Методическая разработка урока по электротехнике (СПО), тема:"Коэффициент мощности"

Методическая разработка  урока

Дисциплина: Электротехника и электроника

Тема: «Коэффициент мощности  (cosφ)»

Разработал: Пономарева О.А. -  преподаватель «Нижегородского промышленно-технологического  техникума»,  г.Нижний Новгород

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЗАПИСКА

Информационные и коммуникационные технологии в настоящее время являются  ключевыми для экономического роста государства и научно-технического прогресса. Требуются специалисты, соответствующие возрастающим требованиям. Поэтому образование должно обеспечить формирование общих и профессиональных компетенций у обучающихся, соответствующих этим требованиям.  Использование интерактивных технологий в обучении позволяет обеспечить реализацию этих требований. Одной из этих технологий является кейс-технология, которая обеспечивает:

- повышение мотивации к учению у обучающихся;

- развитие интеллектуальных навыков, которые обучающиеся могут использовать при дальнейшем обучении и в профессиональной деятельности.

Технологическая карта  урока

Тема: «Коэффициент мощности  (cosφ)»

Тип занятия: комбинированный

Цели:

Дидактические:

- обобщение, активизация и закрепление знаний по теме;

- развитие умений анализировать  ситуации, проблемы, предлагать варианты решений проблемы, выбирать лучший;

- развитие навыков работы в коллективе, отстаивания своего мнения, умения презентации результатов.

Методические:

- исследовать  особенности проведения занятий с использованием электронного оборудования

Методы обучения: фронтальная, групповая работа, беседа.

Оснащение: комплект учебной документации (кейсы), мультимедийная установка, рабочие тетради.

Межпредметные связи: математика, экономика.

Литература:

1.    М.В.Гальперин.Электротехника и электроника.2010

2.    И.А.Данилов, П.М.Иванов.Общая электротехника с основами электроники. М.2013.

3.    М.В.Немцов, М.Л.Немцова. Электротехника и электроника.М.Академия.2015

4.    п/р Б.И.Петленко. Электротехника и электроника.М.2005.

5.    В.С.Попов,С.А.Николаев.Общая электротехника с основами электроники.М.2005

6.    Ю.Г.Синдеев.Электротехника с основами электроники.Ростов-на-Дону.Феникс.2014

7.    В.М.Прошин.Электротехника для неэлектротехнических профессий.М.Академия.2014

8.     В.И.Полещук.Задачник по электротехнике и электронике.М.Академия.2010

9.    - http://elib.ispu.ru/library/electro1/index.htm 

10.  - http://ftemk.mpei.ac.ru/elpro/ 

Технологическая карта

Этапы	Время	Деятельность учителя	Деятельность обучающихся	Планируемый результат
Организационный момент Актуализация знаний Изучение нового материала Презентация результатов работы групп. Контроль. Итоги.	2мин 5мин 15мин 10мин 10мин 3мин	Проверяет готовность к уроку, озвучивает  тему, план урока. Вступительное слово учителя, беседа по вопросам. Объясняет порядок действий. Осуществляет проверку самостоятельной работы. Раздает  кейсы. Организует групповую работу. Консультирует. Уточняет, слушает. Представляет задачи для самостоятельной работы. Обобщение, подведение итогов по реализации темы; анализ  результативности  занятия	Слушают, записывают в рабочую тетрадь. Отвечают на вопросы. Рассаживаются по группам.   Сначала индивидуальная самостоятельная работа по кейсам . Затем работа в группах по кейсам. Изучают кейсы, обсуждают, анализируют, делают выводы. Получение дополнительной информации. Представляют результаты обсуждений, отвечают на вопросы. Выполнение самостоятельной работы по карточкам Самоанализ , самооценка	ОК2 ОК2…7 ОК7 ОК2

Ход урока.

1. Орг. момент. Проверка готовности обучающихся к уроку. Сообщение темы и целей урока. Используется слайд1 , проецирующийся на экран.

2.Актуализация знаний.

Вступительное слово учителя.

       При потреблении электрической энергии большое значение придается такому параметру электрической цепи, как cosφ. Что это за коэффициент, в чем значение этого коэффициента, какова его роль – вот вопросы, на которые мы должны сегодня получить ответы.

       Прежде чем изучать новую тему, необходимо вспомнить понятия, которые нам понадобятся для дальнейшей работы. Назовите параметры электрических цепей (сила тока, электрическое напряжение, электрическое сопротивление, электрическая мощность, эдс).

Более подробно рассмотрим параметр – электрическаямощность. Ответьте на вопрос:

- Какие виды мощности для электрических цепей переменного тока вы знаете? Напишите их формулы.

 (-активная мощность-        P=UIcosφ

  - реактивная мощность-     Q=UIsinφ

 -  полная мощность -            S=UI)

3. Изучение нового материала.Тема нашего занятия – коэффициент мощности. Что же это за коэффициент, которому придается такое большое значение?

