8

Лабораторная работа №5 Соединение приемников звездой в трехфазной цепи

Цель работы:

1. Установить соотношения между линейными и фазными величинами токов и напряжений при различных режимах работы соединения.

2. По опытным данным построить векторные диаграммы напряжений и токов при симметричной и несимметричной нагрузкой фаз.

3. Выяснить влияние обрыва линейного и нейтрального проводов на режим работы потребителей.

Основные теоретические положения

В современной электроэнергетике наибольшее распространение получили трехфазные цепи, которые были разработаны в конце XIX века выдающимся русским электротехником Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским.

Источником электрической энергии в трехфазных цепях является синхронный генератор, у которого три обмотки A, B, C (фазы) сдвинуты одна по отношению к другой на угол 120⁰. От такого генератора могут отходить четыре провода – три линейных A, B, C и один нейтральный N. К этим проводам присоединяются потребители (приемники), которые могут быть как однофазными (лампы накаливания, бытовые электроприборы, ручной электроинструмент и т.д.), так и трехфазными (асинхронные двигатели, индукционные печи и т.д.).

Отдельные фазы трехфазных потребителей или однофазные потребители при подключении в трехфазную цепь могут соединяться между собой по способу "звезда". Для соединения звездой, например, трех однофазных потребителей необходимо их концы X, Y, Z объединить электрически в одну общую (нейтральную) точку N. К полученной нейтральной точке присоединяется нейтральный провод N-N., а к началам потребителей A, B, C – соответственно линейные провода A-А, B-В, C-С от генератора (рис.1, а).

Рис.1

Для соединения звезда характерно, что токи в линейных проводах I_Л являются одновременно и фазными токами I_Ф подключенных к этим проводам потребителей:

(1)

При установлении соотношения по 1-му закону Кирхгофа между фазными токами потребителей I_А, I_В, I_С током в нейтральном проводе I_N принято, что фазные токи всегда условно направлены к нейтральной точке соединения N, а ток в нейтральном проводе - от этой точки (рис.1, б):

. (2)

Напряжение между началом я концом каждого потребителя, или между линейным и нейтральным проводом называется фазным напряжением (U_Ф) и обозначается соответственно: U_A, U_B, U_C. Напряжение между началами двух потребителей или между двумя линейными проводами называется линейным напряжением (U_Л) и обозначается соответственно U_AB, U_BC, U_CA.

В общем случае фазные и линейные напряжения связаны между собой согласно 2-му закону Кирхгофа:

; ; . (3)

Каждый из однофазных потребителей в трехфазной цепи характеризуется величинами полного сопротивления Z_A, Z_B, Z_C и коэффициентами мощности cos φ_A, cos φ_В, cos φ_С. При численном равенстве полных сопротивлений фазных нагрузок и равенстве их коэффициентов мощности имеет место симметричная нагрузка фаз. Нарушение хотя бы одного из отмеченных равенств создает несимметричную нагрузку.

Для потребителя каждой фазы справедливы, в общем случае, следующие зависимости:

, , . (4)

В случае симметричной активной нагрузки фазные токи I_А, I_В, I_С равны друг другу по величине и на векторной диаграмме совпадают по направлению с соответствующими фазными напряжениями U_AB, U_BC, U_CA (рис. 2, а): Тока в нейтральной проводе I_N в этом случае не будет, что может быть подтверждено графическим решением векторного уравнения (2).

Рис. 2. Векторные диаграммы токов и напряжений: при симметричной (а) и несимметричной (б) активной нагрузке фаз

При несимметричной нагрузке фаз нарушается равенство фазных токов I_А, I_В, I_С и появляется ток I_N, в нейтральном проводе (рис. 2 б).

Следует отметить, что при симметричной и несимметричной активной нагрузке фаз (рис. 2 а, б) наличие целого нейтрального провода обеспечивало постоянство фазных и линейных напряжений. Причем между этими напряжениями существует следующая зависимость:

, (5)

которая легко может быть установлена из векторных диаграмм.

При несимметричной активной нагрузке и обрыве нейтрального провода фазные токи изменяются таким образом, чтобы их векторная сумма (2) стала разной нулю. Это приводит к смещению потенциала нейтральной точки и к нарушению равенстве между фазными напряжениями - фаза с большим сопротивлением оказывается под повышенным напряжением, что может привести к аварийной ситуации. Векторную диаграмму в этом случае строят по опытным данным методом засечек (рис. 3 а). Сначала вычерчивают треугольник линейных напряжений U_AB, U_BC, U_CA, которые сохранили свое равенство. Затем из соответствующих вершин треугольника радиусами, равными измеренным фазным напряжениям U_A, U_C, U_C, описывают дуги, пересечение которых определяет положение нейтральной точки.

Рис. 3. Векторные диаграммы токов и напряжений при несимметричной активной нагрузке фаз и обрыве нейтрального (а) и линейного (б) проводов

Обрыв, например, одного "из линейных проводов А-А" или перегорание предохранителя не нем (рис. 1) при целом нейтральном проводе приводит к отключению питания потребителей только фазы А. Режим работы двух других фаз не изменяется. Однако ток в нейтральном проводе I_N несколько увеличится и станет равным векторной сумме только двух фазных токов I_В и I_С (рис. 3 б). Обрыв в рассматриваемом случае еще и нейтрального провода может резко сказаться на работе включенных потребителей, так как произойдет перераспределение напряжений потребителей пропорционально величинам их сопротивлений.

При коротком замыкании в одной из фаз происходит плавление предохранителя в линейном проводе этой фазы (рис.1) и трехфазная цепь автоматически переходит в рассмотренный выше режим работы с обрывом линейного провода и целым нейтральным (рис.3 б).

Исходя из вышесказанного, всегда стремятся поддерживать целостность нейтрального провода, в него никогда не ставят предохранители или выключатели.

Схема лабораторной установки