Лабораторная работа Исследование трёхфазных электрических цепейд. трёхфазн.ц ТОЭFinal — копия

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
по учебной дисциплине «Теоретические основы электротехники »
(Д.15.0)
«Исследование трёхфазных цепей»
Санкт-Петербург
2022
I. Учебные цели
1. Исследовать трехфазные электрические цепи при симметричном и
несимметричном режиме работы и различных способах соединения
нагрузок
2. Отработать практические навыки экспериментального исследования
трёхфазных электрических цепей с помощью моделирования в
программе «Multisim».
3. Проверить качество усвоения обучающимися учебного материала.
II. Воспитательные цели
1. Воспитывать у обучающихся стремление к повышению знаний и
профессиональных навыков
в будущей профессиональной
деятельности.
2. Вырабатывать у обучающихся чувство ответственности за личную
профессиональную подготовку.
III. Расчет учебного времени
Содержание и порядок проведения занятия
Время,
мин.
ВСТУПИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ
10
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
165
Учебные вопросы:
1. Исследование трехфазной электрической цепи при
симметричном режиме работы
2. Исследование трехфазной электрической цепи при
несимметричном режиме работы
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ
80
85
5
IV. Учебно-материальное обеспечение
1. Мультимедийный комплекс
2. Презентация « Исследование трёхфазных цепей »
3. Персональные ЭВМ с установленным специализированным
программным обеспечением ( «Multisim»)
III. Перечень литературы и учебно-методических материалов
1. Описание лабораторной работы «Исследование трёхфазных цепей»
2. Руководство к лабораторным работам по дисциплине «Теоретические
основы электротехники»: Учеб.пособие.– СПб.: ВАС, 201_.
IV. Отчетные материалы, сроки их представления и защиты
Отчетные материалы по лабораторной работе необходимо представить
руководителю занятия для проверки после выполнения работы в день её
проведения. По завершении проверки каждому обучаемому необходимо быть
готовым к защите результатов исследований. Лабораторная работа
выполняется в тетрадях для лабораторных работ по дисциплине
«Теоретические основы электротехники».
Разработали:
ст.преподаваель 2 кафедры доцент А. Константинова,
ст.преподаваель 2 кафедры А.Панкин
« » __________ 2022 года
Лабораторная работа
Исследование трёхфазных цепей
Цель работы: Исследование трехфазных электрических цепей при
симметричном и несимметричном режиме работы и различных способах
соединения нагрузок
I.
Учебные вопросы
1. Исследование трехфазной электрической цепи при симметричном режиме
работы.
2. Исследование трехфазной электрической цепи при несимметричном
режиме работы
Краткие теоретические сведения
На рис.1 схематично показано устройство генератора переменного тока с
тремя обмотками на статоре.
Рис.1. Принцип работы трёхфазного генератора
Каждая обмотка показана состоящей только их двух проводов. Эти
провода на переднем торце статора оканчиваются зажимами, которые
служат для подсоединения внешней цепи. Наводимые в обмотках ЭДС.
максимальны, когда ось полюсов ротора С-Ю пересекает проводники
статора. Для разных обмоток это происходит в различные моменты
времени. Поэтому наводимые ЭДС не совпадают по фазе. Генераторы с
тремя обмотками, в которых наводятся ЭДС одинаковой частоты, но
сдвинутые относительно друг друга по фазе на 120 градусов, что
соответствует одной третьей периода, называются трёхфазными
генераторами (рис. 2).
Рис.2. Временные диаграммы трёхфазной системы ЭДС
Отдельные обмотки генератора называются фазными обмотками или,
кратко, фазами генератора. Таким образом, в электротехнике термин
«фаза» имеет два разных значения: как понятие, характеризующее стадию
периодического процесса, и как наименование составной части
многофазной системы электрических цепей. В электроэнергетике
получили почти исключительное применение трёхфазные цепи вследствие
их экономичности и технического совершенства.
