Исследование режимов работы трехфазной электрической цепи синусоидального тока при соединении фаз приемника по схеме “звезда”

1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 6

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТРЕХФАЗНОЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА ПРИ СОЕДИНЕНИИ ФАЗ ПРИЕМНИКА ПО СХЕМЕ “ЗВЕЗДА”

Цель работы: Изучение симметричных и несимметричных режимов работы трехфазных электрических цепей при соединении фаз приемников по схеме “звезда”.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Трехфазная электрическая цепь представляет собой совокупность трех однофазных электрических цепей, в которых действуют три одинаковых по величине ЭДС, сдвинутых по фазе на 120.

Основные элементы трехфазной цепи - трехфазные генераторы и приемники электрической энергии - представляют собой совокупность групп однофазных элементов. Это могут быть фазовые обмотки генератора, электрических двигателей и т.п. На схеме, представленной на рис.6.1 трехфазный генератор представлен совокупностью ЭДС

. .

ЕА , ЕВ и

.

Е

С

, а приемник электрической энергии

регистров, обладающих полными сопротивлениями Za , ZвиZc .

Начала фазовых групп часто обозначают начальными буквами латинского алфавита (а, в, с), а концы - конечными буквами этого же алфавита (х, у, z соответственно).

Фазовые группы приемников электрической энергии могут образовывать самые различные соединения.

Соединение фазовых групп, при котором их концы соединены вместе, а начала могут пофазно соединены с выводами трехфазного генератора, называют соединением по схеме “звезда” (рис.6.1).

2

Провод соединяющий начала соответствующих фазовых групп

называют

a

S2

n

Zb

&

Iв

b

Рис.6.1. Пример исполнения схемы трехфазной электрической цепи при соединении фаз приемника по схеме “звезда”

Отсюда вывод: при соединении фаз приемника по схеме “звезда”

Разность потенциалов между началом и концом соответствующих фазовых групп называется фазным напряжением. На рис.6.1 в качестве примера указано фазное напряжение Uф(л).

3

Разность потенциалов между линейными проводами называется линейным напряжением. На рис.6.1 показано линейное напряжение UВС.

Узел, где при соединении фазовых групп по схеме “звезда”, содиняются концы указанных групп, называется нейтральной точкой, или просто нйтралью. Для генератора это точка N, для приемника n и (рис.6.1).

Разность потенциалов между точками n и N называют напряжением смещения нейтрали, или просто смещение нейтрали (UNn).

Нередко нейтрали приемника и генератора соединяют между собой. Такие цепи называюи трехфазными четырехпроводными. Дополнительный провод, соединяющий нейтрали генератора и приемника, обычно называют нейтральным. На рис.6.1 он указан штриховой линией, а резистор Z п иллюстрирует сопртивление этого

провода.

Режимы работы трехфазных приемников электрической энергии делятся на симметричные и несимметричные.

Симметричный режим работы возможен лишь при равенстве сопротивлений фазовых групп:

(6.1)

Сопротивления фазных обмоток трехфазных генераторов и линейных проводов обычно выполняют одинаковыми, поэтому фазные (линейные) токи, фазные и линейные напряжения, при симметричном режиме работы равны между собой по величине:

Iа  Iв  Ic;

U а  U в  U c ;

UАВ  UВС  UСА.

При несоблюдении условия (6.1) режимы работы приемников электрической энергии будет несимметричным. Несимметричный режим может быть плановым, когда равенство (6.1) нарушается сознательно, и аварийным (обрыв провода, короткое замыкание).

При дальнейшем повествовании и при выполнении лабораторной работы будем считать сопротивления линейных проводов ничтожно малыми, учитывать которые нет смысла. Это допущение не нарушит в данном случае логику наших рассуждений и всей лабораторной работы в целом.

4

ТРЕХФАЗНАЯ ТРЕХПРОВОДНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ

Здесь фазные напряжения по величине равны между собой и их вектора отличаются друг от друга на угол 120. Эти напряжения практически равны соответствующим ЭДС генератора.

Линейные напряжения, равные векторной сумме соответствующих фазных напряжений, тоже равны по величине, а их вектора отличаются друг от друга на угол 120. По величине при симметричном режиме

Фазные ( линейные) токи определяются из закона Ома :

(6.2)

(6.3)

Угол сдвига между векторами соответствующих фазных напряжений и токов определяется характером сопротивлений фаз приемника.

Смещение нейтрали при симметричном режиме отсутствует:

UNn = 0.

Векторная диаграмма токов и напряжений трехфазной электрической цепи при указанном режиме работы приведена на рис.6.2,а.

нарушается. Напряжение смещения нейтрали при нарушении симметричного режима становится отличным от нуля и определяется по формуле

где

в 



,

5

(6.4)

Úа

Úа

Íс 

ÚNn

N

(б)

Ía

Íc

Íb

ÚNn

N

Úbc

(г)

Íb

Úb

Úab

Úb

Рис.6.2. Векторные диаграммы

для возможных режимов работы

6

трехфазной трехпроводной электрической цепи.

Фазные напряжения определяют из равенств:

(6.5)

Фазные (линейные) токи определяются по формулам ( 6.3 ).

