Соединении приемников звездой

Цель работы - изучить цепи трехфазного тока при соединении при­емников звездой с нейтральным проводом и без него, выяснить роль нуле­вого провода; изучить режимы работы трехфазных цепей при различных ви­дах нагрузки; научиться строить по опытным данным векторные диаграммы для различных режимов работы.

5.1. Пояснения к работе

Трехфазная симметричная система синусоидального тока - наиболее проста к практически удобна, а потому и наиболее распространена. Это объясняется тем, что при подаче и распределении энергии трехфазная система (особенно при симметричных нагрузках) имеет экономические преимущества по сравнению с другими системами:

а) трехпроводные трехфазные системы (без нулевого провода) тре­бует наименьшего расхода проводникового материала по массе;

четырехпроводные трехфазные системы при симметричных и близких к таким нагрузкам менее экономичны вследствие добавочного расхода проводникового материала на нулевой провод;

б) основные потребители - трехфазные асинхронные и синхронные двигатели - обладает более высоким КПД, по сравнению с другими дви­гателями, асинхронные двигатели просты и надежны в эксплуатации;

в) трехфазная система позволяет сравнительно легко получать вра­щающиеся магнитные поля, используемые в двигателях переменного тока,

г) трехфазная четырехпроводная система позволяет иметь два эксплуатационных напряжения.

Действующие напряжения U_АВ, U_ВС и U_СА. между соответствующими линейными проводами равны между собой по значению, сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол 2П/3 и носят название линейных, а действующие напряжения U_А, U_В и U_С между соответствующим линей­ным и нейтральным проводами называются фазными. Эти напряжения связаны между собой векторными уравнениями:

U_АВ = U_А – U_В;

U_ВС = U_В – U_С;

U_СА = U_С – U_А;

Записанным уравнениям соответствует векторная диаграмма линейных и фазных напряжении (рис. 5.1), из которых видно, что "звезда" линейных напряжений U_АВ, U_ВС и U_СА опережает "звезду" фазных напряже­ний U_А, U_В, U_С на угол П/6, а соответствующие пары фазных и линейных напряжений U_А и U_ВС, U_Ви U_СА, U_С и U_АВ смещены относительно друг друга на угол П/2. Этим же уравнением соответствует аналогичная диаграмма (рис. 5.2), где линейные напряжения U_АВ , U_ВС , U_СА, образуют треугольник, а фазные напряжения U_А, U_В, U_С - звезду. Такая диаграмма называется потенциальной диаграммой напряжений.

При симметрии соответственно линейных и фазных напряжений между их величинами существует зависимость

При симметричной нагрузке ток в нейтральной проводе I_N = 0, что позволяет трехфазную линию выполнить трехпроводной.

При соединении приемников звездой справедливо равенство I_Л=I_Ф

При несимметричной нагрузке фаз нарушается симметрия фазных то­ков I_А, I_В, I_С и в нейтральной проводе возникает ток I_N =I_А+I_В+I_С.

При обрыве нейтрального провода нормальный режим трехфазной уста­новки нарушается: фазные токи изменяются и устанавливаются такими, чтобы сумма их стала равной нулю. Это приводит к искажению симметрии фазных напряжений, в результате чего приемники окажутся под напряже­ниями, отличающимися от номинального значения фазного напряжения (рис. 5.3). Недопустимость такого режима вынуждает применять все меры, исключающие обрыв нейтрального провода и не допускать применений в нем электрических аппаратов, которые могут вызвать его отключение от нейтральной точки приемников.

Потенциальную диаграмму напряжений трехфазных цепей при обрыве нейтрального провода строят циркулем по опытным данным методом засечек, для чего сначала вычерчивают треугольник линейных напряжений U_АВ, U_ВС, U_СА, затем из соответствующих его вершин радиусами, равными фазным напряжениям U_А, U_В, U_С, описывают дуги, пересечение которых определяет точку, являющуюся началом векторов фазных напряжений. Для построения векторной диаграммы токов нужно под углами φ_А, φ_В, φ_С, к векторам фазных напряжений U_А, U_В, U_С провести векторы фазных токов I_А, I_В, I_С (рис. 5.4).

Один из универсальных приборов используется для измерения напря­жений, другой - для измерения токов.

Рис. 5.1. Векторная диаграмма линейных я фазных напряжений трехфазной системы

Рис. 5.2. Потенциальная диаграмма напряжений и векторная диаграмма токов при несимметричном неоднородном режиме и приемниках, соединенных звездой при наличии нейтрального провода.

Рис. 5.3. Потенциальная диаграмма напряжений трехфазной цепи при несимметричном режиме и приемниках, соединенных звездой при отсутствии нейтрального провода.

Рис. 5.4. Построение потенциальной диаграммы напряжений векторной диаграммы токов по опытным данным.

В каждой фазе и нулевом проводе следует предусмотреть одну перемычку для обеспечения возможности включения амперметра. В работе используется трехфазный источник переменного тока, элементы цепи, блок переменных сопротивлений, емкостей и индуктивностей.

Векторные диаграммы напряжений и токов следует строить в масштабе.

5.2. Выполнение работы

1. Изучить по лекциям и учебнику [2, с. 104-114] материал о соединении приемников звездой. К лабораторным занятиям каждый студент должен подготовить протокол, получить у преподавателя номер варианта (см.табл. 5.1) и заполнить табл. 5.2.

