
- •160801 – Ракетостроение,
- •Лабораторная работа № 1 Опытная проверка тока в диагонали мостовой схемы по методу эквивалентного генератора
- •Лабораторная работа № 2 Исследование линейной разветвленной электрической цепи с несколькими источниками постоянной эдс
- •Лабораторная работа № 3 Исследование резонансных явлений в неразветвленной электрической цепи с источником синусоидальной эдс
- •Описание состава и принципа работы стенда
- •Лабораторная работа № 4 Исследование резонансных явлений в разветвленной электрической цепи с источником синусоидальной эдс
- •Описание состава и принципа работы стенда
- •Лабораторная работа № 5 Исследование параметров трехфазной цепи с нагрузкой, включенной по схеме звезда
- •Лабораторная работа № 6 Исследование параметров трехфазной цепи с нагрузкой, включенной по схеме треугольник
- •1. Основные теоретические положения
- •2. Работа идеализированного трансформатора. Уравнения электрического состояния
- •3) Исследование режимов работы трансформатора
- •4) Трансформатор в режиме холостого хода
- •5) Трансформатор в режиме под нагрузкой
- •6) Режим короткого замыкания (кз)
- •7) Описание лабораторной установки
- •8) Порядок выполнение работы:
- •5. Контрольные вопросы:
- •Лабораторная работа № 8
- •8.1. Краткие теоретические сведения. Оценка параметров двигателя
- •8.2. Порядок выполнения работы
- •426069, Г.Ижевск, Студенческая,7
Лабораторная работа № 5 Исследование параметров трехфазной цепи с нагрузкой, включенной по схеме звезда
Цель работы:
Исследовать трехфазную цепь с нагрузкой, включенной по схеме звезда
и установить взаимосвязь между линейными и фазными параметрами цепи.
Задание:
Измерить параметры и по опытным данным построить векторные диаграммы напряжений и токов для трехфазной цепи с нагрузкой, включенной по схеме звезда.
Установить роль нейтрального провода и влияние обрыва нейтрального и/или линейного провода на работу трехфазной цепи с нагрузкой.
Используемые приборы:
1. Стенд для исследования принципа работы и параметров 3-хфазной цепи,
состоящий из трехфазного трансформатора и нагрузок в виде ламп накаливания.
2. Амперметр переменного тока (мультиметр) с пределом измер. 0 – 5 А (4 шт.).
3. Вольтметр переменного тока (мультиметр) с пределом измер. 0 – 50 В (4 шт.).
Краткие теоретические сведения
Совокупность трех линейных цепей, в которых действуют синусоидальные источники ЭДС одинаковой частоты, отличающиеся по фазе одна от другой на величину угла φ = 2π/3 = 1200, называется трехфазной системой (цепью).
Такая цепь содержит генератор трехфазной системы ЭДС, линии передачи, потребители (нагрузки), например, электродвигатели, нагреватели, лампы и др.
Трехфазный генератор состоит из ротора (вращающегося индуктора, на валу которого закреплены постоянные магниты) и статора (внешней - не вращающейся части, на которой размещаются три фазные обмотки).
Обмотки фаз располагают на статоре таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты относительно друг друга на величину угла φ = 2π/3.
При вращении ротора генератора с угловой частотой ω, вокруг него возникает вращающееся магнитное поле, возбуждающее в фазных обмотках статора ЭДС индукции еА, еВ и еС одинаковой амплитуды Um и частоты ω, но сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол φ = 2π/3 = 1200 (рис. 5.1).
Трехфазную систему ЭДС с нагрузкой отображают графически (рис. 5.1), векторами, функциями комплексного переменного или тригонометрическими функциями. Представленная на рис. 5.1 трехфазная система питания (в тригонометрической форме в прямой последовательности) имеет следующий вид:
еА = Еm∙sin ωt; еB = Еm∙sin(ωt –2π/3); еC = Еm∙sin(ωt+2π/3). (5.1)
Угол сдвига фазы А принят равным нулю (φА=0); фазы В и С сдвинуты на 120о.
