Лабораторная работа № 4

Сборка и исследование работы трехфазной цепи при соединении потребителей энергии звездой.

Цель работы. 1. Выявить особенности трехфазных систем при соединении фаз «звездой». 2. По опытным данным построить векторные диаграммы при симметричной и несимметричной нагрузке фаз.

Общие теоретические положения. Как видно из схемы рис.8.1, при соеди­нении звездой фазные напряжения приемника U_А, U_В, и U_С не равны ли­нейным напряжениям U_АВ, U_ВС и U_CA. Эти напряжения связаны между собой векторными уравнениям U_АВ = U_A=U_В, U_ВC=U_В=U_C, U_CA=U_C=U_А. При симметрии соответственно линейных и фазных напряжений существует зависимость Uл=√3Uф.

Из схемы рис.8.1. видно, что при соединении звездой линейные токи равны соответствующий фазным токам: I_л = I_ф. Фазный ток I_ф зависит от фазного напряжения U_ф на зажимах приемника и его полного сопротивления Zф, что следует из формулы I_ф=Uф/Zф. Ток в нейтральном проводе I_N=I_A+I_B+I_C.

Е сли полные сопротивления Z_A, Z_В, Z_С приемников одинаковые, т. е. Z_A = Z_B = Z_c = Zф, и сдвиги фаз φ_А, φ_B и φ_C между фазными напряжени­ями и соответствующими им фазными токами раины между собой, т. е. φ_А=φ_В=φ_С=φ, нагрузку называют симметричной. При симметричной на­грузке фазные напряжения U_А, U_в, U_с одинаковы, фазные токи равны между собой: I_ф = Uф/Zф, сдвиги фаз между напряжениями и токами U_А и I_А, U_В и I_В, U_c и I_с одинаковы и находятся по формуле φ=arctg (х_ф/R_ф), где х_ф — реактивные сопротивления фазы нагрузки; R_ф — ее актив­ное сопротивление.

Векторная диаграмма при симметричной активно-индуктивной нагрузке приведена на рис.8.2. Ток в нейтральном проводе при симметричной нагрузке I_N=I_A+I_B+I_C=0.Отсюда следует, что при симметричной нагрузке нейтральный провод не нужен.

Активная мощность трехфазного приемника может быть выражена так: Р=3Р_ф=3UфIфcosφ_ф или Р=√3UлIлcosφ_ф.

Е сли Z_A≠Z_B ≠ Z_c или φ_А≠φ_В≠φ_С либо два этих условия выпол­няются вместе, то нагрузка будет несимметричной. При несимметричной на­грузке и наличии нейтрального провода фазные напряжения приемников практически одинаковы: U_А ≈ U_B≈U_C ≈U_ф, а в нейтральном проводе возникает ток I_N≠0, который можно определить графически (рис.8.3.) исходя из векторного уравнения I_N=I_A+I_B+I_C.

Особенностью электрической цени при несимметричной нагрузке является то, что она должна иметь обязательно нейтральный провод. При обрыве нейтрального провода ток I_N=0. В этом случае токи I_A, I_B и I_C должны измениться так, чтобы их векторная сумма оказалась равной нулю: I_A+I_B+I_C=0.

При заданных сопротивлениях нагрузки Z_A, Z_В, Z_С токи могут изменить­ся только за счет изменения фазных напряжении. Следовательно, обрыв нейт­рального провода в общем случае приводит к изменению фазных напряжений рис. 8.4. В результате приемники оказываются под напряжениями, отличаю­щимися от номинального значения фазного напряжении, что недопустимо. Чтобы этого не произошло, необходимо обращать внимание на целостность нейтрального пропала, в цепь которого нельзя ставить выключатели и даже защитные устройства, например пре­дохранители.

Для несимметричной нагрузки активная мощность всех фаз опреде­ляется но формуле Р=Р_А+Р_В+Р_С.

Однофазные приемники можно включать в трехфазную четырехпроводную сеть как на фазное U_ф, так и на линейное Uл напряжение, что позволяет питать от одной сети приемники, рассчитанные на номиналь­ные напряжения отличающиеся друг от друга в √3 раз.

Приборы ч оборудование: ис­точник питания (четырехпроводная трехфазная сеть напряжением 220/127 В), три ламповых (или проволочных) реостата, четыре амперметра электромагнитной частоты, вольтметр электромагнитной системы со щупами, трехполюсный автоматический выключатель, однополюсный выключатель, соединительные провода.

Порядок выполнения работы. 1. Ознакомиться с приборами и оборудова­нием, предназначенными для выполнения лабораторной работы, записать их технические характеристики.

