|
Содержание работы или список заданий
|
Лабораторная работа № 2
Исследование трёхфазных цепей переменного синусоидального тока при соединении нагрузки по схеме «Звезда»
Цель: Проверка основных параметров напряжения и тока, измерение мощности трёхфазной системы. Влияние нулевого провода на работу нагрузок.
Изучаемые вопросы:
Зависимости между линейными и фазными токами и напряжениями при различных режимах работы «Звезды»
Назначение нулевого провода при соединении потребителей «Звездой»
Способы измерения мощности трёхфазной системы
Основные понятия (категории):
Режимы работы и векторные диаграммы «Звезды». Аварийные режимы. Защитный ноль, рабочий ноль. Пятипроводная трёхфазная сеть. Способы включения ваттметров при измерении активной мощности. Однофазные и трёхфазные нагрузки.
Краткая теория
Многофазными системами называется совокупность электрических цепей, в которых действует несколько ЭДС с одинаковыми частотами и амплитудами, сдвинутые по фазе относительно друг друга на определённые углы и генерируемые одним источником напряжения. В основном нашли применение трёхфазные системы, в которых угол сдвига между фазами ЭДС равен 1200:
eL1 = Em sin t, eL2 = Em sin (t-1200), eL3 = Em sin (t-2400).
Каждая из цепей многофазной системы называется фазой. В трёхфазных электрических генераторах и нагрузках в качестве основных схем соединения фаз используются схемы «звезда» (рис. 6.1) и «треугольник» (рис. 6.2).
Рис. 6.1 Рис. 6.2
Напряжения между сетевыми проводами L1, L2, L3 называются линейными напряжениями (или началами фаз потребителя А, В, С) и обозначаются UЛ (UL12 , UL23 , UL31).
Напряжения между линейным проводом и нейтральным проводом − рабочим нулём – N называются фазными напряжениями - UФ (UА , UВ , UС).
Ток, проходящий по линейному проводу, называется линейным током - IЛ (IL1 , IL2 , IL3). Ток, проходящий по фазе нагрузки, называется фазным током - IФ (IА , IВ , IC).
Соединение по схеме «Звезда» показано на рис. 6.3.
Рис. 6.3 Рис. 6.4
L1, L2, L3 и А, В, С – начала фаз генератора и потребителя соответственно,
Х, У, Z и X1 , У1 , Z1 – концы фаз генератора и потребителя соответственно.
N – рабочий нулевой провод (нейтральный провод).
При равномерной нагрузке фаз потребителя, т.е. при симметричной системе линейное напряжение больше фазного напряжения в раз, т. е.
UЛ = UФ , (6.1)
А линейный ток равен фазному току
IЛ = IФ. (6.2)
При этом фазные напряжения равны, как показано на рис. 6.4, и нулевая точка N находится в центре равностороннего треугольника.
При неравномерной нагрузке фаз и при отсутствии рабочего нулевого провода – N напряжения в фазах потребителя не будут равны, соотношение (6.1) нарушится, а уравнение (6.2) останется справедливым. Предположим, мы уменьшили сопротивление RА фазы А (рис. 6.3), тогда ток в ней увеличивается, а напряжение на этой фазе падает, на двух других фазах напряжение увеличивается, и векторная диаграмма имеет вид рис. 6.5, где UnN – напряжение смещения нейтрали.
Если уменьшим сопротивление фазы А до нуля, т.е. замкнём её накоротко, то UА станет равным нулю, рабочий ноль N переместится в узел А, а напряжение на двух других фазах будет равно линейному (рис. 6.6).
Рис. 6.5 Рис. 6.6
При этом в узле А создается короткое замыкание с N, и линейный ток IL стремится к бесконечности, что создаёт аварийный режим для генератора, а в двух других узлах В и С возрастает напряжение в раз, что создаёт аварийный режим для потребителя.
При RА = ∞ (обрыв в фазе А или перегорание предохранителя в этой фазе) напряжение на двух других фазах при одинаковой их нагрузке будет равно половине линейного напряжения
UB = UC = .
Напряжение между началом фазы А и N (рис. 6.7):
UA = UL cos 300 = UАn .
