Лабораторная работа 6. Лабораторная работа 6 исследование трехфазной цепи при соединении фаз приемника по схеме звезда Цель работы
 Скачать 0.68 Mb.
|
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ ФАЗ ПРИЕМНИКА ПО СХЕМЕ «ЗВЕЗДА» Цель работы Исследование симметричных и несимметричных режимов работы трехфазных цепей при соединении фаз приемника по схеме «звезда» при наличии нейтрального провода (четырехпроводная цепь) и при отсутствии его (трехпроводная цепь). Изучение соотношений между фазными и линейными токами и напряжениями. Определение активных мощностей в четырехпроводных и трехпроводных трехфазных цепях. Построение топографических диаграмм напряжений и векторных диаграмм токов. Определение напряжения смещения нейтрали в трехфазной цепи. Исследование различных видов несимметрии трехфазного приемника, в том числе аварийных режимов. Освоение методов расчета трехфазных цепей. Рабочее задание
Методические указанияК пункту 1 рабочего заданияОПИСАНИЕ УСТАНОВКИВ лабораторной работе используется симметричный трехфазный источник энергии частотой 50 Гц. В качестве симметричной нагрузки используются три резистора с номинальными сопротивлениями 1 кОм, в качестве несимметричной однородной нагрузки используются три резистора с номинальными сопротивлениями соответственно 1 кОм, 330 Ом и 470 Ом. Для исследования несимметричных режимовпри неоднородной нагрузке применяются резистор с номинальными сопротивлениями 1 кОм, катушка индуктивности, имеющая 900 витков, с собранным ферромагнитным сердечником и конденсатор емкостью 2÷4 мкФ. Для измерения используются виртуальные приборы измерения (см. раздел 9). К пункту 2 рабочего заданияПараметры (сопротивления) пассивных элементов, используемых в качестве нагрузки трехфазной цепи: резисторов (R), конденсатора (XC) и индуктивной катушки (RKиXK), определяются опытным путем таким же образом, как это было рассмотрено при выполнении лабораторной работы № 5. К пункту 3 рабочего заданияСИММЕТРИЧНАЯ РЕЗИСТИВНАЯ НАГРУЗКА Соберите схему трехфазной четырехпроводной цепи, включив в каждую фазу приемника, соединенного по схеме «звезда», резистор с номинальным сопротивлением 1 кОм (рис. 6.1).  Таблица 6.1.
Измерьте напряжения, токи и мощности на нагрузке в схеме с нейтральным проводом. В четырехпроводной цепи ваттметром измеряется поочередно мощность каждой фазы (рис. 6.2), при этом токовая обмотка ваттметра включается последовательно с нагрузкой, а обмотка напряжения – подключается между соответствующим линейным проводом и нейтралью. (Для переключения ваттметра из одной цепи в другую, также как и амперметра, используйте специальный коммутационный мини блок «амперметр» и пару проводников с коаксиальным разъёмом!). Результаты измерений занесите в табл. 6.1. Измерение напряжений на элементах схемы производите поочередным подключением вольтметра к различным участкам цепи. По данным опыта проверьте соотношение между линейными и фазными напряжениями. Постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов.  Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, рассчитайте фазные (линейные) токи и ток в нейтральном проводе, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.1. Проверьте баланс активных мощностей. Если пренебречь сопротивлениями проводов по сравнению с сопротивлениями нагрузки, то в четырехпроводной цепи фазные напряжения приемника всегда равны фазным напряжениям источника (рис. 6.3.) и не зависят от сопротивлений фаз приемника. Фазные токи равны линейным токам и определяются по закону Ома:  ;  ;  .Ток нейтрального провода определяется по первому закону Кирхгофа:  .При симметричных напряжениях  ,  ,  и симметричной резистивной нагрузке  фазные токи будут также симметричны (рис. 6.2) и их действующие значения могут быть определены по формуле: .Построение топографической диаграммы напряженийделается в следующей последовательности. Вектор одного из фазных напряжений , или строится в масштабе напряжений в произвольном направлении. Так на рис. 6.3 вектор отложен вертикально. При соединении фаз по схеме «звезда» концы фаз имеют одинаковое значение потенциала (точка N) и в случае симметричного источника векторы напряжений , , равны по величине и сдвинуты между собой на 120о. Комплексы  линейных напряжений  ,  и  в соответствии со вторым законом Кирхгофа определяются как разность соответствующих фазных напряжений.