Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы электротехники. Лабораторный практикум. Ч.2. Учебно-методическое пособие для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Теорети
.pdf
11
В схеме «звезда» напряжения между выводами А, В и С называются линейными, тогда как напряжение между любой из этих точек и нейтралью N
принято называть фазным. Векторная диаграмма напряжений такой трехфазной
цепи приведена также на рисунке 8.1.3, где показаны соотношения между фазами и величинами линейных UЛ и фазных UФ напряжений. Так, в частности,
между их действующими значениями имеется следующая связь:
UЛ = 3 UФ
В схеме «треугольник» линейные напряжения равны соответствующим
фазным.
В последующих экспериментах изучаются напряжения и токи в трехфазных цепях с соединением «звезда» и «треугольник». Измеряются и рассчитываются обычно действующие значения напряжений и токов.
UA
UB
UC
UBC
UAB
UCA
UAB
UCA
UBC
UA
UB
UC
Рисунок 1.3 – Схеме «звезда»
U
BC
U
AB
U
CA
UAB
UCA
UBC
Рисунок 1.4 – Схеме «треугольник»
Необходимое для экспериментов трехфазное напряжение частотой 50 Гц
берется не непосредственно из питающей сети, а создается с помощью специального генератора синусоидальных напряжений. При этом из соображений
электробезопасности величина линейного напряжения ограничена 12 В.
Экспериментальная часть
Задание
Выведите на дисплей виртуального осциллографа кривые фазных напряжений трехфазного источника, перенесите их на график, измерьте виртуальными приборами линейные и фазные напряжения и углы сдвига между фазными
напряжениями.
12
Порядок выполнения работы
Соберите цепь согласно схеме (рис. 1.5), подключите выходы трехфазного генератора А и В к аналоговым входам коннектора V0 и V1.
Включите виртуальные вольтметры V0 и V1 и осциллограф, установите
пределы измерений и развертки. Включите также виртуальный фазометр для
измерения угла сдвига фаз между напряжениями UA и UB.
V1
V0
Рисунок 1.5 – Схема электрической цепи
Перенесите на график (рис. 1.6) осциллограммы напряжений UA, U
B
, пе-
реключите вход коннектора V1 на фазу С и перенесите осциллограмму напряжения UC на график.
Измерьте виртуальными вольтметрами все фазные и линейные напряжения, а также углы сдвига фаз между напряжениями UA и UB, UB и UC, UC и UA.
Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 1.1.
B
0
мс
-6
-2
-4
-8
-10
6
8
4
2
68421416121018
Рисунок 1.6 – График осциллограммы напряжений UA, UB
Таблица 1.1 – Результаты измерений
Измерения
Расчет
UA, В
Среднее значение фазных напряжений:
UФ = (UA + UВ + UС) / 3 = … В
UB, В
UС, В
Среднее значение линейных напряжений:
UЛ = (UAВ + UВС + UСА) / 3 = … В
UАВ, В
UВС, В
Отношение
UФ / UЛ = …
UСА, В
А – В, град
Средний угол сдвига между фазными напряжениями:
...
3
)ψ(ψ)ψ(ψ)ψ(ψ
ACABBA
В – С, град
С – А, град
13
1.2 Трехфазная нагрузка, соединенная по схеме «звезда»
Общие сведения
Если нагрузки (приемники) соединены в трехфазную цепь по схеме
«звезда» (рис. 1.7), то к сопротивлениям нагрузки приложены фазные напряжения. Линейные токи равны фазным и определяются по закону Ома:
;
R
U
I
A
A
A
;
R
U
I
B
B
B
,
C
C
C
R
U
I
а ток в нейтрали равен векторной сумме этих токов: IN = IA + IB + IC.
Рисунок 1.7 – Схема «звезда»
При симметричных напряжениях UA, UB, UC и одинаковых сопротивлениях RA= RB = RC = R токи IA, IB, IC также симметричны и их векторная сумма (IN)
равна нулю. Тогда
IЛ = IФ = UФ R; IN = 0.
