Теплоэнергетика и теплотехника Оренбург 2012 2
 Скачать 1.91 Mb.
|
|
6 Лабораторная работа №6 Исследование трехфазной цепи присоединении приемников треугольником 6.1 Цель работы Исследование трехфазной цепи присоединении приемников треугольником с различной нагрузкой отдельных фаз. Опытная проверка соотношений между линейными и фазными напряжениями и токами, представление результатов экспериментов в виде векторных диаграмм напряжений и токов. 6.2 Краткие теоретические и практические сведения Трехфазная симметричная система ЭДС состоит из трех ЭДС одинаковых по амплитуде и частоте, но сдвинутых друг относительно друга по фазе (повремени) на угол 120 0 (одну треть периода. Присоединении приемников трехфазной системы треугольником конец каждой предыдущей фазы приемника соединяется с началом последующей, а к вершинам образовавшегося таким образом треугольника подводятся линейные провода, в соответствии с рисунком а. В результате получается трехпроводная трехфазная система. В трехфазных системах различают линейные напряжения между любой парой линейных проводов и фазные напряжения на выводах приемника. Присоединении треугольником фазные напряжения всегда равны линейным, так как к началу и концу каждой фазы непосредственно подводятся линейные провода. Следовательно, в такой системе ф л U U (6.1) Различают также линейные токи в линейных проводах и фазные токи в фазах приемника. Чтобы вывести соотношения между этими токами, надо задаться условными (для переменного тока) направлениями их и применить к каждой вершине треугольника, представляющей собой узел из трех ветвей, первый закон Кирхгофа. При общепринятых условных направлениях и обозначениях линейных и фазных токов (рисунок 6.1, а) получим 74 ca ab A I I I ; ab bc B I I I ; bc ca C I I I (6.2) Если активные и реактивные сопротивления всех фаз приемника одинаковы ( ca bc ab R R R и ca bc ab X X X ), то и токи во всех фазах будут одинаковы и сдвинуты относительно напряжений своих фаз на одинаковый угол. Тогда при симметричной системе ЭДС получится также симметричная система токов в соответствии с рисунком б. Рисунок 6.1 – Схема трехфазной цепи присоединении приемника треугольником (аи векторные диаграммы при симметричной (б) и несимметричной (в) нагрузках Легко показать, что в частном случае симметричной системы токов между линейными и фазными токами получается соотношение a) б) в) A a b c ab bc bc bc bc bc bc bc bc ca ca ca ca ca ca ca ca ab ab ab ab ab ab ab A A A B B B C C C R R R I I I I I I U U U U U U - I - I - I - I - I - I I I I I I I I I I I I I B C 75 ф л I I 3 (6.3) При несимметричной нагрузке фаз симметрия токов в трехфазной системе с соединением приемника треугольником будет нарушена, но это не отразится на фазных напряжениях, так как здесь на фазы приемника подается непосредственно линейное напряжение, определяемое источником энергии. Линейные токи в этом случае определяются графически (рисунок в) по векторным соотношениям (6.2). Кроме режимов симметричной и несимметричной нагрузки всех трех фаз в настоящей работе исследуются также случаи обрыва одной из фаз приемника и обрыва линейного провода. При обрыве одной из фаз, например фазы ca (рисунок а, режим работы двух других фаз не нарушается, так как на них по-прежнему подаются соответствующие линейные напряжения. Для построения векторной диаграммы (рисунок б) в этом случае можно воспользоваться соотношениями (6.2), приняв в них ток фазы, в которой произошел обрыв, равным нулю. Рисунок 6.2 – Схема цепи (аи векторная диаграмма (б) при обрыве фазы При обрыве одного из линейных проводов, например провода рисунок а, режим работы одной фазы (в данном случае фазы ab ) не б I = I I I U U U - I - I I I I I I B C 76 изменится, а две другие окажутся включенными последовательно на линейное напряжение. Трехфазная система превращается