Исследование разветвленной цепи переменного тока
При выполнении этой работы проделать три цикла измерений:
1) при отключенной емкости С;
2) при подключенной емкости;
3) в режиме резонанса токов.
Рис. 11. К практической работе 7
.
При разомкнутом рубильнике Р цепь содержит индуктивное и активное сопротивления (на рисунке 11 активное сопротивление катушки изображено вынесенным из нее). Измерив, напряжение на зажимах цепи, ток в ней и ее активную мощность, подсчитать полную мощность цепи S, ее полное сопротивление z, соs φ, активную и реактивную составляющие тока, используя соотношения из треугольников сопротивлений, тока и мощностей. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу.
№ измерения | Измеряются | Вычисляются | ||||||||
U | I | IC | IL | Р | S | cos φ | z | Iа | Iр | |
в | а | а | а | вт | ва | - | ом | а | а | |
В этой таблице Iс — ток в емкостной ветви; IL — ток в индуктивной ветви.
При замкнутом рубильнике Р получается параллельная цепь с индуктивностью и емкостью. В этой цепи, кроме величин, измеряемых в предыдущем случае, определить токи в емкостной и индуктивной ветвях. Результаты измерений и вычислений записать в ту же таблицу.
Чтобы получить в цепи резонанс, изменяя величину емкости или индуктивности, добиться минимального показания амперметра, включенного до разветвления, так как при резонансе токов общий ток цепи состоит только из активной составляющей.
Показания всех приборов, отмеченные при резонансе, записать в ту же таблицу.
Сравнить между собой токи в неразветвленном участке цепи I до подключения и после подключения емкости. Чем объяснить, что после подключения емкости ток в неразветвленном участке цепи уменьшился, а ток индуктивной ветви IL остался прежним?
Подсчитать разность между реактивными токами цепи в первом и во втором опыте и сравнить ее с током емкостной ветви Iс. Чем объяснить, что они приблизительно равны?
Почему после подключения емкости показания ваттметра не изменились?
Дополнительный материал к работе.
Резонанс токов. Сущность явления и векторные диаграммы. Если параллельно индуктивному токоприемнику (он может представлять собой эквивалент ряда индуктивных токоприемников) подключить конденсатор (рис. 12, а), то угол сдвига фаз между током цепи и приложенным напряжением можно определить через его тангенс. Из треугольника проводимостей (рис. 12 , г).
tg φ =
В данном примере в = вL—вс,
где вL — реактивная проводимость индуктивной ветви;
вс — реактивная проводимость емкостной ветви.
Следовательно, в данном примере tgφ =
Если в цепи вL>вc, то tgφ получится положительным, следовательно, и угол φ будет положительным. Это означает, что цепь носит индуктивный характер (рис. 78,6). На диаграмме вектор тока IР2 короче вектора Iр1 , так как вL>вс. Поэтому ток I отстает от напряжения на угол φ.
Если в цепи вc>вL, то tgφ отрицательный, то есть цепь носит емкостный характер (рис. 12, в). На диаграмме вектор тока Iр2 длинней, чем Iр1 , так как вс>вL. Поэтому ток I опережает напряжение на угол φ.
Как видно из этих диаграмм, величина и знак угла φ зависят от соотношения между реактивными проводимостями ветвей вL и вс-
Если
вL = вс то tgφ =
Следовательно, <φ = 0, значит цепь ведет себя, как активная (Рис. 12, г).
При этом реактивная составляющая тока Iр=Uв=U0 = 0. Полный ток в цепи I= По величине он минимален, так как в нем полностью отсутствует реактивная составляющая и он равен своей активной составляющей. Несмотря на то, что от генератора течет ток, не содержащий реактивной составляющей, реактивные токи в ветвях есть (IР1=UВL И IР2 = Uвс).
Рис. 12. Резонанс токов:
а — схема цепи; б, в и г — векторные диаграммы.
Рис. 13. Колебательный контур в цепи с переменной э. д. с.
Это обстоятельство объясняется тем, что реактивные токи в индуктивности и емкости по фазе не совпадают друг с другом на 180°, они всегда противоположны друг другу, и если в индуктивности в некоторый момент времени реактивный ток направлен от зажима А к зажиму В (рис 12, а), то в это время ток в емкости обязательно направлен от зажима В к зажиму А.
