Лабораторная работа №4 Коэффициент мощности в цепях переменного тока Цель работы:

Лабораторная работа №4
Коэффициент мощности в цепях
переменного тока
Цель работы:
1. Ознакомиться с понятиями и технико-экономическим значением
повышения коэффициента мощности.
2. Изучить практические способы определения и улучшения
коэффициента мощности электрических цепей.
Основные теоретические положения
Источником электрической энергии или электрической мощности в
цепи переменного тока являются специальные электрические машины генераторы. В паспорте генератора указываются номинальные значения:
тока I и напряжения U, которые от него можно получить и которыми
однозначно определяется вырабатываемая им номинальная или полная
электрическая мощность
(1)
S U  I
Эта мощность (1) передается по линии электропередач (ЛЭП) к
потребителям большинство из которых имеет в своих конструкциях
обмотки различного типа и вследствие этого обладают активноиндуктивным
электрическим
сопротивлением
(электродвигатели,
сварочные и силовые трансформаторы, электрические печи, установки
электрического освещения, электромагниты различного назначения и т.д.).
Поэтому подводимые от генератора ток I и напряжение U сдвинута по фазе
у потребителя и во всей цепи на некоторый угол φ , a величина активной
мощности определяется как:
P  U  I cos 
(2)
Таким
образом,
только
часть
электрической
мощности,
вырабатываемой генератором и подводимой к потребителю, необратимо
преобразуется в полезную активную мощность потребителя Р:
механическую, тепловую, световую и т. д. Степень полезного
использования потребителем электрической мощности генератора и
определяется величиной косинуса. угла сдвига фаз между током I и
напряжением U:
cos  
P
,
S
(3)
который часто называют коэффициентом мощности потребителя или
коэффициентом мощности цепи переменного тока.
Процесс передачи электрической мощности от генератора к
потребителю,
имеющему
активно-индуктивное
сопротивление,
характеризуется помимо активной мощности еще и реактивной
мощностью:
Q  UI sin   S sin 
(4)
Реактивная мощность идет на создание индуктивными катушками
потребителя переменных магнитных полей. Особенностью является то, что
этой мощностью непрерывно обмениваются между собой ЛЭП, генератор
и потребитель.
Между рассмотренными мощностями S, P и Q существует
зависимость:
S  P2  Q2
(5)
Очевидно, что генератор выгодно эксплуатировать так, чтобы
вырабатываемая им электрическая энергия полностью использовалась у
потребителя на совершение полезной, нужной людям работы. Такое
использование мощности генератора происходит только тогда, когда
коэффициент мощности потребителя равен единице (cosφ=1);
P  S cos 
Уменьшение cosφ, значение которого определяется соотношением
активного и индуктивного сопротивлений у потребителя, приводит к
неполному использованию мощности генератора в полезных целях, т.е.
наряду с активной электрической мощностью для потребителя генератор
должен вырабатывать еще и реактивную мощность. Кроме того, если
потребитель рассчитан на неизменное напряжение и мощность P, то
потребляемый им ток, который также является током, всей цепи и
генератора, будет тем больше, чем меньше коэффициент мощности:
I
P
.
U cos 
(6)
Таким образом, при низких значениях коэффициента мощности
народному хозяйству наносится определенный технико-экономический
ущерб, поскольку из-за повышенных значений тока (6) и загрузки цепи
значительными потоками реактивной мощности:
- возникают дополнительные потери электроэнергии на нагрев
проводов воздушных и кабельных линий генератора;
- появляются дополнительные потери напряжения в сетях, что
ухудшает электроснабжение и работу потребителей;
- уменьшается пропускная способность линии электропередач, что
требует повышенного расхода металла на увеличение площадей
сечения проводов;
- снижается к.п.д. генератора и электрической цепи в целом.
Для устранения отмеченных недостатков стремятся повышать cosφ
цепей до значения 0.8-0.96. Повышение коэффициента мощности,
потребителей промышленных предприятий осуществляется прежде всего
естественным путем, главным образом за счет упорядочения
энергетического режима оборудования, рационального использования его
мощностей, замены малозагруженных двигателей двигателями меньших
мощностей, ограничения длительности режимов холостого хода
трансформаторов и двигателей и т.д. В случае необходимости прибегают к
искусственному повышению коэффициента мощности, когда параллельно
к потребителю подключают еще одно устройство с активным
сопротивлением или компенсирующие устройства с емкостным
сопротивлением – статические конденсаторы или синхронные
компенсаторы. В последнем случае потребитель будет получать
реактивную мощность на образование магнитных полей полностью, или
частично не от генератора по ЛЭП, а от рядом расположенного
компенсирующего устройства. Графическая иллюстрация искусственных
методов повышения cosφ может быть треугольниками мощностей (рис. 1.).
P1
2
1
2
S1
QL
S1
P1
1
3
S2
QL
L
QC
Рис. 1. Треугольники мощностей
а) для исходной цепи с активно-индуктивным сопротивлением;
б) при параллельном подключении к цепи активного сопротивления;
в) при параллельном подключении к цепи емкостного сопротивления.
Электрическая схема лабораторной установки
Рис. 2. Электрическая схема лабораторной установки
Расчетная часть
ХL = 2fL (Ом) – индуктивное сопротивление катушки.
Активная мощность цепи:
Р = I12  R + I22 ·Rдоп.
Реактивная индуктивная мощность цепи:
QL = I12  XL .
Реактивная емкостная мощность конденсатора:
QС = I12  XС .
Суммарная реактивная мощность
Q = QL - QC .
Полная электрическая мощность потребителя:
S  P 2  Q 2 (ВА).
Коэффициент мощности цепи переменного тока:
cos = P/S
Общий ток цепи:
I
P
.
U  cos 
Результаты измерений и расчетов
№ п/п
Измерено
U
B
1
2
3
I1
А
I2
А
Вычислено
ХL
Ом
ХС
Ом
Р
Вт
QL
Вар
QC
Вар
Q
Вар
S
ВА
cos
I
А
По данным измерений и расчётов строим треугольники мощностей:
Выводы:
Контрольные вопросы и задания
1. Что называется коэффициентом мощности электрической цепи?
2. Поясните природу угла сдвига по фазе φ между током и
напряжением в электрической цепи.
3. Как можно рассчитать величину cosφ цепи?
4. Для расчета какой мощности цепи используется значение cosφ?
5. Влияет ли величина cosφ на значение тока при неизменном
напряжении и активной мощности в цепи?
6. В чем заключается технико-экономическое значение повышения
cosφ?
7. Какие естественные способы повышения cosφ Вы знаете?
8. Поясните суть и методы искусственных способов повышения cosφ.
9. Влияет ли и почему значение cosφ на нагрев проводов линии
электропередач?
10.Расскажите о цели и порядке проведения работы.