电工电子技术5

模块3

三相正弦交流电路3.1三相电源和负载的连接方式3.2三相交流电路的功率学习引导三相正弦交流电路在工程领域尤其是电力系统和工业应用中至关重要。它具有高效率、高稳定性和强功率传输能力等优点。相比单相电路，三相正弦交流电路功率传输能力更强，能更有效地远距离传输电力，能量损失小。由于三相电路中三个相位间存在120º相位差，系统输出的电流、电压和功率更平稳，利于电动机和设备运行。此外，三相电路可实现电力平衡分配。工业应用中，通过合理设计控制三相电路，可确保多负载间功率分配均衡，提高系统效率稳定性。总之，三相正弦交流电路是电力系统和工业应用中不可或缺的部分，理解应用它具有重要现实意义。学习目标知识目标：理解三相电路基本原理，包括三相电源、相位关系、电流电压波形等概念；掌握常见连接方式如星形和三角形连接及其特点适用性；掌握有功、无功及视在功率计算方法与意义；分析对称与不对称情况及电流电压功率分配方法。技能目标：具有三相电路设计与分析的能力，具有选择合适连接方式，计算电流、电压、功率等参数的能力；具有实验验证与测试能力，具有独立操作和团队协作能力。

素养目标：培养学生将知识应用于实际工程项目，成为全面的三相电路工程师或技术专家，在电力系统和工业领域中发挥重要作用，推动行业发展和进步。3.1

三相电源和负载的连接方式提出问题三相电源和三相负载有哪些连接方式？对称三相电的特征是什么？三相电路比单相电路的优势在哪些方面？核心提示：三相电源星形连接为三相四线制，线电压是相电压的1.732倍。三角形连接需注意首尾不能接反，线电压等于相电压。星形连接时，对称负载可省中线，不对称负载需保留中线。三角形连接匹配电源线电压，线电流是相电流的1.732倍。电压、电流关系是构建三相电路的关键。知识准备在现代电力工程的实践中，三相供电体制已近乎成为标准配置。实际上，在生产和日常生活当中，三相发电机以及由其构成的输配电网所采用的三相四线制供电方式占据着主导地位。三相交流供电系统被广泛应用，主要原因在于，与单相输电线路相比，三相输电线路能够显著节省导线材料。此外，三相交流发电机不仅在性能上优于单相交流发电机，还能够带来更高的经济效益。1.对称三相交流电上述对称三相交流电还可用相量表达式表示为：对称三相交流电在相位上的先后顺序称为相序。其中ABC的相序称为正序或顺序；把CBA的相序称为负序或逆序。电力系统中均采用正序。工程实际中，ABC三相输电线常用黄、绿、红三色标示3.1.1三相电源的连接方式2.三相电源的Y形连接方式三相电源是指能产生对称三相交流电的供电设备。三相电源的连接方式有两种：星形（Y）和三角形（Δ）。XZYBCA由三相绕组首端引出的导线称为相线(火线)。火线与零线间的电压称为相电压；火线与火线间的电压称为线电压。结论：三相电源绕组作Y形连接时，可以向负载提供两种电压。此种供电系统称为三相四线制。电力系统广泛采用三相四线制的供电方式。N由电源公共点引出的导线为中线(零线)，BCA

数量上，线电压uAB是相电压uA的1.732倍；相位上，线电压超前与其相对应的相电压30°电角！三相电源Y接时线、相电压之间的关系三个相电压对称当电源的中性点接地时，电源的相电压在数值上等于各相绕组首端电位。线电压与相电压之间的关系UBUAUC120°120°120°电压等于两点电位之差-UBUAB30°同理可得UBCUCA显然，电源Y接时的三个线电压也是对称的！UC-30°UA-30°日常生活与工农业生产中，多数用户的电压等级为:三相电源绕组连接成Y接方式的最大优越性就是可向负载提供线、相电压两种不同的电压，其中线电压是相电压（发电机一相绕组感应电压）的1.732倍！

三相四线制供电系统两种电压一般表示为或小实践：电源Y连接电压测量目的：验证U线=1.732U相；2.器材：三相调压器、交流电压表（量程≥400V）；3.步骤：（1）调压器Y接，通电后设UP=220V；（2）测相线与中线之间的电压UP；（3）测相线与相线之间的电压Ul。观察要点：线电压是否等于相电压的1.732倍。3.三相电源的三角形连接方式三相电源绕组首尾相接连成一个闭环，在三个连接点分别向外引出三根火线的连接方式称为电源的Δ形连接。显然，电源绕组三相三线制的Δ接时，只能向外电路提供一种线电压！但此线电压数值上等于电源一相绕组的感应电压。实际电源连成Δ接时，由于三相电源的感应电压对称，所以电源回路内部无电流，但若有一相接反时，就会在电源回路内造成很大的环流从而烧坏电源绕组。因此，实际三相电源作Δ接时，为确保无误，一般先把3个电源绕组留一个开口，开口处连接一个阻抗极大的电压表，当电压表读数为零时说明连接无误，这时才能将开口合拢。XZYBCAABC三路举解1.已知三相四线制连接方式的电源线电压试写出其它线电压和相电压的解析式。根据三个线电压的对称关系可得：根据相电压与线电压的关系可得：三路举2.三相发电机的相电压为220V，接成Y连接方式发电。如果误将A相接反，此时各线电压应为多少？如果三相全部接反，又将如何？如果误将A相接反，则：-UBUBCUC-UA-UCAUBUAUC显然与A相有关的线电压均在数值上等于相电压220V，只有与A相无关的线电压才等于380V。解3.如果三相电源绕组全部接反，又将如何？假设没有接反时A相电压初相为零，当三相全部接反时，各相电压的相位均发生了180°变化：UBUAUC可看出：三个相电压超前、滞后的关系并没有改变，可以推导出，三个线电压数值不变，分别为相电压的1.732倍，在相位上也分别超前与其相对应的相电压30°。解三路举小实践：电源Δ连接正误判断目的：判断Δ连接是否接反；2.器材：三相调压器、交流电压表（高阻抗且量程≥400V）；3.步骤：（1）调压器绕组留一个开口，开口处接电压表；（2）通电，观察电压表指示数值。观察要点：电压表指示值=0连接正确，指示值=2UP说明连接错误。验电笔的正确握法如下图示你能说出对称三相交流电的特征吗？你会做吗？三相四线制供电体制中，你能说出线、相电压之间的数量关系及相位关系吗？

