ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ

ПРИ СОЕДИНЕНИИ ФАЗ ПРИЕМНИКА

ПО СХЕМЕ «ЗВЕЗДА»

Цель работы

Исследование симметричных и несимметричных режимов работы трехфазных цепей при соединении фаз приемника по схеме «звезда» при наличии нейтрального провода (четырехпроводная цепь) и при отсутствии его (трехпроводная цепь).

Изучение соотношений между фазными и линейными токами и напряжениями.

Определение активных мощностей в четырехпроводных и трехпроводных трехфазных цепях.

Построение топографических диаграмм напряжений и векторных диаграмм токов.

Определение напряжения смещения нейтрали в трехфазной цепи.

Исследование различных видов несимметрии трехфазного приемника, в том числе аварийных режимов.

Освоение методов расчета трехфазных цепей.

Рабочее задание

1. Ознакомиться с используемым оборудованием и приборами.

2. Определить параметры пассивных элементов, используемых в качестве нагрузки трехфазной цепи: резисторов, конденсатора и индуктивной катушки.

3. Исследовать следующие режимы работы четырехпроводной трехфазной цепи:

   1. симметричная резистивная нагрузка;

   2. несимметричная резистивная нагрузка;

   3. несимметричная неоднородная нагрузка;

   4. обрыв линейного провода при несимметричной неоднородной нагрузке.

4. Исследовать следующие режимы работы трехпроводной трехфазной цепи:

   1. Симметричная резистивная нагрузка;

   2. Несимметричная резистивная нагрузка;

   3. короткое замыкание фазы приемника при однородной нагрузке;

   4. обрыв линейного провода при однородной нагрузке.

Методические указания к пункту 1 рабочего задания описание установки

В лабораторной работе используется симметричный трехфазный источник энергии частотой 50 Гц. В качестве симметричной нагрузки используются три резистора с номинальными сопротивлениями 1 кОм, в качестве несимметричной однородной нагрузки используются три резистора с номинальными сопротивлениями соответственно 1 кОм, 330 Ом и 470 Ом. Для исследования несимметричных режимовпри неоднородной нагрузке применяются резистор с номинальными сопротивлениями 1 кОм, катушка индуктивности, имеющая 900 витков, с собранным ферромагнитным сердечником и конденсатор емкостью 2÷4 мкФ.

Для измерения используются виртуальные приборы измерения (см. раздел 9).

К пункту 2 рабочего задания

Параметры (сопротивления) пассивных элементов, используемых в качестве нагрузки трехфазной цепи: резисторов (R), конденсатора (X_C) и индуктивной катушки (R_KиX_K), определяются опытным путем таким же образом, как это было рассмотрено при выполнении лабораторной работы № 5.

К пункту 3 рабочего задания

СИММЕТРИЧНАЯ РЕЗИСТИВНАЯ НАГРУЗКА

Соберите схему трехфазной четырехпроводной цепи, включив в каждую фазу приемника, соединенного по схеме «звезда», резистор с номинальным сопротивлением 1 кОм (рис. 6.1).

Таблица 6.1.

Четырехпроводная цепь			Симметричная резистивная нагрузка		Несимметричная резистивная нагрузка		Несимметричная неоднородная нагрузка		Обрыв линейного провода при несимметричной неоднородной нагрузке
Измеренные линейные напряжения, В	UAB
	UBC
	UCA
Измеренные фазные напряжения, В	UA
	UB
	UC
Измеренные фазные токи и ток нейтрали, мА	IA
	IB
	IC
	IN
Измеренные мощности, мВт	РА
	PВ
	PС
	P
Рассчитанные фазные токи и ток нейтрали, мА	IA
	IB
	IC
	IN
Рассчитанные мощности, мВт	РА
	PВ
	PС
	P

Измерьте напряжения, токи и мощности на нагрузке в схеме с нейтральным проводом. В четырехпроводной цепи ваттметром измеряется поочередно мощность каждой фазы (рис. 6.2), при этом токовая обмотка ваттметра включается последовательно с нагрузкой, а обмотка напряжения – подключается между соответствующим линейным проводом и нейтралью. (Для переключения ваттметра из одной цепи в другую, также как и амперметра, используйте специальный коммутационный мини блок «амперметр» и пару проводников с коаксиальным разъёмом!). Результаты измерений занесите в табл. 6.1. Измерение напряжений на элементах схемы производите поочередным подключением вольтметра к различным участкам цепи.

По данным опыта проверьте соотношение между линейными и фазными напряжениями. Постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов.

Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, рассчитайте фазные (линейные) токи и ток в нейтральном проводе, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.1. Проверьте баланс активных мощностей.

_{Если пренебречь сопротивлениями проводов по сравнению с сопротивлениями нагрузки, то в четырехпроводной цепи фазные напряжения приемника всегда равны фазным напряжениям источника (рис. 6.3.) и не зависят от сопротивлений фаз приемника.}

Фазные токи равны линейным токам и определяются по закону Ома:

; ; .

Ток нейтрального провода определяется по первому закону Кирхгофа:

.

При симметричных напряжениях , , и симметричной резистивной нагрузке фазные токи будут также симметричны (рис. 6.2) и их действующие значения могут быть определены по формуле:

.

