Лабораторная работа № 4
Трехфазная цепь при соединении потребителей звездой

1. Цель работы

Проанализировать режимы работы симметричного и несимметричного потребителей электрической энергии в трехфазной цепи при соединении "звездой" при наличии и отсутствии нейтрального провода. Научиться строить векторные диаграммы напряжений и токов трехфазной цепи.

2. Описание виртуальной лабораторной установки

Лабораторная работа связана с изучением симметричной и несимметричной нагрузок, соединенных звездой, с нейтральным проводом и без него (8 опытов). Схема электрическая принципиальная приведена ниже. Для измерения мощности, напряжения и тока в фазах, используется комплект измерительных приборов PW1, PV1, PA1, который необходимо переключать между фазами вручную. Соответствующий переключатель имеется в приведенной рядом со схемой форме. Та же форма используется для программирования наличия или отсутствия нейтрального провода в схеме. Для подобных опытов автоматически реконфигурируется "Панель измерительных приборов" (отображается либо амперметр PA2, либо вольтметр PV2).

3. Расчетное задание

Произвести расчет напряжений, токов и мощностей трехфазной цепи при соединении потребителей звездой для следующих режимов: а) симметричный режим с нейтральным проводом и без него; б) обрыв фазы при симметричном режиме с нейтральным проводом; в) обрыв фазы при симметричном режиме без нейтрального провода; г) несимметричный режим с неоднородной нагрузкой и нейтральным проводом; д) несимметричный режим с неоднородной нагрузкой без нейтрального провода; е) обрыв фазы несимметричного режима с нейтральным проводом; ж) обрыв фазы несимметричного режима без нейтрального провода. Варианты исходных данных приведены в табл. 1. Сценарий расчетов — ниже. Линейные напряжения сети 220 В.

Таблица 1
Вариант
Режим работы 1 2 3 4 5 6
Симметричная нагрузка Rф, [Ом] 200 250 350 200 250 350
Несимметричная
неоднородная
нагрузка
Ra, [Ом]
Сa, [мкФ]
Rb, [Ом]
Сb, [мкФ]
Rc, [Ом]
Сc, [мкФ]
350
-
350
-
250
10
250
-
100
10
350
-
150
20
350
-
200
-
250
-
350
-
200
30
200
20
250
-
250
-
350
-
150
30
250
-
Отключена фаза A C B A B C

3.1. Составить расчетную схему замещения трехфазного потребителя, соединенного звездой, в соответствии с вариантами исходных данных (табл. 1).

3.2. Записать соотношения между линейными и фазными напряжениями; определить напряжения фаз потребителя (Ua , Ub, Uc) в каждом расчетном режиме.

3.3. Рассчитать токи в фазах для указанных выше режимов. При расчете токов в фазах для режимов "г, д, е, ж" предварительно необходимо рассчитать величину сопротивления в фазе с емкостной нагрузкой и сдвиг по фазе между током и напряжением.

3.4. По результатам расчетов построить векторные диаграммы напряжений и токов для всех рассчитанных режимов цепи.

3.5. Записать уравнения для определения тока в нейтральном проводе. Определить его по векторной диаграмме путем векторного суммирования фазных токов.

 Параметры схемы 
 Uл:   
 f:  
 Ra:
 Rb:
 Rc:
 C: 
 P1 в фазе: 
A B C 
 Нейтральный провод: 
есть нет 

Учебная электрическая схема трехфазного потребителя соединенного звездой

Панель измерительных приборов

PA2: 
PW1:
PV1: 
PA1: 



4. Экспериментальная часть

В соответствии с программой исследований (табл. 2), выполнить восемь серий опытов. Сопротивления фаз нагрузки (Za, Zb, Zc) устанавливать по варианту см. табл. 1. Четырехпроводная цепь будет при наличии нейтрального провода (ключ в схеме замкнут), трехпроводная - при его отсутствии (ключ разомкнут). Неоднородность несимметричной нагрузки обеспечивается добавлением последовательно включаемого конденсатора в одну из фаз нагрузи. Все требуемые настройки программируются в форме, расположенной левее схемы.

Таблица 2
Четырехпроводная цепь Трехпроводная цепь
Фаза Uф, В Iф, А Pф, Вт IN, А cos φ Uф, В Iф, А Pф, Вт UnN, А cos φ
Симметричная нагрузка
a                    
b                    
c                    
Обрыв фазы при симметричной нагрузке
a                    
b                    
c                    
Несимметричная неоднородная нагрузка
a                    
b                    
c                    
Обрыв фазы при несимметричной неоднородной нагрузке
a                    
b                    
c                    

5. Обработка результатов эксперимента

5.1. Для всех опытов (по данным измерений, табл. 2) рассчитать коэффициент мощности (cos φ фаз потребителя).

5.2. По результатам измерений (на четырех листах А4) построить восемь векторных диаграмм напряжений и токов (используя циркуль!). При построении диаграмм для режимов с неоднородной нагрузкой учесть, что в фазе с активно-емкостной нагрузкой ток опережает напряжение на некоторый угол, меньший, чем 90 градусов.

5.3. Для каждого опыта записать уравнение по первому закону Кирхгофа для нейтральной точки потребителя, и, путем соответствующих построений (на векторной диаграмме), убедиться в справедливости закона.

5.4. Идентифицировать физические величины соответствующие приведенным осциллограммам. В рассуждениях рекомендуется опираться на эксперименты. Можно манипулировать коммутацией элементов схемы или их параметрами (точки подключения каналов осциллографа неизменны). Допустимо привлекать теоретические положения.

6. Контрольные вопросы (должны быть отражены в выводах)

6.1. Произвести сравнение результатов опытов для симметричной нагрузки и сделать вывод о рациональном подключении ее к сети (трехпроводная или четырехпроводная цепь).

6.2. Произвести сравнение результатов опытов для несимметричной нагрузки и обосновать необходимость применения нейтрального провода (обрыв фазы является несимметричной нагрузкой).

6.3. Почему в нейтральный провод ни когда не устанавливают предохранители (что произойдет, если одна из фазных нагрузок закоротит и этот предохранитель сгорит)?