Если же сопротивления фаз нагрузки неодинаковы, то через нулевой провод протекает некоторый ток IN 0. Это поясняется на векторных диаграммах
(рис. 1.8).
U
A
UBU
C
I
A
IBI
C
I
B
I
C
IN = 0
I
A
I
B
I
C
I
N
a) симметричная нагрузка
б) несимметричная нагрузка
Рисунок 1.8 – Векторных диаграммы токов и напряжений
Мощность трёхфазной нагрузки складывается из мощностей фаз:
P = PА + PВ + PС.
Когда нагрузка симметричная и чисто резистивная, имеем
P = 3 PФ = 3UФ IФ.
При смешанной (активно-индуктивной или активно-емкостной) нагрузке:
Активная мощность
P = 3 UФ IФ cos = 3 UЛ IЛ cos.
14
Реактивная мощность
Q = 3 UФ IФ sin = 3 UЛ IЛ sin.
Полная мощность
S = 3 UФ IФ = 3 UЛ IЛ .
Экспериментальная часть
Задание
Для трехфазной цепи с соединением «звезда» при симметричной и несимметричной нагрузках измерьте с помощью мультиметра или виртуальных приборов действующие значения токов I
Л
и I
N
, а также напряжений U
Л
и U
Ф
, вычис-
лите мощности P
Ф
и PФ, простройте векторные диаграммы.
Порядок выполнения работы
Соберите цепь с симметричной нагрузкой (RA = RB = RC = 1 кОм) согласно схеме (рис. 1.9).
UAUBU
C
U
BC
U
CA
U
AB
Рисунок 1.9 – Схема электрических соединений
Измерьте действующие значения напряжений и токов согласно таблице
1.2 и вычислите мощности.
Таблица 1.2 – Результаты измерений
Схема «звезда»
Нагрузка
симметричная
Нагрузка
несимметричная
Линейные и фазные токи,
ток нейтрали, мА
IA
IB
IC
IN
Линейн. напряжения, В
UAB
UBC
UCA
Фазные напряжения, В
UA
UB
UC
Фазные мощности, мВт
PA
PB
PC
Общая мощность, мВт
P
15
Повторите измерения и вычисления для несимметричной нагрузки (RA =
1 кОм, RB = 680 Ом, RC = 330 Ом).
На рис. 1.10 в масштабе постройте векторные диаграммы.
mU = … В/дел
mI = … мА/дел
Диаграмма
напряжений
Диаграммы токов
а) симметричная
нагрузка
б) несимметричная
нагрузка
Рисунок 1.10 – Диаграммы токов и напряжений
1.3 Трехфазные нагрузки, соединенные по схеме «треугольник»
Общие сведения
Если нагрузки (приемники) соединены в трехфазную цепь по схеме «треугольник» (рис. 1.11), нагрузка RAВ, RBС и RCА каждой фазы включается на полное линейное напряжение, которое равно фазному U
Л
= UФ
R
AB
R
BCRCA
I
AB
I
BC
I
CA
Рисунок 1.11 – Схема «треугольник»
Фазные токи I
AВ
, IBС и ICА определяются по закону Ома:
;
R
U
I
AB
AB
AB
;
R
U
I
BC
BC
BC
CA
CA
CA
R
U
I
.
Линейные токи определяются по первому закону Кирхгофа:
IA = IAB – ICA; IB = IBC – IAB; IC = ICA – IBC.
При симметричных напряжениях UAВ, UBС, UCА и одинаковых нагрузках
фаз RAВ = RBС = RCА = R токи также симметричны:
IФ = UФ /R; IЛ = IФ 3.
16
Это поясняется на векторных диаграммах (рис. 1.12).
Мощность P, потребляемая трехфазной нагрузкой при ее соединении в
«треугольник», складывается из мощностей фаз P = PАВ + PВС + PСА.
