Zakład Podstaw Energetyki
Gospodarka elektroenergetyczna
Ćwiczenie nr: 2
Data wykonania ćwiczenia

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest badanie współczynnika mocy najczęściej stosowanych odbiorników energii elektrycznej, w warunkach znamionowych oraz przy zmianie podstawowych parametrów pracy odbiornika.

1. Wstęp teoretyczny

Przemianom energii elektrycznej, w obwodach prądu przemiennego, towarzyszą zjawiska, do istnienia których potrzebna jest moc i energia bierna. Wielkości te nie są zamieniane na pracę, lecz bez ich istnienia niemożliwe byłoby uzyskanie z energii elektrycznej pracy, lub innej energii użytecznej.

Dostarczanie mocy biernej do odbiornika wywołuje, w układzie zasilania, analogiczne skutki jak przepływ mocy czynnej, tj. straty mocy, spadki napięć itp., a w związku7 z tym określone skutki gospodarcze.

Kształtowanie się wartości współczynnika mocy w systemie zależy główni od poboru mocy przez odbiorniki o charakterze indukcyjnym. Do głównych odbiorników mocy i energii biernej należą silniki asynchroniczne, pobierające ok. 60% ogólnego poboru mocy i energii biernej, transformatory (ok. 20% ) i inne jak: dławiki, prostowniki, linie przesyłowe, źródła światła, przyrządy pomiarowe itp. (ok. 20% ). Poziom pobieranej z systemu mocy biernej określa się poprzez wartość współczynnika mocy cosφ, który wyraża stosunek zamienianej na pracę mocy czynnej do mocy pozornej, wynikającej z przepływu prądu przez urządzenie.

$$\cos\varphi = \frac{P}{S} = \frac{P}{\sqrt{P^{2} + Q^{2}}}$$

Dla urządzeń elektrycznych charakterystyczny jest znamionowy współczynnik mocy cosφ_n, który jest naturalną wielkością, wynikającą z zasady pracy i konstrukcji odbiornika. Współczynnik mocy nie jest stały i zależy głównie od wartości obciążenia odbiornika oraz wartości napięcia na jego zaciskach.

Celem właściwego gospodarowania mocą bierną jest odpowiedni dobór odbiorników energii elektrycznej do ich obciążenia, tak aby współczynnik mocy był największy oraz dobór urządzeń kompensacyjnych, do wytwarzania mocy biernej w miejscu najbliższym odbiornikom.

We współczesnych systemach elektroenergetycznych dąży się do tego, aby moc bierną wytwarzać jak najbliżej odbiornika energii. Pomimo, że produkcja mocy biernej jest najtańsza w generatorach elektrowni, to jednak nie zawsze jest to opłacalne, przede wszystkim ze względu na straty energii przy jej przesyłaniu oraz wzrost nakładów inwestycyjnych urządzeń przesyłowych, które przenosząc moc bierną pracują przy większym obciążeniu niż by wynikało z pobieranej mocy czynnej.

1. Wyniki pomiarów.

1. Silnik asynchroniczny

Lp.	Itw	Utw	cosφ
	A	V	-
1	2	6	0,22
2	3	10	0,23
3	4	12	0,25
4	5	16	0,28
5	6	19	0,3
6	7	22	0,32
7	8	27	0,36
8	9	29	0,41
9	10	32	0,45
10	11	35	0,52
11	12	38	0,57
12	13	42	0,64

1. Lampa fluorescencyjna

Lp.	Bez kompensacji	Z kompensacją
	U	I
	V	A
1	253	1,05
2	245	0,95
3	235	0,85
4	225	0,8
5	215	0,7
6	205	0,65
7	195	0,6
8	185	0,5
9	175	0,4
10	165	0,35

1. Badanie lampy sodowej

• Podczas zapłonu

Lp.	Bez kompensacji	Z kompensacją
	t	I
	s	A
1	0	3,9
2	10	3,9
3	20	3,9
4	30	3,9
5	40	3,9
6	50	3,9
7	60	3,9
8	70	3,9
9	80	3,9
10	90	3,8
11	100	3,8
12	110	3,8
13	120	3,8
14	130	3,7
15	140	3,7
16	150	3,65
17	160	3,7
18	170	3,65
19	180	3,5
20	190	3,45
21	200	3,4
22	210	3,3
23	220	3,3
24	230	3,2
25	240	3,2

