ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ,  АКТИВНОЙ, ИНДУКТИВНОЙ, ЕМКОСТНОЙ, ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ И ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ НАГРУЗОК

Цель работы – исследование статических характеристик ,   активной, индуктивной, емкостной, осветительной, выпрямительной нагрузок.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА И ВХОДЯЩИХ В ЕГО СОСТАВ ЭЛЕМЕНТОВ.

Исследуемые нагрузки получают питание от трёхфазного источника G1 через модель линии электропередачи А3, трёхполюсный выключатель А2 и регулировочный трансформатор А1.

Мощность, потребляемую нагрузками, можно контролировать с помощью измерителя Р1, а величину питающего напряжения – с помощью вольтметра Р2.1 блока мультиметров Р2.

Перечень аппаратуры, используемой в лабораторной работе

Количество аппаратуры определённого типа, используемой в конкретных экспериментах, приведено в таблице 1.

Таблица 1

Описание и технические характеристики функциональных блоков

Таблица 2

Наименование и описание	Параметры	Тип	Размеры, высота/ ширина/ глубина, мм
1	2	3	4
Трехфазный источник питания Предназначен для питания комплекса трехфазным переменным напряжением. Включается вручную. Имеет защиту от перегрузок, устройство защитного отключения, кнопку аварийного отключения и ключ от несанкционированного включения.	400 В ~; 16 А Ток срабатывания УЗО - 30 mA	201.2	297/285/ 140
Трехполюсный выключатель Предназначен для ручного или дистанционного / автоматического (от ПЭВМ) включения / отключения электрических цепей.	400 В ~; 10 А	301.1	297/95/ 120
Активная нагрузка Предназначена для моделирования однофазных и трехфазных потребителей активной мощности. Регулируется вручную.	220/380 В; 50Гц; 3´0…50 Вт;	306.1	297/285/ 200
Модель линии электропередачи Предназначена для моделирования ЛЭП переменного тока как цепи с сосредоточенными параметрами	400 В~; 3х0,3 А 0…1,5 Гн/0…50 Ом 0…2х0,45 мкФ 0…250 Ом	313.2	297/285/ 145
Емкостная нагрузка Предназначена для моделирования опережающей реактивной мощности в электрической системе	220/380 В; 50 Гц; 3х40 ВАр	317.1	297/285/ 145
Индуктивная нагрузка Предназначена для моделирования потребителя отстающей реактивной мощности в электрической системе	220/380 В; 50Гц; 3х40 ВАр	324.1	297/285/ 200
Блок диодов Предназначен для изучения характеристик диодов и схем выпрямителей	2 А, 600 В	332	297/95/95
Осветительная нагрузка Предназначена для моделирования и исследования характеристик узла комплексной электрической нагрузки	220/380 В; 50 Гц; 3х45 Вт	340	297/285/ 95
Измеритель мощностей Предназначен для измерения активной и реактивной мощностей в трехфазных цепях, и отображения их в аналоговой форме.	0…600 ВА 0…1 А 0…600 В	507.2	297/285/ 155
Блок мультиметров Предназначен для измерения токов, напряжений, активного сопротивления. Цифровой с жидкокристаллическим дисплеем.	3 мультиметра 0…1000 В ; 0…10 А ; 0…20 МОм	508.2	297/285/ 80

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Важнейшая характеристика нагрузки потребителя – значение ее активной и реактивной мощностей. Мощность, потребляемая нагрузкой, зависит от напряжения и частоты. Статические характеристики нагрузки по напряжению , это зависимости активной и реактивной мощностей от напряжения при медленных изменениях параметров режима. Имеются в виду такие медленные изменения параметров режима, при котором каждое их значение соответствует установившемуся режиму.

Активная нагрузка.Если переменное напряжение  приложено к зажимам цепи (рис.), имеющей только активное сопротивление , но не обладающей сколько-нибудь заметными индуктивностью и емкостью, то по закону Ома мгновенное значение тока

,

где

.

