מהלך ניסוי רשתות תלת פאזיות

מתוך מעבדת מבוא בחשמל
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

1 מטרת הניסוי

  • הכרת מד ההספק ושיטת מדידת הספק ברשתות לזרם-ישר, זרם-חילופין ורשת תלת-פאזית
  • הכרת התלות בין זרמים ומתחים במעגלים תלת-פאזיים עם עומסים שונים
  • מציאת דיאגרמות ווקטוריות במעגלים תלת-פאזיים

2 ציוד לניסוי

2.1 מכשירים בעמדה

2.2 ציוד מהמחסן

3 מהלך הניסוי

אזהרה!

  • אין להדליק מקור-מתח כאשר הוא מחובר למעגל והערך שאליו הוא מכוון אינו ידוע.
  • חיבור המקור למעגל יעשה רק כאשר קיים עומס משמעותי.
  • אי שמירה על כללים אלה תביא לחריגה מהזרם המותר ולשריפת רכיבים!
  • נא הקפידו לא לעבור את תחומי המדידה של המכשירים.
  • יש להשתמש אך ורק במדי הזרם מתוצרת תבור (בצבע שחור כפי שרואים באיור 1).

3.1 מדידת הספק ברשת לזרם ישר

איור 4: מערך מדידה בזרם-ישר
איור 5: מעגל תמורה של הראוסטט המאוייר על גג קדמת-המכשיר
איור 6: שני סוגי בננות. הסוג הימני זהו הסוג-הקפיצי אשר כן יכול להתחבר אל מד-ההספק, ואילו הסוג השמאלי זהו הסוג-הקשיח אשר אינו יכול להתחבר אל המכשיר
איור 7: מד-הספק ספרתי חד-מופעי של חברת PeakTech דגם 2510
  1. הרכיבו את המעגל באיור 4:
    • הגבילו את זרם הספק כוח מיוצב ל-1A:
      1. הגבלת זרם מתבצעת ע"י קיצור יציאת המתח-הישר, כלומר חיבור של כבל בננה אחד בין הפלוס (+) והמינוס (-) של יציאת ספק הכוח.
      2. ושינוי הזרם המירבי המותר ע"י פקד C.LIMIT.
    • השימוש הוא בנגד משתנה מסוג ראוסטט (ולא דקדה!):
      1. הקדישו דקה להסתכל על הציור הנמצא על גג הראוסטט ומתאר את חיבוריו כפי שרואים באיור 5 על-מנת לא לחבר אותו בתצורת קצר.
      2. כוונו את הראוסטט לערך מירבי של 300Ω. אין להתקרב לקצה הראוסטט מחשש לקיצור המעגל וחריגה מהזרם המותר, אפילו אם לא התקבל הזרם המירבי המותר כפי שהתבקש בשאלה.
      3. בדקו את התנגדותו באמצעות רמ"ס.
    • אין לחבר בננות קשיחות למד-הספק הספרתי חד-מופעי אלא רק את הבננות-הקפיציות כפי המופיע באיור 6:
      1. ספק הכוח במקביל למד-המתח מתחברים לכניסת POWER SOURCE - שני החיבורים הקיצוניים באיור 7.
      2. העומס, שזהו הראוסטט בטור למד-הזרם, מתחברים לכניסת LOAD - שני החיבורים האמצעיים באיור 7.
    • מדידת P במתח-ישר מתבצעת ע"י הכפלת המתח והזרם במד הספק.
    • מדידת S מתבצעת ע"י הכפלת המתח ברמ"ס הראשון והזרם ברמ"ס השני.
    • וודאו שערכי המתח והזרם זהים בכל שלושת מכשירי המדידה:
      1. מתח ברמ"ס, מתח בספק הכוח ומתח במד-הספק.
      2. זרם ברמ"ס, זרם בספק הכוח וזרם במד-הספק.
  2. שנו את התנגדות העומס החל מערך מירבי (300Ω) עד לערך שייתן כמעט את הזרם המירבי המותר (30V חלקי 1A).
  3. יש למלא את הערכים בטבלה מטה.
  4. יש לרשום את היחידות הנכונות של הערכים בטבלה מטה.
רצוי VDC=30 [V] מצוי VDC [  ]

רמ"ס)

רצוי IDC [mA] מצוי IDC [  ]

רמ"ס)

הספק פעיל P [W]

(V·I במד הספק)

הספק מדומה S=V·I [  ]

(VDC·IDC)

דיוק: PF=P/S [  ]
30   100        
30   150        
30   300        
30   500        
30   750        
30   1000        

הערות לאחר סיום המדידות:

  • לא לפרק את המעגל! משתמשים בו לניסוי הבא.
  • נא לכבות את ספק הכוח.


3.2 מדידת הספק ברשת לזרם חילופין חד-פאזית

איור 8: המערך למדידת הספק DC עם החלפה של מקור המתח ל-AC
איור 9: חיבור וואריאק לשנאי-מוריד מתח

3.2.1 מדידות בעומס אוהמי

  1. כל שצריך זה להחליף את מקור-הכוח DC שהרכבתם באיור 4 למקור-הכוח AC כפי שרואים באיור 8:
    • את שנאי מוריד-המתח מחברים לשקע התלת-פאזי הקיים בצד ימין של כל עמדה במעבדה כפי שרואים באיור 2.
    • לסובב שמאלה עד הסוף את החוגה של הוואריאק התלת-מופעי אשר מופיע באיור 3.
    • לחבר את הוואריאק לשנאי מוריד-מתח כפי שרואים באיור 9. צריך לדאוג לחבר אותו נכון, אחרת רק חלק מהפאזות של הוואריאק עלולות לפעול:
      1. יש לדאוג שהצ'ופצ'יק הלבן החיצוני שרואים באיור יהיה למעלה.
      2. יש לדאוג שהצ'ופצ'יק האדום הפנימי שרואים באיור יהיה למטה.
      3. יש לדאוג שהתקע יהיה מוכנס אל השקע עד הסוף כפי שרואים באיור 9.
    • במידה והוואריאק עדיין לא עובד כצפוי, יש לבדוק:
      1. אם החוגה שלו מסובבת עד הסוף, עד המתח המירבי (של 30V), הוא עלול לא לפעול טוב.
      2. אם אחד מתוך שלושת הפיוזים שלו שרוף יש להחליפו.
      3. אם החשמל קפץ או שהוא לא פועל בכלל בעמדה.
    • כוונו את מכשירי המדידה למדידת AC:
      1. את שני הרמ"סים.
      2. את המד הספק.
    • במקום הפלוס (+) והמינוס (-) של הספק כוח מיוצב חברו את הווריאק התלת-פאזי בין פאזה (+) כלשהי ואפס (-) בהתאמה.
  2. להעלות את הראוסטט בחזרה לערכו המירבי של 300Ω
  3. וודאו שערכי המתח והזרם זהים בכל שלושת המכשירים:
    • מתח ברמ"ס, מתח בווריאק (לפי המיקום היחסי של החוגה) ומתח במד-הספק.
    • זרם ברמ"ס, זרם בווריאק (לפי המיקום היחסי של החוגה) וזרם במד-הספק.
  4. וודאו שההספקים זהים בכל שלושת מכשירי המדידה:
  5. יש למלא את הטבלה מטה.
ראוסטט רצוי VAC [V] מצוי VAC [  ] רצוי IAC [mA] מצוי IAC [  ] הספק פעיל P [W] הספק מדומה S=V·I [  ] דיוק: PF=P/S [  ]
קבוע 0   0        
15          
30          
*45          
ניתן לשינוי   350        
  500        
  700        

הערות:

  • הערכים עם סימן שאלה � מציינים שלא משנה הערך אליו תכוונו את המכשיר.
  • כדי לעבור את ה-30V יש לנתק את הכבל של האפס (-) ולחבר אותו לאחת משתי הפאזות (+) הפנויות וכך זה מוכפל פי √3


הערות לאחר סיום המדידות:

  • לא לפרק את המעגל! משתמשים בו לניסוי הבא.
  • לסובב שמאלה עד הסוף את החוגה של הוואריאק התלת-מופעי (איור 3).