如何用验电笔或400V以上的交流电压表测出三相四线制供电线路上的火线和零线？电笔头与被测导线接触时，使氖管发光的是火线，不发光的是零线。

利用一块电压表的测量，你能正确判断出火线和零线吗？检验学习效果3.1.2三相负载的连接方式1.负载的Y连接三相负载是指需与三相电源连接才能正常工作的用电设备。三相负载的连接方式也有：星形（Y）和三角形（Δ）两种。NBCAN′B′C′A′ZAZBZCZLZLZNZL火线上的电流称为线电流，负载中的电流称为相电流相电流和线电流相等吗线路阻抗中线电流（1）对称Y连接三相负载时三相负载符合：称为对称三相负载。由于三相电路对称，所以式中分子为零，因此中点电压为零，即：ZN对称三相电路中，若输电线上的阻抗不能忽略，就必定存在中点电压，应用弥尔曼定理可得：显然，三相电压、电流均对称，中线电流iN=0！NBCAN′B′C′A′ZAZBZCZLZLZNZL三相电路对称时，中点电压为零，各相负载中通过的电流：对称三相Y接电路的分析对称三相用电器中通常不设置中线。举例已知对称Y接电路线电压为380V，负载Z=3+j4Ω，求：各相负载中的电流及中线电流。解因电路对称，IN=0，只需求负载中通过的电流。设有根据对称关系：显然，对称三相电路的计算可归结为一相电路的计算！对称三相Y接电路的计算原则1.对称三相电路的线电压对称，因此各相负载的端电压和电流均对称，三相电路的计算可归结为一相进行；2.根据电路给定条件确定参考相量，一般选A相电压；3.应用单相电路的分析方法求出A相电路的待求量；4.根据对称关系写出其它两相的待求量；5.在一相电路计算中，中线阻抗不起作用，N和N'之间等电位，用一根短接线连接。ZA＋NN'ZLA'－一相等效电路如图示：三路举1.有一对称三相负载，每相电阻R＝4Ω，电感XL＝3Ω，连成三角形接于线电压为380V的对称三相电源上，求其相电流和线电流。因为负载为三角形连接，所以负载端电压等于电源线电压，设uAB为参考相量，则：解根据对称关系有：根据对称电路线电流与相电流的关系：单相负载接到三相电路中能否采用三相三线制供电？实际生活中，单相设备也都是采用发电厂发出的三相交流电。L1L1L1N单相负载三相负载...单相负载单相负载由图可看出，因三相设备对称而不需要中线，均采用三相三线制；而单相用电器都是接在火线与零线之间，必须有中线！工程实际把单相负载往三相电源上连接时，通常尽量保持三相对称，以减小中线电流。（2）不对称三相Y连接三相负载时假设某教学大楼有三层，安装时各层用电器对称连接于三相电源如图示。中线因截面较细阻抗可忽略。无论三层楼中每层照明负载工作时是否对称，只要有中线（中线阻抗忽略不计），各层楼的照明负载都是连接在三相四线制的火线和零线之间，设线路电压有效值为380V，则各层照明负载上均可得到220V的工作电压，即它们都能正常工作。A一层楼二层楼三层楼CBN.........有中线时，三相照明负载能够正常工作吗？问题提出问题提出设三层照明负载对称，当中线断开，且一层楼发生故障短路，各相还能正常工作吗？会出现什么情况？中线断开，且一层楼发生故障开路时，B、C两相负载构成串联通路后接于两火线间，两相负载将平分线电压。实际加在各相负载的电压为U线/2，两相负载都会因欠压而不能正常工作！三相不对称照明负载构成的Y接电路，必须有中线！A一层楼二层楼三层楼CBN.........中作用使Y接不对称三相负载的相电压保持对称！中线作用无中线时，三相照明负载的端电压将互相牵制、相互影响，三相不对称时会出现过压或欠压情况。因此，必须确保中线(零线)在运行中安全可靠不断开，规定中线上不允许安装保险丝和开关！三相照明负载特指单相负载接在三相电源上的情况。无论安装时三相照明负载是否对称，它们实际工作时往往处于不对称工作状态。对于三相照明电路，各相都是接在火线和零线之间，因此必须采用三相四线制供电系统，而且必须保证中线(零线)可靠。小实践：负载Y连接中线作用验证目的：验证中线对不对称负载的电压平衡作用；2.器材：三相调压器、三相灯箱、电压表；3.步骤：（1）接中线：灯箱Y接+中线，通电测各相电压；（2）

断中线：拆中线，通电测各相电压。观察要点：有中线时各相≈220V（灯亮正常）；断中线时A相电压偏高（灯过亮）、C相偏低（灯昏暗）。指出图中各电表的读数。你会做吗？某设备采用三相三线制供电。当因故断掉一相时，能否认为是两相供电了？

