Исследование трехфазной цепи при соединении потребителей «звездой»

4.14. Технологическая карта – инструкция по выполнению лабораторной работы 

Исследование трехфазной цепи при соединении потребителей «звездой»

Трехфазные электрические цепи.

Три взаимно связанные электрические цепи с ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, но сдвинутые по фазе одна относительно другой на 1/3 периода называется трехфазной системой переменного тока.

Участок трехфазной системы, по которому протекает одинаковый ток, называется фазой.

Трехфазная цепь состоит из трехфазного генератора, соединительных проводов и приемников или нагрузки, которые могут быть однофазными или трехфазными.

Мгновенные значения действующих значений ЭДС имеют следующий вид:

, ,

Отсюда видно, что сумма электродвижущих сил симметричной трехфазной системы в любой момент времени равна нулю.

Если концы трех обмоток соединить в один узел, а начала будут служить для подключения нагрузки, то такой вид соединения называют соединения обмоток генератора звездой. При этом три обратных провода сливаются в один, называемый нулевым или нейтральным. 

РИС.8.1

При таком способе соединения напряжение между каждой фазой и нулевым проводом называют фазным напряжением. Напряжение между фазами А-В, В-С, С-А называют линейным напряжением.

Соотношение между напряжениями имеет следующую формулу:

Внизу представлена векторная диаграмма фазных и линейных напряжений симметричного источника.

РИС.8.2.

Напряжение между началом и концом фазы называется фазным Uф. Напряжение между линейными проводами называются линейными: Uав, Uвс, Uса, (на потребителе).

При соединении звездой IЛ = IФ, а линейные напряжения:

  .  .  .

Uав = Uа - Uв

  .  .  .

Uвс = Uв - Uс

  .  .  .

Uса = Uс - Uа

Если при симметричной системе э. д.с. генератора э. д.с. фазы А равна ЕА то

  .  .  .  .

ЕВ  = а2 ЕА,  Ес = а ЕА,

где а - оператор поворота.

Такой порядок чередования фаз называют прямой последовательностью, в отличие от симметричной системы обратной последовательности:

.  .  .  .  .

ЕА, ЕС  = а2 ЕА,  ЕВ  = а ЕА,

При симметричной нагрузке трехфазного приемника соединенного звездой с нулевым проводом, система его фазных токов симметрична:

.  .  .  . 

IА  + IB + IC  = IA (1 + а2 + а) = 0. (2)

  .

Ток в нейтральном проводе равен нулю IA  = 0. Нейтральный провод можно устранить.

Линейное напряжение при симметричной нагрузке:

  (3)

В трехфазной системе без нейтрального провода при любой нагрузке

.  .  . 

IА  + IB + IC  = 0.

При несимметричной нагрузке между нейтральной точкой генератора N и нейтральной точкой приемника появляется напряжение:

  (4)

  .  .  .

Фазные напряжения Uan, Ubn, Ucn, не равны по величине и сдвинуты относительно друг друга на разные углы (рис. 5.2). Напряжения на фазах приемника равны:

Рис. 5.1.

.  .  . 

Uan = EA  - UNn

  .  .  . 

Ubn = EB  - UNn  (5) 

  .  .  . 

Ucn = EC  - UNn

Токи в фазах приемника и нейтральном проводе:

;  ;  ;  ;  (6)

При отсутствии нейтрального провода в выражении (4) надо положить

Рис. 5.2.

Цель работы: Исследовать трехфазные системы переменного тока и методы измерения фазных и линейных токов и напряжений. Проверить основные соотношения между токами и напряжениями при соединении потребителей в «звезду»; выяснить роль нулевого провода в четырехпроводной системе.

Приборы и оборудование:

Источник переменного трехфазного тока с нулевыми проводами. Амперметр АСТ  0 – 2,5 – 5 А – 3 шт. Амперметр АСТ  0 – 0,25 – 0,5 А – 1 А. Вольтметр АСТВ  0 – 150 – 300 В – 1 шт. Ламповый реостат из 9 ламп накаливания.

Схемы опыта

Рис.1

Рис.2

Рис.3

Рис.4

Порядок работы

Ознакомиться с приборами и оборудованием, необходимым для выполнения работы, записать их основные технические данные. Собрать схему (Рис. 1) и предъявить ее на проверку руководителю. Произвести следующие опыты:

3.1 Равномерная нагрузка без нулевого провода. Убедится, что

  UЛ = √3UФ,         IA = IB = IC.

3.2 Равномерная нагрузка с нулевым проводом. Убедится, что нулевой провод не вносит изменений.

  UЛ = √3UФ,         IA = IB = IC.

3.3 Неравномерная нагрузка без нулевого провода. Убедится, что

  UA≠ UB ≠ UC

3.4 Неравномерная нагрузка с нулевым проводом. Убедится, что

  UA= UB = UC,         UЛ = √3UФ,         IЛ = IФ 

Показания приборов и результаты расчетов записать в таблицу 1.

Таблица 1 Результаты измерений и вычислений

№ п/п

Измерить

Вычислить

IA А

IB А

IC А

I0 А

UA В

UB В

UC В

UAВ В

UBС В

UCА В

U0 В

PА Вт

PВ Вт

PС Вт

Рл Вт

1

2

3

4

Убедиться, что для всех опытов линейные напряжения не изменяются. Рассчитать фазные активные мощности потребителей и мощность всех потребителей системы:

Активная мощность фазы, Вт;

  Рф = Uф· Iф· Cos цф 

       Активная мощность цепи, Вт;

       Р = РА + РВ + РС

Для опытов 3.1 и 3.4 построить векторные диаграммы напряжений и токов, для опыта 3.4 определить ток в нулевом проводе графически  I0 = IA + IB + IC  и сравнить его с опытным значением. Составить отчет о проделанной работе. Ответить на контрольные вопросы

Какое соединение потребителей электрической энергии называют «звездой»? Поясните назначение нулевого провода при несимметричной нагрузке. Во сколько раз линейное напряжение больше фазного при соединении в «звезду» с выведенной нулевой точкой? Как определить аналитически напряжение между нейтральными точками генератора и потребителя? Как определить силу тока в нулевом проводе, если известна сила тока в каждом фазном проводе?