Cwiczenie 2

Politechnika Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Elektroenergetyki, Fotoniki i Techniki Świetlnej
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu:
URZĄDZENIA ELEKTRYCZNE
KOD: EKS1A400032
Ćwiczenie nr: 3
Temat ćwiczenia:
BADANIE SPADKÓW NAPIĘĆ
Ćwiczenie nr: 3
Opracował:
dr inż. Zbigniew Skibko
2016
2
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zbadanie zjawiska spadku napięcia w instalacji elektrycznej
oraz jego wpływu na działanie odbiorników energii elektrycznej.
2. Wiadomości podstawowe
Instalacjami elektrycznymi nazywa się zespoły urządzeń elektroenergetycznych
służących do przesyłu energii elektrycznej z sieci rozdzielczej do odbiorników o napięciu
znamionowym nie przekraczającym 1 kV. W skład instalacji elektrycznej wchodzą:
przewody, aparaty i przyrządy łączeniowe, zabezpieczające, ochronne, sterujące i
pomiarowe, jak również obudowy i konstrukcje wsporcze.
W każdej instalacji elektrycznej dąży się do tego, aby odbiorniki energii elektrycznej
pracowały, po ich załączeniu, na napięciu znamionowym. Jednak w przewodach
zasilających odbiorniki energii występują straty związane z rezystancją przewodu.
Rezystancję przewodu RL można wyznaczyć na podstawie zależności:
RL 
l
 s
(1)
gdzie: l – długość przewodu [m];  – przewodność właściwa materiału przewodowego
m
; s – pole przekroju poprzecznego przewodu [mm2]
  mm 2
Przewodność właściwa miedzi wynosi około 55
około 35
m
, natomiast dla aluminium jest to
  mm 2
m
.
  mm 2
Spadek napięcia w linii jednofazowej, obciążonej prądem I określony jest
zależnością:
U  2  I  RL cos  X L sin  
(2)
U  3  I  RL cos  X L sin 
(3)
a dla obwodów trójfazowych:
3
lub wyrażony w procentach:
U % 
U
 100
U nf
(4)
gdzie: XL – reaktancja linii [Ω]; Unf – fazowe napięcie znamionowe linii [V]
W zależnościach (2) i (3) znak plus dotyczy obciążenia o charakterze indukcyjnym (np.
silniki indukcyjne), a znak minus dotyczy obciążenia pojemnościowego (np. kondensatory).
W obwodach z przewodami o przekroju żył do 16 mm2 można pominąć reaktancję
przewodów, gdyż rezystancja przewodów jest ponad pięciokrotnie wyższa od ich reaktancji.
Nie ma więc to istotnego wpływu na wyniki obliczeń. Przy uwzględnieniu tego
uproszczenia, spadek napięcia w linii jednofazowej opisany jest zależnością:
U  2  I  RL  cos
(5)
Należy jednak pamiętać, że dla odbiorników o charakterze rezystancyjnym (np. żarówki)
cos = 1.
Aby odbiorniki pracowały poprawnie, musi być między innymi zapewnione napięcie
zasilające o odpowiedniej wartości, jak najbardziej zbliżone do ich napięcia znamionowego.
W obecnie obowiązujących przepisach wymaga się, aby procentowy spadek napięcia w
instalacji elektrycznej na odcinku od złącza do odbiornika nie przekraczał 4 % wartości
napięcia znamionowego.
Straty mocy czynnej P w linii jednofazowej wyznacza się z zależności:
P  2  I 2  R L
(6)
Procentowe straty mocy opisuje równanie:
P% 
P
 100
P
(7)
3. Opis stanowiska badawczego
Przedmiotem badania jest model instalacji elektrycznej jednofazowej (dwuprzewodowej),
pracującej na dwóch poziomach napięć znamionowych: 24 V oraz 230 V.
4
Tr
A
AT
V1
V2
Ż1
Ż2
Ż3
Ż4
Ż5
W1
W2
W3
W4
W5
Rys. 3. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania spadków napięć w linii jednofazowej
o napięciu znamionowym 24 V.