Векторная диаграмма токов строится в масштабе токов вместе с топографической диаграммой напряжений. При резистивной нагрузке фазные токи  ,  и  совпадают по фазе соответственно с фазными напряжениями , и (рис. 6.3). При симметричной нагрузке фазные токи также симметричны и ток в нейтральном проводе  .В случае резистивного приемника реактивная мощность равна нулю, а активная мощность равна полной мощности. В симметричной трехфазной цепи мощности всех фаз равны между собой. При соединении фаз приемника по схеме «звезда» активная мощность может быть рассчитана по формулам:  .При смешанной (активно-индуктивной или активно-емкостной) нагрузке в симметричной трехфазной цепи: Активная мощность  ,где φ – сдвиг по фазе между фазными токами и напряжениями приемника. Реактивная мощность  .Полная мощность  .НЕСИММЕТРИЧНАЯ РЕЗИСТИВНАЯ НАГРУЗКА Соберите схему с несимметричной резистивной нагрузкой, включив в каждую фазу звезды резистор в соответствии с заданным вариантом (номер варианта соответствует номеру бригады см. табл. 6.2). Произведите измерения токов, напряжений и активных мощностей, указанных в табл. 6.1. Таблица 6.2
По данным опыта постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов.  Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, рассчитайте фазные (линейные) токи и ток в нейтральном проводе, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.1. Проверьте баланс активных мощностей.В несимметричной четырехпроводной трехфазной цепи система фазных напряжений остается симметричной (рис. 6.4). При несимметричной резистивной нагрузке фазные токи , и по-прежнему совпадают по фазе соответственно с фазными напряжениями , и (рис. 6.4), но их система становится несимметричной, и по нейтральному проводу будет протекать ток. На рис. 6.4 приведена векторная диаграмма токов для случая .Активная мощность каждой фазы может быть рассчитана по формулам:  ;  ; .Мощность трехфазной цепи определяется как сумма мощностей всех трех фаз:  .НЕСИММЕТРИЧНАЯ НЕОДНОРОДНАЯ НАГРУЗКА Соберите схему, включив в каждую фазу цепи резистор, конденсатор и индуктивную катушку в соответствии с заданным вариантом (номер варианта соответствует номеру бригады см. табл. 6.2). Произведите измерения токов, напряжений и активных мощностей, указанных в табл. 6.1. По данным опыта постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов. Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, рассчитайте фазные (линейные) токи и ток в нейтральном проводе, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.1. Проверьте баланс активных мощностей. Построение топографической диаграммы напряжений делается таким же образом, как и в предыдущих пунктах. При построении векторной диаграммы фазных токов необходимо помнить, что ток и напряжение на резисторе совпадают по фазе, на конденсаторе напряжение отстает от тока на 90о, а на реальной катушке индуктивностей, схема замещения которой содержит последовательное соединение резистора RK и идеальной индуктивности XK,ток отстает от напряжения на угол  .Качественная векторная диаграмма токов для случая, когда в фазу a включен резистор, в фазу b – индуктивная катушка, а в фазу c – конденсатор, представлена на рис. 6.5.  В случае несимметричной неоднородной нагрузки активная мощность фазы, в которую включен конденсатор, равна нулю, а активная мощность фазы, в которую включена катушка индуктивности, может быть определена по формулам: .ОБРЫВ ЛИНЕЙНОГО ПРОВОДА ПРИ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НЕОДНОРОДНОЙ НАГРУЗКЕ Отключите одну из фаз в соответствии с заданным вариантом (номер варианта соответствует номеру бригады см. табл.6.2). Произведите измерения токов, напряжений и активных мощностей, указанных в табл. 6.1. По данным опыта постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов. Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, рассчитайте фазные (линейные) токи и ток в нейтральном проводе, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.1. Проверьте баланс активных мощностей. При обрыве провода, например, в фазе А ток этой фазы становится равным нулю, напряжения и токи в фазах В и С не изменяются, а в нейтральном проводе будет протекать ток  .