Лабораторная работа
1. Цель работы:
· выявить особенности трехфазных систем при соединении фаз приемников электроэнергии звездой.
2. Средства обучения:
· курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»;
· методические рекомендации к лабораторной работе;
· дидактический материал для выполнения лабораторных работ в условиях лаборатории ТЭЦОЭ-1-С-К с применением программы LabVIEW;
· оборудование:
· лабораторное оборудование ТЭЦОЭ1-С-К
· ПЭВМ;
· прикладная программа LabVIEW.
3. Теоретическое обоснование
Для электроснабжения и питания различных приёмников электрической энергии на предприятии ПАО «Северсталь» используются трёхфазные сети. Обмотки трёхфазных генераторов, трансформаторов и электродвигателей, а также однофазные приемники электрической энергии при их подключении к трехфазной сети соединяются двумя способами: «звездой» или «треугольником». Эти схемы подключения отличаются друг от друга и несут на себе разные токовые нагрузки. Неправильный выбор схемы соединения потребителей может привести к выходу их из строя во время работы, поэтому изучение особенностей трехфазных систем при соединении фаз приемников электроэнергии звездой и треугольником очень важен для будущих специалистов - электриков.
Необходимо так же учитывать, что одним из опасных производственных факторов при работе с электроустановками является электрический ток. Тяжесть поражения электрическим током зависит от схемы включения человека в сеть. В сетях трехфазного переменного тока включение человека в цепь тока может быть двухфазным, когда человек прикасается одновременно к двум фазам, и однофазным, если прикосновение имеет место к одной фазе.
Соединение однофазных приемников электроэнергии (или фаз трёхфазных приёмников), когда условные концы приемников соединяют в одну общую (нейтральную) точку О', а условные начала присоединяют линейными проводами к фазам А, В и С источника трехфазного напряжения называется соединением «звездой». Схема соединения однофазных приемников «звездой» при присоединении к источнику трёхфазного напряжения приведена на рисунке 1.
В том случае, если нейтральная точка (О') приемников связана с нейтральной точкой источника (О) проводом, который называется нулевым или нейтральным (на рисунке он показан пунктиром), соединения называют «звездой с нейтральным проводом».
Рисунок 1 – Схема соединения однофазных приемников «звездой с нейтральным проводом»
Полные сопротивления фаз приемников (ZФ) на схеме обозначены ZA; ZC; ZB.
При соединении однофазных приемников «звездой» или «звездой с нейтральным проводом» (в последующих пояснениях обе схемы будут обобщенно называться «соединения звездой») фазные напряжения (UA, UB, UC, Uф) не равны линейным напряжениям (Uл, UAB, UBC, UCA). Эти напряжения связаны между собой векторными уравнениями (1), (2), (3) и выражением (4):
__ __ __
UAB=UA-UB, (1)
__ __ __
UBC=UB-UC, (2)
__ __ __
UAC=UA-UС, (3)
UЛ= 
*UФ, (4)
При включении потребителей в трёхфазную сеть различают симметричную нагрузку фаз (когда равны между собой по отдельности активные и реактивные сопротивления фаз) и несимметричную (когда данные условия не выполняются).
При обоих видах нагрузки линейные токи (Iл) равны соответствующим фазным токам (Iф), т.е.:
Iл=Iф, (5)
Фазный ток зависит от фазного напряжения Uф на зажимах приемника и его полного сопротивления Zф, что отражено в формуле:
IФ=Uф/ZФ, (6)
где Zф- фазное полное сопротивление, Ом.
В случае симметричной нагрузки, токи в фазах равны между собой и сдвинуты по фазе на один и тот же угол относительно соответствующих фазных напряжений, т.е. справедливо равенство:
IА=I В =IC=IФ, (7)
где IА, I В, IС – токи в фазах А, В, С, соответственно, А.
При несимметричной нагрузке равенство (7) не выполняется.
Векторная диаграмма напряжений и токов при симметричной активной нагрузке будет иметь вид, приведенный на рисунке 2а):
а) симметричная нагрузка б) несимметричная нагрузка
Рисунок 2 – Векторная диаграмма напряжений и токов
В соответствии с первым законом Кирхгофа (руководствуясь схемой на рисунке 1), для нейтральной точки О' можно записать выражение:
__ __ __ __
IА+IВ+IС=IN, (8)
где IN - ток в нейтральном проводе, А.
Из геометрического построения, приведенного на рисунке 2а), следует, что векторная сумма фазных токов равна нулю, т.е.:
__ __ __ __
IА+IВ+IС=IN=0, (9)
Из равенства (9) следует, что при симметричной нагрузке в нейтральном проводе нет необходимости.
При несимметричной нагрузке в нейтральном проводе возникает ток, который можно определить графически, исходя из уравнения (8).
Векторная диаграмма напряжений и токов при несимметричной активной нагрузке и наличии нейтрального провода, и векторная сумма токов приведена на рисунке 2б).