Таким образом, ток, как и напряжение, изменяется синусоидально, достигая своего положительного максимума (амплитуды)  при , т.е. одновременно с напряжением (рис. 1, а).

а)	б)
Рис. 1. График изменения напряжения и тока (а), векторная диаграмма (б)

Это значит, что ток и напряжение совпадают по фазе и векторная диаграмма имеет вид, представленный на рис. 1, б.

Рис. 2. Сеть с активной нагрузкой

Так как действующие значения тока и напряжения равны соответствующим амплитудам, деленным на , то разделив на  обе части равенства , получим соотношение:

,

показывающее, что в цепи только с активной нагрузкой действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома, имеющему совершенно такую же форму, как и для цепи постоянного тока.

Индуктивная нагрузка.Известно, что прохождение переменного тока всегда сопровождается возникновением переменного, изменяющегося с частотой тока, магнитного потока. Изменение магнитного потока неизбежно сопровождается индуктированием электродвижущей силы самоиндукции, действие которой всегда направлено против изменений тока, проходящего в электрической цепи.

Рис. 3. Сеть с индуктивной нагрузкой

Это и является индуктивной нагрузкой , вызывающей отставание во времени изменений переменного тока  от изменений переменного напряжения  на так называемый угол сдвига фаз .

На рис. 4 приведена векторная диаграмма мгновенных значений напряжения и тока в цепи переменного тока с индуктивной нагрузкой.

Рис. 4. Сдвиг фаз между напряжением и током

в цепи переменного тока

Индуктивная нагрузка, вызываемая явлением самоиндукции, в цепи переменного тока всегда имеет место, так как для прохождения переменного тока проводники цепи представляют не только активное , но и индуктивное  сопротивления. Основное индуктивное сопротивление или индуктивную нагрузку в сетях переменного тока представляют машины и аппараты, действие которых основано на использовании магнитного потока: трансформаторы, реакторы, электродвигатели, индукционные электрические печи и т.п. Они и являются основными потребителями индуктивной, или, как принято называть реактивной мощности .

Таким образом, в сети переменного тока имеются потребители активной  и реактивной  мощности. Потребителями активной мощности являются потребители, предназначенные для преобразования энергии электрического тока в механическую работу (электродвигатели), в тепло (электрические печи, нагревательные приборы), в свет (источники света), в химические реакции (электролиз, гальваника). Активная мощность выражается формулой для трехфазного тока

Из рис. …видно, что ,  представляет собой активную составляющую полного тока , совпадающую по фазе с напряжением сети , а , где реактивная составляющая тока при индуктивном характере нагрузки, отстающая от напряжения сети на угол .

При смешанном характере нагрузки угол сдвига фазы относительно напряжения меньше .

Емкостная нагрузка.Если к зажимам источника питания, создающего синусоидальное напряжение, присоединить конденсатор (рис. 5.), последний будет периодически заряжаться и разряжаться и, следовательно, в соединительных проводах будет иметь место переменный ток, связанный с напряжением соотношением:

,

где напряжение на зажимах конденсатора, равное в данном случае напряжению источника питания

Рис. 5. Сеть с емкостной нагрузкой

Подставляя, это выражение в предыдущее уравнение и выполняя дифференцирование, получим:

или

где

Таким образом, ток в цепи с емкостью на четверть периода опережает напряжение на зажимах этой емкости (рис. 6, а).

Разделив на  обе части равенства , получим действующее значение этого тока:

.

Соответствующая векторная диаграмма представлена на рис. 6, б.

а)	б)
Рис.6. Кривые изменения тока и напряжения в цепи с емкостью (а) и векторная диаграмма цепи с емкостью (б)

Произведение , имеющее размерность проводимости, называется емкостной проводимостью. Обратная величина  называется емкостным или реактивным сопротивлением и обозначается .

Осветительная нагрузка.В настоящее время использование осветительной нагрузки резко возросло. Так, в сети пониженное напряжение и тусклая освещенность создают дополнительную утомляемость человека, ухудшают его зрение и соответственно уменьшают производительность его труда.

