Новая папка (2) / Описание лабораторных работ / Иссл.3-хф.ЭЦ

Лабораторная работа

ИCCЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ «ЗВЕЗДОЙ»

Цель работы: ознакомление с основными и аварийными режимами работы 3-х фазной электрической цепи переменного тока при соединении ее элементов «звездой» и с методикой построения векторных диаграмм токов и напряжений при симметричной и несимметричной нагрузках, выявление влияния нейтрального провода.

Общие сведения

Трехфазная электрическая цепь состоит из трехфазного источника электрической энергии (или 3-х фазной системы э.д.с.), 3-х фазной линии передачи этой энергии и трехфазного приемника (потребителя). Источником служит трехфазный генератор, у которого статорная обмотка состоит из трех контуров, сдвинутых друг относительно друга на угол 120. При вращении ротора, представляющего собой электромагнит, в обмотках статора возбуждаются три равных по амплитуде и сдвинутых друг относительно друга по фазе на угол 120 (см.рис.1) э.д.с. Аналитические выражения для их мгновенных значений и комплексов действующих значений (на момент t = 0) имеют вид:

(1)

а) б) в)

Рис.1. Трехфазная система э.д.с.(а), ее временная (б) и векторная (в) диаграммы. (отдельные э.д.с., т.е. фазы, у которых А, В и С – начала, Х,Y и Z – концы, а r_0A, r_0B и r_0C – внутренние сопротивления).

Изображенная на рис.1,а система называется несвязанной, которая требует наличия 6 проводов и поэтому малоэффективна. На практике используются только связанные трехфазные системы, элементы которых соединены либо «звездой», либо «треугольником». Для этого в первом случае концы фаз Х,Y,Z соединяются в один общий узел, называемый нейтралью источника, а во втором в одну точку соединяются начала и концы соответствующих фаз (рис.2).

Важной особенностью трехфазных систем при соединении «звездой» является воз-можность получения на их выходах двух различных напряжений – фазного и линейного. Фазным называют напряжение между началом и концом каждой фазы, т.е. , а линейным – между началами двух фаз, т.е. . За положительное направление фазных напряжений принято направление от начала к концу каждой фазы.

а) б)

Рис.2. Схемы соединения фаз источника «звездой» (а) и «треугольником» (б).

Соотношения между линейными и фазными напряжениями определены как , поэтому ГОСТом для цепей низкого напряжения предусмотрены следующие их значения: и Схема соединения фаз источника «треугольником» (чаще всего так соединяют вторичные обмотки трехфазных трансформаторов) позволяет получить только линейные напряжения . Она рассматривается в следующей лабораторной работе.

Рис.3. Схема четырехпроводной трехфазной цепи.

Таким образом, трехфазные ЭЦ представляют собой своеобразный набор трех однофазных цепей, частично связанных между собой. Они могут находиться в рабочем или в аварийном режиме, причем последний возникает либо из-за обрыва линии (фазы), либо из-за короткого замыкания в линии (фазе). Рабочий режим характеризуется наличием какой-либо нагрузки - трехфазного приемника электрической энергии. Приемники, включаемые в трехфазную цепь, могут быть как однофазными (осветительные и бытовые электроприборы, однофазные электродвигатели), так и трехфазными (трехфазный асинхронный двигатель), при этом начала их фаз обозначаются строчными буквами а, b и c, а концы – x, y и z. На рис.3 приведена схема 4-х проводной трехфазной цепи, в которой фазы генератора и нагрузки соединены звездой (типа «звезда-звезда»). Кроме того, в схеме приведены также внутренние комплексные сопротивления фаз генератора z₀ и комплексные сопротивления соединительных проводов – линий z_Л.

Если пренебречь внутренними сопротивлениями z_OA, z_OB и z_OC фаз генератора, а также сопротивлениями z_Л линейных и нейтрального z_N проводов, то фазные напряжения приемника будут равны фазным напряжением источника: Тогда фазные токи приемника находятся по формулам:

(2)

причем, и т.п., а ток в нейтральном проводе Приемник называется симметричным, если комплексные сопротивления его фаз равны между собой: . Для симметричных приемников фазные токи равны между собой и сдвинуты относительно соответствующих фазных напряжений на один и тот же угол. Векторная диаграмма напряжений и токов для такого случая приведена на рис.4. Если это условие не выполняется, то приемники считаются несимметричными. При этом если равны модули комплексных сопротивлений фаз, то приемник называется равномерным, а если равны их аргументы: _a = _b = _c, то однородным.

Рис.4.

Векторная диаграмма напряжений и токов для несимметричного однородного приемника представлена на рис.5. При ее построении направления векторов фазных напряжений условно приняты от конца к началу фазы. Из нее видно, что ток в нейтрали не равен нулю. Известно, что значение и фаза тока зависят не только от значения нагрузки фаз, но также от ее характера и схемы включения.

Рис.5. Схема несимметричного однородного приемника (а) и векторная диаграмма (б) его токов и напряжений.