3.2.2 מדידות בעומס קומפלקסי

איור 10: מדגם עם סליל של 1 הנרי
איור 11: מערך מדידת סליל בזרם-חילופין

3.2.2.1 מדידת סליל

  • חברו את הסליל במדגם כפי המופיע באיור 10 ל-DMM:
    1. רישמו בטבלה מטה את המספר החרוט/רשום על המדגם.
    2. שנו את טווח המדידה של הרמ"ס של תבור לערך המינימלי של 200 אוהם.
    3. מידדו את התנגדותו הפנימית של הסליל במדגם ורישמו אותה בטבלה מטה.
  • חברו את המעגל המתואר באיור 11. במקום הרֵאוֹסְטָט אשר היה מחובר במעגל הקודם - לחבר את הסליל מאיור 10.
  • כוונו את מתח הווריאק לערך של 30V.
  • נא למלא את הטבלה מטה עבור מספר מתחים הגדולים מ-30V ולמצע את ההשראות המתקבלת על מנת לקבל דיוק טוב יותר.
מספר מדגם  
התנגדות פנימית RL  
רצוי VAC [V] מצוי VAC [  ] זרם IAC [  ] הספק פעיל P [W] הספק מדומה S=V·I [  ] מקדם הספק: PF=P/S [  ] L [  ]
השראות הסליל
לפי מתח וזרם
L [  ]
השראות הסליל
לפי הֶסְפֵּק
30              
40              
50              
ממוצע:    

השראות הסליל לפי מתח וזרם

לפי חוק אוהם:

[math]V=I\cdot R[/math]

[math]V_L=I_L\cdot|Z_L|=I_L\cdot|R_L+j\omega L|=I_L\cdot\sqrt{R_L^2+(\omega L)^2}[/math]

[math]\frac{V_L}{I_L}=\sqrt{R_L^2+(\omega L)^2}[/math]

[math]\left(\frac{V_L}{I_L}\right)^2=R_L^2+(\omega L)^2[/math]

[math]\left(\frac{V_L}{I_L}\right)^2-R_L^2=(\omega L)^2[/math]

[math]\omega L=\sqrt{\left(\frac{V_L}{I_L}\right)^2-R_L^2}[/math]

[math]L=\frac{1}{\omega}\cdot\sqrt{\left(\frac{V_L}{I_L}\right)^2-R_L^2}[/math]

נא לשים לב שהביטוי בתוך השורש זהו למעשה היגב הסליל XL.

השראות הסליל לפי הספקים

לפי משולש ההספקים:

[math]cos\varphi=\frac{P}{S}=\frac{R}{|Z|}[/math]

נציב את עכבת-הסליל:

[math]cos\varphi=\frac{R_L}{|R_L+j\omega L|}=\frac{R_L}{\sqrt{R_L^2+(\omega L)^2}}[/math]

נבודד את הגורם עם הסליל:

[math]\sqrt{R_L^2+(\omega L)^2}=\frac{R_L}{cos\varphi}[/math]

נעלה בריבוע את שני האגפים:

[math]R_L^2+(\omega L)^2=\left(\frac{R_L}{cos\varphi}\right)^2[/math]

[math](\omega L)^2=\left(\frac{R_L}{cos\varphi}\right)^2-R_L^2[/math]

נעשה מכנה משותף עבור RL:

[math](\omega L)^2=R_L^2\cdot\left(\frac{1}{cos^2\varphi}-1\right)[/math]

[math]\omega L=\sqrt{R_L^2\cdot\left(\frac{1}{cos^2\varphi}-1\right)}[/math]

נוציא את RL מחוץ לשורש:

[math]\omega L=R_L\sqrt{\frac{1}{cos^2\varphi}-1}[/math]

