ĆWICZENIE 2 Badanie obwodów trójfazowych z

Transkrypt

Laboratorium Wirtualne Obwodów w Stanach Ustalonych i Nieustalonych
ĆWICZENIE 2
Badanie obwodów trójfazowych z odbiornikiem połączonym w gwiazdę
1. Cel ćwiczenia
♦ Zapoznanie się z rozpływem prądów, rozkładem napięć i poborem mocy w obwodach
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
trójfazowych:
− symetrycznych
− niesymetrycznych
− trójprzewodowych
− czteroprzewodowych
Zapoznanie się ze sposobem obliczeń pomiarów wykorzystywanym w obwodach
trójfazowych w oparciu o wykonane pomiary.
Zapoznanie się z poszczególnymi typami wykresów wektorowych dla obwodów
trójfazowych
Symulacja cyfrowa odbiornika symetrycznego i niesymetrycznego w układnie 3 i 4
przewodowym
Badanie zjawisk zachodzących w obwodzie w przypadku zwarć i przerw w fazach
odbiornika
Sprawdzanie praw Kirchhoffa
Obliczanie rozpływów prądów i napięć
Pomiar mocy różnymi metodami, określenie współczynnika mocy obwodu
trójfazowego
2. Wprowadzenie teoretyczne
Badany odbiornik trójfazowy jest utworzony z elementów R, L, C, gdzie w każdej fazie
znajduje się połączenie dwóch lub więcej z tych elementów, (szeregowe połączenie RC, RL,
RLC), o różnych wartościach. W przypadku, jeżeli badany jest układ z przewodem
neutralnym, można zamodelować jego wartość różną od zera ( Z N ≠ 0 ). W przewodzie
neutralnym wystąpi wtedy prąd I N , i jeżeli jego impedancja Z N ≠ 0 , również U N .
W układzie połączeń gwiazda — gwiazda istnieje kilka wariantów obciążenia, które zostaną
zrealizowane w ćwiczeniu.
a. Obwód z przewodem neutralnym o wartości Z N = 0 (zwarcie przewodu neutralnego)
Obciążenie może być symetryczne, lub niesymetryczne.
U A = E A , U B = EB , C , U N = 0 .
I A = E AYA , I B = EBYB , I C = ECYC
I N = I A + I B + IC
Jeżeli obciążenie będzie symetryczne
YA = YB = YC to I N = 0
Projekt jest współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
1
'
Rys. 1. Obwód trójfazowy gwiazda-gwiazda z przewodem zerowym
b. Obwód bez przewodu neutralnego Z N = ∞ (przerwa)
Obciążenie może być symetryczne lub niesymetryczne
'
Rys. 2. Obwód trójfazowy gwiazda-gwiazda bez przewodu zerowego
U A = E A − U N , U B = EB − U N , U C = EC − U N
I A + I B + IC = 0
IA
IB
IC
IN
= U AYA
= U BYB
= U CYC
=0
Napięcie U N obliczamy ze wzoru
UN =
YA E A + YB EB + YC EC
YA + YB + YC
2
c. Obwód z przewodem neutralnym o skończonej wartości Z N .
Obciążenie może być symetryczne, lub niesymetryczne
'
Rys. 3. Obwód trójfazowy gwiazda-gwiazda z impedancją w przewodzie zerowym
U A = E A − U N , U B = EB − U N , U C = EC − U N
I A + I B + IC = I N
I A = U AYA
I B = U BYB
I C = U CYC
UN = ZN IN
i może być obliczone ze wzoru
UN =
YA E A + YB EB + YC EC
YA + YB + YC + YN
d. Modyfikacją przedstawionych obwodów są układy ze zwarciem lub przerwą w fazie,
wtedy impedancja Z danej fazy jest równa zero (zwarcie) lub Z = ∞ (przerwa)
3. Program komputerowy do symulacji obwodów trójfazowych
Do badań symulacyjnych obwodów trójfazowych gwiazda-gwiazda użyty będzie program
komputerowy dostępny na stronie WWW Laboratorium:
http://wikidyd.iem.pw.edu.pl/index.cgi/LWO/LWO_cw2
Jest to program napisany w Javie, uruchamiany bezpośrednio z przeglądarki internetowej bez
potrzeby instalacji w komputerze studenta. Do działania wymagana jest jedynie obecność
darmowej maszyny wirtualnej Javy (jre). W razie braku maszyny wirtualnej na komputerze
zostanie wyświetlony odpowiedni komunikat z propozycją jej pobrania i zainstalowania.
3
Rysunek 4 przedstawia główne okno programu do symulacji obwodów trójfazowych
gwiazda-gwiazda.
1
A
B
C
D
2
5
3
4
6
Rys. 4. Główne okno programu do symulacji obwodów trójfazowych gwiazda-gwiazda
Na głównym oknie programu wyróżnić można:
1. Panel przycisków, w którym umieszczone są przyciski wywołujące akcje
A. Oblicz – przycisk uruchamia obliczenia. Program oblicza wszystkie prądy i napięcia
w obwodzie. Wyniki prezentowane są w postaci algebraicznej lub wykładniczej, w
zależności od wyboru w pozycji 6.
B. Wykres wekt. – przycisk służy do wykreślania wykresu wektorowego.
C. Wykres– przycisk służy do wykreślania wykresu czasowego. Możliwe jest
grupowanie wykresów dla każdej fazy oddzielnie bądź w sposób niestandardowy.
D. Pomiar mocy – wywoływany jest panel pozwalający wykonać pomiary mocy
różnymi metodami.
2. Schemat obwodu z narysowanymi w sposób symboliczny wszystkimi elementami.
3. Przycisk do ustawiania parametrów źródeł na symetryczne z założeniem niezmienności
wymuszenia w fazie A.
4. Przycisk do ustawiania parametrów odbiornika na symetryczny, powoduje ustawienie we
wszystkich fazach odbiornika impedancji równej impedancji fazy A.
5. Włączenie/wyłączenie przewodu zerowego
6. Przełącznik formatu liczb zespolonych
Kliknięcie na schemacie obwodu na wypisane wartości elementów pozwala na zmianę w
postaci numerycznej (rysunek 5) lub graficznej przy pomocy myszy jak to pokazano na
rysunku 6.
4
Rys. 5. Panel do zmiany wartości wymuszenia – wartości wpisywane są z klawiatury
Rys. 6. Panel do zmiany wartości wymuszenia – wartości ustawiane są przy pomocy
myszy poprzez kliknięcie i przeciągnięcie końców strzałek napięć na wykresie
wektorowym.
Kliknięcie na wartości elementów obciążenia pozwala na wpisanie nowych wartości
obciążenia każdej fazy w postaci impedancji zespolonej lub ustawiając wartości rezystancji,
indukcyjności i pojemności, a program obliczy samodzielnie impedancję biorąc daną
częstotliwość obciążenia. Pole wyboru ‘Tylko Z’ w panelu edycji odbiornika decyduje o tym,
czy impedancję odbiornika wprowadza się bezpośrednio w postaci zespolonej, czy też jako
oddzielne wartości rezystancji, indukcyjności i pojemności wraz z częstotliwością. Wartości
R, L oraz C można wprowadzać w formacie "inżynierskim" - dozwolone są np. zapisy '2e3'
5
