Лабораторные работы задачи по электротехнике Исследование резонанса напряжений Исследование резонанса токовИсследование однофазного трансформатора Исследование разветвленных цепей синусоидального тока Переходные процессы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

Исследование трёхфазных цепей при  соединении сопротивлений нагрузки в звезду

Цель работы: экспериментальная проверка соотношений между линейными и фазными величинами и уяснение назначения нулевого провода.

Пояснения к работе

В зависимости от номинального напряжения приёмника и от параметров сети в трёхфазных системах сопротивления нагрузки могут включаться либо в «звезду», либо в «треугольник». Это две основные схемы включения элементов в 3х- фазных системах. Если комплексы сопротивлений фаз одинаковы: Zа= Zв =Zс=Zф,, то нагрузка называется симметричной, в противном случае – несимметричной. Для величин на зажимах генератора удобно употреблять в качестве индексов большие буквы А, В, С. Для величин на зажимах нагрузки – малые буквы: ax, ву, cz или а, в, с.

При соединении нагрузки в звезду и симметричном режиме работы цепи (рис. 9.1) линейные и фазные величины связаны между собой соотношениями:

 , или в комплексной форме:

При несимметричной нагрузке линейные напряжения определяются через фазные по II закону Кирхгофа:

 

U ab = U a – U b ; U bc = U b – U c ; U ca = U c – U a .

Линейные и фазные токи при соединении «звезда» это одни и те же токи, только на разных участках своей фазы, т.е. : 

I a = I a , I B = I b , I C = I c .

Если нагрузка несимметрична, то между нейтральными точками нагрузки 0¢ и источника 0 возникает узловое напряжение UO¢ O , которое называют напряжением смещения нейтрали. В этом случае:

 

  UO¢ O =;

 Ua = UA – UO¢ O , Ub = UB – UO¢ O , Uc=UC – UO¢ O .

Здесь YA, YB, YC, YN – проводимости фаз нагрузки и нулевого провода;

UA,B,C – фазные напряжения генератора, Ua,b,c – фазные напряжения нагрузки. 

При несимметричной нагрузке для выравнивания фазных напряжений приёмника применяется нулевой провод (НП). При симметричной нагрузке ток в нулевом проводе  равен нулю, и провод, собственно, не нужен. При несимметричной нагрузке ток в нулевом проводе определяется по I закону Кирхгофа:

IN = IA + IB + IC .

  Типовая векторная диаграмма для цепи при симметричной R,L-нагрузке, соединённой в звезду, представлена на рис. 9.2.

Домашняя подготовка к работе

1. Изучить тему «Трёхфазные цепи синусоидального тока», познакомиться с целью и пояснениями к данной лабораторной работе. Подготовить схему и таблицы, необходимые для проведения экспериментов.

2. Для Вашего варианта схемы трёхфазной цепи (см. табл. 8.1) рассчитать токи и напряжения нагрузки и построить векторные диаграммы для трёх случаев: нагрузка симметричная; обрыв сопротивления нагрузки по любой одной из фаз при отсутствии нулевого провода; короткое замыкание по любой другой фазе нагрузки при отсутствии нулевого провода.

Результаты расчётов внести в табл. 2 для сравнения с результатами измерений.

 Порядок выполнения работы

1. Используя набор съёмных элементов и элементов на стенде, собрать схему Вашего варианта. Пояснения к формированию сопротивлений нагрузки приведены в примечаниях к таблице вариантов. Нанести общепринятые обозначения сопротивлений и напряжений. В качестве трёхфазного источника использовать источник синусоидального напряжения частотой 50 Гц, имеющийся на стенде.

2. Симметричный режим. Измерить токи Iф, IN, линейные Uab, Ubc, Uca и фазные Ua, Ub, Uc напряжения на нагрузке при включенном и при отключенном нулевом проводе. Результаты измерений внести в табл. 2. Убедиться, что отношение Uл.ср к Uф.ср действительно равно .

3. Режим обрыва фазы. Повторить измерения токов и напряжений при обрыве сопротивления нагрузки для случаев включенного и отключенного нулевого провода. 