Исходя из векторной суммы, приведенной на рисунке 2б), можно записать выражение: __ __ __ __
IА+IВ+IС=IN ≠ 0, (10)
Мощности, развиваемые в каждой фазе, определяются по формуле:
PФ= Uф* Iф *cosφ, (11)
где cosφ- угол сдвига фаз между током и напряжением в фазе (в случае активной нагрузки сos φ=1).
Мощность всей трехфазной системы (Р) определяется по формуле:
Р=РА+РВ+РС, (12)
где РА, РВ, РС- мощности в фазах А, В, С соответственно, Вт.
При симметричной нагрузке можно использовать формулу:
Р=3*Рф, (13)
4. Задание
Исследовать трехфазную цепь при соединении приемников электроэнергии звездой при симметричной и несимметричной нагрузке при наличии и отсутствии нейтрального провода.
4. Ход работы
5.1 Получите задание по работе.
5.2 Ознакомьтесь с методическими рекомендациями и ответьте на вопросы для допуска к работе (Таблица 1).
Таблица 1- Контрольные вопросы для допуска к работе
5.
3. Повторите правила техники безопасности при выполнении лабораторных работ. Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.
4. Соберите электрическую схему для исследования трехфазной цепи при соединении приемников электроэнергии звездой, приведенную на рисунке 3. В качестве приёмников энергии в схему включить резисторы. Номинальные параметры резисторов приведены в таблице 2.
Таблица 2- Номинальные параметры резисторов
- включите однополюсный выключатель SA1;
- включите питание цепи;
- измерьте токи в фазах (показание амперметров РА1, РА2, РА3) и ток в нейтральном проводе IN (показание амперметра РА4);
- измерьте линейные (UАВ; UВС; UСА) и фазные (UА; UВ; UС) напряжения вольтметром PV1. Производя переключение вольтметра, каждый раз отключайте питание цепи;
- показания приборов занесите в таблицу 2;
- отключите питание цепи.
Таблица 2 – Результаты измерений и вычислений
IA;A
IB: A
IC; A
IN; A
UA; B
UB; B
UC; B
UAB;B
UBC;B
UCA;B
UN; B
PA; Вт
РВ;Вт
РС; Вт
Р; Вт
нулевой провод
Симметричная
вкл
откл
Несимметричная
вкл
откл
б) без нейтрального провода:
произведите ту же последовательность операций, что и в пункте (а), измените только состояние однополюсного выключателя SA1 на выключенное.
5.
3. Исследуйте цепь при несимметричной нагрузке
а) с нейтральным проводом.
Проделайте ту же последовательность операций, что и в пункте 5.4 а);
б) без нейтрального провода:
Проделайте ту же последовательность операций, что и в пункте 5.4 б).
5.
3. Разберите схему.
4. Приступите к оформлению отчета:
а) по результатам измерений вычислите:
- активные мощности, развиваемые в каждой фазе по формуле (11);
- полную активную мощность цепи по формуле (12). Данные запишите в таблицу 2.
б) постройте векторные диаграммы напряжений и токов при симметричной и несимметричной нагрузке (образец оформления представлен на рисунке 2).
5. Рекомендации по оформлению отчета
Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии с принятыми требованиями в колледже. Отчет должен содержать:
- вид работы (лабораторная работа);
- название темы;
- цель работы;
- средства обучения;
- ход работы. В ходе работы отразить:
- допуск к работе (Таблица 1);
- исследуемую схему (рисунок 3);
- результаты измерений и вычислений (таблицу 2);
- формулы, которые использовались при расчетах (с пояснениями и единицами измерения);
- векторные диаграммы токов и напряжений для симметричной и несимметричной нагрузке, выполненные в масштабе (смотрите рисунки 2 а), б));
- вывод. Вывод должен содержать заключения относительно:
- соотношения между линейными и фазными напряжениями приемников при симметричной и несимметричной нагрузке и соответствия его теоретическому;
- соотношения между фазными и линейными токами;
- укажите в каком случае в нейтральном проводе нет необходимости (ответ обоснуйте)
- изменения фазных напряжений и токов при несимметричной нагрузке;
- о подтверждении или опровержении гипотезы. Суть гипотезы поясните.
- Ответы на контрольные вопросы
Шаблон отчёта приведён в Приложении А.
5. Контрольные вопросы для защиты работы
Задания 1-5 оцениваются по 1 баллу.
1) Укажите количество проводов, которое подходит к трехфазному генератору, если его обмотки соединены «звездой»
А) 3 Б) 4 В) 3 или 4 Г) 6
2) Определите фазное напряжение при симметричной нагрузка соединенной «звездой». если линейное напряжение равно 380 В.
А) 380 В Б) 220 В В) 720 В Г) недостаточно данных.
3) Определить возможную схему соединения ламп накаливания с номинальным напряжением 220 В при включении их в трёхфазную сеть с линейным напряжением 380
А) звездой Б) соединение определить нельзя В) треугольником. Г) звездой с нейтральным проводом
4) определите линейный ток в трёхфазной цепи при соединении потребителей звездой, если фазный ток составил 7 A
А) 4 А Б) 2.3 А В) 12 А Г) 7 А
5) укажите рисунок, на котором обмотки двигателя соединены звездой
а) б)
А) а Б) б В) соединение звездой на рисунках отсутствует