Министерство образования РоссийскойФедерации
Пермский Государственный ТехническийУниверситет
Кафедра электротехники и электромеханики
Лабораторная работа № 5
Исследование симметричных инесимметричных режимов работы
трехфазной цепи переменногонапряжения при соединении фаз источника и приемника по схеме «звезда»
Выполнил: студент гр.
Проверил: ст. преподаватель
Цель работы: Приобретение практических навыковсоединения фаз приемников по схеме «звезда»; опытное исследование распределенийтоков, линейных и фазных напряжений при сим-метричных и несимметричных режимахработы трехфазной цепи; выяснение роли нейтрального провода.
№
п/п
Наименованное
прибора
Заводской
номер Тип
Система
измерения
Класс
точности
Предел
измерений Цена деления 1 Вольтметр Э34 ЭМ 1.0 300 В 10 В 2 Вольтметр Э34 ЭМ 1.0 300 В 10 В 3 Вольтметр Э34 ЭМ 1.0 300 В 10 В 4 Вольтметр Э30 ЭМ 1.5 150 В 5 В 5 Амперметр Э34 ЭМ 1.0 7.5 А 0.2 А 6 Амперметр Э34 ЭМ 1.0 7.5 А 0.2 А 7 Амперметр Э34 ЭМ 1.0 7.5 А 0.2 А 8 Амперметр Э30 ЭМ 1.5 5 А 0.2 А
табл. 1. Паспортныеданные электроизмерительных приборов.
Теоретические сведения
Отдельные фазы трехфазныхисточников и приемников электрической энергии принято на практике соединять посхеме «звезда» или схеме «треугольник». Для получения соединения «звезда» концыотдельных фаз источника (приемника) электрически соединяют между собой.Образующаяся при таком соединении общая точка называется нейтралью источника(приемника). На электрических схемах нейтраль источника принято обозначатьбуквой N, а нейтраль прием-ника буквой n.
Передача электрическойэнергии от источника, может осуществляться посредством трех-проводной (рис. 1)или четырехпроводной (рис. 2) воздушной или кабельной линии.
/>
В трехфазнойтрехпроводной системе начала фаз источника А, В, С соединяются с помощью трехпроводов линии электропередачи с началами фаз a, b, c трехфазного приемника. Нейтральисточника N и нейтраль приемника n при этом между собой непосредственноне соединены. В трехфазной четырехпроводной системе, наряду с тремя проводами,соединяющими начала фаз источника и приемника, используется четвертый провод,соединяющий нейтраль источника N снейтралью приемника n, получившийназвание нейтрального.
Трехфазные источникиэлектрической энергии вырабатывают симметрическую систему фазных напряжений.Симметрия фазных напряжений источника обуславливает симметрию его линейныхнапряжений.
Напряжения на фазахтрехфазного приемника, токи и мощности фаз, углы сдвига фаз между фазныминапряжениями, фазными токами, между напряжениями и токами одноименных фаззависят от величины активных, индуктивных и емкостных сопротивлений фазприемника и от числа проводов линии, соединяющей трехфазный источник итрехфазный приемник.
В случае симметричноготрехфазного приемника, для которого справедливы следующие три равенства: />, />, />, в трехфазной цепи, кактрехпроводной, так и четырехпроводной, устанавливается симметричный режимработы. В этом режиме напряжения на фазах приемника, токи в фазах, активные,реактивные и полные мощности фаз, углы сдвига фаз между фазными напряжениями,фазными токами, между напряжениями и токами одноименных фаз равны по величине.В нейтральном проводе ток отсутствует, т.е. нейтральный провод не используетсяи поэтому необходимость в нем в симметричном режиме работы трехфаз-ной системыотпадает. Другими словами, передачу от трехфазного источника симметричномутрехфазному приемнику целесообразно осуществлять с помощью трехпроводной линии.
Если трехфазный приемникявляется несимметричным, т.е. сопротивления фаз отличаются или по величине, илипо характеру, или одновременно и по величине и по характеру, то в трехфаз-нойсистеме, как трехпроводной, так и четырехпроводной, устанавливаетсянесимметричный ре-жим работы. В этом режиме работы как трехфазной трехпроводной,так и трехфазной четырех-проводной системы токи в фазах приемника, активные,реактивные и полные мощности фаз, углы сдвига фаз между токами, между токами инапряжениями одноименных фаз в общем случае различны по величине. Напряжения нафазах приемника в трехфазной трехпроводной цепи образуют несимметричнуюсистему. Степень несимметрии напряжений фаз приемника определя-ется параметрамиего фаз, т.е. величинами активных, индуктивных и емкостных сопротивлений.Несимметрия напряжений фаз приемника негативно сказывается на его работе иявляется недопустимой. Применение нейтрального провода, т.е. переход ктрехфазной четырехпроводной системе, позволяет устранить несимметрию напряженийфаз приемника и, как следствие, улуч-шить рабочие характеристики приемника.Поэтому передача энергии от трехфазного источника несимметричному трехфазномуприемнику осуществляется посредством четырехпроводной линии электропередачи.
Рабочее задание
/>
1. В качестве источникапитания используется источник трехфазного переменного напря-жения. Действующиезначения напряжений фаз />, />, /> равны 127 В, а действующиезначе-ния линейных напряжений />, />, /> равны 220 В. Функцииприемников электрической энергии выполняют лампы накаливания трех ламповыхреостатов. На схеме (рис. 3) ламповые реостаты замещены регулируемыми повеличине активными сопротивлениями />, />, />, соединенными в «звезду».Напряжения на фазах потребителя измеряются вольтметрами элект-ромагнитной системыс пределом измерения 300 В. Напряжение между нейтралью источника Nи нейтралью приемника n измеряется вольтметромэлектромагнитной системы с пределом измерения 150 В. Токи в фазах потребителя иток в нейтральном проводе измеряются амперметрами электромагнитной системы спределом измерения 7,5 и 5 А. Однополюсной вы-ключатель К в цепи нейтральногопровода позволяет исследовать режимы работы трехфазной трехпроводной системы(выключатель К отключен) и режимы трехфазной четырехпроводной системы (выключательК включен). Сопротивления проводов, соединяющих источник и при-емник, влабораторных условиях могут быть приняты равными нулю. При этом линейные напря-женияна зажимах потребителя />, />, /> по величине становятсяравными линейным напря-жениям источника и образуют в совокупности симметричнуютрехфазную систему с действу-ющим значением 220 В.
2. Исследуем работуэлектрической цепи в режимах, указанных в табл. 2. Показания электро-измерительныхприборов, снятых при проведении работы, занесем в табл. 3.№ Режимы работы Положение выключателя К Число включенных ламповых реостатов в фазе откл. вкл.
/>
/>
/> 1 Симметричный режим трехфазной трехпроводной системы. X 6 6 6 2 Симметричный режим трехфазной четырехпроводной системы. X 6 6 6 3 Несимметричный режим трехфаз-ной трехпроводной системы. X 6 4 3 4 Несимметричный режим трехфаз-ной четырехпроводной системы. X 6 4 3 5
Несимметричный режим трехфаз-ной трехпроводной системы, обусловленный обрывом фазы /> потребителя. X – 6 6 6
Несимметричный режим трехфаз-ной четырехпроводной системы, обусловленный обрывом фазы /> потребителя. X – 6 6 7
Несимметричный режим трехфаз-ной трехпроводной системы, обусловленный коротким замыка-нием фазы />потребителя. X – 4 4 8
Несимметричный режим трехфаз-ной трехпроводной системы, обусловленный включением в фазу /> потребителя батареи конденсаторов. X Батарея конден-саторов, емкостью 40 мкФ 6 4 9
Несимметричный режим трехфаз-ной четырехпроводной системы, обусловленный включением в фазу /> потребителя батареи конденсаторов. X Батарея конден-саторов, емкостью 40 мкФ 6 4
табл. 2. Режимы работы.
3. Рассчитаем, используяполученные данные, сопротивления фаз потребителя по формулам, например, для 3-егоопыта:
/>
/>
/>
Результаты расчетазаписываем в табл. 3.№
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/> В А В А Ом 1 115 115 115 3,1 3,1 3,1 37,1 37,1 37,1 - 2 115 115 115 3,1 3,1 3,1 37,1 37,1 37,1 - 3 80 130 150 2,65 2,2 1,65 33 30,2 59,1 90,9 - 4 118 120 116 3,1 2,1 1,5 1,21 38,1 57,1 77,3 - 5 180 105 105 2,9 2,8 58 ∞ 36,2 37,5 - 6 120 120 115 3,1 3,1 3,1 ∞ 38,7 37,1 - 7 210 210 5,45 3,2 3,15 120 65,6 66,6 - 8 175 150 60 2,05 3,5 1,5 62 - 42,9 40,0 85,4 9 120 120 115 1,5 3,1 2,15 2,82 - 38,7 53,5 80
табл. 3. Опытные ирасчетные данные.
Проведем дополнительныеисследования несимметричных режимов работы электрической цепи (табл. 2, опыты 8и 9). С этой целью вместо лампового реостата, включенного в фазу /> приемника, включаетсябатарея конденсаторов емкостью 40 мкФ.
По полученным даннымрассчитываем активные сопротивления rb и rc, емкостное сопротивле-ние xab. При расчете емкостного сопротивленияиспользуем выражение, например, для восьмого опыта:
/>
Вывод: при работе системы в режимесимметричной нагрузки нет необходимости в использо-вании нейтрального провода,т.к. напряжения смещения нейтрали при этом равно 0.
При возникновениинесимметрии в нагрузке происходит перераспределение напряжения: на фазе с малойнагрузкой напряжение увеличивается, и наоборот. При использовании нейтральногопровода фазные напряжения на источнике и потребителе выравниваются. Чемнагрузка более несимметрична, тем больше напряжение смещения нейтрали: приобрыве фазы A напряжение сме-щения UnN = 60 В, а при коротком замыкании вэтой же фазе UnN = 120 В, т.е. в два раза больше. Вбольшей степени, чем величина нагрузки, на несимметрию влияет ее характер:активная, емкост-ная или индуктивная.
Необходимостьиспользования нейтрального провода возникает только при несимметричнойнагрузке.