ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ
ПРИ СОЕДИНЕНИИ ФАЗ ПРИЕМНИКА
ПО СХЕМЕ «ЗВЕЗДА»
Цель работы
Исследование симметричных и несимметричных режимов работы трехфазных цепей при соединении фаз приемника по схеме «звезда» при наличии нейтрального провода (четырехпроводная цепь) и при отсутствии его (трехпроводная цепь).
Изучение соотношений между фазными и линейными токами и напряжениями.
Определение активных мощностей в четырехпроводных и трехпроводных трехфазных цепях.
Построение топографических диаграмм напряжений и векторных диаграмм токов.
Определение напряжения смещения нейтрали в трехфазной цепи.
Исследование различных видов несимметрии трехфазного приемника, в том числе аварийных режимов.
Освоение методов расчета трехфазных цепей.
Рабочее задание
-
Ознакомиться с используемым оборудованием и приборами.
-
Определить параметры пассивных элементов, используемых в качестве нагрузки трехфазной цепи: резисторов, конденсатора и индуктивной катушки.
-
Исследовать следующие режимы работы четырехпроводной трехфазной цепи:
-
симметричная резистивная нагрузка;
-
несимметричная резистивная нагрузка;
-
несимметричная неоднородная нагрузка;
-
обрыв линейного провода при несимметричной неоднородной нагрузке.
-
-
Исследовать следующие режимы работы трехпроводной трехфазной цепи:
-
Симметричная резистивная нагрузка;
-
Несимметричная резистивная нагрузка;
-
короткое замыкание фазы приемника при однородной нагрузке;
-
обрыв линейного провода при однородной нагрузке.
-
Методические указания к пункту 1 рабочего задания описание установки
В лабораторной работе используется симметричный трехфазный источник энергии частотой 50 Гц. В качестве симметричной нагрузки используются три резистора с номинальными сопротивлениями 1 кОм, в качестве несимметричной однородной нагрузки используются три резистора с номинальными сопротивлениями соответственно 1 кОм, 330 Ом и 470 Ом. Для исследования несимметричных режимовпри неоднородной нагрузке применяются резистор с номинальными сопротивлениями 1 кОм, катушка индуктивности, имеющая 900 витков, с собранным ферромагнитным сердечником и конденсатор емкостью 2÷4 мкФ.
Для измерения используются виртуальные приборы измерения (см. раздел 9).
К пункту 2 рабочего задания
Параметры (сопротивления) пассивных элементов, используемых в качестве нагрузки трехфазной цепи: резисторов (R), конденсатора (XC) и индуктивной катушки (RKиXK), определяются опытным путем таким же образом, как это было рассмотрено при выполнении лабораторной работы № 5.
К пункту 3 рабочего задания
СИММЕТРИЧНАЯ РЕЗИСТИВНАЯ НАГРУЗКА
Соберите схему трехфазной четырехпроводной цепи, включив в каждую фазу приемника, соединенного по схеме «звезда», резистор с номинальным сопротивлением 1 кОм (рис. 6.1).
Таблица 6.1.
