Порядок выполнения эксперимента

· Соберите цепь с симметричной нагрузкой (R_AВ = R_BС = R_CА = 1 кОм ) согласно схеме (рис. 8.3.3). Для измерения шести токов (три фазных и три линейных) включите в цепь три виртуальных амперметра и три мультиметра в режиме измерения токов.

 

 

Рис. 8.3.3

 

· Измерьте мультиметром напряжения и токи согласно табл. 8.3.1 и вычислите мощности.

Таблица 8.3.1

Схема «треугольник»		Нагрузка симметричная	Нагрузка несимметричная
Линейные токи, мА	IA
	IB
	IC
Фазные токи, мА	IAB
	IBC
	ICA
Фазные и линейные напряжения, В	UAВ
	UBС
	UCА
Фазные мощности, мВт	PAВ
	PBС
	PCА
Общая мощность, мВт	SP

 

_· Повторите измерения и вычисления для несимметричной нагрузки (R_A = 1 кОм, R_B= 680 Ом,   R_C = 330 Ом).

_· На рис. 8.3.4 в масштабе постройте векторные диаграммы.

 

 

Рис. 8.3.4.

8.4. Аварийные режимы трёхфазной цепи при соединении нагрузки в звезду                                                                                    

Общие сведения

Аварийными являются режимы, возникают при коротких замыканиях в нагрузке или в линиях и обрыве проводов. Остановимся на некоторых типичных аварийных режимах.

 

Обрыв нейтрального провода при несимметричной нагрузке

В симметричном режиме I_N = 0, поэтому обрыв нейтрального провода не приводит к изменению токов и напряжений в цепи и такой режим не является аварийным. Однако, при несимметричной нагрузке I_N ¹ 0, поэтому обрыв нейтрали приводит к изменению всех фазных токов и напряжений. На векторной диаграмме напряжений точка «0» нагрузки, совпадающая до этого с точкой «N» генератора, смещается таким образом, чтобы сумма фазных токов оказалась равной нулю (рис.8.4.1). Напряжения на отдельных фазах могут существенно превысить номинальное напряжение.

 

 

Рис. 8.4.1

.

 

Обрыв фазы при симметричной нагрузке в схеме с нулевым проводом

При обрыве провода, например, в фазе А ток этой фазы становится равным нулю, напряжения и токи в фазах В и С не изменяются, а в нулевом проводе появляется ток

I _{N =} I _B + I _C. Он равен току, который до обрыва протекал в фазе А (рис. 8.4.2).

 

 

Рис.8.4.2

 

Обрыв фазы при симметричной нагрузке в схеме без нулевого провода

 

При обрыве, например, фазы А сопротивления R_A и R_B оказываются соединёнными последовательно и к ним приложено линейное напряжение U_BC. Напряжение на каждом из сопротивлений составляет  от фазного напряжения в нормальном режиме. Нулевая точка нагрузки на векторной диаграмме напряжений смещается на линию ВС и при R_B = R_C находится точно в середине отрезка ВС (рис.8.4.3

)

 

Рис.8.4.3

 

Короткие замыкания

 

При коротком замыкании фазы нагрузки в схеме с нулевым проводом ток в этой фазе становится очень большим (теоретически бесконечно большим) и это приводит к аварийному отключению нагрузки защитой. В схеме без нулевого провода при замыкании, например, фазы А, нулевая точка нагрузки смещается в точку «А» генератора. Тогда к сопротивлениям фаз В и С прикладываются линейные напряжения. Токи в этих фазах возрастают в  раз, а ток в фазе А – в 3 раза (рис. 8.4.4).

Короткие замыкания между линейными проводами и в той и в другой схеме приводят к аварийному отключению нагрузки.

 

Рис.8.4.4

 

Экспериментальная часть

 

Задание

 

Экспериментально исследовать аварийные режимы трёхфазной цепи при соединении нагрузки в звезду.

 

Порядок выполнения работы

 

· Соберите цепь цепь согласно схеме (рис.8.4.5) с сопротивлениями фаз R_A=R_B=R_C=1кОм. Измерения токов можно производить одним – двумя амперметрами, переключая их из одной фазы в другую, либо виртуальными приборами.