Этот ток емкости, подойдя к точке А, оказывается тем источником зарядов, которые нужны для образования реактивного тока индуктивности, а реактивный ток индуктивности, подходящий к точке В, является источником зарядов, образующих ток емкости. Так как эти токи равны по величине, то они полностью обеспечивают друг друга и, генератору не требуется снабжать реактивным током ни индуктивные, ни емкостные ветви схемы. Другими словами, реактивные токи индуктивности и емкости текут за счет друг друга, в результате чего общий реактивный ток от генератора равен нулю.
Явление совпадения по величине реактивных токов индуктивных и емкостных ветвей в параллельной цепи переменного тока называется резонансом токов. В режиме резонанса токов реактивные токи в ветвях могут оказаться очень большими и быть значительно больше тока всей цепи, текущего к ней от генератора. Такие соотношения могут быть, если активная проводимость цепи мала, а реактивные проводимости ветвей велики.
Колебательный контур в цепи с переменной э. д. с. Если в режиме резонанса токов активная проводимость цепи уменьшится до нуля (при R1 = 0), то и активный ток ее окажется равным нулю, это значит, что в этом случае от генератора вообще никакой ток не течет, так как в режиме резонанса токов он состоит из одной активной составляющей (Iр = 0).
Таким образом, переменные токи в ветвях (IР1 и IР2 ) существуют независимо от генератора, и его вообще можно отключить (рис. 13). Такую систему, состоящую из индуктивности и емкости, в которой может происходить колебательный процесс, назвали колебательным контуром, а колебания, происходящие в нем без помощи генератора,— свободными .
Существование в контуре переменных токов IР1 и IР2 без помощи генератора — это и есть свободный колебательный процесс, но начавшийся под влиянием переменной э. д. с, а не порции энергии, внесенной заряженным конденсатором. Это также процесс обмена энергией между индуктивностью и емкостью. Не затухает он из-за отсутствия потерь энергии, поскольку в ветвях нет активных сопротивлений.
В реальном колебательном контуре эти переменные токи без помощи генератора длительно существовать не могут.
Частота свободных колебаний в контуре называется собственной частотой колебательного контура.
Таким образом, колебательный контур представляет собой электрическую колебательную систему и в этом отношении подобен механической колебательной системе (маятнику), в которой тоже может совершаться свободный колебательный процесс, если ей сообщить некоторый запас энергии (толкнуть).
Условием возникновения в цепи резонанса токов является равенство реактивных проводимостей индуктивной и емкостной ветвей, поэтому для получения его необходимо, изменяя емкость или индуктивность, добиться равенства вL и вс.
Так как при изменении частоты индуктивная и емкостная проводимости изменяются взаимообратно, то даже при произвольных значениях индуктивности L и емкости С в цепи можно добиться - резонанса токов, подобрав частоту, при которой индуктивная проводимость вL окажется равной емкостной вс. Эту частоту называют резонансной и обозначают fрез.
В идеальном колебательном контуре ее можно определить, имея в виду, что при этой частоте вL = вс. или
Из этого условия
, или 1=ωLC
Следовательно,
4π2f2резLС=1, или f2рез =
Окончательно
fрез =
где L — индуктивность контура (гн);
С— емкость контура (ф);
fрез—резонансная частота (гц).
В реальном колебательном контуре значение резонансной частоты несколько зависит и от величины активного сопротивления в нем.
Резонансная частота обязательно равна собственной частоте колебательного контура. Если при произвольных индуктивности и емкости мы добьемся резонанса токов, подобрав частоту тока питающего генератора (например, fрез = 400 гц), то колебания в контуре будут совершаться с частотой 400 гц (в контуре будут течь переменные токи Ip1 и Ip2 с частотой 400 гц). Уменьшив активное сопротивление контура до нуля и отключив его от генератора, мы добьемся того, что колебания станут самостоятельными (свободными), но при этом частота их останется прежней (в контуре будут совершаться свободные колебания с частотой 400 гц), это значит, что собственная частота контура равна 400 гц.
Если цепь питается от генератора, создающего ток с частотой 50 гц, а резонанса мы добиваемся, изменяя вL или вс, то тем самым мы подбираем такую индуктивность или такую емкость, при которых собственная частота контура оказывается равной 50 гц (вL = вс при частоте 50 гц). На основании этих рассуждений, формула резонансной частоты позволяет подсчитывать собственную частоту колебательного контура. Из нее следует, что собственная частота контура зависит от величины индуктивности и емкости и чем они больше, тем собственная частота меньше.
