Эл.Безопасность Лаб №4 (1). Лабораторная работа 4 по дисциплине Электробезопасность и технология электромонтажных работ
 Скачать 0.78 Mb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Комсомольский-на-Амуре государственный университет» Факультет энергетики и управления Кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Лабораторная работа №4 по дисциплине «Электробезопасность и технология электромонтажных работ» Монтаж и исследование трехфазных электрических нагрузок Студент группы 1АУб-2 И.А. Федосеев Преподаватель Б.Д. Табаров 2022 Содержание 1. Основные теоретические сведения…………………………………………....4 1.1 Трехфазный источник питания………………………………………………6 1.2 Способы соединения фаз генератора и нагрузки…………………………...9 1.3 Симметричный режим работы трехфазной цепи…………………………13 1.4 Несимметричный режим работы трехфазной цепи………………………17 1.5 Мощность несимметричной трехфазной цепи……………………………19 Цель работы – изучение основных свойств, законов и режимов работы трехфазных электрических цепей при соединении источника и нагрузки звездой. Исследование симметричных и несимметричных режимов работы трехфазной цепи с нейтральным проводом и без него. 1Основные теоретические сведения 1.1Трехфазный источник питания; Трехфазная электрическая цепь может быть представлена как совокупность трех однофазных цепей, в которых действуют ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые друг относительно друга на одну треть периода, или, что то же, на угол 120 градусов. Эти три составные части трехфазной цепи называются фазами и им будут приписываться буквенные обозначения. А, B, C. На рисунке 1 схематично показана трехфазная цепь, фазы которой электрически не связаны друг с другом. Такие трехфазные цепи называются несвязанными в настоящее время не применяются.  Рисунок-1 несвязанная трехфазная сеть Таким образом, термином «фаза» в электротехнике обозначаются два понятия: угол, определяющий стадию периодического процесса, и составная часть многофазной цепи. Фазы. А, В, С, изображены на рисунке 1 под углом 120 градусов для того чтобы подчеркнуть, что ЭДС. Eа ,Eb, Ec. Сдвинуты друг относительно друга на одну треть периода. При равенстве амплитуд ЭДС и одинаковых сопротивлениях в фазах токи Ia, Ib, Ic. Также равны по величине и сдвинуты друг относительно друга на одну треть периода, образуя так называемый трехфазный ток. Сумма этих токов в любой момент времени равна нулю, поэтому если три провода, по которым токи возвращаются к источникам, объединить в один провод, то ток в этом проводе будет равен нулю. При отсутствии в проводе тока излишним в данном случае является и сам провод; от него можно отказаться, перейдя, таким образом, к схеме рисунке 2.  Рисунок-2 связанная электрическая цепь В результате этого достигается экономия материала проводов; кроме того, по сравнению с несвязанной трехфазной цепью исключаются потери мощности от токов Ia, Ib, Ic в обратных проводах. Трехфазная цепь на рисунке 2, фазы которой соединены электрически, представляет собой одну из разновидностей связанных трехфазных цепей. Для получения связанной трехфазной цепи не требуются отдельные однофазные генераторы, а используется трехфазный генератор, схематически показанный на рисунке 3.  Рисунок-3 принцип выполнения трехфазного синхронного генератора Обмотки, в которых наводятся ЭДС, помешаются в пазах статора. Обмотки фаз сдвинуты друг относительно друга на угол 120 градусов /p, где p-число пар полюсов. В случаи двухполюсного генератора, рисунок 3, p =1 и угол равен 120 градусов. При вращении ротора, в силу идентичности трех обмоток генератора в них наводятся ЭДС, имеющие одинаковые амплитуду и частоту, причем эти ЭДС сдвинуты по фазе по отношению друг к другу на одну треть периода, рисунок 4, a. Векторы, изображающие эти ЭДС, равны по модулю и расположены под углом 120 градусов рисунок 4 б.  Рисунок-4 мгновенные ЭДС (а) и векторная диаграмма ЭДС (б) трехфазного генератора. Мгновенные ЭДС трехфазного генератора, показанные на рис. 4, а, выражаются аналитически следующим образом:  1.2 Способы соединения фаз генератора и нагрузки Каждая фазная обмотка имеет две крайние точки или два вывода, которые условно называются началом и концом обмотки. За начало обмотки генератора обычно принимается тот вывод, к которому направлена положительная ЭДС. На рисунке 2 одноименные выводы фазных обмоток генератора обозначены буквами н начало и конец. Показанное на схеме рисунок 2 соединение обмоток трехфазного генератора называется звездой: все концы фазных обмоток генератора соединены в одной общей точке. Иногда для упрощения рисунка фазы генератора изображают не под углом 120 градусов, а параллельно, рисунок 5, а.  