в однофазную с двумя параллельными ветвями, соответственно чему и строиться векторная диаграмма, представленная на рисунке б. Рисунок 6.3 – Схема цепи (аи векторная диаграмма (б) при обрыве линейного провода Зная фазные напряжения и токи, а также углы сдвига фаз между ними, можно определить активные, реактивные и полные мощности фаз приемника ab ab ab ab cos I U P ; bc bc bc bc cos I U P ; ca ca ca ca cos I U P , (6.4) ab ab ab ab sin I U Q ; bc bc bc bc sin I U Q ; ca ca ca ca sin I U Q , (6.5) ab ab ab I U S ; bc bc bc I U S ; ca ca ca I U S (6.6) Активные и реактивные мощности трехфазного приемника определяются по формулам ca bc ab P P P P ; ca bc ab Q Q Q Q (6.7) где в выражении для реактивной мощности знак «+» берется в случае индуктивной нагрузки, а знак «-» в случае емкостной нагрузки. a) б) A a b c ab bc bc bc ca aс aс aс aс ab ab ab ab bс A A B А B R R R I I I I U U U U U U I I I = I = I = I B C 77 6.3 Описание лабораторной установки В качестве источника электрической энергии используется трехфазная сеть переменного тока, к которой подключены первичные обмотки трехфазного понижающего трансформатора. На лицевую панель стенда выведены клеммы фаз « A», « B », « C » вторичных обмоток этого трансформатора. В качестве приемников используются проволочные резисторы 1 R , 2 R , 3 R . Для измерения токов предназначены миллиамперметры типа М 42300, а для измерения напряжений – цифровой мультиметр ВР-11А. 6.4 Рабочее задание 6.4.1 Собрать трехфазную цепь в соответствии со схемой рисунка 6.4. Установить движки резисторов 3 в средние положения, миллиамперметры mA 1 -mA 4 переключить на диапазон 3 6.4.2 После проверки электрической цепи преподавателем подключить ее к источнику трехфазного напряжения. 6.4.3 Установить симметричную нагрузку трехфазного приемника и измерить фазные и линейные токи, и фазные напряжения. Результаты измерений свести в таблицу 6.1. 6.4.4 Установить несимметричную нагрузку трехфазного приемника и измерить фазные и линейные токи, и фазные напряжения. Результаты измерений свести в таблицу 6.1. 78 V A 2 а Рисунок 6.4 – Электрическая схема опыта Таблица 6.1 Эксперимент Опыт Равномерная нагрузка Обрыв линейного провода ___ Неравномерная нагрузка Обрыв фазы ___ Линейное напряжение – Л, В Фазное напряжение – а, В Фазное напряжение – U bc , В Фазное напряжение – U ca , В Фазный тока Фазный ток – I bc , A Фазный ток – I ca , A Линейный ток – А, A Линейный ток – В, A Линейный ток – С, A Рас чѐ т Сопротивление нагрузки R ab , Ом Сопротивление нагрузки R bc , Ом Сопротивление нагрузки R ca , Ом 6.4.5 При отключенном питании произвести обрыв одной из фаз приемника и, после проверки схемы преподавателем, включить питание и 79 измерить фазные и линейные токи, и фазные напряжения. Результаты измерений свести в таблицу 6.1. 6.4.6 При отключенном питании произвести обрыв одного из линейных проводов и, после проверки схемы преподавателем, включить питание и измерить фазные и линейные токи, и фазные напряжения. Результаты измерений свести в таблицу 6.1. 6.5 Обработка результатов опытов 6.5.1 Вычислить сопротивления отдельных фаз и активную мощность трехфазного приемника. Данные расчетов свести в таблицу 6.1. 6.5.2 Построить векторные диаграммы токов и напряжений в масштабе для всех исследуемых режимов работы трехфазной цепи. 6.6 Контрольные вопросы и задания 1 Каким прибором измеряют активную мощность приемника 2 Определить показание амперметра после размыкания выключателя K , если Л =127 В C X =10 Ом. 3 Как изменятся линейные токи в симметричном приемнике, соединенном треугольником, при обрыве фазы AB ? 