 

Рис.8.4.5

 

· Убедитесь, что обрыв (отключение) нейтрали не приводит к изменению фазных токов.

· Убедитесь, что в схеме с нулевым проводом происходит отключение источника защитой при коротких замыканиях как в фазах нагрузки, так и между линейными проводами.

· Убедитесь, что в схеме без нулевого провода короткое замыкание в фазе нагрузки не приводит к отключению, а при коротком замыкании между линейными проводами установка отключается.

· Проделайте измерения токов и напряжений всех величин, указанных в табл. 8.4.1 в различных режимах и по экспериментальным данным постройте векторные диаграммы для каждого случая в выбранном масштабе.

· Ответьте на контрольные вопросы.

 

Таблица 8.4.1

Режим	UAO, B	UBO, B	UCO, B	UON, B	IA, мА	IB, мА	IC, мА	IN, мА
RA=1 кОм RB=680 Ом RC=330 Ом Обрыв нейтрали
RA=RB=RC=1 кОм Схема с нейтралью Обрыв фазы А
RA=RB=RC=1 кОм Схема без нейтрали Обрыв фазы А
RA=RB=RC=1 кОм Схема без нейтрали К. З. фазы А

 

 Векторные диаграммы

 

 

1. R_A=1 кОм, R_B=680 Ом, R_C=330 Ом. Обрыв нейтрали

2. R_A= R_B= R_C =1 кОм, Схема с нейтралью, обрыв фазы А

 

3. R_A= R_B= R_C =1 кОм, Схема без нейтрали, обрыв фазы А

4. R_A= R_B= R_C =1 кОм, Схема без нейтрали, короткое замыкание фазы А

Вопрос: Как изменяется мощность трёхфазной нагрузки при обрыве фазы в схеме с нулевым проводом и без него? Как изменяется мощность при коротком замыкании одной фазы?

Ответ: …………

 

8.5 Аварийные режимы трёхфазной цепи при соединении                                     нагрузки в треугольник                                                                                     

Общие сведения

При коротких замыканиях в фазах нагрузки или между линейными проводами токи резко возрастают и происходит аварийное отключение установки защитой.

Обрывы фаз или линейных проводов при соединении нагрузки в треугольник не приводят к перегрузкам по токам или напряжениям, как это иногда случается при соединении нагрузки в звезду.

При обрыве одной фазы нагрузки (рис. 8.5.1) ток этой фазы становится равным нулю, а в оставшихся двух фазах ток не меняется. Два линейных тока уменьшаются в  раз, т. е. становятся равными фазному току, а третий остаётся неизменным.

 

Рис. 8.5.1.

 

При обрыве линейного провода (например, В) фазные сопротивления R_AB и R_BC оказываются соединёнными последовательно и включёнными параллельно с сопротивлением R_CA на напряжение U_CA (рис. 8.5.2). Цепь фактически становится однофазной.

 Рис. 8.5.2

 

При одновременном обрыве линейного провода и одной фазы нагрузки цепь также становится однофазной (рис. 8.5.3 и 8.5.4).

 

 

Рис.8.5.3

Рис.8.5.4

 

Экспериментальная часть

 

Задание

 

Экспериментально исследовать аварийные режимы трёхфазной цепи при соединении нагрузки в треугольник.

 

Порядок выполнения работы

 

· Соберите цепь цепь согласно схеме (рис.8.5.5) с сопротивлениями фаз R_AВ=R_BС=R_CА=1кОм и измерьте линейные и фазные токи в симметричном режиме.

· Проделайте измерения фазных и линейных токов (отличных от нуля) во всех режимах, указанных в табл. 8.5.1. (Измерения токов можно производить одним – двумя амперметрами, переключая их из одной фазы в другую, либо виртуальными приборами).

Рис.8.5.5

· По экспериментальным данным постройте векторные диаграммы для каждого аварийного случая в выбранном масштабе.

· Ответьте на контрольные вопросы.