lub '50m'. Niewprowadzenie wartości R, L lub C oznaczać będzie, że w danej fazie nie ma
danego elementu.
UWAGA: Liczby zespolone w formacie algebraicznym należy wpisywać w kolejności
współczynnik i liczba j, np. 0.3j lub 1-3j.
Rys. 7. Panel do zmiany wartości obciążenia
Rysunek 8 przedstawia panel po naciśnięciu przycisku Oblicz. Program oblicza wszystkie
wartości zespolone prądów, napięć oraz mocy. Wyniki prezentowane są w formie
algebraicznej lub wykładniczej.
Rys. 8. Panel z obliczonymi wartościami prądów, napięć i mocy w obwodzie
Rysunek 9 przedstawia okno pojawiające się po wciśnięciu przycisku `Wykres wekt.` z
wykreślonym wykresem wektorowym dla badanego obwodu. Poszczególne pola wyboru
odpowiadają opisanym wektorom - aby usunąć wektor z wykresu, należy odznaczyć
odpowiednie pole. Przyciski Zoom in i Zoom out odpowiednio powiększają i pomniejszają
6
wykres. Kursor służy do pomiaru długości wektorów. Pojedyncze kliknięcie ustawia początek
układu współrzędnych kursora w żądanym punkcie.
Rys. 9. Okno prezentujące wykres wektorowy
Rysunek 10 przedstawia okno wykresu czasowego pojawiające się po naciśnięciu na przycisk
‘Wykres`. Poszczególne pola wyboru odpowiadają opisanym wektorom - aby usunąć wektor
z wykresu, należy odznaczyć odpowiednie pole. Z rozwijanej listy można wybrać jeden z
zaprogramowanych widoków:
• grupowanie sygnałów według faz - na jednym wykresie znajdą się sygnały należące do
jednej fazy,
• grupowanie sygnałów według typów - na jednym wykresie znajdą się sygnały
jednakowego typu,
• niestandardowy - jeden wykres, na którym można wyświetlić dowolne sygnały.
Kursor służy do pomiarów na osi czasu - wartości czasu odpowiadające położeniu kursora
mogą być wyświetlane jako jednostki czasu (gdzie 0 jest początkiem układu współrzędnych)
lub jako stopnie kątowe (0 jest początkiem układu współrzędnych)
7
Rys. 10. Okno prezentujące wykres czasowy z grupowaniem według sygnałów
Rysunek 11 przedstawia panel do pomiaru mocy w obwodzie. Panel ten otwiera się po
naciśnięciu na przycisk `Pomiar mocy`. W panelu przy użyciu listy rozwijanej należy wybrać
metodę pomiaru mocy. W przypadku, gdy wybrana metoda nie jest poprawna dla danego typu
obwodu, pojawi się odpowiedni komunikat i nieprawidłowo zmierzona wartość wyświetlona
będzie kolorem czerwonym. Jeżeli wartość rzeczywistej mocy wydzielanej na odbiorniku
różni się od mocy zmierzonej o więcej niż 0,2% - wartość zmierzona wyświetlana jest
również kolorem czerwonym.
a)
b)
Rys. 11. Panel do pomiaru mocy w obwodzie: a) pomiar prawidłowy, b) pomiar
nieprawidłowy – źle dobrana metoda pomiaru
8
4. Program badań
Przy użyciu omówionego w instrukcji programu komputerowego należy przeprowadzić
symulację obwodu trójfazowego gwiazda-gwiazda dla parametrów określonych przez
prowadzącego.
Wyniki pomiarów i obliczeń należy wpisać w tabele. Wykonać także wykresy wektorowe i
czasowe.
1. Obciążenie symetryczne z przewodem neutralnym
