Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii Instrukcja do zajęć laboratoryjnych LINIA PRZESYŁOWA PRĄDU PRZEMIENNEGO Numer ćwiczenia E1 Opracowanie: mgr inŝ. Łukasz Zaniewski Białystok 009
Spis treści 1. Wprowadzenie... 3. Pomiary... 6.1. Schemat pomiarowy... 6.. Przebieg pomiarów... 6 3. Opracowanie wyników... 7 4. Pytania i zadania kontrolne... 7 5. Literatura... 7 6. Dodatek... 9 6.1. ObciąŜenie... 9 6.. Wektory... 9 7. Wymagania BHP... 11 Materiały dydaktyczne przeznaczone dla studentów Wydziału Elektrycznego PB. Wydział Elektryczny, Politechnika Białostocka, 009 Wszelkie prawa zastrzeŝone. śadna część tej publikacji nie moŝe być kopiowana i odtwarzana w jakiejkolwiek formie i przy uŝyciu jakichkolwiek środków bez zgody posiadacza praw autorskich.
3 Cel ćwiczenia: poznanie właściwości linii przesyłowej prądu przemiennego w róŝnych stanach pracy. 1. Wprowadzenie W analizie rzeczywistych układów elektrycznych naleŝy uwzględniać fakt, Ŝe źródło zasilające znajduje się często w znacznej odległości od odbiornika i jest z nim połączone linią zasilającą, która moŝe być wykonana jako napowietrzna lub kablowa. W liniach zasilających prądu sinusoidalnie zmiennego naleŝy uwzględniać obok rezystancji linii równieŝ ich indukcyjność wprowadzającą występowanie indukcyjnych spadków napięcia. W liniach napowietrznych o długości ponad 60 km i napięciach wyŝszych od 35 kv nie moŝna pominąć prądów pojemnościowych, których wartość jest proporcjonalna do napięcia U i pojemności C (za okładziny kondensatora przyjmuje się dwa przewody linii lub przewód i ziemię). Upływność wywołana niedoskonałością izolacji w liniach napowietrznych nie odgrywa powaŝniejszej roli, więc bywa w schematach zastępczych pomijana. Analizowana napowietrzna linia przesyłowa moŝe być zatem traktowana jako czwórnik o stałych rozłoŝonych (rys. 1). Rysunek 1. W wielu przypadkach wystarczająco dobrym przybliŝeniem schematu linii rzeczywistej jest pojedynczy czwórnik typu Π Rysunek.
4 Obecność pojemności międzyprzewodowych w schemacie linii jest przyczyną zjawiska straty prądu. Stratą prądu nazywamy róŝnicę geometryczną prądów na początku i na końcu linii. I = I 1 - I Oprócz straty prądu w rzeczywistej linii obserwujemy stratę napięcia U = U 1 - U oraz stratę mocy czynnej i stratę mocy biernej P = P 1 - P Q = Q 1 - Q Definiuje się ponadto spadek napięcia U jako róŝnicę wartości skutecznej napięcia na początku i na końcu linii. U = U 1 - U Pracę linii przesyłowej prądu przemiennego moŝna analizować rachunkowo lub graficznie tzn. przy uŝyciu wykresów wektorowych. Wykres wektorowy dla stanu jałowego linii o schemacie jak na rys. jest przedstawiony na rys. 3. Rysunek 3. Jak wynika z powyŝszego wykresu, napięcie na końcu linii nieobciąŝonej jest wyŝsze niŝ na początku. Pobierany przez linię prąd zwany jest prądem ładowania. Łatwo moŝna przewidzieć, Ŝe równieŝ dla obciąŝenia o charakterze pojemnościowym (RC) moŝe wystąpić wzrost napięcia na końcu linii. Wykres wektorowy dla takiego stanu pracy linii przedstawiony jest na rys. 4.
5 Rysunek 4. Wykres wektorowy linii o obciąŝeniu czynnym (R) przedstawia rys. 5. Rysunek 5. W przypadku linii rzeczywistych obciąŝonych rezystancją, napięcie na końcu linii jest niŝsze od napięcia na jej początku. Podobne zjawisko obserwujemy przy obciąŝeniu o charakterze indukcyjnym (RL) (rys. 6) Rysunek 6. Jak wynika z przedstawionego powyŝej wykresu wektorowego prąd pobierany przez linię obciąŝoną indukcyjnie jest mniejszy od prądu obciąŝenia.