Рисунок-5 соединение трехфазного генератора звездой а - схема; б - векторная диаграмма ЭДС Общая точка фазных обмоток генератора называется нейтральной точкой. В зависимости от требований нейтральная точка может быть выведена к отдельному выводу, обозначенному на рисунок 5, а буквой N. При соединении обмоток трехфазного генератора треугольником, рисунок 6, а, начало одной фазной обмотки соединяется с концом следующей по порядку фазной обмотки так, что все три обмотки образуют замкнутый треугольник, причем направления ЭДС в контуре треугольника совпадают и сумма ЭДС равна нулю. Общие точки соединенных обмоток генератора выводятся к выводам, к которым присоединяются линейные провода или нагрузка. При отсутствии нагрузки, т.е. при режиме холостого хода в обмотках генератора, соединенных треугольником, ток не циркулирует, так как сумма трех фазных ЭДС равна нулю, рисунке 6, б.  Рисунок-6 соединение трехфазного генератора треугольником а - схема; б - векторная диаграмма ЭДС Нагрузка в трехфазной цепи также может быть соединена звездой, рисунок 7, а, или треугольником, рисунок 7, б и в.  Рисунок-7 соединение нагрузки звездой (а) и треугольником (б и в) На практике применяются различные комбинации соединении, например: 1 Генератор может быть соединен звездой, а нагрузка – звездой или треугольником; 2 Генератор может быть соединен треугольником, а нагрузка – звездой или треугольником. Соединение нагрузки звездой без нейтрального провода рисунок 2 применяется только при одинаковой нагрузке всех трех фаз. Между тем условие равномерной загрузки фаз на практике не всегда выполняется, например, в случае осветительной нагрузки. При неравномерной нагрузке напряжения на фазах, т. е. на сопротивлениях лучей звезды нагрузки, получаются неодинаковыми. Кроме того, в схеме рисунок 2 недопустимым является включение или отключение одной фазы нагрузки. В этом отношении соединение нагрузки треугольником имеет преимущество сопротивления фаз, т. е. сторон треугольника, могут быть неодинаковы и даже, в крайнем случае, могут включаться и отключаться независимо друг от друга. Такая же возможность имеется при соединении генератора и нагрузки звездой, если их нейтральные точки соединены нейтральным проводом или через землю рисунок 8, а и б.  Рисунок-8 соединение звезда – звезда с нейтральным проводом (а) и заземленными нейтральными точками (б) Электродвижущие силы, наводимые в фазных обмотках генератора, напряжения на их выводах, напряжения на фазах нагрузки и токи в них называются соответственно фазными ЭДС, напряжениями и токами и обозначаются. Е (ф), U(ф), I(ф). Напряжения между линейными проводами и токи в них называются линейными напряжениями и токами и обозначаются U (л), I (л). При соединении фаз звездой фазные токи равны линейным токам I(ф)=I(ф). При соединении фаз треугольником фазное напряжение равно соответствующему линейному напряжению U(ф)=U(л). Различают симметричный и несимметричный режимы работы трехфазной цепи. При симметричном режиме комплексные сопротивления всех трех фаз одинаковы и ЭДС образуют симметричную систему; в противном случае имеет место несимметричный режим. 1.3 Симметричный режим работы трехфазной цепи Введем фазовый оператор  Умножение вектора на оператор, а означает поворот вектора на 120 градусов в положительном направлении против хода часовой стрелки. Соответственно умножение вектора на множитель 2 a означает поворот вектора на 240градусов в положительном направлении или, что то же, поворот его на 120градусов в отрицательном направлении. Очевидно, что:  Если ЭДС фазы A=E a, то ЭДС фаз B и C равны соответственно:  В простейшем случае симметричного режима работы трехфазной цепи, когда генератор и активно-индуктивная нагрузка соединены звездой, рисунок 9, а, векторная диаграмма имеет вид, показанный на рисунок 9, б. Ток в каждой фазе отстает от ЭДС той же фазы на угол активное и реактивное сопротивления фаз.   Рисунок-9 симметричный режим работы трехфазной цепи при соединении звездой, a-трехфазная цепь; б-векторная диаграмма Токи в фазах при наличии нейтрального провода:  Наличие нейтрального провода не вносит при симметричном режиме никаких изменений, так как сумма токов трех фаз равна нулю и ток в нем отсутствует:  Линейные напряжения определяются как разности соответствующих фазных напряжений:  т.е U ab опережает по фазе U a на 30 градусов, причем модуль U ab в корне из 3 раз превышает U a. Из треугольника AOD имеем:  В случае соединения треугольником, рисунок 10, линейные токи определяются в соответствии с первым законом Кирхгофа как разности фазных токов:  причем   Рисунок-10 симметричный режим работы трехфазной цепи при соединении треугольником a-трехфазная цепь б-векторная диаграмма Активная мощность симметричной трехфазной нагрузки равна:  Ввиду того что при соединении нагрузки звездой Uл=корень3Uф и Iл=Iф, а при соединении нагрузки треугольником Uл=Uф и Iл=корень3Iф, активная мощность трехфазной цепи независимо от вида соединения выражается через линейные напряжения и ток следующим образом:  Здесь - угол сдвига фазного тока относительно одноименного фазного напряжения. Аналогичным образом для реактивной и полной мощностей симметричной трехфазной нагрузки имеем:  Если нейтральная точка симметричной трехфазной нагрузки выведена, то измерение активной мощности может быть осуществлено одним ваттметром, включенным по схеме рисунок 11, а одноименные выводы последовательной и параллельной цепей ваттметра отмечены на рисунок 11, а звездочками. Утроенное показание ваттметра равно суммарной активной мощности трех фаз.  