В трёхфазной цепи фазы генератора, как правило, соединяют звездой,
а фазы нагрузки или звездой (рис.3), или треугольником (рис.4). При
соединении звездой все «концы» фазных обмоток генератора соединяют в
одну общую точку 𝑁 , а «концы» фаз потребителя в общую точку n.
Общие точки обмоток генератора и фаз нагрузки называются
нейтральными или нулевыми точками, а соединяющий их провод нейтральным или нулевым проводом. Остальные провода, соединяющие
обмотки фаз генератора с приёмником, называются линейными.
Электродвижущие силы, наводимые в фазных обмотках генератора,
напряжения на их зажимах, напряжения на фазах приёмника и токи в них
называются соответственно фазными ЭДС напряжениями и токами.
Напряжения между линейными проводами, а также токи в этих проводах
называются соответственно линейными напряжениям и токами.
При соединении фаз нагрузки звездой линейные токи 𝐼𝐴̇ , 𝐼𝐵̇ , 𝐼𝐶̇
совпадают соответственно с фазными токами 𝐼а̇ , 𝐼𝑏̇ , 𝐼с̇ в нагрузках
𝑍𝑎 , 𝑍𝑏 , 𝑍𝑐 .
При симметричной нагрузке 𝑍𝑎 = 𝑍𝑏 = 𝑍𝑐 фазные токи
𝐼ф̇ =
вычисляются по формулам:
𝐸ф̇
𝑍ф
=
𝑈̇ф
𝑍ф
,
причём их действующие значения одинаковы
𝐼ф =
𝐸ф
|𝑍ф |
=
𝑈ф
.
|𝑍ф |
Линейные напряжения: 𝑈̇𝐴𝐵 = √3𝐸𝐴̇ 𝑒 𝑗30∘ ,
𝑈̇𝐵𝐶 = √3𝐸𝐴̇ 𝑒 −𝑗90∘ , 𝑈̇𝐶𝐴 = √3𝐸𝐴̇ 𝑒 𝑗150∘ .
Для действующих значений имеем соотношение:
𝑈л = √3𝑈ф ̇
В случае симметричной нагрузки ток в нейтральном проводе 𝐼𝑁̇ =
𝐼а̇ + 𝐼𝑏̇ + 𝐼с̇ = 0 , поэтому нейтральный провод можно отключить.
При несимметричной нагрузке и
а) при включённом нейтральном проводе
фазные напряжения нагрузки равны фазным напряжениям генератора, а
фазные токи различны, вычисляются по формуле
вследствие чего появляется ток в нейтральном проводе
𝐼𝑁̇ = 𝐼а̇ + 𝐼𝑏̇ + 𝐼с̇
Б ) при отключённом нейтральном проводе между точками 𝑛 и 𝑁
возникает напряжение смещения нейтрали 𝑈̇𝑛𝑁 = 𝑈̇𝑛 − 𝑈̇𝑁 , которое
вычисляется по фомуле 𝑈̇𝑛𝑁 =
𝐸̇𝐴 𝑌𝑎 +𝐸̇𝐵 𝑌𝑏 +𝐸̇𝑐 𝑌𝑐
𝑌𝑎 +𝑌𝑏 +𝑌𝑐 +𝑌𝑁
, где
𝑌𝑎 , 𝑌𝑏 , 𝑌𝑐 , 𝑌𝑁 – комплексные проводимости фаз потребителя и
нейтрального провода. Тогда фазные токи нагрузки вычисляются по
̇ =
формулам вида 𝐼фа
𝐸̇𝐴 −𝑈̇𝑛𝑁
𝑍𝑎
.
Рис.3. Соединение звезда - звезда
При соединении потребителя треугольником, его фазные напряжения
есть его линейные напряжения, которые равны линейным напряжениям
генератора, если пренебречь сопротивлением линейных проводов .
Рис.4 Соединение звезда - треугольник
При соединении симметричной нагрузки треугольником
𝐼л = √3𝐼ф ,
фазные токи нагрузки вычисляют по формулам вида
̇
̇ = 𝑈𝑎𝑏 ,
𝐼ф̇ = 𝐼𝑎𝑏
𝑍𝑎𝑏
сумма комплексных[линейных напряжений
𝑈̇𝐴𝐵 + 𝑈̇𝐵𝐶 + 𝑈̇𝐶𝐴 = 0.
