《电工技术》-模 块 三 三 相 正 弦 交 流 电 路

任务一三相电路１.１三相电源的产生三相交流电是由三相交流发电机产生的，三相交流发电机的原理示意图如图３－１（ａ）所示。在发电机的定子上均匀分布着匝数和尺寸都相同的三个绕组，Ｕ１－Ｕ２、Ｖ１－Ｖ２和Ｗ１－Ｗ２。它们在空间位置上各相差１２０°。其中Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１分别为三个绕组的首端，Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２分别为绕组的末端。三相正弦交流电产生的原理：三相交流发电机转子磁场在空间是按正弦规律分布的，当转子以恒定转速旋转时，会在这三相绕组中感应出三个正弦交变电动势，三个电动势频变相同、振幅相等、相位上互差１２０°。下一页返回任务一三相电路当转子以角速度ω匀速转动时，在定子的三个绕组中将产生三个振幅、频率完全相同，相位上依次相差１２０°的正弦感应电动势，称为对称三相电源。设它们的方向都是由末端指向始端。这三个电源依次称为Ｕ相、Ｖ相和Ｗ相，每一相对应的电压称为相电压，如图３－１（ｂ）所示。若以Ｕ相电压作参考正弦量，则它们的瞬时表达式为：上一页下一页返回任务一三相电路相当于三个独立的电压源。它们对应的相量式为：三相对称电压的波形和相量如图３－２所示。由波形图和相量图可得出，三相电压瞬时值的和及其相量和均为零。即：上一页下一页返回任务一三相电路１.２三相电源的连接三相发电机的每一相绕组都可以看成是独立的电源，可以与负载单独闭合。但这种供电方式的供电线较多，结构复杂很不经济，因而通常采用星形和三角形连接。１.２.１三相电源的星形连接（用Ｙ表示）将三相绕组末端连在一起，从首端引出三根线作为三相电源输出端，称为星形连接，如图３－３所示。末端连接点叫中点，用Ｎ表示，从中点引出的线称为中线（零线），从首端引出的线称为相线、端线或火线。上一页下一页返回任务一三相电路三相电源向三相负载引三根相线和一根中线的三相电路，称为三相四线制，这种供电方式常在生产和生活中采用。在三相四线制供电方式中，相线和中线之间的电压称为相电压，用ＵＡ、ＵＢ、ＵＣ表示其有效值，且相位上相差１２０°。因此三相相电压是对称的。相电压的有效值用ＵＰ表示，ＵＡ＝ＵＢ＝ＵＣ＝ＵＰ。在三相四线制中，任意两极相线之间的电压，称为线电压，用ＵＡＢ、ＵＢＣ、ＵＣＡ表示其有效值。规定正方向角标由字母的先后顺序标明。例如，线电压ＵＡＢ的正方向是由Ａ指向Ｂ，书写时顺序不能颠倒，否则相位上相差１８０°。根据基尔霍夫定律，从接线图３－３中可以得出线电压和相电压之间的关系：上一页下一页返回任务一三相电路其对应的相量式为：以Ｕ·Ａ为参考矢量，根据上式可画出线电压与相电压的矢量图，如图３－４所示。上一页下一页返回任务一三相电路１.２.２三相电源的三角形连接（用△表示）电源的三个绕组把每相绕组的首端与另一相绕组的末端依次连接成一个闭合的三角形。再从三角形的三个顶点连接处分别引出三根端线，这种接法称为三相电源的三角形接法，如图３－５所示。电源作三角形连接后，三个绕组便形成了一个阻抗很小的闭合回路，但由于各相电压大小相等，相位依次各差１２０°，所以对称三相电压的相量和等于零，即上一页下一页返回任务一三相电路因而在回路中无环流。如果出现三相绕组电动势不对称，或者连接不正确，则回路中电压相量和不等于零，这样在三相绕组中将产生很大的环流，电源绕组将被烧坏。因此，连接发电机或变压器的三相绕组时要特别注意连接的次序，以免发生重大事故。为防止发生事故，在电源作三角形连接时，宜先接成开口三角形以待检验。即在开口两端点并联电压表，如图３－６所示。上一页下一页返回任务一三相电路１.３三相负载的连接根据用电器对电源的要求，可分为单相负载和三相负载。工作时只需单相电源供电的用电器称为单相负载，如电冰箱、电视机、照明灯等。需要三相电源供电才能正常工作的用电器称为三相负载，如三相异步电动机等。若每相负载的阻抗相等，且性质相同，则称为三相对称负载，否则称为三相不对称负载。三相负载的连接方式也有两种，即星形连接和三角形连接。上一页下一页返回任务一三相电路１.３.１三相负载的星形连接（Ｙ形）三相负载作星形连接时，一般要接成三相四线制，若三相负载对称，则可接成三相三线制。三相四线制星形连接如图３－７所示，每相负载的末端接在一点Ｎ′，并与电源中线相连；负载的另外三个端点分别和三根相线Ａ、Ｂ、Ｃ相连。每相负载的公共点称为负载中点，每相负载ＺＡ、ＺＢ、ＺＣ分别接于电源各端线和中线之间，这样四根导线把电源和负载连接起来，构成了三相四线制星形连接。上一页下一页返回任务一三相电路在三相电源和三相负载都是星形连接的三相四线制电路中，每相电源和该相负载相对独立，加在每相负载上的电压称为相电压。