background image

 

 

Politechnika Białostocka 
Wydział Elektryczny 
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii

 

Instrukcja do zaj  laboratoryjnych

 

 

BADANIE OBWODU TRÓJFAZOWEGO  

Z ODBIORNIKIEM  

POŁ CZONYM W TRÓJK T

 

 

Numer  wiczenia

 

 

E10

 

 

 

Opracowanie: 

dr in . Jarosław Forenc

 

Białystok 2009

 

 
 
 

background image

 

- 2 -

 

 

Spis tre ci

 

 

1.  Wprowadzenie ...................................................................................... 3 

1.1.  Obci enie niesymetryczne ............................................................. 4 
1.2.  Obci enie symetryczne .................................................................. 5 
1.3.  Pomiar mocy - układ Arona............................................................. 7 

2.  Pomiary ................................................................................................. 9 

2.1.  Układ pomiarowy............................................................................. 9 
2.2.  Przebieg pomiarów ........................................................................ 10 

3.  Opracowanie wyników....................................................................... 10 

4.  Wymagania BHP ................................................................................ 10 

5.  Pytania kontrolne ............................................................................... 11 

6.  Literatura ............................................................................................ 12 

7.  Dodatek - wyja nienia do budowania wykresu wektorowego ....... 13 

 

 

 

 

 

 

 

_____________ 

Materiały dydaktyczne przeznaczone dla studentów Wydziału Elektrycznego PB.  

 

© Wydział Elektryczny, Politechnika Białostocka, 2009 

 

Wszelkie  prawa  zastrze one. 

adna  cz

ę

ś

ć

  tej  publikacji  nie  mo e  by

ć

  kopiowana  i 

odtwarzana  w  jakiejkolwiek  formie  i  przy  u yciu  jakichkolwiek 

ś

rodków  bez  zgody 

posiadacza praw autorskich.  

background image

 

- 3 -

Cel  wiczenia:

  

Celem  wiczenia  jest  poznanie  podstawowych  wła ciwo ci  układów 

trójfazowych  trójk towych  symetrycznych  i  niesymetrycznych,  z  ich 
wykresami  wektorowymi  oraz  zachowaniem  si   układów  w  przypadku 
ró nych rodzajów niesymetrii, zarówno w obci eniu jak i zasilaniu. 

 

1. Wprowadzenie 

Poł czenie generatora lub odbiornika trójfazowego w trójk t powstaje 

przez  poł czenie  kolejno  ko ca  jednej  fazy  z  pocz tkiem  nast pnej  fazy. 
Zatem  obwód  trójfazowy  trójk towy  otrzymuje  si   wtedy,  gdy  fazy 
generatora  i  odbiornika  s   wł czone  odpowiednio  mi dzy  przewody 
układu trójfazowego (rys. 1). 

A

B

C

E

AB

E

CA

E

BC

Z

CA

Z

AB

Z

BC

I

A

I

B

I

C

A’

B’

C’

I

CA

I

BC

I

AB

U

CA

U

AB

U

BC

 

Rys. 1. Schemat poł czenia generatora i odbiornika trójfazowego w trójk t. 

W przypadku powy szego obwodu wielko ciami fazowymi s : 

 

napi cia 

- E

AB

, E

BC

, E

CA

, U

AB

, U

BC

, U

CA

 

pr dy  

- I

AB

, I

BC

, I

CA

 i analogiczne pr dy w generatorze, 

za  wielko ciami przewodowymi: 

 

napi cia 

- E

AB

, E

BC

, E

CA

, U

AB

, U

BC

, U

CA

 

pr dy  

- I

A

, I

B

, I

C

background image

 

- 4 -

 

1.1.  Obci

enie niesymetryczne 

W  układzie  trójfazowym  trójk towym,  przy  pomini ciu  impedancji 

przewodów i  ródeł, napi cia fazowe s  równe przewodowym: 

 

p

f

U

U

=

 

(1) 

st d: 

 

CA

CA

BC

BC

AB

AB

E

U

,

E

U

,

E

U

=

=

=

 

(2) 

W przypadku odbiornika niesymetrycznego impedancje Z

AB

, Z

BC

, Z

CA

 

s  niejednakowe: 

 

CA

BC

AB

Z

Z

Z

 

(3) 

Pr dy  i  napi cia  poszczególnych  faz  s   przesuni te  wzgl dem  siebie  

o  ró ne  k ty,  a  ich  warto ci  skuteczne  s   ró ne.  Pr dy  fazowe  obliczamy 
korzystaj c z prawa Ohma: 

 

CA

CA

CA

BC

BC

BC

AB

AB

AB

Z

U

I

,

Z

U

I

,

Z

U

I

=

=

=

 

(4) 

 

j

BC

j

CA

j

AB

I

C

I

B

I

A

I

AB

I

BC

I

CA

-I

CA

I

A

U

AB 

= E

AB

U

BC

= E

BC

U

CA 

= E

CA

 

Rys. 2. Wykresy wektorowe dla niesymetrycznego odbiornika 

w układzie trójfazowym trójk towym. 

background image

 

- 5 -

Pr dy  przewodowe  obliczamy  natomiast  korzystaj c  z  pr dowego 

prawa Kirchhoffa: 

 

BC

CA

C

AB

BC

B

CA

AB

A

I

I

I

,

I

I

I

,

I

I

I

=

=

=

 

(5) 

Pr dy przewodowe spełniaj  zale no ci: 

 

0

I

I

I

,

I

I

I

C

B

A

C

B

A

=

+

+

 

(6) 

Moc czynna odbiornika jest sum  mocy pobieranej przez ka d  z faz: 

 

CA

CA

CA

BC

BC

BC

AB

AB

AB

cos

I

U

cos

I

U

cos

I

U

P

ϕ

+

ϕ

+

ϕ

=

 

(7) 

 

1.2. Obci

enie symetryczne 

W  przypadku  obci enia  symetrycznego  wszystkie  impedancje 

odbiornika s  sobie równe: 

 

Z

Z

Z

Z

CA

BC

AB

=

=

=

 

(8) 

Napi cia  fazowe  s   równe  napi ciom  przewodowym  i  przesuni te 

odpowiednio w fazie wzgl dem siebie o 120

°

 

°

°

=

=

=

=

=

240

j

AB

CA

CA

120

j

AB

BC

BC

AB

AB

e

E

E

U

,

e

E

E

U

,

E

U

 

(9) 

Podobnie  jest  z  pr dami  -  pr dy  fazowe  i  pr dy  przewodowe  s  

przesuni te  odpowiednio  w  fazie  wzgl dem  siebie  o  120

°

  a  ich  warto ci 

skuteczne s  równe. Pr dy fazowe obliczamy korzystaj c z prawa Ohma: 

°

°

=

=

=

=

=

=

240

j

AB

CA

CA

120

j

AB

BC

BC

AB

AB

AB

e

Z

E

Z

U

I

,

e

Z

E

Z

U

I

,

Z

E

Z

U

I

 

(10) 

Analizuj c  powy szy  wzór  łatwo  zauwa y ,  e  moduły  (warto ci 

skuteczne) pr dów fazowych s  sobie równe: 

 

f

CA

BC

AB

I

I

I

I

=

=

=

 

(11) 

Pr dy  przewodowe  obliczamy  korzystaj c  z  pr dowego  prawa 

Kirchhoffa: 

 

BC

CA

C

AB

BC

B

CA

AB

A

I

I

I

,

I

I

I

,

I

I

I

=

=

=

 

(12) 

Mi dzy  warto ciami  skutecznymi  pr dów  fazowych  i  przewodowych 

zachodzi prosta zale no  (rys. 3): 

 

f

p

I

3

I

=

 

(13) 

background image

 

- 6 -

Dla  warto ci  skutecznych  zespolonych  zale no   pomi dzy  tymi  pr dami 
ma posta  (rys. 3): 

 

°

=

30

j

f

p

e

I

3

I

 

(14) 

Z  zale no ci  (11)  i  (14)  wynika,  e  moduły  (warto ci  skuteczne)  pr dów 
przewodowych s  sobie równe: 

 

p

C

B

A

I

I

I

I

=

=

=

 

(15) 

U

BC

= E

BC

U

CA 

= E

CA

j

j

j

I

C

I

B

I

A

I

AB

I

BC

I

CA

-I

CA

I

A

U

AB 

= E

AB

30

30

30

 

Rys. 3. Wykresy wektorowe dla symetrycznego odbiornika  

w układzie trójfazowym trójk towym. 