三相照明电路如图示，如果中线在×处断开，各相灯泡是否还有电流通过？如果有电流通过时，各相灯负载还能正常发光吗？为什么照明电路中一定要火线进开关？检验学习效果ABCNS（b）V2´10Ω10Ω10ΩABCA1´A2´V1´AN（a）10Ω10Ω10ΩBCV´A2´A3´A1´V1´图示为电源“Y”接，负载为Δ形连接的对称三相电路。由于三相电路对称，所以三个相电流和三个线电流必然都是对称的。设:2.负载的Δ连接＋N－A'B'C'ZZZZLZLZLABC＋－＋－IAIBIC线电流是相电流的1.732倍，相位上滞后对应相电流30°对称三相负载的三角接电路分析方法观察相量图可得：-IBCIAICA-IBIAB-IC即：线、相电流的数量关系为：相位上，线电流滞后相电流30°。对称三相负载三角接时，总有UP＝UL、UL＝1.732UP小实践：负载Δ连接电流测量目的：验证线电流是相电流的1.732倍；2.器材：三相调压器、三相对称灯箱、电压表、电流表；3.步骤：（1）负载Δ接，通电；（2）测通过负载的电流和相线电流。观察要点：通过测量可知，负载三角形连接时线电流应等于相电流的1.732倍。3.三相负载的正确连接三相负载的接法应根据其额定电压和电源线电压确定。我国低压供电系统线电压为380V，电气设备额定值多为380V或220V。因此，在电源线电压一定的情况下，要使设备得到额定电压，可通过调整负载连接方法来实现供用电协调。实用中办公、生活中使用的照明、计算机、电扇等都属于单相用电设备，通常接在三相电源上，额定电压为220V。在三相四线制供电系统中，这些设备接在火线与零线之间获取220V电源。连接时需考虑负载对称，尽量均匀分布在三相四线制电源上。这类负载是不对称的，必须有中线。［案例］漏电保护开关在电气系统中扮演着不可或缺的重要角色，它可以有效地保护人员和设备免受漏电带来的危险，因此，正确选择和使用漏电保护开关对于确保电气安全至关重要。如何正确选择和使用漏电保护开关呢？［案例操作］网上查阅显示，线下调研同时表明，正确选择和使用漏电保护开关需根据实际需求和电气系统的特点，选择适当的额定电流和额定差动电流。额定电流应该能够覆盖系统中的最大负载，并确保漏电保护开关在正常工作条件下能够及时触发。

另外，漏电保护开关的安装位置应考虑到环境条件，避免受潮及高温的影响。同时，确保漏电保护开关安装在易于操作和检修的位置，便于日常维护和管理。

再者还需定期检查和测试漏电保护开关，以便及时发现潜在的问题并采取相应的措施维护，确保漏电保护开关的可靠性和稳定性。一但漏电保护开关触发，还应及时排查故障原因，以免造成更严重的安全事故。

在选择和使用漏电保护开关时，应该严格遵循相关的标准和规范，确保产品的质量和性能符合要求，并最大程度地提高电气系统的安全性和可靠性。工程实例［结论］正确选择和使用漏电保护开关是确保电气系统安全的重要措施，需要综合考虑系统的实际情况和环境条件，采取有效地措施保障人员和设备的安全。核心要点：

1.选额定电流（覆盖最大负载）、额定差动电流通常为30mA；2.安装场所尽量避开潮湿、高温，便于操作；3.每月按测试键，跳闸后排查故障再复位。指出图中各电表的读数。你会做吗？某设备采用三相三线制供电。当因故断掉一相时，能否认为是两相供电了？

三相照明电路如图示，如果中线在×处断开，各相灯泡是否还有电流通过？如果有电流通过时，各相灯负载还能正常发光吗？为什么照明电路中一定要火线进开关？检验学习效果ABCNS（b）V2´10Ω10Ω10ΩABCA1´A2´V1´AN（a）10Ω10Ω10ΩBCV´A2´A3´A1´V1´3.2