4 Трехфазный приемник симметричен, если его сопротивления равны 5 а) ab Z =5; 6 4 3 j Z bc ; 7 4 3 j Z ca ; 8 б) ab Z =5; 9 0 60 5 j bc e Z ; 10 0 60 5 j ca e Z ; 11 в) 2 5 j Z ab ; 12 2 5 j Z bc ; 13 2 5 j Z ca ; 14 г) 0 30 5 j ab e Z ; 15 0 30 10 j bc e Z ; 16 0 30 15 j ca e Z 80 5 Что означает термин фаза в трехфазной электрической цепи 6 Чему равна реактивная мощность трехфазной цепи, если R =6 Ом L X =10 Ом C X =2 Ом Л =100 В. 7 Определить показания амперметров 1 A и 2 A , если Л =220 В Z =22 Ом. 8 Определить показания амперметра после перегорания лампы в фазе CA , если Л =380 В R =200 Ом. 9 Обмотки трехфазного генератора соединены в треугольник. Счем соединен конец третьей обмотки 10 Определить ток в линейном проводе A , если Л =220 В R = L X = C X =10 Ом. 11 Каковы соотношения между фазными и линейными токами и напряжениями в трѐхфазных цепях при симметричном режиме в случае соединения приѐмника треугольником A B C R R R X X L C Z Z Z A B C A A 1 2 R R R A B C A R R A B C X L X C 81 7 Лабораторная работа № 7. Нелинейные электрические цепи постоянного тока 7.1 Цель работы Экспериментальное определение вольтамперных характеристик нелинейных элементов и опытная проверка графического метода расчета нелинейных электрических цепей постоянного тока. 7.2 Краткие теоретические и практические сведения Электрическая цепь считается нелинейной, если она содержит хотя бы один нелинейный элемент, те. такой элемент который обладает нелинейной вольтамперной характеристикой. Вольтамперной характеристикой называется графическая зависимость между напряжением U , подводимым к элементу электрической цепи, и током I , протекающим по нему В зависимости от вида вольтамперных характеристик пассивные элементы электрической цепи делятся на линейные и нелинейные. Для линейных элементов, у которых сопротивление const R , вольтамперная характеристика имеет вид прямой линии, в соответствии с рисунком 7.1, а, проходящей через начало координат и описываемой уравнением закона Ома R I U (7.1) У нелинейного элемента с изменением тока I сопротивление изменяется ( const R ) и зависимость тока от напряжения не подчинятся линейному закону (рисунок б. Нелинейные элементы широко используются в устройствах автоматики, измерительной и вычислительной техники, в радиотехнических устройствах и пр. К ним относятся электронные и ионные приборы, катушки с ферромагнитными магнитопроводами, лампы накаливания, электрическая дуга и др. 82 Рисунок 7.1 – Примеры вольтамперных характеристик линейного (аи нелинейного (б) элементов В отличие от линейного элемента, свойства которого могут быть полностью охарактеризованы величиной электрического сопротивления R , для характеристики нелинейного элемента требуется вся вольтамперная характеристика. По виду вольтамперных характеристик нелинейные элементы разделяются на симметричные и несимметричные. Симметричными называются такие нелинейные элементы, у которых вольтамперные характеристики не зависят от направлений тока в них. Несимметричными нелинейными элементами называются такие, у которых вольтамперные характеристики неодинаковы при различных направлениях тока (рисунок 6.2). К числу симметричных нелинейных элементов относятся, например, лампы накаливания, термосопротивления, бареттеры и др. К несимметричным нелинейным элементам можно отнести, например, электронные лампы, полупроводниковые диоды, тиристоры, транзисторы и др. Кроме симметричных и несимметричных нелинейные элементы могут быть подразделены также на управляемые и неуправляемые. В управляемых нелинейных элементах, кроме основной цепи есть еще, по крайней мере, одна управляющая цепь, воздействуя на которую можно изменять вольтамперную характеристику элемента. В отличие от неуправляемых I I I I U U U=I R U U = = R const = = R б ст 83 нелинейных элементов, вольтамперные характеристики которых изображаются одной кривой, для управляемых получают семейство кривых. а) 1 – лампа накаливания 2 – термосопротивление б) 3 – полупроводниковый диод 4 – тиристор. Рисунок 7.2 – Примеры вольтамперных