лабы ТОЭ часть 2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Южно-Уральский государственный университет Кафедра «Системы электроснабжения»

621.3(07) Н535

В.Н. Непопалов, В.И. Сафонов, Ю.И. Хохлов

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Учебное пособие к лабораторным работам Часть II

Челябинск Издательство ЮУрГУ

2008

УДК 621.3.01(075.8) Н535

Одобрено учебно-методической комиссией энергетического факультета

Рецензенты:

А.С. Знаев, А.С. Карандаев

	Непопалов, В.Н.
Н535	Исследование электрических цепей: учебное пособие к лабора-
	торным работам / В.Н. Непопалов, В.И. Сафонов, Ю.И. Хохлов. –

Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. – Ч. 2. – 60 с.

Учебное пособие предназначено для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Теоретические основы электротехники» студентами энергетических и приборостроительных специальностей. Учебное пособие состоит из трех частей и содержит методические указания для выполнения лабораторных работ на стенде ТЭЦ-НР. Вторая часть пособия содержит лабораторные работы по темам «Трехфазные цепи», «Цепи несинусоидального тока», «Переходные процессы», «Четырехполюсники».

УДК 621.3.01(075.8)

© Издательство ЮУрГУ, 2008

U BN ,

U AN ,

Лабораторная работа № 9 Трехфазная цепь, соединенная звездой

Целью работы является экспериментальное исследование режимов работы трехфазной цепи при соединении нагрузки звездой.

1. Общие сведения

Трехфазной цепью называется совокупность трех электрических цепей (фаз), в которых действует система трех синусоидальные э. д. с. одной и той же частоты, сдвинутых по фазе на определенный угол и создаваемых общим источником электрической энергии.

Фазы трехфазной цепи обозначаются буквами А, В, С. Если три э. д. с. eA , eB и eC равны по амплитуде и сдвинуты по фазе одна относительно другой на

угол 2π3, то такую систему называют симметричной трехфазной системой.

Э. д. с. eA = Em sin (ωt ), eB = Em sin (ωt −2π3) и eC = Em sin (ωt +2π3) об-

разуют симметричную трехфазную систему прямой последовательности. Фазы трехфазной цепи всегда соединены (связаны). Основными видами

связи являются соединения звездой и треугольником.

На рис. 9.1 показан способ соединения фаз трехфазного источника звездой. Напряжения UCN называются фазными, напряжения U AB ,

UBC , UCA – линейными. В симметричном источнике U AN =UBN =UCN =UФ ,

U AB =UBC =UCA =UЛ , причем UЛ = 3UФ .

На рис. 9.1 нагрузка также соединена звездой. Напряжения Uan , Ubn , Ucn называются фазными, напряжения Uab , Ubc , Uca – линейными. При соединении в звезду токи IA , IB , IC являются и фазными и линейными одновременно.

A IA a

ZA

C (c)

UnN = 0

U AB

EB

Uan

A (a)

(0) N

B

IB b

ZB

n (0′)

N

n

UBC

I

E

Ubn

A

C

C

IC c

ZC

B (b)

IC

IB

ZN

U

IN

cn

IN = 0

Рис. 9.1	Рис. 9.2

На рис. 9.2 показана топографическая диаграмма напряжений и векторная диаграмма токов для случая симметричной трехфазной цепи

ZA = ZB = ZC = R . В симметричном режиме токи I A = IB = IC = IЛ = IФ , напряжение U An =U Bn =UCn =UФ . Ток в нейтральном проводе IN = 0 , напря-

жение UnN = 0 .

При несимметричной нагрузке ZA ≠ ZB ≠ ZC напряжение UnN зависит от

характера нагрузки и наличия нулевого провода. На рис. 9.3 в качестве примера представлены диаграммы трехфазной цепи с 4-проводной схемой соединения ( ZN = 0 ), а рис. 9.4 – с 3-проводной схемой соединения ( ZN = ∞). Нагруз-

ка фаз резистивная.

C(c)	ZN	= 0	UnN = 0					C (c)
								ZN = ∞ IN = 0
	N			A (a)				N	A (a)
	n				IA
								n	IA
			IN
						I		I
B (b)					IC		B	C	IB
								B (b)

Рис. 9.3

Для измерения активной мощности в трехпроводной схеме трехфазной цепи применяется метод двух ваттметров. Один из вариантов включения ваттметров представлен на рис. 9.5. Активная мощность трехфазной цепи равна алгебраической сумме показаний ваттметров

P3Ф = PW 1 + PW 2 .

		Рис. 9.4
	IA	a
	A
	U AB	b
	B
	UCB	c
	C
	IC

Рис. 9.5

2. Содержание и порядок выполнения работы

В лабораторной работе исследуют режимы работы трехфазной цепи с 4-проводной (звезда с нейтральным проводом) и 3-проводной (звезда без нейтрального провода) схемой соединения.

