background image

Badanie układów trójfazowych

Strona 1/7

Ćwiczenie 4
BADANIE UKŁADÓW  TRÓJFAZOWYCH  Z  ODBIORNIKAMI POŁĄCZONYMI  W  GWIAZDĘ  I W
TRÓJKĄT

l. Wiadomości wstępne 

1.1. Układ gwiazdowy

Łącząc   końce   poszczególnych   uzwojeń   generatora   trójfazowego   otrzymamy   układ   trójfazowy

połączony w gwiazdę. Możliwe są dwa warianty połączenia w gwiazdę: układ czteroprzewodowy i układ
trójprzewodowy. Układ gwiazdowy czteroprzewodowy otrzymuje się poprzez dołączenie trzech przewodów do
początków  uzwojeń fazowych,  a   przewodu czwartego,  zwanego  przewodem  zerowym  lub  neutralnym,  do
punktu wspólnego "0" uzwojeń (rys. 4.1a). Obciążenie w tym układzie włącza się między przewody fazowe a
przewód zerowy. Między punktem zerowym a każdym z przewodów fazowych R, S, T panuje napięcie fazowe
U

f

. Napięcia między przewodami fazowymi R, S, T noszą nazwę napięć międzyfazowych U. Jak wynika z

rysunku 4.1b, napięcia międzyfazowe są równe różnicy wektorów napięć fazowych:

U

RS

 = U

R

 - U

S

,,

U

ST

 = U

S

 - U

T

, 

(4.1)

U

TR

 = U

T

 - U

R

.

Z rysunku 4.1b możemy również określić zależność między napięciami fazowymi a międzyfazowymi:

3

2

3

2

30

cos

2

0

f

f

f

U

U

U

U

 

(4.2)

 

Rys. 4.1. a) schemat układu gwiazdowego czteroprzewodowego, b) wykres wektorowy napięć dla połączenia w

gwiazdę

Napięcia międzyfazowe są  

3

  razy większe od napięć fazowych. Układ czteroprzewodowy stosuje

się przeważnie w liniach niskiego napięcia 220/380 V. Między przewodem zerowym a przewodami fazowymi
panuje napięcie 

U

= 220 V, a między przewodami fazowymi 

V

 

380

V

 

220

 

3

3

f

U

U

. Odbiorniki

trójfazowe,  np.  silniki, wykonuje  się  na napięcie  380  V  i  przyłącza do przewodów fazowych.  Odbiorniki
jednofazowe są przystosowane do napięcia 220 V i przyłącza się je do przewodu zerowego oraz jednego z
przewodów fazowych.

Suma wektorowa prądów w punkcie "0" układu zgodnie z I prawem Kirchhoffa wynosi:
I

R

 + I

S

 + I

T

 + I

o

 = 0, 

(4.3)

background image

Badanie układów trójfazowych

Strona 2/7

przy  czym  Io  jest   prądem  w  przewodzie  zerowym.  Przy   symetrycznym  źródle  i  przy   całkowitej

symetrii  obciążenia,   gdy  prądy  w  poszczególnych  fazach  oraz   ich  przesunięcia  fazowe  względem  napięć
fazowych są jednakowe:

I

R

 + I

S

 + I

T

 = 0. 

(4.4) 

Wynika  stąd,   że  przy  obciążeniu  symetrycznym  w  przewodzie  zerowym  prąd  nie  płynie  (I

o

 = 0),

natomiast przy obciążeniu niesymetrycznym płynie prąd Io, który można wyznaczyć graficznie na wykresie
wektorowym (rys. 4.2) na podstawie zależności: 

Io = -( I

R

 + I

S

 + I

T

). 

(4.5)

Rys. 4.2. Wykres wektorowy prądów i napięć w układzie czteroprzewodowym przy obciążeniu niesymetrycznym

0dbiorniki jednofazowe dołącza się do poszczególnych faz tak, aby uzyskać w przybliżeniu obciążenie

symetryczne. W związku z tym płynący w przewodzie zerowym prąd I

o

 ma zwykle mniejszą wartość niż prądy

w   poszczególnych   fazach   i   przekrój   przewodu   zerowego   może   być   mniejszy   niż   przekrój   przewodów
fazowych.

Rys. 4.3. Schemat układu gwiazdowego trójprzewodowego

Układ gwiazdowy trójprzewodowy (rys. 4.3) nie ma przewodu zerowego. Obciążenie w tym układzie

włącza   się  między  poszczeg8lne  przewody  fazowe.  Obwód  prądowy  każdej  fazy   zamyka  się  przez  fazy
pozostałe. Zgodnie z I prawem Kirchhoffa suma wektorowa prądów w punkcie "0" wynosi:

I

R

 + I

S

 + I

T

 = 0. 

(4.6) 

Przy   obciążeniu   symetrycznym   układ   gwiazdowy   trójprzewodowy   jest   równoważny   układowi

czteroprzewodowemu. Zależność (4.6) jest zawsze słuszna dla układu trójfazowego, niezależnie od symetrii
obciążenia faz.

1.2. Układ trójkątowy

Połączenie uzwojenia trójfazowego w trójkąt polega na połączeniu każdego końca uzwojenia jednej

fazy z początkiem uzwojenia drugiej fazy. Przy tak połączonym uzwojeniu (rys. 4.4) napięcia międzyfazowe
są równe napięciom fazowym:

U=U

f

 . 

(4.7) 

Uzwojenie skojarzone w trójkąt tworzy zamknięty obwód, w którym działają wektory napięć:

U

R

 = U

RS

, U

S

 = U

ST

, U

T

 = U

TR

W układzie symetrycznym:

U

R

 + U

S

 + U

T

 = 0, 

(4.8)

dzięki czemu mimo zamknięcia obwodu, prąd wewnątrz uzwojeń generatora nie płynie.

background image

Badanie układów trójfazowych

Strona 3/7

Zgodnie z I prawem Kirchhoffa, geometryczna suma prądów w punktach stanowiących wierzchołki

trójkąta równa jest zeru. Prąd w przewodach fazowych sieci równy jest różnicy wektorowej odpowiednich
prądów fazowych (rys. 4.5). Z wykresu wektorowego wynika zależność między prądami przewodowymi i
fazowymi: ,

f

f

o

f

I

I

I

I

I

3

2

3

2

30

cos

2

'

2

 

(4.9) 

Prąd przewodowy jest 

3

 razy większy od prądów fazowych.

Rys. 4.4. Połączenie w trójkąt

Rys. 4.5. Wykres wektorowy prądów dla połączenia w trójkąt

1.3. Moc układów trójfazowych

Jeżeli odbiornik trójfazowy stanowią trzy jednakowe impedancje Z

f

 połączone w gwiazdę, to moc jednej fazy

takiego odbiornika wynosi:

P

f

 U

I

cos

. 

(4.10) 

Moc układu trójfazowego

P = 3 P

f

 = 3U

f  

I

f  

cos

. 

(4.11)

Ponieważ w układzie gwiazdowym:

I

I

U

U

f

f

   

;

3

(4.12)

to moc układu wyniesie:

cos

3

cos

3

3

UI

I

U

P

.

(4.13)

Jeżeli odbiornik trójfazowy stanowią trzy jednakowe impedancje połączone w trójkąt, to moc układu

trójfazowego wyraża się również wzorem (4.13). We wzorze tym 

U jest wartością napięcia międzyfazowego,

a  

I  wartością prądu przewodowego. Podobnie można otrzymać wzory na moc bierną  Q  oraz pozorną  S  w

układzie trójfazowym:

sin

3UI

Q

(4.14) 

background image

Badanie układów trójfazowych

Strona 4/7

UI

S

3

(4.14)

Z   punktu   widzenia   zastosowań   interesujące   jest   jak   zmienią   się   prądy   i   moce  pobierane   przez

symetryczny   odbiornik   trójfazowv   przy   zmianie   jego   połączenia   z   gwiazdy   na   trójkąt.   Dla   Napięcia
międzyfazowego 

U i impedancji jednej fazy odbiornika Z

f

 otrzymamy:

a) dla połączenia w gwiazdę:

;

cos

3

;

cos

3

cos

;

3

     

;

3

2

2

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

Z

U

P

P

Z

U

I

U

P

Z

U

Z

U

I

I

U

U

b) dla połączenia w trójkąt:

.

cos

3

3

;

cos

cos

;

3

3

      

;

      

;

2

2

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

Z

U

P

P

Z

U

I

U

P

Z

U

I

I

Z

U

Z

U

I

U

U

Dla symetrycznego odbiornika przyłączonego do sieci o napięciu międzyfazowym 

U stosunek prądów

i mocy w zależności od układu połączeń wynosi:

3

1

P

P

I

I

(4.16)

Przy przełączaniu odbiornika symetrycznego z trójkąta na gwiazdę trzykrotnie zmniejsza się jego moc

i prąd pobierany z sieci. Właściwość ta jest praktycznie wykorzystywana do zmniejszania prądów rozruchu
silników  trójfazowych,  pracujących  przy  połączeniu  uzwojeń  w trójkąt.   Uzwojenia  tych  silników  na  czas
rozruchu są przełączane w gwiazdę przy użyciu przełączników "gwiazda-trójkąt". Prąd rozruchu jest wtedy
trzykrotnie mniejszy.

