Ćwiczenie E 8 BADANIE WŁYWU ODCHYLEŃ NAIĘCIA NA RACĘ ODBIORNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów ze zmianami podstawowych parametrów odbiorników energii elektrycznej, spowodowanych odchyleniami napięcia od wartości znamionowej. Zakres ćwiczenia obejmuje badanie zespołu maszyn składającego się z silnika asynchronicznego i prądnicy prądu stałego, przy symetrycznych i niesymetrycznych odchyleniach napięcia. 2. rogram ćwiczenia 2.1. Układ pomiarowy R S T N R W G A 1 W 1 V RS S A 2 W 2 T A 3 W 3 V ST V RT V R V S V T N W 1 - + A w C D A G = H M U V W A t W Atr Rys. 2.1. Schemat układu pomiarowego - 1 -
Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys. 2.1. rzyjęto następujące oznaczenia: w - wyłącznik, Atr - autotransformator (trzy jednostki 1-fazowe), W - watomierz, V - woltomierz, A - amperomierz, G - prądnica obcowzbudna prądu stałego, M - silnik asynchroniczny zwarty 2.2. rzebieg ćwiczenia 1. Zdjąć charakterystyki wyjściowe niżej podanych odbiorników przy zasilaniu symetrycznym, dla odchyleń napięcia ΔU n podanych przez prowadzącego: a) zespołu maszyn składających się z silnika asynchronicznego zwartego i prądnicy prądu stałego przy obciążeniu nocą równą 50 i 100%, napięcia na zaciskach prądnicy U = f(δu n ), prędkości obrotowej silnika n = f(δu n ), mocy czynnej i biernej pobieranej przez silnik = f(δu n ) i Q = f(δu n ), 2. Zdjąć charakterystyki wyjściowe odbiorników przy zasilaniu niesymetrycznym dla odchyleń napięcia w jednaj fazie w granicach podanych przez prowadzącego: a) zespołu maszyn - jak w p. 1a, 3. Zdjąć charakterystyki wyjściowa odbiorników przy zasilaniu niesymetrycznym dla odchyleń napięcia w dwóch fazach w granicach podanych przez prowadzącego: a) zespołu maszyn - jak w p. 1a. 2.3. Opracowanie wyników pomiarów Wykreślić charakterystyki wielkości wyjściowych odbiorników w funkcji zmian napięcia. orównać odpowiadająca sobie charakterystyki wyznaczoną w p. 1, 2 i 3. Opracować wnioski dotyczące wpływu odchyleń napięcia na pracę odbiorników energii elektrycznej. - 2 -
3. odstawy teoretyczne 3.1. Wstęp Do prawidłowej pracy odbiorników energii elektrycznej wymagana jest odpowiednia jakość tej energii, czyli zgodność jej parametrów z danymi znamionowymi odbiorników. Jakość energii elektrycznej prądu przemiennego określa się głównie następującymi parametrami: napięciem, częstotliwością, kształtem krzywej napięcia i symetrię napięć. W dalszych rozważaniach założymy stałość częstotliwości i sinusoidalny kształt krzywej napięcia, ograniczając się do omówienia wpływu odchyleń napięcia na pracę różnych odbiorników. Ustalone wartość napięcia na zaciskach odbiornika w czasie jego pracy nazywa się poziomem napięcia [5]. Różnica między tym napięciem a napięciem znamionowym odbiornika nazywana jest odchyleniem napięcia. 3.2. Wpływ odchyleń napięcia na pracę odbiorników energii elektrycznej Wzrost napięcia powoduje zwiększony pobór mocy czynnej przez każdy z odbiorników. Związek między mocą czynną odbiornika, a napięciem U na jego zaciskach przedstawia się za pomoce zależności = ku m, zwane statyczne charakterystykę mocy czynnej odbiornika. Wykładnik potęgi m przyjmuje różne, (ale większe od jedności) wartości dla różnych odbiorników. Rys. 3.1. Charakterystyki mechaniczne silnika asynchronicznego M = f(n) dla różnych wartości napięcia (U 2 < U < U 1 ) oraz charakterystyka napędzanej maszyny M o = f(n) - 3 -