Из уравнения 2πfрез = = , но так как к 2πfрез =ω0, то ω0 =
Таким образом, резонанс токов — это явление, возникающее в параллельных цепях переменного тока при совпадении частоты тока питающего генератора с собственной частотой колебательного контура, а добиваются его двумя путями: либо собственную частоту контура подгоняя под частоту питающего тока (изменяя параметры контура), либо частоту питающего тока подгоняя под собственную частоту контура.
Компенсация сдвига фаз.Так как всякая реактивная мощность создается реактивным током, то емкость, являясь источником реактивного тока для индуктивности, оказывается для нее и источником реактивной мощности. Поэтому после подключения емкости к цепи обмен энергией происходит не между индуктивностью и генератором, а между индуктивностью и емкостью.
Если емкость недостаточно большая, то ток ее меньше реактивного тока индуктивности, и генератор освобожден от него не полностью (цепь ведет себя как индуктивная). Если емкость слишком большая, то ее ток больше реактивного тока индуктивности и генератор загружен, емкостным реактивным током (цепь, потребляя емкостный ток, ведет себя как цепь емкостная). Эти обстоятельства можно использовать для компенсации сдвига фаз, создаваемого индуктивной нагрузкой (электродвигателями), то есть для увеличения cos φ.
Для компенсации сдвига фаз достаточно параллельно индуктивной нагрузке подсоединить емкость с таким расчетом, чтобы ток емкости был равен реактивному току нагрузки и генератор оказался полностью освобожденным от реактивного тока и реактивной мощности.
Пример. Электрический двигатель мощностью 1,0 квт работает с коэффициентом полезного действия η = 0,83 и cos φ = 0,5. Подсчитать емкость конденсатора, который нужно подключить к сети параллельно двигателю для того, чтобы полностью скомпенсировать сдвиг фаз, создаваемый двигателем. Напряжение сети 380 в.
Решение. Мощность, потребляемая двигателем из сети,
Р=
Реактивный ток двигателя Iр=Isin φ = 6,3 · 0,865=5,45 а. Следовательно, для полной компенсации сдвига фаз и обеспечения двигателя реактивным током ёмкостной ток I с должен быть равен 5,45 а.
Емкостное сопротивление конденсатора Хс = = 69,7 ом.
Емкость конденсатора
C= 0.0000456 ф, или С= 45,6мкф
При частичной компенсации емкость разгружает генератор от реактивного тока не полностью. Величину необходимой при этом емкости определяют в зависимости от величины тока, который должна обеспечить емкость. Для этого определяют реактивный ток Iр1 нагрузки до компенсации, реактивный ток Iр2 от источника тока после компенсации и реактивный ток Iр, который должна обеспечить емкость. Очевидно IP = IP1 – IP2.
По величине тока Iр определяют емкость конденсатора так же, как и при полной компенсации.
Пример. Определить емкость конденсатора, который необходим для увеличения cos φ до значения 0,9 в условиях, приведенных в предыдущем примере.
Решение. Реактивный ток двигателя до компенсации Ip1=5,45 а. Полный ток двигателя после компенсации
I2 = , sinφ2 = = 0.435
Реактивный ток двигателя после компенсации
IР2 =I2 sin φ2 = 3, 5·0,435 = 1,53а
Реактивный ток, который должен поступать в двигатель от конденсатора,
IP=IP1 – IP2 =5.45a – 1.53a = 3.92a
Емкостное сопротивление конденсатора
Xc =
Емкость конденсатора
C = , или С = 32,8 мкф
Сравнив результаты этого и предыдущего примеров, мы видим, что для увеличения соs φ всего на 0,1 (с 0,9 до 1,0) емкость необходимо увеличить почти в полтора раза, поэтому практически полной компенсации добиваться нецелесообразно (емкость увеличивается сильно, а эффект от этого небольшой). Обычно cos φ увеличивают до значения 0,85—0,9. Кроме того, для различных категорий нагрузок устанавливается так называемый штрафной cos φ. Если на предприятии cos φ ниже штрафного, то к предприятию применяют меры экономического воздействия (штрафы, увеличение стоимости энергии и другие).
При использовании конденсаторов, специально предназначенных для компенсации сдвига фаз, расчет целесообразно вести по реактивной мощности, которую конденсаторы могут отдать индуктивной нагрузке при рабочем напряжении, на которое они рассчитаны. Рабочее напряжение и реактивная мощность, которую может отдать конденсатор, записаны на самом конденсаторе.
Дата добавления: 2020-03-17; просмотров: 877;