Коэффициент мощности или cosφ – это отношение активной мощности к полной. Демонстрируется слайд2.

 Сегодня мы должны ответить на поставленныевопросы.Но сначала все студенты получат задание (кейс1), которое необходимо выполнить (индивидуальная самостоятельная работа).

      Далее – проверка работы (фронтально).

     После проверки каждая группа (деление на группы согласовывается до начала занятия, поэтому студенты рассаживаются сразу на свои места) получает кейс с заданием.Выбирается спикер. Необходимо изучить материал кейса, определить проблему, обсудить, предложить варианты решения проблемы, сделать выводы. Если требуется, группы могут обратиться к преподавателю за консультацией.

4. Презентация результатов работы групп.     Каждый спикер выступает с результатами  работы своей группы. Остальные слушают, задают вопросы, делают записи в рабочих тетрадях. Преподаватель слушает, уточняет, задает вопросы.  При этом происходит оценивание работы групп (таблица) – это может быть преподаватель или назначенная группа.

Критерии оценивания работы групп

№ групп	Четкое фиксирование ответов на поставленные вопросы	Вывод (полный не полный)	Аргумента- ция полученного результата	Результат командой работы	Умение задавать вопросы представителям других команд	Бонусы, штрафы	Итог
Группа1
Группа2
Группа3
Группа4

5. Контроль.      Выполнение заданий по карточкам.

6. Итоги урока.   Обобщаются результаты работы, анализ результатов, самоанализ

  Для самоанализа можно использовать смайлики.

Приложения .

1. Слайд1

Тема занятия: «Коэффициент мощности (cosφ)»

Цели занятия:

- обобщить знания по теме;

- знать понятие «коэффициент мощности»;

- изучить причины низкого cosφ и меры по его повышению;

- развивать навыки работы с кейсами.

2. Слайд2-«Коэффициент мощности»

рис.1

Беседа.

Что такое коэффициент мощности?

Чтобы лучше уяснить, что такое коэффициент мощности, нужно начать с нескольких основных понятий:

Активная мощность (кВт), также называемая полезной мощностью или действующей мощностью. Это мощность, которая реально приводит в действие оборудование и выполняет полезную работу.

Реактивная мощность (квар). Это мощность, необходимая устройствам, принцип действия которых основан на использовании электромагнитного поля (трансформаторов, электродвигателей, реле) для вырабатывания магнитного потока.

Полная мощность (кВА). Это векторная сумма активной и реактивной мощностей.

cos φ – это косинус угла сдвига между напряжением питающей сети и током, потребляемым нагрузкой.  Это соотношение верно только для синусоидальной формы тока и напряжения. При cos φ = 1  активная мощность на нагрузке равна полной. Вся энергия  питающей сети используется для полезной работы. Происходит это только на чисто активной нагрузке, без реактивной составляющей.

Рассмотрим простую аналогию, чтобы лучше уяснить эти понятия.

Человек тянет тяжёлый груз (рис.2). Мощность, которую он прикладывает в прямом направлении, то есть в том направлении, куда он хочет доставить груз, - это активная мощность (кВт).

К сожалению, человек не может тянуть груз строго горизонтально (он получит сильные боли в спине), поэтому высота его плеч добавляет некоторое количество реактивной мощности (квар).

Полная мощность, прикладываемая человеком (кВА), – это векторная сумма реактивной и активной мощностей.

Соотношение между активной, реактивной и полной мощностями, а также определение коэффициента мощности иллюстрируются треугольником мощностей, изображённым на рис. 3.

КМ = кВт/кВА = cosθ

квар/кВА = sinθ

кВА = кВт² + квар² = V х I х

в идеальном мире по аналогии с человеком, который тащит груз:

• реактивная мощность очень мала (стремится к нулю);
• активная мощность и полная мощность почти равны друг другу (человеку не нужно
• тратить энергию на усилие, направленное вдоль его тела);
• угол φ между векторами активной и полной мощности стремится к нулю;
• cosφстремится к единице;
• коэффициент мощности стремится к единице.

Поэтому чтобы иметь эффективную систему (человек, который тащит тяжёлый груз), мы должны иметь коэффициент мощности, как можно более близкий к 1,0.

Примечание.  По этому слайду преподаватель проводит беседу.

3.  Кейс1– задания для индивидуальной самостоятельной работы

Задание1. Определить cosφ потребителя, если амперметр показывает 10А, вольтметр – 120В, ваттметр- 1кВт

Задание2. Определить активную мощность, отдаваемую генератором однофазного переменного тока в сеть, если вольтметр на щите генератора показывает 220В, амперметр= 20А , фазометр- 0,8.

Взаимопроверка

Кейс2.«Размер скидок и штрафов при оплате электроэнергии»

Задание.

    1. Проанализировать таблицу.

     2.Оценить значения коэффициента cosφ, при которых назначается скидка за потребленную                           электроэнергию,  или назначается штраф.

5.Кейс 3.

 Низкий коэффициент мощности потребителя приводит:

. к необходимости увеличения полной мощности трансформаторов

 . к понижению коэффициента полезного действия вырабатывающих и  трансформирующих элементов цепи;

· к увеличению потерь мощности и напряжения в проводах. При одних и тех же значениях мощности и напряжения уменьшение коэффициента мощности сопровождается увеличением тока в проводах, вследствие чего возрастают потери на нагрев, что, в свою очередь, приводит к падению напряжения в сети;

· Чем меньше коэффициент мощности сети, тем менее загружена сеть активной мощностью и тем меньше коэффициент полезного действия использования сети. В связи с этим необходимо, чтобы как можно большую часть в полной мощности составляла именно активная мощность, а не реактивная, в этом случае коэффициент мощности будет ближе к единице.

 Что же приводит к низкому значению cosφ?·

 Недогрузка асинхронных электродвигателей. Потребляемая активная мощность уменьшается пропорционально нагрузке, а реактивная мощность изменяется меньше;

· Неправильный выбор типа электродвигателя. Двигатели быстроходные и большой мощности имеют более высокий коэффициент мощности, чем тихоходные и маломощные;

· Повышение напряжения в сети. Ведет к увеличению намагничивающего тока индуктивных потребителей реактивной составляющей полного тока;

Каковы причины низкого коэффициента мощности?

Так как коэффициент мощности является отношением активной мощности к полной мощности, легко понять, что к низкому коэффициенту мощности приводит ситуация, когда активная мощность невелика по сравнению с полной мощностью. Вспоминая нашу аналогию, можем сказать, что это бывает, когда уровень реактивной мощности (плеч работника) велик.

Что приводит к большой величине реактивной мощности?

Индуктивные нагрузки, которые являются причиной возникновения реактивной мощности, включают в себя:

• трансформаторы,
• асинхронные электродвигатели,
• асинхронные генераторы (ветряные электрогенераторы),
• системы освещения на разрядных лампах высокой интенсивности.

Такие индуктивные нагрузки потребляют основную часть мощности в производственных комплексах.

Реактивная мощность (квар), необходимая реактивным нагрузкам, увеличивает количество полной мощности (кВА) в системе распределения энергии (рис. 4). Это увеличение реактивной и полной мощности приводит к увеличению угла θ между активной и полной мощностью. Напомним, что cosφ(или коэффициент мощности) приувеличении φ уменьшается.

Задание.

    1.Прочитать текст.

    2.Сформулировать проблему.

    3.Предложить  способы решения проблемы (ответить на вопросы)

6 Кейс4.Меры повышения cosφ

Как можно скорректировать (улучшить) коэффициент мощности?

Источники реактивной мощности (индуктивные нагрузки) уменьшают коэффициент мощности. К таким нагрузкам относятся:

• трансформаторы
• асинхронные электродвигатели
• асинхронные генераторы (ветряные электрогенераторы)
• системы освещения на разрядных лампах высокой интенсивности.

Соответственно, потребители реактивной мощности увеличивают коэффициент мощности. К ним относятся:

• конденсаторы
• синхронные генераторы (энергоснабжения и аварийные)
• синхронные двигатели.

Поэтому нет ничего удивительного, что одним из методов увеличения коэффициента мощности является установка в систему конденсаторов. Этот и другие способы увеличения коэффициента мощности рассматриваются далее.

1. Установка конденсаторов (генераторов реактивной мощности).

При установке конденсаторов уменьшается величина реактивной мощности, при этом увеличивается коэффициент мощности. На рис. 5 показан принцип действия этого метода.

Реактивная мощность (квар) индуктивных нагрузок всегда имеет сдвиг на 90º относительно активной мощности (кВт).

Индуктивность и ёмкость действуют со сдвигом на 180º относительно друг друга. Конденсаторы запасают реактивную энергию и затем её отдают со знаком, противоположным знаку реактивной энергии индуктивности. Наличие в цепи конденсатора и индуктивности приводит к постоянному поочерёдному перетеканию энергии между ними.

Поэтому, если схема сбалансирована, вся энергия, отдаваемая индуктивностью, поглощается конденсатором. Ниже приводится пример того, как конденсатор уменьшает влияние индуктивной нагрузки.

2. Минимизация работы двигателей на холостом ходу или с малой нагрузкой.

Мы уже говорили о том, что причиной низкого коэффициента мощности является наличие асинхронных двигателей. Но если говорить более конкретно, к низкому коэффициенту мощности

3. Недопущение работы оборудования при напряжении, превышающем его номинальное приводит работа асинхронных двигателей с малой нагрузкой.напряжение.

