Методичка-Трехфаз ЭЦ

Исследование трёхфазных цепей переменного тока.

Соединение приёмников по схеме «звезда».

Цель работы: исследовать соотношения между фазными и линейными токами и напряжениями в трёхфазной цепи при соединении приёмников «звездой». Проследить влияние нейтрального провода.

Основные понятия.

Трёхфазной системой переменных токов называется совокупность трёх однофазных электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе одна от другой на 120 ˚ и индуктированные в одном источнике энергии.

Каждую из однофазных цепей, входящую в трёхфазную систему, принято называть фазой.

Трёхфазная цепь (рис.1)состоит из трёх основных элементов: трёхфазного генератора, приёмников (потребителей) и проводов, которые их соединяют. Провода, соединяющие генератор с нагрузкой, называются линейными.

Симметричной трёхфазной системой называется такая система, соответственно, синусоидальных ЭДС, токов, напряжений, в которой ЭДС, токи, напряжения всех фаз равны по величине и сдвинуты по фазе на 120 ˚.

В трёхфазную цепь можно включать однофазные и трёхфазные приёмники.

Трёхфазные приёмники подразделяются на симметричные и несимметричные. Симметричными называют приёмники, сопротивления фаз которых равны по величине и по характеру . Соединение фаз трёхфазной нагрузки может осуществляться по схеме «звезда» или «треугольник». «Звездой» называют соединение, при котором концы фаз соединены в одну точку , называемую нейтральной или нулевой точкой, а к началам подведены линейные провода (рис.1). Напряжения между началами и концами фаз генератора или нагрузки называют фазными . Условно положительное направление фазного напряжения – от начала фазы к концу.

фазные напряжения генератора фазные напряжения нагрузки

Если пренебречь сопротивлениями линейных и нейтрального проводов, то фазные напряжения приемника будут равны фазным напряжениям источника(рис.1,а)

Провод, соединяющий нейтральные точки генератора и приемника (N,n), называется линейным или нулевым.

a)

б)

Рис.2

Напряжения между линейными проводами (или между началами фаз) называются линейными и обозначаются:

(Условно положительные направления линейных напряжений – от одной фазы к началу другой). Токи, протекающие по линейным проводам, называются линейными . Токи, протекающие в фазах генератора или нагрузки называются фазными . При соединении «звезда» , так как линейный провод и фаза нагрузки соединены последовательно.

В соответствии с выбранными условными положительными направлениями фазных и линейных напряжений (Рис.1) можно записать уравнения по второму закону Кирхгофа и построить по ним векторную диаграмму фазных и линейных напряжений источника при соединении его фаз «звездой» (Рис.2).

(1)

Из Рис.2 видно, что векторы линейных напряжений опережают векторы фазных напряжений на 30 º . Соотношения между фазными и линейными напряжениями источника имеют вид:

(2)

Трехфазная нагрузка может быть включена либо по четырехпроводной (с нейтральным проводом) схеме (Рис.1.а), либо по трехпроводной (без нейтрального провода) (Рис.1.б). Для четырехпроводной схемы соотношение справедливо при любой нагрузке. Для трехпроводной цепи соотношение (2) справедливо только при симметричной нагрузке. Нейтральный провод, соединяющий нейтральные точки генератора и приемника, обеспечивает симметрию фазных напряжений приемника при несимметричной нагрузке. В этом случае фазные токи приемников определяются по закону Ома:

,

где Z_а , Z_b , Z_с- полное сопротивление фаз приемника;

R_a , X_a , R_b , X_b , R_c , X_c – активные и реактивные сопротивления фаз приемника;

- углы сдвига фаз между фазными напряжениями и фазными токами.

Ток в нейтральном проводе определяется по 1 закону Кирхгофа (для узла n)

Ток в нейтральном проводе равен геометрической сумме токов отдельных фаз. На (Рис.3) показано графическое определение тока I_N для не симметрич- ной чисто активной нагрузки в четырехпроводной цепи.