3.2.1. Silniki asynchroniczne Silniki asynchroniczne reagują bardzo wyraźnie na zmiany napięcia. Z przebiegu charakterystyk mechanicznych silnika asynchronicznego M = f(n), tj. zmian momentu M w zależności od obrotów n dla różnych wartości napięcia (rys. 3.1) wynika, że w przypadku, gdy napięcie na zaciskach silnika wzrośnie, powiększy się także jego moment elektromagnetyczny do wartości, przy której będzie on równy momentowi oporowemu M o napędzanej maszyny. Jednocześnie wzrośnie także prędkość obrotowa silnika. Spadek napięcia powoduje zmniejszenie prędkości obrotowej i momentu elektromagnetycznego do wartości wynikających z przecięcia się charakterystyki M = f(n), odpowiadającej zmniejszonemu napięciu i charakterystyki, M o = f(n), Z powyższego wynika, że zmiany mocy czynnej pobieranej z sieci przez silnik asynchroniczny (spowodowane zmianami napięcia) będę zależeć od ilościowych zmian momentu elektromagnetycznego i prędkości obrotowej silnika, a więc od przebiegu charakterystyki mechanicznej napędzanej maszyny. Moc ta zależna jest od napięcia w potędze 1,5 2 [1]. W odbiornikach stanowiących obwód magnetyczny z żelazem, a takim jest silnik asynchroniczny, zmiany napięcia mają znaczny wpływ na pobór mocy biernej. Szczególnie przy wzroście napięcia ponad wartość znamionowe, moc bierna wzrasta bardzo silnie, gdyż silniki te budowane są w taki sposób, że punkt pracy w warunkach znamionowych znajduje się poza zagięciem charakterystyki magnesowania. Statyczne charakterystyki mocy biernej tych silników przebiegają bardziej stromo niż statyczna charakterystyki mocy czynnej. Oznacza to, że przy wzroście napięcia współczynnik mocy silnika asynchronicznego maleje, natomiast przy malejącym napięciu - wzrasta. Z przedstawionego opisu wynika, z odchylenia dodatnia napięcia ograniczone są głównie przez wzrost prądu magnesującego i nadmierne grzanie się magnetowodów, zaś odchylenia ujemne - przez spadek momentu elektromagnetycznego silników. W granicznym przypadku, jeżeli napięcie zmniejszy się do takiej wartości, że moment elektromagnetyczny będzie mniejszy od momentu oporowego, silnik stanie. 3.2.2. Odbiorniki oświetleniowe Spośród odbiorników oświetleniowych najbardziej wrażliwe na zmiany napięcia są żarówki. Strumień świetlny żarówki zależy od napięcia w potędze ok. 3,6, natomiast moc - w potędze ok. 1,6 [1]. Skuteczność świetlna żarówki, rozumiana jako stosunek strumienia świetlnego do mocy elektrycznej Jest wobec tego w przybliżeniu - 4 -
proporcjonalna do kwadratu napięcia. Ten wzrost skuteczności świetlnej, spowodowany dodatnim odchyleniem napięcia, można by uważać za korzystny, gdyby nie jednoczesne znaczne zmniejszenie się trwałości żarówek. Trwałość żarówek jest, bowiem w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalna do 13, 14 potęgi napięcia [5], a zatem np. przy odchyleniu napięcia +5% zmniejsza się ich trwałość do połowy. Na rysunku 3.2 rzedstawiono w wartościach względnych krzywe strumienia świetlnego φ, skuteczności świetlnej η, mocy elektrycznej i trwałości T żarówki w zależności od napięcia. Zmiany własności elektrycznych lamp wyładowczych (świetlówek, lamp rtęciowych czy sodowych) spowodowane odchyleniami napięcia nie są tak wyraźne jak ma to miejsce w przypadku żarówek, chociaż charakter tych zmian jest podobny. Dla porównania przedstawiono na rys. 3.3 krzywe zmian strumienia świetlnego w zależności od napięcia dla różnych źródeł światła. Rys. 3.2. Zmiany własności żarówek w zależności od napięcia 1 - strumień świetlny,2 - skuteczność świetlna, 3 - moc, 4 - trwałość T - 5 -
