Часть 2

1. Собрать схему (рис. 6)

2. Записать технические данные измерительных приборов и аппаратов в соответствующую таблицу протокола.

3. Определить цену деления приборов.

4. После тщательной проверки схемы студентами и преподава­телем, предупредив всех членов бригады, произвести включение схемы.

Первый опыт произвести при отключенных конденсаторах. Как и в предыдущем случае, этот опыт позволяет определить активное R_к и индуктивное X_к сопро­тивления катушки, которые в последующих опытах остаются неизмен­ными. В последующих опытах следует последовательно подключать конденса­торы, набранные в батарею, и добиться резонанса (или состояния, близкого к нему). В момент резонанса (резонанса токов) показания амперметра в неразветвлен­ной части цепи минимальны.

Результаты расчетов записать в таблицу 5.

Таблица 5.

№

Измерения

Вычисления

5. Обработка результатов опытов. Все параметры катушки индуктивности определяются из первого опыта при I_C = 0. Эти параметры практически являются постоянными:

Z_к=U/I_к; R_к = P/I_к²; X_к= ; b_к = X_к/Z_к²;

cosφ_к= R_к/Z_к = P/(UI_к).

7. Далее, для последующих опытов определяем:

X_C = U/I_С ; b_c = 1/X_C ; R = U/I_R; Z = U/I;

Y = 1/Z ; cos φ =P/(UI) ; X_C = 1/( 2πƒC); C = 1/( 2πƒ X_C);

ƒ= 50 Гц.

8. Построить в одной координатной системе графики зависимостей I, cos j = f(C).

9. Построить в масштабе векторные диаграммы до резонанса, в момент резонанса и после резонанса.

Построение векторных диаграмм

Построение векторной диаграммы начинают с вектора напряжения, так как напряжение является величиной постоянной при параллельном соединении.

Для построения векторной диаграммы необходимо выбрать масштабы по напряжению и по току. Вектор напряжения в выбранном масштабе откладываем горизонтально (рис. 8 и 9). Вектор тока в катушке Iк отстает от вектора напряжения на угол φ_к. Его строят под соответствующим углом в сторону отставания от вектора напряжения.

Вектор тока в цепи с активным сопротивлением R (рис. 8) совпадает по фазе с напряжением. Вектор тока в цепи с конденсаторами (рис. 9) откладывают в масштабе в сторону опережения на угол 90°относительно вектора напряжения. Ток в неразветвленной части схемы находится в результате геометрического суммирования векторов токов отдельных ветвей

;

.

Угол, образовавшийся между вектором тока в неразветвленной части схемы и напряжением должен быть равен расчетному углу φ.

6. Подготовить отчет по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Показать, как вычислить R_нг, R_к и L _к по показаниям приборов (рис. 6).

2. Показать, как вычислить величину емкости C и cosj по показаниям приборов (рис. 7).

3. Как будет изменяться коэффициент мощности cosj для всей цепи при изменении R_нг?

4. Объяснить построение векторной диаграммы для цепи, представленной на рис. 6.

5. Какое явление называется резонансом токов?

6. При каком соотношении параметров цепи на рис. 7 в цепи возможен резонанс токов?

7. Каковы следствия резонанса токов?

8. С помощью каких приборов, и по каким признакам можно опытным путем определить наступление резонанса токов?

9. Где используется компенсация реактивной мощности и для чего?

10. Как определить емкость батареи конденсаторов для повышения коэффициента мощности до единицы – cos j = 1?

11. Будет ли ваттметр изменять свои показания при изменении величины емкости в схеме на рис. 7.

12. Запишите выражение для определения тока в общей цепи схемы на рис. 6.

13. Поясните построение векторных диаграмм для схемы на рис. 7

Лабораторная работа №4

СОЕДИНЕНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА ЗВЕЗДОЙ

1. Цель работы

Изучить явления, происходящие в цепи синусоидального переменного тока трехфазной системы при включении потребителей электроэнергии звездой.

2. Основные теоретические сведения.

Электрификация промышленности производится синусоидальным переменным током трехфазной системы, который имеет ряд преимуществ по сравнению с однофазным током.

Действующие значения синусоидального напряжения фаз сдвинуты друг относительно друга на угол 120° или на одну треть периода. В трехфазной системе тока применяются, в основном, два способа соединений потребителей: звездой и треугольником.

Потребители трехфазной системы тока могут соединяться звездой с нулевым (уравнительным) проводом, либо без него.

Соединение звездой с нулевым проводом применяется в случае, когда нагрузка фаз несимметрична. Типичным представителем такой нагрузки является осветительная нагрузка. (Необходимо обратить внимание на то, что по техническим условиям в производственных схемах на нулевом проводе запре­щается ставить предохранители и выключатели, так как в случае выключения нулевого провода произойдет изменение режима работы потребителя.)

Если в качестве нагрузки используются электродвигатели – то это типичный представитель симметричной нагрузки. Под ней понимают нагрузку, для которой справедливы соотношения:

Z_A = Z_B = Z_C = Z и tg φ_A = tg φ_B = tg φ_C (т.е. – нагрузка однородная).