При симметричной чисто активной нагрузке
P = 3 PФ = 3 UФ IФ.
При смешанной (активно-индуктивной или активно-емкостной) нагрузке:
Активная мощность
P = 3 UФ IФ cos = 3 UЛ IЛ cos.
a) симметричная нагрузка
б) несимметричная нагрузка
U
AB
U
CA
U
BC
I
A
I
B
I
C
I
AB
I
BC
I
CAIA
I
B
I
C
I
AB
I
BC
I
CA
Рисунок 1.13 – Диаграммы токов и напряжений
Реактивная мощность
Q = 3 UФ IФ sin = 3 UЛ IЛ sin.
Полная мощность
S = 3 UФ IФ = 3 UЛ IЛ .
Экспериментальная часть
Задание
Для трехфазной цепи с соединением «треугольник» при симметричной и
несимметричной омических нагрузках измерить с помощью мультиметра или
виртуальных приборов действующие значения токов IЛ и IФ, а также напряжений UЛ, затем вычислить мощности PФ и P.
Порядок выполнения работы
Соберите цепь с симметричной нагрузкой (RAВ = RBС = RCА = 1 кОм) согласно схеме (рис. 1.14). Для измерения шести токов (три фазных и три линейных) включите в цепь три виртуальных амперметра и три мультиметра в режиме измерения токов.
U
BC
U
CA
U
AB
I
A
I
B
ICRABR
CA
R
BC
I
AB
I
CA
I
BC
Рисунок 1.14 – Схема электрических соединений
17
Измерьте мультиметром напряжения и токи согласно таблице 1.4 и вычислите мощности.
Таблица 1.4 – Результаты измерений
Схема «треугольник»
Нагрузка
симметричная
Нагрузка
несимметричная
Линейные токи,
мА
IA
IB
IC
Фазные токи, мА
IAB
IBC
ICA
Фазные и линей-
ные напряжения, В
UAВ
UBС
UCА
Фазные мощности,
мВт
PAВ
PBС
PCА
Общая мощность,
мВт
P
Повторите измерения и вычисления для несимметричной нагрузки (RA =
1 кОм, RB= 680 Ом, RC = 330 Ом).
На рисунке 1.15 в масштабе постройте векторные диаграммы.
mU = … В/дел
mI = … мА/дел
Диаграмма
напряжений
Диаграммы токов
а) симметричная
нагрузка
б) несимметричная
нагрузка
Рисунок 1.15 – Векторные диаграммы токов и напряжений
1.4 Аварийные режимы трёхфазной цепи при соединении нагрузки в звезду
Общие сведения
Аварийными являются режимы, возникают при коротких замыканиях в
нагрузке или в линиях и обрыве проводов. Остановимся на некоторых типичных аварийных режимах.
Обрыв нейтрального провода при несимметричной нагрузке
В симметричном режиме IN = 0, поэтому обрыв нейтрального провода не
приводит к изменению токов и напряжений в цепи и такой режим не является
18
аварийным. Однако, при несимметричной нагрузке IN ≥0, поэтому обрыв
нейтрали приводит к изменению всех фазных токов и напряжений. На векторной диаграмме напряжений точка «0» нагрузки, совпадающая до этого с точкой
«N» генератора, смещается таким образом, чтобы сумма фазных токов оказалась равной нулю (рис. 1.16). Напряжения на отдельных фазах могут существенно превысить номинальное напряжение.
A
B
C
NOUAUCU
B
U
ON
R
A
R
BRC
A
B
C
N
O
I
A
I
B
I
C
U
ON
I
A
IBI
C
I
B
I
C
I
N
=
I
A
+
I
B
+
I
C
= 0
Рисунок 1.16 – Обрыв нейтрального провода при несимметричной нагрузке
Обрыв фазы при симметричной нагрузке в схеме с нулевым проводом
При обрыве провода, например, в фазе А ток этой фазы становится равным нулю, напряжения и токи в фазах В и С не изменяются, а в нулевом проводе появляется ток
IN = IB + IC. Он равен току, который до обрыва протекал в фазе А (рис. 1.17).