Zamodelować obwód dla trzech przykładowych wartości obciążenia i zasilania, które
należy przyjąć i wpisać w tabele.
Faza
R
XL
XC
Z
E faz
R
XL
XC
Z
E faz
R
XL
XC
Z
E faz
A
B
C
1
Przewód N
Faza
A
B
C
2
Przewód N
Faza
A
B
C
3
Przewód N
Wyniki pomiarów wpisać w tabelę oraz uzupełnić tabelę o obliczenia.
Pomiary
Obliczenia
Ef
P1 P2 P3 I1 I2 I3 U1 U2 U3 I0 U0 ZA ZB ZC P3f Q3f S3f
V
W
W
W
A
A
A
V
V
V
A
V
Ω
Ω
Ω
W
var
cos ϕ
VA
1
2
3
9
2. Obciążenie symetryczne bez przewodu neutralnego
Faza
R
XL
XC
Z
E faz
R
XL
XC
Z
E faz
R
XL
XC
Z
E faz
A
B
C
1
Faza
A
B
C
2
Faza
A
B
C
3
Pomiary
Obliczenia
Ef
V
W
W
W
A
A
A
V
V
V
A
V
Ω
Ω
Ω
W
var
cos ϕ
VA
1
2
3
3. Obciążenie niesymetryczne z przewodem neutralnym
należy przyjąć i wpisać w tabele
Faza
1
R
XL
XC
Z
E faz
R
XL
XC
Z
E faz
A
B
C
Przewód N
Faza
2
A
B
10
C
Przewód N
Faza
R
XL
XC
E faz
Z
A
B
C
3
Przewód N
Pomiary
Obliczenia
Ef
V
W
W
W
A
A
A
V
V
V
A
V
Ω
Ω
Ω
W
var
cos ϕ
VA
1
2
3
4. Obciążenie niesymetryczne bez przewodu neutralnego
Faza
1
XC
Z
E faz
R
XL
XC
Z
E faz
R
XL
XC
Z
E faz
A
B
C
Faza
3
XL
A
B
C
Faza
2
R
A
B
C
11
Pomiary
Obliczenia
Ef
V
W
W
W
A
A
A
V
V
V
A
V
Ω
Ω
Ω
W
var
cos ϕ
VA
1
2
3
5. Obciążenie niesymetryczne z przewodem neutralnym - przerwa w dowolnej fazie.
Faza
R
XL
XC
Z
E faz
R
XL
XC
Z
E faz
R
XL
XC
Z
E faz
A
B
C
1
Przewód N
Faza
A
B
C
2
Przewód N
Faza
A
B
C
3
Przewód N
Pomiary
Obliczenia
Ef
V
W
W
W
A
A
A
V
V
V
A
V
Ω
Ω
Ω
W
var
cos ϕ
VA
1
2
3
12
6. Obciążenie niesymetryczne bez przewodu neutralnego - przerwa dowolnej fazie
Faza
R
XL
XC
Z
E faz
R
XL
XC
Z
E faz
R
XL
XC
Z
E faz
A
B
C
1
Faza
A
B
C
2
Faza
A
B
C
3
Pomiary
Obliczenia
Ef
V
W
W
W
A
A
A
V
V
V
A
V
Ω
Ω
Ω
W
var
cos ϕ
VA
1
2
3
7. Obciążenie niesymetryczne bez przewodu neutralnego - zwarcie w dowolnej fazie
Faza
1
XL
XC
Z
E faz
R
XL
XC
Z
E faz
A
B
C
Faza
2
R
A
B
C
13
Faza
R
XL
XC
E faz
Z
A
B
C
3
Pomiary
Obliczenia
Ef
V
W
W
W
A
A
A
V
V
V
A
V
Ω
Ω
Ω
W
var
cos ϕ
VA
1
2
3
5. Opracowanie wyników
Na podstawie pomiarów i obliczeń dla poszczególnych przypadków odbiorników
trójfazowych połączonych w gwiazdę, należy wykonać wykresy wektorowe wszystkich
prądów i napięć, oraz dokonać bilansu mocy.
W sprawozdaniu należy zamieścić własne wnioski i spostrzeżenia.
6. Literatura
1.
S. Bolkowski, Teoria obwodów, WNT
2.
S. Osowski, K. Siwek, M. Śmiałek, Teoria obwodów, OWPW, Warszawa, 2006
3.
K. Mikołajuk, Podstawy analizy obwodów energoelektronicznych, PWN, Warszawa, 1998
14

ĆWICZENIE 2 Badanie obwodów trójfazowych z

Transkrypt

Podobne dokumenty

Karta katalogowa FCP, Edycja 2016

Temat ćwiczenia: Organizacja zajęć. Szkolenie BHP. Wprowadzenie

Inżynier Elektronik – projektant obwodów PCB

Inżynier elektronik, projektant

ĆWICZENIE 3 Badanie obwodów trójfazowych z

Teoria obwodów - Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki

Elektrochemia materiałów

ELEKTRONIKA I TEORIA OBWODÓW II

Na podstawie porozumienia podpisanego ze