Мощность в трёхфазной цепи
При симметричной системе питания и симметричном потребителе
электроэнергии как с соединением фаз «звездой», так и «треугольником»
активную 𝑃 , реактивную 𝑄 и полную 𝑆 мощности
потребителя определяют по формулам:
𝑃 = √3𝑈л 𝐼л cos 𝜑;
𝑄 = √3𝑈л 𝐼л sin 𝜑;
𝑆 = √𝑃2 + 𝑄2 = √3𝑈л 𝐼л ,
где
cos 𝜑 =
𝑅
𝑍
,
𝑋
sin 𝜑 = .
𝑍
1.Исследование трехфазной электрической цепи при
симметричном режиме работы
1.1. Соединение симметричной нагрузки звездой
Описание схемы измерений.
Схема компьютерного моделирования представлена на рис.5. В
качестве источника трёхфазного напряжения используется трёхфазный
генератор с обмотками, соединёнными звездой. Нагрузка соединена звездой.
Для измерения фазных напряжений генератора используется 4-хканальный
осциллограф. Напряжения на нагрузках измеряются вольтметрами 𝑈4,
𝑈5, 𝑈6, линейное напряжение – вольтметром 𝑈7 , напряжение смещения
нейтрали – вольтметром 𝑈9. Линейные токи измеряются амперметрами
𝑈1, 𝑈2, 𝑈3 , ток нейтрали - амперметром 𝑈8. Все измерительные приборы
должны быть установлены в режим «AC», что соответствует измерениям на
переменном токе. Для подключения нейтрального провода используется
ключ S1, ключ S2 - для обрыва линейного провода (несимметричный
режим). Мощность в выбранной фазе нагрузки и коэффициент фазы
измеряются ваттметром XWM1.
XSC1
U4
+
0.247p
G
T
A
B
C
S2
D
R1
A
0
Кл = A
220.017
R2
A
0.11
V
AC 10MOhm
U2
+
I
U5
+
3PH
V
2kΩ
AC 1e-009Ohm
V2
XWM1
AC 10MOhm
U1
+
V
2kΩ
AC 1e-009Ohm
220 V 50 Hz
U7
+
380.984 V AC 10MOhm
-
U3
+
0.11
S1
R3
A
Кл = A
2kΩ
AC 1e-009Ohm
U6
+
219.947
V
AC 10MOhm
Рис.5
U8
+
+
-
1.21n
0.11
A
AC 1e-009Ohm
U9
V AC 10MOhm
Порядок выполнения работы
Соединение симметричной нагрузки звездой
c нейтральным проводом
1.1.1 Собрать схему измерений рис.5 с нейтральным проводом (ключ 𝑆1
замкнут). Подключить к трёхфазному генератору соединённую звездой
симметричную нагрузку из активных сопротивлений 𝑅𝐴 = 𝑅𝐵 = 𝑅𝐶 = 𝑅 ,
например, 𝑅 = 2 кОм. С помощью осциллографа получить осциллограммы
фазных напряжений и зарисовать их. По осциллограммам определить
амплитуды
E𝑚𝐴 , E𝑚𝐵 , E𝑚𝐶 и фазовые сдвиги 𝜑𝐴 , 𝜑𝐵 , 𝜑𝐶 фазных напряжений.
1.1.2. Измерить вольтметрами 𝑈4, 𝑈5, 𝑈6 фазные напряжения U𝐴 ,U𝐵, U𝐶 ,
вольтметром 𝑈7 - линейное напряжение 𝑈л = 𝑈𝐵𝐶 , вольтметром 𝑈9 напряжение смещения нейтрали U𝑛𝑁 . Результаты записать в Таблицу1.
Найти соотношение между Uл и Uф .
1.1.3. Измерить токи в фазах нагрузки I𝐴, I𝐵, I𝐶 , используя амперметры
𝑈1, 𝑈2, 𝑈3, соответственно. Результаты записать в Таблицу1.