Построение топографической диаграммы напряженийделается в следующей последовательности. Вектор одного из фазных напряжений , или строится в масштабе напряжений в произвольном направлении. Так на рис. 6.3 вектор отложен вертикально. При соединении фаз по схеме «звезда» концы фаз имеют одинаковое значение потенциала (точка N) и в случае симметричного источника векторы напряжений , , равны по величине и сдвинуты между собой на 120^о. Комплексы линейных напряжений , и в соответствии со вторым законом Кирхгофа определяются как разность соответствующих фазных напряжений.

Векторная диаграмма токов строится в масштабе токов вместе с топографической диаграммой напряжений. При резистивной нагрузке фазные токи , и совпадают по фазе соответственно с фазными напряжениями , и (рис. 6.3). При симметричной нагрузке фазные токи также симметричны и ток в нейтральном проводе .

В случае резистивного приемника реактивная мощность равна нулю, а активная мощность равна полной мощности. В симметричной трехфазной цепи мощности всех фаз равны между собой. При соединении фаз приемника по схеме «звезда» активная мощность может быть рассчитана по формулам:

.

При смешанной (активно-индуктивной или активно-емкостной) нагрузке в симметричной трехфазной цепи:

Активная мощность

,

где φ – сдвиг по фазе между фазными токами и напряжениями приемника.

Реактивная мощность

.

Полная мощность

.

НЕСИММЕТРИЧНАЯ РЕЗИСТИВНАЯ НАГРУЗКА

Соберите схему с несимметричной резистивной нагрузкой, включив в каждую фазу звезды резистор в соответствии с заданным вариантом (номер варианта соответствует номеру бригады см. табл. 6.2). Произведите измерения токов, напряжений и активных мощностей, указанных в табл. 6.1.

Таблица 6.2

Номер бригады	1	2	3	4	5	6	7
Четырехпроводная цепь
Несимметричный режим работы трехфазной цепи при однородной нагрузке
R1=1 кОм	a	b	c	a	c	b	a
R2=330 Ом	b	c	a	c	b	a	b
R3=470 Ом	c	a	b	b	a	c	c
Несимметричный режим работы трехфазной цепи при неоднородной нагрузке
Резистор (R)	a	b	c	a	c	b	a
Конденсатор (ХС)	b	c	a	c	b	a	b
Индуктивная катушка (RК, ХК)	c	a	b	b	a	c	a
Обрыв линейного провода	А	В	С	С	А	В	В
Трехпроводная цепь
Несимметричный режим работы трехфазной цепи при однородной нагрузке
R1=1 кОм	a	b	c	a	c	b	a
R2=330 Ом	b	c	a	c	b	a	b
R3=470 Ом	c	a	b	b	a	c	c
Аварийные режимы работы трехпроводной цепи при однородной нагрузке (RАВ=RВС=RСА=1 кОм)
Короткое замыкание фазы приемника	b	c	a	b	a	c	b
Обрыв линейного провода	А	В	С	С	А	В	В

По данным опыта постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов.

Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, рассчитайте фазные (линейные) токи и ток в нейтральном проводе, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.1. Проверьте баланс активных мощностей.

В несимметричной четырехпроводной трехфазной цепи система фазных напряжений остается симметричной (рис. 6.4). При несимметричной резистивной нагрузке фазные токи , и по-прежнему совпадают по фазе соответственно с фазными напряжениями , и (рис. 6.4), но их система становится несимметричной, и по нейтральному проводу будет протекать ток. На рис. 6.4 приведена векторная диаграмма токов для случая.

Активная мощность каждой фазы может быть рассчитана по формулам:

; ;

.

Мощность трехфазной цепи определяется как сумма мощностей всех трех фаз:

.

НЕСИММЕТРИЧНАЯ НЕОДНОРОДНАЯ НАГРУЗКА

Соберите схему, включив в каждую фазу цепи резистор, конденсатор и индуктивную катушку в соответствии с заданным вариантом (номер варианта соответствует номеру бригады см. табл. 6.2). Произведите измерения токов, напряжений и активных мощностей, указанных в табл. 6.1.

По данным опыта постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов.

Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, рассчитайте фазные (линейные) токи и ток в нейтральном проводе, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.1. Проверьте баланс активных мощностей.

Построение топографической диаграммы напряжений делается таким же образом, как и в предыдущих пунктах. При построении векторной диаграммы фазных токов необходимо помнить, что ток и напряжение на резисторе совпадают по фазе, на конденсаторе напряжение отстает от тока на 90^о, а на реальной катушке индуктивностей, схема замещения которой содержит последовательное соединение резистора R_K и идеальной индуктивности X_K,ток отстает от напряжения на угол

.

Качественная векторная диаграмма токов для случая, когда в фазу a включен резистор, в фазу b – индуктивная катушка, а в фазу c – конденсатор, представлена на рис. 6.5.

В случае несимметричной неоднородной нагрузки активная мощность фазы, в которую включен конденсатор, равна нулю, а активная мощность фазы, в которую включена катушка индуктивности, может быть определена по формулам:

.

ОБРЫВ ЛИНЕЙНОГО ПРОВОДА

ПРИ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НЕОДНОРОДНОЙ НАГРУЗКЕ

Отключите одну из фаз в соответствии с заданным вариантом (номер варианта соответствует номеру бригады см. табл.6.2). Произведите измерения токов, напряжений и активных мощностей, указанных в табл. 6.1.

По данным опыта постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов.

Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, рассчитайте фазные (линейные) токи и ток в нейтральном проводе, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.1. Проверьте баланс активных мощностей.

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 нейтральном проводе будет протекать ток .