Пример комплексной формы записи для описания параметров источника ЭДС:
ĒА = Е; ĒB = ЕB∙eхр – j2π/3; ĒC = ЕC∙eхр– j4π/3 = ЕC∙eхр j2π/3. (5.2)
где еА – еB – еC – мгновенные значения источников ЭДС;
ĒА, ĒB, ĒС – комплексы действующих значений ЭДС;
Е – действующее значение ЭДС. Е = Еm/√2.
Соединение 3-х фазного источника с нагрузкой по схеме звезда
Соединение называют звездой, если три независимые цепи объединены таким образом, что концы фазных обмоток генератора и фазы приемников образуют два узла n и N (рис. 5.2). Провод, соединяющий узлы n-N называется нейтральным.
Напряжение UА, UВ, UС между началом и концом одноименной фазы (или между линейным и нейтральным проводом) называют фазным.
Напряжения UАВ,UВС,UСА между фазными проводами называют линейными.
Для симметричной системы питания справедливы соотношения:
еА + еВ + еС = 0; ĒА + ĒB + ĒС = 0; ŪА + ŪB + ŪС = 0. (5.3)
В тригонометрической форме фазные напряжения в нагрузке составят:
ŪА =UА∙cosφ+jUА∙sinφ; ŪВ =UВ∙cosφ+jUВ∙sinφ; ŪС =UС∙cosφ+jUС∙sinφ. (5.5)
(Sin
± 600 =
± 1200
= ±
/2
= ±
0,866;
Cos
± 600 =
0,5;
Cos
±
1200
=
–
0,5.
Н
апример:
ŪА +
ŪB
+ ŪС
=
[220]+[220·(-0,5)+j220·(–0,866)]+[220·(-0,5)+j220V·0,866]
= 0.
В комплексной форме фазные напряжения можно записать в виде:
ŪА = UА∙eхр jφa; ŪB = UB∙eхр jφb; ŪC = UC∙eхр jφc. (5.4)
В показательной форме, с учетом угла сдвига фаз между напряжениями:
ŪА = UА∙eхр j0’; ŪB = UB∙eхр–j120’; ŪC = UC∙eхр j120’. (5.6)
В схеме звезда с симметричной нагрузкой между линейными и фазными напряжениями существует зависимость: UЛ = UФ√3; (5.7)
Линейные напряжения связаны с фазными напряжениями соотношениями:
ŪАВ = ŪА–ŪВ; ŪВС = ŪВ–ŪС; ŪСА = ŪС–ŪА. [ŪАВ+ŪАВ+ŪАВ = 0] (5.8)
Ū
АB
= ŪA
– ŪB
= (220)–(–110
– j190,5)
= (330+j190,5).
(tg
+0,577
= +300)
Ū
BC
= ŪB
– ŪC
=
(–110–j190,5)–(–110+j190,5)=(–j381).
(tg
= 900)
ŪCA = ŪC – ŪA = (–110+j190,5) – 220 = (–330+j190,5). (tg –0,577= –300)
Нагрузки (приемники энергии) называются симметричными, если комплексные сопротивления Ź их фаз равны между собой:
ŹА = ZА∙eхр jφa; ŹB = ZB∙eхр jφb; ŹC = ZC∙eхр jφc. (5.9)
т.е. равны полные сопротивления отдельных фаз: ŹА = ŹВ = ŹС = ŹФ
и одинаковы углы сдвига между фазами: φА = φВ = φС = φ = 120о.
Токи IA, IВ, IС в линейных проводах, называются линейными, а токи в обмотках генератора и в фазах приемника, называются фазными.
Между линейными и фазными токами существует зависимость: IЛ = IФ.
Ток в каждой фазе можно найти по закону Ома IФ = UФ/ZФ.
В тригонометрической форме токи в трехфазной цепи записывают в виде:
ĪА = IА∙cosφ+jIА∙sinφ; ĪВ = IВ∙cosφ+jIВ∙sinφ; ĪС = IС∙cosφ+jIС∙sinφ. (5.10)
В комплексной форме токи Ī можно записать в виде:
ĪА = IА∙eхр jφa; ĪB = IB∙eхр jφb; ĪC = IC∙eхр jφc., (5.11)
В показательной форме, в случае симметричной нагрузки, эти токи составят:
ĪА = IА∙eхр j0’; ĪB = IB∙eхр-j120’; ĪC = IC∙eхр j120’. (5.12)
Применив к цепи закон Ома, а к узлу ‘n’ первый закон Кирхгофа, получим:
ĪN = Ūn/Źn = Ýn∙Ūn. iN = iА + iВ + iС = 0 или Ī N = ĪА + ĪВ + ĪС. (5.13)
При симметричной нагрузке ток Ī N в нейтральном проводе отсутствует.