Рис.3

При несимметричной нагрузке в трехпроводной цепи происходит «перекос фаз», т.е. напряжения на отдельных фазах будут различными: напряжение на более нагруженной фазе уменьшится, а на менее нагруженной увеличится по сравнению с номинальным. В четырехпроводной цепи (Рис.1,а) при обрыве одного из линейных проводов одна фаза отключается, а две другие работают нормально из-за наличия нейтрального провода. В трехпроводной цепи (Рис.1.б) при обрыве фазы происходит перераспределение напряжений на фазах пропорционально их сопротивлениям.

При симметричной нагрузке в четырехпроводной цепи ток в нейтральном проводе равен нулю, поэтому четырехпроводная цепь (Рис.8,а) может быть заменена трехпроводной (Рис.7,а).

Для этих схем

Рис.6

Векторная диаграмма напряжений и токов для симметричной нагрузки, имеющий активный характер, показана на рис.4(а) схемы (рис.7(а);8(а)).

При несимметричной нагрузке в схемах с нейтральным проводом векторные диаграммы показаны на рис. 4(б, в, г).

Рис.4(б) – увеличение нагрузки в фазе “B” , т.е. уменьшение сопротивления фазы “b” (схема рис.8(б));

Рис.4(в) - увеличение нагрузки в фазах “B” и “C” (схема рис.8(в));

Рис.4(г) – обрыв в фазе “A” (схема рис.8(г));

При несимметричной нагрузке в схемах с нейтральным проводом векторные диаграммы представлены на рис. 5(а,б, в, г).

Рис.5(а) – увеличение нагрузки в фазе “B” (схема рис.7(б));

Рис.5(б) – увеличение нагрузки, т.е. уменьшение сопротивлений в фазах “B” и “C” (схема рис.7(в));

Рис.5(в) – обрыв в фазе “a” (схема рис.7(г)). При обрыве в фазе “a” ток I_A=0. Два одинаковых сопротивления в фазах “B” и “C” соединены последовательно и включены на линейное напряжение . Следовательно,

Т.к. сопротивление оборванной фазы стремится к бесконечности, то напряжение в месте обрыва будет максимальным (рис.5(в)).

Рис.5(г) – короткое замыкание в фазе “A” (схема рис.7(д)).

На закороченной фазе напряжение равно

На двух других фазах фазные напряжения увеличиваются до линейных.

;

Рис. 4

Рис.5

Методика эксперимента.

Описание экспериментальной установки.

Техника эксперимента.

На рис. 6 показана схема экспериментальной установки. Схема содержит источник трехфазного напряжения (клеммы А, В, С, N), выключатель трехфазного напряжения, четыре амперметра “A”, сопротивления нагрузки

, вольтметр переменного напряжения “V” с диапазоном измерения 0 + 250 В. Как видно из электрической схемы, при включении рубильника к клеммам A, B, C, n подводится трехфазное напряжение 220 В, 50 Гц. Токи в фазах и в нейтральном проводе измеряются амперметрами “A” электромагнитной системы класса точности 1, 5 с пределами измерений от 0 до 1 А.

Максимальная абсолютная погрешность измерения токов и напряжений определяется по формуле где K – класс точности прибора в % , A_max – верхний предел прочности .

Измерение напряжений проводится вольтметр “V” :

линейных – прикосновений проводников к точкам A, n; B, n; C, n; (рис.6).

Симметричная нагрузка обеспечивается включением сопротивлений

соответственно в фазы “A”, “B”, “C” (рис.7(а);8(а)).

Несимметричная – получается при подключении в фазы “B” и “C” дополнительных сопротивлений (рис.7(б);8(б,в)).

Обрыв фазы “A” осуществляется при симметричной нагрузке отключением сопротивления (рис.7(г);8(г)).

Короткое замыкание в фазе “A” осуществляется при симметричной нагрузке заменой сопротивления проводником (рис.7,д).