Рис. 6.7 Рис. 6.8
Рабочий ноль N переместится в середину вектора ВС, где UnN – напряжение смещения нейтрали. Если сопротивления отдельных фаз будут различными, т.е. RA RB RC , то в этом случае диаграмма напряжений примет вид рис. 6.8.
Вывод.
Уменьшение или увеличение сопротивления отдельных фаз вызывает перераспределение всех фазных напряжений. При отсутствии рабочего нулевого провода N, если в фазы потребителя будут включены неодинаковые нагрузки (лампы накаливания), то их неравномерность вызовет повышенное напряжение в недогруженных фазах и пониженное напряжение в перегруженной фазе.
В случае короткого замыкания в одной из фаз две другие фазы будут находиться под линейным напряжением, и потребители, не рассчитанные на повышенное напряжение, могут выйти из строя. Поэтому соединение «звездой» без рабочего нулевого провода – N при неравномерной нагрузке не применяется. При наличии N нагрузка, включённая в данную фазу, получает питание непосредственно от соответствующей фазы источника генератора. Так как сопротивление фаз источника генератора обычно мало, приближенно можно считать, что при неравномерной нагрузке фаз фазные напряжения будут одинаковыми по величине и будет справедливо соотношение (6.1).
Ток в рабочем нулевом проводе при неравномерной нагрузке фаз определяется как геометрическая сумма фазных токов:
(I_N ) ̇=(I_A ) ̇+(I_B ) ̇+(I_C ) ̇. (6.3)
Приборы и лабораторное оборудование
Амперметры, вольтметры, ваттметр трёхфазный.
Нагрузка: по 7 ламп на фазу.
Источник питания 220 В.
Порядок выполнения работы
Изучить электрическую цепь, изображенную на рис. 6.9.
Штриховые контуры обозначают прибор для измерения мощности – трёхфазный ваттметр PW и группы ламп сопротивлениями R1, R2, R3.
Данные замеров линейных и фазных напряжений UЛ., UФ , токов IЛ., IФ для различных режимов работы приведены в таблице 6.1.
Рис. 6.9
Определить расчётную мощность нагрузки для каждого режима при коэффициенте мощности cos φ = 1 для осветительной сети:
W_РАСЧ=U_A I_L1+U_B I_L2+U_C I_L3.
Записать в таблицу 6.1.
В соответствии с данными измерений построить векторные диаграммы напряжений и токов в выбранном масштабе для выделенных в таблице режимов работы. Определить ток нулевого провода по диаграммам, записать его значение в таблицу.
Сделать анализ работы цепи при соединении потребителей «звездой» с нейтральным проводом и без него, сопоставив данные опытов по каждому режиму. Определить назначение нейтрального провода.
Контрольные вопросы
Дайте определение трёхфазной системы синусоидального тока
Какие способы соединения потребителей электроэнергии в трёхфазной системе? Как выбрать способ соединения фаз потребителей?
Объясните назначение рабочего нуля N и защитного нуля РЕ
Приведите примеры аварийных режимов трёхфазных цепей.
Какие соотношения между фазными и линейными напряжениями и токами при соединении потребителей в «Звезду»? Запишите формулы
Какие способы включения ваттметров при измерении активной мощности четырёхпроводных цепей?
Данные замеров сведены в таблицы:
Таблица 6.1. Данные для группы ЭТбу-2019-32а
Вид соединения Вид нагрузки Линейные напряжения Фазные напряжения IL1
A IL2
A IL3
A IN
A UnN
B W,
Вт
UL12
B UL23
B UL31
B UА
B UВ
B UС
B
«Звезда» с рабочим нулём Симметричная 380 380 380 220 220 220 0,6 0,6 0,6 ? 0 ?
Несимметричная 380 380 380 220 220 220 0,6 1,5 0,9 ? 0 ?
Обрыв фазы 380 380 380 220 220 220 0,6 1,5 0 ? 0 ?
«Звезда» без рабочего нуля Симметричная 380 380 380 220 220 220 0,6 0,6 0,6 − 0 ?
Несимметричная 380 380 380 240 270 95 1,0 0,8 0,6 − 75 ?
Обрыв фазы 380 380 380 285 95 365 0,9 0,9 0 − 130 ?
|