Z pr dowego prawa Kirchhoffa dla fragmentu obwodu wynika: 

 

0

I

I

I

C

B

A

=

+

+

 

(16) 

Przy  poł czeniu  odbiornika  w  trójk t  jego  moc  czynn ,  w  przypadku 

ogólnym,  wyznacza  si   z  zale no ci  (7).  W  przypadku  symetrii  obwodu 
zachodzi: 

 

ϕ

=

ϕ

=

cos

I

U

3

cos

I

U

3

P

p

p

f

f

 

(17) 

background image

 

- 7 -

Nale y zwróci  uwag ,  e w przypadku symetrycznym trójk t pr dów 

przewodowych  jest  równoboczny  (rys.  3).  Stwierdzenie  to  nie  jest 
prawdziwe  przy  niesymetrycznym  obci eniu  generatora  (rys.  2).  Jednak  
z powodu zale no ci (6) i (16) wskazy I

A

, I

B

, I

C

 zawsze utworz  trójk t. 

 

1.3. Pomiar mocy - układ Arona 

W  praktyce,  w  przypadku  obwodu  trójfazowego  z  odbiornikiem 

poł czonym w trójk t, jego moc czynn  mierzy si  dwoma watomierzami 
odpowiednio wł czonymi do obwodu (rys. 4). 

W  układzie  trójfazowym  trójk towym  moc  chwilowa  okre lona  jest 

wyra eniem: 

 

)

t

(

i

)

t

(

u

)

t

(

i

)

t

(

u

)

t

(

i

)

t

(

u

)

t

(

p

CA

CA

BC

BC

AB

AB

+

+

=

 

(18) 

Zgodnie z II prawem Kirchhoffa: 

 

)

t

(

u

)

t

(

u

)

t

(

u

BC

CA

AB

=

 

(19)

 

A’

B’

C’

Z

AB

Z

BC

Z

CA

I

AB

I

CA

A

B

C

I

A

I

B

I

C

W

1

W

2

U

AB

U

BC

U

CA

*

*

*

*

I

BC

 

Rys. 4. Pomiar mocy dwoma watomierzami (układ Arona). 

Podstawiaj c (19) do (18) otrzymujemy: 

 

)

t

(

i

)

t

(

u

)

t

(

i

)

t

(

u

]

)

t

(

i

)

t

(

i

)[

t

(

u

]

)

t

(

i

)

t

(

i

)[

t

(

u

)

t

(

i

)

t

(

u

)

t

(

i

)

t

(

u

)]

t

(

u

)

t

(

u

)[

t

(

i

)

t

(

p

B

BC

A

CA

)

t

(

i

AB

BC

BC

)

t

(

i

CA

AB

CA

CA

CA

BC

BC

BC

CA

AB

B

A

+

=

=

+

=

=

+

+

=

4

4 3

4

4 2

1

4

4 3

4

4 2

1

  (20) 

background image

 

- 8 -

Poniewa : 

 

)

t

(

u

)

t

(

u

AC

CA

=

 

(21) 

to ostateczna posta  wzoru na moc jest nast puj ca: 

 

)

t

(

i

)

t

(

u

)

t

(

i

)

t

(

u

)

t

(

p

B

BC

A

AC

+

=

 

(22) 

Moc  czynna,  czyli  warto   rednia  mocy  chwilowej  za  jeden  okres 

przebiegu sinusoidalnego, wynosi: 

 

2

1

2

B

BC

1

A

AC

T

0

P

P

cos

I

U

cos

I

U

dt

)

t

(

p

T

1

P

+

=

ψ

+

ψ

=

=

 

(23) 

gdzie: 

 

2

B

BC

2

1

A

AC

1

cos

I

U

P

,

cos

I

U

P

ψ

=

ψ

=

 

(24) 

Metod   dwóch  watomierzy  (układ  Arona)  mo na  stosowa   tylko 

w przypadku, gdy w obwodzie spełniony jest warunek: 

 

0

I

I

I

C

B

A

=

+

+

(25) 

co wynika z pr dowego prawa Kirchhoffa dla odbiornika.  

