Badanie wpływu odchyleń napięcia na pracę odbiorników energii

Badanie wpływu odchyleń napięcia na pracę odbiorników energii

Ćwiczenie E 8
BADANIE WPŁYWU ODCHYLEŃ NAPIĘCIA NA PRACĘ ODBIORNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ
Ćwiczenie E 8
BADANIE WPŁYWU ODCHYLEŃ NAPIĘCIA NA PRACĘ
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. Program ćwiczenia
R S T N
2.1. Układ pomiarowy
WG
R
A1
W1
VRS
S
A2
T
A3
W2
VST
VRT
W3
VR
VS
VT
N
W1
Aw
-
C
D
+
A
G
=
M
H
U
V
W
At
WAtr
Rys. 2.1. Schemat układu pomiarowego
-1-
Ćwiczenie E 8
BADANIE WPŁYWU ODCHYLEŃ NAPIĘCIA NA PRACĘ ODBIORNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ
Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys. 2.1. Przyjęto 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. Przebieg ćwiczenia
1. Zdjąć charakterystyki wyjściowe niżej podanych odbiorników przy zasilaniu
symetrycznym, dla odchyleń napięcia ΔUn 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(ΔUn),
• prędkości obrotowej silnika n = f(ΔUn),
• mocy czynnej i biernej pobieranej przez silnik P = f(ΔUn) i Q = f(ΔUn),
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. Porównać odpowiadająca sobie charakterystyki wyznaczoną w p. 1, 2 i 3.
Opracować wnioski dotyczące wpływu odchyleń napięcia na pracę odbiorników
energii elektrycznej.
-2-
Ćwiczenie E 8
BADANIE WPŁYWU ODCHYLEŃ NAPIĘCIA NA PRACĘ ODBIORNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ
3. Podstawy 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 P odbiornika, a napięciem U na jego
zaciskach przedstawia się za pomoce zależności P = kUm, 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 (U2 < U < U1) oraz
charakterystyka napędzanej maszyny Mo = f(n)
-3-
Ćwiczenie E 8
BADANIE WPŁYWU ODCHYLEŃ NAPIĘCIA NA PRACĘ ODBIORNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ
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 Mo 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,
Mo = 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-
Ćwiczenie E 8
BADANIE WPŁYWU ODCHYLEŃ NAPIĘCIA NA PRACĘ ODBIORNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ
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 Przedstawiono w wartościach względnych krzywe strumienia
świetlnego φ, skuteczności świetlnej η, mocy elektrycznej P 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
P, 4 - trwałość T
-5-
Ćwiczenie E 8
BADANIE WPŁYWU ODCHYLEŃ NAPIĘCIA NA PRACĘ ODBIORNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ
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. Prostownik diodowy
Wartość maksymalna napięcia na wyjściu prostownika diodowego GD, U0 jest
proporcjonalna do napięcia zasilającego zgodnie z wzorem:
U0 = 2U f 3
gdzie: Uf - 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
Poza 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-
Ćwiczenie E 8
BADANIE WPŁYWU ODCHYLEŃ NAPIĘCIA NA PRACĘ ODBIORNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ
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].
Pośrednią 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
Lp.
1
Dopuszczalne
Rodzaj odbiornika
odchylenia [%]
Odbiorniki siły przy rocznym czasie użytkowania mocy szczytowej
większym od 2000 h
2
Odbiorniki siły przy rocznym czasie użytkowania mocy szczytowej
nieprzekraczającym 2000 h
-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=
ΔP(W)
3 ⋅ I2 ⋅ R
3 ⋅I⋅R
⋅ 100 =
⋅ 100 =
⋅ 100
P(W)
U ⋅ cosϕ
3U ⋅ I ⋅ cosϕ
a procentowym spadkiem napięcia δU [%]
δU =
δU(V)
⋅ 100 ≅
U(V)
3 ⋅ I ⋅ cosϕ ⋅ R
⋅ 100
U
-7-
Ćwiczenie E 8
BADANIE WPŁYWU ODCHYLEŃ NAPIĘCIA NA PRACĘ ODBIORNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ
a mianowicie
p(%) =
δU(%)
.
cos 2ϕ
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. Podawane 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
Asymetria
faz
układu
obciążania
zasilającego.
powoduje
przede
wszystkim zwiększenia się spadków napięć i
wzrost obciążenia mocą bierną. Do analizy
układów niesymetrycznych stosuje się teorię
składowych symetrycznych.
Przy asymetrii prądów, nakładające się
składowe: przeciwna i zerowa, powodują wzrost
prądów wypadkowych, a zatem ograniczają
dopuszczalną wartość składowej zgodnej i
zmniejszają zdolność przesyłową układu.
Przy
asymetrii
napięć
nałożenie
się
składowych przeciwnej i zerowej prowadzi do
znacznych
przekraczających
przedziały
odchyleń
napięcia,
często
dopuszczalne
zmienności.
Pojawienie
się
-8-
Rys. 3.4. Dopuszczalne spadki napięć
w instalacjach przemysłowych
Ćwiczenie E 8
BADANIE WPŁYWU ODCHYLEŃ NAPIĘCIA NA PRACĘ ODBIORNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ
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.: Podstawy 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 PŁ. 1976
[5] Praca zbiorowa: Poradnik 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-
Ćwiczenie E 8
BADANIE WPŁYWU ODCHYLEŃ NAPIĘCIA NA PRACĘ ODBIORNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ
Załącznik I – wyniki pomiarów
I. Stan biegu jałowego
a) Zasilanie symetryczne
UR US UT ΔU URS
Lp.
[V] [V] [V] [V] [V]
1. 190 190 190 -30
2. 200 200 200 -20
3. 210 210 210 -10
4. 220 220 220 0
5. 230 230 230 +10
6. 240 240 240 +20
UST
[V]
URT
[V]
n
[obr/mim]
P1
[W]
P2
[W]
P3
[W]
b) Zasilanie niesymetryczne dla odchyleń napięcia w jednej fazie
UR US UT ΔU URS UST URT
P1
P2
P3
n
Lp.
[V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [obr/mim] [W] [W] [W]
1. 220 220 190 -30
2. 220 220 200 -20
3. 220 220 210 -10
4. 220 220 220 0
5. 220 220 230 +10
6. 220 220 240 +20
c) Zasilanie niesymetryczne dla odchyleń napięcia w dwóch fazach
UR US UT ΔU URS UST URT
P1
P2
P3
n
Lp.
[V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [obr/mim] [W] [W] [W]
1. 190 220 190 -30
2. 200 220 200 -20
3. 210 220 210 -10
4. 220 220 220 0
5. 230 220 230 +10
6. 240 220 240 +20
P
[W]
I1
[A]
I2
[A]
I3
[A]
P
[W]
I1
[A]
I2
[A]
I3
[A]
P
[W]
I1
[A]
I2
[A]
I3
[A]
P
[W]
I1
[A]
I2
[A]
I3
[A]
II. Stan obciążenia
a) Zasilanie symetryczne
UR US UT ΔU URS
Lp.
[V] [V] [V] [V] [V]
1. 190 190 190 -30
2. 200 200 200 -20
3. 210 210 210 -10
4. 220 220 220 0
5. 230 230 230 +10
6. 240 240 240 +20
UST
[V]
URT
[V]
n
[obr/mim]
- 10 -
P1
[W]
P2
[W]
P3
[W]
Ćwiczenie E 8
BADANIE WPŁYWU ODCHYLEŃ NAPIĘCIA NA PRACĘ ODBIORNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ
b) Zasilanie niesymetryczne dla odchyleń napięcia w jednej fazie
UR US UT ΔU URS UST URT
P1
P2
P3
n
Lp.
[obr/mim]
[V] [V] [V] [V] [V] [V] [V]
[W] [W] [W]
1. 220 220 190 -30
2. 220 220 200 -20
3. 220 220 210 -10
4. 220 220 220 0
5. 220 220 230 +10
6. 220 220 240 +20
c) Zasilanie niesymetryczne dla odchyleń napięcia w dwóch fazach
UR US UT ΔU URS UST URT
P1
P2
P3
n
Lp.
[V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [obr/mim] [W] [W] [W]
1. 190 220 190 -30
2. 200 220 200 -20
3. 210 220 210 -10
4. 220 220 220 0
5. 230 220 230 +10
6. 240 220 240 +20
- 11 -
P
[W]
I1
[A]
I2
[A]
I3
[A]
P
[W]
I1
[A]
I2
[A]
I3
[A]