МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОДГОТОВКЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ ПО ТЕМЕ «ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ И ИХ РАСЧЕТ»
материал на тему

Комарова Татьяна Николаевна

преподаватель специальных дисциплин

Государственное бюджетное  образовательное учреждение

среднего профессионального образования Московской области

Воскресенский индустриальный техникум

Московская область,  г. Воскресенск

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОДГОТОВКЕ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ  

ПО ТЕМЕ «ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ И ИХ РАСЧЕТ»

Цель образовательного процесса – обучение, воспитание и развитие компетентной личности, способной вести самостоятельный поиск информации, выбирать методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество, применять полученные знания в практической деятельности.

Требования ФГОС третьего поколения диктуют необходимость развития у обучающихся творческой инициативы, воспитания у них потребности в самообразовании, стремления к повышению уровня своей теоретической подготовки, а также к совершенствованию умений самообразовательной деятельности.

Обозначенные требования к подготовке обучающихся делают их конкурентоспособными на современном рынке труда.

В этой связи,  всё большее значение приобретает самостоятельная работа обучающихся, создающая условия для формирования у них готовности и умения использовать различные средства информации с целью поиска необходимого знания.

ФГОС нового поколения регламентируют требования сопровождения самостоятельной работы методическим обеспечением.

Для обучающихся методическое обеспечение является, в первую очередь, источником предметных знаний и умений. Кроме того,  методические пособия способствуют  развитию интеллектуальной, эмоциональной, мотивационной сфер будущего профессионала.

Дисциплина «Электротехника» является базой для специальных дисциплин специальности 140448 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)», и имеет целью дать обучающимся углубленное понимание электромагнитных явлений и научить сознательно пользоваться основными законами электротехники при решении практических задач.

Самостоятельная работа по дисциплине «Электротехника» подразумевает  изучение теоретических вопросов, решение задач, выполнение лабораторных  и расчетно-графических работ, ориентированных на использование измерительной и вычислительной техники.

Обязательным элементом учебного процесса  по дисциплине является выполнение  лабораторных работ.

В качестве примера представляю методические рекомендации по подготовке к лабораторной работе по  теме «Трехфазные цепи и их расчет».  

Теоретические сведения.

При изучении материала  темы «Трехфазные цепи и их расчет» необходимо обратить внимание на связь между фазными и линейными токами, а также между фазными и линейными напряжениями для соединений «звездой» и «треугольником», как при симметричной, так и при несимметричной нагрузке. При расчете несимметричных трехфазных цепей со статической нагрузкой рекомендуется строить векторные топографические диаграммы, которые дают во многих случаях наглядное представление о соотношениях между напряжениями и токами в различных участках цепи. Необходимо обратить особое внимание на способы определения последовательности фаз для трехфазной системы, а также на измерение мощности с помощью двух ваттметров.

 В процессе изучения учебного материала рекомендуется пользоваться вопросами для самопроверки:

 1) В трехфазную линию включены два приемника по схеме "треугольник". Начертите соответствующую схему и введите в нее измерительные приборы для измерения линейных и фазных токов и напряжений.

2) Начертите такую же схему для приемников, соединенных по схеме "звезда" с нейтральным проводом.

3) Напишите выражения для мгновенных значений напряжений, образующих трехфазную симметричную систему (для фазы А начальную фазу напряжения принять равной нулю).

4) Напишите выражения для мгновенных значений токов, образующих симметричную трехфазную систему, если начальная фаза тока в фазе А равна 30°.

5) Приемник соединен треугольником. В фазу А включен реостат, в фазу В -катушка (L, R), в фазу С - конденсатор. Начертите топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов.

6) Действующее значение линейного тока в симметричном приемнике, соединенном по схеме "звезда" без нейтрального провода, равно I. В одном из линейных проводов произошел обрыв. Чему равны токи в двух других линейных проводах?

7) Напишите выражения для активной, реактивной и полной мощностей трехфазной системы.