נחלק ב-ω כדי לקבל את ההשראות L:

[math]L=\frac{R_L}{\omega}\cdot\sqrt{\frac{1}{cos^2\varphi}-1}[/math]

3.2.2.2 מקדם הספק ותיקונו

איור 12: תיקון למקדם הספק חיובי
איור 13: תיקון למקדם הספק שלילי
  1. בסעיף זה נראה כיצד לתקן את המקדם הספק באמצעות קבל.
  2. כוונו את הווריאק למתח הנמוך מעט מ-45V, לבערך 44V.
  3. מידדו מתח V, זרם I והספקים P ו-S ומלאו את הטבלה מטה.
  4. את הקבלים השונים לתיקון cosφ חברו במקביל לעומס, בין הנק' A ו-B:
    • קבל של אפס מיקרו-פאראד ‎0 μF זה אומר ללא קבל בכלל.
    • קבל של עשרה מיקרו-פאראד ‎10 μF זה אומר רק אחד משני הקבלים הזהים.
    • קבל של עשרים מיקרו-פאראד ‎20 μF אומר לחבר את שני הקבלים במקביל.
    • קבל של חמישה מיקרו-פאראד ‎5 μF אומר לחבר את שני הקבלים בטור.

טבלה 1: מדידת גורם-הספק

קבל ‎0 μF ‎10 μF ‎20 μF ‎5 μF
רצוי VAC [V] 44 44 44 44
מצוי VAC [V]        
זרם IAC [A]        
הספק פעיל P [W]        
הספק מדומה מדוד S [VA]        
הספק מדומה מחושב S=V·I [VA]        
מקדם הספק מדוד: cosθ        
מקדם הספק מחושב: PF=P/S

P מדוד חלקי S=V·I מחושב

       

הערות:

  • ההספק-הפעיל P תמיד נשאר זהה, כיוון שקבל הוא רכיב היגבי, ורכיבים היגביים אינם משפיעים על ההספק הפעיל.
  • ככל שתיקון ההספק טוב יותר - כך הזרם במעגל יורד. זהו זרם מיותר אשר גורם לרכיבים ההיגביים להיטען במחזורים החיוביים ולהתפרק במחזורים השליליים.



3.3 מדידת הספק ברשת תלת-פאזית

  • להוריד את מתח הוואריאק לאפס ע"י סיבוב החוגה שמאלה עד הסוף.
  • המעגל הנוכחי לא קשור למעגל הקודם, ניתן לפרק הכל.