К пункту 4 рабочего заданияСИММЕТРИЧНАЯ РЕЗИСТИВНАЯ НАГРУЗКА Соберите схему трехфазной трехпроводной цепи, включив в каждую фазу приемника, соединенного по схеме «звезда», резистор с номинальным сопротивлением 1 кОм (рис. 6.6). Измерьте фазные напряжения источника  ,  ,  и фазные напряжения приемника  ,  ,  , а также линейные токи и активную мощность трехфазной цепи. В трехпроводной цепи для измерения активной мощности используется схема двух ваттметров (рис. 6.7). Подключая токовую цепь ваттметра сначала в фазу С, а цепь напряжения – на напряжение UСB, затем токовую цепь в фазу А, а цепь напряжения – на напряжение UАB, измерьте две активные мощности и вычислите суммарную  активную мощность. (Для переключения ваттметра из одной цепи в другую, также как и амперметра, используйте специальный коммутационный мини блок «амперметр» и пару проводников с коаксиальным разъёмом!). Результаты измерений занесите в табл. 6.3. Измерение напряжений на элементах схемы производите поочередным подключением вольтметра к различным участкам цепи. По данным опыта проверьте соотношение между фазными напряжениями источника и фазными напряжениями приемника. Постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов. Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, рассчитайте напряжение смещения нейтрали, фазные напряжения приемника, фазные (линейные) токи, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.3. Проверьте баланс активных мощностей. Топографическая диаграмма напряжений источника не зависит от схемы соединения фаз приемника и будет иметь такой же вид, как и для четырехпроводной цепи (рис. 6.3÷6.5). Если принять потенциал точки N источника равным нулю, то при отсутствии нейтрального провода потенциал точки n приемника будет равен напряжению смещения нейтрали  . При известных комплексных фазных напряжениях источника , , и параметрах (сопротивлениях или проводимостях) фазТаблица 6.3.
приемника  ,  ,  напряжение смещения нейтрали может быть определено по формуле: .В случае симметричного приемника  напряжение смещения нейтрали .Следовательно, в случае симметричной резистивной нагрузки, когда , потенциалы точек N и n будут равны, и режим работы трехпроводной трехфазной цепи ничем не будет отличаться от режима работы четырехпроводной цепи, рассмотренного ранее.НЕСИММЕТРИЧНАЯ РЕЗИСТИВНАЯ НАГРУЗКА Соберите схему с несимметричной резистивной нагрузкой, включив в каждую фазу звезды резистор в соответствии с заданным вариантом (номер варианта соответствует номеру бригады см. табл. 6.2). Произведите измерения токов, напряжений и активных мощностей, указанных в табл. 6.3. По данным опыта постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов. Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, рассчитайте напряжение смещения нейтрали, фазные напряжения приемника, фазные (линейные) токи, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.3. Проверьте баланс активных мощностей. Построение топографической диаграммы напряжений источника производится также как и в предыдущих пунктах. Так на рис. 6.8 вектор отложен по действительной оси в масштабе напряжений. В случае симметричного источника векторы напряжений , , равны по величине и сдвинуты между собой на 120о. В случае трехпроводной цепи линейные напряжения источника и приемника будут соответственно равны, но фазные напряжения приемника при несимметричной нагрузке уже не будут равны фазным напряжениям источника из-за появления напряжения смещения нейтрали . Для нахождения потенциала точки n на комплексной плоскости по опытным данным из точек A(a), B(b) и C(c) проведите дуги окружности, равные соответственно фазным напряжениям приемника , , . Точка пересечения дуг определяет положение потенциала точки n (рис. 6.8). Векторная диаграмма токов строится в масштабе токов вместе с топографической диаграммой напряжений. При резистивной нагрузке фазные (линейные) токи , и совпадают по фазе соответственно с фазными напряжениями  ,  и  (рис. 6.8).Расчетное значение напряжения смещения нейтрали при несимметричной резистивной нагрузке определится по приведенной ранее формуле: .Фазные напряжения приемника , и в соответствии со вторым законом Кирхгофа могут быть определены по формулам: ;  ;  .Фазные токи , и при известных фазных напряжениях , и определятся по закону Ома: ;  ;  .На рис. 6.8. качественно построена топографическая диаграмма напряжений и векторная диаграмма токов для случая  .КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ ФАЗЫ ПРИЕМНИКА ПРИ ОДНОРОДНОЙ НАГРУЗКЕ Восстановите схему с симметричной резистивной нагрузкой, включив в каждую фазу приемника, соединенного по схеме «звезда», резистор с номинальным сопротивлением 1 кОм (рис. 6.6). Убедитесь, что напряжения и токи в симметричном режиме совпадают со значениями, приведенными в табл. 6.3. Закоротите одну из фаз в соответствии с заданным вариантом (номер варианта соответствует номеру бригады см. табл. 6.2). Произведите измерения токов, напряжений и активных мощностей, указанных в табл. 6.3. По данным опыта постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов. Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, определите напряжение смещения нейтрали, фазные напряжения приемника, фазные (линейные) токи, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.3. Проверьте баланс активных мощностей. Построение топографической диаграммы напряжений источника производится также как и в предыдущих пунктах. При коротком замыкании одной из фаз приемника, например, фазы В, сопротивление этой фазы становится равным нулю, а проводимость – бесконечности. Потенциал нейтрали приемника n при этом будет равен потенциалу точки В источника (рис. 6.9), а фазные напряжения и приемника равны линейным напряжениям источника: ;  . Напряжение смещения нейтрали будет равно фазному напряжению источника  . Формально последнее выражение может быть получено из общей формулы определения , если положить  и применить правило Лопиталя.Поскольку при коротком замыкании фазы В приемника действующие значения фазных напряжений и возрастут в  раз, то во столько же возрастут значения и токов этих фаз. Значение тока в фазе В, в которой произошло короткое замыкание может быть определен по первому закону Кирхгофа: .Векторная диаграмма токов для рассмотренного случая приведена на рис. 6.9. Если до аварии нагрузка в трехфазной цепи была симметричной, то после короткого замыкания ток в этой фазе возрастет в 3 раза по сравнению до аварийным режимом. ОБРЫВ ЛИНЕЙНОГО ПРОВОДА ПРИ ОДНОРОДНОЙ НАГРУЗКЕ Восстановите схему с симметричной резистивной нагрузкой (рис. 6.5). Убедитесь, что напряжения и токи в симметричном режиме совпадают со значениями, приведенными в табл. 6.3. Отключите одну из линий в соответствии с заданным вариантом (номер варианта соответствует номеру бригады см. табл. 6.2). Произведите измерения токов, напряжений и активных мощностей, указанных в табл. 6.3. По данным опыта постройте топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов. Считая известными фазные напряжения источника и параметры (сопротивления) фаз приемника, определите напряжение смещения нейтрали, фазные напряжения приемника, фазные (линейные) токи, а также активные мощности приемника. Результаты расчетов занесите в табл. 6.3. Проверьте баланс активных мощностей. При обрыве линейного провода (например, А) фазные сопротивления RB и RC оказываются соединёнными последовательно и включёнными на напряжение UВС. Цепь фактически становится однофазной. При однородной нагрузке потенциал точки n приемника сместится на линию ВС топографической диаграммы напряжений (рис. 6.10). Построение топографической диаграммы напряжений источника производится также как и в предыдущих пунктах. При обрыве линейного провода фазы А для нахождения потенциала точки n на комплексной плоскости по опытным данным из точек B(b) и C(c) проведите дуги окружности, равные соответственно фазным напряжениям приемника и . Точка пересечения этих дуг с линией напряжения определяет положение потенциала точки n (рис. 6.10). Векторная диаграмма токов строится в масштабе токов вместе с топографической диаграммой напряжений. При обрыве фазы А  действующие значения линейных токов фаз В и С равны и при резистивной нагрузке совпадают по фазе с соответствующими фазными напряжениями приемника.Расчетное значение напряжения смещения нейтрали при RB=RC определится по приведенной ранее формуле: .Потенциал точки n на топографической диаграмме напряжений в рассматриваемом случае может быть определен и без использования формулы между узлового напряжения. Так при обрыве фазы А и   ;  ;  .Как следует из топографической диаграммы напряжений при симметричной нагрузке и обрыве одной из фаз напряжение между точками разрыва будет равным 1,5 фазного напряжения источника (  ). |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||