Это позволяет выполнить трехфазную сеть – 3-х проводной (без провода N-n).
Форма записи тока в нулевом проводе в тригонометрической форме имеет вид:
Ī N = (IА∙cosφ+jIА∙sinφ) + (IВ∙cosφ+jIВ∙sinφ) + (IС∙cosφ+jIС∙sinφ). (5.14)
При несимметричной нагрузке расчет цепи производят методом узловых напряжений, определяя ŪNn между нейтралями источника ЭДС и нагрузки.
Ū
n
= ŪNn
= [Ýa∙ĒА
+Ýb∙ĒB+Ýc∙ĒC]
/ (Ýa
+Ýb
+Ýc
+ÝN).
(5.15)
где Ýa=(1/Źa), Ýb=(1/Źb), Ýc=(1/Źc), ÝN =(1/ŹN)
– комплексные проводимости.
По известным напряжениям источника ŪА, ŪВ, ŪС можно построить векторы фазных напряжений на нагрузке Ūа, Ūb, Ūc (рис. 5.3). Комплексные значения напряжений в нагрузке находят из соотношений:
Ūа = ŪА –Ūn , Ūb = ŪB –Ūn , Ūc = ŪC –Ūn. (5.16)
Из выр. (5.15) проводимость YN = 0 при обрыве нейтрального провода N-n.
Если сопротивление нейтрального провода ZNn = 0, то UNn = 0, но равенство UNn = 0 справедливо только в трехфазной цепи с симметричной нагрузкой.
В симметричной цепи при малом значении rЛинии фазные напряжения на нагрузках равны фазным напряжениям генератора: Ūа = ŪА. Ūb = ŪB. Ūc = ŪC.
Зная напряжения на фазах нагрузки, можно определить фазные токи:
ĪA = Īa = Ūa/Źa =Ýa∙Ūa; ĪB = Īb = Ūb/Źb =Ýb∙Ūb; ĪC = Īc = Ūc/Źc =Ýc∙Ūc. (5.17)
Токи в фазах приемника составят: Īa = Ūa/Źa; Īb = Ūb/Źb; Īc = Ūc/Źc.
Сдвиг фаз между током и напряжением в нагрузке зависит от вида нагрузки.
Например, в цепи с реактивной нагрузкой аргумент составит: φ = arctg (XФ/RФ).
П
ример:
В симметричной 3-х проводной сети по
схеме звезда с напряжением
UФ = 25(В) в каждой фазе включены нагрузки: R = 5,2; ХL = 3 (Ом).
1) Определить в комплексной форме сопротивление и ток в цепи:
Ź
= 5,2 - j3;
Ź = √5,22
+(32)∙exp
jarctg
3/5,2 =
6∙expj30°
(Ом).
При симметричной нагрузке: Ź = ZA∙eхр j30° = ZВ∙eхр j30° = ZС∙eхр j30° (Ом).
2) Используя свойство: ŪА = UА∙eхр j0°; ŪB = UB∙eхр-j120°; ŪC = UC∙eхр j120° (В)
определим ток в каждой фазе по закону Ома Ī = Ū/ Ź (A);
Īa = Ūa/Źa = UА∙eхр j0’ / ZA∙eхр j30’ = UА∙eхр j0° / 6∙expj30° = 4,8∙eхр–j30’ (A);
Īb = Ūb/Źb = UB∙eхр–j120’/ ZB∙eхр j30’ = UВ∙eхр –j120°/6∙expj30° = 4,8∙eхр–j150’(A);
Īс = Ūc/Źc = UC∙eхр j120’/ ZC∙eхр j30’ = UС∙eхр j120° / 6∙expj30° = 4,8∙eхр j90’(A).
