ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
Трехфазные нагрузочные цепи
Цель работы:
-
Экспериментально установить соотношения между линейными и фазными напряжениями и токами в трехфазной цепи переменного тока при включении резистивных приемников по схеме “звезда” и по схеме “треугольник”.
-
По экспериментальным данным построить векторные диаграммы токов и напряжений симметричных и несимметричных резистивных приемников.
-
Экспериментально по методу двух ваттметров определить мощность трехфазного резистивного приемника (по указанию преподавателя).
1. Теоретическое введение
Совокупность электрических цепей, в которых одним источником энергии создаются три синусоидальные электродвижущие силы одинаковой частоты и амплитуды, векторы которых сдвинуты относительно друг друга на угол 120 0 , называется трехфазной системой.
|
Каждая из цепей, входящих в трехфазную систему, называется фазой. Фазы обозначаются первыми буквами латинского алфавита A, B, C. Начала фаз приемников обозначают буквами a, b, c, а концы - x, y, z. Фазы приемника могут соединяться звездой или треугольником.
Звезда - это такое соединение, при котором концы фаз - x, y, z - соединяются в один узел, который называется нейтральной или нулевой точкой. Начала фаз - a, b, c - соединяются с фазами источника - A, B, C.
|
Провода, соединяющие приемник с источником, называются линейными; в них протекают линейные токи - IA, IB, IC.
Провод, соединяющий нейтральные точки приемника и источника, называется нейтральным или нулевым. Токи, протекающие в фазах приемника, называются фазными.
Рис. 1. Соединение приемника звездой В соответствии с первым законом Кирхгофа для нейтральной точки (рис.1) ток в нейтральном проводе равен геометрической сумме фазных токов Iax, Iby, Icz, то есть
. (1)
Как видно из рис.1, при соединении звездой линейные токи равны фазным, т.е.
. (2)
Напряжение, действующее между началом и концом фазы приемника, называется фазным (Uax, Uby, Ucz).
Напряжение, действующее между началами двух фаз, называется линейным.
|
В соответствии со вторым законом Кирхгофа для выделенного на рис.1 контура линейное напряжение равно геометрической разности фазных - и . Аналогичная связь может быть получена и для других контуров, т.е.
При подготовке к коллоквиуму запишите второй закон Кирхгофа для выделенного контура и для остальных контуров, чтобы получить соотношение (3).
При симметричной системе фазных напряжений аналитическая связь между действующими значениями фазных и линейных напряжений выражается как:
Треугольник - это соединение, при котором конец предыдущей фазы соединяется с началом последующей.
|
Рис. 2. Соединение приемника треугольником Как видно из рис.2, в этом случае фазные напряжения равны линейным, т.е.
. (5)
В соответствии с первым законом Кирхгофа для узлов za, bx, cy линейные токи в этом случае равны векторной разности соответствующих фазных токов, т.е.
При подготовке к коллоквиуму запишите самостоятельно уравнение первого закона Кирхгофа для всех узлов треугольника, чтобы получить соотношения (6).
Для симметричных приемников, у которых полные фазные сопротивления равны и углы сдвига фаз между токами и напряжениями также равны, аналитическая связь между действующими значениями линейных и фазных токов выражается следующим соотношением:
Независимо от схемы соединения фаз приемника, при расчете действующих значений фазных токов можно пользоваться всеми соотношениями, полученными для однофазных цепей.
В случае резистивных приемников векторы фазных токов будут совпадать по фазе со своими фазными напряжениями, в случае индуктивных - отставать, а в случае емкостных - опережать векторы фазных напряжений на некоторый угол, величина которого определяется параметрами данной фазы.
Активная мощность трехфазного приемника равны сумме активных мощностей отдельных фаз, т.е.
Мощность фазы определяется напряжением, током и коэффициентом мощности.
В случае симметричного приемника, у которого все фазы идентичны, его мощность будет равна утроенной мощности одной фазы.
В соответствии с этим, для измерения мощностей симметричных приемников применяется метод одного ваттметра, а для измерения мощности несимметричного приемника - метод трех ваттметров.
При отсутствии нейтрального провода и несимметричном приемнике используется метод двух ваттметров, которые включаются таким образом, чтобы через неподвижные катушки протекали линейные токи, а подвижные - были под линейными напряжениями. В этом случае мощность приемника будет равна сумме показаний ваттметров.
2. Рабочее задание
-
Внимательно прочитайте инструкцию по технике безопасности при работе с трехфазными приемниками.
-
Технические данные электроизмерительных приборов, используемых в работе, занесите в таблицу 1.
Таблица 1
Технические данные электроизмерительных приборов
-
Наименование и марка прибора
|
Система
измерения
|
Класс точности
прибора
|
Диапазон измерения прибора
|
|
|
|
|
-
Соберите цепь, изображенную на рис.3.
-
Диапазон измерения вольтметров для измерения фазных напряжений установите равным 0-150 В.
-
Диапазон измерения амперметра в цепи нейтрального провода установите равным 0-1 А.
-
Предъявите цепь для проверки преподавателю или лаборанту.
-
Автоматическим выключателем АП, расположенном на панели источника питания, подайте напряжение на стенд. При этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа.
-
Магнитным пускателем, кнопки которого расположены на панели блока питания над клеммами А, В, С, О подайте напряжение на панель - схему. При этом на панели блока должна загореться сигнальная лампа.
-
По указанию преподавателя для различных видов нагрузки снимите показания приборов и занесите их в таблицу 2.
Рис. 3. Схема экспериментального приемника, включенного по схеме “звезда с нейтральным проводом”
*
Рис. 4. Схема экспериментального приемника, включенного по схеме “треугольник”
Рис. 5. Схема измерения мощности по методу двух ваттметров
Таблица 2
Значения токов, напряжений и мощностей резистивного приемника,
включенного по схеме звезда с нейтральным проводом
Измерено
|
Вычислено
|
UBC
|
Uax
|
Uby
|
Ucz
|
Iax
|
Iby
|
Icz
|
IN
|
Pa
|
Pb
|
Pc
|
P
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-
Автоматическим выключателем АП снимите напряжение со стенда.
-
В экспериментальной схеме (рис.3) отключите нейтральный провод.
-
Диапазон измерения фазных вольтметров установите 0-300 В.
-
Выполните пункты 6-8.
-
По указанию преподавателя для нескольких нагрузок снимите показания приборов и занесите их в таблицу 3.
-
Автоматическим выключателем АП снимите напряжение со стенда.
-
Соберите цепь, изображенную на рис.4.
-
По указанию преподавателя для нескольких нагрузок снимите показания приборов и занесите их в таблицу 4.
Таблица 3
Значения токов, напряжений и мощностей резистивного приемника,
включенного по схеме звезда без нейтрального провода
Измерено
|
Вычислено
|
UBC
|
Uax
|
Uby
|
Ucz
|
Iax
|
Iby
|
Icz
|
Pa
|
Pb
|
Pc
|
P
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 4
Значения токов, напряжений и мощностей резистивного приемника,
включенного по схеме треугольник
Измерено
|
Вычислено
|
IA
|
Iax
|
Iby
|
Icz
|
UBC
|
Uax
|
Uby
|
Ucz
|
Pa
|
Pb
|
Pc
|
P
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-
Автоматическим выключателем АП снимите напряжение со стенда.
-
По указанию преподавателя соберите цепь, изображенную на рис.5. Клеммы, отмеченные знаками I*, U*, 2.5, U находятся на ваттметре.
-
Диапазон измерения ваттметра установите 0-750 Вт.
-
Выполните пункты 6-8.
-
По указанию преподавателя для нескольких нагрузок снимите показания приборов и занесите их в таблицу 5.
Таблица 5
Значения мощностей резистивного приемника,
включенного по схеме звезда без нейтрального провода
Измерено
|
Вычислено
|
Р1
|
Р2
|
Р
|
|
|
|
3. Рекомендации по обработке экспериментальных данных
По указанию преподавателя постройте векторные диаграммы токов и напряжений. Построение диаграмм начинается с выбора масштаба, отдельно по току и отдельно по напряжению, указывая, сколько в сантиметре вольт или ампер.
Построение диаграмм для приемника, соединенного звездой с нейтральным проводом, начинайте с векторов фазных напряжений Uax, Uby, Ucz, располагая их под углом 120 друг к другу. Векторы линейных напряжений UАВ, UВС, UСА находятся в соответствии с уравнениями (3). Разность двух векторов равна вектору, направленному из конца второго вектора в конец первого. Правильно построенные векторы линейных напряжений образуют равносторонний треугольник линейных напряжений. Векторы фазных токов Iax, Iby, Icz строятся совпадающими по фазе с соответствующими векторами фазных напряжений (нагрузка в каждой фазе активная, т.е. угол сдвига фаз между фазными напряжением и током равен нулю; cos = 1).
Вектор тока в нейтральном проводе находится путем сложения векторов фазных токов по правилу параллелограмма.
Сделайте вывод о соответствии или несоответствии значений линейных напряжений и тока в нейтральном проводе, полученными из векторной диаграммы и измеренными в эксперименте. Сделайте вывод о влиянии нагрузки (симметричная или несимметричная) на соотношение линейных и фазных напряжений.
