Лабораторные работы по электротехнике

Работа № 5

Исследование симметричных и несимметричных режимов работы трехфазной цепи переменного напряжения при соединении фаз источника и приемника по схеме "звезда".

Цель работы. Приобретение практических навыков соединения фаз приемников по схеме "звезда"; опытное исследование распределения токов, линейных и фазных напряжений при симметричных и несимметричных режимах работы трехфазной цепи; выяснение роли нейтрального провода.

Общие положения

Отдельные фазы трехфазных источников и приемников электрической энергии принято на практике соединять по схеме "звезда" или схеме "треугольник". Для получения соединения "звезда" концы отдельных фаз источника (приемника) электрически соединяют между собой. Образующаяся при таком соединении общая точка называется нейтралью источника (приемника). На электрических схемах нейтраль источника принято обозначать буквой N, а нейтраль приемника буквой n.

Передача электрической энергии от трехфазного источника, обмотки фаз которого соединены по схеме "звезда", к трехфазному приемнику, фазы которого также соединены по схеме "звезда", может осуществляться посредством трехпроводной (рис. 27) или четырехпроводной (рис. 28) воздушной или кабельной линии.

Рис. 27

Рис. 28

В трехфазной трехпроводной системе (рис. 27) начала фаз источника A, B, C соединяются с помощью трех проводов линии электропередачи с начала ми фаз a, b, c трехфазного приемника. Нейтраль источника N и нейтраль приемника n при этом между собой непосредственно не соединены. В трехфазной четырехпроводной системе (рис. 28), наряду с тремя проводами, соединяющими начала фаз источника и приемника, используется четвертый провод, соединяющий нейтраль источника N с нейтралью приемника n, получивший название нейтрального.

Трехфазные источники электрической энергии вырабатывают симметричную систему фазных напряжений, т.е. три одинаковых по величине фазных напряжения, сдвинутых по фазе во времени на одну треть периода. Симметрия фазных напряжений источника обуславливает симметрию его линейных напряжений, т.е. линейные напряжения, действующие между началами фаз источника, равны по величине и сдвинуты по фазе во времени на одну треть периода.

Напряжения на фазах трехфазного приемника, токи и мощности фаз, углы сдвига фаз между фазными напряжениями, фазными токами, между напряжениями и токами одноименных фаз зависят от величины активных, индуктивных и емкостных сопротивлений фаз приемника и от числа проводов линии, соединяющей трехфазный источник и трехфазный приемник.

В случае симметричного трехфазного приемника, для которого справедливы следующие три равенства: , , , в трехфазной цепи, как трехпроводной, так и четырехпроводной, устанавливается симметричный режим работы. В этом режиме напряжения на фазах приемника, токи в фазах, активные, реактивные и полные мощности фаз, углы сдвига фаз между фазными напряжениями, фазными токами, между напряжениями и токами одноименных фаз равны по величине. В нейтральном проводе ток отсутствует, т.е. нейтральный провод не используется и поэтому необходимость в нем в симметричном режиме работы трехфазной системы отпадает. Другими словами, передачу энергии от трехфазного источника симметричному трехфазному приемнику целесообразно осуществлять с помощью трехпроводной линии.

Если трехфазный приемник является несимметричным, т.е. сопротивления фаз отличаются или по величине, или по характеру, или одновременно и по величине и по характеру, то в трехфазной системе, как трехпроводной, так и четырехпроводной, устанавливается несимметричный режим работы. В несимметричном режиме работы как трехфазной трехпроводной системы, так и трехфазной четырехпроводной системы токи в фазах приемника, активные, реактивные и полные мощности фаз, углы сдвига фаз между токами, между токами и напряжениями одноименных фаз в общем случае различны по величине. Напряжения на фазах приемника в трехфазной трехпроводной цепи обрузуют несимметричную систему. Степень несимметрии напряжений фаз приемника определяется параметрами его фаз, т.е. величинами активных, индуктивных и емкостных сопротивлений. Несимметрия напряжений фаз приемника негативно сказывается на его работе и является недопустимой. Применение нейтрального провода, т.е. переход к трехфазной четырехпроводной системе, позволяет устранить несимметрию напряжений фаз приемника и, как следствие, улучшить рабочие характеристики приемника. Поэтому передача энергии от трехфазного источника несимметричному трехфазному приемнику осуществляется посредством четырехпроводной линии электропередачи.

Домашнее задание

1. Изучить теоретический материал по теме лабораторной работы /Л1, с. 127-138; Л2, с. 348-354, 358-367; Л6, с. 148-160; конспект лекций/. Особое внимание при этом уделить построению векторных диаграмм для симметричного и несимметричных режимов работы трехфазной трехпроводной и трехфазной четырехпроводной систем.