Pomiarów spadków napięć w badanej linii o napięciu znamionowym 24 V należy
wykonać w układzie, którego schemat przedstawiony jest na rys. 3. W układzie tym, model
linii (zaznaczony na rysunku grubą linią) zasilany jest z autotransformatora AT
o zakresie regulacji napięcia 0250 V, przez transformator obniżający napięcie Tr
o
przekładni
220/24
V.
Układ
obciążony
jest
żarówkami
Ż1Ż5
o napięciu znamionowym równym 24 V, załączanymi włącznikami W1W5.
Natomiast w drugim przypadku, gdy napięcie znamionowe linii wynosi 230 V, pomiarów
należy dokonać w układzie, którego schemat przedstawiony został na rys. 4. W tym
przypadku jako obciążenia linii należy użyć:
- żarówek o napięciu znamionowym 230 V,
- żarówek o napięciu znamionowym 230 V z połączonym równolegle elementem
indukcyjnym (dławik),
- żarówek o napięciu znamionowym 230 V z połączonym równolegle elementem
pojemnościowym (kondensator).
5
Przy podłączaniu odbiorników nieliniowych należy pamiętać o włączeniu w układ
watomierza (o odpowiednim zakresie pomiarowym), który pozwoli na wyznaczenie cos φ
występującego w badanym układzie.
A
V1
AT
L
V2
Ż1
Ż2
Ż3
Ż4
W1
W2
W3
W4
C
Rys. 4. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania spadków napięć w linii jednofazowej
o napięciu znamionowym 230 V.
4. Przebieg ćwiczenia
4.1. Badanie linii o napięciu znamionowym 24 V
W tej części ćwiczenia należy:
 Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 3. zwracając
szczególną uwagę na zakresy przyrządów pomiarowych;
 Za pomocą autotransformatora nastawić napięcie U1 na wartość znamionową (24 V) i
utrzymywać tą wartość przez cały czas trwania pomiarów;
 Zmieniając obciążenie linii poprzez załączanie lub wyłączanie poszczególnych
odbiorników Ż1Ż5 (wykorzystując wszystkie możliwe do otrzymania wartości mocy
6
pobieranej) dokonać pomiarów napięć na początku U1 oraz końcu U2 linii oraz
natężenia prądu I płynącego w obciążonych przewodach;
 Pomiarów dokonać dla wybranych przez prowadzącego długości linii;
 Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 1.
Tabela 1.
L.p.
Wartości zmierzone
Pn
U1
U2
I
W
V
V
A
RL
Ω
Wartości obliczone
U P
U%
P%
V
W
%
%
 Przyjmując średnią wartość rezystancji przewodu RL i zakładając, że przewód o
przekroju s=2,5mm2 wykonany jest z miedzi, obliczyć rzeczywistą długość linii l;
 Na podstawie tabeli sporządzić i omówić wykresy: U = f (I), U% = f (I),
P = f (I), : P% = f (I).
4.2. Badanie linii o napięciu znamionowym 230 V
W tej części ćwiczenia należy:
 Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 4. zwracając
szczególną uwagę na zakresy przyrządów pomiarowych;
 Za pomocą autotransformatora nastawić napięcie U1 na wartość znamionową (230 V) i
utrzymywać tą wartość przez cały czas trwania pomiarów;
 Zmieniając obciążenie linii poprzez załączanie lub wyłączanie poszczególnych
odbiorników Ż1Ż4 (wykorzystując wszystkie możliwe do otrzymania wartości mocy
pobieranej) dokonać pomiarów napięć na początku U1 oraz końcu U2 linii oraz
natężenia prądu I płynącego w obciążonych przewodach;
 Pomiarów dokonać dla wybranych przez prowadzącego długości linii;
 Zmieniając obciążenie linii poprzez załączanie lub wyłączanie poszczególnych
odbiorników Ż1Ż5 (wykorzystując wszystkie możliwe do otrzymania wartości mocy
pobieranej) przy dołączonej do żarówek (w sposób równoległy) indukcyjności, dokonać
7
pomiarów napięć na początku U1 oraz końcu U2 linii natężenia prądu I płynącego w
obciążonych przewodach oraz mocy P (Uwaga: układ pomiarowy należy uzupełnić o
watomierz);
 Zmieniając obciążenie linii poprzez załączanie lub wyłączanie poszczególnych
odbiorników Ż1Ż5 (wykorzystując wszystkie możliwe do otrzymania wartości mocy
pobieranej) przy dołączonej do żarówek (w sposób równoległy) pojemności dokonać
pomiarów napięć na początku U1 oraz końcu U2 linii natężenia prądu I płynącego w
obciążonych przewodach oraz mocy P;
 Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 2.