На рис.6.2, б показана векторная диаграмма токов и напряжений трехфазной электрической цепи для общего случая несимметричного режима работы приемников электрической энергии.

Величина напряжения смещения нейтрали на векторной

диаграмме характеризуется расстоянием между точками N, расположенной в геометрическом центре треугольника, образованного векторами линейных напряжений, и п. Положение точки п на векторной диаграмме можно определить пересечением дуг, проведенных из

соответствующих вершин треугольника линейных напряжений радиусами, равными с учетом принятого масштаба (В/мм) величинам фазных напряжений Ua ,Uв ,Uc . Вектор токов на векторной диаграмме

(рис.6.2,б) откладываются от точки п .

Для электрической цепи, изображенной на рис.6.1 этот режим достигается размыканием ключа S1.

На векторной диаграмме нейтральная точка приемника п смещается на одну из сторон треугольника, образованного векторами линейных напряжений (рис.6.2, в). Фазное напряжение в поврежденной фазе при этом возрастет, а в двух других уменьшается до тех пор, пока их арифметическая сумма не станет равна величине линейного напряжения.

Токи в двух неповрежденных фазах определяются амперметром или по формулам, аналогичным равенствам (6.3). А ток поврежденной

фазы, например фазы А, определяется из первого закона Кирхгофа:

7

Нейтральная точка приемника и на векторной диаграмме для указанного режима (рис.6.2, г) сместится в вершину треугольника, образованного векторами линейных напряжений. Величина напряжения смещения нейтрали в этом случае будет равна фазному напряжению поврежденной фазы до ее повреждения.

Для электрической цепи, схема которой изображена на рис.6.1 режим короткого замыкания фазы можно исполнить замыканием ключа

S 2.

ТРЕХФАЗНАЯ ЧЕТЫРЕХПРОВОДНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ

Четвертый (нейтральный) провод в трехфазной электрической цепи необходим для сохранения симметрии фазных напряжений. Симметрия фазных напряжений подразумевает равенство их величин.

Но в реальных случаях нейтральный провод может обладать значительным по величине сопротивлением, которое нельзя игнорировать.

которое здесь определяется так:

где

При симметричном режиме напряжение смещение нейтрали при любой конструкции трехфазной электрической цепи равно нулю, и фазные напряжения не изменяют своих величин. Векторная диаграмма в указанных условиях остается неизменной (рис.6.2, а).

При несимметричных режимах наличие нейтрального провода, обладающего ощутимым сопротивлением, вызывает лишь некоторое снижение величины напряжения смещения нейтрали и, как следствие этому, частичное выравнивание фазных напряжений. В этом случае

векторные диаграммы отличаются от векторных диаграмм, изображенных на рис.6.2,б,в,г лишь сокращением величины вектора

&

U Nn .

8

Если же нейтральный провод обладает настолько малым по

сравнению с Zа, Zв и Zc сопротивлением Zп, что его можно игнорировать, приравняв нулю, то напряжение смещения нейтрали оказывается равным нулю, а фазные напряжения - равными между собой при любом режиме.

При симметричном режиме ток в нейтральном проводе равен нулю, и необходимость в этом проводе исчезает.

Векторная диаграмма токов и напряжений для несимметричного

Рис.6.3. Векторная диаграмма токов и напряжений

трехфазной четырехпроводной электрической цепи при Zп  0 для

несимметричного режима (а) и режима холостого хода (б).

Следует отметить, что при минимизации сопротивления нейтрального провода до нуля равенство (6.2) сохраняется при всех режимах работы трехфазной электрической цепи.

9

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ ПАНЕЛИ

На лабораторной панели представлены линейные и нейтральный провод трехфазной электрической цепи. Линейными проводами подключен источник трехфазной ЭДС. Кроме того на панели помещены фазные приемники электрической энергии в виде набора резисторов, сопротивлние которых можно принять чисто активными, и конденсатора, обладающего лишь емкостными сопротивлением.

Для включения измерительных приборов панель снабжена специальными гнездами.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать трехфазную трехпроводную электрическую цепь (рис.6.4).

a S1

Za

x

C

Zb

c S3

Zc

S4

y

S5

Rn

N

Рис.6.4. Схема для исследования трехфазной

электрической цепи

z

n

10

Таблица 6.1

Характеристики и параметры трехфазной

трехпроводной электрической цепи

3. Установить несимметричную однородную (одинаковый характер фазных нагрузок) нагрузку и повторить измерения и вычисления п.2. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 6.1.

9. По данным таблицы 6.1 построить векторные диаграммы напряжений и токов для каждого режима работы цепи, указанного в таблице.

10.Подключить идеализированный (не обладающий сопротивлением) нейтральный провод, который показан на рис.6.4 штриховой линией. Сопротивление RN, должно быть замкнуто накоротко.

11.Установить симметричную нагрузку. Измерить линейные и фазные напряжения, фазные (линейные) токи и ток в нейтральном проводе. Вычислить величины сопротивлений фазных нагрузок. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 6.2.

11

Таблица 6.2

Характеристики и параметры трехфазной четырехпроводной цепи при RN=0

12

Таблица 6.3

Характеристики и параметры трехфазной

четырехпроводной цепи при RN  0

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