《三相交流电路》实验报告

中国石油大学（华东）现代远程教育 实验报告 课程名称：电工电子学 实验名称：三相交流电路 实验形式：在线模拟+现场实践 提交形式：在线提交实验报告 学生姓名： 学 号： 年级专业层次： 15 级函授（秋） 学习中心： 胜利油田纯梁教学服务站 提交时间： 2016 年 12 月 7 日 一、实验目的 1.学习三相交流电路中三相负载的连接。 2.了解三相四线制中线的作用。 3.掌握三相电路功率的测量方法。 二、实验原理 1. 对称三相电路中线、相电压和线、相电流的关系，三相电路中，负载的连 接分为星形连接和三角形连接两种。一般认为电源提供的是对称三相电压。 （1）星形连接的负载如图 1 所示： 图 1 星形连接的三相电路 A、B、C 表示电源端，N 为电源的中性点（简称中点），N 为负载的中 性点。无论是三线制或四线制，流过每一相负载的相电流恒等于与之相连的端 线中的线电流： （下标 I 表示线的变量，下标 p 表示相的变量） 在四线制情况下，中线电流等于三个线电流的相量之和，即 端线之间的电位差（即线电压）和每一相负载的相电压之间有下列关系： 当三相电路对称时，线、相电压和线、相电流都对称，中线电流等于零， 而线、相电压满足： （2）三角形连接的负载如图 2 所示： 其特点是相电压等于线电压： 线电流和相电流之间的关系如下： 当三相电路对称时，线、相电压和线、相电流都对称，此时线、相电流满 足： 2.不对称三相电路 在三相三线制星形连接的电路中，若负载不对称，电源中点和负载中点的 电位不再相等，称为中点位移，此时负载端各相电压将不对称，电流和线电压 也不对称。 在三相四线制星形连接的电路中，如果中线的阻抗足够小，那么负载端各 相电压基本对称，线电压也基本对称，从而可看出中线在负载不对称时起到了 很重要的作用。但由于负载不对称，因此电流是不对称的三相电流，这时的中 线电流将不再为零。 在三角形连接的电路中，如果负载不对称，负载的线、相电压仍然对称， 但线、相电流不再对称。 如果三相电路其中一相或两相开路也属于不对称情况。 3.三相负载接线原则 连接后加在每相负载上的电压应等于其额定值。 三、实验设备 1.实验电路板 2.三相交流电源 3.交流电压表或万用表 4.交流电流表 5.功率表 6.单掷刀开关 7.电流插头、插座 四、实验内容及步骤 1.三相负载星形联结 按图 3-2 接线，图中每相负载采用三只白炽灯，电源线电压为 220V。 图 3-2 三相负载星形联结 (1)测量三相四线制电源的线电压和相电压，记入表 3-1(注意线电压和 相电压的关系) 。 UUV/V UVW/V UWU/V UUN/V UVN/V UWN/V 219 218 220 127 127 127 表 3-1 (2)按表 3-2 内容完成各项测量，并观察实验中各白炽灯的亮度。表中 对称负载时为每相开亮三只灯；不对称负载时为 U 相开亮一只灯，V 相开 亮两只灯，W 相开亮三只灯。 测量值 相电压 相电流 中线电流 中点电压 负载情况 UUN/V UVN/V UWN/V IU/A IV/A IW/A IN/A UNN/V 有中线 124 124 124 0.268 0.266 0.271 0对称 负载 无中线 125 125 123 0.268 0.267 0.270 1 有中线 126 125 124 0.096 0.180 0.271 0.158不对称 负载 无中线 167 143 78 0.109 0.192 0.221 50 表 3-2 2.三相负载三角形联结 按图 3-3 连线。测量功率时可用一只功率表借助电流插头和插座实现一 表两用，具体接法见图 3-4 所示。接好实验电路后，按表 3-3 内容完成各 项测量，并观察实验中白炽灯的亮度。表中对称负载和不对称负载的开灯 要求与表 3-2 中相同。 图 3-3 三相负载三角形联结 图 3-4 两瓦特表法测功率 线电流(A) 相电流(A) 负载电压(V) 功率(W)测 量值 负载情况 IU IV IW IUV IVW IWU UUV UVW UWU P1 P2 对称负载 0.600 0.593 0.598 0.348 0.345 0.352 213 212 215 -111 -109 不对称负 载 0.428 0.313 0.508 0.124 0.234 0.355 220 217 216 -89.8 -63.4 表 3-3 五、实验数据及分析 1.根据实验数据，总结对称负载星形联结时相电压和线电压之间的数值关 系，以及三角形联结时相电流和线电流之间的数值关系。 (1).星形连结： 根据表 3-1，可得：星形联结情况下，不接负载时，各路之间的线电压和各 分电源的相电压都分别相同，即 UUV= UVW=UWU=(218+219+220) /3=219V；U UN=UVN=UWN=127V(本次实验中这三个电压为手动调节所得)。 可以计算：219/127=1.7244 ，即：线电压为相电压的 倍，与理论相符。33 根据表 3-2，可得：星形联结情况下，接对称负载时，线电压不变，仍为表 3-1 中的数据；而相电压在有中线都为 124V，在无中线时分别为 125V、 125V、123V，因此可认为它们是相同的。