Дослідження кола трифазного змінного струму при з’єднанні споживачів електричної енергії по схемі «зірка»

Мета роботи – експериментально дослідити коло трифазного змінного струму при симетричному і несиметричному навантаженнях; визначити роль нейтрального проводу; ознайомитися з особливостями розрахунку трифазних кіл при різноманітних режимах навантаження.

План і порядок виконання роботи

1. Зібрати схему для експериментального дослідження ланцюга, зображену на рис. 3.1. Для цього необхідно початки обмоток фаз А, В, С (виводи позначені зірочкою) блоку трифазної напруги об’єднати на набірному полі стенду в одну точку, що відповідає нейтралі генератора N. Кінці обмоток фаз А, В, С через розетки, замкнуті перемички, підключити до виводів трьох споживачів z_а, z_в, z_с. Другі виводи споживачів об’єднати в одну точку, що відповідає нейтралі навантаження n. Точки N і n схеми (див. рис. 3.1) з’єднати через розетку, замкнуту перемичку, нейтральним проводом. В якості навантажень використовувати елементи блоку змінного опору і навісні елементи комплекту, що входить в склад стенду. Значення фазних напруг генератора U_AN, U_ВN, U_СN і параметри навантажень z_а, z_в, z_с задає викладач. Для вимірювання струмів і напруг використовувати комбінований вимірювальний прилад.

Рис. 3.1

2. Після перевірки схеми викладачем ввімкнути блок трифазної напруги. Встановити режим симетричного навантаження з замкнутим нейтральним проводом. Ввімкнути прилад в режим вимірювання струму. По черзі виміряти лінійні струми І_A, І_B, І_С і струм в нейтральному проводі І_N. Перевести прилад в режим вимірювання напруги. Виміряти фазні напруги U_an, U_bn, U_cn і лінійні напруги U_ab, U_bc, U_ca на навантаженнях. Дані вимірювань занести до табл. 3.1.

Таблиця 3.1

Режим роботи

ІIa, мА

ІIb, мА

ІIc, мА

ІIn, мА

UUab, В

UUbc, В

UUca, В

UUan, В

UUbn, В

UUcn, В

UUnN, В

PPa, Вт

PPb, Вт

PPc, Вт

PP, Вт

Симетричне навантаження

З Nn

α C РВ

Ббез Nn

α C РВ

Несиметричне навантаження

З Nn

α C РВ

Ббез Nn

α C РВ

Обрив фази

З Nn

α C РВ

Ббез Nn

α C РВ

Де Nn – нейтральний провід; РВ – результат вимірювання; С – ціна поділки; α – відхилення стрілки приладу.

3. Встановити режим несиметричного навантаження з нейтральним проводом. Провести вимірювання аналогічно п. 2.

4. Розімкнути нейтральний провід і провести вимірювання аналогічно п.3.

Рис. 3.2

5. Розімкнути один з лінійних проводів (за вказівкою викладача) і замкнути нейтральний провід (рис. 3.3). Провести вимірювання аналогічно п. 2 (виключаючи вимірювання струму в «обірваному» лінійному проводі).

Рис. 3.3

6. Розімкнути нейтральний провід (рис. 3.4) і провести вимірювання аналогічно п. 3.

Рис. 3.4

7. Після перевірки результатів вимірювань викладачем вимкнути джерело напруги і розібрати схему дослідження.

8. Використовуючи результати вимірювання розрахувати потужність фаз Р_а, Р_b, Р_c і сумарну активну потужність трифазного навантаження ∑Р. Результати розрахунків занести до табл. 3.1.

9. За даними вимірювань побудувати в масштабі векторні діаграми струмів і топографічні діаграми напруг для всіх режимів навантаження.

Короткі теоретичні відомості

З’єднання приймачів енергії в трифазному колі по схемі «зірка» об’єднанням кінців фаз навантаження в нейтральну точку n, при цьому початки фаз навантаження підключені до мережі лінійними проводами.

Симетричне навантаження в трифазному колі утворюється при ввімкненні в кожну з фаз однакових по значенню і характеру опорів, тобто z_а=z_b=z_с, φ_а=φ_b=φ_с, де φ_а, φ_b, φ_с – кути зсуву фаз між фазовими струмами і напругами. Якщо одна з вказаних умов не виконується, то навантаження несиметричне.

Фазні напруги в такому колі – різниця потенціалів між точками початку кожної фази і визначаються так:

; ;.

Лінійні напруги рівні геометричній різниці фазних напруг:

; ;.

Якщо обмотки трифазного генератора з’єднанні також в «зірку» і нейтральна точка генератора N з’єднана з нейтральною точкою навантаження n, то утворюється чотирипровідна трифазна система (див. рис. 3.1), яка має перевагу перед трипровідною системою (див. рис. 3.2). При наявності нейтрального проводу, незалежно від значень і характеру навантаження, фазні напруги генератора рівні фазним напругам на навантаженні:

; ;.

Відповідно рівні і лінійні напруги генератора і навантаження. Якщо рівні між собою фазні напруги генератора, то рівні і фазні напруги на навантаженні.