2. Ознакомиться с методическими указаниями к данной лабораторной работе, в частности, с электрической схемой, приведенной на рис. 29. Обдумать назначение всех элементов электрической цепи и порядок проведения опытов. Подготовить в рабочей тетради табл. 1 паспортных данных электроизмерительных приборов, табл. 12 с программой исследований и табл. 13 опытных данных.

Рабочее задание

1. Собрать электрическую схему по рис. 29.

Рис. 29

В качестве источника питания используется источник трехфазного переменного напряжения. Действующие значения напряжений фаз , ,  равны 127 В, а действующие значения линейных напряжений , ,  равны 220 В. Функции приемников электрической энергии выполняют лампы накаливания трех ламповых реостатов. На схеме (рис. 29) ламповые реостаты замещены регулируемыми по величине активными сопротивлениями , , , соединенными в "звезду". Напряжения на фазах потребителя измеряются вольтметрами электромагнитной системы с пределом измерения 300 В. Напряжение между нейтралью источника N и нейтралью приемника n измеряется вольтметром электромагнитной системы с пределом измерения 150В. Токи в фазах потребителя и ток в нейтральном проводе измеряются амперметрами электромагнитной системы с пределом измерения 5 А. Однополюсный выключатель К в цепи нейтрального провода позволяет исследовать режимы работы трехфазной трехпроводной системы (выключатель К отключен) и режимы работы трехфазной четырехпроводной системы (выключатель К включен). Сопротивления проводов, соединяющих источник и приемник, в лабораторных условиях могут быть приняты равными нулю. При этом линейные напряжения на зажимах потребителя , ,  по величине становятся равными линейным напряжениям источника и образуют в совокупности симметричную трехфазную систему с действующим значением 220 В.

2. Исследовать работу электрической цепи в режимах, указанных в табл. 12. Показания электроизмерительных приборов, снятые при проведении опытов, занести в табл. 13.

3. Рассчитать, используя полученные данные, сопротивления фаз потребителя по формулам:

, , .

Результаты расчета записать в табл. 13.

Таблица 12

Номер опыта

Режим работы

Положение выключателя К

Число включенных ламп ламповых реостатов

откл.

вкл.

фаза a-x

фаза b-y

фаза c-z

1

Симметричный режим трехфазной трехпроводной системы.

х

6

6

6

2

Симметричный режим трехфазной четырехпроводной системы.

х

6

6

6

3

Несимметричный режим работы трехфазной трехпроводной системы.

х

6

4

3

4

Несимметричный режим работы трехфазной четырехпроводной системы.

х

6

4

3

5

Несимметричный режим работы трехфазной трехпроводной системы, обусловленный обрывом фазы a-x потребителя.

х

-

6

6

6

Несимметричный режим работы трехфазной четырехпроводной системы, обусловленный обрывом фазы a-x потребителя.

х

-

6

6

7

Несимметричный режим работы трехфазной трехпроводной системы, обусловленный коротким замыканием фазы a-x потребителя.

х

-

4

4

8*

Несимметричный режим работы трехфазной трехпроводной системы, обусловленный включением в фазу b-y потребителя батареи конденсаторов.

х

4

Батарея конденсаторов, емкостью 40 мкФ

4

9*

Несимметричный режим работы трехфазной четырехпроводной системы, обусловленный включением в фазу b-y потребителя батареи конденсаторов.

х

4

Батарея конденсаторов, емкостью 40 мкФ

4

Таблица 13

Номер опыта

Напряжения на фазах приемника

Токи в фазах потребителя

Напряжение между нейтралями

Ток в нейтральном проводе

Сопротивления фаз потребителя

В

А

В

А

Ом

4. Построить векторные диаграммы токов и напряжений для всех исследованных режимов работы трехфазной цепи. Построение векторных диаграмм рекомендуется производить с использованием следующих масштабов: по напряжению 20 В/см, по току 1 А/см.

Порядок построения:

находятся длины векторов напряжений и токов посредством деления величин линейных напряжений, фазных напряжений, фазных токов соответственно на масштаб напряжения и масштаб тока;

строится равносторонний треугольник линейных напряжений , ,  источника, который одновременно является треугольником линейных напряжений , ,  приемника;

находится центр тяжести треугольника линейных напряжений, который на векторной диаграмме определяет место нейтрали N источника;

строится трехлучевая "звезда" фазных напряжений , ,  источника посредством соединения центра тяжести треугольника линейных напряжений с его вершинами;

Примечание: указанные выше построения являются общими и выполняются для всех исследованных режимов работы.