Na  podstawie  wzoru  (23)  nale y  wnioskowa ,  e  pr dowe  cewki 

watomierzy powinno si  wł cza  w dwie linie fazy, za  napi ciowe cewki 
mi dzy dan  i trzeci  faz . Ilustruje to rys. 4. 

background image

 

- 9 -

 

2. Pomiary 

2.1. Układ pomiarowy 

A

AB

A

BC

R

1

C

1

C

2

R

2

K

2

V

CA

V

AB

V

BC

A

B

A

A

A

C

K

1

W

2

A

CA

R

3

C

3

W

1

AT

A (R)

B (S)

C (T)

K

*

*

*

*

 

Rys. 5. Układ pomiarowy. 

Oznaczenia: 

 

AT  - autotransformator trójfazowy, 

 

R

1

, R

2

, R

3

  - oporniki suwakowe 

100

 

C

1

, C

2

, C

3

  - kondensatory 10

µ

F

 

W

1

, W

2

  - watomierze ferrodynamiczne 

V

400

/

200

/

100

,

A

5

/

5

,

2

 

A

A

, A

B

, A

C

  - amperomierze elektromagnetyczne 

A

5

/

5

,

2

 

A

AB

, A

BC

, A

CA

  - amperomierze elektromagnetyczne 

A

2

/

1

 

V

AB

, V

BC

, V

CA

  - woltomierze elektromagnetyczne 

V

300

/

150

 

K  - wył cznik trójbiegunowy, 

 

K

1

, K

2

  - wył czniki jednobiegunowe. 

Uwaga:  Zaleca  si   stosowa   niskie  napi cie  przewodowe,  np.  U

p

 = 100V. 

Wskazane  jest  te   u ycie  podwójnych  oporników  R

1

,  R

2

,  R

3

  

o wi kszej wytrzymało ci pr dowej.  

 

background image

 

- 10 -

2.2. Przebieg pomiarów 

Pomierzy  napi cia, pr dy i moce dla nast puj cych przypadków: 

a)  obci enie  symetryczne:  przy  zamkni tych  wył cznikach  K

1

  i  K

2

 

oporniki  R

1

,  R

2

,  R

3

  wyregulowa   tak,  aby  wskazania  amperomierzy 

A

AB

, A

BC

, A

CA

 były jednakowe, 

b)  obci enie  symetryczne,  przerwa  w  fazie  odbiornika:  otworzy  

wył cznik K

2

 przy zamkni tym wył czniku K

1

c)  obci enie  symetryczne,  przerwa  w  przewodzie  zasilaj cym:  otworzy  

wył cznik K

1

 przy zamkni tym wył czniku K

2

d)  obci enie  niesymetryczne:  przy  zamkni tych  wył cznikach  K

1

  i  K

2

 

oporniki  suwakowe  R

1

,  R

2

,  R

3

  wyregulowa   tak,  aby  wskazania 

amperomierzy A

AB

, A

BC

, A

CA

 były ró ne. 

 

3. Opracowanie wyników 

1.  Omówi  krótko podstawy teoretyczne dotycz ce układów trójfazowych 

trójk towych symetrycznych i niesymetrycznych. 

2.  Poda  przykładowe obliczenia. 

3.  Wykona  

wykresy 

wektorowe 

dla 

układu 

symetrycznego, 

symetrycznego  z  przerw   w  odbiorniku,  symetrycznego  z  przerw   
w zasilaniu i  niesymetrycznego. 

4.  Omówi  

ró nice 

wyst puj ce 

mi dzy 

wynikami 

pomiarów  

i rozwa aniami teoretycznymi. 

Uwagi:   

• 

wszystkie wykresy nale y wykona  na papierze milimetrowym 
formatu A4
 

• 

na wykresach poda  przyj t  skal  dla napi cia i przyj t  skal  
dla pr du
 

 

4. Wymagania BHP 

Warunkiem  przyst pienia  do  praktycznej  realizacji  wiczenia  jest 

zapoznanie  si   z  instrukcj   BHP  i  instrukcj   przeciwpo arow   oraz 
przestrzeganie  zasad  w  nich  zawartych.  Wybrane  urz dzenia  dost pne  na 

background image

 

- 11 -

stanowisku laboratoryjnym mog  posiada  instrukcje stanowiskowe. Przed 
rozpocz ciem  pracy  nale y  zapozna   si   z  instrukcjami  stanowiskowymi 
wskazanymi przez prowadz cego.  

W  trakcie  zaj   laboratoryjnych  nale y  przestrzega   nast puj cych 

zasad: 

♦ 

Sprawdzi ,  czy  urz dzenia  dost pne  na  stanowisku  laboratoryjnym 

s  w stanie kompletnym, nie wskazuj cym na fizyczne uszkodzenie. 

♦ 

Sprawdzi  prawidłowo  poł cze  urz dze . 

♦ 

Zał czenie  napi cia  do  układu  pomiarowego  mo e  si   odbywa   po 

wyra eniu zgody przez prowadz cego. 

♦ 

Przyrz dy  pomiarowe  nale y  ustawi   w  sposób  zapewniaj cy  stał  

obserwacj , bez konieczno ci nachylania si  nad innymi elementami 
układu znajduj cymi si  pod napi ciem. 

♦ 

Zabronione  jest  dokonywanie  jakichkolwiek  przeł cze   oraz 

wymiana elementów składowych stanowiska pod napi ciem.  

♦ 

Zmiana  konfiguracji  stanowiska  i  poł cze   w  badanym  układzie 

mo e  si   odbywa   wył cznie  w  porozumieniu  z  prowadz cym 
zaj cia. 

♦ 

W  przypadku  zaniku  napi cia  zasilaj cego  nale y  niezwłocznie 

wył czy  wszystkie urz dzenia.  

♦ 

Stwierdzone  wszelkie  braki  w  wyposa eniu  stanowiska  oraz 

nieprawidłowo ci  w  funkcjonowaniu  sprz tu  nale y  przekazywa  
prowadz cemu zaj cia. 

♦ 

Zabrania si  samodzielnego wł czania, manipulowania i korzystania 

z urz dze  nie nale cych do danego  wiczenia. 

W  przypadku  wyst pienia  pora enia  pr dem  elektrycznym  nale y 

niezwłocznie  wył czy   zasilanie  stanowisk  laboratoryjnych  za  pomoc  
wył cznika  bezpiecze stwa,  dost pnego  na  ka dej  tablicy  rozdzielczej 
w laboratorium. Przed odł czeniem napi cia nie dotyka  pora onego. 

 

5. Pytania kontrolne 

1.  Narysuj  układ  trójfazowy  trójk towy,  zaznacz  odpowiednie  napi cia  

i pr dy. 

2.  Podaj tok oblicze  układów trójk towych symetrycznych. 

3.  Podaj tok oblicze  układów trójk towych niesymetrycznych. 

background image

 

- 12 -

4.  Narysuj  wykres  wektorowy  dla  symetrycznego  układu  trójfazowego 

trójk towego. 

5.  Narysuj  wykresy  wektorowe  dla  ró nych  przypadków  niesymetrii 

w obwodach trójk towych. 

6.  Moc w układach trójfazowych i metody jej pomiaru. Układ Arona. 

7.  Wyja nij,  dlaczego  cz ciej  stosowany  jest  układ  gwiazdowy  ni  

trójk towy? 

8.  Podaj  zale no ci  opisuj ce  zamian   gwiazdy  pasywnej  na  trójk t 

pasywny i odwrotnie w obwodach pr du sinusoidalnego. 

9.  Podaj  zale no ci  opisuj ce  zamian   gwiazdy  aktywnej  na  trójk t 

aktywny i odwrotnie w obwodach pr du sinusoidalnego. 

10.Wyja nij  jak  zmieni  si   pobierana  moc,  gdy  odbiornik  symetryczny 

zostanie przeł czony z gwiazdy na trójk t. 

 

6. Literatura 

1.  Bolkowski S.: 

Teoria obwodów elektrycznych. WNT, Warszawa, 2008. 