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Активная и полная мощность в 3-х-фазной цепи с нагрузкой составит:
PФ = UФ∙I = I2∙RФ = U2Ф/RФ; SИ = EИ∙I′; SН = UНФ∙IФ′ = I2∙ZФ = U2Ф/ZФ; (5.18)
Для симметричной нагрузки по схеме звезда суммарная мощность составит:
S = UЛ∙I′Л∙√3 или S = 3∙UФ∙I′Ф. (5.19)
При определении S = U·I′ необходимо записывать ток в сопряженной форме (I′)!
Суммарную мощность в трехфазной цепи с нагрузкой по схеме звезда вычисляют из условия баланса мощностей:
∑РИ = ∑РН. ∑P = PA+PB+PC. ∑SИ = ∑SН. ∑S = SA+SB+SC. (5.20)
В комплексной форме полная мощность в нагрузке имеет вид:
Ś = P+jQ; ∑Ś = ŚA+ŚB+ŚC;
при этом ток записывают в сопряженной форме Ś = Ū∙Ī′. (5.21)
В 3-х проводной цепи при отключении одной фазы - нагрузки двух других фаз окажутся соединенными последовательно и будут под линейным напряжением.
В 4-х проводной цепи отключение одной фазы не приводит к изменению фазных напряжений других приемников независимо от их сопротивлений.
При коротком замыкании (КЗ) одной фазы в 3-х проводной цепи приемники двух других фаз окажутся под линейным напряжением. При КЗ фазная обмотка генератора (или питающего трансформатора) будет перегружена и выйдет из строя.
Методика построения векторных диаграмм для 3-х фазной цепи
с нагрузкой, включенной по схеме звезда)
Векторные диаграммы строят в масштабе напряжений mU и токов mI.
Векторная диаграмма напряжений на нагрузке строится совмещенной с векторной диаграммой напряжений источников ЭДС.
Линейные и фазные напряжения источников ЭДС неизменны, следовательно, линейные напряжения на нагрузках также неизменны и равны линейным напряжениям ЭДС, при условии, что сопротивлением проводов можно пренебречь:
Ūab = ŪАВ. Ūbс = ŪВС. Ūса = ŪСА.
Исключение составляют случаи обрыва линейных проводов.
Если ŪАВ = ŪВС = ŪСА, то при построении получим равносторонний треугольник линейных напряжений генератора. Нейтральная точка N генератора всегда находится в центре треугольника; фазные напряжения ŪА, ŪВ, ŪС сдвинуты относительно друг друга на 1200 (можно построить с помощью циркуля).
При наличии нейтрального провода с сопротивлением ZN = 0 и при любой нагрузке UNn = 0, т.е. потенциалы нейтральных точек нагрузки n и N генератора совпадают. При отсутствии провода N-n и при несимметричной нагрузке появляется напряжение UNn между нейтральными точками. В этом случае из точек А, В, С проводят дуги радиусом Ua, Ub, Uc. Общая точка пересечения дуг N-n определяет потенциал между нейтральной точкой нагрузки и генератора.
Векторную диаграмму токов в нагрузке строят совмещенной с векторной диаграммой напряжений. Для каждой фазы нагрузки определяют угол сдвига фаз φФ = φu–φi между напряжением и током в зависимости от вида нагрузки (рис. 6.2).
О
ткладывая
на диаграмме фазных напряжений наг-рузок
под соответству-ющими углами фазные
токи, получают векторную диаграмму
токов.
Т
ок
в нейтральном про-воде можно определить
графическим суммирова-нием токов: Īn
= Īa+Īb+Īc.
На рис. 6.2,а показана векторная диаграмма напряжений и токов неравномерной нагрузки, включенной по схеме звезда с нейтральным проводом. Отсутствие нейтрального провода нарушает симметрию фазных напряжений нагрузки, приводя к смещению между ŪNn источника и нагрузки (рис. 6.2,б). При обрыве одного из проводов, например, В-b в 4-х-проводной цепи, нагрузки данной фазы остаются без энергии: Ūbn = 0 (рис. 6.3,а).
Режим работы двух других фаз не нарушается. Линейные напряжения Ūab, Ūbc между оборванными и другими проводами уменьшаются до фазных величин.
Ток в нейтральном проводе определяется только двумя фазными токами.