三相交流电路的功率提出问题三相电路的有功、无功、视在功率如何计算？对称与不对称电路功率计算有何不同？如何安全用电？核心提示：对称三相电路总功率为各相功率的3倍，可通过线电压、线电流及功率因数计算，不对称电路总功率为各相功率之和，三相三线制常用二瓦计法测量功率，三相四线制不对称电路需分测各相功率再相加。知识准备三相交流电路由三个单相交流电源组成，每个电源的相位相差120度。在理想状态下，每相的交流电压波形都是正弦波，且具有相同的振幅和频率。三相交流电路的功率学习主要包括功率的计算和分析。电路中的功率传输可以通过三种方式进行描述：有功功率、无功功率和视在功率。三相交流电路的功率计算有多种方法，最常见的是使用功率三角形理论或复数形式的功率计算式。在实际应用中，掌握三相功率的计算和分析方法，了解电力系统的发电和配电情况以及安全用电常识，可以帮助工程师优化电力系统的设计和运行，从而提高能源利用效率，确保系统的稳定性和可靠性。这些工具能够提高工作效率，并确保电路设计的准确性和可靠性。3.2.1三相功率三相电路的总有功功率等于各相有功功率之和。即：当对称三相负载星形连接时，有：若三相负载对称，则总有功功率：若对称三相负载作三角形连接时，有：可得出由线电压和线电流表示的三相有功功率表达式：同样可得出：对称三相电路的瞬时功率是常量，等于三相总有功功率三相电路的无功功率和视在功率三相电路不对称时，各相功率必须单独计算后叠加注意：有功功率的单位是瓦特[W]；无功功率的单位是乏尔[var]；视在功率的单位是伏安[VA]。三相电路不对称时，三相电路的无功功率：对称三相电路的无功功率：对称三相电路的视在功率：三相电路不对称时，三相电路的视在功率：三相电路分析时应注意事项1.三相电源一般都是对称的，且大多采用三相四线制供电方式。2.三相负载有星形和三角形两种连接方式。其中Y形连接且负载对称时：Δ形连接负载对称时：3.负载不对称时，各相电压、电流应单独计算。4.三相电路的计算特别要注意相位问题。5.求电表读数时，可只算有效值，不算相位。6.三相三线制电路无论对称与否，其总有功功率均可采用二瓦计法进行测量。用二瓦计法测量三相对称电路功率二瓦计法只能用来测量三相三线制电路。测量时，单独一个功率表的读数无意义！在三相四线制供电体系中，除对称运行外，不能用二瓦计法测量三相功率。＊＊W1W2ABCM3～＊＊用两个瓦特表测量三相电路有功功率的方法称二瓦计法，测量原理图：。两个瓦特表测量的有功功率计算式为：小实践：二瓦计法测三相功率目的：用二瓦计法测量对称三相负载功率；2.器材：三相电源Ul=380V、对称三相负载如三相电动机、两块功率表；3.步骤：（1）按功率表电流线圈串相线，电压线圈并相线接线；（2）通电，读各表功率数；（3）计算总功率值，与理论值对比。观察要点：两表读数之和是否接近理论功率。12/3/20251.某三层楼电力照明由三相四线制供电，线电压为380V，每层楼均有220V、40W白炽灯110只，三层楼分别使用A、B、C三相。参考答案：（3）一层电压0，二、三层电压是190V。（1）试求三层楼电灯全亮时总的线电流和中线电流。（2）试求当一层楼全部熄灯，另外两层电灯全亮时的线电流和中线电流。（3）当一层楼全部熄灯，二层和三层电灯全亮时，但中线突然因故断开了，这时三层楼的电压分别是多少。习题练3.2.2发配电概况

电能是由发电厂产生，通过输电线作远距离或近距离的输送。电力生产的过程，就是利用水能、煤、核能、风能等一次能源转化为效率高、易传输、适用面广的电能，由于电能是由一次能源经人类加工而得到的，因此把电能称为二次能源。电能都是由发电厂的发电机产生的；电能向外输送时必须经过升压和变电；输送电能需用不同电压等级的输配电设备；最后由用户接收和使用电能。电力系统=发电厂+变电所+输电线路+用户电力系统中发电机、变压器、电力线路和用电设备等的投入和撤除都是在一瞬间完成的，所以，电力系统中电能的生产、输送、分配和消费是同时进行的。

利用燃煤(或石油、天然气)燃烧使汽轮机转动。火电厂

生产过程：化学能

热能

机械能

电能

利用水的流量和落差使水轮机转动。

生产过程：水能

机械能

电能水电站核电站利用原子能在反应堆的核裂变使汽轮机转动

生产过程：原子能

机械能

电能

生产过程：风能

机械能

电能风力发电站

风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，來促使发电机发电。依据目前的风车技术，大約是每秒三公尺的微风速度，便可以开始发电。