характеристик симметричных аи несимметричных (б) нелинейных элементов К неуправляемым нелинейным элементам относятся двухполюсные элементы термосопротивление, стабилитрон, диод и др. К управляемым нелинейным элементам можно отнести многоэлектродные электронные лампы, тиристоры, транзисторы и др. Для проведения расчета нелинейных цепей должны быть известны вольтамперные характеристики всех ее элементов. Они могут быть взяты из соответствующих справочников или сняты экспериментально. Имея вольтамперную характеристику нелинейного элемента можно определить его сопротивление при различных токах. Различают два вида сопротивлений нелинейного элемента статическое и дифференциальное. Статическое сопротивление нелинейного элемента равно отношению напряжения на нелинейном элементе к протекающему по нему току U U U I I 0 1 2 I обр обр пр пр 4 4 3 3 84 ст (7.2) Статическое сопротивление можно также определить как тангенс угла наклона прямой, проходящей через начало координат к рабочей точке A на вольтамперной характеристике (рисунок 7.3). Статическое сопротивление изменяется при переходе от одной рабочей точки к другой. Под дифференциальным сопротивлением принято понимать отношение малого приращения напряжения U нелинейного элемента к соответствующему приращению тока I , вблизи рабочей точки A . д (7.3) Рисунок 7.3 – Определение статического и дифференциального сопротивлений нелинейного элемента по его вольтамперной характеристике Дифференциальное сопротивление также численно равно тангенсу угла наклона касательной к вольтамперной характеристике в рабочей точке A рисунок 7.3) и характеризует поведение нелинейного элемента при малых отклонениях от предшествующего состояния. касательная к ВАХ в точке А = R = I I ст д 85 Если вольтамперные характеристики нелинейных элементов можно представить аналитическими функциями, то расчет нелинейных цепей проводят аналитическим методом. Однако в большинстве случаев вольтамперные характеристики не поддаются замене аналитическими функциями, и нелинейные цепи приходится рассчитывать графическим методом, основанным на графическом решении уравнений, составленных по законам Кирхгофа. 7.2.1 Расчет цепи с последовательным соединением нелинейных элементов Заданы значение ЭДС источника и вольтамперные характеристики первого и второго нелинейных элементов (рисунок 7.4). Требуется определить ток вцепи и напряжения 1 U и 2 U на каждом нелинейном элементе. Графический метод расчета основан на предварительной замене заданной электрической цепи эквивалентной цепью, имеющей эквивалентную вольтамперную характеристику, и на последующем переходе в процессе расчета к заданной цепи. При этом исходят из того, что при последовательном соединении ток через все элементы протекает один и тот же. Задавшись произвольным значением тока i I , проводят прямую, параллельную оси напряжений и определяют значения напряжений на первом нелинейном элементе (НЭ) (отрезок ab ) и втором НЭ (отрезок ac ). Складывая отрезки ab и ac (напряжения i U 1 , i U 2 ), получают результирующий отрезок ad ( i U 3 = i U 1 + i U 2 ) и определяют положение точки d , которая принадлежит третьей (эквивалентной) вольтамперной характеристике. Задаваясь другими значениями тока i I , аналогично находят следующие точки, по которым сроят график эквивалентной ВАХ-3. 86 Определение тока производится по ВАХ-3 при заданной величине ЭДС – E . Отложив E по оси напряжений, получают точку f , через которую проводят прямую, параллельную оси тока до пересечения с ВАХ-3 (точка k ). Отрезок fk определяет значение искомого тока I . Прямая nk , параллельная оси напряжений, отсечет на ВАХ-1 и ВАХ-2 значения напряжений на каждом элементе (отрезки np и nm ). Рисунок 7.4 – Схема электрической цепи с последовательным соединением нелинейных элементов (а, б) и графический анализ этой цепи (в) |