определяется местоположение нейтрали n приемника. Для этого из вершин A, B, C треугольника линейных напряжений радиусами, равными соответственно длинам векторов фазных напряжений , ,  приемника, делаются засечки. Точка пересечения засечек определяет местоположение нейтрали n приемника;

строятся векторы фазных напряжений , ,  приемника посредством соединения нейтрали n приемника с вершинами A, B, C треугольника линейных напряжений;

из нейтрали n приемника по направлению векторов фазных напряжений , ,  проводятся векторы токов фаз , ,  приемника;

осуществляется проверка правильности результатов проведенных лабораторных исследований и тщательности построения векторных диаграмм. При отсутствии нейтрального провода, т.е. в трехфазной трехпроводной системе, независимо от режима ее работы, геометрическая сумма токов фаз  должна быть равна нулю, а вектор напряжения , соединяющий нейтраль приемника n и нейтраль источника N, должен получиться такой длины, чтобы при умножении ее на масштаб напряжения получилось значение, равное указанному в табл. 13 для данного режима работы.

При наличии нейтрального провода, т.е. в трехфазной четырехпроводной системе, длина вектора напряжения  равняется нулю и нейтрали приемника и источника совпадают и располагаются в центре тяжести треугольника линейных напряжений, а длина вектора, равного геометрической сумме векторов токов фаз, будучи умноженной на масштаб тока, должна дать величину, равную току , указанному в табл. 13 для данного режима работы.

5. Студенты ряда специальностей (по указанию преподавателя) проводят дополнительные исследования несимметричных режимов работы электрической цепи (см. табл. 12, опыты 8* и 9* ). С этой целью вместо лампового реостата, включенного в фазу b-y приемника, включается, установленная на стенде, батарея конденсаторов емкостью 40мкФ. Программа дополнительных исследований включает проведение в измененной схеме электрической цепи двух опытов. Первый опыт относится к несимметричному режиму работы трехфазной трехпроводной системы (выключатель К отключен), а второй опыт проводится при включенном выключателе К, т.е. исследуется несимметричный режим работы трехфазной четырехпроводной системы. При проведении этих опытов в фазы a-x и c-z приемника рекомендуется включать по 4-е лампы. Данные опытов заносятся в табл. 13.

По полученным данным рассчитываются активные сопротивления  и , емкостное сопротивление  и строятся векторные диаграммы. При расчете емкостного сопротивления  используется выражение:

.

6. В выводах по работе отразить роль нейтрального провода в симметрировании системы фазных напряжений на зажимах трехфазных несимметричных потребителей и проанализировать влияния вида несимметрии в трехфазной трехпроводной системе на величину напряжения, возникающего между нейтралью источника и нейтралью приемника.

Контрольные вопросы

1. Дать определение трехфазной электрической цепи.

2. Из каких элементов состоит реальная электрическая цепь трехфазного переменного напряжения?

3. Как устроен источник электрической энергии трехфазного переменного напряжения?

4. За счет проведения каких мероприятий получают синусоидальную форму кривых ЭДС в фазах трехфазного источника?

5. Каковы способы изображения трехфазной симметричной системы ЭДС, напряжений, токов?

6. Каковы способы соединения фаз трехфазных источников электрической энергии?

7. Какое напряжение называется фазным, какое линейным? Каково соотношение между линейным и фазным напряжениями источника при соединении его фаз в "звезду"?

8. Какой источник электрической энергии трехфазного переменного напряжения называется симметричным?

9. Какой трехфазный приемник электрической энергии называется симметричным, какой несимметричным?

10. Для питания каких приемников электрической энергии используются трехпроводные и четырехпроводные линии?

11. В каком режиме работы трехфазной четырехпроводной системы ток по нейтральному проводу не проходит и почему?

12. В каких режимах работы трехфазной системы возникает необходимость в использовании нейтрального провода?

13. Почему в цепь нейтрального провода не устанавливается предохранитель?

14. Во сколько раз увеличивается напряжение на фазах a-x, c-z симметричного трехфазного приемника, питаемого по трехпроводной линии, если в фазе b-y произойдет короткое замыкание?

15. Построить векторную диаграмму напряжений и токов для симметричного трехфазного приемника, в фазы которого включены только емкостные сопротивления.

16. Построить векторную диаграмму напряжений и токов для симметричного трехфазного приемника, в фазы которого включены индуктивные сопротивления.

17. В фазе c-z симметричного трехфазного приемника, питаемого по трехпроводной линии, произошел обрыв. Как изменятся напряжения на фазах a-x, b-y по сравнению с нормальным режимом их работы?

ценообразование и сметное нормирование;Бизнес новости РБК. Малый бизнес развитие, тематические новости.;Пицца, роллы, суши в Комсомольске с доставкой на дом. Заходите комсомольск.ваши-суши.рф
Лабораторные и контрольные работы по электротехнике