8) Изобразите топографическую векторную диаграмму напряжений и покажите на ней векторы токов для трехфазной системы, соединенной по схеме "звезда" с нейтральным проводом, если в одну фазу включен резистор с сопротивлением R, а в две другие - катушки с индуктивностями L1 и L2

9) Изобразите топографическую векторную диаграмму напряжений и покажите на ней векторы токов для трехфазной системы, соединенной треугольником, если в одну фазу включен элемент с параметром R, во вторую - с параметром L, и в третью - с параметром С.

10) Изобразите схему компенсации реактивной мощности для повышения коэффициента мощности трехфазной системы.

При подготовке к лабораторной работе рекомендуется предварительно решить типовые задачи.

Задачи для подготовки к лабораторной работе

1. Потребитель, соединенный по схеме «звезда» (нагрузка равномерная), включен в трехфазную сеть переменного тока с действующим значением линейного напряжения Uл=380 В. Коэффициент мощности нагрузки соs φ=0,5, ток в фазе Iф=22 А. Определить полное, активное и реактивное сопротивления потребителя в фазе, а также полную, активную и реактивную мощности нагрузки.
2. Три одинаковые группы ламп накаливания, соединенные по схеме «звезда», включены в трехфазную четырехпроводную сеть с действующим значением линейного напряжения Uл=380 В. Определить полную мощность, потребляемую нагрузкой, если линейный ток Iл=16,5 А.
3. Приемник энергии, соединенный по схеме «звезда», подключен к трехфазной четырехпроводной сети с действующим значением линейного напряжения Uл =220 В и имеет в каждой фазе сопротивление R =100 Ом. Определить значения тока в линии и в нейтральном проводе.
4. Дано соединение звездой с нейтральным проводом. Действующие значения токов в фазах IA = IB = IC = 5A. Нагрузка в фазах: А и В - активная, С – активно-индуктивная (j=60). Чему равен ток в нейтральном проводе?
5. Дано соединение звездой с нейтральным проводом. Нагрузка фазы А активная, фазы В - индуктивно-емкостная (φ=60°), фазы С – активно-индуктивная (φ=60°). Определить ток в нейтральном проводе, если IA = IB = IC = 1 A. Построить векторную диаграмму

6.     Определить ток в нейтральном проводе, если   Uсети = 220В

7. Определить Z и cos φ симметричной нагрузки, если показания приборов: pV=>220B, рA=>4√3 A, pW=528Вт

Критериями успешного выполнения лабораторной работы являются:

1. Получение экспериментальных данных, соответствующих заданиям, приведенным в методических указаниях.

2. Наличие всех расчетов согласно требованиям таблиц экспериментальных данных с указанием используемых формул и приведением примера расчета одной строки таблицы.

3. Построение необходимых графиков зависимостей и векторных диаграмм токов и напряжений с  соблюдением масштабов.

4. Письменные выводы о проделанной работе в плане соответствия полученных экспериментальных данных теоретическим положениям.

5. Способность обучающихся:

а) объяснить характер полученных экспериментальных результатов;

б) сравнить их с теоретическими выкладками;

в) объяснить их физический смысл;

г) сформулировать причины и допустимость отличий экспериментальных данных от теоретических.

Рекомендации по оформлению отчета о лабораторной работе

Лабораторная работа

Трехфазная цепь при соединении потребителя  «треугольником» и «звездой».

Цель работы: ознакомление со схемой трёхфазной цепи при соединении приёмников энергии «звездой» и «треугольником»; установление соотношения между линейными и фазными токами и напряжениями при различной нагрузке фаз.

Приборы и оборудование: 1. Лабораторный стенд «Уралочка». 2. Мультиметры.  3. Блоки переменных сопротивлений.  4. Соединительные провода

Основные теоретические сведения

1. Фазы трехфазного потребителя могут соединяться в звезду или треугольник. В лабораторной работе исследуется активная нагрузка, соединенная в звезду  и треугольник.

При соединении в звезду фазный ток равен линейному току IФ=IЛ, линейное напряжение больше фазного в √3 раз: UЛ=√3•UФ.

При соединении в треугольник линейное напряжение равно фазному UЛ=UФ, а линейный ток больше фазного в √3 раз: IЛ=√3• IФ.

Потребитель считается симметричным, если сопротивления его фаз равны ZA=ZB=ZC и несимметричным, когда ZA≠ZB≠ZC.

