ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПЕЙ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА

I. Цель работы. Изучение особенностей работы потребителей соединенных по схемам "звезда" и "треугольник", приобретение навыков намерения токов, напряжений, мощностей в трехфазной системе.

Программа работы.

Изучить теорию вопроса, четко усвоить основные определения, уметь изображать схемы соединений и строить топографические диаграммы, поясняющие конкретные режимы работ. Приобрести навыки включения электроизмерительных приборов в трехфазную цепь и научиться трактовать результаты измерений.

II. Теория вопроса.

А. Содержание и литература(название учебников в конце описания) – многофазные, трехфазные системы: соединение «звездой» и «треугольником» (определение); фазное, линейное напряжения (U_ф,U_л) фазный, линейный токи (I_ф,I_л).

Л: [К] 6.1-6.2» [Б]4.1-4.4, [О] 7.1. [Е] 7.1, [Ф 10] §29-30.

Соединение приемников (потребителей) звездой: соотношения между U_ф и U_л , I_ф и I_л симметричная, несимметричная нагрузки; роль нулевого провода

Л:[К] 6.3 6.8, 6.9, [Б] §4.6, [0] 7.2, 7.4, [Е] §7.2-7.3.

Соединение приемников треугольником: соотношения между U_ф и U_л , I_ф и I_л симметричная, несимметричная нагрузки;

Л:[К] 6.3, 6.6, 6.8,6.9, [Б] §4.5, [0] 7.2, 7.4, [Е] §7.2-7.3.

Измерение мощности в трехфазной системе при симметричной и несимметричной нагрузке: схемы включения ваттметров для измерения активной, реактивной мощности.

Л:[К] 6.5 6.7, [Б] §4.7, 8.5, [0] 7.3, 10.2.

Б. Контрольные задачи по теории.

Задача 1 Фазное напряжение генератора 127В. К потребителю подведена четерехпроводная система. Как и какие нагрузки может подключать потребитель к этой цепи.

Задача 2. Определить фазные и линейные напряжения трехфазной це­пи, в которую необходимо подключить трехфазный трансформатор, если каждая обмотка его рассчитана на 220 В.

Задача 3. Активные сопротивления R_A=55 Ом, R_B=110 Ом R_C=110 Ом соединены звездой и включены в трехфазную цепь с фазным напряжением 220В. Определить линейные токи при наличии нулевого провода и при его обрыве. Рассчитать величину активной мощности этой цепи

Задача 4. В какой из цепей по показаниям двух ваттметров можно определить активную мощность этой цепи

III. Задания, порядок выполнения, указания.

Задание 1. Измерить фазные и линейные напряжения на зажимах эквивалентного генераторе (ЭГ) трехфазного тока, в качестве которого будет служить питание стенда: клеммы A B C 0

Найти клеммы ЭГ

Считая, что в ЭГ переменные ЭДС создаются в трех электрических обмотках, нарисовать схему включения этих обмоток между собой и с клеммами ЭГ. Определить между какими клеммами создается U_ф и U_л. Подобрать вольтметр, подсоединить к нему два провода со штекерами. Измерить U_ф и U_л. Записать в таблицу

Задание 2 Изучение режима работы потребителей при соединении их звездой. В качестве нагрузки, берутся элементы с активным (лампы накаливания блока ламповых реостатов с клеммами соответственно фазам AX,BY, CZ) или реактивным (катушка индуктивности, конденсатор) сопротивлением. Потребители, соединенные звездой, подключаются к клеммам A,B,C,0 ЭГ трехфазного тока. Измеряются U_ф и U_л, I_ф и I_л в режимах симметричной и несимметричной нагрузки, по данным опытов строятся топографические диаграммы

Порядок выполнения работы.

I. Нарисовать принципиальную схему потребителей соединенных; между собой звездой, подключенной к клеммам ЭГ. Предусмотреть при этом измерение токов во всех четырех подводящих проводах (от ЭГ к потребителю) и наличие разрыва нулевого провода (тумблера).

Указание 1. На рисунке начало каждой фазы потребителя обозначить А`, В`, С`, конец соответствен­но X`, Y,` Z` узел через 0, сопротивление каждой фазы потребителя - соответственно Z_a, Z_в, Z_c .

Указание 2 На рисунке предусмотреть подключение вольт­метра для измерения напряжения между нулевыми точками генераторе О и потребителя О, которое называется напряжением смещения нейтрали U_00`

Указание 3. Вольтметр для измерения U_ф и U_л. в цепь подключается только во время измерения, поэ­тому предварительно к прибору подсоединяются два провода со штекерами (штырями) на кон­цах. Этим (одним) вольтметром измеряются поочередно все U_ф и U_л .

2. Защитить нарисованную схему

3. В качестве Z_a, Z_в, Z_cвзять элементы только с активным сопротивлением

4. Подобрать электроизмерительные приборы. Собрать электрическую цепь, представить ее для проверки

5. Подготовить таблицы№1 и №2

 

Таблица 1(четерехпроводная система)

1 измерение

2 измерение

3 измерение

4 измерение

Zа

Zв

Zс

Zа

Zв

Zс

Zа

Zв

Zс

Zа

Zв

Zс

n=3

n=3

n=3

n=5

n=3

n=1

n=3

n=3

n=0

n=3

n=3

С=

Iф `

Iл

Uф

Uл

I00`

В четерехпроводной системе создать симметричную активную нагрузку (в каждой фазе по 2-4 лампы накаливания, по заданию преподавателя) Включить ЭГ. Произвести первое измерение, результаты занести в таблицу №1 Таблицы 1 и 2 заполняются одновременно: ключ В3 замкнут- четырехпроыодная система, разомкнут – трехпроводная система

Таблица 2(трехпроводная система)

1 измерение

2 измерение

3 измерение

4 измерение

5 измерение

Zа

Zв

Zс

Zа

Zв

Zс

Zа

Zв

Zс

Zа

Zв

Zс

Zа

Zв

Zс

n=3

n=3

n=3

n=5

n=3

n=1

n=3

n=3

n=0

n=3

n=3

С=

n=3

n=3

к.з.

Iф `

Uф

Uл

U00`

n –количество лампочек

Указание 4. Если при включении одинакового количества ламп в каждой фазе показания приборов не соответствуют симметричной нагрузке, то подбором ламп попытаться уменьшить (или свести к нулю) различие .

Указание 5. Характер и количество измерений, а также запись данных производить согласно таблицам №1 и №2

7. Произвести измерения в трехпроводной симметричной (активной) цепи,

8. В четырехпроводной цепи создать несимметричную (активную) нагрузку, для чего в одной из фаз нагрузки выставить , а в двух других - включить соответственно I лампу накаливания и n ламп накаливания (конкретную величину уточнить у преподавателя) провести намерения,

9. При тех же условиях и характере нагрузок произвести измерения в трехпроводной системе.

10.В двух фазах создать равномерные активные нагрузки, а, в третью фазу подключить L или C (по указанию преподавателя). Включить ЭГ. Провести намерения в трехпроводной и четырехпроводной системах.

11. В отчете к данному заданию лабораторной работы: а) построить топографические диаграммы в выбранном масштабе (длину стороны треугольника брать не менее 5 см) для всех режимов работы; 4 диаграммы для четырехпроводной системы и 4 - для трехпроводной системы.

Указание 6. Методика построения топографической диаграм­мы:

Строится потенциальная диаграмма линейных напряжений - треугольник линейных на­пряжений. Внутри треугольника строятся векторная диаграмма фазных напряжений источника (ЭГ), отмечается нулевая точка источника (0). Для этого из вершин треугольника с помощью циркуля радиусом, соответствующим величине фазного напряжения источника делается засечка. Общая точка для трех засечек - точка 0 (метод засечек).

Этим же методом засечек находится точка О` только величина радиуса будет соответствовать измеренному фазному напряжению на фазе потребителя.

Из точки 0` строится векторная диаграмма токов, при «том учитывается наличие и величина угла сдвига между током в фазе и напряжением на ней.

б) провести анализ полученных результатов (данных таблиц и построенных диаграмм).

При анализе ответить на ниже следующие вопросы и на основании анализа сформулировать выводы о свойствах трехфазной цепи при соединении потребителей звездой.

При каких условиях возникает напряжение смещения нейтрали (U_00`)?

К каким последствиям приводит появление U_00`?

Отличается ли измеренная прибором величина U_00` от той же величины, найденной из соответствующей топографической диаграммы?

Какие соотношения существует между I_л и I_ф при U_{00`</sub>=0 и U<sub>00`}.>0

Какие соотношения существуют между U_л и U_ф, (при U_00`.>0)?

В каких проводах трехфазной системы включаются предохранительные устройства и почему?

В каких случаях можно работать без нулевого провода?

Сделайте вывод о роли нулевого провода в четырвхпроводной систе­ме трехфазной цепи.

Задание 3. Изучение режима работы потребителей при соединении их треугольником.

В данном задании применяется нагрузка только в виде активных сопротивлений (лампы накаливания блока ламповых реостатов), кото­рые соединяются между собой треугольником, и подключается к клеммам А, В, С (ЭГ). В один из линейных проводов включается тумблер для об­рыва провода. В результате чего трехлинейная система превращается двухлинейную с линейным напряжением между проводами. В задании измеряются I_л и I_ф U_л и U_ф в режимах симметричной и несимметричной активных нагрузок в трехпроводной и двухпроводной системах. По данным опытов строятся топографические диаграммы.

I. Нарисовать принципиальную электрическую схему потребителей соединенных между собой треугольником, подключенным к клеммам ЭГ. При этом учесть:

а) наличие тумблера включенного в один из линейных проводов,

б)наличие приборов для измерения I_л и I_ф

в)что вольтметр используется так же, как сказано в указании 3.

После защиты нарисованной схемы собрать цепь, выставить в фазах равномерную нагрузку и представить цепь для проверки,

 

После проверки включить ЭГ и провести измерения согласно таблице №3

таблица №3

1 измерение (симметричная)

2 измерение (симметричная) с отключением линейного провода

3 измерение (несимметричная)

4 измерение (несимметричная) с отключением линейного провода

Zа

Zв

Zс

Zа

Zв

Zс

Zа

Zв

Zс

Zа

Zв

Zс

n=3

n=3

n=3

n=3

n=3

n=3

n=5

n=3

n=1

n=5

n=3

n=1

Iф `

Iл

Uф

Uл

В отчете к этому заданию:

а) построить топографические диаграммы для всех режимов работы

б) провести анализ полученных результатов

При этом ответить на следующие вопросы

Какие соотношения существуют между I_л и I_ф, U_л и U_ф

К каким последствиям приводит разрыв одного из линейных проводов при соединении потребителей треугольником, звездой (с нулевым и без нулевого провода)

Задание 4. Измерение мощности в трехфазной цепи методам одного, двух и трех ваттметров.

Схема намерения активной мощности в трехфазной цепи показана на рис. 1а и 1б.

Для симметричной нагрузке, соединенной звездой, для определения полной мощности достаточно включить в цепь один (одноэлементный) ваттметр, например W₁ (рио.1а): токовая обмотка ваттметра подсоединяется в разрыв цени, последовательно с фазовой нагрузкой, а обмотка по напряжение - параллельно фазовой нагрузке. При этом клеммы * подключаются со стороны генератора. Тогда полная активная мощность равна 3 W₁. При несимметричной нагрузке полную мощность можно определять по схеме 3^х ваттметров (рис.1а) W=W₁+W₂+W₃. Или по схеме 2^х ваттметров (схема Арона) W=W₁+W₂ . При этом необходимо учесть: '

1) метод 2^х ваттметров можно применять в схеме только трехпроводной линии! (без нулевого провода), а, следовательно, потребители могут быть соединены как звездой, так и треугольником:

2). Если при измерении стрелка одного из ваттметров отклоняется влево от нуля, то необходимо с помощью переключателя, расположенного на панели прибора, изменить направление тока (при этом стрелка прибора должна отклониться вправо от нуля), и показания ваттметра взять со знаком минус. (Полная мощность равна алгебраической сумме показаний двух ваттметров: резултаты одинаковы по знаку, если переключатели пределов по напряжению либо на обоих ваттметрах выбрана правая шкала или левая, либо кнопка слева на обоих ваттметрах нажата или отпущена)

В качестве рабочей схемы рассмотрим схему рис.2. От ЭГ к нагрузке идет четерехпроводная линия, в линейные провода включены токовые обмотки трех ваттметров, а для разрыва цепи нулевого провода в него включен тумблер S . Выводы обмоток по напряжению двух ваттметров, соединяются в узел и к нему подключается провод со штекером на конце X. Следовательно, при замкнутом S и подключении X в точку О получили, схему аналогичную рис.1а, по ко­торой можно измерять мощность по методу одного ваттметра (при симметричной нагрузке). При разомкнутом S и подключении X в точке С - схема аналогична рис 1б, а при подключения X в точку 0'-метод 3х — ваттметров (при проверке). В ходе работы определяется активная мощность по методу одного и двух ваттметров, и, полученный результат для обоих методов проверяется методом трех ваттметров. Результаты измерений заносятся в таблицу №4

Порядок работы:

1.Используя рис.2 нарисовать принципиальную схему, на которой показать соединенные звездой потребители (Z_а, Z_в, Z_с) амперметр и вольтметр - для намерения мощности на Z_а. Защитить схему

у преподавателя.

2.Собрать цепь, выставить во всех фазах равномерную активную нагрузку. Представить цепь для проверки, получить задание.

4. Произвести намерения по методу одного ваттметра и проверку результатов тремя ваттметрами.

5. Разорвать цепь нулевого провода. Повторить измерения, до­бавив метод двух ваттметров.

6. Создать несимметричную активную нагрузку, Произвести наме­рения по методу двух ваттметров и проверку результатов тремя ваттметрами.

По заданию преподавателя в фазу АХ добавить катушку индуктивности или конденсатор. Повторить пункт 5. Записать результат в строку «в» таблицы №4.

7.В отчете провести анализ полученных результатов, используя показания амперметра и вольтметра. Сделать вывода об особенностях измерения мощности трехфазной цепи с помощью ваттметра, амперметра, вольтметра. Доказать правомочность измерений полной активной мощности методом двух ваттметров.

Таблица №4

	Za	W1	W2		Проверки
	I	U	IU	W1	W2	W3	W1+W2+W3
Метод 1 ваттметра(сим. нагрузка)
а) четерехпроводная
б) трехпроводная
Метод 2х ваттметров	I	U	IU	W1	W2		W1	W2	W3	W1+W2+W3
а) симметричная нагрузка
б) несимметричная нагрузка
в) неоднородная нагрузка

Указание7. Отчетный материал:

название лабораторной работы задания, принципиальные схемы, таблицы, топографические (векторные) диаграммы, основные расчетные формулы, анализ и выводы .

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

Соединение звездой.

1) Какое соединение потребителей называется звездой и каковы при этом соотношения между токами и между напряжениями при равномерной нагрузке?

2) Как строится векторная диаграмма для токов и напряжений при равномерной и неравномерной нагрузках с нулевым проводом и без него?

3) Какова роль нулевого провода при четырехпроводной системе?

4) В каком случае и почему отсутствует ток в нулевом проводе?

5) Почему на нулевой провод не ставят предохранитель?

6) Какие особенности режима работы потребителей, соединенных звездой, при неравномерной нагрузке фаз с нулевым проводом и без него?

7) Какие особенности режима работы потребителей, соединенных звездой, при обрыве линейного провода в трехпроводной и четырехпроводной системе?

8) Когда возникает короткое замыкание одной из фаз и каковы особенности этого режима с нулевым проводом и без него?

9) Какие достоинства имеет соединения потребителя звездой?

10) Может ли напряжение на фазе превышать линейное?

11) Может ли отсутствовать ток в нулевом проводе при несимметричной нагрузке?

12) При соединении звездой (четырехпроводная система) амперметры в отдельных фазах показывают по 5 А. Может ли при этом идти ток в нулевом проводе? Каково может быть его наибольшее значение?

13) Может ли в нулевом проводе протекать ток больший самого большего из фазных?

14) Чему равно мгновенное значение линейного напряжения, если в этот момент Uах= -30 В, Uвy=+20 В?

Соединение треугольником.

15) Какое включение потребителей называется треугольником?

16) Каковы соотношения между линейным и фазными токами, напряжениями при равномерной и неравномерной нагрузках?

17) Как строится векторная диаграмма токов при равномерной и неравномерной нагрузках?

18) Какие особенности режима работы потребителей при обрыве одной (двух) фазах?

19) Какие особенности режима работы потребителей при обрыве одного линейного провода? Какой вид в этом случае имеет векторная диаграмма? Почему, несмотря на обрыв линейного провода, будут гореть лампочки во всех трех фазах?

20) Какие достоинства имеет соединение потребителей треугольником?

 

Измерение мощности.

1) Как вычисляется активная, реактивная и полная мощность трехфазного тока при при соединении потребителей звездой при равномерной нагрузках?

2) Как измеряется мощность в цепи трехфазного тока при четырехпроводной системе?

3) Почему при помощи двух однофазных ваттметров можно измерить мощность во всей цепи трехфазного тока при трехпроводной системе?

4) Каково правило включения двух ваттметров, измеряющих мощность в трехпроводной системе?

5) Можно ли измерить по методу двух ваттметров мощность трехфазной цепи при наличии нулевого провода?

6) Каковы показания ваттметра, включенного по схеме на рис. 29 ?

Каково будет соотношение показаний ваттметров, включенных по методу двух ваттметров:

а) при равномерной индуктивной нагрузке? б) при равномерной емкостной нагрузке?

Литература.

[К] Касаткин А.С. Электротехника. "Энергия", М., 1973.

[В] Борисов Ю.М., Липатов Д.Н. Общая электротехника "Высшая школа" М. 1974.

[О] Общая электротехника. Под ред.проф.Блажкина А.Г. "Энергия",Л., 1974.

[Е] Евдокимов Ф.В. Теоретические основы электротехники ""Высшая школа" М. 1971.

[Ф9] [Ф10] учебники физики для 9 и 10 классов соответственно

 

 

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ А.И. ГЕРЦЕНА

 

Кафедра

физической электроники

Лаб 260

 

Лабораторная работа

№ 4