ЛАБ 3-4 2011. петербургский государственный университет путей сообщения
 Скачать 0.89 Mb.
|
|
1.3. Трехфазная цепь, соединенная треугольником На рисунке 7 показана электрически связанная трехпроводная схема, в которой генератор и приемник соединены треугольником.  Рис. 7 Принцип соединения трех фаз треугольником удобнее показать на примере генератора. Конец первой (А–X) фазы X соединяется с началом второй B, конец второй Y – с началом C третьей, конец третьей Z – с началом A первой. Такой же принцип соединения фаз в треугольник сохранен и применительно к приемнику (рис. 7), где обозначены только начала фаз а, b, с, которые электрически объединены с концами соответствующих фаз z, x, y. При соединении треугольником фазы генератора образуют такой замкнутый контур, в котором находятся три источника э.д.с.: напряжения UАВ, UВС, UСА. Однако ток в конуре под действием этих источников равен нулю, поскольку они образуют симметричную систему векторов (  ).Следует обратить внимание на отличие в обозначениях фазных величин треугольника от соответствующих величин звезды. Поскольку фазы треугольника оказываются включенными между двумя линейными проводами каждая, то величины фазных напряжений, токов, сопротивлений в отличие от звезды индексируются двумя буквами: Uab, Ibc, zca и т.д. Что касается линейных токов, то они как и при соединении звездой индексируются одной большой буквой: IA, IB, IC. Соотношения между линейными и фазными величинами Из самого принципа соединения фаз генератора или приемника в треугольник становится очевидным, что фазное и линейное напряжения равны друг другу: UФ =UЛ . Это объясняется тем, что конец предыдущей фазы получает потенциал начала следующей, в результате чего напряжение между началом и концом одной и той же фазы (фазное напряжение) становится одинаковым с напряжением между началами двух разных фаз (линейным напряжением). Равенство линейного и фазного напряжений объясняется также тем, что каждая из фаз треугольника (рис. 7) оказывается включенной между двумя линейными проводами. Поскольку на входные зажимы приемника a, b, c (рис. 7) всегда подается со стороны генератора бесконечной мощности, соединенного звездой или треугольником, симметричная система линейных напряжений, то можно сделать вывод: при соединении приемника треугольником обеспечивается независимость работы его фаз. Аналогичный вывод был сделан ранее для приемника, соединенного звездой с нейтральным проводом в предположении, что сопротивлениями нейтрального и линейных проводов можно пренебречь (zN = 0,zл = 0). В обоих случаях фазные напряжения приемника не зависят от нагрузки и являются константами, поэтому изменение тока нагрузки в одной из фаз влияет только на величину тока нейтрального провода (при соединении звездой) или в двух линейных проводах (при соединении треугольником). Что касается соотношений между линейными и фазными токами, то при рассмотрении этого вопроса необходимо учитывать наличие в схеме (рис. 7) электрических узлов A, B, C и a, b, c, в которых распределение токов подчиняется первому закону Кирхгофа. Применив этот закон к узлам a, b, c, можно получить следующие зависимости в векторной форме:  (6) Таким образом, вектор линейного тока равен геометрической разности векторов двух фазных токов, образующих с этим линейным током электрический узел. Как следует из равенств (6), сумма линейных токов тождественно равна нулю:  (7) . Режимы работы трехфазной цепи при соединении приемника треугольником К  ак и при соединении звездой симметричной называется нагрузка, если выполнено условие равенства комплексных сопротивлений фаз приемника: Zab = Zbc = Zca = ZФ = zФejφ, а несимметричной,если это условиене выполняется: ZabZbcZca. При симметричном приемнике векторы фазных токов  , образуют симметричную трехлучевую звезду (рис. 8). На этом же рисунке проделаны графические операции в соответствии с равенствами (6).Как видно из рисунка 8, показанные сплошными линиями векторы линейных токов образуют симметричную трехлучевую звезду, которая отстает на 30° от звезды фазных токов.Векторная диаграмма линейных токов может быть представлена более компактно в виде сторон правильного треугольника, показанных пунктиром. Как видно из треугольника на рисунке 8 сумма векторов линейных токов равна нулю. Причем эта сумма всегда должна быть равно нулю в соответствии с равенством (7), включая несимметричный режим. Очевидно и при несимметричной нагрузке можно также показывать векторы линейных токов в виде векторного треугольника, вершинами которого будут концы векторов трех фазных токов, представленных в виде несимметричной звезды векторов. Применительно к симметричному приемнику (рис. 8), рассмотрев прямоугольный треугольник 0qm, полученный опусканием высоты из вершины тупого угла равнобедренного треугольника, можно выразить отрезок  и  . Приравняв правые части, можно получить соотношение  , то есть при симметричной нагрузке (и только при симметричной нагрузке) линейный ток в  больше фазного.