4. Замена стандартных двигателей по мере их выхода из строя на двигатели с повышенным кпд.

Даже у двигателей с повышенным кпд нагрузка сильно влияет на коэффициент мощности. Поэтому для реализации заложенного в его конструкцию высокого коэффициента мощности двигатель должен работать с нагрузкой, близкой к номинальной.

Задание

Сформулировать меры повышения cosφ

7.  Кейс 5.Результаты повышения cosφ

Основным преимуществом коррекции коэффициента мощности является устранение начислений, относящихся к потреблению реактивной мощности. Если поставщик электроэнергии выставляет штраф за коэффициент мощности или тарифицирует полную мощность (кВА), снижение реактивной мощности даёт прямую экономию. Величина экономии будет зависеть от величины, конфигурации и режима эксплуатации системы. Как правило, затраты на коррекцию окупаются в течение года, а затем экономия будет снижать эксплуатационные расходы. Кроме того, коррекция коэффициента мощности улучшит работу системы энергоснабжения, а также увеличит сроки службы распределительного устройства, пускателя и двигателя. Итак, ключевыми моментами здесь являются защита, эффективность и экономия.

На потери энергии из-за низкого коэффициента мощности часто не обращают внимания. Между тем они могут привести к снижению надёжности, проблемам с безопасностью и повышенным расходам на электроэнергию. Чем ниже коэффициент мощности, тем менее экономична система.

Почему следует повышать коэффициент мощности?

Есть несколько причин для увеличения коэффициента мощности. Вот некоторые преимущества, которые можно получить при улучшении коэффициента мощности.

1.Снижение платы поставщику электроэнергиив связи со следующими факторами:

a) Уменьшение величины максимальной мощности, предъявляемой к оплате.

Напомним, что причиной низкого коэффициента мощности являются индуктивные нагрузки, которым нужна реактивная мощность. Увеличение реактивной мощности приводит к увеличению полной мощности, потребляемой от поставщика электроэнергии.

Таким образом, низкий коэффициент мощности предприятия вынуждает поставщика увеличивать мощность генерации и пропускную способность линии, чтобы справиться с дополнительным потреблением.

При увеличении коэффициента мощности используется меньше реактивной мощности. Это приводит к уменьшению активной мощности, то есть к снижению платы поставщику.

б) Исключение штрафа за коэффициент мощности.

Поставщики электроэнергии обычно выставляют дополнительный счёт потребителям, если их коэффициент мощности меньше 0,95 (если коэффициент мощности потребителя падает ниже 0,85, некоторые поставщики не гарантируют энергоснабжение). Таким образом, при увеличении коэффициента мощности можно избежать повышенных расходов на электроэнергию.

2.Увеличение пропускной способности системы энергоснабжения и уменьшение потерь электроэнергии

При добавлении в систему конденсаторов (являющихся источниками реактивной мощности) увеличивается коэффициент мощности и улучшается пропускная способность системы для активной мощности.

К примеру, трансформатор 1000 кВА с коэффициентом мощности 80% выдаёт мощность 800 кВт (600 квар):

1000 кВА =

Отсюда реактивная мощность – 600 квар.

При увеличении коэффициента мощности до 90% можно получить более высокую активную мощность при той же величине полной мощности:

1000 кВА =

Отсюда реактивная мощность – 436 квар.

Активная мощность системы увеличивается до 900 кВт, при этом потребляемая от поставщика реактивная мощность составляет только 436 квар.

Нескорректированный коэффициент мощности приводит к потерям мощности системы распределения электроэнергии. При увеличении коэффициента мощности эти потери уменьшаются. В связи с продолжающимся ростом стоимости энергии повышение энергоэффективности предприятия имеет очень большое значение. При уменьшении потерь в системе появляется возможность подключения к ней дополнительной нагрузки.

3. Увеличение уровня напряжения в энергосистеме, уменьшение нагрева и более эффективная работа электродвигателей

Как уже говорилось, нескорректированный коэффициент мощности приводит к потерям мощности в системе распределения электроэнергии. При этом может снижаться уровень напряжения. Чрезмерное падение напряжения может стать причиной перегрева и преждевременного выхода из строя электродвигателей и других индуктивных устройств.

Поэтому при увеличении коэффициента мощности падение напряжения на фидерных кабелях и связанные с этим проблемы минимизируются. Двигатели будут меньше нагреваться и работать более эффективно, также несколько увеличатся их мощность и пусковой момент.

Задание.

Сформулировать преимущества , которые дает повышение  cosφ.

Примечание.

           Для специальности «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта» в ходе изучения Электротехники ставится задача формирования  следующих компетенций:

ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей  профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), результат выполнения заданий.

ОК 8.Самостоятельно  определять  задачи профессионального  и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 9. Ориентироваться в условиях постоянного изменения правовой базы.