Трехфазные электрические цепи, электрические машины, измерения электрической энергии, электрического освещения, выпрямления переменного тока (стр. 2 из 8)
СЛУЧАЙ СИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ.
Нагрузка, подключенная к трехфазному генератору, может быть симметричной и несимметричной.
Симметричной называется такая нагрузка, при которой сопротивления фаз одинаковы по величине и по характеру, т.е.
ZА = ZВ = ZС = r + jx
При симметричной нагрузке токи в фазах по величине равны между собой.
IА = IВ = IС,
где
На Рис.6 показаны векторные диаграммы напряжений и токов для симметричной активной нагрузки (а) - при наличии нейтрального провода
(IА + IВ + IС = IО = 0), а (б) - без нейтрального провода.
Рис.6
СЛУЧАЙ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ.
При несимметричной нагрузке ZА¹ZВ¹ZС, токи в фазах IА¹IВ¹IС.
Векторные диаграммы для данного случая изображены на рис.7 (а, б).
На рис.7 (а) показано графическое определение тока в нейтральном проводе IО. Благодаря наличию нейтрального провода при несимметричной нагрузке напряжения на фазах потребителя энергии остаются неизменными и равными фазным напряжениям генератора (если пренебречь сопротивлением нейтрального провода и линейных проводов).
Рис.7
В случае обрыва нейтрального провода нулевая точка смещается в сторону более нагруженной фазы, и напряжения на фазах потребителя изменяются, что приводит к нарушению нормальной работы приемников энергии,поэтомув нейтральный провод не рекомендуется ставить предохранитель или рубильник. Токи в трехфазной цепи без нейтрального провода принимают такие значения, что их геометрическая сумма равна нулю.
Если в качестве нагрузки трехфазной трехпроводной цепи используются лампы накаливания одинаковой мощности, то их накал определяется фазным напряжением, а так как напряжения на фазах различны, то лампы будут гореть с различной яркостью. Наибольший накал ламп будет в той фазе, в которой включено меньшее количество ламп.
В случае обрыва одной из фаз, например, фазы "А" без нейтрального провода (отключены все лампы в этой фазе), две другие фазы ("В" и "С") оказываются включенными последовательно и находятся под линейным напряжением UВС. Если сопротивления одинаковы, то напряжения их будут равны, и каждое составляет половину линейного напряжения UВС/2 (рис.8).
Рис.8
В этом случае лампы, включенные в фазу "А", погаснут, а в фазах "В" и "С" будут иметь меньший накал.
Уменьшение сопротивления одной из фаз (например, "А") до нуля, что соответствует короткому замыканию в ней, приводит к смещению нулевой точки в вершину треугольника линейных напряжений, тогда UА=0, а фазные напряжения UВ и UС становятся равными линейным: UАВ и UСА.
Векторная диаграмма токов и напряжений для данного случая показана на рис.9.
Рис.9
Лампы, включенные в фазу "А", гаснут, а в фазах "В" и "С" горят ярче обычного.
Вывод: при несимметричной нагрузке фаз нельзя применять соединение приемников по схеме "звезда" без нулевого провода.
Содержание ОТЧЕТА
1. Технические характеристики приборов и элементов, используемых в работе.
2. Схемы и таблицы.
3. Расчетные формулы и векторные диаграммы.
4. Выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какое соединение фаз генератора и нагрузки называется "звездой"?
2. Каково соотношение между фазными и линейными напряжениями и токами при соединении нагрузки "звездой"?
3. Объяснить назначение нулевого провода.
4. Как определить ток в нулевом проводе?
5. Что такое напряжение смещения нейтрали? В каких случаях оно равно нулю?
Чем опасно короткое замыкание одной фазы при наличии и отсутствии нулевого провода?
Литература
1. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника. - М.: Высшая школа, 1984, с.97 - 101.
2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983,с.109 - 111.
Методические указания к лабораторной работе № 7
"ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ
ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПО СХЕМЕ "ТРЕУГОЛЬНИК"
Цель работы: исследовать различные режимы работы потребителей трехфазного тока, соединенных по схеме "треугольник".
Порядок работы:
1. Ознакомиться с приборами, применяемыми в данной работе и записать их технические данные.
Собрать электрическую схему (Рис.1).