1.1.4. Измерить ток в нейтральном проводе 𝐼𝑁 , используя амперметр 𝑈8.
Результат записать в Таблицу1.
Соединение симметричной нагрузки звездой без нейтрального
провода
1.1.5. Отключить нейтральный провод, для чего разомкнуть ключ 𝑆1 .
При прежней нагрузке выполнить измерения согласно п.п.1.1.2-1.1.3.
Результаты записать в Таблицу 1. Вольтметром U9 измерить напряжение
смещения нейтрали U𝑛𝑁 . Результаты записать в Таблицу1.
1.1.6. Измерить мощность 𝑃 и коэффициент мощности cos 𝜑 в одной из
фаз нагрузки с помощью ваттметра XWM1. Результаты записать в
Таблицу1.
Таблица 1
Симметричный режим, соединение нагрузки звездой
Вид нагрузки
№
𝑈𝐴
𝑈𝐵
𝑈𝐶
𝑈𝐵𝐶
𝐼𝐴
𝐼𝐵
измерения
𝐼𝐶
𝑈𝑛𝑁 𝐼𝑁 𝑃 cos 𝜑
Резистивная с
нейтральным
проводом
Резистивная
без
нейтрального
провода
1.2 Соединение симметричной нагрузки треугольником
Описание схемы измерений
Схема компьютерного моделирования в представлена на рис.6. В
качестве источника трёхфазного напряжения используется трёхфазный
генератор с обмотками, соединёнными звездой. Нагрузка соединена
треугольником. Линейные токи измеряются амперметрами V1, V2 , V7,
фазные токи амперметрами V4, V10, V11, соответственно. Напряжения на
нагрузках измеряются вольтметрами V5, V8 , V9. Все измерительные
приборы должны быть установлены в режим «AC», что соответствует
измерениям на переменном токе. Ключ S1 позволяет отключить линейный
провод, ключ S2 позволяет замкнуть элемент нагрузки. Мощность в фазе
нагрузки и коэффициент фазы измеряются ваттметром XWM1.
1.2.1.Собрать схему компьютерного моделирования, представленную
на рис.6.
U1
A
+
0.233
U5
+
-
U2
+
3PH
0.135
+
-
A
AC 1e-009Ohm
U8
+
-
381.081 V
+
AC 10MOhm
S1
-
0.135
Кл = Space
U4
AC 1e-009Ohm
U9
-
381.081 V
AC 10MOhm
S2
C2
C5
0.00000159F
U10
0.039m
I
+
R2
2kΩ
A
AC 1e-009Ohm
U7
+
A
0.135
R3
2kΩ
220 V 50 Hz
V
C1
0.00000159F
381.081 V
AC 10MOhm
V2
XWM1
R1
2kΩ
AC 1e-009Ohm
Кл = Space
0.00000159F
U11
+
-
0.135
A
AC 1e-009Ohm
A
AC 1e-009Ohm
Рис. 6
Подключить к трёхфазному генератору соединённую треугольником
симметричную нагрузку с комплексными сопротивлением фаз 𝑍𝑎𝑏 = 𝑍𝑏𝑐 =
𝑍𝑐𝑎 = 𝑍 = 𝑅 + 𝑍𝐶 , например, при 𝑅 = 2кОм, 𝐶 = 1.59 мкФ.
1.2.2. Измерить линейные токи 𝐼𝐴 , 𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 , линейные напряжения 𝑈𝐴𝐵 𝑈𝐵𝐶 , 𝑈𝐶𝐴
фазные токи 𝐼𝑎𝑏 , 𝐼𝑏𝑐 , 𝐼𝑐𝑎 . Результаты измерений записать в Таблицу 2. Найти
соотношение между линейным током Iл и фазным током Iф .
1.2.3. Измерить мощность в одной из фаз нагрузки, например, 𝑃𝑎𝑏 и
коэффициент мощности cos 𝜑𝑎𝑏 с помощью ваттметра XWM1. Результаты
измерений записать в Таблицу 2.
