Изучение передачи электрической энергии

Цель работы: изучить зависимость потерь электроэнергии в проводах линии электропередачи от напряжения линии.

Оборудование: модель линии электропередачи с двумя одинаковыми трансформаторами, мультиметр ВР-11.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

 

Электрическая энергия самый удобный вид энергии. Ее сравнительно легко можно превратить в механическую, тепловую, световую и другие виды энергии. Ее сравнительно легко можно передавать на большие расстояния. Электрическую энергию вырабатывают на электростанциях (ГЭС, АЭС, ТЭС). Генераторы электростанций превращают механическую энергию, вследствие явления электромагнитной индукции, в электрическую энергию.

Потребители электрической энергии часто находятся далеко от электростанций. Передача электроэнергии производится по проводам линии электропередачи, ЛЭП. Передаваемая мощность равна произведению силы тока не напряжение линии . При протекании электрического тока по проводам происходит потеря части электрической энергии, превращение ее в теплоту. По закону Джоуля-Ленца мощность тепловых потерь равна произведению квадрата силы тока на сопротивление провода: . Подставив сюда силу тока, получим

 

. (1)

 

Уменьшение тепловых потерь в проводах возможно увеличением сечения проводов, но только в небольших пределах. Более эффективен путь снижения потерь повышением напряжения в линии. При увеличении напряжения с помощью трансформаторов до 750 кВ, потери снижаются в сотни тысяч раз.

Трансформатор – это статическое устройство, работа которого основана на явлении взаимной индукции, предназначенное для преобразования напряжения и силы тока в цепях перемен ого тока. В нем нет подвижных частей, нет потерь на трение, он не изнашивается. Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника, на котором расположены катушки. В простейшем случае их две: первичная катушка подсоединена к генератору переменного тока, а вторичная замкнута на нагрузку (рис. 1).

Силовые линии

Катушки

Генератор

Нагрузка

Рис. 1

N 2

N 1

Rнагр

При протекании переменного электрического тока от генератора по первичной катушке в магнитопроводе возбуждается переменное магнитное поле, которое индуцирует в витках катушки индукционный ток. ЭДС самоиндукции, согласно закону Фарадея, равна скорости изменения магнитного потока. Так как витки соединены последовательно, то ЭДС катушки . В режиме холостого хода при отсутствии нагрузки ЭДС самоиндукции катушки и генератора равны и противоположны по фазе, согласно закону Ома для цепи , при J ₁ → 0.

Если рассеянием магнитного потока в магнитопроводе можно пренебречь, то тот же поток пересекает витки вторичной катушки. В ней индуцируется ЭДС взаимной индукции: . Сопоставляя формулы для ЭДС катушек, получим

 

. (2)

 

Отношение ЭДС катушек равно отношению чисел витков катушек.

При включении нагрузки во вторичной цепи появляется ток, который по правилу Ленца должен ослабить магнитный поток и вместе с этим ЭДС в первой катушке. Но с падением ЭДС одновременно растет ток от генератора и магнитный поток почти восстанавливается. Мощность, передаваемая магнитным потоком от катушки к катушке почти одинакова: U ₁ J ₁= U ₂ J ₂. Отсюда отношение сил токов в катушках обратно пропорционально числам витков катушек: .

ЛЭП

Повышающий трансформатор

Вольтметр

Нагрузка Rнагр

220 В

Рис. 2

Понижающий трансформатор

Б.П.

Экспериментальное изучение передачи электроэнергии производится на установке, на плате которой установлены два одинаковых трансформатора. Повышающий трансформатор подключен к блоку питания Б П (электростанция). Через резистор, который является линией электропередачи, высокое напряжение подается на понижающий трансформатор. Его вторичная обмотка замкнута на нагрузку. Напряжение на нагрузке измеряется вольтметром. При каждой ступени напряжения повышающего трансформатора к резистору подключаются те же выводы понижающего трансформатора, чтобы поддерживать на нагрузке постоянный коэффициент трансформации, равный единице. Напряжение измеряется дважды. При коротком замыкании ЛЭП потребляемая мощность будет как при прямом включении нагрузки к блоку питания. При размыкании ЛЭП мощность на нагрузке будет меньше на величину потерь на резисторе:

. (3)

 

При выводе формулы предполагалось, что сопротивление катушек трансформаторов ничтожно мало, КПД трансформаторов равен 100 %.

 

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

 

1. Проверить электрическую цепь. Записать в табл. 1 величины сопротивлений цепи, указанные на плате.

На панели мультиметра кнопками выбрать режим измерения переменного напряжения, предел измерения 2 В. Если при измерениях будет светиться буква П, то перейти на предел 20 В.

Таблица 1

Rнагр
RЛЭП

Включить блок питания в сеть 220 В.

2. Отключить выводы катушек повышающего трансформатора от линии электропередачи.

Измерить напряжения V на выводах повышающего трансформатора. Для этого поочередно подсоединять к выводам катушек соединительные провода мультиметра. Результаты записать в табл. 2.

3. Проводниками подключить к ЛЭП один из выводов катушки повышающего трансформатора и такой же вывод катушки понижающего трансформатора. Мультиметр подсоединить к выводам нагрузки. Замкнуть накоротко линию электропередачи проводником. Измерить напряжение U ₀на нагрузке.

Разомкнуть линию. Измерить мультиметром напряжение на нагрузке U.

4. Повторить измерения, подключая к линии электропередачи другие пары выводов катушек трансформаторов. Результаты измерения напряжений записать в табл. 2.

Таблица 2

VЛЭП, В	U 0, В	U, В	P 0, мВт	P, мВт	Δ P,мВт	J, мА	JV, мВт	η

 

 

5. Произвести расчеты.

Определить по закону Джоуля-Ленца мощность, потребляемую нагрузкой, от блока питания при коротком замыкании ЛЭП . Определить мощность, потребляемую нагрузкой от блока питания через ЛЭП . R_нагр= 400 Ом. Определить мощность тепловых потерь в проводах ЛЭП . Результаты записать в табл. 2.

6. Определить КПД процесса передачи электрической мощности по проводам ЛЭП, . Результаты записать в табл. 2.

7. Определить силу тока в линии по величине мощности тепловых потерь в каждом опыте. Определить мощность, передаваемую через ЛЭП от блока питания . Записать в табл. 2. Сравнить с мощностью, потребляемую нагрузкой P.

8. Построить график зависимости мощности тепловых потерь от напряжения повышающего трансформатора, Δ P (V). Построить график зависимости КПД линии электропередачи от напряжения повышающего трансформатора, η (V). Размер графиков не менее половины страницы. Нанести равномерный масштаб. Около экспериментальных точек провести плавную линию.

Сделать выводы.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Почему в быту и промышленности применяется в основном переменный ток? Почему ограничено повышение напряжения для потребителей?

2. Выведите формулу зависимости мощности тепловых потерь от напряжения источника электричества.

3. Выведите формулу для соотношения ЭДС вторичной и первичной катушек трансформатора.

4. Какая катушка намотана проводом большего сечения у понижающего трансформатора?

5. Во сколько раз снизятся тепловые потери в проводах ЛЭП, если повысить напряжение с помощью повышающего трансформатора в сто раз?

6. Есть ли предел повышения напряжения линий электропередачи? Какой вид потерь энергии, кроме тепловых потерь, возникает с повышением напряжения?

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Вводное занятие........................................................................................... 3

Работа 20. Изучение электростатического поля................................... 7

Работа 21. Определение ЭДС и мощности источника тока............. 12

Работа 22. Определение удельного заряда электрона........................ 18

Работа 23. Изучение явления взаимной индукции............................. 23

Работа 24 а. Изучение затухающих и вынужденных колебаний....... 29

Работа 24 б. Изучение вынужденных колебаний…………………...36

Работа 25 а. Изучение процессов в цепи с конденсатором................. 42

Работа 25 б. Изучение процессов в цепи с индуктивностью…….....47

Работа 26 а. Определение индукции магнитного поля катушки......52

Работа 26 б. Определение индукции магнитного поля Земли........... 57

Работа 27. Определение индуктивности катушки............................. 62

Работа 28. Изучение намагничивания ферромагнетиков.................. 67

Работа 29. Определение длины электромагнитной волны.............. 73

Электрическая железная дорога

Работа 51. Определение мощности электродвигателя……………..79

Работа 52. Изучение контактной сети………………………………..85

Работа 53. Изучение передачи электроэнергии……………………...91

 

 

Шушарин Анатолий Васильевич

 

 

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

 

Учебно-методическое пособие

к лабораторным занятиям

 

Издание третье.

 

Редактор Гришина Л.Ф.

 

 

Подписано в печать 20.08. 07.

Формат 60х88 ¹/₁₆. Печать офсетная.
Уч.-изд. л.. 4,25
Усл. печ. л.. Тираж 100 экз.
Заказ. Цена договорная

 

 

Отпечатано в Издательском центре ЧИПС

454111 Челябинск, ул. Цвиллинга, 56

⇐ Предыдущая6789101112131415

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: