 |
|
Дослідження кола трифазного змінного струму при з’єднанні споживачів електричної енергії по схемі «зірка»
Мета роботи – експериментально дослідити коло трифазного змінного струму при симетричному і несиметричному навантаженнях; визначити роль нейтрального проводу; ознайомитися з особливостями розрахунку трифазних кіл при різноманітних режимах навантаження.
План і порядок виконання роботи
1. Зібрати схему для експериментального дослідження ланцюга, зображену на рис. 3.1. Для цього необхідно початки обмоток фаз А, В, С (виводи позначені зірочкою) блоку трифазної напруги об’єднати на набірному полі стенду в одну точку, що відповідає нейтралі генератора N. Кінці обмоток фаз А, В, С через розетки, замкнуті перемички, підключити до виводів трьох споживачів zа, zв, zс. Другі виводи споживачів об’єднати в одну точку, що відповідає нейтралі навантаження n. Точки N і n схеми (див. рис. 3.1) з’єднати через розетку, замкнуту перемичку, нейтральним проводом. В якості навантажень використовувати елементи блоку змінного опору і навісні елементи комплекту, що входить в склад стенду. Значення фазних напруг генератора UAN, UВN, UСN і параметри навантажень zа, zв, zс задає викладач. Для вимірювання струмів і напруг використовувати комбінований вимірювальний прилад.
Рис. 3.1
2. Після перевірки схеми викладачем ввімкнути блок трифазної напруги. Встановити режим симетричного навантаження з замкнутим нейтральним проводом. Ввімкнути прилад в режим вимірювання струму. По черзі виміряти лінійні струми ІA, ІB, ІС і струм в нейтральному проводі ІN. Перевести прилад в режим вимірювання напруги. Виміряти фазні напруги Uan, Ubn, Ucn і лінійні напруги Uab, Ubc, Uca на навантаженнях. Дані вимірювань занести до табл. 3.1.
Таблиця 3.1
| Режим роботи | ІIa, мА | ІIb, мА | ІIc, мА | ІIn, мА | UUab, В | UUbc, В | UUca, В | UUan, В | UUbn, В | UUcn, В | UUnN, В | PPa, Вт | PPb, Вт | PPc, Вт | PP, Вт | ||||||||||||||||||
| Симетричне навантаження | З Nn | α C РВ | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Ббез Nn | α C РВ | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| Несиметричне навантаження | З Nn | α C РВ | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Ббез Nn | α C РВ | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| Обрив фази | З Nn | α C РВ | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Ббез Nn | α C РВ | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Де Nn – нейтральний провід; РВ – результат вимірювання; С – ціна поділки; α – відхилення стрілки приладу.
3. Встановити режим несиметричного навантаження з нейтральним проводом. Провести вимірювання аналогічно п. 2.
4. Розімкнути нейтральний провід і провести вимірювання аналогічно п.3.
Рис. 3.2
5. Розімкнути один з лінійних проводів (за вказівкою викладача) і замкнути нейтральний провід (рис. 3.3). Провести вимірювання аналогічно п. 2 (виключаючи вимірювання струму в «обірваному» лінійному проводі).
Рис. 3.3
6. Розімкнути нейтральний провід (рис. 3.4) і провести вимірювання аналогічно п. 3.
Рис. 3.4
7. Після перевірки результатів вимірювань викладачем вимкнути джерело напруги і розібрати схему дослідження.
8. Використовуючи результати вимірювання розрахувати потужність фаз Ра, Рb, Рc і сумарну активну потужність трифазного навантаження ∑Р. Результати розрахунків занести до табл. 3.1.
9. За даними вимірювань побудувати в масштабі векторні діаграми струмів і топографічні діаграми напруг для всіх режимів навантаження.
Короткі теоретичні відомості
З’єднання приймачів енергії в трифазному колі по схемі «зірка» об’єднанням кінців фаз навантаження в нейтральну точку n, при цьому початки фаз навантаження підключені до мережі лінійними проводами.
Симетричне навантаження в трифазному колі утворюється при ввімкненні в кожну з фаз однакових по значенню і характеру опорів, тобто zа=zb=zс, φа=φb=φс, де φа, φb, φс – кути зсуву фаз між фазовими струмами і напругами. Якщо одна з вказаних умов не виконується, то навантаження несиметричне.
Фазні напруги в такому колі – різниця потенціалів між точками початку кожної фази і визначаються так:
; 
; 
.
Лінійні напруги рівні геометричній різниці фазних напруг:
; 
; 
.
Якщо обмотки трифазного генератора з’єднанні також в «зірку» і нейтральна точка генератора N з’єднана з нейтральною точкою навантаження n, то утворюється чотирипровідна трифазна система (див. рис. 3.1), яка має перевагу перед трипровідною системою (див. рис. 3.2). При наявності нейтрального проводу, незалежно від значень і характеру навантаження, фазні напруги генератора рівні фазним напругам на навантаженні:
; 
; 
.
Відповідно рівні і лінійні напруги генератора і навантаження. Якщо рівні між собою фазні напруги генератора, то рівні і фазні напруги на навантаженні.
При відсутності нейтрального проводу, при несиметричному навантаженні порушується рівність фазових напруг на навантаженні і виникає напруга зміщення нейтралі ŪnN.
Таким чином, нейтральний провід слугує для вирівнювання фазних напруг на навантаженні, що має велике практичне значення з точки зору споживачів електричної енергії. Трипровідна трифазна система застосовується лише у випадках симетричного навантаження (наприклад, для живлення трифазних двигунів змінного струму).
Струм в нейтральному проводі на основі першого закону Кірхгофа визначається як геометрична сума лінійних струмів:
ĪN=Īa+Īb+Īc.
Лінійний струм – це струм в лінійному проводі. При з’єднанні навантаження в «зірку» лінійний струм являється також і фазним струмом.
При симетричному навантаженні фаз приймача (а при наявності нейтрального проводу і при несиметричному навантаженні) лінійна напруга більше фазної в 
раз: 
.
Сумарні значення потужності визначаються наступним чином:
при симетричному навантаженні
- активна, Вт: 
;
- реактивна, вар: 
;
- повна, В·А: 
;
при несиметричному навантаженні
- активна, Вт: 
;
- реактивна, вар: 
;
- повна, В·А: 
.
Розглянемо побудову векторних і топографічних діаграм за даними вимірювань. Зазвичай всі побудови проводять на топографічному трикутнику лінійних напруг мережі. Для знаходження нейтралі навантаження з кожної вершини топографічного трикутника циркулем проводять засічку радіусами, рівними фазним напругам. Точка пересікання цих засічок і визначає нейтраль навантаження n.
Вектор струмів зручно будувати виходячи з точки n. Кожний струм будується в відповідності до своєї величини і напрямком відносно своєї фазної напруги на навантаженні.
На рис. 3.5 показана векторна діаграма струмів і топографічна діаграма напруг для режиму симетричного активного навантаження з нейтральним проводом. Вектори нейтральних (фазних) струмів співпадають по напрямку з векторами відповідних фазних напруг. Як видно з рис. 4.5 струм в нейтральному проводі рівний нулю.
Рис. 3.5
За відсутності нейтрального проводу (див. рис. 3.2) і симетричному навантаженні зміщення нейтральної точки навантаження n відносно нейтральної точки генератора N не відбувається. Тому векторна і топографічна діаграми не відрізняються від приведеної на рис. 3.5.
У випадку несиметричного навантаження з нейтральним проводом в ньому виникає струм ĪN (рис. 3.6).
Рис. 3.6
При обриві нейтрального проводу (див. рис. 3.2) і несиметричному навантаженні з’являється напруга зміщення нейтралі (рис. 3.7). В відповідності до першого закону Кірхгофа геометрична сума лінійних струмів
Īa+Īb+Īc=0.
Рис. 3.7
Якщо розімкнути один з лінійних проводів і залишити замкнутим нейтральний провід, то трифазна система стає двохфазною (див. рис. 3.3). Навіть при симетричному навантаженні в нейтральному проводі з’являється струм (рис. 3.8)
ĪN=Īb+Īc.
Рис. 3.8
При обриві нейтрального і лінійного проводів трифазний ланцюг вироджується в однофазний ланцюг змінного струму (див. рис. 3.4). В цьому випадку на затискачах ланцюга діє лише одна лінійна напруга Ubс (рис. 3.9), яка розподіляється на навантаженнях zb і zс пропорційно їх опорам. Нейтральна точка навантаження n переміщується на вектор Ūbс і з’являється напруга зміщення нейтралі ŪnN. Лінійні струми, що залишились (Іb і Іс), рівні по величині і протилежні по напрямку.
Рис. 3.9
Якщо навантаженням в трифазній системі являються не активні, а комплексні опори, то векторні діаграми відрізняються від розглянутих тим, що між векторами фазних (лінійних) струмів і векторами відповідних фазних напруг існують кути фазових зсувів φа, φb, φc.
Контрольні питання для самоперевірки
1. Як утворюється з’єднання однофазних приймачів зіркою в трифазні ланцюги? Намалюйте схему.
2. Як визначити вид навантаження – симетрична чи несиметрична?
3. Поняття про фазні і лінійні напруги і відношення між ними. Як їх виміряти практично в схемі?
4. Струми в трифазних ланцюгах при з’єднанні споживачів «зіркою».
5. Призначення нейтрального проводу. Чому не ставлять запобіжник в нейтральний провід?
6. Як визначаються за досліджуваними даними активна, реактивна і повна потужності трифазного ланцюга?
7. Як розрахувати аналітично і знайти графічно силу струму в нейтральному проводі?
8. Пояснити побудову векторних діаграм для досліджуваних в лабораторній роботі випадків, а також для випадків навантаження в фазі будь-якого характеру (активного, реактивного).
9. Напишіть миттєві значення фазних напруг симетричного трифазного джерела.
10. Від чого залежить фазна напруга на затискачах приймача при відсутності нейтрального проводу?