ТРЕХФАЗНАЯ ЦЕПЬ ПРИ СОЕДИНЕНИИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПО СХЕМЕ «ЗВЕЗДА»

ТРЕХФАЗНАЯ ЦЕПЬ ПРИ СОЕДИНЕНИИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПО СХЕМЕ «ЗВЕЗДА»

Цель работы

Ознакомиться с трехфазными системами, измерением фазных и линейных токов и напряжений. Проверить основные соотношения между токами и напряжениями симметричного и несимметричного трехфазного потребителя. Выяснить роль нейтрального провода в четырехпроводной трехфазной системе. Научиться строить векторные диаграммы напряжений и токов.

Перечень минимодулей

Пояснения к работе

Трехфазная система переменного тока имеет ряд преимуществ по сравнению с однофазным переменным током и поэтому получила широкое применение. Чаще всего электрическая энергия вырабатывается, передается и распределяется между потребителями трехфазными системами. Подавляющее большинство электродвигателей является двигателями трехфазного переменного тока.

Чтобы в трехфазной системе можно было одновременно пользоваться двумя различными напряжениями (например, 380 В - для питания электродвигателей и 220 В - для питания электрических ламп и других однофазных потребителей) применяют четырехпроводную систему электроснабжения. Четырехпроводная линия трехфазной системы имеет четыре провода: три линейных, по которым протекают линейные токи I_A, I_В, Iс и один нулевой (нейтральный) провод, предназначенный для поддержания одинаковых значений фазных напряжений на всех трех фазах потребителя. По нулевому проводу может протекать уравнительный ток I₀, называемый нулевым или нейтральным током. Такая система соединения обмоток трехфазного генератора и приемников (потребителей) называется «звездой» и показана на рис. 1.

При соединении в звезду ток I_А, протекаемый по фазе источника питания, равен току, протекаемому по линейному проводу фазы А. Этот же ток протекает и по фазе А потребителя. Следовательно, при соединении в звезду фазный ток I_Ф равен линейному току Iл.

Iф = Iл-

Напряжение между линейными проводам, называемое линейным напряжением (например, U_AB), оказывается в √3 раз больше, чем фазное напряжение источника питания U_A, U_B или Uc.

U_л=√3 U_Ф

Если трехфазная система симметричная (все сопротивления и мощности фазных потребителей одинаковы), то по всем трем фазам протекают одинаковые по величине токи, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120°. Ток в нейтральном проводе при этом равен нулю. Напряжения на всех фазах потребителя также отличаются друг от друга только по начальной фазе на 120° (рис. 2).

При включении в разных фазах различных по мощности потребителей (несимметричная нагрузка), токи каждой фазы (в каждом линейном проводе) отличаются друг от друга не только начальной фазой, но и величиной. По нейтральному проводу при этом протекает ток, вектор которого на основании первого закона Кирхгофа равен геометрической сумме векторов фазных токов (рис.3)

Обрыв нейтрального провода (трехпроводная система) при несимметричной нагрузке приводит к изменению напряжений на всех фазах потребителей и появлению напряжения смещения нейтралиU_Nn (рис. 4). Положение точки «n» на векторной диаграмме при измеренных значениях напряжений на фазах потребителей U_An,U_Bn и U_Cn может быть определено методом засечек (рис. 5) или рассчитано аналитически.

Порядок выполнения работы

3.1. Ознакомиться с лабораторной установкой (модуль питания, модуль мультиметров, набор минимодулей).

3.2. Включить модуль питания стенда (выключатель QF). Установить на одном из мультиметров режим измерения переменного напряжения. Включить источник постоянного и трехфазного напряжений и измерить линейные и фазные напряжения трехфазного источника на холостом ходу. Результаты измерений занести в табл. 1. Выключить источники трехфазного и постоянного напряжений.

3.3. Собрать симметричную трехфазную электрическую цепь (рис. 1). Замкнуть тумблеры SAI и SA2. Предъявить схему для проверки преподавателю.

3.4. Включить источник постоянного и трехфазного напряжения. Измерить токи, фазные и линейные напряжения при включенном нейтральном проводе (тумблер SA2 замкнут). Результаты занести в табл. 2. Проверить соотношение между линейными и фазными напряжениями потребителей.

3.5. Разомкнуть тумблер SA2. Повторить те же измерения при отключенном нейтральном проводе. Результаты занести в табл. 2. Выключить источник трехфазного и постоянного напряжений.

3.6.Исследовать влияние обрыва линейного провода на режим работы цепи при наличии нейтрального провода. Для этого разомкнуть тумблер SA1 и замкнуть тумблер SA2. Включить источники постоянного и трехфазного напряжений. Измерить токи и напряжения. Результаты занести в табл. 2. Выключить источники постоянного и трехфазного напряжений.

3.7. Исследовать несимметричную трехфазную цепь. Для этого собрать схему по рис. 2. Предъявить схему для проверки преподавателю. Измерить токи, линейные и фазные напряжения в каждой фазе потребителя при наличии нейтрального провода. Результаты записать в табл. 2.

3.8.Разомкнуть цепь нейтрального провода с помощью тумблера SA2 и вновь измерить токи и напряжения. Результаты записать в табл. 2.

3.9. По результатам измерений вычислить

- среднее значение линейных напряжений U_Л источника питания;

- среднее значение фазных напряжений U_Ф источника питания;

- отношение U_Л/U_Ф;

- среднее значение тока при симметричной нагрузке.

3.10. Для всех проведенных опытов методом засечек построить в масштабе векторные диаграммы

3.11. Сравнить влияние нейтрального провода на работу трехфазной системы при симметричной и несимметричной нагрузке.

Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

а) наименование работы и цель работы;

б) технические данные электроизмерительных приборов;

в) схему эксперимента с включенными измерительными приборами;

г) таблицы с результатами эксперимента;

д) векторные диаграммы для всех проведенных опытов;

е) вывод о роли нейтрального провода в трехфазной цепи при соединении потребителя по схеме звезда.

5. Контрольные вопросы

1. Какое соединение называется звездой?

2. Каково соотношение между фазным и линейным напряжениями трехфазного источника питания при соединении его обмоток по схеме звезда?

3. Какое соотношение между фазными и линейными токами при соединении в звезду?

4. Как определить величину тока в нейтральном проводе, если известны токи потребителя?

5. Для чего применяют нейтральный провод?

6. К каким зажимам следует подключить вольтметр, чтобы измерить фазное и линейное напряжение?

7. Какая трехфазная нагрузка называется симметричной?

Почему при несимметричной нагрузке обрыв нейтрального провода является аварийным режимом?