КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ. Многофазные электрические сети представляют собой совокупность нескольких однофазных цепей, в которых формируются э.д.с

Многофазные электрические сети представляют собой совокупность нескольких однофазных цепей, в которых формируются э.д.с. одинаковой частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга. Как правило, эти э.д.с. вырабатываются одним источником сигнала. Наибольшее распространение в настоящее время получили трехфазные электрические цепи, в которых э.д.с. сдвинуты между собой на 120 градусов.

Основное преимущество многофазных систем – существенная экономия проводов. Вместо шести проводов, необходимых для передачи электрической энергии в трех однофазных системах, в трехфазной системе требуется всего три. Это преимущество особенно сильно сказывается при строительстве линий электропередачи электрической энергии на большие расстояния. Не менее важным преимуществом многофазных систем является простота формирования вращающего магнитного поля. Это позволяет создавать и широко использовать двигатели переменного тока, не имеющие контактных колец, что обеспечивает их высокую взрывобезопасность. Искры, образующиеся при нарушениях электрического контакта на вращающихся кольцах двигателей постоянного тока, делают их взрывоопасными. Поэтому их нельзя использовать на большинстве предприятий пищевой промышленности. Кроме этого асинхронные электродвигатели переменного тока более дешевые, надежные и простые в эксплуатации по сравнению с двигателями постоянного тока. Кроме трехфазных систем, в бортовых системах питания электронной аппаратуры довольно широко используются десяти и двенадцати фазные системы.

Трехфазные электрические напряжения создаются синхронными генераторами, статорные обмотки которых расположены в специальных пазах и сдвинуты в пространстве на 120 градусов. Ротор генератора выполнен в виде электромагнита, обмотка возбуждения которого через контактные кольца и щетки подсоединена к источнику постоянного тока. При вращении ротора электромагнит последовательно пересекает обмотки статора. В результате в обмотках статора индуцируются электродвижущие силы (э.д.с.), сдвинутые по фазе на 120 градусов ( е_А, е_В, е_С). При направлении вращения ротора, когда порядок возбуждения Э.Д.С. в фазах совпадает с направлением вращения ротора, систему принято называть симметричной с прямой последовательностью Э.Д.С. В том случае, когда чередование Э.Д.С. будет обратным (е_А,е_В,е_С, система называется трехфазной системой с обратной последовательностью Э.Д.С.

Для того, чтобы избежать протекания выравнивающих токов при несинусоидальной форме напряжения обмотки статора синхронных генераторов включаются по схеме «звезда». Начала обмоток обозначаются большими буквами А, В, С, а концы малыми буквами x,y,z. Концы обмоток статора синхронного генератора объединяются. Выводы обмоток А, В, С окрашиваются соответственно в желтый, зеленый, красный цвета. При включении приемников электроэнергии по схеме «звезда» концы выводов приемников электроэнергии всех трех фаз соединяются в одну общую точку, а оставшиеся три вывода соединяются с тремя фазами источника напряжения с помощью проводов, по которым протекают токи Iа, Iв, Iс. На рис. 1.1. приведена электрическая схема трехфазной электрической системы для случая соединения приемников по схемы «звезда».

Рис.1.1. Схема трехфазной электрической системы для случая соединении приемников электроэнергии Ζа,Ζb,_, Ζс по схеме «звезда».

На схеме в кружках обозначены амперметры Iа, Iв, Iс, и вольтметры Uав,_, Uвс, Uса, измеряющие линейные токи и напряжения, а также вольтметры, измеряющие фазные напряжения Uа, U_В, U_С .Буквами А , В и С обозначены линейные провода от генератора напряжения. Провод Ν, соединяющий точку объединения приемников электроэнергии Ζа,Ζb,_, Ζ_С с общей точкой соединения обмоток генератора, называют нейтральным. Напряжения Uа, U_В, U_С между линейными проводами и нейтральным, называют фазными (U_ф). На­пряжение Uав,_, Uвс, Uсамежду линейными проводами, называют линейными (Uл). Токи Iа, Iв, Iс, протекающие по линейным проводам, называются линейными токами.

В рассматриваемой схеме линейные токи совпадают с фазными I_Л = I_Ф, протекающими через сопротивления Ζ_А, Ζ_В, Ζ_С. При одинаковых сопротивленияхнагрузок в фазах линейные напряжения в корень из трех раз больше фазных напряжений U_Л= U_ф.

Вектор тока в нейтральном проводе (I_N) равен векторной сумме линейных токов

I_N = Iа + Iв + Iс,

гдеIа, Iв, Iс -векторы линейных токов.

При одинаковых сопротивлениях приемников электроэнергии в фазах ток в нейтральном проводе (I_N) равен нулю (см. рис.1.3.)