В трехфазной системе тока при соединении в звезду различают следующие напряжения: U_A, U_B, U_C – фазные напря­жения и U_AB, U_BC, U_CA – линейные напряжения.

Линейные напряжения могут быть выражены следующими урав­нениями:

;

;

.

Ток в линейном проводе и нагрузке один и тот же, следовательно

I_л = I_ф = I.

На основании этих соотношений можно построить векторную диаграмму напряжений и токов.

Вектора трехфазных напряжений в соответствующем масштабе откладываются под углом 120° (рис. 10). Для получения вектора линейного напряжения U_AB необходимо прибавить к вектору фазного напряжения U_A вектор фазного напряжения U_B с обратным знаком. Вектор линейного напряжения U_BC получится, если к вектору фазного напряжения U_B прибавить с обратным знаком вектор фазного напряжения U_C. Аналогично получают вектор U_CA .

Если рассмотреть треугольник, образованный векторами (U_A – U_B) и вектором U_AB, то нетрудно определить вектор линейного напряжения U_AB. Он в больше вектора фазного напряжения U_A. В общем виде это соотношение записывается так:

U_л= U_ф

Вектора токов отстают от векторов фазных напряжений на угол φ. Следовательно, в рассматриваемом случае (рис. 10) имеет место активно-индуктивная нагрузка. При активной нагрузке ток и напряжение будут совпадать по фазе (φ = 0).

При несимметричной нагрузке ток в нулевом проводе по первому закону Кирхгофа определяется уравнением:

Активная мощность в системе трехфазного тока определяется:

а) при несимметричной нагрузке фаз как P = P_A + P_B + P_C ,

где P_A = U_A I_A cos φ_A ; P_B = U_B I_B cos φ_B ; P_C = U_C I_C cos φ_C ;

б) при симметричной нагрузке фаз как

P = 3P_Ф = 3 U_ФI_Фcos φ_Ф

Если заменить фазные величины линейными, то формула примет вид

Р = U_лI_л cos φ_Ф

Эта формула справедлива для схем соединений потребителей как звездой, так и в треугольником.

В данной работе исследуется включение в цепь трехфазной системы тока трех резисторов, которые являются активными потребителями электрической энергии.

3. Порядок выполнения работы

1. Собрать схему (рис. 11).

2. Записать технические данные измерительных приборов и аппаратов в соответствующую таблицу протокола.

3. Определить цену деления приборов.

4. После тщательной проверки схемы студентами и преподавателем, предупредив всех членов бригады, произвести включение схемы. Включив схему и проверив, что все приборы работают нормально, выполнять лабораторную работу в следующем порядке:

а) установить симметричную нагрузку всех трех фаз. Нулевой провод включен. Показания приборов записать в таблицу 6;

б) установить выключателями симметричную нагрузку всех трех фаз. Нулевой провод отключен. Записать показаний приборов в таблицу 6;

в) установить несимметричную нагрузку всех трех фаз. Нулевой провод включен. Показания приборов записать в таблицу 6;

г) установить выключателями несимметричную нагрузку всех трех фаз. Нулевой провод отключен. Записать показаний всех приборов в таблицу 6;

д) отключить фазу А и выполнить опыты с N – проводом и без него при R_B=R_C;. Показания приборов записать в таблицу 6

е) при отключенной схеме замкнуть накоротко начало и конец фазы А без N – провода. Включить схему и произвести измерения. Показания приборов записать в таблицу 6.

Рисунок 11. Схема соединения потребителей звездой

Таблица 6

8. По данным таблицы 6 построить векторные диаграммы для всех проведенных опытов. При построении векторных диаграмм, из векторов линейных напряжений строится равносторонний треугольник (рис. 12). Месторасположение нулевой точки находится путем засечек из вершин треугольника радиусами, равными фазным напряжениям. Вектора фазных токов откладываются вдоль соответствующих векторов фазных напряжений. Ток в нейтральном проводе находится по векторной диаграмме в соответствии с приведенным выше соотношением. По векторной диаграмме также определяется и вектор U₀.

В качестве примера, на рис. 12 приведена векторная диаграмма для трехфазного активного симметричного потребителя, соединенного звездой с нулевым проводом.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каким образом приемники трехфазной системы соединяются звездой?

2. Какие два вида напряжений и токов различают в трехфазных системах?

3. Каково соотношение между линейными и фазными напряжениями при соединении потребителей звездой?

4. Каково соотношение между линейными и фазными токами при соединении потребителей звездой?

5. Какова роль нейтрального провода? Почему в него не ставят предохранитель?

6. Что называется симметричной и несимметричной нагрузками в трехфазной сети?

7. Что происходит в трехфазной цепи при соединении потребителей звездой в случае нарушения равномерности нагрузок в фазах?

8. Что делается для восстановления симметрии фазных напряжений при неравномерной нагрузке фаз?

9. Чему равен ток в нулевом проводе при симметричной и несимметричной нагрузках?

10. Какой формулой можно воспользоваться при определении мощность трехфазной цепи?