Построение векторных диаграмм для приемника, включенного по схеме “звезда” без нейтрального провода, начинайте с построения треугольника линейных напряжений UАВ, UВС, UСА. Для нахождения центра звезды несимметричных фазных напряжений из вершины А треугольника линейных напряжений проведите дугу радиусом Uax. Из вершины В проведите дугу радиусом Uby, из вершины С - дугу радиусом Ucz. Точка пересечения есть центр звезды напряжений. Соединяя центр звезды с вершинами треугольника, получите векторы фазных напряжений Uax, Uby, Ucz. Векторы фазных токов Iax, Iby, Icz строятся как описано выше. В соответствии с I законом Кирхгофа сумма векторов фазных токов будет равна нулю. Убедитесь в этом.
Сделайте вывод о соответствии или несоответствии напряжений, полученных из векторных диаграмм, измеренным значениям. Сделайте вывод о влиянии величины нагрузки (тока) на величину фазных напряжений. Сделайте вывод о влиянии нагрузки (симметричная или несимметричная) на соотношение линейных и фазных напряжений.
Построение векторных диаграмм для приемника, включенного по схеме “треугольник”, начинайте с построения звезды фазных напряжений Uax, Uby, Ucz, она же является и звездой линейных напряжений UАВ, UВС, UСА, т.к. для треугольника фазные и линейные напряжения равны. Векторы фазных токов Iax, Iby, Icz откладываются совпадающими по фазе с векторами соответствующих фазных напряжений. Векторы линейных токов IА, IВ, IС находятся в соответствии с уравнениями (6).
Сделайте вывод о соответствии или несоответствии величин линейных токов, полученных из векторной диаграммы, их измеренным значениям.
Сделайте вывод о влиянии нагрузки (симметричная или несимметричная) на величину фазных напряжений.
Сделайте вывод о применимости изученных схем для питания симметричных и несимметричных приемников.
4. Содержание отчета
-
Наименование и цель работа.
-
Технические данные электроизмерительных приборов.
-
Схема экспериментальной установки.
-
Таблицы экспериментальных данных.
-
Графики полученных зависимостей.
-
Выводы.
5. Техника безопасности при работе с трехфазными приемниками
-
К лабораторному стенду подведено напряжение 220 В - опасно для жизни.
-
Перед сборкой экспериментальных схем убедитесь, что напряжение на стенде отсутствует (сигнальные лампы не горят, красная кнопка автомата АП утоплена).
-
Не используйте провода с поврежденной изоляцией.
-
Надежно закрепляйте наконечники проводов клеммами, особенно в тех случаях, когда под клеммами находятся несколько наконечников.
-
Категорически запрещается включение схемы без проверки преподавателем или лаборантом.
-
Все изменения в схеме производите только при снятом напряжении. Повторное включение схемы производить только после проверки преподавателем или лаборантом.
-
Во время не касайтесь клемм стенда и клемм измерительных приборов.
-
В случае возникновения аварийных ситуаций (выпадения наконечников проводников из-под клемм, зашкаливание стрелок измерительных приборов, появление дыма или запаха горелой изоляции) немедленно отключите стенд нажатием на красную кнопку автомата АП в правой части стенда.
6. Контрольные вопросы
-
Какие цепи называются трехфазными?
-
Какое соединение приемников называется звездой?
-
Какое соединение приемников называется треугольником?
-
Какое напряжение называется фазным?
-
Какое напряжение называется линейным?
-
Как связаны линейные и фазные напряжения при включении приемника по схеме “звезда” с нейтральным проводом?
-
Как связаны линейные и фазные токи при включении приемника по схеме “звезда” с нейтральным проводом?
-
Как связаны линейные и фазные напряжения при включении приемника по схеме “треугольник”?
-
Как связаны линейные и фазные токи при включении приемника по схеме “треугольник”?
-
Каково назначение нейтрального провода?
-
Как изменятся фазные напряжения при изменении нагрузки в одной из фаз, если приемник включен по схеме “звезда” с нейтральным проводом?
-
Как изменятся фазные напряжения при изменении нагрузки в одной из фаз, если приемник включен по схеме “звезда” без нейтральным проводом?
-
Как изменятся фазные напряжения при изменении нагрузки в одной из фаз, если приемник включен по схеме “треугольник”?
-
Как измерить активную мощность симметричного приемника?
-
Как измерить активную мощность несимметричного приемника?
-
Зависит ли мощность трехфазного приемника от схемы его включения?
|