Рисунок-11измерение активной мощности при симметричном режиме. Если нейтральная точка не выведена или нагрузка соединена треугольником, то можно воспользоваться схемой рисунок 11, б, где параллельная цепь ваттметра и два добавочных активных сопротивления, доб r равные по величине сопротивлению параллельной цепи ваттметра, образуют искусственную нейтральную точку 0. 1.4 Несимметричный режим работы трехфазной цепи Не симметрия в трехфазной цепи может быть вызвана различными причинами: 1) неодинаковым сопротивлением фаз (несимметричная нагрузка); 2) несимметричным 13 коротким замыканием (например, между двумя фазами или фазой и нейтралью); 3) размыканием фазы; 4) неравенством ЭДС и т.п. Расчет токов и напряжений в трехфазной цепи при несимметричном режиме может производиться теми же методами, которые применяются для расчета однофазных цепей. Рассмотрим несколько вариантов. Несимметричная трехфазная цепь, соединенная звездой, с нейтральным проводом, рисунок 12.  Рисунок-12 несимметричная трехфазная цепь соединения звездой с нейтральным проводом Поскольку в схеме имеются только два узла, целесообразно в данном случае определить узловое напряжение (напряжение смещения) между нейтральными точками O' и O по формуле:  где Y a, Y b, Y c, Y n-проводимости соответствующих ветвей. После этого найдем токи:  В симметричной трехфазной цепи Ya=Yb=Yc, и поэтому при Ea+Eb=Ec=0 узловое напряжение U n равно 0. Случаю размыкания какой-либо фазы или нейтрального провода соответствует равенство нулю проводимости данной фазы или нейтрального провода. При отсутствии нейтрального провода, полагая в (1) YN 0 , имеем:  2 Несимметричная трехфазная нагрузка, соединенная звездой (без нейтрального провода), с заданными линейными напряжениями на выводах, рисунок 13.  Рисунок-13 несимметричная трехфазная цепь, соединенная звездой без нейтрального провода Если заданы линейные напряжения Uab,Ubc,Uca на выводах нагрузки, соединенной звездой, то токи в фазах звезды определяются следующим образом. Обозначив фазные напряжения на выводах нагрузки через Ua, Ub, и Uc, рисунок-13 получим.  где Ya,Yb, и Yc-проводимость фаз нагрузки. Равенство нулю суммы токов трех фаз записывается в виде:  Фазные напряжения Ub и Uc могут быть выражены через Ua и заданные линейные напряжения:  Подстановка (2) в (3) дает:  Круговой заменой индексов (с порядком следования АВСА и т.д.) находятся:  По фазным напряжениям нагрузки находятся фазные токи. 3. Несимметричная трехфазная нагрузка, соединенная треугольником, с заданными напряжениями на выводах, рисунок-14.  Рисунок-14 несимметричная трехфазная цепь, соединенная треугольником Если на выводах несимметричной трехфазной нагрузки, соединенной треугольником, заданы линейные напряжения Uab, Ubc, Uca, рисунок-14,то токи в сопротивлении нагрузки равны:  Токи в линии определяются как разности соответствующих токов нагрузки:  Если на выводах несимметричной трехфазной нагрузки, соединенной треугольником, заданы фазные напряжения Ua, Ub, Uc , источника, соединенного в звезду, то линейные напряжения на выводах нагрузки находятся как разности соответствующих фазных напряжений, в результате чего задача сводится к только что рассмотренному случаю, рисунок 14. 1.5 Мощность несимметричной трехфазной цепи Пользуясь комплексной формой записи мощности, можно написать общее выражение для мощности трехфазной цепи:  Действительная часть этого выражения представляет собой активную мощность:  В соответствии с этим выражением, суммарная активная мощность, потребляемая несимметричной трехфазной цепью, может быть измерена при помощи трех ваттметров, включенных на подведенные к данной цепи фазные напряжения и 16 одноименные с ними токи. Активная мощность равна сумме показаний трех ваттметров. Такой метод измерения применяется при наличии нейтрального провода, рисунок 15, или искусственно созданной нейтральной точки.  Рисунок-15измерение мощности при наличии нейтрального провода В случае отсутствия нейтрального провода измерение может быть произведено с помощью двух ваттметров, рисунок 16.  Рисунок-16измерение мощности двумя ваттметрами (при отсутствии нейтрального провода) В соответствии с первым законом Кирхгофа, для схемы, рисунок 16:  Выражение такого же вида справедливо и для сопряженных токов:  Подставляя (6) в (5), получаем:  В соответствии с (7) при измерении активной мощности двумя ваттметрами к одному из них подводятся напряжение U ac и ток I a, а ко второму – напряжение U bc и ток I b,рисунок-16 Показания ваттметров складываются алгебраически. Круговой заменой А, В и С в выражении (7) можно получить выражения для других равноценных вариантов включения двух ваттметров. |