 

Таблица 8.5.1

Режим	IAB, мА	IBC, мА	ICA, мА	IA, мА	IB, мА	IC, мА
Симметричный режим, Rф=1 кОм
Обрыв фазы АВ нагрузки
Обрыв линейного провода А
Обрыв фазы АВ и линии С
Обрыв фазы АВ и линии А

 

Векторные диаграммы

 

1. Обрыв фазы АВ нагрузки

2. Обрыв линейного провода А

 

3. Обрыв фазы АВ и линии С                         4. Обрыв фазы АВ и линии А

Вопрос: Как вычислить мощность несимметричной трёхфазной нагрузки?

Ответ: ……….

Вопрос: Как (во сколько раз) увеличиваются или уменьшаются фазные и линейные токи в каждом из рассмотренных аварийных режимов?

Ответ: ……….

9. Расчёт и экспериментальное исследование цепи при несинусоидальном приложенном напряжении

(для компьютерного варианта стенда)

Общие сведения

 

Несинусоидальное периодическое напряжение, приложенное к электрической цепи, можно разложить в ряд Фурье:

где

Расчёт цепи проводят с использованием принципа наложения в следующей последовательности:

· рассчитывают цепь при постоянном приложенном напряжении U ₀;

· рассчитывают цепь (обычно комплексным методом) при синусоидальном приложенном напряжении с амплитудой U _{1 m} частоты и частотой w (k=1);

· повторяют расчёт при k = 2, 3, 4, …, учитывая, что индуктивные сопротивления увеличиваются с ростом частоты (), а ёмкостные уменьшаются ();

· переходят к мгновенным значениям и суммируют постоянную и синусоидальные составляющие тока (напряжения) в каждой ветви;

· определяют действующие значения токов и напряжений, а также мощности по формулам:

·

где U_k, I_k – действующие значения синусоидальных составляющих.

Чем больше гармоник взято для расчёта, тем выше точность полученных результатов. На рис. 9.1 приведен в качестве примера экспериментальный график тока в

цепи с последовательным соединением R, L, и C  при двуполярном прямоугольном приложенном напряжении. На этот график наложены в том же масштабе два расчётных графика: один сделан с учётом только первой и третьей гармоник, а в другом учтены 5 гармоник - с первой по одиннадцатую.

В приложении приведена MathCAD-программа расчёта этих графиков с комментариями.

Экспериментальная часть

Задание

 

Рассчитать мгновенное и действующее значение тока и напряжения на конденсаторе, а также потребляемую цепью активную мощность при прямоугольном периодическом приложенном напряжении, построить график изменения тока на входе цепи, проверить результаты расчёта путём осциллографирования и непосредственных измерений.

 

Рис. 9.1

Порядок выполнения работы

· Выбрать один из приведенных ниже вариантов параметров цепи (рис. 9.2) и выполнить расчёт согласно заданию, учитывая основную гармонику и одну – две высших. По результатам расчёта мгновенных значений на рис.9.3 построить графики, а действующие значения и мощность занести в табл. 9.1.

Варианты параметров элементов цепи и приложенного напряжения:

L = 10 мГн (R_K=17 Ом), L = 40 мГн (R_K=70 Ом), L = 100 мГн, (R_K=170 Ом);

С = 0,22, 0,47 или 1 мкФ;

R = 47, 100, 150, или 220 Ом;

Um=8…10 B, f=0,5…1 кГц.

· Собрать цепь (рис.9.2) с принятыми в расчёте параметрами элементов, включить виртуальные приборы для измерения действующих значений тока и напряжения на конденсаторе и осциллограф.

· Установить на источнике принятые значение частоты и амплитуду прямоугольных импульсов и перенести осциллограмм на рис. 9.4. Записать в табл. 9.1 действующие значения тока и напряжения на конденсаторе.

Рис.9.2

 

· Переключить вольтметр на вход цепи, включить виртуальный измеритель активной мощности и занести его показание также в табл. 9.1.

· Сравнить результаты расчёта и эксперимента и сделать выводы.

 

Таблица 9.1

	I, мА	U, В	Р. мВт
Расчётные значения
Экспериментальные значения

 

 

Рис.9.3

 

 

 

Рис. 9.4

Приложение