Лабораторные работы по электротехнике

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

 Цель работы: исследовать различные режимы трехфазной цепи, установить основные соотношения в симметричных трехфазных цепях. По данным эксперимента построить векторные диаграммы напряжений и токов.

5.1. Основные сведения

  Трехфазная симметричная система ЭДС - это совокупность трех синусоидальных ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых по фазе между собой на 120°. Трехфазную систему ЭДС получают от трехфазного генератора. Такие генераторы широко используются в бортовых системах электроснабжения.

 Совокупность трехфазной системы ЭДС, трехфазной нагрузки и соединительных проводов образует трехфазную цепь. Пример трехфазной цепи изображен на рис.5.1.

  Рис. 5.1

 Такое соединение нагрузки называется соединением звездой без нулевого провода. Возможны также соединения нагрузки, представленные на рис. 5.2 и рис.5.3: соединение звездой с нулевым проводом и соединение треугольником.

  Рис. 5.2

 Рис. 5.3

 Если комплексные сопротивления нагрузки в фазах равны между собой: ZA = ZB = ZC или ZAB = ZBC = ZCA, то такая нагрузка называется симметричной, или равномерной.

 Токи, протекающие в фазах нагрузки, называют фазными, а токи в проводах, соединяющих источник и нагрузку (линейных проводах) - линейными. Напряжения между линейными проводами называют линейными, а напряжения на фазах источника или нагрузки - фазными напряжениями соответственно источника или нагрузки.

  Векторная диаграмма симметричной трехфазной системы ЭДС представлена на рис.5.4.

  Рис. 5.4

 Обычно принимают за ноль начальную фазу синусоиды фазного напряжения фазы A. Тогда комплексные напряжения симметричной трехфазной системы запишутся в следующем виде:

   (5.1)

здесь - фазные напряжения; - линейные напряжения.

 Для симметричных трехфазных источников выполняется следующее соотношение между действующими значениями линейных и фазных напряжений:

.

  Для симметричных трехфазных нагрузок выполняются следующие соотношения между действующими значениями линейных и фазных токов:

 для соединения звездой ;

 для соединения треугольником  .

 Если нагрузка симметричная, то фазные и линейные токи также образуют симметричную трехфазную систему. При этом в схеме на рис. 5.1 напряжение , а в схеме на рис. 4.2 .

  Если нагрузка не является симметричной, то в схеме (рис. 5.1) возникает напряжение смещения нейтрали:

, (5.2)

а напряжения на фазах нагрузки не равны фазным напряжениям источника.

 В схеме (рис. 5.2) в этом случае будет протекать ток нейтрали , но напряжения на фазах нагрузки останутся неизменными, то есть равными фазным напряжениям источника. В схеме (рис. 5.3) режим работы каждой фазы нагрузки также не зависит от режима работы остальных фаз.

 Приведем расчетные соотношения для определения токов в трехфазной цепи в общем случае несимметричной нагрузки:

  В схеме рис. 4.1 ;

;  (5.3)

,

 где  определяется выражением (5.2).

 В схеме рис. 5.2  ;

;  (5.4)

;

.

  В схеме рис. 5.3 ;

; (5.5)

.

5.2. Описание лабораторной установки

 В качестве источника электрической энергии в работе используется трехфазный трансформатор; в качестве активной нагрузки - специальные колонки, смонтированные на стенде; измерительные приборы - амперметры, вольтметр.

5.3. Рабочее задание

 Измерить токи, напряжения и мощность в трехфазной цепи в следующих режимах:

1. Соединение нагрузки звездой с нулевым проводом:

  а) симметричная активная нагрузка;

 б) несимметричная нагрузка: переменное активное сопротивление в фазе А.

2. Соединение нагрузки звездой без нулевого провода:

 а) симметричная активная нагрузка;

 б) несимметричная нагрузка: переменное активное сопротивление в фазе А.

3. Соединение нагрузки треугольником:

 а) симметричная активная нагрузка;

 б) несимметричная нагрузка: переменное активное сопротивление в фазе АB;

 в) обрыв линейного провода.