Tabela 2.
L.p.
Wartości zmierzone
Pn U1 U2 I P
W
V
V
Wartości obliczone
RL U P
U%
cos φ
A W
Ω
-
V
W
%
P%
%
 Przyjmując średnią wartość rezystancji przewodu RL i zakładając, że przewód o
przekroju s=2,5mm2 wykonany jest z miedzi, obliczyć rzeczywistą długość linii l;
 Na podstawie tabeli sporządzić i omówić wykresy: U = f (I), U% = f (I),
P = f (I), : P% = f (I).
5. Opracowanie wyników badań
Sprawozdanie studenckie powinno zawierać:
- Cel ćwiczenia
- Schematy układów pomiarowych
- Tabelaryczne zestawienie wyników badań
- Obliczenia i wykresy
- Wnioski
We wnioskach należy zwrócić szczególną uwagę na omówienie otrzymanych w wyniku
8
pomiarów wykresów, jak również na określenie parametrów, od których zależy wartość
spadku napięcia.
6. Literatura
1. Lejdy B.: Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych, WNT, Warszawa 2015,
2. Markiewicz H.: Instalacje elektryczne, WNT, Warszawa 2013,
3. Niebrzydowski J.: Sieci elektroenergetyczne, WPB, Białystok 2000,
4. Poradnik Inżyniera Elektryka, praca zbiorowa, WNT, Warszawa 1997 oraz wydania późniejsze.
7. Wymagania BHP
Podczas wykonywania ćwiczeń w laboratorium należy przestrzegać następujących zasad:
1.
Przed przystąpieniem do montowania układu pomiarowego należy dokonać oględzin
przydzielonej aparatury i urządzeń. Stwierdzone uszkodzenia powinny być zgłaszane
prowadzącemu ćwiczenia.
2.
Ze stanowiska pomiarowego należy usunąć wszelkie zbędne przedmioty a zwłaszcza
niepotrzebne przewody montażowe.
3.
Włączenie badanego układu do napięcia może odbywać się jedynie w obecności i za zgodą
prowadzącego ćwiczenia, po sprawdzeniu przez niego układu. Przed załączeniem układu trzeba
upewnić się, czy nikt nie manipuluje przy układzie pomiarowym. Za uszkodzenie przyrządów i
inne straty wynikłe z winy ćwiczących odpowiadają oni materialnie.
4.
Po załączeniu napięcia nie wolno wykonywać żadnych przełączeń w układzie. Rozmontowanie
i ewentualne przełączenia mogą być robione po wyłączeniu napięcia i za zgodą prowadzącego
ćwiczenia.
5.
Podczas wykonywania ćwiczenia należy unikać stykania się z wszelkiego rodzaju dobrze
uziemionymi przewodzącymi przedmiotami, takimi jak i kaloryfery, instalacje wodociągowe
itp.
6.
Wykonywanie ćwiczeń może odbywać się tylko na stanowisku wskazanym przez
prowadzącego. Nie wolno używać innego sprzętu i aparatów niż te, które przydzielił
prowadzący ćwiczenia.
7.
Niedozwolona jest samowolna obsługa rozdzielnic głównych w laboratorium, a zwłaszcza
załączanie napięcia na stanowiska pomiarowe.
9