• Przy zmianie napięcia zasilania

Lp.	Bez kompensacji	Z kompensacją
	U	I
	V	A
1	253	3,6
2	245	3,2
3	235	2,9
4	225	2,7
5	215	2,5
6	205	2,35
7	195	2,2
8	185	2
9	175	1,85
10	165	1,75

1. Obliczanie mocy P_g oraz mocy P_sil

1. Moc obciążająca generator P_g:

gdzie: U_tw – napięcie twornika generatora

I_tw – prąd twornika generatora

1. Moc obciążająca wał silnika

gdzie: η_g – sprawność generatora, która wynosi 0,9.

Wyniki obliczeń mocy P_g oraz mocy P_sil silnika asynchronicznego

Lp.	Pg	Psil	cosφ
	W	W	-
1	12	13,33333	0,22
2	30	33,33333	0,23
3	48	53,33333	0,25
4	80	88,88889	0,28
5	114	126,6667	0,3
6	154	171,1111	0,32
7	216	240	0,36
8	261	290	0,41
9	320	355,5556	0,45
10	385	427,7778	0,52
11	456	506,6667	0,57
12	546	606,6667	0,64

1. Charakterystyki

1. Przebiegi zmian współczynnika mocy silnika asynchronicznego

2. Przebiegi zmian współczynnika mocy lamp fluorescencyjnych

3. Przebieg zmian współczynnika mocy lampy sodowej

• Podczas zapłonu

• Po zapłonie lampy

1. Wnioski

Pierwszym badanym przez nas odbiornikiem jest silnik asynchroniczny zasilony napięciem 400 V z połączoną wałem prądnicą prądu stałego z regulowanym napięciem wzbudzenia. Zmieniając napięcie zasilania wzbudzenia prądnicy, zmienialiśmy obciążenie silnika na wale. Z przeprowadzonego ćwiczenia wynika, że wraz ze wzrostem mocy obciążającej wał silnika, wzrasta cosφ ale tylko do wartości 0,64 przy napięciu twornika 42 V i prądzie twornika 13A.

Kolejnym obiektem była lampa fluorescencyjna którą badaliśmy w zależności od napięcia zasilania w układzie z kompensacją mocy biernej oraz bez kompensacji. W układzie bez kompensacji współczynnik cosφ wraz ze wzrostem napięcia zasilania maleje i przy napięciu znamionowym U = 230V wynosi około 0,54. Po zastosowaniu kompensacji współczynnik mocy biernej cosφ rośnie wraz ze wzrostem napięcia zasilania lampy i przy napięciu znamionowym U = 230V wynosi 0,92. Zauważamy również różnice pomiędzy prądem pobieranym przez lamę fluorescencyjną w układzie z kompensacją i bez kompensacji. Przy napięciu 165 V różnica ta wynosi tylko 0,04 A gdy przy 253 V różnica ta sięga 0,5A. Należy również zaznaczyć że mniejszy prąd płynie w układzie z kompensacją mocy biernej. Co do mocy pobieranej przez lampę, w obydwu układach jest ona porównywalna.

Ostatnim odbiorem jest lampa sodowa badana podczas zapłonu i po zapłonie lampy. Podczas zapłonu współczynnik mocy cosφ rośnie i w 240 sekundzie od włączenia zasilania osiąga wartości: 0,51 w układzie bez kompensacji i 0,91 w układzie z kompensacją. Prąd płynący w obwodzie z kompensacją jest mniejszy od prądu w układzie bez kompensacji w wraz z rozgrzewaniem się lampy nieznacznie maleje w obydwu układach. Moc pobierana przez lampę sodową rośnie wraz z upływem czasu i w 240 sekundzie od załączenia zasilania wynosi w układzie z kompensacją 264 W a w układzie bez kompensacji 250 W. Po przebadaniu zapłonu lampy sodowej, badaliśmy ją na okoliczność zmiany napięcia zasilania. Przy wzroście napięcia zasilania współczynnik mocy biernej cosφ maleje, prąd oraz moc pobierana przez lampę rośnie. W układzie z kompensacją cosφ jest większy niż w układzie bez kompensacji i przy znamionowym napięciu zasilania U = 230V wynosi około 0,97, natomiast prąd mniejszy o około 1A. Moc pobierana przez lampę w obydwu układach jest porównywala.