Четырехпроводная цепь |
Симметричная резистивная нагрузка |
Несимметричная резистивная нагрузка |
Несимметричная неоднородная нагрузка |
Обрыв линейного провода при несимметричной неоднородной нагрузке |
|||||
Измеренные линейные напряжения, В |
UAB |
|
|
|
|
||||
UBC |
|
|
|
|
|||||
UCA |
|
|
|
|
|||||
Измеренные фазные напряжения, В |
UA |
|
|
|
|
||||
UB |
|
|
|
|
|||||
UC |
|
|
|
|
|||||
Измеренные фазные токи и ток нейтрали, мА |
IA |
|
|
|
|
||||
IB |
|
|
|
|
|||||
IC |
|
|
|
|
|||||
IN |
|
|
|
|
|||||
Измеренные мощности, мВт |
РА |
|
|
|
|
||||
PВ |
|
|
|
|
|||||
PС |
|
|
|
|
|||||
P |
|
|
|
|
|||||
Рассчитанные фазные токи и ток нейтрали, мА |
IA |
|
|
|
|
||||
IB |
|
|
|
|
|||||
IC |
|
|
|
|
|||||
IN |
|
|
|
|
|||||
Рассчитанные мощности, мВт |
РА |
|
|
|
|
||||
PВ |
|
|
|
|
|||||
PС |
|
|
|
|
|||||
P |
|
|
|
|
Измерьте напряжения, токи и мощности на нагрузке в схеме с нейтральным проводом. В четырехпроводной цепи ваттметром измеряется поочередно мощность каждой фазы (рис. 6.2), при этом токовая обмотка ваттметра включается последовательно с нагрузкой, а обмотка напряжения – подключается между соответствующим линейным проводом и нейтралью. (Для переключения ваттметра из одной цепи в другую, также как и амперметра, используйте специальный коммутационный мини блок «амперметр» и пару проводников с коаксиальным разъёмом!). Результаты измерений занесите в табл. 6.1. Измерение напряжений на элементах схемы производите поочередным подключением вольтметра к различным участкам цепи.
По данным опыта проверьте соотношение между линейными и фазными напряжениями. Постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов.
Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, рассчитайте фазные (линейные) токи и ток в нейтральном проводе, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.1. Проверьте баланс активных мощностей.
Если пренебречь сопротивлениями проводов по сравнению с сопротивлениями нагрузки, то в четырехпроводной цепи фазные напряжения приемника всегда равны фазным напряжениям источника (рис. 6.3.) и не зависят от сопротивлений фаз приемника.
Фазные токи равны линейным токам и определяются по закону Ома:
; ; .
Ток нейтрального провода определяется по первому закону Кирхгофа:
.
При симметричных напряжениях , , и симметричной резистивной нагрузке фазные токи будут также симметричны (рис. 6.2) и их действующие значения могут быть определены по формуле:
.
Построение топографической диаграммы напряженийделается в следующей последовательности. Вектор одного из фазных напряжений , или строится в масштабе напряжений в произвольном направлении. Так на рис. 6.3 вектор отложен вертикально. При соединении фаз по схеме «звезда» концы фаз имеют одинаковое значение потенциала (точка N) и в случае симметричного источника векторы напряжений , , равны по величине и сдвинуты между собой на 120о. Комплексы линейных напряжений , и в соответствии со вторым законом Кирхгофа определяются как разность соответствующих фазных напряжений.
Векторная диаграмма токов строится в масштабе токов вместе с топографической диаграммой напряжений. При резистивной нагрузке фазные токи , и совпадают по фазе соответственно с фазными напряжениями , и (рис. 6.3). При симметричной нагрузке фазные токи также симметричны и ток в нейтральном проводе .
В случае резистивного приемника реактивная мощность равна нулю, а активная мощность равна полной мощности. В симметричной трехфазной цепи мощности всех фаз равны между собой. При соединении фаз приемника по схеме «звезда» активная мощность может быть рассчитана по формулам:
.
При смешанной (активно-индуктивной или активно-емкостной) нагрузке в симметричной трехфазной цепи:
Активная мощность
,
где φ – сдвиг по фазе между фазными токами и напряжениями приемника.
Реактивная мощность
.
Полная мощность
.
НЕСИММЕТРИЧНАЯ РЕЗИСТИВНАЯ НАГРУЗКА
Соберите схему с несимметричной резистивной нагрузкой, включив в каждую фазу звезды резистор в соответствии с заданным вариантом (номер варианта соответствует номеру бригады см. табл. 6.2). Произведите измерения токов, напряжений и активных мощностей, указанных в табл. 6.1.