Рис.1
3. Измерить фазные, линейные токи и напряжения при симметричной нагрузке фаз. Убедиться, что IЛ =
Iф.4. Произвести указанные в пункте 3 измерения для несимметричной нагрузки (включить разное количество ламп в фазах).
5. Установив симметричную нагрузку, отключить полностью лампы в одной из фаз. Записать указания приборов.
6. При симметричной нагрузке фаз осуществить обрыв одного из линейных проводов. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1. Для всех пунктов эксперимента построить в масштабе векторные диаграммы.
Таблица 1
| Характер нагрузки | IAB, А | IBС, А | IСA, А | IA, А | IB, А | IC, А | U AB,B | UBC,B | UCA,B |
| Симметричная | |||||||||
| Несимметричная | |||||||||
| Обрыв фазы | |||||||||
| Обрыв линейного провода |
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Трехфазной системой переменных токов называется совокупность трех однофазных электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе на 1/3 периода и создаваемые общим источником электрической энергии. Обмотки фаз генератора имеют одинаковое число витков и выполняются из провода одинакового сечения, поэтому ЭДС, индуктированные в них, равны по величине. Если каждая из трех фаз генератора работает на автономную нагрузку, то такая трехфазная система называется несвязанной, в ней генератор соединен с потребителем шестью проводами (рис.2).
По закону Ома ток, протекающий в фазе
где UФ - напряжение на зажимах фазы
ZФ - полное сопротивление фазы.
Несвязанные системы неэкономичны и практического применения не имеют. Соединение фаз генератора и нагрузки может осуществляться по схемам "звезда" или "треугольник".
Объединяя попарно провода несвязанной шестипроводной системы (рис.2) и соединяя фазы генератора и нагрузки, можно перейти к трехпроводной трехфазной системе, соединенной треугольником (рис.3).
Как видно, соединение треугольником выполняется так, чтобы конец фазы "ав" был соединен с началом фазы "вс", конец фазы "вс" соединен с началом фазы "са", конец фазы "са" соединен с началом фазы "ав". К общим точкам соединения фаз подводятся линейные провода, соединяющие генератор с нагрузкой.
При соединении нагрузки по схеме "треугольник" линейное напряжение равно фазному: Uл = Uф.
Соотношения между фазными и линейными токами устанавливаются на основании первого закона Кирхгофа из уравнений, составленных для узловых точек "а", "в", "с" нагрузки
IА= Iав - Iса
IВ = Iвс - Iав
IС = Iса - Iвс
Таким образом, линейные токи равны алгебраической сумме векторов фазных токов. При симметричной нагрузке фазные токи одинаковы и сдвинуты по фазе на 120°. Векторная диаграмма для данного случая изображена на рис.4
Рис.4
НЕСИММЕТРИЧНАЯ НАГРУЗКА ФАЗ
Если в одну из фаз включить дополнительное сопротивление параллельно имеющемуся, то есть, увеличить количество ламп, то общее сопротивление этой фазы уменьшится, а ток возрастет.
Величины токов в двух других фазах остаются неизменными, так как их сопротивления и напряжения не изменились. Векторная диаграмма, представленная на рис.5, построена для случая увеличения нагрузки в фазе "АВ".
Рис.5 Рис.6
При увеличении сопротивления одной из фаз, например, фазы "ВС", до бесконечности, что соответствует обрыву данной фазы, ток в ней равен нулю, в двух других фазах токи не изменятся, так как сопротивления в них остались как и при симметричной нагрузке.
Векторная диаграмма для данного случая изображена на Рис.6.
Лампы, включенные в фазу "ВС", не горят. В двух других фазах накал ламп такой же, каким был при симметричной нагрузке.
В случае обрыва одного из линейных проводов (например, провода, по которым протекает ток Iа), цепь трехфазного тока (рис.7) можно представить в виде однофазной с двумя параллельно включенными ветвями (рис.8)
В этом случае лампы в фазе "ВС" остались под фазным напряжением.
Векторная диаграмма имеет вид рис.9. Эти фазы оказываются соединенными последовательно под напряжение фазы Uвс.
Следовательно, напряжение Uвс делится поровну между фазами "АВ" и "СА". Активная мощность трехфазного тока при несимметричной нагрузке фаз равна сумме активных мощностей отдельных фаз: