Трехфазные электрические цепи, электрические машины, измерения электрической энергии, электрического освещения, выпрямления переменного тока

Костромская государственная

сельскохозяйственная академия

Кафедра ТОЭ и автоматики

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по курсу

"Электротехника с основами электроники"

для студентов факультета

Механизации сельского хозяйства

2 цикл

Составитель: старший

преподаватель кафедры ТОЭ и А

Смирнов В.Б.

Кострома - 2003

Лабораторный практикум по курсу "Электротехника с основами электроники (2 цикл). Для студентов факультета механизации сельского хозяйства. - Кострома: издательство Костромской государственной сельскохозяйственной академии, 2003.

Лабораторный практикум содержат описания лабораторных работ, которые студенты факультета механизации сельского хозяйства выполняют во втором семестре после начала изучения курса "Электротехника с основами электроники" и включают в себя разделы трехфазных электрических цепей, электрических машин, измерения электрической энергии, электрического освещения, выпрямления переменного тока, а также общие требования по технике безопасности при выполнении лабораторных работ.

Рекомендовано методической комиссией факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства КГСХА

Протокол № 4 от 16 декабря 2002 года.

Костромская государственная сельскохозяйственная академия, 2003.

Общие требования по выполнению лабораторных работ

Изучите по методическим указаниям и конспекту лекций теоретические вопросы, относящиеся к теме предстоящей работы. Ознакомьтесь с содержанием и порядком выполнения работы.

В тетради для лабораторных работ напишите номер, название и цель работы, начертите схему исследования электрической цепи и таблицу для записей результатов опытов и расчетов.

Соберите цепь по заданной схеме. Вначале рекомендуется подключить все последовательно соединенные элементы, а только затем подключить элементы, включаемые параллельно. Проверить правильность соединения цепи.

Включать цепь под напряжение только после разрешения преподавателя

При проведении опытов следует выполнять требования по технике безопасности:

перед началом сборки схемы необходимо убедится в том, что стенд выключен;

не применяйте провода с поврежденной изоляцией, наконечники

проводов надежно зажимайте клеммами;

о включении стенда необходимо предупредить всех членов группы;

при появлении во время работы искр, запаха, дыма или других признаков ненормальной работы оборудования необходимо немедленно отключить стенд и сообщить об этом преподавателю;

запрещается самовольно устранять неисправности электрооборудования;

при несчастном случае следует немедленно сообщить об этом преподавателю.

Разбирать схему следует только после проверки преподавателем результатов опытов.

Произведите необходимые расчеты и графические построения и сделайте выводы по работе.

Методические указания к лабораторной работе № 6

"ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ

ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПО СХЕМЕ "ЗВЕЗДА"

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследовать цепь трехфазного тока при соединении потребителей электроэнергии по схеме "звезда" для различных режимов работы, выяснить влияние нейтрального провода на величины фазных напряжений потребителя.

ПОРЯДОК РАБОТЫ:

1. Ознакомиться с приборами, необходимыми для выполнения работы, записать их технические характеристики.

Собрать электрическую цепь (рис.1).

3. Установить симметричную нагрузку в фазах и записать показания приборов при наличии нейтрального провода и без него. Убедиться, что Uл = Uф /

4. Установить несимметричную нагрузку фаз (разное количество ламп в каждой фазе) и записать показания приборов при наличии нейтрального провода и без него.

5. Установить симметричную нагрузку и, отключив все лампы в одной из фаз потребителя, что соответствует обрыву в данной фазе, записать показания приборов при наличии нейтрального провода и без него.

Установив симметричную нагрузку фаз, отключить нейтральный провод и записать показания приборов при коротком замыкании одной из фаз потребителя (для этого можно проводником замкнуть накоротко зажимы любой фазы). Все данные измерений и вычислений внести в таблицу 1 и построить по этим данным векторные диаграммы для каждого пункта.

Таблица 1.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Трехфазной системой переменных токов называется совокупность трех однофазных электрических цепей, в которых действуют три синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе на 1/3 периода и создаваемые одним источником электрической энергии. Обмотки фаз генератора имеют одинаковое число витков и выполняются из провода одинакового сечения, поэтому ЭДС, индуктированные в этих обмотках, равны по величине.

Если каждая из трех фаз генератора работает на отдельную нагрузку, то в этом случае имеет место несвязанная трехфазная система, в которой генератор соединен с нагрузкой 6-ю проводами (рис.2).

Такие системы неэкономичны и практического применения не имеют.

Соединение фаз генератора и нагрузки может осуществляться по схемам "звезда" и "треугольник". Если концы фаз генератора соединить в одну точку, а к началам подвести линейные провода, соединяющих генератор с нагрузкой, то такое соединение называется "звездой" и условно обозначается знаком " " (рис.3).

Чтобы соединить фазы нагрузки по схеме "звезда", следует все концы фаз этого потребителя соединить в одну точку, а начала фаз линейными проводами соединить с источником энергии.

Точки соединения концов фаз генератора (0) и нагрузки (0`) называются соответственно нулевыми, или нейтральными точками генератора и нагрузки.

Обе эти точки соединяются проводом, называемым нулевым или нейтральным.

Таким образом, генератор соединен с нагрузкой четырьмя проводами, поэтому такая система называется трехфазной четырехпроводной.

7

Токи, протекающие в фазах генератора или нагрузки, называются фазными и обозначаются: IА; IВ; IС или в общем виде IФ.

Токи, протекающие по линейным проводам, называются линейными IЛ.

При соединении "звездой" фаза генератора, линейный провод и фаза нагрузки соединены последовательно, поэтому IЛ = IФ.

По нейтральному проводу протекает ток, равный геометрической сумме трех токов: IО= IА+IВ+IС или алгебраической сумме комплексов этих токов: IО=IА+IВ +IС.

Напряжения, измеренные между началом и концом каждой фазы, называются фазными и обозначаются: UА; UВ; UС или в общем виде UФ. Напряжения UАВ; UВС; UСА называются линейными и измеряются между линейными проводами, т.е. между началами фаз. В линейных проводах принято считать положительными направления токов от генератора к нагрузке, а в нейтральном - от нагрузки к генератору.

Благодаря наличию нейтрального провода, фазные напряжения потребителя остаются неизменными как при симметричной, так и при несимметричной нагрузке.

Если ток в нейтральном проводе равен нулю, что может иметь место при симметричной нагрузке, то трехфазная система может стать трехпроводной (рис.4).

Соотношения между линейными и фазными напряжениями устанавливаются на основании второго закона Кирхгофа. При этом уравнения для действующих значений записываются в векторной (1) или комплексной (2) форме:

UАВ= UА - UВ UАВ = UА - UВ

UВС= UВ - UС (1) UВС = UВ - UС (2)

UСА = UС - UА UСА= UС - UА

Векторные диаграммы, построенные по уравнениям (1), изображены на рис.5

(а,                                            б).

Векторная диаграмма рис.5 (а) называется топографической (каждая точка этой диаграммы соответствует точке на схеме).

Из векторной диаграммы рис.5 (б) видно, что "звезда" фазных напряжений отстает от "звезды" линейных напряжений на угол 30°. Соотношение между величинами фазных и линейных напряжений для симметричной нагрузки можно вывести, рассматривая один из треугольников, составленных векторами фазных и линейных напряжений.

Например:

Откуда

Т.е., линейное напряжение в случае симметричной нагрузки и при наличии нейтрального провода в раз больше фазного.

UО - напряжение, измеряемое между нейтральными точками генератора и потребителя.

СЛУЧАЙ СИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ.

Нагрузка, подключенная к трехфазному генератору, может быть симметричной и несимметричной.

Симметричной называется такая нагрузка, при которой сопротивления фаз одинаковы по величине и по характеру, т.е.

ZА = ZВ = ZС = r + jx

При симметричной нагрузке токи в фазах по величине равны между собой.

IА = IВ = IС,

где

На Рис.6 показаны векторные диаграммы напряжений и токов для симметричной активной нагрузки (а) - при наличии нейтрального провода

(IА + IВ + IС = IО = 0), а (б) - без нейтрального провода.

Рис.6

СЛУЧАЙ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ.

При несимметричной нагрузке ZА¹ZВ¹ZС, токи в фазах IА¹IВ¹IС.

Векторные диаграммы для данного случая изображены на рис.7 (а, б).

На рис.7 (а) показано графическое определение тока в нейтральном проводе IО. Благодаря наличию нейтрального провода при несимметричной нагрузке напряжения на фазах потребителя энергии остаются неизменными и равными фазным напряжениям генератора (если пренебречь сопротивлением нейтрального провода и линейных проводов).

Рис.7

В случае обрыва нейтрального провода нулевая точка смещается в сторону более нагруженной фазы, и напряжения на фазах потребителя изменяются, что приводит к нарушению нормальной работы приемников энергии, поэтому в нейтральный провод не рекомендуется ставить предохранитель или рубильник. Токи в трехфазной цепи без нейтрального провода принимают такие значения, что их геометрическая сумма равна нулю.

Если в качестве нагрузки трехфазной трехпроводной цепи используются лампы накаливания одинаковой мощности, то их накал определяется фазным напряжением, а так как напряжения на фазах различны, то лампы будут гореть с различной яркостью. Наибольший накал ламп будет в той фазе, в которой включено меньшее количество ламп.

В случае обрыва одной из фаз, например, фазы "А" без нейтрального провода (отключены все лампы в этой фазе), две другие фазы ("В" и "С") оказываются включенными последовательно и находятся под линейным напряжением UВС. Если сопротивления одинаковы, то напряжения их будут равны, и каждое составляет половину линейного напряжения UВС/2 (рис.8).

Рис.8

В этом случае лампы, включенные в фазу "А", погаснут, а в фазах "В" и "С" будут иметь меньший накал.

Уменьшение сопротивления одной из фаз (например, "А") до нуля, что соответствует короткому замыканию в ней, приводит к смещению нулевой точки в вершину треугольника линейных напряжений, тогда UА=0, а фазные напряжения UВ и UС становятся равными линейным: UАВ и UСА.

Векторная диаграмма токов и напряжений для данного случая показана на рис.9.

Рис.9

Лампы, включенные в фазу "А", гаснут, а в фазах "В" и "С" горят ярче обычного.

Вывод: при несимметричной нагрузке фаз нельзя применять соединение приемников по схеме "звезда" без нулевого провода.

Содержание ОТЧЕТА

1. Технические характеристики приборов и элементов, используемых в работе.

2. Схемы и таблицы.

3. Расчетные формулы и векторные диаграммы.

4. Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какое соединение фаз генератора и нагрузки называется "звездой"?

2. Каково соотношение между фазными и линейными напряжениями и токами при соединении нагрузки "звездой"?

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5