1.3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СТЕНДА.Структурная схема модели стенда, с помощью которого изучаются характеристики трехфазных электрических цепей с включением приемников энергии по схеме ««звезда», приведена на рис.1.2.

Рис.1.2.Структурная схема модели стенда для изучения характеристик трехфазной цепи, приемники энергии в которой включены по схеме «звезда».

На схеме при обходе ее слева направо и сверху вниз обозначены:

-Источник трехфазного переменного тока (3_рhase).

-Предохранители (~ ~ ~), рассчитанные на токи равные одному амперу(1А).

-Вольтметры, измеряющие линейные напряжения (Vаb, Vbc, Vca).

-Вольтметры. измеряющие фазные напряжения (Vа, Vb, Vc).

-Амперметры, измеряющие фазные ( линейные) токи (Ia, Ib, Ic).

-Переменные резисторы нагрузки (Ra, Rc, Rb), выполненные в виде реостатов (переменных резисторов), сопротивления которых увеличиваются при перемещении движка вниз).

-Амперметр (I_N), измеряющий ток в цепи нейтрального провода.

-Переключатель (Space), замыкающий или разрывающий цепь нейтрального провода.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с моделью стенда и порядком проведения измерений. Подготовить исходные материалы для составления отчета по работе. Для чего на отдельных листках бумаги заполнить титульный лист с фамилией, именем и отчеством студента, выполняющего лабораторную работу, затем написать название дисциплины, название и цель выполнения работы и выписать основные расчетные формулы.

2. Включить компьютер, запустить на выполнение программу «Eleсtronics Workbench» и открыть файл «Lab.1.ewb», размещенный в папке «Электротехника и элетроника», вложенной в папку «Лабораторные работы».

3. Вычертить электрическую схему исследуемой цепи с экрана монитора, обозначив на схеме вольтметры последовательно слева на право и сверху вниз Vаb, Vbc, Vca, Vа, Vb, Vc, амперметры слева направо I_N, Ia, Ib, Ic.

4. Провести измерения всех напряжений и токов и занести их значения в табл.1.1. для следующих случаев:

а) При одинаковых сопротивлениях нагрузок во всех трех фазах при выключенном нулевом проводе.

б) При одинаковых сопротивлениях нагрузок во всех трех фазах при включенном нулевом проводе;

в) Изменить величину сопротивления в одной или двух фазах (случай несимметричной нагрузки фаз) и записать показания всех измерительных приборов при выключенном нулевом проводе;

г) Записать показания всех измерительных приборов для случая несимметричной нагрузки фаз при включенном нулевом проводе.

Таблица 1.1.

Измерено

Вычислено

Величина

Uаb

Ubc

Uca

Uа

Uв

Uс

Iа

Iв

Iс

IN

РА

Рв

Рс

Р

Vаb/Vа

Ед. изм

В

В

В

В

В

В

А

А

А

А

Вт

Вт

Вт

Вт

5.Рассчитать по результатам измерений значения активных мощностей в каждой из фаз. В изучаемой схеме при чисто активных резисторах нагрузок в фазах (соs φ = 0):

Р_А= U_А I_А; Рв=U_В I_В; Рс = U_С I_С.

Суммарная средняя мощность (Р), рассеиваемая на нагрузках трехфазной цепи, равна сумме мощностей, потребляемых в каждой из фаз

Р= Р_А+ Рв + Рс.

На основании данных измерений ( табл.1.1.) каждый студент строит векторную диаграмму для одного из режимов работы схемы.

ПОСТРОЕНИЕ ВЕКТОРНЫХ ДИАГРАММ

Векторные диаграммы строятся на комплексной плоскости, вращающейся против часовой стрелки с угловой частотой ω. Вектора напряжений и токов обозначаются на диаграммах жирными буквами или точками над буквами. Построение векторных диаграмм для трехфазной цепи целесообразно начинать с построения в выбранном масштабе линейных напряженийU_АВ, U_ВС, U_СА. Если комплексные сопротивления приемников электроэнергии Z_А=Zв=Zс равны между собой (симметричная нагрузка), то центральна точка диаграммы оказывается в геометрическом центре треугольника. Строим в выбранном масштабе векторы напряжений V_А, Vв, Vc на линиях, соединяющих точку 0 с вершинами треугольника. При чисто активных нагрузках в фазах (Z_А=Zв=Zс=R )вектора токовI_А, I_В, I_С совпадают по направлению с векторамиV_А, Vв, Vc.Строим их в выбранном масштабе (см.рис.1.3.).

Рис.1..3. Векторная диаграмма напряжений и токов при одинаковых активных сопротивлениях нагрузок в фазах.