2. Если обмотки трехфазного генератора соединены звездой, то линия может быть трехпроводной (без нейтрального провода) и четырехпроводной (с нейтральным проводом).

Ток в нейтральном проводе равен геометрической сумме линейных токов:

IN=IA+IB+IC.

При симметричной нагрузке нейтральный провод бесполезен  и его не

применяют (ток в нейтральном проводе отсутствует IN=0). Фазные токи составляют симметричную систему, т.е. их действующие значения равны между собой, а углы сдвига между векторами равны 120º.

Для несимметричной нагрузки напряжение на нейтральном проводе, сопротивлением  которого можно пренебречь, равно нулю (UN=0). Ток в нейтральном проводе существует,  его величина зависит от степени несимметрии фазных токов, но обычно он меньше линейных токов.

Если при несимметричной нагрузке нулевой провод будет отсутствовать (ZN=∞, YN=0), то появится напряжение между нейтральными точками источника и приемника. Фазные напряжения не будут составлять симметричную систему, а поэтому фазные токи окажутся несимметричными.

При обрыве одного из линейных проводов (например, С) возникает напряжение на месте разрыва в 1,5 раза больше, чем UФ. На фазах А и В появляются напряжения, которые в сумме равны линейному. Если нагрузка резко несимметричная, то одно из напряжений окажется больше фазного. Нормальная работа потребителей в этом случае невозможна.

Кроме того, фазные напряжения не будут оставаться постоянными, они  будут изменяться с изменением сопротивлений фаз потребителя. Таким образом, нейтральный провод выравнивает фазные напряжения при несимметричном потребителе и делает возможным его работу.

3. При соединении потребителя треугольником угол сдвига между фазными напряжением и током зависит от характера нагрузки. При симметричном потребителе линейный ток отстает от соответствующего фазного всегда на угол 30º.

С изменением сопротивления одной из фаз меняются силы тока этой фазы и токи в линейных проводах, но не изменяется режим работы двух других фаз.

Соединение в треугольник исключает возможность появления повышенных напряжений на фазах потребителя при обрыве одного из проводов, как эта бывает при соединении в звезду.

Например, при обрыве провода С фазы ВС и СА окажутся соединенными последовательно и включенными под линейное напряжение UAB, поэтому при симметричном потребителе на каждой из фаз появится напряжение, равное половине линейного. Напряжение на зажимах фазы АВ не изменится и она будет продолжать работать в прежнем режиме.

4. Мощность каждой фазы можно найти по формулам:

SФ=UФ •IФ,  PФ= UФ •IФ•cos φФ,  QФ= UФ •IФ•sin φФ    

                   sin φФ=X/Z,  cos φФ=R/Z.

Для несимметричной нагрузки мощность всего трехфазного потребителя

S=√Р2+Q2,

где  Р=РА+РВ+РС,  Q=QА+QВ+QС.

Для симметричного потребителя, соединенного по схеме звезда:

S=√3•UЛ•IЛ, Р=3•РФ= √3•UФ •IФ•cosφФ, Q=3•QФ=√3•UФ •IФ•sinφФ

Для симметричного потребителя, соединенного по схеме треугольник:

S=3• SФ=√3•UЛ•IЛ, Р=3•РФ= √3• UЛ•IЛ •cosφФ Q=3•QФ=√3• UЛ•IЛ •sinφФ.

Порядок выполнения работы

1. Собрать цепь (рисунок 1) и показать ее преподавателю для проверки.

2. При замкнутых тумблерных выключателях включить цепь. Установить симметричную нагрузку и измерить силу токов и напряжения в цепи. Показания приборов записать в таблицу 1.

3. Разомкнуть нейтральный провод, убедиться, что это не вносит никаких изменений в работу цепи.

4. Выяснить, как при симметричной нагрузке нейтральный провод влияет на силу токов и напряжения при обрыве линейного провода С.

5. При одинаковых сопротивлениях двух фаз А и В исследовать влияние изменения сопротивления фазы С при замкнутом и разомкнутом нейтральном проводе на режим работы цепи.