Источником симметричного трехфазного напряжения является модуль ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ (UZ1). Источник создает систему напряжений прямого следования фаз с фазным напряжением UФ =7 В.

Линейные токи измеряют амперметрами РА1; РА2; РА3 из блока МОДУЛЬ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ 30–100 мА (внутренние сопротивление амперметра RА=16 Ом). Вольтметром РV (2–15 В) из блока МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ измеря-

ют фазные напряжения. Для измерений в нейтральном проводе используют мультиметр РР. Активную мощность в 3-проводной схеме трехфазной цепи измеряют ваттметром модуля ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗЫ.

Трехфазную нагрузку собирают из элементов блоков МОДУЛЬ РЕЗИСТО-

РОВ и МОДУЛЬ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

•Собрать электрическую цепь по схеме, показанной на рис. 1П. Установить в блоке МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ сопротивления R1 = R2 = R3 =150 Ом. Мультиметр РР в нейтрале включить в режим измерения переменного тока.

•Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя.

4-проводная трехфазная цепь

•Включить выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ и тумблеры SA1 мо-

дулей ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ и ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗЫ. Тумблер

SA2 модуля ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗЫ установить в положение I2.

•Вольтметром РV (2–15 В) из блока МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ измерить

фазные напряжения U AN , UBN , UCN и линейные напряжения U AB , U BC ,

UCA модуля ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ (UZ1). Измеренные зна-

чения занести в протокол измерений. Проверить выполнения соотношений для симметричного источника.

•Симметричный режим. Измерить амперметрами РА1, РА2 и РА3 токи фаз. Вольтметром РV измерить фазные напряжения U An , UBn , UCn . Рассчитать

сопротивления фаз. Ток в нейтральном проводе измерить мультиметром РР. Измеренные значения напряжений, токов и величины сопротивлений фаз занести в табл. 1П протокола измерений. Указанный порядок действий применить в остальных опытах.

•Несимметричный режим. Установить в блоке МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ со-

противление R1 = 68 Ом, R2 =100 Ом. Выполнить измерения, данные занести в табл. 1П. Восстановить симметричный режим.

•Обрыв фазы А. Разорвать фазу А в точке Х2 на амперметре РА1. Выполнить измерения и занести данные в табл. 1П. Восстановить цепь фазы А.

•Включение нагрузки С → n; N → с. При сопротивлениях R1 = R2 = R3 =150

Ом подключить фазу с нагрузки к нулевой точке N источника, а нулевой провод к фазе С источника. Выполнить измерения, данные занести в табл. 1П. Восстановить симметричный режим.

•Выключить тумблер SA1 модуля ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ.

3-проводная трехфазная цепь

•Переключить мультиметр РР в нейтральном проводе на режим измерения переменного напряжения. Установить в блоке МОДУЛЬ РЕЗИСТО-

РОВ сопротивленияфаз R1 = R2 = R3 =150 Ом.

•Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя.

•Включить тумблер SA1 модуля ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ.

• Симметричный режим. Выполнить приборами РА1, РА2 и РА3 измерения токов фаз. Вольтметром РV (2–15 В) измерить фазные напряжения U An ,

UBn , UCn ; мультиметром РР – напряжение UnN . Рассчитать сопротивления

фаз. Измеренные значения и сопротивлений фаз занести в табл. 2П. Указан-

ный порядок действий применять в остальныхрежимах 3-проводной цепи.

•Ваттметром модуля ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗЫ определить показания Р1 при включение токовой цепи модуля в линию А, затем Р2 при включение токовой цепи модуля в линию С. Измеренные значения занести в табл. 2П. Указанный порядок измерения мощностей применить в несимметричном режиме.

•Несимметричный режим. Установить в блоке МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ со-

противление R1 = 68 Ом, R2 =100 Ом. Выполнить измерения токов, напряжений и мощностей. Измеренные значения занести в табл. 2П. Восстановить симметричный режим цепи.

•Обрыв фазы А. Разорвать фазу А в точке Х2 на амперметре РА1. Выполнить измерения токов и напряжений. Измеренные значения занести в табл. 2П.

•Короткое замыкание фазы. Закоротить ту фазу, где включена токовая цепь модуля ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗЫ (соединить проводом точки I2 и n). Для измерения тока короткого замыкания использовать амперметр модуля. Измерения остальных токов и напряжений выполнить согласно данным выше рекомендациям. Измеренные значения занести в табл. 2П.

•Выключить тумблер SA1 модуля питания. Восстановить симметричный режим работы цепи.

Режим определения следования фаз

•Заменить сопротивление R1 в фазе А конденсатором емкостью С = 22 мкФ из блока МОДУЛЬ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. Включить тумблер SA1 мо-

дуля питания.

