данные для линии W1 и линии W2 в соответствии с таблицей 4.3. Автотрансформатор АТ позволяет плавно регулировать подводимое к схеме напряжение постоянного тока. Установить переключатель SА1 в положение выдачи постоянного напряжения, регулятор напряжения в крайнее левое положение. Последовательно с помощью автоматов защиты QF1 и QF2 подключают стенд к источнику питания и включают блок питания стенда.
Постепенно увеличивают напряжение на входе схемы до значения при котором ток в схеме равен 1 А. Показания измерительных приборов заносят в табл. 4.3
| П.п. | Измерения, линия W1 | Вычисления | ||||
| U1, В | U2, В | I, А | ΔU, В | ΔР, Вт | η | |
| 88% | ||||||
| 0.8 | 86% | |||||
| 0.6 | 1.8 | 88% | ||||
| 0.4 | 0.8 | 95% | ||||
| 0.2 | 0.2 | 97% |
Таблица 4.3
Затем выполняют расчеты:
1. Падение напряжения в линии
ΔU = U1 – U2;
2. Потери мощности в линии
ΔР = ΔUI;
3. Коэффициент полезного действия электропередачи
η = 
4. Расчетное значение падения напряжения
ΔU’ = I Rt,
где Rt = R0t L сопротивление электропередачи приведенное к рабочей температуре (в лабораторной работе принимается равной 70 Со или задается преподавателем).
1 опыт
ΔU =43-38=5 В
ΔР=5*1=5 Вт
η =(43-5)*100/43=88%
2 опыт
ΔU =35-30=5 В
ΔР=5*0.8=4 Вт
η =(35-5)*100/35=86%
3 опыт
ΔU =26-23=3 В
ΔР=3*0.6=1.8 Вт
η =(26-3)*100/26=88%
4 опыт
ΔU =17-15=2 В
ΔР=2*0.4=0.8 Вт
η =(17-0.8)*100/17=95%
5 опыт
ΔU =9-8=1 В
ΔР=1*0.2=0.2 Вт
η =(9-0.2)*100/9=97%
Полученные значения вычисленных величин занести в табл.4.3. По данным таблицы строят экспериментальные и расчетные характеристики в соответствии с программой работы.
|
|
|
|
|
|
|
|
4.4.5 ВЫВОД
Чем ниже сила тока, тем ниже потери на нагрв.
4.4.6 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Почему необходимо передавать (транспортировать) электроэнергию?
2. Каковы преимущества и качества линий электропередачи постоянного тока?
3. Как влияет увеличение тока в цепи на падение напряжения в электропередаче и ее коэффициент полезного действия?
4. Как влияют геометрические параметры провода линии и его материал на падение напряжения?
5. Как снизить падение напряжения электропередачи и повысить ее коэффициент полезного действия?
4.5 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА (№3)
Исследование линейных электрических цепей постоянного тока. Последовательное соединение.
4.5.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Экспериментальная проверка законов Кирхгофа и основных свойств линейных цепей постоянного тока.
4.5.2 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Различные методы анализа электрических цепей позволяют определить тем или иным способом токи в ветвях и напряжения на различных участках цепи.
В основе методов анализа цепей лежат законы Кирхгофа и Ома. Для линейных цепей справедливы: принцип наложения, свойство взаимности, теорема об эквивалентном генераторе и др.
Законы Кирхгофа.
Первый закон Кирхгофа является следствием закона сохранения заряда, согласно которому в узлах электрической цепи не может происходить накопление зарядов. Это позволяет сделать вывод о том, что сумма токов, направленных к узлу, равна сумме токов, направленных от узла, или – алгебраическая сумма токов ветвей в любом узле электрической цепи равна нулю 
.
Второй закон Кирхгофа является следствием закона сохранения энергии. Согласно второму закону Кирхгофа, алгебраическая сумма падений напряжений в контуре равна алгебраической сумме ЭДС в этом контуре 
, где n – число ЭДС в контуре; m – число резистивных элементов в контуре. Знаки слагаемых в каждой сумме зависят от совпадений или несовпадений положительного направления напряжений, токов и ЭДС с направлением обхода контура.
Свойство взаимности - если единственный в схеме источник ЭДС, включенный в m-ю ветвь, приводит к возникновению тока In в n-й ветви, то тот же источник ЭДС, включенный в n-ю ветвь, создает в m-й ветви ток Im = In. Свойство взаимности справедливо и для напряжений.
Принцип наложения - ток в любой ветви электрической цепи, находящейся под воздействием нескольких источников электрической энергии, равен алгебраической сумме частичных токов, вызываемых каждым источником в отдельности. Принцип наложения справедлив и для напряжений.
Теорема об эквивалентном генераторе.
В соответствии с теоремой любая сложная линейная цепь по отношению к заданной ветви может быть представлена активным двухполюсником с эквивалентной ЭДС Eэ и внутренним сопротивлением Rвн, причем ЭДС Eэ равна напряжению на зажимах разомкнутой ветви (напряжению холостого хода), а сопротивление Rвн равно входному сопротивлению двухполюсника со стороны зажимов, к которым подключена указанная ветвь.
Двухполюсником называется цепь, которая соединяется с внешней относительно нее частью цепи через два вывода – полюса. Различают активные и пассивные двухполюсники, которые соответственно содержат и не содержат источники электрической энергии.
Вольт-амперную характеристику активного двухполюсника (генератора) можно построить по двум точкам, соответствующим режимам холостого хода, т.е. при сопротивлении нагрузки (заданной ветви) Rн = ∞, I = 0, и короткого замыкания, т.е. Rн = 0, U = 0, I = Iкз.
ЭДС и внутреннее сопротивление эквивалентного генератора могут быть определены либо расчетным, либо эксперимен