Rys 3.3. Wpływ napięcia roboczego na strumień świetlny różnych źródeł światła 1 - żarówki, 2 - rtęciówki, 3 - świetlówki, 4 - lampy sodowej 3.2.3. Elektryczne piece oporowe Elektryczne piece oporowe stanowią odbiorniki typu rezystancyjnego, których rezystancję - przy niezbyt wysokiej temperaturze pracy pieca - można uznać za stałą. Stąd moc czynna pobierana przez piece oporowe jest proporcjonalna do kwadratu napięcia (m = 2). 3.2.4. rostownik diodowy Wartość maksymalna napięcia na wyjściu prostownika diodowego GD, U 0 jest proporcjonalna do napięcia zasilającego zgodnie z wzorem: U 0 = 2U f 3 gdzie: U f - fazowe napięcie zasilające. Z powyższego wzoru wynika, że zmiany napięcia zasilającego powodują proporcjonalne zmiany napięcia wyprostowanego. 3.2.5. Inne skutki odchyleń napięcia w sieci oza opisanymi wyżej skutkami natury technicznej, odchylania napięcia w sieci przemysłowej powodują także skutki gospodarcze, np. straty w elementach sieci i odbiornikach, gorszą jakość i mniejszą ilość wytwarzanej produkcji. Z tych też względów odchylenia napięcia należy ograniczać do takich wartości, przy których - 6 -
praca odbiorników nie dozna jaszcze zakłóceń oraz nie spowoduje zbyt dużych dodatkowych kosztów. 3.3. Dopuszczalne odchylenia napięcia Dopuszczalne wartości odchyleń napięcia bezpośrednio na zaciskach odbiorników określone są jedynie w formie wytycznych lub wskazówek wynikających z przesłanek natury technicznej. Dopuszczalne wartości odchyleń napięcia przedstawiono w tab. 3.1 [5]. ośrednią metodą do ograniczenia odchyleń napięcie przy projektowaniu sieci przemysłowych jest ustalenie, dopuszczalnych spadków napięcia w liniach zasilających i obwodach odbiorczych. Tabela 3.1. Dopuszczalne wartości odchyleń napięcia Rodzaj odbiornika 1 Odbiorniki siły przy rocznym czasie użytkowania mocy szczytowej większym od 2000 h 2 Odbiorniki siły przy rocznym czasie użytkowania mocy szczytowej nieprzekraczającym 2000 h Dopuszczalne odchylenia [%] -5 +7-7 +7 3 Oświetlenie żarowe -5 +5 4 Oświetlenie fluorescencyjne -7 +5 5 Cewki przekaźników i wyzwalaczy -20 +7 6 Silniki o rozruchu lekkim (tylko przy rozruchu) -35 7 Silniki o rozruchu ciężkim (tylko przy rozruchu) -10 Należy zwrócić uwagę, że zachowanie przepisowych spadków napięcia w sieci niskiego napięcia jest w pewnym sensie sprawdzeniem gospodarczym, ograniczającym straty mocy i energii. Wynika to z prostej zależności pomiędzy procentowo wyrażonymi stratami mocy czynnej p [%] p = Δ(W) 100 = (W) 2 3 I R 3 I R 100 = 100 3U I cosϕ U cosϕ a procentowym spadkiem napięcia δu [%] δu(v) δu = 100 U(V) 3 I cosϕ R 100 U - 7 -