При відсутності нейтрального проводу, при несиметричному навантаженні порушується рівність фазових напруг на навантаженні і виникає напруга зміщення нейтралі Ū_nN.

Таким чином, нейтральний провід слугує для вирівнювання фазних напруг на навантаженні, що має велике практичне значення з точки зору споживачів електричної енергії. Трипровідна трифазна система застосовується лише у випадках симетричного навантаження (наприклад, для живлення трифазних двигунів змінного струму).

Струм в нейтральному проводі на основі першого закону Кірхгофа визначається як геометрична сума лінійних струмів:

Ī_N=Ī_a+Ī_b+Ī_c.

Лінійний струм – це струм в лінійному проводі. При з’єднанні навантаження в «зірку» лінійний струм являється також і фазним струмом.

При симетричному навантаженні фаз приймача (а при наявності нейтрального проводу і при несиметричному навантаженні) лінійна напруга більше фазної в раз:.

Сумарні значення потужності визначаються наступним чином:

при симетричному навантаженні

- активна, Вт: ;

- реактивна, вар: ;

- повна, В·А: ;

при несиметричному навантаженні

- активна, Вт: ;

- реактивна, вар: ;

- повна, В·А: .

Розглянемо побудову векторних і топографічних діаграм за даними вимірювань. Зазвичай всі побудови проводять на топографічному трикутнику лінійних напруг мережі. Для знаходження нейтралі навантаження з кожної вершини топографічного трикутника циркулем проводять засічку радіусами, рівними фазним напругам. Точка пересікання цих засічок і визначає нейтраль навантаження n.

Вектор струмів зручно будувати виходячи з точки n. Кожний струм будується в відповідності до своєї величини і напрямком відносно своєї фазної напруги на навантаженні.

На рис. 3.5 показана векторна діаграма струмів і топографічна діаграма напруг для режиму симетричного активного навантаження з нейтральним проводом. Вектори нейтральних (фазних) струмів співпадають по напрямку з векторами відповідних фазних напруг. Як видно з рис. 4.5 струм в нейтральному проводі рівний нулю.

Рис. 3.5

За відсутності нейтрального проводу (див. рис. 3.2) і симетричному навантаженні зміщення нейтральної точки навантаження n відносно нейтральної точки генератора N не відбувається. Тому векторна і топографічна діаграми не відрізняються від приведеної на рис. 3.5.

У випадку несиметричного навантаження з нейтральним проводом в ньому виникає струм Ī_N (рис. 3.6).

Рис. 3.6

При обриві нейтрального проводу (див. рис. 3.2) і несиметричному навантаженні з’являється напруга зміщення нейтралі (рис. 3.7). В відповідності до першого закону Кірхгофа геометрична сума лінійних струмів

Ī_a+Ī_b+Ī_c=0.

Рис. 3.7

Якщо розімкнути один з лінійних проводів і залишити замкнутим нейтральний провід, то трифазна система стає двохфазною (див. рис. 3.3). Навіть при симетричному навантаженні в нейтральному проводі з’являється струм (рис. 3.8)

Ī_N=Ī_b+Ī_c.

Рис. 3.8

При обриві нейтрального і лінійного проводів трифазний ланцюг вироджується в однофазний ланцюг змінного струму (див. рис. 3.4). В цьому випадку на затискачах ланцюга діє лише одна лінійна напруга U_bс (рис. 3.9), яка розподіляється на навантаженнях z_b і z_с пропорційно їх опорам. Нейтральна точка навантаження n переміщується на вектор Ū_bс і з’являється напруга зміщення нейтралі Ū_nN. Лінійні струми, що залишились (І_b і І_с), рівні по величині і протилежні по напрямку.

Рис. 3.9

Якщо навантаженням в трифазній системі являються не активні, а комплексні опори, то векторні діаграми відрізняються від розглянутих тим, що між векторами фазних (лінійних) струмів і векторами відповідних фазних напруг існують кути фазових зсувів φ_а, φ_b, φ_c.

Контрольні питання для самоперевірки

1. Як утворюється з’єднання однофазних приймачів зіркою в трифазні ланцюги? Намалюйте схему.

2. Як визначити вид навантаження – симетрична чи несиметрична?

3. Поняття про фазні і лінійні напруги і відношення між ними. Як їх виміряти практично в схемі?

4. Струми в трифазних ланцюгах при з’єднанні споживачів «зіркою».

5. Призначення нейтрального проводу. Чому не ставлять запобіжник в нейтральний провід?

6. Як визначаються за досліджуваними даними активна, реактивна і повна потужності трифазного ланцюга?

7. Як розрахувати аналітично і знайти графічно силу струму в нейтральному проводі?

8. Пояснити побудову векторних діаграм для досліджуваних в лабораторній роботі випадків, а також для випадків навантаження в фазі будь-якого характеру (активного, реактивного).

9. Напишіть миттєві значення фазних напруг симетричного трифазного джерела.

10. Від чого залежить фазна напруга на затискачах приймача при відсутності нейтрального проводу?