生产过程：潮汐能

机械能

电能潮汐发电站

潮汐发电与水力发电的原理相似，它是利用潮水涨、落产生的水位差所具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能量变为机械能，再把机械能转变为电能发电的过程。具体地说，潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建一拦水堤坝，将海湾或河口与海洋隔开构成水库，再在坝内或坝房安装水轮发电机组，然后利用潮汐涨落时海水位的升降，使海水通过轮机转动水轮发电机组发电。变电所可分为：升压变电所、降压变电所、区域变电所、终端变电所等。变电所电力线路分有输电线路和配电线路。由于发电厂一般都远离用电中心，所以必须用高压输电；为了确保用户安全用电，还必须降压配置为用户所需的各种电压。电力线路电流对人体的危害3.2.3安全用电触电：当人体触及带电体承受过高的

电压而导致死亡或局部受伤的现象。触电依伤害程度不同可

分为电击和电伤两种。电击：指电流触及人体而使内部器官受到损害，它是最危险的触电事故。当电流通过人体时，轻者使人体肌肉痉挛，产生麻电感觉，重者会造成呼吸困难，心脏麻痹，甚至导致死亡。电击多发生在对地电压为220V的低压线路或带电设备上，因为这些带电体是人们日常工作和生活中易接触到的。电伤：由于电流的热效应、化学效应、机械效应以及在电流的作用下使熔化或蒸发的金属微粒等侵入人体皮肤，使皮肤局部发红、起泡、烧焦或组织破坏，严重时更能危及人命。电伤多发生在1000V及1000V以上的高压带电体上。

缺乏电气安全常识；违反操作规程；设备不合格；维修维护不及时；偶然因素等。触电原因触电急救措施

如果触电地点附近有电源，可立即断开开关、拔下插头或熔断器等。

如果事故现场离电源太远，可用有绝缘柄的电工钳或有干燥木柄的斧头切断电线。对于低压触电事故：

当电线搭接在触电者身上或被压在身下时，可使用非导电体，如木棒、竹竿、塑料棍等，去拨开电源。

触电能使人造成烧伤或死亡，但是事故的多数原因是人为造成的。用电中注意以下问题，可以预防触电事故。

（1）损坏的开关、插销等应赶快修理或更换，不能将就使用。

（2）不懂电气技术和一知半解的人，对电气设备不要乱拆、乱装，更不要乱接电线。

（3）灯头用的软线不要东拉西扯，灯头距地不要太低，扯灯照明时，不要往铁丝上搭。

（4）电灯开关最好用拉线开关，尤其是土地潮湿的房间里，不要用床头开关和灯头开关。

（5）屋内电线太乱或发生问题时，不能私自摆弄，一定要找电气承装部门或电工来改修。

（6）拉铁丝搭东西时，注意不要接触到附近的电线。

（7）屋外电线和进户线要架设牢固，以免被风吹断，发生危险。

（8）外线折断时，不要靠近或用手去拿，应找人看守，赶快通知电工修理。

（9）不要用湿手、湿脚接触电气设备和开关插销，以免触电。

（10）大清扫时，不要用湿抹布擦电线、开关和插销，也不要用水冲洗电线及各种用电器具、电灯和收音机等。电器设备的某部分直接与地线相连接叫作保护接零。保护接零也能起到与接地相似的安全保护作用。1.保护接零在电源中性线做了工作接地的系统中，为确保保护接零的可靠，还需相隔一定距离将中性线或接地线重新接地，称为重复接地。2.保护接地

在中性点不接地系统中，设备外壳不接地且意外带电，外壳与大地间存在电压，人体触及外壳，人体将有电容电流流过，如图(a)所示。RrIdZIdRrIdZIdRbIr(a)(b)

如果将外壳接地，人体与接地体相当于电阻并联，流过每一通路的电流值将与其电阻的大小成反比。人体电阻通常为600~1000Ω，而接地电阻通常小于4Ω，因此流过人体的电流很小，这样就完全能保证人体的安全，如图(b)所示。一些常见的错误连接

在实际工作中，常有一些不规则的保护接地和接零，甚至是错误的保护接地和接零，起