Лабораторные работы по электротехнике

Работа № 1

Исследование режимов работы линии электропередачи с помощью схемы замещения

Цель работы. Изучение энергетического процесса и распределения напряжений в схеме замещения 2-х проводной линии электропередачи при постоянной величине напряжения в начале линии в зависимости от тока в линии, определяемого количеством включенных потребителей электрической энергии.

Всякий потребитель электрической энергии получает ее от генератора по воздушной или кабельной линии передачи, выполненной из металлического (медного, алюминиевого или стального) провода и обладающей определенным сопротивлением. Это сопротивление обуславливает падение напряжения и потерю мощности в линии.

При изменении числа включенных потребителей электрической энергии изменяется величина тока в линии, что обуславливает изменение падения напряжения и потерь мощности в линии и отражается на работе потребителей.

Для теоретического и экспериментального изучения процессов в двухпроводной линии электропередачи пользуются эквивалентной схемой замещения (рис. 2), где  - сопротивление линии;  - эквивалентное сопротивление всех подключенных потребителей;  - ток в линии;  - напряжение в начале линии;  - напряжение в конце линии (у потребителя).

Рис. 2

С учетом принятых обозначений

;

(1)

;

(2)

;

(3)

.

(4)

Энергетический процесс в схеме характеризуется следующим соотношением мощностей:

мощность, отдаваемая генератором в линию

;

(5)

мощность потерь электрической энергии в линии

;

(6)

мощность, отдаваемая линией потребителю (мощность нагрузки)

.

(7)

Коэффициент полезного действия линии  определяется как отношение мощностей  и :

.

(8)

Если в формуле (7) ток выразить через отношение мощности потребителя к напряжению у потребителя и подставить это выражение для тока в формулу (6), то для мощности потерь электрической энергии в линии получается следующее выражение:

.

(9)

Согласно (9), при постоянной мощности нагрузки  величина потерь в линии обратно пропорциональна квадрату напряжения, т.е. электрическую энергию экономично передавать при высоких напряжениях. Однако с ростом напряжения увеличивается стоимость изоляции линии. На практике применяют тем большее напряжение, чем больше передаваемая мощность и дальность передачи.

Заменив в формуле (8)  и  их выражениями по (5) и (7), получим новую форму записи выражения для расчета коэффициента полезного действия линии:

.

(10)

Домашнее задание

1. Изучить теоретический материал по режимам работы электрических цепей /Л1, с. 24-25; Л2, с. 57-60; Л5, с. 30-32; Л6, с. 25-26; конспект лекционного курса/.

2. Проработать содержание и порядок выполнения работы, изложенные в разделе "Рабочее задание". В рабочей тетради подготовить табл. 2, а также табл. 1 паспортных данных приборов (см. п. 5 общих положений).

3. Подготовить ответы на контрольные вопросы к данной работе.

Рабочее задание

1. Работу следует выполнять по схеме, показанной на рис. 3.

В качестве потребителей используются лампы накаливания, включенные параллельно. При увеличении числа включенных ламп их эквивалентное сопротивление будет уменьшаться, а ток в цепи увеличиваться.

Рис. 3

В качестве аналога линии электропередачи используются два проволочных реостата. Общее сопротивление линии .

Максимальный ток будет при коротком замыкании в конце линии (выключатель В замкнут, напряжение на потребителях и токи в них равны нулю). Ток короткого замыкания

.

Сопротивление  нужно установить такой величины (положением движков проволочных реостатов), чтобы ток  был близок к пределу измерения амперметра и не превышал номинального тока проволочных реостатов.

2. Включить цепь под напряжение и, замкнув выключатель В, измерить ток короткого замыкания .

3. Изменяя величину тока от нуля до  снять показания для 7 точек. Интервал между точками . Показания приборов записать в табл. 2.

Таблица 2

Измерено

Вычислено

А

В

В

Ом

Вт

Ом

о.е.

4. По ранее приведенным формулам вычислить для всех режимов (исключая режим холостого хода) ,  и занести их в правую часть табл. 2. Вычислить величину  и также занести ее в табл. 2.

Примечание. Работа выполнена правильно, если сопротивление проводов линии  в каждом опыте отличается от среднего значения  не более чем на 10 %.

Обработка результатов эксперимента
(указания к самостоятельной работе)

1. По результатам эксперимента вычислить для всех режимов значения , , , ,  и занести их в табл. 2. Численное значение коэффициента полезного действия рассчитывается по формуле (10).

2. По данным табл. 2 построить в общей системе координат зависимости , , , , ,  от тока . Образец для построения графиков приведен на рис. 1.

3. Проанализировать зависимости , , , , ,  от тока . При анализе выявить и обосновать области возрастания (убывания) этих величин, установить их экстремумы.

Используя экспериментальные данные, установить, при каком соотношении сопротивлений линии электропередачи  и нагрузки  и при каком значении коэффициента полезного действия   мощность нагрузки   является максимальной. Отметить особенности режимов: холостого хода, номинальной работы, короткого замыкания. Выявить рациональные по величинам  и  режимы работы для мощных линий и слаботочных цепей связи, телемеханики и автоматики. Сделать выводы по работе.

4. Студенты ряда специальностей (по указанию преподавателя) дополнительно к изложенному в п. 3, должны получить аналитическую зависимость , исследовать ее на максимум и выявить, при каких условиях значение  максимально и какое значение при этом имеет коэффициент полезного действия . Результаты аналитических исследований сопоставить с экспериментальными данными и сделать соответствующие выводы. Материал по данному вопросу можно найти в /Л5, с. 31-32/.

Контрольные вопросы

1. Из каких элементов состоит электрическая цепь?

2. В чем состоит цель расчета электрической цепи и как она достигается?

3. Сформулируйте законы Ома и Кирхгофа. Расскажите о методике применения их к расчету простых цепей постоянного тока.

4. Расскажите о тепловом действии электрического тока. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца. Запишите и объясните уравнение баланса мощностей в любой электрической цепи.

5. Какой режим электрической цепи называется номинальным и какой рабочим?

6. Почему уменьшается напряжение на зажимах источника при увеличении его нагрузки (тока в цепи)?

7. В чем особенности режимов холостого хода и короткого замыкания электрической цепи? Укажите признаки режимов холостого хода и короткого замыкания.

8. Какой режим электрической цепи является согласованным и где он используется?

9. Что называется внешней характеристикой источника?

10. В чем недостаток круто падающей внешней характеристики источника с точки зрения условий работы приемников?

11. Как изменится напряжение в конце линии электропередачи, если в середине линии произойдет короткое замыкание?

12. Объясните, почему при больших мощностях передача энергии на большие расстояния производится при высоких напряжениях?

13. Укажите величину допустимых потерь напряжения в проводах линии электропередачи.

14. Объясните пути уменьшения потерь напряжения в проводах линии электропередачи.

Лабораторные и контрольные работы по электротехнике