a mianowicie δu(%) p(%) =. 2 cos ϕ Dopuszczalne spadki napięć w sieciach przemysłowych zasilanych napięciem do 1 kv podano na rys. 3,4 [6]. Dla sieci zasilanych przy napięciu powyżej 1 kv nie ma obowiązujących przepisów, bowiem w sieciach tych łatwiej utrzymać odpowiednie poziomy napięcia poprzez różne metody regulacji napięcia. odawane są jedynie zalecane dopuszczalne spadki napięcia w sieciach przemysłowych zasilanych przy napięciu większym od 1 kv [3]. 3.4. Wpływ asymetrii na pracę odbiorników Rozróżnia się dwa rodzaje asymetrii w układach wielofazowych: asymetrię prądową i asymetrię napięciową. Na ogół przyczynę asymetrii w układzie wielofazowym jest niesymetria obciążenia powstająca na skutek przyłączania odbiorników jednofazowych do poszczególnych faz układu zasilającego. Asymetria obciążania powoduje przede wszystkim zwiększenia się spadków napięć i wzrost obciążenia mocą bierną. Do analizy układów niesymetrycznych stosuje się teorię składowych symetrycznych. rzy asymetrii prądów, nakładające się składowe: przeciwna i zerowa, powodują wzrost prądów wypadkowych, a zatem ograniczają dopuszczalną wartość składowej zgodnej i zmniejszają zdolność przesyłową układu. rzy asymetrii napięć nałożenie się składowych przeciwnej i zerowej prowadzi do znacznych odchyleń napięcia, przekraczających często dopuszczalne przedziały zmienności. ojawienie się Rys. 3.4. Dopuszczalne spadki napięć w instalacjach przemysłowych - 8 -
składowej przeciwnej napięcia w silnikach asynchronicznych powoduje indukowanie się pola magnetycznego przeciwnego o podwójnej pulsacji, którego skutkiem są dodatkowe straty w uzwojeniach maszyn. 4. Literatura [1] Gosztowt W.: Gospodarka elektroenergetyczna w przemyśle. WNT. Warszawa 1971 [2] Mejro Cz.: odstawy gospodarki energetycznej. WNT. Warszawa 1974 [3] Knothe S.: Sieci elektroenergetyczne przemysłowe. WNT. Warszawa 1980 [4] Kowalski Z. i inni: Charakterystyka prac i wyników badań dotyczących poziomów napięcia oraz skutków odchyleń napięcia u odbiorców energii elektrycznej. Opracowanie Instytutu Elektroenergetyki Ł. 1976 [5] raca zbiorowa: oradnik Inżyniera Elektryka, t. IV. WNT. Warszawa 1975 [6] Rozporządzenie ME i EA oraz AGT i OŚ z dn. 9.04.1977 W sprawie warunków technicznych, Jakim powinny odpowiadać Instalacje elektroenergetyczne i urządzenia oświetlenia elektrycznego". Dziennik Ustaw nr 14, 1977-9 -
Załącznik I wyniki pomiarów I. Stan biegu jałowego a) Zasilanie symetryczne U R U S U T ΔU 1. 190 190 190-30 2. 200 200 200-20 3. 210 210 210-10 5. 230 230 230 +10 6. 240 240 240 +20 U RS U ST U RT n [obr/mim] 1 2 3 b) Zasilanie niesymetryczne dla odchyleń napięcia w jednej fazie U R U S U T ΔU U RS U ST U RT n 1 2 [obr/mim] 1. 220 220 190-30 2. 220 220 200-20 3. 220 220 210-10 5. 220 220 230 +10 6. 220 220 240 +20 3 c) Zasilanie niesymetryczne dla odchyleń napięcia w dwóch fazach U R U S U T ΔU U RS U ST U RT n 1 2 3 [obr/mim] 1. 190 220 190-30 2. 200 220 200-20 3. 210 220 210-10 5. 230 220 230 +10 6. 240 220 240 +20 II. Stan obciążenia a) Zasilanie symetryczne U R U S U T ΔU 1. 190 190 190-30 2. 200 200 200-20 3. 210 210 210-10 5. 230 230 230 +10 6. 240 240 240 +20 U RS U ST U RT n [obr/mim] 1 2 3-10 -
b) Zasilanie niesymetryczne dla odchyleń napięcia w jednej fazie U R U S U T ΔU U RS U ST U RT n 1 2 [obr/mim] 1. 220 220 190-30 2. 220 220 200-20 3. 220 220 210-10 5. 220 220 230 +10 6. 220 220 240 +20 3 c) Zasilanie niesymetryczne dla odchyleń napięcia w dwóch fazach U R U S U T ΔU U RS U ST U RT n 1 2 3 [obr/mim] 1. 190 220 190-30 2. 200 220 200-20 3. 210 220 210-10 5. 230 220 230 +10 6. 240 220 240 +20-11 -