3.3.1 רשת מאוזנת

איור 14: עומס כוכב סימטרי מחובר לרשת תלת-פאזית עם גישה לנקודת האפס
איור 15: Circutor CVM-NRG96
איור 16: מבנה פנימי של Circutor CVM-NRG96
  1. הרכיבו את המעגל הנראה באיור 14:
    • כוונו שלושה ראוסטטים לערך של 60Ω באמצעות הרמ"ס:
      1. הם מסומנים באות Z באיור 14.
      2. השתמשו ברמ"ס של תבור.
      3. כוונו את הרמ"ס לטווח של 200Ω (הכי נמוך שאפשר).
    • מחברים את ארבעת המוצאים RST0 מהוואריאק (כל היציאות בחזית שלו) ל-RSTN במד הספק ספרתי תלת-מופעי שזוהי כל השורה התחתונה בהתאמה כפי שרואים באיור 15.
    • מעבירים את מתג V-I למעלה (למצב V→I) כדי שיקצר בין כניסת שלושת מדי-המתח וכניסות שלושת מדי-הזרם אשר נמצאות בצד שמאל של המד הספק התלת-פאזי כפי שרואים באיור 16.
    • לחבר את V2 (רמ"ס) בין מוצא מד-זרם R המסומן בתור A1 ומוצא מד-זרם S המסומן בתור A2 של מד-ההספק הספרתי תלת-מופעי (נמצאים בצד ימין שלו).
    • אין צורך בחיבור רמ"ס עבור V1 כיוון שהוא קיים כבר בשני מדי-ההספק הספרתיים (יחד עם S-0 ו-T-0).
    • מחברים את קו הניוטרל מהוואריאק (היציאה השחורה) בנוסף למד-הספק גם למד-זרם (רמ"ס), אשר מסומן בתור A0.
    • כניסת POWER SOURCE במד-הספק הספרתי חד-מופעי:
      1. לכניסה העליונה מחברים את ההמשך (המוצא) של A0.
      2. לכניסה התחתונה מחברים את המוצא של מד-זרם R המסומן בתור A1.
    • כניסת LOAD במד-הספק הספרתי חד-מופעי:
      1. הכניסה העליונה מחברים אל נקודת הקצר של שלושת הראוסטטים אשר מסומנים באות Z.
      2. הכניסה התחתונה מחברים אל הצד השני של Z העליון.
    • לאחר קבלת אישור המדריך העלו את מתח הוואריאק התלת-פאזי לערך של ‎30 V
  2. וודאו שיש מתחים וזרמים זהים בכל המכשירים:
    • מתח ברמ"ס, מד-הספק ספרתי חד-מופעי, מד-הספק ספרתי תלת-מופעי.
    • זרם ברמ"ס, מד-הספק ספרתי חד-מופעי, מד-הספק ספרתי תלת-מופעי.
  3. מידדו מתחים וזרמים פאזיים והספק עומס ומלאו את הטבלה מטה.
  4. רשמו את קריאות המודדים בשני המצבים השונים של מפסק s:
    • כאשר s סגור - הרמ"ס A0 מחובר.
    • כאשר s פתוח - הרמ"ס A0 מנותק בצד אשר מחובר לניוטרל של הוואריאק.
מפסק S V1 [V] V2 [V] A0 [mA] A1 [mA] A2 [mA] A3 [mA] P [W] *PTOTAL [W]
סגור                
פתוח                

הערות:

  • ההספק הכולל בניסוי זה הוא ההספק הנמדד במד-הספק הספרתי חד-מופעי כפול 3 כיוון שזוהי מערכת מאוזנת ולכן ההספקים זהים על כל שלושת הפאזות, כלומר PTOTAL=3·P.
  • ראינו בניסוי זה שבמערכת תלת-פאזית מאוזנת:
    1. מספיק מד הספק אחד כדי לדעת את ההספק הכולל בכל שלושת הפאזות.
    2. ניתן לחסוך כבל (של הניוטרל), או לפחות להשתמש בכבל מאוד דק כיוון שהוא יעביר זרם מזערי.


3.3.2 שיטת בארלו (barlow) - לא עושים

איור 17: שיטת בארלו עבור עומס סימטרי

הערה: לאחר צמצום המעבדה מ-4 שעות ל-3 - לא עושים סעיף זה עקב מחסור בזמן.

מידדו זרם, מתח והספק בעזרת המעגל המתואר באיור 17 (השתמשו באותו עומס סימטרי אשר הופיע באיור 14).

באיור 17 השנאי 1:1 הוא שנאי-בידוד כאשר הדק אחד של הראשוני מקוצר למשני.

נא לשים לב! יש חשיבות לקוטביות השנאי.

3.3.3 חיבור ארון למדידת הספק

איור 18: חיבור בשיטת ארון למדידת הספק ברשת תלת-פאזית באמצעות שני מדי-הספק בלבד
  • להוריד את מתח הוואריאק לאפס ע"י סיבוב החוגה שמאלה עד הסוף.
  • המעגל הנוכחי לא קשור למעגל הקודם, ניתן לפרק הכל.

באיור 18 נראה עומס לא-סימטרי המחובר לרשת תלת-פאזית. ההספק הנמסר לעומס נמדד באמצעות שני וואטמטרים המחוברים בחיבור "ארון".