Отсюда следует, что если несимметричные приемники, соединенные звездой, окажутся включенными в трехпроводную сеть, то между нейтральными точками приемника и источника возникает напряжение , называемое напряжением между нейтралями, которое создает некоторые неудобства при расчете и вынуждает к увеличению сечения нейтрального провода. Аварийные режимы резко отличаются от стационарных (с симметричной и несимметричной нагрузкой), т.к. они приводят к перераспределению токов и напряжений. Например, обрыв нейтрального провода вызывает появление напряжения даже в четырехпроводной симметричной трехфазной цепи, что может служить причиной превышения фазных напряжений и токов в приемнике (нагрузке).

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с теоретическими положениями работы.

2. В среде EWB собрать схему четырехпроводной трехфазной цепи (рис.6) с однородной (в данном случае активной), но несимметричной нагрузкой. В каждую линию и нейтральный провод включить амперметры в режиме АС - измерение «переменного тока». Кроме того, между нейтральными точками источника и нагрузки следует включить вольтметр также в режиме «АС». Значения фазных э.д.с. и нагрузки R_a, R_b, R_c следует взять из табл.1. Для измерения углов сдвига по фазе между токами и напря-жениями использовать осциллограф и датчики тока , в качестве которых вклю-чить преобразователи тока в напряжение (источники напряжения, управляемые током).

Рис.6.

Табл.1

№ варианта	ЕА = ЕВ = ЕС, В	Ra, Ом	Rb, Ом	Rc, Ом
1	15	200	100	150
2	20	240	120	180
3	25	270	135	200
4	30	300	150	225
5	35	320	160	240
6	40	340	170	250
7	45	360	180	270
8	50	380	190	285
9	55	400	200	300
10	60	420	210	315
11	65	440	220	330
12	70	460	240	350

3. Включить программу, снять показания со всех амперметров и вольтметра. Подключая входы осциллографа к какой-либо фазе нагрузки и к выходу датчика тока той же фазы, убедиться в том, что углы сдвига по фазе между , а также другими одноименными э.д.с и токами равны нулю. Измерить угол сдвига по фазе между э.д.с. Е_А и током I_n в нейтрали. Все результаты измерений занести в первую строку табл.2. Построить векторную диаграмму для э.д.с. и токов данной схемы и сравнить полученный в результате построения угол между током I_n и э.д.с. Е_А с измеренным.

Табл.2

Режим	UNn, B	Ia, A	Ib, A	Ic, A	In, A	a	b	c	n
Несим-я однородн-я нагрузка с нейтралью
Несим-я однородн-я нагрузка без нейтрали
Обрыв фазы «b» с нейтралью.
Обрыв фазы «b» без нейтрали.
К.З в фазе «b» с нейтралью.
К.З в фазе «b» без нейтрали.

4. Отключить нейтраль от нагрузки, включить программу и снять показания со всех приборов. Измерить все фазовые углы в данном режиме работы цепи и занести эти результаты во вторую строку табл.2.

5. Восстановить нейтраль и отключить фазу «b» от нагрузки. Включить программу, снять показания с приборов и измерить все углы сдвига по фазе, заполнив третью строку табл.2. Провести те же действия при обрыве фазы «b» без нейтрали.

6. Устроить «короткое замыкание» в фазе «b», убрав в ней нагрузку R_b и провести тот же объем измерений при наличии и отсутствии нейтрали. Все данные занести в соответствующие строки табл.2.

7. По данным измерений построить векторные диаграммы. При измерении углов сдвига по фазе следует провод, идущий к каналу А осциллографа, пометить красным цветом, а к каналу В – синим. Тогда с помощью имеющихся на его экране меток будут получены не только значения временных интервалов, пропорциональных углам сдвига по фазе, но и направления отсчета этих углов.

8. Для установления зависимости тока в нейтрали от характера нагрузки собрать в среде EWB схему по рис.7. Значения элементов цепи и э.д.с. взять из табл.3. Они дают симметричную неоднородную нагрузку источнику.

Рис.7.

Табл.3

№ варианта	ЕА = ЕВ = ЕС, В	Ra, Ом	L, Гн	С, мкФ
1	15	200	0,64	16,0
2	20	240	0,76	13,0
3	25	270	0,86	11,7
4	30	300	0,95	10,5
5	35	320	1,0	9,9
6	40	340	1,08	9,3
7	45	360	1,15	8,8
8	50	380	1,2	8,3
9	55	400	1,27	7,9
10	60	420	1,34	7,5
11	65	440	1,4	7,2
12	70	460	1,45	6,9

9. Включить программу, снять показания со всех амперметров и вольтметра. Кроме того, измерить угол сдвига по фазе между э.д.с. Е_А и током I_n в нейтрали. Все результаты измерений занести в первую строку табл.4. Построить векторную диаграмму для э.д.с. и токов данной схемы и сравнить полученный в результате построения угол между током I_n и э.д.с. Е_А с измеренным.

10. Поменять местами катушку индуктивности и конденсатор и провести действия по п.10 еще раз. Убедиться в том, что ток в нейтрали действительно изменился в несколько раз и направлен в противоположную сторону.

Табл.4

Режим	UNn, B	Ia, A	Ib, A	Ic, A	In, A	a	b	c	n
Катушка в фазе В, а конденсатор – в фазе С
Конденсатор – в фазе В, а катушка – в фазе С

Содержание отчета

1. Основные теоретические положения работы.

2. Рабочая электрическая схема, расчеты и таблица результатов.

3. Выводы по работе.

Контрольные вопросы