2. Program ćwiczenia

2.1. Odbiornik trójfazowy symetryczny połączony w gwiazdę.
Dla układu z rys. 4.6 należy dokonać pomiarów: 
- prądów,
- napięć fazowych i międzyfazowych, 
- mocy poszczególnych faz,
Obliczyć i wykonać:
- stosunek napięć międzyfazowych do fazowych, 
- moc całkowitą układu trójfazowego,
- rezystancję poszczególnych faz odbiornika,
- wykres wektorowy napięć i prądów dla badanego odbiornika.
Tabel pomiarowa:

I

R

I

S

I

T

U

R

U

S

U

T

U

RS

U

ST

U

TR

P

R

P

S

P

T

P

R

R

R

S

R

T

U/U

f

A

A

A

V

V

V

V

V

V

W

W

W

W

-

background image

Badanie układów trójfazowych

Strona 5/7

Rys. 4. 6 Schemat układu do badania odbiornika symetryczengo gwiazdowego

2.2. Odbiornik trójfazowy połączony w gwiazdę w sieci czteroprzewodowej.

Dla układu z rys. 4.7 dokonać pomiarów dla następujących przypadków: 
1) trzy żarówki o jednakowej mocy,
2) trzy żarówki o różnej mocy,
3) dwie jednakowe żarówki i kondensator C, 
4) dwie jednakowe żarówki i dławik L.
!!!  Dla   każdego   przypadku   przeprowadzić   pomiary   z   przewodem  zerowym   (przypadek   1,2,3,4)   i   bez
przewodu zerowego (przypadek 1', 2', 3', 4')

Na podstawie pomiarów wykonać wykresy wektorowe dla poszczególnych przypadków.

Zasilanie

I

R

I

S

I

T

I

0

U

R

U

S

U

T

U

RS

U

ST

U

TR

P

R

P

S

P

T

P

V

A

A

A

A

V

V

V

V

V

V

W

W

W

W

Przypadek

1

1’

2

2’

3

3’

4

4’

Rys.4. 7. Schemat układu do badania odbiornika trójfazowego gwiazdowego.

background image

Badanie układów trójfazowych

Strona 6/7

2.3. Badanie odbiornika trójfazowego symetrycznego połączonego w trójkąt.

Dla układu z rys.4.8 przeprowadzić pomiary i obliczenia wg tabeli.
!!! Żarówki w odbiorniku trójkątowym muszą mieć taką samą moc jak w odbiorniku gwiazdowym z pkt. 1.

Rys.4. 8. Schemat do badania układu trójkątowego

Wielkości zmierzone

Wielkości obliczone

I

R

I

T

I

RS

I

ST

U

RS

U

ST

U

TR

P

R

P

S

P

T

P

I

S

I

RT

A

A

A

A

V

V

V

W

W

W

W

A

A

Na podstawie tabeli pomiarów należy:
- obliczyć stosunek prądu przewodowego do fazowego,
- obliczyć stosunek mocy całkowitej odbiornika trójkątowego do mocy analogicznego odbiornika gwiazdowego
- wykonać wykres wektorowy prądów i napięć.

ZAGADNIENIA DO SAMODZIELNEGO OPRACOWANIA
1. Sieć elektryczna trójfazowa - układ trójprzewodowy i czteroprzewodowy, podstawowe zależności, wykresy
wektorowe napięć.
2. Połączenia odbiorników 3-fazowych w gwiazdę i w trójkąt, zależności między wielkościami przewodowymi
i   fazowymi,   wykresy   wektorowe   napięć   i   prądów,   odbiorniki   symetryczne   i   niesymetryczne   w   sieci
trójprzewodowej i czteroprzewodowej .
3. Pomiary mocy w układach trójfazowych.

background image

Badanie układów trójfazowych

Strona 7/7

Protokół z pomiarów   

Data: . . . . . . . . . . , podpis prowadzącego: . . . . . . . . . . . . . . 

Temat: Pomiary w obwodach prądu przemiennego

Wykonujący sprawozdanie: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Układ trójfazowy symetryczny połączony w gwiazdę

I

R

I

S

I

T

U

R

U

S

U

T

U

RS

U

ST

U

TR

P

R

P

S

P

T

P

R

R

R

S

R

T

U/U

f

A

A

A

V

V

V

V

V

V

W

W

W

W

-

2. Układ trójfazowy połączony w gwiazdę

Zasilanie

I

R

I

S

I

T

I

0

U

R

U

S

U

T

U

RS

U

ST

U

TR

P

R

P

S

P

T

P

V

A

A

A

A

V

V

V

V

V

V

W

W

W

W

Przypadek

1

1’

2

2’

3

3’

4

4’

3. Układ trójfazowy symetryczny połączony w trójkąt

Wielkości zmierzone

Wielkości obliczone

I

R

I

T

I

RS

I

ST

U

RS

U

ST

U

TR

P

R

P

S

P

T

P

I

S

I

RT

A

A

A

A

V

V

V

W

W

W

W

A

A