6. Подобрать необходимые приборы. Собрать цепь (рисунок 2) и показать ее преподавателю для проверки.

7. При замкнутом тумблерном выключателе включить цепь. Установить симметричную нагрузку и записать показания приборов в таблицу 2.

8. При одинаковых сопротивлениях двух фаз исследовать влияние сопротивления фазы ВС на режим работы цепи. Результаты записать в таблицу 2.

9. Повторить измерения п.2 и 3 для разомкнутого линейного провода С.

Рисунок 1. Схема для изучения трехфазной цепи при соединении потребителя звездой.

   Рисунок 2. Схема для изучения трехфазной цепи при соединении потребителя треугольником.

Обработка результатов опытов для схемы «звезда»

1. По результатам опытов рассчитать отношение линейного напряжения UСА к фазному UС.

2. Рассчитать активную мощность каждой фазы и всего потребителя.

3. По лабораторной работе сделать заключение относительно: а) соотношения между линейным и фазным напряжениями потребителя при

симметричной и несимметричной нагрузках; б) соотношения между фазными и линейными токами потребителя; в) целесообразности нейтрального провода при симметричной нагрузке; г)  роли нейтрального провода при несимметричной нагрузке; д) роли нейтрального провода при обрыве линейного провода; е) распределения напряжения на отдельных фазах при несимметричной нагрузки фаз, если отсутствует нулевой провод; ж) определения мощности трехфазного потребителя; з) причин неполного совпадения опытных результатов с теорией. Выводы записать в отчет.

Расчёты:

Выводы:

Обработка результатов опытов для схемы «треугольник»

1. По результатам опытов рассчитать отношение линейного тока IB к фазному IBС.

2. Рассчитать мощность каждой фазы и всего потребителя.

3. Для п. 1, 4,7 таблицы 2 построить векторные диаграммы напряжений и токов потребителя.

4. По лабораторной работе сделать заключение относительно: а) соотношения между линейным и фазным токами потребителя при симметричной и несимметричной нагрузках; б) соотношения между фазными и линейными напряжениями потребителя; в) изменения фазных напряжений и токов при изменении сопротивления одной из фаз; г) влияния обрыва одного линейного провода на режим работы электрической цепи; д) определения мощности трехфазного потребителя. Выводы записать в отчет.

Расчёты:

Выводы:

Вопросы для контроля

1. Нарисуйте схему трехфазной цепи при соединении потребителя «звездой»  и   «треугольником».
2. Как связаны между собой фазные и линейные токи и напряжения при соединении потребителя  по схеме «звезда»?
3. Как связаны между собой фазные и линейные токи и напряжения при соединении потребителя  по схеме «треугольник»?
4. Какова роль нейтрального провода при несимметричной нагрузке?
5. Напишите формулы активной, реактивной и полной мощности симметричного потребителя, соединенного по схеме «звезда».
6. Напишите формулы активной, реактивной и полной мощности симметричного потребителя, соединенного по схеме «треугольник».
7. Расскажите об электроизмерительных приборах, применяемых в лабораторной работе.

Таблица 1. Опытные и расчетные данные для изучения трехфазной цепи при соединении потребителя по схеме «звезда».

Таблица 2. Опытные и расчетные данные для изучения трехфазной цепи при соединении потребителя  по схеме «треугольник».

Лабораторная работа считается выполненной после представления обучающимся индивидуального письменного отчета, оформленного в соответствии с требованиями, изложенными в методических указаниях, и ответов на все контрольные вопросы, заданные преподавателем.

Оценивание лабораторной работы

Оценка индивидуальных образовательных достижений производится в соответствии с универсальной шкалой оценивания.

Литература

1. Лоторейчук Е.А. Теоретические основы электротехники: учебник.- М.6 ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2008.
2. Лоторейчук Е.А. Расчет электрических и магнитных полей. Решение задач: Учебное пособие.- М.:2007.
3. Хромоин П.К., Электротехнические измерения, -М.:ФОРУМ,2011.
4. Панфилов В. А., Электрические измерения, -М.: Издательский центр

«Академия», 2006.

5. Прянишников В.А. Электротехника и ТОЭ в примерах и задачах. - М.

       Корона Принт, 2010