Таблица 6.2
Номер бригады |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Четырехпроводная цепь |
|||||||
Несимметричный режим работы трехфазной цепи при однородной нагрузке |
|
|
|
|
|
|
|
R1=1 кОм |
a |
b |
c |
a |
c |
b |
a |
R2=330 Ом |
b |
c |
a |
c |
b |
a |
b |
R3=470 Ом |
c |
a |
b |
b |
a |
c |
c |
Несимметричный режим работы трехфазной цепи при неоднородной нагрузке |
|
|
|
|
|
|
|
Резистор (R) |
a |
b |
c |
a |
c |
b |
a |
Конденсатор (ХС) |
b |
c |
a |
c |
b |
a |
b |
Индуктивная катушка (RК, ХК) |
c |
a |
b |
b |
a |
c |
a |
Обрыв линейного провода |
А |
В |
С |
С |
А |
В |
В |
Трехпроводная цепь |
|||||||
Несимметричный режим работы трехфазной цепи при однородной нагрузке |
|
|
|
|
|
|
|
R1=1 кОм |
a |
b |
c |
a |
c |
b |
a |
R2=330 Ом |
b |
c |
a |
c |
b |
a |
b |
R3=470 Ом |
c |
a |
b |
b |
a |
c |
c |
Аварийные режимы работы трехпроводной цепи при однородной нагрузке (RАВ=RВС=RСА=1 кОм) |
|
|
|
|
|
|
|
Короткое замыкание фазы приемника |
b |
c |
a |
b |
a |
c |
b |
Обрыв линейного провода |
А |
В |
С |
С |
А |
В |
В |
По данным опыта постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов.
Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, рассчитайте фазные (линейные) токи и ток в нейтральном проводе, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.1. Проверьте баланс активных мощностей.
В несимметричной четырехпроводной трехфазной цепи система фазных напряжений остается симметричной (рис. 6.4). При несимметричной резистивной нагрузке фазные токи , и по-прежнему совпадают по фазе соответственно с фазными напряжениями , и (рис. 6.4), но их система становится несимметричной, и по нейтральному проводу будет протекать ток. На рис. 6.4 приведена векторная диаграмма токов для случая.
Активная мощность каждой фазы может быть рассчитана по формулам:
; ;
.
Мощность трехфазной цепи определяется как сумма мощностей всех трех фаз:
.
НЕСИММЕТРИЧНАЯ НЕОДНОРОДНАЯ НАГРУЗКА
Соберите схему, включив в каждую фазу цепи резистор, конденсатор и индуктивную катушку в соответствии с заданным вариантом (номер варианта соответствует номеру бригады см. табл. 6.2). Произведите измерения токов, напряжений и активных мощностей, указанных в табл. 6.1.
По данным опыта постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов.
Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, рассчитайте фазные (линейные) токи и ток в нейтральном проводе, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.1. Проверьте баланс активных мощностей.
Построение топографической диаграммы напряжений делается таким же образом, как и в предыдущих пунктах. При построении векторной диаграммы фазных токов необходимо помнить, что ток и напряжение на резисторе совпадают по фазе, на конденсаторе напряжение отстает от тока на 90о, а на реальной катушке индуктивностей, схема замещения которой содержит последовательное соединение резистора RK и идеальной индуктивности XK,ток отстает от напряжения на угол
.
Качественная векторная диаграмма токов для случая, когда в фазу a включен резистор, в фазу b – индуктивная катушка, а в фазу c – конденсатор, представлена на рис. 6.5.
В случае несимметричной неоднородной нагрузки активная мощность фазы, в которую включен конденсатор, равна нулю, а активная мощность фазы, в которую включена катушка индуктивности, может быть определена по формулам:
.
ОБРЫВ ЛИНЕЙНОГО ПРОВОДА
ПРИ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НЕОДНОРОДНОЙ НАГРУЗКЕ
Отключите одну из фаз в соответствии с заданным вариантом (номер варианта соответствует номеру бригады см. табл.6.2). Произведите измерения токов, напряжений и активных мощностей, указанных в табл. 6.1.
По данным опыта постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов.
Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, рассчитайте фазные (линейные) токи и ток в нейтральном проводе, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.1. Проверьте баланс активных мощностей.
При обрыве провода, например, в фазе А ток этой фазы становится равным нулю, напряжения и токи в фазах В и С не изменяются, а в нейтральном проводе будет протекать ток .