Таблица 1

Режим нагрузки

Измерения

1).Цепь без нейтрального проводов	B	B	B	B	B	B	B	A	A	A	A
а) симметричная нагрузка
б) уменьшение сопротивления в фазе ”B”
в) уменьшение сопротивления в фазах ”B” и “C”
г) обрыв в фазе “A”
д) короткое замыкание в фазе ”A”
2). Цепь с нейтральным проводов
а) симметричная нагрузка
б) уменьшение сопротивления в фазе ”B”
в) уменьшение сопротивления в фазах ”B” и “C”
г) обрыв в фазе “A“

Рис.7. Схемы без нейтрального провода (трехпроводные)

Рис.8. . Схемы с нейтральным проводом (четырехпроводные)

Требования техники

безопасности

1. При выполнении лабораторной работы необходимо выполнить общие правила по технике безопасности, то есть коммутации в схеме производить только при включённом рубильнике.

2. Не допускается короткое замыкание фазы при исследовании режимов с нейтральным проводом.

Задание 1

Последовательно собрать электрические схемы , указанные на рис. 7 (а, б, в, г, д) и на рис. 8(а, б, в, г) и исследовать соотношения между V и I . Записать показания приборов в табл. 1 .

1. Цепь без нейтрального провода:

1. симметричная нагрузка (рис. 7(а));

2. уменьшение сопротивления в фазе «B»

(рис.7(б));

3. уменьшение сопротивления в фазах, «B» и «С»

, (рис.7(в));

4. обрыв фазы «A»

; (рис.7(г));

5. короткое замыкание фазы «A»

; (рис.7(д));

2. Цепь с нейтральным проводом:

1. а. симметричная нагрузка

; (рис.8(а));

2. б. уменьшение сопротивления в фазе «B»

; (рис.8(б));

3. в. уменьшение сопротивления в фазах «B» и «C»

; ;

(рис.8(в));

4. г. обрыв фазы «A»

; (рис.8(г));

Обработка результатов эксперимента

Все показания измерений заносятся в табл.1. Сначала исследуются режимы без нейтрального провода, затем – с нейтральным проводом.

По результатам построить векторные диаграммы токов и напряжений, соответствующие исследуемым режимам (Л.1, с.155-160).

Содержание и оформление отчета о работе

Отчет должен содержать:

1. Название лабораторной работы.

2. Формулировку цели работы.

3. Некоторые основные понятия и формулы.

4. Схемы измерений и параметры их элементов: резисторов, амперметров, вольтметра (рис.7,8).

5. Результаты наблюдений в виде табл.1, векторные диаграммы для каждого исследуемого режима нагрузки, построенные в масштабе.

6. Отчет должен содержать раздел о погрешностях.

7. Выводы по работе для каждой из 9-ти исследуемых схем.

Вопросы для самопроверки

1. Как осуществить соединение приемников по схеме «звезда»?

2. Как измерить фазные напряжения?

3. Как измерить линейные напряжения?

4. Как измерить фазные токи?

5. Как измерить линейные токи?

6. Какова роль нейтрального провода?

7. К чему приводит обрыв нейтрального провода при несимметричной нагрузке фаз ?

8. Векторные диаграммы токов и напряжений для случая симметричной нагрузки в 4 – проводной трёхфазной цепи.

9. Векторные диаграммы токов и напряжений для случая несимметричной нагрузки в 4-проводной трехфазной цепи.

10. Векторные диаграммы токов и напряжений для случая симметричной нагрузки в 3-проводной трехфазной цепи.

11. Векторные диаграммы токов и напряжений для случая несимметричной нагрузки в 3-проводной трехфазной цепи:

а) уменьшение сопротивления в фазе «с»;

б) короткое замыкание фазы «а».

12. Для каких схем имеет место «перекос» фазных напряжений, «перекос» фазных и линейных токов.