2.  Krakowski  M.: 

Elektrotechnika  teoretyczna.  Tom  1.  Obwody  liniowe 

i nieliniowe. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1999. 

3.  Gierczak E., Tokarzewski J., Włodarczyk M.: 

Podstawy elektrotechniki 

teoretycznej.  Cz

  I.  Wydawnictwo  Politechniki 

wi tokrzyskiej, 

Kielce, 2005. 

4.  Cichowska Z., Pasko M.: 

Wykłady z elektrotechniki teoretycznej. Cz

 

II:  pr dy  sinusoidalnie  zmienne.  Wydawnictwo  Politechniki  l skiej, 
Gliwice, 2004. 

5. Pasko M., Pi tek Z., Topór-Kami ski L.: 

Elektrotechnika ogólna. Cz

 

1. Wydawnictwo Politechniki  l skiej, Gliwice, 2004. 

 

background image

 

- 13 -

 

7. Dodatek - wyja nienia do budowania wykresu 

wektorowego 

Napi cie  zasilaj ce  jest  symetryczne  trójfazowe,  wi c  napi cia 

przewodowe tworz  symetryczn  gwiazd  (rys. 6). 

U

AB

U

BC

U

CA

120

°

120

°

120

°

 

Rys. 6. Napi cia przewodowe tworz ce symetryczn  gwiazd . 

Maj c  gwiazd   napi   przewodowych  mo emy  na  wykres  nanie  

pr dy  przewodowe.  W  tym  celu  korzystamy  ze  wskaza   watomierzy  i  na 
podstawie wzorów (24) wyznaczamy k ty 

1

ψ

 oraz 

2

ψ

 

A

AC

1

1

A

AC

1

1

I

U

P

cos

arc

,

I

U

P

cos

=

ψ

=

ψ

 

 

 

B

BC

2

2

B

BC

2

2

I

U

P

cos

arc

,

I

U

P

cos

=

ψ

=

ψ

 

K t 

1

ψ

 jest k tem przesuni cia napi cia U

AC

 wzgl dem pr du I

A

, a k t 

2

ψ

 

- k tem przesuni cia napi cia U

BC

 wzgl dem pr du I

B

. Znaj c k ty 

1

ψ

 i 

2

ψ

 

nanosimy na wykres pr dy I

A

 i I

B

 (rys. 7). 

background image

 

- 14 -

U

AB

U

BC

U

CA

U

AC

I

A

ψ

1

I

B

ψ

2

 

Rys. 7. Naniesienie na wykresie wektorowym pr dów I

A

 i I

B

Do  wyznaczenia  wskazu  pr du  I

C

  wykorzystujemy  zale no   pr dów 

w układach trójprzewodowych: 

 

0

I

I

I

C

B

A

=

+

+

      sk d      

)

I

I

(

I

B

A

C

+

=

 

Pr d  I

C

  jest  zatem  równy  wypadkowej  pr dów  I

A

  i  I

B

  z  przeciwnym 

znakiem (rys. 8). 

U

AB

U

BC

U

CA

U

AC

I

A

ψ

1

I

B

ψ

2

I

A

+I

B

I

C

 

Rys. 8. Naniesienie na wykresie wektorowym pr du I

C

 

background image

 

- 1

5

 -

 

cos

ψ

[ - ] 

 

 

 

 

cos

ψ

[ - ] 

 

 

 

 

P

 

[W] 

 

 

 

 

P

[W] 

 

 

 

 

P

[W] 

 

 

 

 

I

[A] 

 

 

 

 

I

[A] 

 

 

 

 

I

[A] 

 

 

 

 

I

CA 

[A] 

 

 

 

 

I

BC 

[A] 

 

 

 

 

I

AB 

[A] 

 

 

 

 

U

CA 

[V] 

 

 

 

 

U

BC 

[V] 

 

 

 

 

U

AB 

[V] 

 

 

 

 

Rodzaj 

obci enia 

Symetryczne 

Symetryczne, 
przerwa  
w odbiorniku 

Symetryczne, 
przerwa  
w zasilaniu 

Niesymetryczne 

TABELA POMIAROWA 

L.p. 

1. 

2. 

3. 

4. 

 

background image

 

- 16 -