Краткие теоретические сведения

Лабораторная работа №5

Тема: Исследование трёхфазной цепи при соединении приёмников звездой

Цель работы:

1. Изучить свойства трехфазной цепи при соединении приемников звездой.

2. Уяснить роль нейтрального провода, приобрести навыки в построении векторных диаграмм по результатам эксперимента.

 

Краткие теоретические сведения

Трехфазная электрическая цепь состоит из источника электрической энергии, линии передачи и потребителя.

В качестве источника используются синхронные генераторы. В трех обмотках статора генератора индуктируются три э.д.с., которые имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол 2π/3.

Звездой называется такое соединение фаз генератора или трехфазной нагрузки, при котором концы фаз (х, у, z) объединяются в одну общую точку, именуемую нейтральной точкой (n) (рис.5.1).

Провод, соединяющий нейтральные точки генератора и приемника, называется нейтральным проводом, провода, соединяющие источник электрической энергии и потребитель, называются линейными.

Электрическая цепь с нейтральным проводом называется четырехпроводной, без нейтрального провода - трехпроводной.

 

Рис. 5.1. Схема четырёх проводной трёхфазной цепи

 

В трехфазной цепи различают линейные и фазные напряжения.

 

 

Линейные (U_AB, U_BC, U_СА) – это напряжения между началом фаз источника или потребителя. Фазные (U_А, U_В, U_С) - это напряжения между началом и концом каждой фазы источника или потребителя.

При симметричной нагрузке (Z_A = Z_B = Z_С) или несимметричной (Z_A ≠ Z_В ≠ Z_С), но четырехпроводной линейные и фазные напряжения связаны зависимостью

. (5.1)

 

При соединении звездой токи линейных проводов (линейные токи) I_Л всегда равны фазным токам I_Ф:

. (5.2)

 

В случае симметричной нагрузки фазные токи будут одинаковы по величине и сдвинуты относительно напряжений своих фаз на одинаковый угол. При этом ток в нейтральном проводе отсутствует, т.к. по первому закону Кирхгофа в комплексной форме

. (5.3)

 

Из формулы (5.3) вытекает, что при симметричной нагрузке необходимость в нейтральном проводе отпадает.

При несимметричной нагрузке отсутствие нейтрального провода вызывает изменение фазных напряжений: на одних приемниках U_ф может оказаться значительно больше, а на других - меньше фазного напряжения сети, т.е. того напряжения, на которое рассчитаны приемники.

Восстанавливает равенство фазных напряжений при несимметричной нагрузке нейтральный провод, ток которого в этом случае отличен от нуля

. (5.4)

 

Векторная диаграмма напряжений и токов для случая соединения приемников звездой строится следующим образом.

За основу принимается равносторонний треугольник линейных напряжений генератора (рис. 5.2 ΔАВС). Затем строится диаграмма фазных напряжений приемника, для чего определяется положение нейтральной точки n приемника, которая затем соединяется с вершинами АВС.

Если приемник симметричный или цепь четырехпроводная, то нейтральные точки генератора и приемника (N, n) совпадают и находятся в геометрическом центре треугольника линейных напряжений (рис. 5.2, а).

При несимметричной нагрузке и трехпроводной цепи точку n определяют методом засечек. Для этого из вершин А, В, С треугольника линейных напряжений проводят циркулем три дуги радиусами, равными (в масштабе напряжений) соответствующим фазным напряжениям приемника. Точка пересечения дуг определяет положение точки n (рис. 5.2, б).

а) б)

Рис. 5.2. Векторные диаграммы для трёхфазной цепи при соединении приёмников звездой для случаев: а) симметричной активно-индуктивной нагрузки; б) несимметричной активно-индуктивной нагрузки при отсутствии нейтрального провода

 

Построение векторов фазных токов производят, учитывая угол сдвига между током и соответствующим фазным напряжением, который определяется характером нагрузки в каждой фазе.

На рис. 5.2 а, б приведены векторные диаграммы для случая, когда в каждой фазе последовательно включены R, L.

 

Программа работы

1. Собрать схему (рис. 5.3).

 

 

 

Рис. 5.3. Схема электрическая принципиальная симметричной нагрузки при соединении приёмников звездой

Рис. 5.4. Схема электрическая принципиальная для нагрузки при соединении приёмников звездой

 

2. Снять параметры при симметричной нагрузке с нулевым проводом (опыт 1) и без него (опыт 2). Измеренные величины записать в таблицу 5.1.

 

Таблица 5.1

 

Схема соединения	Измерено	Вычислено
UA, В	UВ, В	UС, В	IA, A	IB, A	IC, A	IN, A	UЛ, В	UNn, В	rA, Ом	rВ, Ом	rС, Ом	P, Вт	S, ВА	Cosφ
				0,23	0,23	0,23			-	565,217	565,217	565,217	89,699	89,7	0,977
				0,23	0,23	0,23	-			565,217	565,217	565,217	89,699	89,7	0,977
				0,19	0,13	0,18	0,18		-	684,210		722,222	64,998		0,999
	5,5			0,15	0,162	0,22	-		57,5	36,666	1061,728	736,636	65,646	65,649	0,999
				0,25		0,15	0,186	Uac=212 Ubc=120 Uba=120	-			866,666	51,999		0,999
				0,168		0,17	-	Uac=212 Ubc=104 Uba=104		678,787		811,764	41,938	41,94	0,999

 

3. По указанию преподавателя установить несимметричную нагрузку (рис. 5.4). Снять показания для трёхпроводной и четырёхпроводной цепи.

4. Оборвать фазу и снять параметры с нулевым проводом и без него.

5. Обработка результатов измерений.

6. Вычислить отношения линейных и фазных напряжений, сопротивления фаз, активную мощность цепи.

7. Рекомендуемые формулы:

, .

8. Для всех строк таблицы 5.1 построить в масштабе векторные диаграммы напряжений и токов.

 

Контрольные вопросы

1. Как выполняется соединение приемников звездой?

2. Каково соотношение линейных и фазных напряжений в четырёх провод­ной и трёх проводной цепи при симметричной и несимметричной нагрузке?

3. Для каких случаев справедливо соотношение ?

4. Какова роль нейтрального провода?

5. Как графически определяется ток нейтрального провода?

6. Как графически определяется напряжение смещения U_{N n}?

7. Какая нагрузка в трехфазной цепи называется симметричной?

8. Каково соотношение линейных и фазных токов при соединении приемников звездой?

9. Как измерить линейные и фазные напряжения?

10. Выводы по работе.

 

Ответы на контрольные вопросы.

1. Звездой называется такое соединение фаз генератора или трехфазной нагрузки, при котором концы фаз объединяются в одну общую точку, именуемую нейтральной точкой (n) (рис. 5.1.).

2. U_AB = U_A - U_B

U_BC = U_B - U_C

U_CA = U_C - U_A

3. Соотношение справедливо для приемников соединенных по схеме «звезда» при симметричной нагрузке.

7. Приемник с одинаковым сопротивлением всей трех фаз называется симметричным.

8. I_ф = I_л – при соединении приемников звездой при симметричной нагрузке.