2. По схеме рис. 8.5 собрать последовательную часть цепи каждой фазы, соединить однофазные приемники звездой, присоединить ее нейтральную точ­ку через амперметр А_N и однополюсный выключатель S₁ к зажимам нейтраль­ного провода рабочего щитка. Представить собранную пень для проверки пре­подавателю.

3. Включить однополюсный выключатель S₁ в цепь нейтрального провода и трехполюсный выключатель S. Установить симметричную нагрузку, для чего, изменяя число включенных ламп в каждой фазе, добиться, чтобы показа­ния амперметров А_А, А_В и А_С были одинаковы. С помощью вольтметра из­мерить фазные U_А, U_В и U_С и линейные U_АВ, U_ВС и U_СА, напряжения на за­жимах приемников. Записать показания всех приборов в табл.8.1.

4. Не изменяя числа включенных ламп в фазах, произвести те же измере­ния, записав показания приборов в табл. 8.1 при отключенном нейтральном проводе.

5. Изменением числа включенных ламп (выключатели S и S₁ замкнуты) создать несимметричную нагрузку. Повторить те же измерения и записать в табл.8.1. показания всех приборов. Отключить нейтральный провод и снова произвести те же измерения, записать отсчет по приборам в ту же таблицу. Обратить внимание на то, как влияет наличие нейтрального провода на сте­пень накала ламп при несимметричной нагрузке фаз.

6. При той же несимметричной нагрузке отключить трехполюсный авто­матический выключатель S, отсоединить один из линейных проводов. Замк­нуть цепь с нейтральным проводом и без него, записать показания приборов в табл. 8.1.

7. Проверить отношение между линейными и фазными напряжениями для случаев симметричной нагрузки фаз, сравнить его с теоретическим зна­чением.

8. Рассчитать мощность каждой фазы и полную мощность потребляемую нагрузкой, результаты вычислений занести в табл. 8.1.

9. Построить в масштабе векторные диаграммы напряжений и токов, ис­пользуя данные табл. 8.1, для трех случаев: а) при симметричной нагрузке с нейтральным проводом; б) при несимметричной нагрузке с нейтральный про­водом; в) при той же несимметричной нагрузке без нейтрального провода.

10. Составить отчет по результатам выполненной работы.

Таблица 8.1.

Номер опыта

Состояние схемы

Данные наблюдений

Результаты вычислений

Напряжение, В

Ток, А

Активная мощность, Вт

линейное

фазное

UAB

UBC

UCA

UA

UB

UC

IA

IB

IC

IN

PA

PB

PC

P

1 2 3 4 5

Симметричная нагрузка с нейтральным проводом Симметричная нагрузка без нейтрального провода Несимметричная нагрузка с нейтральным проводом Несимметричная нагрузка без нейтрального провода Несимметричная нагрузка с обрывом линейного провода

Контрольные вопросы. 1.Как соединить фазы токоприемника звездой? 2. Какое напряжение называется фазным и какое — линейным? 3. Какие суще­ствуют зависимости между действующими линейными и фазными напряжения­ми трехфазной четырехпроводной сети? 4. При каких условиях трехфазная си­стема называется симметричной? 5. В каких условиях можно обойтись без ней­трального провода? 6. Каково соотношение между фазными напряжениями для несимметричной нагрузки при наличии нейтрального провода? 7. Как оп­ределить ток в нейтральном проводе? 8. К чему может привести обрыв нейт­рального провода при несимметричной нагрузке?

Лабораторная работа №5

Составление схемы и исследование работы однофазного трансформатора.

Цель работы. 1. Определить коэффициент трансформации и КПД транс­форматора в различных режимах. 2. Построить внешнюю характеристику трансформатора и зависимость его КПД от коэффициента загрузки

Общие теоретические положения. Трансформатор – статический элект­ромагнитный аппарат, действие которого основано на явлении взаимной индук­ции. Он предназначен для преобразования электрической энергии перемен­ного тока с параметрами U₁, I₁ в энергию переменного тока с параметрами U₂, I₂ той же частоты. Конструктивно трансформатор (рис 10.1) состоит из замкнутого ферромагнитного магнитопровода 1, собранного из отдельных лис­тов электротехнической стали, на котором расположены две обмотки 2, 3, вы­полненные из медного или алюминиевого провода. Обмотку, подключенную к источнику питания, принято называй, первичной, а обмотку, к которой под­ключаются приемники, — вторичной.

Переменный магнитный поток, возбужденный в магнитопроводе транс­форматора, наводит в обмотках ЭДС действующие значения которых

Е₁=4,44fω₁Фм Е₂=4,44fω₂Фм, где f — частота переменного тока; ω₁ω₂ — число витков обмоток: Ф_м — ам­плитуда магнитного потока. Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (режим холостого хода), то напряжение на зажимах обмотки рав­но ее ЭДС: U₂=Е₂, а напряжение источника питания почти полностью урав­новешивается ЭДС первичной обмотки: U₁≈E_1. Разделив значение ЭДС пер­вичной цепи на соответствующее значение ЭДС вторичной цепи, получим

E₁/E₂=U₁/U₂=ω₁/ω₂=k где k — коэффициент трансформации трансформатора.