 Для симметричной нагрузки установить основные соотношения между линейными и фазными токами и напряжениями.

 Для всех исследованных режимов построить векторные диаграммы напряжений и токов по результатам измерений.

5.4. Порядок выполнения лабораторной работы

1. Собрать схему, изображенную на рис. 5.5.

 Рис. 5.5

 а) установить в каждой фазе одинаковые активные сопротивления. Измерить вольтметром фазные и линейные напряжения. Снять показания всех амперметров. Результаты измерений занести в табл. 5.1;

 б) в той же схеме изменять сопротивление в фазе А в соответствии с указаниями руководителя работ. Показания приборов занести в табл. 5.1.

 Таблица 5.1

UAB, B

UBC, B

UCA, B

UAO, B

UBO, B

UCO, B

IA, A

IB, A

IC, A

I0, A

Примечание

а)

б)

2. Собрать схему, изображенную на рис. 5.6.

Опыты выполняются так же, как в п.1. При изменении активного сопротивления в фазе А допускается его уменьшение до нуля (короткое замыкание в фазе А). Результаты измерений занести в табл. 5.2.

Рис. 5.6

Таблица 5.2

UAB,B

UBC,B

UCA,B

UAO’,B

UBO’,B

UCO’,B

UOO’,B

IA,A

IB,A

IC,A

Примечание

а)

б)

3. Собрать схему, изображенную на рис. 5.7.

  Рис. 5.7

 а) установить в фазах активную симметричную нагрузку. Снять показания приборов, результаты занести в табл. 5.3;

 б) в той же схеме изменять сопротивление в фазе AB в соответствии с указаниями руководителя работ. Результаты измерений занести в табл. 5.3;

 в) установив предварительно симметричную нагрузку в фазах, отключить затем один из линейных проводов. Провести измерения всех токов и напряжений, результаты занести в табл. 5.3.

 Таблица 5.3

UAB,B

UBC,B

UCA,B

IAB,A

IBC,A

ICA,A

IA,A

IB,A

IC,A

Примечание

а)

б)

в)

 

Построить векторные диаграммы напряжений и токов для всех режимов.

 Указания к построению векторных диаграмм:

 Построение векторных диаграмм напряжений по экспериментальным данным следует начинать с треугольника линейных напряжений. Для этого, выбрав масштаб напряжений, отложить отрезок, соответствующий UBC (см. рис. 5.8).

 

 Рис. 5.8

Затем раствором циркуля из точки B отложить отрезок, соответствующий в выбранном масштабе UAB, а из точки C таким же образом - UCA. В точке пересечения получим точку A. Соединив точки A-B-C и расставив стрелки так, как это сделано на рис. 5.8, получим треугольник линейных напряжений.

 Для построения векторов фазных напряжений также раствором циркуля из точки A отложить отрезок, соответствующий в выбранном масштабе UAO’, а из точки B - UBO’. В пересечении получим точку O’. Соединив O’ с вершинами A, B, C, получим вектора фазных напряжений. При этом длина отрезка CO’ в масштабе напряжений должна соответствовать напряжению UCO’, что может служить проверкой правильности замеров и построенной диаграммы.

 Для построения векторной диаграммы токов необходимо выбрать масштаб токов, а затем откладывать вектора фазных токов на плоскости, ориентируя их относительно соответствующего фазного напряжения с учетом характера нагрузки в данной фазе. Линейные токи для соединения треугольником находят пользуясь первым законом Кирхгофа, беря разности соответствующих векторов фазных токов.

5.5. Содержание отчета

1. Электрические схемы опытов.

2. Результаты измерений, таблицы, расчеты.

3. Векторные диаграммы напряжений и токов.

4. Выводы.

5.6. Контрольные вопросы

1.  Что такое симметричная трехфазная система ЭДС?

2. Что такое симметричная нагрузка трехфазной сети?

3. Какие существуют способы соединения нагрузок в трехфазных цепях?

4. Какова роль нулевого провода в трехфазной системе?

5.  Запишите основные соотношения между линейными и фазными напряжениями и токами для симметричной трехфазной сети в случае соединения звездой и треугольником.

Начертательная геометрия