Если дополнительно отключить также нейтральный провод, нагрузки двух других фаз оказываются включенными последовательно на линейное напряжение источника. Ток в фазах будет одинаков, а фазные напряжения на них пропорциональны их полным сопротивлениям (рис. 6.3,б).
Векторные диаграммы напряжений и токов можно строить либо по приведенной выше методике, либо используя известные программы: Mat_Cad, Exel, ACAD, Compas и аналогичные.
Порядок выполнения работы для цепи с нагрузкой по схеме звезда
1. Ознакомиться с электрической трехфазной цепью (схемой) стенда.
Активной нагрузкой 3-х фазной цепи могут служить лампы накаливания с нелинейной ВАХ и рабочими параметрами UН ≤ 40 В и PН ≤ 60 Вт. Поэтому, необходимо исследовать зависимость RН = (UН, IН) сопротивления лампы, измерив ток IН при напряжении UН = 3÷30 В с шагом U= 3 В (смотрите ЛР №1-дополнение).
2. Измерить токи IЛ, IФ и IN и напряжения UЛ, UФ и UN в цепи схемы.
* Тумблером SN можно подключить или отключить нулевой провод.
3. Выполнить 3 опыта с симметричной или несимметричной нагрузкой.
А) Условие симметричной нагрузки; провод N включен / отключен.
Провести измерения параметров 3-х фазной цепи.
Б) Условие несимметричной нагрузки; провод N включен / отключен.
Повторить измерения линейных и фазных напряжений и токов
В)
Отключить
один из фазных проводов
при отключенном
/ включенном нулевом
проводе и провести измерения параметров
3-х фазной цепи.
Показания приборов для проведенных опытов записать в таблицу № 5.1.
4. Вычислить параметры цепи: сопротивления фазных нагрузок ZФ с учетом их свойств; мощности источников SИ и нагрузок РН; мощности потерь РП в сопротивлениях источников и линиях передачи.
5. Проверить свойство отношений линейных напряжений к фазным UЛ/UФ.
6. В случае использования реактивных нагрузок в 3-х-фазной цепи, необходимо по измеренным данным доопределить параметры: Х (Ом); Q (ВАР); Cos φ
7. Построить векторные диаграммы линейных и фазных напряжений и токов для источников ЭДС и нагрузок с учетом фазового сдвига.
8. Оформить отчет, выполнив вычисления и записав выводы по работе.
Таблица № 5.1. Опыты с нагрузкой, включенной по схеме звезда (Y)
И |
Вычислено |
|||||||||||
C |
nR |
UЛ (B) |
UФ (B) |
U0 // I0 |
IЛ (A) |
IФ (A) |
*Л /*Ф |
ZН(Ом) |
rИ (Ом) |
SИ (ВA) |
РН (Вт) |
РП (Вт) |
1 |
Нагрузки симметричные |
|||||||||||
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Нагрузки несимметричные |
|||||||||||
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
Линейный или фазный провод в обрыве |
|||||||||||
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если в 3-х-фазной цепи используются реактивные нагрузки, то для определения их параметров можно воспользоваться расчетной частью из ЛР № 3.
Контрольные вопросы:
1. Сформулировать основные положения и свойства 3-х-фазной цепи.
2. Каковы назначения и параметры 3-х фазной цепи?
3. Различия между фазными и линейными параметрами цепи.
4. Когда возможно использование несимметричной нагрузки?
5. Почему в нулевом проводе не ставят предохранитель?
6. К чему приводит обрыв нулевого провода?
7. К чему приводит отключение фазной нагрузки?
8. К чему приводит обрыв фазного провода?
9. К чему приводит замыкание между фазными проводами?
10. Записать формулу суммарной мощности 3-х фазной цепи с нагрузкой по схеме звезда и треугольник, используя только линейные и фазные напряжения и токи.
Литература
1. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. – М.: Высш. шк., 2003. – 540 с.
2. Рекус Г.Г., Чесноков В.Н. Лабораторный практикум по электротехнике и основам электроники: Учебное пособие. – М.: Высш. шк., 2001. – 255 с.
3. Рекус Г.Г. Основы электротехники и промышленной электроники в примерах и задачах с решениями: Учебное пособие. – М.: Высш. шк., 2008. – 343 c.