2. На наборном поле с помощью соединительных проводов соединить фазы источника по схеме «звезда». Ручками ступенчатых регуляторов блока трехфазного напряжения установить заданное фазное напряжение источника.

3. Проверить вольтметром фазные и линейные напряжения трехфазного источника.

4. собрать схему (рис.5.5.) симметричной активной трехфазной электрической цепи по схеме «звезда» с нейтральным проводом, присоединив к источнику трехфазного напряжения.

Нагрузкой фазы А являются наборные элементы 03, 05 или соединенные последовательно 03 и 06. Нагрузка фазы В – резисторы R1, R2 или R3 блока переменного сопротивления. Нагрузка фазы С – сопротивление R4 блока переменного сопротивления.

5. Измерить напряжения U_AB, U_BС, U_СА, U_A, U_B, U_С, и токи I_A, I_B, I_С, I_N.

6. Снять перемычку на нейтральном проводе (рис. 5.6.), измерить напряжения U_AB, U_BС, U_СА, U_A, U_B, U_С, U_nN и токи I_A, I_B, I_С.

7. Собрать схему несимметричной неоднородной нагрузки без нейтрального провода, для чего в одну из фаз включить активную нагрузку – наборные элементы 03, 05 или соединенные последовательно 03, 06; во вторую – емкости С1, С2, С3 блока переменной емкости; в третью – катушки L1, L2, L3 блока переменной индуктивности согласно своему варианту.

8. Измерить напряжение и токи.

9. Поставить перемычку на нулевом проводе, измерить напряжения и токи.

10. Произвести опыт обрыва линейного провода, для чего согласно своему варианту убрать провод, соединяющий начало соответствующей фазы измерить напряжения и токи.

11. Снять перемычку на нулевом проводе, измерить напряжения и токи.

Данные измерений занести в табл. 5.3.

12. Собрать схему (рис. 5.7) с по следовательно соединенными активным резистором и катушкой индуктивности, используемой в трехфазной цепи (согласно варианту взять R1 и U ).

13. Измерить напряжения и токи. Данные измерений занести в табл. 5.4.

5.3. Расчетная часть

1. По данным табл. 5.4 построить векторную диаграмму, определить по векторной диаграмме активное сопротивление катушки и угол сдвига фаз в катушке φ_К.

2. Произвести по табл. 5.3 расчет активной мощности фаз и актив­ную мощность трехфазного потребителя.

3. По этим же данным построить векторные диаграммы напряжений и токов симметричного и не симметричного потребителя, включенного в трехфазную цель с нейтральным проводом и без него.

4. Определить по векторным диаграммам:

а) ток в нейтральном проводе

где m_I - масштаб тока (A/Sm ); l_Im - длина вектора тока I (Sm);

б) напряжение смещения нейтрали

Результаты занести в табл. 5.2.

5.4. Контрольные вопросы

1. Что такое трехфазная система? Каковы ее преимущества по сравнение с однофазной?

2. Что такое симметричная трехфазная система? Каковы соотношения между фазными и линейными напряжениями, фазными и линейными токами в такой системе?

3. Что такое линейные и фазные напряжения, линейные и фазные токи трехфазной системы? Указать положительные направления токов, принимаемых при расчетах.

4. Какое значение имеет нулевой провод? Почему не ставят предохранители в нулевом проводе?

5, Как рассчитывается четырехпроводная трехфазная система при симметричной и несимметричной нагрузках, соединенных звездой?

6. Как рассчитывается трехпроводная трехфазная система при симметричной и несимметричной нагрузках, соединенных звездой?

7. Объясните построение векторных диаграмм напряжений и токов симметричного и несимметричного потребления в трехфазной цепи с нейтральным проводом и без него.

8. Почему опасно КЗ одной фазы потребителя в четырехпроводиой трехфазной цепи?

9. Как рассчитываются активная и реактивная мощности симметричного и несимметричного потребителя?

10. Что такое смещение нейтрали? Как графически определить напряжение смещения нейтрали?

11. Как влияет обрыв фазы на работу симметричного и не симметричного потребителя в трехфазной цепи с нейтральным проводом и без него?

12. Как влияет обрыв линейного провода на работу симметричного и несимметричного потребителя в трехфазной цепи с нейтральным проводом и без него?

Таблица 5.1.

Номера и параметры элементов согласно заданному варианту

Номер варианта	Uф	Симметричная активная нагрузка	Неоднородная несимметричная нагрузка	Обрыв линейного провода (фаза)	Параметры схемы определения параметров
		Фаза	R1	U
		А	В	С	А	В	С	B
			R1	R4 100		C3	L1	B
			R2	R4 200		C2	L1	B
			R3	R4 400		C3	L2	B
			R1	R4 100	L1		C3	C
			R2	R4 200	L1		C2	C
			R3	R4 400	L2		C3	C
			R1	R4 100	C3	L1		A
			R2	R4 200	C2	L1		A
			R3	R4 400	C3	L2		A
			R1	R4 100		L1	C3	B
			R2	R4 200		L1	C2	B
			R3	R4 400		L2	C3	B
			R1	R4 100	C3		L1	C
			R2	R4 200	C2		L1	C