4. Режим короткого замыкания. При выполнении этого эксперимента необходимо пригласить преподавателя. Измерения выполнить только при отключенном нулевом проводе. 

5. Сравнить измеренные и расчётные значения токов и напряжений по каждому из пунктов исследования. На векторные диаграммы, построенные при подготовке к работе, другим цветом нанести векторы, соответствующие экспериментальным данным.

Таблица 9.1. Варианты заданий к лабораторной работе № 9.

Вариант

Uф, В

Zax

Zby

Zcz

Обрыв фазы

КЗ фазы

1

12.7

03

R1

R4

В

С

2

22

03+j(26+28)

R4+jL4

R1+j29

С

В

3

33

-j(13+19)

-j(13+19)

-jC4

А

А

4

12.7

j(26+28)

j29

+jL4

В

А

5

33

03+06

R4

R3

С

В

6

38.1

03+j(26+28)

R1+j29

R4+jL4

В

С

7

25.4

01+04

R2

R4

А

В

8

23.2

01+03+04

06

R4

С

А

9

27.7

03+06-jC1

R3-jC4

R4-j(13,15,17,19)

В

С

10

38.1

03+06

R3

R4

А

В

Примечания. В таблице указаны номера элементов, из которых ормируются сопротивления фаз нагрузки.

Например, для варианта 6 указано: Zах = 03 + j(26+28), Zвy = R1+j(29), Zсz = R4+jL4. Это значит, что для фазы А необходимо использовать R-элемент 03 – 100 Ом, индуктивные элементы 26+28 = 20+50 мГн, т.е. Х = wL = = 314*0,07 = 22 Ом. Таким образом, получаем:  Zax = 100 +j22 Ом. Такое же сопротивление в фазе В формируется из элементов: R1 = 100 Ом и индуктивного элемента 29 = 70 мГн. В фазе С сопротивление формируется из регулируемого резистора R4 = 100 Ом и из регулируемого индуктивного элемента  L4 = 70 мГн.

В случаях, когда используются ёмкостные элементы 11 – 19,  их между собой необходимо включать параллельно.

Например, в варианте 9 указано: Zcz = R4 – j(13,15,17,19). Это значит, что активное сопротивление, такое же как в фазах А и В, необходимо установить с помощью регулируемого резистора R4. Ёмкостные же элементы 13,15,17,19 необходимо соединить параллельно, прежде чем включить в фазу C.

6. Во всех случаях измерений при включенном нулевом проводе проверить соотношение напряжений Uл /Uф и сделать вывод о роли нулевого провода. Сформулировать заключение по работе.

Таблица 9.2. Результаты исследования 3х-фазной цепи при соединении

нагрузки в звезду.

Режим

работы

Симметричный

Обрыв фазы

КЗ фазы

Без НП

С НП

Без НП

С НП

Без НП

Расчет

Опыт

Опыт

Расчет

Опыт

Опыт

Расчет

Опыт

Линейные

напряже-

ния

UAB, B

UBС, B

UСА, B

Фазные

напряже-

ния

Ua, B

Ub, B

Uc, B

UN, B

Токи

IA, A

IB, A

IC, A

IN, A

Примечания.

В какой фазе производится обрыв или короткое замыкание сопротивления нагрузки – указано в таблице вариантов.

Опыт при коротком замыкании фазы выполняется обязательно в присутствии преподавателя. 

Вопросы для самоконтроля

1. Напишите соотношения между линейными и фазными напряжениями и токами при соединении приемников в «звезду».

2. Почему при симметричной нагрузке в нулевом проводе отсутствует ток?

3. Какое назначение имеет нулевой провод в трехфазных цепях?

4. Что такое смещение нейтрали? Как его рассчитать и как измерить?

5. Почему короткое замыкание в одной из фаз приемника разрешается устраивать только при выключенном нулевом проводе?

6. Расскажите о порядке построения векторных диаграмм трехфазных цепей при соединении приемников в «звезду».


Исследование трёхфазных цепей при соединении сопротивлений нагрузки в звезду