4 Лабораторная работа № 4. Исследование трехфазной системы при соединении нагрузки по схеме "Звезда"
Тема: трехфазные электрические цепи.
Цель работы:
1. Исследовать процессы, происходящие в трехфазной цепи, при соединении нагрузки в «звезду» при разных типах нагрузки.
2. Установить соотношение между линейными и фазными напряжениями при симметричной и несимметричной нагрузках.
3. Выяснить влияние обрыва нулевого и линейного проводов на работу установки.
4. Построить в масштабе векторные диаграммы напряжений и токов при симметричной и несимметричной нагрузках, при обрыве нулевого и линейного проводов.
Краткие теоретические сведения
При соединении по схеме «Звезда» концы фаз обмоток генератора или потребителя соединяются в одну точку, называемую нулевой; оставшиеся три вывода подключаются к трехфазной сети (Рис. 4.1).
Напряжение между началом и концом фазы или между линейным проводом и нулевой точкой называется фазным напряжением UФ. Напряжение между двумя линейными проводами или между концами 2-х фаз называется линейным напряжением UЛ. Ток, проходящий по линейному проводу, называется линейным током IЛ, а ток, проходящий в фазе, называется фазным током IФ. При соединении «Звезда» ток в линейном проводе одновременно является и током соответствующей фазы, т.е. IЛ = IФ.
Если сопротивления фаз нагрузки равны между собой по величине и одинаковы по характеру, то такая нагрузка называется симметричной. При симметричной нагрузке ток в нулевом проводе равен нулю. В этом случае надобность в нулевом проводе отпадает, то есть система может быть трехпроводной. Связи фазных и линейных напряжений определяются векторными уравнениями:
;
;
,
или в комплексном виде:
,
,
В случае симметричной
нагрузки все фазные напряжения будут
равны между собой и меньше линейных
напряжений в 1,73 раз, т.е. Uл/Uф
= 1,73. В случае несимметричной нагрузки
фаз, когда Z1
Z2
Z3
нарушается равенство фазных токов и в
нулевом проводе появится ток, равный
,
или
На рис. 4.2 изображена векторная диаграмма для несимметричной нагрузки и при наличии в схеме нулевого провода.
При несимметричной нагрузке фаз и наличии нулевого провода, все потребители энергии находятся под одинаковым фазным напряжением (потерю напряжения в проводах не учитываем).
При несимметричной нагрузке фаз и при отсутствии нулевого провода (рис. 4.3) напряжения на фазах приемника будут неодинаковы, нормальный режим работы электроустановки нарушается, наиболее нагруженная фаза окажется под пониженным напряжением, а наименее загруженная фаза - под повышенным напряжением относительно номинального напряжения. Такой режим считается аварийным. Поэтому на исправность нулевого провода и недопустимость его обрыва обращается особое внимание.
При обрыве линейного провода (рис. 4.4) потребители этой фазы остаются без энергии, работа двух других фаз не нарушается, если при этом есть нулевой провод. При отсутствии нулевого провода произойдет перераспределение напряжений на нагрузках·пропорционально величинам их сопротивлений. Мощность трехфазной системы можно определить по формуле:
P = U1I1 cosφ1 + U2I2 cosφ2 + U3I3 cosφ3 .
В случае симметричной нагрузки суммарную мощность можно найти, как
P = 3UфIф cosφ, Вт
Методика построения векторных диаграмм
В качестве примера примем следующую нагрузку в фазах (рис.4.2):
- 1-я фаза – нагрузка активная (R);
- 2-я фаза – нагрузка активно-емкостная (R, C);
- 3-я фаза – нагрузка активно-индуктивная (R, L).
1. Определим углы сдвига фаз.
2. Построим векторы фазных напряжений со сдвигом между векторами 120 градусов.
3. Вдоль вектора U1 откладываем в масштабе вектор тока I1; ток и напряжение первой фазы совпадают по фазе, так как φ1=0.
4. Под углом φ2 откладываем вектор тока I2; ток I2 опережает напряжение U2 на угол φ2.
5. Под углом φ3 откладываем вектор тока I3; ток I3 отстает от напряжения U3 на угол φ3.
6. Методом параллелограмма суммируем вектора I1, I2, I3 и получаем значение тока в нулевом проводе.