Очевидно при несимметричной нагрузке количественные связи между линейными и фазными токами определяются соотношениями (6). 2. исследование режимов работы трехфазных цепей на лабораторных установках В соответствии с учебными планами курса «Электротехника и электроника» для закрепления теоретического материала раздела «Цепи трехфазного тока» предусмотрено выполнение студентами соответствующих лабораторных работ, в том числе по исследованию режимов работы трехфазной цепи при соединении приемников звездой и треугольником. Лабораторные работы проводятся в лаборатории переменного тока кафедры «Электромеханические комплексы и системы» ПГУПСа, где в качестве источника бесконечно большой мощности используется вторичная обмотка трехфазного трансформатора, соединенная по схеме «звезда с нейтральным проводом» с напряжением 220/127 В. Выводы обмотки трансформатора A, B, C, N подключены к соответствующим клеммам лабораторных щитков, оборудованных коммутирующими аппаратами (автоматами), сигнальными лампами и плавкими предохранителями. Лабораторные установки оснащены электроизмерительными приборами и измерительными комплектами, позволяющими получить всю необходимую информацию для оформления отчетов по выполненным лабораторным работам. В качестве однофазных приемников электроэнергии возможно использование как активных, так и реактивных нагрузочных элементов. При выполнении двух рассматриваемых работ в основном используются проволочные резисторы, являющиеся для трехфазной цепи активной нагрузкой. Исключением является один из режимов работы трехфазной цепи, когда в одну из фаз приемника, соединенного треугольником, включен конденсатор (реактивный приемник). Рекомендации по построению векторных диаграмм напряжений, подаваемых на входные зажимы приемника Графическая часть отчетов по выполненным лабораторным работам представляет собой векторные диаграммы, которые строятся по результатам электрических измерений напряжений и токов в трехфазных приемниках. Векторные диаграммы строятся на миллиметровой бумаге со строгим соблюдением выбранных масштабов и обязательным использованием чертежного инструмента: циркуля, масштабной линейки и транспортира (или треугольника с углами 30° и 60°). При соединении приемника звездой с нейтральным проводом или треугольником, на его входные зажимы a, b, c, n (звезда) или a, b, c (треугольник) всегда подается симметричная система фазных напряжений, векторная диаграмма которых представляет собой симметричную трехлучевую звезду векторов. Построение векторных диаграмм для различных режимов работы трехфазного приемника всегда начинается с построения такой диаграммы. Существуют различные способы построения симметричной трехлучевой звезды векторов. Рассмотрим в качестве примера два варианта такого построения применительно к генератору, соединенному звездой. Оба метода можно пояснить, ссылаясь на рисунок 9. М  етод засечек, в котором основная роль отводится циркулю (он, кстати, будет необходим и в последующих векторных диаграммах, в частности для режимов работы приемника при обрыве нейтрального провода).Вначале на листе миллиметровой бумаги строится прямоугольная система координат с началом в точке N (рис. 9) и задается масштаб напряжений (рекомендуется 1 см = 20 В). С учетом масштаба радиусом, соответствующим величине фазного напряжения UA=UB=UC=UФ, из начала координат N проводят окружность (рис. 9). Расстояние от точки А пересечения окружности с положительной полуосью ординат до точки N представляет собой вектор  . Затем тем же раствором циркуля делают две засечки на окружности, поставив ножку циркуля в точку А´ пересечения окружности с отрицательной полуосью ординат. Полученные точки пересечения В и С являются концами векторов  и  , а все три вектора будут иметь одинаковую длину и будут сдвинуты по отношению друг к другу на 120°, то есть образуют симметричную трехлучевую звезду векторов.Метод транспортира (или угольника) в сочетании с масштабной линейкой не требует применения циркуля. Наметив систему прямоугольных координат с началом в точке N (рис. 9), откладывают по оси ординат отрезок АN, равный в соответствующем масштабе фазному напряжению UФ и представляющий собой вектор . Затем с помощью транспортира (или угольника) устанавливают углы 30° (рис. 9) и получают точки В и С, выполняя условия равенства длин отрезков NА = NВ = NС.