Лабораторная работа № 1 исследование характеристик трехфазной электрической системы при включении приемников электрической энергии «звездой» (файл «Lab 1.»)

1.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучение процессов в трехфазных электротехнических цепях при включении приемников электроэнергии «звездой».

1.2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ. Многофазные электрические цепи представляют собой совокупность нескольких однофазных цепей, в которых формируются электродвижущие силы (ЭДС) одинаковой частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга. Как правило, эти ЭДС вырабатываются одним источником сигнала. Наибольшее распространение в настоящее время получили трехфазные электрические цепи, в которых ЭДС сдвинуты между собой на 120⁰.

Основное преимущество многофазных систем – существенная экономия проводов. Вместо шести проводов, необходимых для передачи электрической энергии в трех однофазных системах, в трехфазной системе требуется всего три. Это преимущество особенно сильно сказывается при строительстве линий электропередачи электрической энергии на большие расстояния. Не менее важным преимуществом многофазных систем является простота формирования вращающего магнитного поля. Это позволяет создавать и широко использовать двигатели переменного тока, не имеющие контактных колец, что обеспечивает их высокую взрывобезопасность. Искры, образующиеся при нарушениях электрического контакта на вращающихся кольцах двигателей постоянного тока, делают их взрывоопасными. Поэтому их нельзя использовать на большинстве предприятий пищевой промышленности. Кроме этого асинхронные электродвигатели переменного тока более дешевые, надежные и простые в эксплуатации по сравнению с двигателями постоянного тока. Кроме трехфазных систем, в бортовых системах питания электронной аппаратуры довольно широко используются десяти- и двенадцатифазные системы.

Трехфазные электрические напряжения создаются синхронными генераторами, статорные обмотки которых расположены в специальных пазах и сдвинуты в пространстве на 120⁰. Ротор генератора выполнен в виде электромагнита, обмотка возбуждения которого через контактные кольца и щетки подсоединена к источнику постоянного тока. При вращении ротора электромагнит последовательно пересекает обмотки статора. В результате в обмотках статора индуцируются ЭДС, сдвинутые между собой по фазе на 120⁰ (е_А, е_В, е_С). В тех случаях, когда порядок возбуждения ЭДС в фазах совпадает с направлением вращения ротора, систему принято называть трёхфазной с прямой последовательностью ЭДС. В том случае, когда чередование ЭДС обратное (е_С, е_В, е_А), система называется трёхфазной с обратной последовательностью ЭДС.

Для того, чтобы избежать протекания выравнивающих токов при несинусоидальной форме напряжения, обмотки статора синхронных генераторов включаются по схеме «звезда». Начала обмоток обозначаются большими буквами А, В, С, а концы малыми буквами x, y, z. Концы обмоток статора синхронного генератора объединяются. Выводы обмоток А, В, С окрашиваются соответственно в желтый, зеленый, красный цвета.

При включении приемников электроэнергии «звездой», концы выводов приемников электроэнергии всех трех фаз соединяются в одну общую точку, а оставшиеся три вывода соединяются с тремя фазами источника напряжения с помощью проводов, по которым протекают токи I_A, I_B, I_C. Напряжения U_AB,_, U_BC, U_CA между линейными проводами называют линейными (U_л). Токи I_A, I_B, I_C, протекающие по линейным проводам, называются линейными токами.

На рис. 1.1 приведена схема трехфазной электрической системы для случая соединения приемников звездой.

Рис. 1.1. Схема трехфазной электрической системы для случая соединения приемников электроэнергии Ζ_A, Ζ_B, Ζ_C «звездой».

На схеме в кружках обозначены амперметры I_A, I_B, I_C, и вольтметры U_AB,_, U_BC, U_CA, измеряющие линейные токи и напряжения, а также вольтметры, измеряющие фазные напряжения U_A, U_B, U_C. Провод Ν, соединяющий точку объединения приемников электроэнергии Ζ_A, Ζ_B,_, Ζ_C с общей точкой соединения обмоток генератора, называют нейтральным. Напряжения U_A, U_B, U_C между линейными проводами (A, B и C соответственно) и нейтральным проводом(N) называют фазными (U_Ф). В рассматриваемой схеме линейные токи совпадают с фазными:I_Л = I_Ф, протекающими через сопротивления Ζ_A, Ζ_B, Ζ_C. При одинаковых сопротивлениях нагрузок

U_Л =  U_Ф.

Вектор тока в нейтральном проводе (I_N) равен сумме векторов линейных токов

I_N = I_A + I_B + I_C,

где I_A, I_B, I_C - векторы линейных токов.

При одинаковых сопротивлениях приемников электроэнергии ток в нейтральном проводе (I_N) равен нулю (см. рис. 1.2).

Рис. 1.2. Векторная диаграмма напряжений и токов при одинаковых чисто активных нагрузках в фазах.

1.3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СТЕНДА. Структурная схема модели стенда, с помощью которого изучаются характеристики трехфазных электрических цепей с включением приемников энергии по схеме «звезда», приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Структурная схема модели стенда для изучения характеристик трёхфазной цепи с включением приемников энергии «звездой».

На схеме при обходе её слева направо и сверху вниз представлены:

‑ источник трехфазного переменного тока (3_рhase);

‑ предохранители (~ ~ ~), рассчитанные на токи 1А;

‑ вольтметры, измеряющие линейные напряжения U_AB, U_BC, U_CA;

‑ вольтметры, измеряющие фазные напряжения U_A, U_B, U_C;

‑ амперметры, измеряющие фазные (линейные) токи I_A, I_B, I_C;

‑ переменные резисторы нагрузки (R_a, R_b, R_c), выполненные в виде реостатов, сопротивления которых увеличиваются при перемещении движка вниз; величина резистора (в процентах от номинального значения изменяется при нажатии соответствующей клавиши j, k, i.

‑ амперметр, измеряющий ток I_N в цепи нейтрального провода;

‑ переключатель ([Space]), замыкающий или разрывающий нейтральный провод цепи.