由此，得到的结论与上文相 同，即：有中线时，219/124=1.7661 ，线电压为相电压的 倍；无中线33 时，(125+125+123)/3=124.3，219/124.3=1.7619 ，线电压为相电压的 倍。3 综上所述，在对称负载星形联结时，不论是否接上负载(这里指全部接上或 全部不接)、是否有中线，线电压都为相电压的 倍。3 (2).三角形联结 2.根据表 3-2 的数据，按比例画出不对称负载星形联结三相四线制 (有中线) 的电流向量图，并说明中线的作用。 不对称负载星形联结三相四线制(有中 线)电流向量图如左图所示，根据 IU+IV+IW=IN，且根据对称关系三个相电流之 间的夹角各为 120，因而根据几何关系画 出 IN。可见，I N 在数值的大小上和三个相 电流并不成线性关系，而在角度(相位) 上 也没有直观的规律。这是因为 IN 是由三个 互成 120 的相电流合成的电流，是矢量 的，与直流电路的电流有很多不同性质， 因而要讲大小与方向结合计算才有意义。 中线的作用：由左图可知，在不对称 负载星形联结(有中线)电路中，中线电流 不为 0，因而如若去掉中线必会改变电路 中电流的流向，导致各相负载电压不同(即 表 3-2 中不对称且无中线的情况)，这时部 分负载可能会由于电流过大而烧毁。因此 中线起到了电路中作为各相电流的回路的 作用，能够保证各相负载两端的电压相同 (据表 3-2 也可看出)，就能够保证负载正常 运行，不致损坏。因此中线在星形联结中 是至关重要的，因而在通常的生产生活中 的星形联结三相电路都是有中线的。 3.根据表 3-3 的电压、电流数据计算对称、不对称负载三角形联结时的三 相总功率，并与两瓦特表法的测量数据进行比较。 根据本实验电路，可知负载电路均为电阻性，不对电流相位产生影响，因 此功率因素为 1，由此，可得：P= IUVUUVI VWUVWI WUUWU 因而 据表 3-3 得： 对称负载：计算值 P=222.944W；测量值 P= P1P2=220W；相差 (222.944-220)/220=1.34% 不对称负载：计算值 P=154.738W；测量值 P= P1P2=153.2W；相差 (154.738-153.2)/153.2=1.00% (注：功率表的正负不影响功率的测量，因此将其当作正值计算。) 通过上述计算，可见用二功率表测量法测出的功率与分别测量各负载电流 电压而计算得出的功率非常接近，相差仅约 1%，因此可以认为这两种方法测 得的数据都是比较可靠的。这也表明该电路中只有负载端的负载在耗能，而电 路的其他部分( 如导线) 几乎没有能量损耗。 但通过上述数据也可发现，两组测量值都略小于计算值，分析有如下可能 原因：(1).电路中可能存在多种因素导致功率因素小于 1，功率表在测量时已将 功率因素计算在内，而计算值是将功率因素当作 1 来算的，因此测量值会略小 于计算值。(2).存在某种系统误差，导致测量结果有一定的趋向性，但可能导致 这种误差的因素有很多，比如仪表内部因素、电路连接因素等，难以确定具体 由何种因素导致。(3).存在随机误差，导致两组测量值恰好都小于计算值，但这 种可能性不大。 另外，显然有：不对称负载功率对称负载功率，这是因为在本实验中，对 称负载共开了 9 盏灯，而不对称负载只开了 6 盏，而又因为在三角形联结中各 负载所得的电压相同(这在表 3-3 中也可看出)，因此每盏灯所耗功率接近，导 致对称负载功率大于不对称负载。这完全是由实验设计决定，而与对称与否无 关。 六、实验结论 本次实验是三相交流电路相关的实验，通过本次实验，我们学习了三相交 流电路中三相负载的连接方法，了解了三相四线制中线的作用，并掌握三相电 路中功率的测量方法。这与我们书上学到的理论知识有很好的关联性，在实验 过程中将理论结合于实践，使我们更好地掌握所学的知识。 由于此次实验内容比较多，接线等操作也较为复杂，因此实验过程中要十 分仔细。在严格按照实验册上所给电路连好线后，一定要再检查一遍电路再开 电源，以免连接出错损坏仪器。由于本次实验采用上百伏的电压，因此实验过 程中务必要注意安全，必须待电路检查无误后再开电源，一旦发生问题要先关 闭电源再动手更改连线。另外，由于本次实验用到了较多灯泡，在拿取灯泡时 需小心，以免跌碎。 另外，本次实验需要记录的数据也比较多，然而在后续的实验数据处理中 并未完全用到。这些数据可以用于进行其他要求之外的分析，从而得出更多的 结论；或者，也可用于相互验证，因为有些数据是有相关性的，比如三角形联 结中的线电流和相电流，可以由相电流互成 120 推出线电流的大小和方向。 但也因为有这些数据，可以比较计算值与测量值的异同，从而得到更进一步的 分析，更深入地了解三相交流电路。 七、思考题 1、请问三相负载按星形或三角形连接，它们的线电压与相电压、线电流与相 电流有何关系？ 答：线电压：两相之间的电压（实际也就是两条相线之前的电压） 相电压：一相对地的电压（实际也就是相线与地之间的电压，中性线接地 系统也就是相线与中性线间的电压，普通民用三相四线制线电网中即为火线和 零线间的电压） 线电流：导线上的电流。 相电流：每一相上电流，星形负载时即为流过每一相负载的电流。 三相交流电路