A
B
C
N,O,a
U
Aa
U
C
U
B
R
A
R
B
R
C
A
B
C
N
O
U
Aa
I
B
I
C
I
B
I
C
I
N
IA=0
I
N
Рисунок 1.17 – Обрыв фазы при симметричной нагрузке в схеме
с нулевым проводом
Обрыв фазы при симметричной нагрузке в схеме без нулевого провода
При обрыве, например, фазы А сопротивления R
A
и RB оказываются со-
единёнными последовательно и к ним приложено линейное напряжение UBC.
Напряжение на каждом из сопротивлений составляет
2/3
от фазного напря-
жения в нормальном режиме. Нулевая точка нагрузки на векторной диаграмме
напряжений смещается на линию ВС и при R
B
= RC находится точно в середине
отрезка ВС (рис. 1.18)
19
BC
R
A
R
B
R
C
A
B
C
N
O
U
Aa
I
B
I
C
I
B
I
C
IA=0
A
N
U
Aa
U
C
U
B
O, a
Рисунок 1.18 – Обрыв фазы при симметричной нагрузке
в схеме без нулевого провода
Короткие замыкания
При коротком замыкании фазы нагрузки в схеме с нулевым проводом ток
в этой фазе становится очень большим (теоретически бесконечно большим) и
это приводит к аварийному отключению нагрузки защитой. В схеме без нулевого провода при замыкании, например, фазы А, нулевая точка нагрузки смещается в точку «А» генератора. Тогда к сопротивлениям фаз В и С прикладывают-
ся линейные напряжения. Токи в этих фазах возрастают в
3
раз, а ток в фазе А
– в 3 раза (рис. 1.19).
Короткие замыкания между линейными проводами и в той, и в другой
схеме приводят к аварийному отключению нагрузки.
BC
R
A
R
B
R
C
A
B
C
N
O
I
A
I
B
I
C
A
N
U
C
U
B
O
I
B
I
C
-I
A
Рисунок 1.19 – Короткое замыкание
Экспериментальная часть
Задание
Экспериментально исследовать аварийные режимы трёхфазной цепи при
соединении нагрузки в звезду.
Порядок выполнения работы
Соберите цепь согласно схеме (рис.1.20) с сопротивлениями фаз
RA=RB=RC=1кОм. Измерения токов можно производить одним – двумя амперметрами, переключая их из одной фазы в другую, либо виртуальными приборами.
20
R
A
R
B
R
C
A
B
C
N
O
I
A
I
B
I
C
I
N
A1
A2
A3
V
A4
Рисунок 1.20 – Схема электрических соединений
Убедитесь, что обрыв (отключение) нейтрали не приводит к изменению
фазных токов.
Убедитесь, что в схеме с нулевым проводом происходит отключение
источника защитой при коротких замыканиях как в фазах нагрузки, так и между линейными проводами.
Убедитесь, что в схеме без нулевого провода короткое замыкание в фа-
зе нагрузки не приводит к отключению, а при коротком замыкании между линейными проводами установка отключается.
Проделайте измерения токов и напряжений всех величин, указанных в
таблице 4.1 в различных режимах и по экспериментальным данным постройте
векторные диаграммы для каждого случая в выбранном масштабе.
Ответьте на контрольные вопросы.
Таблица 1.5 – Результаты измерений
Режим
UAO,
B
UBO,
B
UCO,
B
UON,
B
IA,
мА
IB,
мА
IC,
мА
IN,
мА
RA=1 кОм
RB=680 Ом
RC=330 Ом
Обрыв нейтрали
RA=RB=RC=1 кОм
Схема с нейтралью
Обрыв фазы А
RA=RB=RC=1 кОм
Схема без нейтрали
Обрыв фазы А
RA=RB=RC=1 кОм
Схема без нейтрали
К.З. фазы А
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]