1.2.4. Проделать те же измерения при другой нагрузке. Результаты
измерений записать в Таблицу 2.
Таблица 2
№
Симметричный режим, соединение нагрузки треугольником
Вид
I𝐴 I𝐵 I𝐶 𝑈𝐴𝐵 𝑈𝐵𝐶 𝑈𝐶𝐴 𝐼𝑎𝑏 𝐼𝑏𝑐 𝐼𝑐𝑎 𝑃𝑎𝑏 cos 𝜑𝑎𝑏
измерения
нагрузки
𝑅 + 𝑍𝐶
𝑅 + 𝑍𝐿
2.Исследование трехфазной электрической цепи при
несимметричном режиме работы
2.1.Соединение несимметричной нагрузки звездой
2.1.1.Обрыв линейного провода.
В схеме измерений рис.5 с нейтральным проводом отключить
линейный провод какой- либо из фаз. Выполнить измерения в соответствии
с п.п.1.1.2-1.1.4. Результаты записать в Таблицу 3.
Повторить измерения при отключённом нейтральном проводе( кроме
п. 1.1.4). Результаты записать в Таблицу 3.
2.1.2.Короткое замыкание фазы нагрузки.
В схеме измерений рис.5 с нейтральным проводом замкнуть накоротко
одну из фаз нагрузки , например, «а». Выполнить измерения в
соответствии с п.п.1.1.2-1.1.4. Результаты записать в Таблицу 3.
Повторить измерения при отключённом нейтральном проводе.
Результаты записать в Таблицу3
Таблица 3
Несимметричный режим, соединение нагрузки звездой
№
Вид нагрузки
измерения
Обрыв
линейного
провода А, с
нейтральным
проводом
Обрыв
линейного
провода А,
без
нейтрального
провода
𝑈𝐴
𝑈𝐵
𝑈𝐶
𝑈𝐵𝐶 I𝐴 I𝐴
I𝐵
𝐼𝐶
𝑈𝑛𝑁 𝑏𝑐
𝐼𝑁 𝑃 cos 𝜑
Короткое
замыкание
фазы «а», с
нейтральным
проводом
Короткое
замыкание
фазы «а», без
нейтрального
провода
2.2. Соединение несимметричной нагрузки треугольником
1. Замыкание элемента фазы В схеме измерений рис.6 по указанию
преподавателя закоротить один из элементов в одной из фаз нагрузки,
например, 𝐶𝐴𝐵 = 𝐶1 , выполнить измерения согласно п.п. 1.2.2, 1.2.3.
Результаты измерений занести в Таблицу 4.
2. Обрыв линейного провода. В схеме измерений рис.6 разомкнуть
ключ S1. Определить фазные 𝐼ф и линейные 𝐼л токи, активную 𝑃 ,
реактивную 𝑄 и полную 𝑆 мощности каждой фазы и всей
электрической цепи. Результаты записать в Таблицу 4.
Таблица 4
Несимметричный режим, соединение нагрузки треугольником
𝑈𝐴𝐵 𝑈𝐵𝐶 𝑈𝐶𝐴 𝐼𝐴 𝐼𝐵 𝐼𝐶 𝐼𝑎𝑏 𝐼𝑏𝑐 𝐼𝑐𝑎 𝑃𝑎𝑏 cos 𝜑 𝑆
Вид нагрузки
Замыкание
элемента фазы
(закоротить𝐶𝐴𝐵 =
𝐶1 )
Обрыв линейного
провода
(Разомкнуть S1)
Содержание отчета
1. Тема работы и учебные вопросы.
2. Исходные данные
3. Исследуемые схемы.
4. Расчетные формулы и результаты расчета.
5. Таблицы результатов измерений.
6. Векторные диаграммы токов и напряжений в трёхфазных цепях (в
соответствии с индивидуальным заданием).
7. Выводы.
Разработали:
ст.преподаваель 2 кафедры доцент А. Константинова,
ст.преподаваель 2 кафедры А.Панкин
« » __________ 2022 года