  1. הרכיבו את המעגל הנראה באיור 18:
  2. נא לוודא את המדידות:
  3. נא למדוד בהתאם לטבלה מטה:
    • מתחים פאזיים.
    • זרמים פאזיים.
    • הספק-עומס.
R1 (R-S) [Ω] R2 (T-S) [Ω] C(R-T) [μF] A1 (R-S) [A] A2 (T-S) [A] IR [A] IT [A] VR [V] VT [V] W1 (R-S) [W] W2 (T-S) [W] PTOTAL [W]
                       

הערות:

  • ההספק הכולל בניסוי זה הוא הסכום של שני ההספקים שנמדדו בשני מדי-ההספק (מתוך 3 מדי-הספק), כלומר PTOTAL=W1+W2.
  • ראינו בניסוי זה שבמערכת תלת-פאזית לא מאוזנת וללא גישה לנקודת האפס מספיק שני מדי-הספק כדי לדעת את ההספק הכולל בכל שלושת הפאזות.

3.3.4 קביעת סדר הפאזות

איור 19: מעגל למדידת סדר-פאזות ברשת תלת-פאזית במבנה של חיבור-כוכב כאשר הנקודה האמצעית מסומנת בתור V0.
איור 20: מספר העמדה המסומן בטוש
איור 21: מספר העמדה המסומן בטבלית
  • להוריד את מתח הוואריאק לאפס ע"י סיבוב החוגה שלו שמאלה עד הסוף.
  • לנתק הכל.
  • הרכיבו את המעגל המתואר באיור 19 ע"י חיבור RST מהוואריאק ישירות לחיבורי RST במכשיר למדידת סדר פאזות.
  • רישמו בטבלה מטה את מספר העמדה אשר מסומן בטוש כפי הנראה באיור 20 או בטבלית כמו באיור 21.
  • רישמו בטבלה את מספר המדגם למדידת סדר פאזות הרשום על המדגם.
  • העלו את מתח הוואריאק למתח המירבי.
  • בדקו אם סדר הפאזות בשולחנכם נכון וסמנו בטבלה מטה - צלמו את המדגם.
  • החליפו בין שתי רגלי R ו-S, סמנו שוב וצלמו שוב.
מס' עמדה מס' ערכה
   
OK/NOT-OK TIN SIN RIN
  T S R
  T R S

הערה: זה בסדר אם הנורות הלא נכונות נדלקות - צריך לרשום את המדידה כמו שהיא ולא לרשום בצורה אוטומטית את הערך שאנו מצפים לו.


4 הערות ומסקנות – דו"ח מסכם

ערכו בצורה ברורה ומסודרת את תוצאות מדידותיכם.

  1. ערכו בטבלה את תוצאות-המדידות במדידת הספק ברשת לזרם-ישר, ורשמו בה גם את הסטייה (באחוזים) בין ההספק הנמדד להספק המחושב לפי P=V·I. אלו מסקנות ניתן להסיק?
  2. ערכו בטבלה את תוצאות מדידותיכם בסעיפים של מדידת הספק ברשת לזרם חילופין חד-פאזית השוו את ההספק הנמדד להספק המחושב לפי P=V·I·cosφ, מהן מסקנותיכם? מהי לדעתכם הסיבה לסטייה בעת חיבור הקבל?
  3. תארו את השפעת הקבל על שיפור גורם ההספק.
  4. בסעיף מדידת הספק ברשת תלת-פאזית:
    • קבעו את ההספק בעומס כפונקציה של הוראת הוואטמטרים בכל אחד מהמעגלים.
    • שרטטו דיאגרמה וקטורית לכל מקרה.
  5. בכל הסעיפים:
    • חשבו בכל אחד מהמעגלים הנ"ל את הזרם בפאזה, הספק-העומס, ובמידה שקיים גם את ההספק-העיוור. השוו בטבלה לגדלים הנמדדים.
    • שרטטו דיאגרמה וקטורית עבור כל מעגל.
  6. בכל הטבלאות של מהלך-הניסוי נא לרשום את היחידות המתאימות בסוגריים המרובעים.