6. Pomiary.1. Schemat pomiarowy Do badania właściwości linii przesyłowej przy obciąŝeniu o róŝnym charakterze zostanie wykorzystany poniŝszy układ (rys. 7). Rysunek 7. Oznaczenia: R - opornik suwakowy 4Ω L - cewka powietrzna 39 mh o rezystywności 9,7Ω C 1, C - kondensatory 10 µf A 1, A - amperomierze elektromagnetyczne 1/A V 1, V - woltomierze elektromagnetyczne 150/300V W 1, W - watomierze ferrodynamiczne 1/A, 100/00/400V.. Przebieg pomiarów Dokonać pomiarów napięcia, prądu i mocy czynnej po obu stronach linii przesyłowej przy obciąŝeniu czynnym, indukcyjnym, pojemnościowym oraz dla stanu jałowego linii. Dla wszystkich przypadków obciąŝenia napięcie na zaciskach wyjściowych naleŝy ustawić przy pomocy autotransformatora na wartość U = 160V. Jako obciąŝenie linii naleŝy uŝyć: a) czynne - Ŝarówka o mocy 175 W b) indukcyjne - opornik suwakowy 40Ω połączony szeregowo z dwoma dławikami oświetleniowymi połączonymi równolegle c) pojemnościowe - kondensator C ob =10 µf połączony szeregowo z opornikiem suwakowym R ob =195Ω
7 3. Opracowanie wyników 1. Na podstawie odczytanych z mierników wartości prądów, napięć i mocy obliczyć i wpisać do tabeli wyników pozostałe wielkości. Wykonać wykresy wektorowe dla wszystkich przypadków obciąŝenia linii. Wielkości niezbędne do wykonania wykresów obliczyć, najlepiej metodą symboliczną. Przykładowe obliczenia zamieścić w sprawozdaniu. Wszystkie wykresy wykonać w jednakowej skali na papierze milimetrowym formatu A4. 4. Pytania i zadania kontrolne 1. Narysować i objaśnić schemat zastępczy linii przesyłowej prądu przemiennego (fizyczna interpretacja elementów R, L, C/).. Zdefiniować spadek i stratę napięcia w linii; podać od czego zaleŝą te wielkości. 3. Zdefiniować stratę mocy czynnej i stratę mocy biernej w linii; podać od czego zaleŝą te wielkości. 4. Podać wzory na procentowy spadek napięcia i procentową stratę mocy czynnej. 5. Narysować wykresy wektorowe dla linii przesyłowej w róŝnych stanach pracy. 5. Literatura 1. Krakowski M.: Elektrotechnika teoretyczna PWN 1995.. Cholewicki T.: Elektrotechnika teoretyczna. WNT 1973 3. Kurdziel R.: Podstawy elektrotechniki WNT 1973
8 Tabela wyników Rodzaj obciąŝenia U I P cosϕ Q U 1 I 1 P 1 cosφ 1 Q 1 U P Q V A W - var V A W - var V W var - czynne indukcyjne pojemnościowe stan jałowy η = P P1
9 6. Dodatek Obliczanie wektorów potrzebnych do wykonania wykresu. Parametry układu podaje prowadzący ćwiczenie. Przykładowe parametry: R=4Ω, R L = 9,17Ω, L=39mH, C 1 =C =10 µf 6.1. ObciąŜenie a) pojemnościowe 1 Z = Rob j, ω = πf, f = 50Hz, ϕ = arg{ Z} < 0 ωc b) czynne U Z =, ϕ = 0, I c) indukcyjne ob Z = Ze o j0 = Z U P Z =, P = U I cosϕ ϕ = arccos > 0 I U I d) bieg jałowy Z = I P = 0 = 0 6.. Wektory Kąty fazowe naleŝy rysować względem napięcia U, któremu nadaje się fazę zerową
10 U = U e j0 o I U = Z U e = Ze j0 jϕ o U = Z e jϕ I C = jω C U I C 1 ( R + R + j L) = I + I U = ω L I + U wyznaczyć U ze wskazaniem V 1 i porównać 1 I wyznaczyć porównać C1 j C1 U 1 I 1 = I C1 + I I1 i ze wskazaniem A1 = ω JeŜeli porównania U 1 z V 1 oraz I 1 z A 1 wypadną pomyślnie, to w jednakowej skali naleŝy sporządzić wszystkie wykresy wskazowe (wg. powyŝszych obliczeń). W przypadku obciąŝenia indukcyjnego prąd I 1 moŝe się nie zgadzać z pomiarem (nieliniowość dławika). Wykres w takim przypadku sporządzić według obliczeń.
11 7. Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw poŝarową oraz przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed rozpoczęciem pracy naleŝy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi wskazanymi przez prowadzącego. W trakcie zajęć laboratoryjnych naleŝy przestrzegać następujących zasad. Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie. Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń. Załączenie napięcia do układu pomiarowego moŝe się odbywać po wyraŝeniu zgody przez prowadzącego. Przyrządy pomiarowe naleŝy ustawić w sposób zapewniający stałą obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami układu znajdującymi się pod napięciem. Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana elementów składowych stanowiska pod napięciem. Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie moŝe się odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia. W przypadku zaniku napięcia zasilającego naleŝy niezwłocznie wyłączyć wszystkie urządzenia. Stwierdzone wszelkie braki w wyposaŝeniu stanowiska oraz nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu naleŝy przekazywać prowadzącemu zajęcia. Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z urządzeń nie naleŝących do danego ćwiczenia. W przypadku wystąpienia poraŝenia prądem elektrycznym naleŝy niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na kaŝdej tablicy rozdzielczej w laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać poraŝonego.