Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
A-LAR-8-2011(1291-60).doc
Скачиваний:
1
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
3.67 Mб
Скачать

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 = Еmsin ωt; еB = Еmsin(ωt –2π/3); еC = Еmsin(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 = ЕBeхр j2π/3; ĒC = ЕCeхр j4π/3 = ЕCeхр 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 =UАcosφ+jUАsinφ; ŪВ =UВcosφ+jUВsinφ; ŪС =UСcosφ+jUСsinφ. (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 = UАeхр jφa; ŪB = UBeхр jφb; ŪC = UCeхр jφc. (5.4)

В показательной форме, с учетом угла сдвига фаз между напряжениями:

ŪА = UАeхр j0’; ŪB = UBeхрj120’; ŪC = UCeхр 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 = (–110j190,5)–(–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 = ZАeхр jφa; ŹB = ZBeхр jφb; ŹC = ZCeхр 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 = IАcosφ+jIАsinφ; ĪВ = IВcosφ+jIВsinφ; ĪС = IСcosφ+jIСsinφ. (5.10)

В комплексной форме токи Ī можно записать в виде:

ĪА = IАeхр jφa; ĪB = IBeхр jφb; ĪC = ICeхр jφc., (5.11)

В показательной форме, в случае симметричной нагрузки, эти токи составят:

ĪА = IАeхр j0’; ĪB = IBeхр-j120’; ĪC = ICeхр j120’. (5.12)

Применив к цепи закон Ома, а к узлу ‘n’ первый закон Кирхгофа, получим:

ĪN = Ūnn = 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 = (IАcosφ+jIАsinφ) + (IВcosφ+jIВsinφ) + (IСcosφ+jIСsinφ). (5.14)

При несимметричной нагрузке расчет цепи производят методом узловых напряжений, определяя ŪNn между нейтралями источника ЭДС и нагрузки.

Ū n = ŪNn = [Ýa∙ĒА b∙ĒBc∙ĒC] / (Ýa b c N). (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 = Ūaaa∙Ūa; ĪB = Īb = Ūbbb∙Ūb; ĪC = Īc = Ūccc∙Ūc. (5.17)

Токи в фазах приемника составят: Īa = Ūaa; Īb = Ūbb; Īc = Ūcc.

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 = ZAeхр j30° = ZВeхр j30° = ZСeхр j30° (Ом).

2) Используя свойство: ŪА = UАeхр j0°; ŪB = UBeхр-j120°; ŪC = UCeхр j120° (В)

определим ток в каждой фазе по закону Ома Ī = Ū/ Ź (A);

Īa = Ūaa = UАeхр j0’ / ZAeхр j30’ = UАeхр j/ 6∙expj30° = 4,8∙eхрj30’ (A);

Īb = Ūbb = UBeхрj120’/ ZBeхр j30’ = UВeхр j120°/6∙expj30° = 4,8∙eхрj150’(A);

Īс = Ūcc = UCeхр j120’/ ZCeхр j30’ = UСeхр j120° / 6∙expj30° = 4,8∙eхр j90’(A).

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Активная и полная мощность в 3-х-фазной цепи с нагрузкой составит:

PФ = UФI = I2RФ = U2Ф/RФ; SИ = EИI; SН = UНФIФ = I2ZФ = U2Ф/ZФ; (5.18)

Для симметричной нагрузки по схеме звезда суммарная мощность составит:

S = UЛ∙IЛ∙√3 или S = 3∙UФ∙IФ. (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 = ŚABC;

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 = Īabc.

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 змерено

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.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]