Осветительная нагрузка, состоящая из ламп накаливания, содержит только активное сопротивление нитей ламп  и не потребляет реактивной мощности. Активная мощность не зависит от частоты и пропорциональна квадрату напряжения, если считать :

.

Если учитывать зависимость сопротивления нитей ламп от напряжения, то активная мощность осветительной нагрузки пропорциональна напряжению в степени 1,6. Статические характеристики активной мощности осветительной нагрузки по напряжению приведены на рис. 7.

Рис. 7. Зависимость мощности от напряжения при .

Наиболее чувствительными к отклонению напряжения являются лампы накаливания.  Люминесцентные лампы менее чувствительны (приблизительно в 2 раза меньше, чем лампы накаливания (ЛН).

Для ламп накаливания снижение напряжения вызывает резкое уменьшение светового потока : снижение напряжения на 5% вызывает снижение светового потока на 10%, а при снижении напряжения на 10% световой поток снижается более чем на 30%. Это вызывает ухудшение зрения, снижение производительности труда, повышает вероятность травматизма. Повышение напряжения на 10% увеличивает световой поток примерно на 30%, но срок службы ламп  снижается в 3 раза, что, естественно, ведет к материальным и трудовым затратам на замену ламп. Потребляемая лампами мощность сильно зависит от напряжения:

Выпрямительная нагрузка.Трехфазная мостовая схема, приведенная на рис. 8, была впервые предложена проф. А.Н. Ларионовым в 1923 г.

Рис. 8. Трехфазная мостовая схема выпрямления

Схема состоит из трехфазного трансформатора  и шести вентилей . Первичная и вторичная обмотки трансформатора могут соединяться по любой схеме, как в звезду, так и в треугольник. Вентили соединены в две группы: катодную, в которой катоды трех вентилей соединены вместе, и анодную, в которой соединены вместе аноды.

Трехфазная мостовая схема представляет собой сочетание двух трехфазных выпрямителей, включенных последовательно и питающихся от общих обмоток трансформатора напряжениями, сдвинутыми по фазе на . Схема является двухтактной, так как токи во вторичных обмотках трансформатора протекают как в одном, так и в другом направлении; она является также двухполупериодной, так как выпрямляет напряжение как за положительную, так и отрицательную часть периода.

Рис.9. Диаграммы напряжений и токов

в трехфазной мостовой схеме

На рис. 9, а изображены кривые фазных напряжений на зажимах вторичных обмоток трансформатора ,  и .

На рис. 9, б приведены кривые выпрямленных напряжений и токов для выпрямителей с катодной и анодной группами вентилей. Из этих кривых видно, что выпрямленные напряжения (а также токи) двух трехфазных выпрямителей сдвинуты по фазе на .

Так как оба выпрямителя соединены между собой последовательно, то в любой, произвольно выбранный момент времени напряжение на зажимах нагрузки представляет собой сумму мгновенных значений напряжений на выходе каждого из трехфазных выпрямителей. На рис…г приведена форма кривой выпрямленного напряжения  и тока , построенный путем суммирования ординат кривых рис. 9, б и в.

Постоянную составляющую выпрямленного напряжения в трехфазной мостовой схеме можно представить как сумму постоянных составляющих двух трехфазных выпрямителей. Поэтому на основании  имеем:

                                                                                            (1)

где фазное напряжение вторичной обмотки.

Выражение (1) удобнее представить в виде:

 для фазного напряжения и

 для линейного напряжения.

Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора определяется по выражению:

Из рассмотрения рис. 9, г видно, что напряжение на нагрузке достигает максимума шесть раз за период. Следовательно, частота основной гармоники выпрямленного напряжения равна шестикратной частоте тока сети

Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения равна:

Подставив  в формулу для определения коэффициента пульсации :

где – амплитуда основной гармоники, коэффициент пульсации напряжения.

I. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКТИВНОЙ НАГРУЗКИ