Описание лабораторной установки
Питание экспериментальной установки (рис. 4.6 осуществляется от четырехпроводной сети трехфазного тока (фазы: А, В, С, N - нулевой провод). В работе измеряются: линейные напряжения U12, U23, U31, фазные напряжения U1,U2,U3, токи I1,I2,I3, мощности P1,P2,P3. Измеряется также ток в нулевом проводе IN. В каждой фазе может быть включена активная R, активно-индуктивная R,L или емкостная C нагрузки, что дает возможность исследовать трехфазную систему, как при симметричной, так и несимметричной нагрузках.
Порядок выполнения работы
1. Изучить электрическую схему.
2. Включить симметричную нагрузку. При этом убеждаемся, что токи I1=I2=I3, а ток в нулевом проводе In равен нулю. Из этого опыта делаем вывод, что при симметричной нагрузке система может быть трехпроводной.
3. Опыт 1. Включить несимметричную нагрузку (каждая бригада выполняет свой вариант, выдаваемый преподавателем). Выполнить измерения для несимметричной нагрузки с нулевым проводом, результаты записать в таблицу 4.1.
Таблица 4.1 - Показания приборов
Параметр |
Размерность |
Опыт 1. Несимметричная нагрузка с нулевым проводом. |
Опыт 2. Несимметричная нагрузка без нулевого провода. |
Опыт3. Несимметричная нагрузка. Обрыв линейного провода. |
Примечание |
U12 |
B |
|
|
|
Линейное напряжение |
U23 |
B |
|
|
|
Линейное напряжение |
U31 |
B |
|
|
|
Линейное напряжение |
U1 |
B |
|
|
|
Фазное напряжение |
U2 |
B |
|
|
|
Фазное напряжение |
U3 |
B |
|
|
|
Фазное напряжение |
Р1 |
Вт |
|
|
|
Фазная мощность |
Р2 |
Вт |
|
|
|
Фазная мощность |
Р3 |
Вт |
|
|
|
Фазная мощность |
I1 |
A |
|
|
|
Фазный ток |
I2 |
A |
|
|
|
Фазный ток |
I3 |
A |
|
|
|
Фазный ток |
IN |
A |
|
|
|
Ток в нулевом проводе |
4. Опыт 2. Не изменяя нагрузку опыта 1, произвести обрыв нулевого провода и данные измерений записать в таблицу. Обратить внимание на изменение фазных напряжений.
5. Опыт 3. Не изменяя нагрузку включить нулевой провод и отключить один из линейных проводов. Записать показания всех приборов. Обратить внимание на то, что в аварийном режиме будет одна из трех фаз.
Задания для студентов
1. По результатам первого опыта проверить соотношение линейных и фазных напряжений (UЛ/UФ = 1,73)
2. Для 1,2 и 3-го опытов рассчитать углы сдвига фаз между фазными напряжениями и соответствующими токами по формуле:
,
где P,U, I - мощность, напряжение и ток соответствующей фазы.
3. Для 1,2 и 3-го опытов построить векторные диаграммы.
4. Проверить соотношение линейных и фазных напряжений для 2-го опыта (несимметричная нагрузка. Обрыв нулевого провода).
5. По векторной диаграмме опыта 2 определить напряжение "смещения" Un.
6. Произвести анализ сделать выводы по результатам работы.
7. Составить отчет.
Содержание отчета
1. Тема.
2. Цель работы.
3. Схема установки.
4. Таблица наблюдений.
5. Расчетные формулы и вычисления.
6. Векторные диаграммы.
7. Анализ и выводы.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение трёхфазной системы синусоидального тока.
2. Поясните преимущества трёхфазной системы синусоидального тока в сравнении с однофазной системой.
3. Укажите способы соединения потребителей электроэнергии в трёхфазной системе.
4. Объясните назначение нейтрального провода и поясните, почему в этот провод не включаются предохранители.
5. Каково соотношение между фазными и линейными напряжениями и токами при соединении потребителей электроэнергии звездой?
6. Укажите способы включения ваттметров для измерения активной мощности в четырёхпроводных и трёхпроводных трёхфазных электрических цепях.
7. Объясните, почему опасно короткое замыкание фазы потребителя электроэнергии в четырёхпроводной системе трёхфазной цепи.
8. Укажите условия симметрии трёхфазного потребителя электроэнергии.
9. Как изменятся напряжение и токи потребителя электроэнергии в четырёхпроводной трёхфазной симметричной системе при отключении нейтрального провода?
10. Как изменится работа потребителей электроэнергии в четырехпровод- ной системе при обрыве одного из линейных проводов?
Литература: [5].