Поскольку полученная трехлучевая звезда векторов является исходной при построении всех последующих векторных диаграмм для различных режимов работы трехфазного приемника, то, сделав один раз построение такой диаграммы (двумя рассмотренными методами), можно упростить дальнейшее оформление отчета. Для этого можно «перенести» построенную уже звезду векторов, воспользовавшись координатами (рис. 9) точек В и С, предварительно измерив их миллиметровой линейкой и задавшись положительным направлением вектора (с соблюдением масштаба), исходящим из начала координат N (рис. 9). Такими координатами по двум осям являются: для точки В – отрезки ВВ´ и NВ´; для точки С – отрезки СС´ и С´N.2.1. Лабораторная работа. Исследование приемника, соединенного звездой Программа работы Исследовать соединение приемников при:
Схема лабораторной установки На рисунке 10а показана схема, в которую включены четыре амперметра, три ваттметра, вольтметр VN и показан переносный вольтметр V, позволяющий измерять линейные и фазные напряжения на клеммах A, B, C, N источника питания и a, b, c, n на входных зажимах приемника.  Рис. 10а Вольтметр VN включен на зажимы однополюсного рубильника Р2, предназначенного для включения нейтрального провода N–n или его размыкания (обрыва). В качестве однофазных приемников во всех фазах включены регулируемые проволочные резисторы (активная нагрузка). Амперметры АА, АВ, АС измеряют фазные (линейные) токи IА, IВ, IС; амперметр АN измеряет ток IN в нейтральном проводе. Ваттметры Wa, Wb, Wc измеряют активную мощность каждой из трех фаз приемника, так как по их токовым обмоткам протекают фазные токи, а вольтметровые цепи включены на «свои» фазные напряжения. В целях упрощения выполнения работы собирается схема, показанная на рисунке 10б, в которой используется измерительный комплект типа К-505. В комплект встроены амперметр А и вольтметр V электромагнитной системы и ваттметр W ферродинамической системы. Переключатель фаз АВС комплекта позволяет поочередно производить измерения тока, напряжения и мощности в фазах a–x, b–y, c–z приемника.  Рис. 10б Для измерения линейных и фазных напряжений генератора (питающей сети) служит переносный вольтметр V (рис. 10б). При этом линейные напряжения измеряются на щитке между клеммами А–В, В–С, С–А или между соответствующими клеммами на измерительном комплекте. Фазные напряжения генератора между клеммами А–N, B–N, C–N измеряют обязательно на щитке. Показания приборов заносят в таблицу наблюдений и вычислений (табл.1). Поскольку у генератора (питающей сети) система фазных напряжений всегда симметрична (UA = UB = UC = UФ), в таблице наблюдений заполняется одна графа UФ. Порядок выполнения работы Рекомендуется при выполнении настоящей работы соблюдать следующий порядок исследования: каждый режим выполняется сначала с нейтральным проводом, а затем без него. Рассмотрим такой порядок на примере первого режима: симметричной нагрузки (с нейтральным проводом). После сборки схемы (рис. 10б) и ее проверки преподавателем или старшим лаборантом при замкнутом рубильнике Р2 включается трехполюсный рубильник (автомат) Р1. С помощью переключателя фаз А–В–С измерительного комплекта устанавливают в фазах приемника одинаковые по величине точки порядка 1,5 – 2,0 А, регулируя сопротивления проволочных резисторов (IA = IB = IC). Результаты измерений фазных токов, напряжений и активных мощностей в каждой фазе приемника, а также тока в нейтральном проводе IN и напряжения смещения нейтрали UN заносят в первую строку таблицы наблюдений и вычислений (табл. 1). Затем размыкают рубильником Р2 нейтральный провод (рис. 10б) и проводят аналогичные измерения, записывая показания приборов в строку таблицы 1 «Симметричная нагрузка без нейтрального провода». Вновь замыкают нейтральный провод и размыкают выключателем Ка фазу a–x приемника (рис. 10б), снимают показания всех приборов и заносят данные во вторую строку таблицы 1. Затем размыкают нейтральный провод, проводят все измерения и заносят их результаты в соответствующую строку таблицы 1. Аналогичные операции проделывают и при разгрузке двух фаз a–xиb–y (при разомкнутых выключателях Ка и Кb). Разгрузка (обрыв) одной или двух фаз приемника является для сети крайними случаями несимметричного режима. Чаще имеет место общий случай несимметричной нагрузки, когда все фазы приемника включены, но фазные (линейные) токи различаются по величине. Для получения такого режима замыкаются выключатели Ка, Кb и рубильник Р2 (рис. 10б) и изменяются сопротивления фаз приемника zа, zb и zc таким образом, чтобы разность в токах IA, IB и IC была не менее 0,5 А. Измерения проводятся при замкнутом и разомкнутом рубильнике Р2, как в предыдущих режимах. Содержание отчета
Таблица 1 |