Дослідження електричних явищ в трифазних колах змінного струму типу «зірка–зірка» з нульовим проводом

Мета: дослідження трифазних електричних кіл «зірка–зірка» з нульовим проводом при несиметричному навантаженні та зміні опору нульового проводу; визначення параметрів електричних кіл (фазних струмів і напруг, напруги зміщення нульової точки); побудова векторних діаграм струмів і напруг.

Теоретичні положення

Під трифазною симетричною системою ЕРС розуміють сукупність трьох синусоїдних ЕРС однакової частоти і амплітуди, які зсунені за фазою на 120 (рис. 7.1). Ділянка трифазного кола, по якій протікає однаковий струм, називається фазою [1–3].

Рис. 7.1

Точку, в якій об’єднанні три кінці трифазного навантаження при з’єднанні його зіркою, називають нульовою точкою навантаження і позначають О. Нульовим проводом називають провід, який з’єднує нульові точки генератора та навантаження. Струм нульового проводу позначимо . Додатній напрям струму візьмемо від точки О до точки О. Проводи, які з’єднують точки А,В,С генератора з навантаженням, називають лінійними. Схему на рис. 7.2 називають «зірка–зірка» з нульовим проводом.

Рис. 7.2

Миттєві значення трифазної системи ЕРС записуються у вигляді:

;

;

.

При з’єд­нанні генератора у зірку (рис. 7.1) лінійна напруга U_л по модулю в рази більша фазної напруги ге­­нератора U_ф (рис. 7.3).

Рис. 7.3

Лінійний струм І_л при з’єднанні генератора або навантаження у зірку дорівнює фазному струму: І_л = І_ф.

Якщо провід у схемі має дуже малий опір, то потенціал точки О практично дорівнює потенціалу точки О. У схемі утворюються три незалежних контури, через які проходять струми:

; ; .

За першим законом Кірхгофа струм у нульовому проводі дорівнює геометричній сумі фазових струмів: .

При наявності у нульовому проводі деякого опору розрахунок схеми проводять методом вузлових потенціалів, приймаючи потенціал точки О рівним нулю ( ). Тоді

;

; ; ;

.

Завдання

Лабораторна робота виконується на стенді «Електротехніка та основи електроніки».

1. Дослідити трифазне коло «зірка–зірка» з нейтральним проводом при симетричному навантаженні.

2. Дослідити трифазне коло «зірка–зірка» з нейтральним проводом при рівномірному навантаженні.

3. Дослідити трифазне коло «зірка–зірка» без нейтрального проводу при рівномірному навантаженні.

4. Розрахувати фазні струми та споживану потужність

6. Зробити висновки по роботі та отриманим результатам.

Хід роботи

Увага! З’єднання та перемикання в схемі проводити тільки з модулем стенду, який використовується для виконання даної лабораторної роботи (рис. 7.4). Категорично забороняється перемикати комутаційну апаратуру інших модулів лабораторного стенду.

Перед виконанням лабораторної роботи переконатися, щоб були вимкнені тумблери SA14, SA15, SA16, SA19, SA20 (нижнє положення).

1. Для виконання лабораторної роботи збирається схема, наведена на рис.7.4.

Для дослідження симетричного навантаження включаються резистори R37, R39, R40. Перемичками закоротити елементи R38, C11, L2 і R18.

Включити тумблери SA15 і SA14. Зняти показання приладів і занести в табл.7.1. Виміряти фазні напруги за допомогою вольтметрів PV2, PV3, PV4 і фазний струм I_C у фазі «С» за допомогою амперметра РА1. Переконатися у відсутності струму в нейтральному проводі I₀ = 0 (РА2).

Визначити значення опорів резисторів R37, R39, R40 за законом Ома: R37 = U_C/I_C .

Рис. 7.4

Таблиця 7.1

Вимірювання|виміри|					Обчислення|підрахунки|
UA, В (PV2)	UB, В (PV3)	UC, В (PV4)	Р1+2, Вт, (PW1,PW2)	IC, А (РА1)	R37, Ом	Р, Вт

Потужність, споживану симетричним навантаженням, визначити по формулі P = 3·I²_С·R37.

2. Дослідження рівномірного навантаження з нейтральним проводом (спільна точка ватметрів приєднана до нейтралі).

Зібрати схему на рис. 7.5.

Для отримання рівномірного навантаження величину ємкості С11 розраховують за умови |Z_а| = |Z_b| = |Z_c|.

Параметри для розрахунку рівномірного навантаження:

R18 = 76,5 Ом, XL2 = 150,4 Ом

Набрати розраховане значення С11 за допомогою вимикачів. Розімкнути перемички, що шунтують елементи R38, C11, L2, R41 і таким чином отримати рівномірне навантаження.

Зміряти фазну напругу за допомогою вольтметрів PV1, PV3, PV4 і фазний струм I_С у фазі «С» за допомогою амперметра РА1.

Зміряти струм в нейтральному проводі I₀ = 0 (РА2).

Результати занести в табл. 7.2.

Рис. 7.5

Таблиця 7.2

Вимірювання|виміри|						Обчислення|підрахунки|
UA, В (PV2)	UB, В (PV3)	UC, В (PV4)	Р1+2, Вт, (PW1, PW2)	IC, А (РА1)	IN, А (РА2)		IА, А	IВ, А	Р, Вт

Розрахувати комплексні значення струмів у фазах А, В, С і визначити струм в нейтральному проводі. Порівняти розрахункові значення струму з експериментальними.

В цьому випадку: ;

а ; ; .

причому при рівномірному навантаженні I_A = I_В = I_С.

Струм в нейтральному проводі:

3. Дослідження рівномірного навантаження без нейтрального проводу.

Для виконання даного пункту в схемі на рис. 7.5 відключити нейтральний провід (тумблер SA15 виключений, I₀ = 0), а спільну точку ватметрів PW1, PW2 підключити до фази «А».

Зміряти фазні напруги за допомогою вольтметрів PV1, PV3, PV4 і фазний струм I_С у фазі «С» за допомогою амперметра РА1.

Переконатися в нерівності фазних напруг.

Результати вимірювань занести в табл. 7.3.

Таблиця 7.3

Вимірювання|виміри|						Обчислення|підрахунки|
UA, В (PV2)	UB, В (PV3)	UC, В (PV4)	Р1+2, Вт, (PW1, PW2)	IC, А (РА1)	IА, А		IВ, А	Р, Вт

Розрахувати напругу зсуву нейтралі: ,

вважаючи: ; ; .

Визначити струми у фазах

; ; ;

Активну потужність, споживану навантаженням, можна визначити:

P = I²_A R40 + I²_B(R37 + R18) + I²_C(R38 +R39)

і порівняти її значення із показаннями ватметрів:

Р = PW1 + PW2.

Контрольні питання

1. В чому полягає роль нульового проводу?

2. Як співвідносяться між собою фазні та лінійні струми і напруги при з’єднанні «зірка–зірка»?

3. Як розраховуються активна, реактивна та повна потужності в трифазному електричному колі при з’єднанні «зірка–зірка»?

Лабораторна робота 8