Начало и конец первичной обмотки однофазного трансформатора обозна­чают прописными буквами: начало — А, конец — Х; начало и конец вторич­ной обмотки — строчными буквами: начало — а, конец — х.

В паспорте приводят технические данные трансформатора, необходимые для его нормальной эксплуатации: тип, номинальная мощность S_НОМ, номи­нальное напряжение первичной U_1НОМ и вторичной U_2НОМ обмоток, первич­ный I_1НОМ и вторичный I_2НОМ номинальные токи, напряжение короткого замы­кания и частота f_ном.

Если к вторичной обмотке, полное сопротивление которой Z₂, присоеди­нить приемники, то во вторичной цепи возникнет ток I₂, а на зажимах прием­ников установится напряжение U₂= Е₂-Z₂I₂. Это напряжение зависит от параметров приемников и может быть определено по внешним харак­теристикам трансформатора U₂=f(I₂) (рис.10.2), получаемым экспериментально при U₁=const, f=const cos φ₂=const, где cos φ₂— коэффициент мощности приемников.

Коэффициент загрузки транс­форматора и КПД трансформатора малой мощности определяют по формулам

I₂ P₂ P₂

β=---------η=-----=------------

I_2ном P₁ P₂+P_x+P_k

С учетом коэффициента загрузки β КПД трансформатора средней и большой мощности вычисляют по формуле.

βS_номcosφ₂

η=--------------------------------

βS_номcosφ₂+Pх+Pкβ₂ где βS_номcosφ₂ – активная мощность, отдаваемая трансформатором во вто­ричную цепь с учетом коэффициента загрузки β; Рх и Рк — активные мощности соответственно при холостом ходе и номинальном напряжении и при опы­те короткого замыкании и номинальном токе.

На рис 10.3 изображены графики зависимости КПД от коэффициента за­грузки трансформатора при различных значениях cosφ₂.

Приборы и оборудование: источник питания (сеть переменною тока), однофазный трансформатор, лабораторный автотрансформатор ЛАТР, два вольтметра и два амперметра электромагнитной системы, ваттметр, ламповый реостат, двухполюсный и однополюсный выключатели, соединительные провода.

Порядок выполнения работы. 1. Ознакомиться с трансформатором, прибо­рами и другим оборудованием, предназначенными для выполнения лабо­раторной работы, записать их технические характеристики

2. Собрать электрическую схему согласно рис.10.4 для исследования од­нофазного трансформатора, поставить ручку регулирующего автотрансфор­матора ЛATP в нулевое положение и отключить однополюсный выключатель

3. После проверки преподавателем правильности соединений ЛАТР ус­тановить номинальное напряжение на зажимах первичной обмотки трансфор­матора и записать показания всех приборов в табл. 10.1 при холостом ходе трансформатора; вычислить коэффициент трансформации k.

4. Провести опыт работы трансформатора под нагрузкой. Для этого из­меняй число включенных ламп в нагрузочном реостате R, установить вторичный ток I₂ равным 25, 50. 75, 100 и 125 % его номинального значения при не­изменном напряжении на зажимах первичной обмотки. Рассчитать для всех опытов коэффициент загрузки. Данные наблюдений и расчетов занести в табл. 10.1.

5. Провести опыт короткого замыкания трансформатора. Поставить руч­ку ЛАТР в нулевое положение, включить однополюсный выключатель S_К. Затем с помощью ЛАТР установить номинальный ток первичной обмотки, про­извести отсчеты по всем приборам и записать их в табл. 10.1

6. Определить КПД трансформатора для всех опытов, результаты зане­сти в табл. 10.1.

7. Построить в масштабе характеристики U₂ = f (I₂), η=f (β) при U₁ = const, f =const и cos φ₂ =I.

8. Составить отчет по результатам выполненной работы.

Таблица 10.1.

Номер опыта	Режим работы трансформатора	Данные наблюдений					Результаты вычислений
		U2, В	I1, А	P1, Вт	U2, В	I2, А	P2, Вт	β	η
1 2 . . . 6 7	Холостой ход k Под нагрузкой Короткое замыкание

Контрольные вопросы. 1. Как устроен однофазный трансформатор? 2. От чего зависят ЭДС обмоток трансформатора? 3. Что называют коэффициен­том трансформации? 4. Что называют внешней характеристикой трансформа­тора и как ее получить? 5. Какие потерн энергии имеются в трансформаторе и как их определить опытным путем? 6. Как определить КПД трансформатора?