•Прямое следование фаз. Выполнить измерения фазных напряжений нагрузки. Измеренные значения занести в табл. 2П. Выключить тумблер SA1 модуля питания.

•Обратное следование фаз. Поменять местами провода фаз В и С модуля

ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ (UZ1). Включить тумблер SA1 модуля питания. Выполнить измерения фазных напряжений. Измеренные значения занести в табл. 2П.

• Выключить тумблеры SA1 модулей ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ и ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗЫ и выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ.

• Протокол измерений утвердить у преподавателя.

Протокол измерений к лабораторной работе № 9
«Трехфазная цепь, соединенная звездой»
Схема исследуемой цепи представлена на рис. 1П.
	IA	30 −100 мА	R1
A		a
B	IB	b	R2	n
C	IC	c	R3
N			IN

UnN

Рис. 1П

Напряжения источника: U AN = _____ В; UBN = ____ В; UCN = ____ В;

U AB = ____ В; U BC = ____ В; UCA = ____ В. Проверка соотношения UЛ = 3UФ , _____________________.

4-проводная трехфазная цепь

Результаты измерений представлены в табл. 1П.

Таблица 1П

Режим работы		U An ,	UBn ,	UCn ,	IA ,	IB ,	IC ,	IN ,
трехфазной цепи		В	В	В	мА	мА	мА	мА
Симметричный
RA = RВ= RС=	Ом
Несимметричный
RA =	Ом
RВ= RС=	Ом
Обрыв фазы А
RВ = RС=	Ом
Включение
С → n; N → с

3-проводная трехфазная цепь

Результаты измерений представлены в табл. 2П.

Таблица 2П

Режим работы	U An ,	UBn ,	UCn ,	UnN ,	IA ,	IB ,	IC ,	P1,	P2,
трехфазной цепи	В	В	В	B	мА	мА	мА	Вт	Вт
Симметричный
RA = RВ= RС =
=_____ Ом
Несимметричный
RA = ____ Ом
RВ= RС= ____ Ом
Обрыв фазы А								—	—
RВ= RС= ____ Ом
Короткое								—	—
замыкание фазы А
Прямое следова-					—	—	—	—	—
ние фаз. Фаза
А – С =22 мкФ
Обратное					—	—	—	—	—
следования фаз

Работу выполнили: ________________________________________

Работу проверил: _________________________________________

3. Содержание отчета

1.Нарисовать схему трехфазной цепи, указать положительные направления токов.

2.По результатам измерений (табл. 1П и 2П) построить топографические диаграммы напряжений и векторные диаграммы токов для каждого режима 4- и 3-проводной трехфазной цепи.

3.Рассчитать активную мощность 3-проводной цепи в симметричном и несимметричном режимах. Сравнить с измеренными методом двух ваттметров величинами. В симметричном режиме проверить выполнение выраже-

ния P3Ф = 3UЛIЛ cos ϕФ .

Отчет по лабораторной работе № 9 «Трехфазная цепь, соединенная звездой»

Напряжения источника:

IA

a

ZA

U AN =

В;

A

UBN =

В;

U AB

b

ZB

n

UCN =

В;

B

U AB =

В;

UCB

c

ZC

U BC =

В;

C

UCA =

В.

IC

IN

Проверка соотношения

N

UЛ = 3U

Ф ,

UnN

_________________

Рис. 1

Экспериментальные данные представлены в табл. 1 и табл. 2.

Таблица 1

Режим работы

U An ,

UBn ,

UCn ,

IA ,

IB ,

IC ,

IN ,

трехфазной цепи

В

В

В

мА

мА

мА

мА

Симметричный

RA = RВ= RС= ___ Ом

Несимметричный

RA = _____ Ом

RВ= RС= ________Ом

Включение нагруз-

ки: С → n; N → с

Обрыв фазы А

RВ= RС= _______ Ом

Таблица 2

Режим работы

U An ,

UBn ,

UCn ,

UnN ,

IA ,

IB ,

IC ,

P1,

P2,

трехфазной цепи

В

В

В

B

мА

мА

мА

Вт

Вт

Симметричный

RA = RВ= RС =___ Ом

Несимметричный

RA =__Ом, RВ= RС=__Ом

Обрыв фазы А

—

—

RВ= RС= _______ Ом

Короткое

—

—

замыкание фазы _

Прямое следование

—

—

—

—

—

фаз. Фаза А – С =22 мкФ

Обратное следование

—

—

—

—

—

фаз. Фаза А – С =22 мкФ

Построение диаграмм

По данным табл. 1, 2 в масштабах mU = ___ В/клетка; mI = ___ мА/клетка

построены топографические диаграммы напряжений и векторные диаграммы токов исследованных режимов.

4-проводная трехфазная цепь

Симметричный режим

Несимметричный режим

Неправильное включение нагрузки: С → n; N → с