Методические указания к выполнению лабораторной работы №18 по учебной дисциплине: «Электротехника»

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  БАЙКОНУРСКИЙ ЭЛЕКТРОРАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ ИМЕНИ М. И.НЕДЕЛИНА

  УТВЕРЖДАЮ

  Заместитель директора

  по учебной работе

  ____________

  «___»_____________2013г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ №18

по учебной дисциплине: «Электротехника»

специальности 08.02.09

«Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий»

Наименование: «Исследование симметричной и несимметричной трехфазной цепи при соединении приемников энергии звездой».

Разработал преподаватель

г. Байконур

2013год

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №18

Наименование работы: Исследование симметричной и несимметричной трехфазной цепи при соединении приемников энергии звездой.

Цель работы: Установить соотношение между линейными и фазными напряжениями и токами при различной нагрузке фаз. Построить векторные диаграммы напряжений. Выявить роль нейтрального провода.

Пояснения к работе.

  Система трех однофазных цепей, в которых действуют ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые по фазе на угол 1200 , называется трехфазной электрической цепью. Трехфазный генератор состоит из статора и ротора. На статоре расположены три, одинаковые обмотки, смещенные одна относительно другой на 1200. Начала обмоток обозначаются буквами АВС, а их концы соответственно буквами xyz (или abc). Ротор является электромагнитом и, при его вращении, будет вращаться его магнитный поток. В результате в каждой обмотке статора наведутся синусоидальные ЭДС с амплитудой Еm, частотой f, сдвинутые по фазе относительно ЭДС соседней обмотки на 1200.

eA = Em sin щt

eB = Em sin (щt – 120о)

eC = Em sin (щt – 240о) или eC = Em sin (щt + 120о)

Система трех переменных ЭДС одной амплитуды и частоты, сдвинутые по фазе на 120о, называется трехфазной симметричной системой ЭДС. Графики и векторная диаграмма, которой имеют вид.

  + j

  е  еА  еВ  еС

  ЕС

        1200  1200  ЕА

  ωt  0 

  -  1200  +

  ЕВ 

  - j

Если вектор ЭДС EA совместить с положительным направлением оси, то можно записать комплексы

ЛА = Е; ЛB = Ee-j120°; ЛC = Ee-j240° или ЛC = Eej120°.

ЭДС трехфазного генератора принимают амплитудное значение в определенной последовательности. Рассмотренная последовательность А → В → С называется прямой последовательностью фаз ЭДС.

К обмоткам генератора присоединяют нагрузку с сопротивлением ZA, ZB, ZC. В результате образуются три самостоятельные электрические цепи с токами IA, IB, IC, каждую из них называют фазой.

  А  А′

  IA  ZA

  z  x 

  y

  ZC  ZB

  C  B  IB  C′  B′ 

  IC 

Различают симметричный и несимметричный режимы работы трехфазной цепи.

При симметричном режиме комплексные сопротивления трех фаз одинаковые, то есть ZA = ZB = ZC, ЭДС образуют трехфазную симметричную систему. В этом случае токи фаз IA, IB, IC будут равны по величине и сдвинуты относительно одноименных ЭДС на одинаковые углы, то есть образуют трехфазную симметричную систему токов.  В симметричных трехфазных системах алгебраическая сумма мгновенных значений ЭДС, а также сумма их комплексов равна нулю. eA + eB + eC = 0, ЛА + ЛB + ЛC = 0  iA + iB + iC = 0,  ЭА + ЭB + ЭC = 0 

  ЛС

  ЭС

  ц

  ЛА

  ц

  ЭВ  ц  ЭА

  ЛВ

При несимметричном режиме комплексные сопротивления фаз не равны друг другу, при этом токи и их фазные сдвиги (углы ц) будут различные.

Трехфазная система, у которой отдельные фазы изолированы называется электрически несвязанной и не находит применения. Для сокращения количества проводов между генератором и потребителем энергии применяют электрически связанные трехфазные электрические системы. Для этого обмотки трехфазного генератора соединяют звездой или треугольником.

Для получения соединения обмоток трехфазного генератора звездой необходимо концы обмоток X, Y, Z соединить в одну точку O(N) называемую нулевой точкой или нейтралью генератора. От нулевой точки к потребителям энергии прокладывают нулевой (нейтральный) провод. К началам обмоток А, В, С присоединяют линейные провода, которые идут к потребителям.

  A  IA  A′ 

  UA  UAB  UCA  ZA 

  0  I0  0′

  UB  UC  ZC  ZB

C  B  IB  C′  B′

  IC  UBC

Напряжения между линейными и нулевым проводами, то есть между началами и концами обмоток генератора называются фазными напряжениями и обозначают UA, UB, UC,  в общем случае UФ (фазное). Фазные напряжения отличаются от ЭДС на величину внутреннего падения напряжения  в обмотках и образуют симметричную систему.

Напряжения между линейными проводами, то есть между началами обмоток  называют линейными напряжениями и обозначают UAВ, UBС, UCА, в общем случае UЛ (порядок букв индексов указывает положительное направление этих напряжений во внешней цепи).

       Векторы UAВ, UBС, UCА образуют симметричную систему, причем звезда векторов линейных напряжений опережает по фазе звезду векторов фазных напряжений на 30о.  Uл = √3 Uф

  UA 

  UAB

  UCA  0 

  300 

  UC  UBC  UB

Начала фаз генератора АВС соединяют с началами фаз приемника А′,В′,С′ линейными проводами. Нулевая точка генератора соединяется с нулевой точкой приемника 0′ нулевым проводом. Ток, напряжение и мощность каждой фазы приемника называют фазными. Токи первой фазы обозначаются IА, второй IВ, третьей IС. Положительное направление этих токов совпадает с положительным направлением ЭДС в обмотке генератора. Токи в линейных проводах называются линейными, при соединении звездой Iф = IЛ. Ток в нулевом проводе равен геометрической сумме фазных токов. При равенстве комплексов сопротивлений фаз приемника, токи IA, IB, IC образуют симметрическую трехфазную систему токов. В этом случае ОА + ОВ + ОС = 0, ток в нулевом проводе отсутствует. Отсутствие нулевого провода не изменит режима работы электрической цепи. При несимметричной нагрузке или несимметричной системе фазных напряжений, в нулевом проводе имеется некоторый ток Iо, который можно определить графическим методом или методом с применением комплексных чисел.

При несимметричной нагрузке и отключенном нулевом проводе происходит смещение нулевой точки 0′ приемника из центра треугольника линейных напряжений генератора. В результате этого изменяются фазные напряжения приемника электрической энергии. Более загруженные фазы приемника (с меньшим полным сопротивлением) оказываются под меньшим фазным напряжением, а менее загруженные (с большим полным сопротивлением) – под большим. Нулевой провод обеспечивает выравнивание напряжений U на фазах потребителя при несимметричной нагрузке. Воизбежании разрыва цепи нулевого провода, в нем не устанавливают предохранители и выключатели.

Приборы и оборудование: Лабораторный стенд ЛО-10

Задание:

В лабораторной работе необходимо исследовать активную нагрузку, соединенную в  звезду при симметричном и несимметричном режимах работы. Собрать на стенде данную принципиальную схему, на которой показаны места подключения измерительных приборов – вольтметра и амперметра.

  IA  A′

  A 

  UA  UAB  UCA  ZA 

  0  I0  0′

  UB  UC  ZC  ZB

C  B  IB  C′  B′

  UBC

  IC

       

С помощью вольтметра измерить фазные и линейные напряжения при симметричной нагрузке и установить соотношение между ними. Построить векторную диаграмму напряжений для симметричного режима работы. С помощью амперметра измерить токи в линейных проводах и в нулевом проводе  при симметричной нагрузке. Установить несимметричную нагрузку, вольтметром измерить фазные и линейные напряжения и установить соотношение между ними. Построить векторную диаграмму напряжений для несимметричного режима работы. С помощью амперметра измерить токи в линейных проводах и в нулевом проводе при несимметричной нагрузке. Результаты измерений занести в таблицу.

  №  характер  измерить

  п/п  нагрузки  UАВ  UВС  UСА  UА  UВ  UС  IА  IВ  IС  I0  Uл / UФ

  В  В  В  В  В  В  мА  мА  мА  мА

  1.  симметрич.

  2.  несимметрич.

Оформить отчет по проделанной работе. Сделать соответствующие выводы по работе.

  Работа в лаборатории.

В соответствии с монтажной схемой собрать на стенде, используя предлагаемые комплектующие, схему соединения приемников электрической энергии звездой для симметричного режима работы ZA= ZB = ZC. В качестве нагрузки использовать резисторы с сопротивлением  1,6 кОм. Для получения несимметричного режима работы в фазу А вместо резистора 1,6 кОм подключить резистор 820 Ом. При измерении фазных токов амперметр подключают к указанным на схеме гнездам: IA – AA/, IB – BB/, IC – CC/. При измерении тока в нулевом проводе амперметр подключают к указанным на схеме гнездам: I0 – сс/. При измерении линейного напряжения вольтметр  подключают к указанным на схеме  гнездам: UАВ – А/ В/ ;  UВС – В/ С/ ;  UСА – С/ А/. При измерении фазного напряжения вольтметр  подключают к указанным на схеме гнездам: UА – А/ с/ ;  UВ – В/ с/ ;  UСА – С/ с/.

  А/  а/  - соединительные

а  А  провода

  - нулевой провод

  - гнезда для подключения 

  В/  в/  амперметра и вольтметра 

В  в  при измерении фазных и

  линейных токов, линейных

  напряжений

  С/  с/  - гнезда для подключения 

        амперметра и вольтметра

с  С  при измерении нулевого

  тока, фазных напряжений

Содержание отчета.

Цель работы. Приборы и оборудование. Принципиальная электрическая схема. Таблица с результатами измерений и вычислений. Формулы, необходимые для расчета. Векторные диаграммы фазных и линейных напряжений. Вывод по работе.

  Контрольные вопросы.

Какая электрическая цепь называется трехфазной? Что такое симметричная система физических величин (напряжений, токов, ЭДС)? Что собой представляет трехфазный генератор? Какая последовательность фаз называется прямой? Что такое фаза в трехфазной цепи? Какая трехфазная цепь называется несвязанной? Что такое симметричный и несимметричный режимы работы? Как получить соединение обмоток трехфазного генератора звездой? Какое напряжение называется фазным? Какое напряжение называется линейным? Какое соотношение между линейным и фазным напряжениями при соединении нагрузки звездой? Какое соотношение между фазными и линейными токами при соединении нагрузки звездой? Роль нулевого провода при несимметричном режиме работы?

  Литература.

  1. М. 1999 «Теоретические основы электротехники».

  Стр. 341-350

  2. Опорный конспект. Тема «Трехфазные цепи».

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  БАЙКОНУРСКИЙ ЭЛЕКТРОРАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ ИМЕНИ М. И.НЕДЕЛИНА

  УТВЕРЖДАЮ

  Заместитель директора

  по учебной работе

  ____________

  «___»_____________2013г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ №19

по учебной дисциплине: «Электротехника»

специальности 08.02.09

«Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий»

Наименование: «Исследование симметричной и несимметричной трехфазной цепи при соединении приемников энергии треугольником».

Разработал преподаватель

г. Байконур

2013год

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №19

Наименование работы: Исследование симметричной и несимметричной трехфазной цепи при соединении приемников энергии треугольником.

Цель работы: Установить соотношение между линейными и фазными токами и напряжениями при различной нагрузке фаз. Построить векторные диаграммы токов.

Пояснения к работе.

  Система трех однофазных цепей, в которых действуют ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые по фазе на угол 1200 , называется трехфазной электрической цепью.

Трехфазная система, у которой отдельные фазы изолированы называется электрически несвязанной и не находит применения. Для сокращения количества проводов между генератором и потребителем энергии применяют электрически связанные трехфазные электрические системы. Для этого обмотки трехфазного генератора соединяют звездой или треугольником.

При соединении обмоток трехфазного генератора треугольником конец первой обмотки X соединяют с началом второй В, конец второй Y с началом третьей С и конец третьей Z с началом первой А.  IЛ

  z  A  A′

  IФ  UAB  UCA 

  C  y  B  x  В′ 

  UBC 

  С′

При таком соединении фазное напряжение равно линейному UАВ = UА, UВС = UВ, UСА = UС, то есть UЛ = Uф. Симметричная система ЭДС, действующих в контуре, имеет сумму равную нулю ЕА + ЕВ + ЕС = 0. Опасно неправильное соединение обмоток генератора треугольником, так как в этом случае сумма ЭДС в контуре равна двойному значению ЭДС фазы, в результате в замкнутом контуре с незначительным сопротивлением обмоток генератора появится ток очень большой величины.

Приемники энергии также можно соединить треугольником.

ZAB, ZBC, ZCA – сопротивление фаз приемника.

IAB, IBC, ICA – фазные токи, направленные от начало фаз к их концам.

IA, IB, IC – линейные токи, направленные от генератора к приемнику энергии. 

  IA  A′

Uф=Uл

  IAB

  ZCA  ZAB

  ICA  IBC

  C′  B′

  IB  ZBC 

  IC

Фазные токи определяют по закону Ома

IАВ= ,  IВС=   ,  IСА=   

Для определения линейных токов составим уравнение по первому закону Кирхгофа.

ОА+ОСА=ОАВ  ОА=ОАВ-ОСА

Аналогично определяем второй и третий линейные токи

ОВ=ОВС-ОАВ  ОС=ОСА-ОВС

Таким образом, линейные токи равны геометрической разности соответствующих фазных токов. Рассмотрим векторную диаграмму напряжений и токов при симметричной нагрузке, соединенной треугольником.

Uф=Uл – выражаются векторами  ЫАВ, ЫВС, ЫСА.

Минус обозначает противоположное направление вектора.

  IC  - ICA

  - IBC  A  IAB

  ICA  φ  UAB  IA

  UCA  φ  D

  C  UBC  B

  φ

  IBC

  IB  - IAB

Фазные токи IАВ, IВС, IСА равны по величине и сдвинуты относительно фазных напряжений на одинаковые углы ц.

  Iл= Iф

При несимметричной нагрузке линейные токи определяют по фазным токам графическим методом или методом комплексных чисел. При этом вектор UAB направлен по вещественной оси (действительной). Принимают UAB= U. В этом случае: UBС= Uе - j120°

UСA= Uе - j240°=Uе j120°

Фазные токи в приемнике определяют по формулам:

ЭАВ=  ЭВС=   ЭСА=  

Линейные токи определяют по формулам:

ЭА= ЭАВ - ЭСА,  ЭВ= ЭВС - ЭАВ,  ЭС= ЭСА - ЭВС.

Активная мощность трехфазной цепи при соединении приемника энергии треугольником равна:

P=PА+PВ+PС

Активная мощность каждой фазы:

PA=UAB IAB cos цA,  PB=UBC IBC cos цB,  PC=UCA ICA cos цC

При симметричной нагрузке:

PA=PB=PC= Uф Iф cos цф.

P=3 Uф Iф cos цф= cos цф =Uл Iл cos цф

Приборы и оборудование: Лабораторный стенд ЛО-10

Задание:

1.  В лабораторной работе необходимо исследовать активную нагрузку, соединенную в  треугольник при симметричном и несимметричном режимах работы.

Собрать на стенде данную принципиальную схему, на которой показаны места подключения измерительных приборов – вольтметра и амперметра.

  A  A  IA  A/ 

  UAB  UCA  ICA  A  ZAB 

  ZCA  IAB

  V  V

  ZBC  IBC  A

C  B  IB  C/  A  B/

  A  V  UBC

  A  IC

С помощью амперметра измерить фазные и линейные токи при симметричной нагрузке и установить соотношение между ними. Построить векторную диаграмму токов для симметричного режима работы. С помощью вольтметра измерить фазные, равные линейным, напряжения при симметричной нагрузке. Установить несимметричную нагрузку, амперметром измерить фазные и линейные токи и установить соотношение между ними. Построить векторную диаграмму токов для несимметричного режима работы. С помощью вольтметра измерить фазные напряжения при несимметричной нагрузке. Результаты измерений занести в таблицу.

  №  характер  измерить

  п/п  нагрузки  UАВ  UВС  UСА  IА  IВ  IС  IАB  IВC  IСA  Iл /IФ

  В  В  В  мА  мА  мА  мА  мА  мА 

  1.  симметрич.

  2.  несимметрич.

Оформить отчет по проделанной работе. Сделать соответствующие выводы по работе.

Работа в лаборатории.

В соответствии с монтажной схемой собрать на стенде, используя предлагаемые комплектующие, схему соединения приемников электрической энергии треугольником для симметричного режима работы ZA= ZB = ZC. В качестве нагрузки использовать резисторы с сопротивлением  1,6 кОм. Для получения несимметричного режима работы в фазу АВ вместо резистора 1,6 кОм подключить резистор 820 Ом. При измерении фазных токов амперметр подключают к указанным на схеме гнездам: IAВ – а/ В/, IBС – в/ С/, ICА – с/ А/. При измерении тока в линейных проводах амперметр подключают к указанным на схеме гнездам: IА – сс/, IВ – аа/ , IС – вв/. При измерении фазного напряжения, равного линейному напряжению, вольтметр  подключают к указанным на схеме гнездам: UАВ – А/ В/ ;  UВС – В/ С/ ;  UСА – С/ А/.

  А/  - соединительные

а  А  провода

  а/  - гнезда для подключения 

  амперметра и вольтметра 

В  в  В/  при измерении фазных

  токов, линейных и фазных

  напряжений

  - гнезда для подключения 

  в/  амперметра при измерении

с  С  линейных токов 

  С/ 

  с/

Содержание отчета.

Цель работы. Приборы и оборудование. Принципиальная электрическая схема. Таблица с результатами измерений и вычислений. Формулы, необходимые для расчета. Векторные диаграммы фазных и линейных напряжений. Вывод по работе.

Контрольные вопросы.

Какая электрическая цепь называется трехфазной? Что такое симметричная система физических величин (напряжений, токов, ЭДС)? Что собой представляет трехфазный генератор? Какая последовательность фаз называется прямой? Что такое фаза в трехфазной цепи? Какая трехфазная цепь называется несвязанной? Что такое симметричный и несимметричный режимы работы? Как получить соединение обмоток трехфазного генератора треугольником? Какое напряжение называется фазным? Какое напряжение называется линейным? Какое соотношение между линейным и фазным напряжениями при соединении нагрузки треугольником? Какое соотношение между фазными и линейными токами при соединении нагрузки треугольником?

13. К чему приведет неправильное соединение обмоток генератора треугольником?

Литература.

1. М. 1999 «Теоретические основы электротехники».

  Стр. 360-364

2. Опорный конспект. Тема «Трехфазные цепи».