若不考虑线路压降，则负载的相电压就是电源的相电压，由于电源的三个相电压对称，因此负载上的相电压也是对称的。在星形连接的三相四线制中，每相电源独立向每相负载供电，由中线把它们连成闭合电路。把流经每相负载的电流叫相电流，每根端线（火线）中的电流叫线电流。若规定三相线电流的正方向为从电源端流向负载端，则线电流就是相电流，由图３－７所示的三相负载星形连接图可看出Ｉ·Ａ＝Ｉ·Ｂ＝Ｉ·Ｃ。上一页下一页返回任务一三相电路１.３.２三相负载的三角形连接三相对称负载也可以接成如图３－８（ａ）所示的三角形。这时，加在每相负载上的电压是对称电源的线电压。因为各相负载对称，故各相电流也对称，相电流为：作出线电流、相电流的矢量图，如图３－８（ｂ）所示，从矢量图得上一页返回任务二三相电路的分析、计算２.１对称三相电路的分析若三相电源对称（即每相电压相等），三相负载也对称（即每相复阻抗相等），这样组成的三相电路叫对称三相电路。在对称的－三相电路中（即电源是星形连接，负载也是星形连接），中性线线电流总是为零。中线的有无不影响电路的工作状态，中线可去掉。在实际应用中，三相负载绝对相等的情况较少，大多都处在相对均衡状态，为了防止负载出现严重不均衡时损害电源的现象发生，－三相电路中的中线必须保留。在对称的－△或△－△三相电路中，要求三相负载绝对相等，否则三相电源将受到严重损伤。下一页返回任务二三相电路的分析、计算２.２不对称三相电路的分析若三相电源、三相负载和线路中有一部分不对称的电路就称之为三相不对称电路。在实际工作中不对称三相电路大量存在，主要原因是三相负载的不对称，在对称的三相电路中若某一相负载发生短路（或开路），某一端线断开，该电路就失去了对称性，成为不对称电路。在－组成的三相不对称电路中，中线是绝对不能省掉的，否则电源将受到损害。不对称三相电路由于每一相都不同，因此分析和计算都要逐相进行。在实际应用中为了使电源不受损害，负载相互不受到影响，应尽量使三相电路对称运行。上一页下一页返回任务二三相电路的分析、计算２.３三相电路功率的计算三相电路中，三相有功功率等于各相有功功率的总和。三相无功功率等于各相无功功率的总和。若各相负载的相电压为ＵＵ、ＵＶ、ＵＷ，各相负载的相电流为ＩＵ、ＩＶ、ＩＷ，各相电流、电压相位差为φ

Ｕ、φＶ、φＷ，则三相有功功率为：三相无功功率为：上一页下一页返回任务二三相电路的分析、计算若三相负载对称，则：即三相视在功率为：上一页下一页返回任务二三相电路的分析、计算如果三相负载对称，则：上一页返回任务三三相电路的连接３.１理论基础三相负载可接成星形或三角形：当三相负载的额定电压与电源的相电压相同时，则应接成星形；当三相负载的额定电压与电源的线电压相同时，应接成三角形。３.１.１三相负载星形连接当负载对称时，有：当负载不对称时（三相四线制），有：下一页返回任务三三相电路的连接由上述分析可知，负载对称时中线电流为零，有无中线均可。当负载不对称时中线电流不为零，这种情况下中线一旦断开，负载上的电压有高有低不再是对称电压，将使负载不能正常工作，甚至造成严重后果。中线的作用是：不论负载对称与否，使三相负载各相的电压等于电源的相电压，确保各相负载在对称的电压下正常工作。为防止中线断开，中线上不允许接熔断器或开关。３.１.２三相负载三角形连接当负载对称时，有：当负载不对称时，有：上一页下一页返回任务三三相电路的连接３.２操作步骤１.三相负载星形连接（三相四线制）按图３－１０所示连接实验电路，即三相灯组负载经三相自耦调压器接通三相对称电源，并将三相调压器的旋柄置于三相电压输出为“０Ｖ”的位置（即逆时针旋到底的位置），经指导教师检查合格后，方可合上三相电源开关，然后调节调压器的输出，保证线电压为２２０Ｖ。并按以下步骤完成各项实验，分别测出三相负载的线电压、相电压、线电流、相电流、中线电流、电源中性点与负载中性点之间的电压。将测量到的数据记入表３－１中，并注意观察各相灯组亮暗的变化程度，特别要注意观察中线的作用。上一页下一页返回任务三三相电路的连接２.三相负载三角形连接（三相三线制）按图３－１１所示连接实验电路，经指导教师检查合格后接通三相电源，并调节调压器使线电压输出为２２０Ｖ。分别测出三相负载的线电压、线电流和相电流，将测量到的数据记入表３－２中。３.操作注意事项１）接线时要严格遵守先接线，再通电；先断电，再拆线的原则。２）星形负载做短路实验时，必须首先断开中线，以免发生短路事故。３）测量、记录各电压、电流时，注意分清它们是哪一相、哪一线，防止记错。上一页返回任务四验电笔、钳形电流表的使用４.１验电笔的使用低压验电笔是用来检验对地电压在２５０Ｖ以下的低压电气设备，也是家庭中常用的电工安全工具。它主要由工作触头、降压电阻、氖泡、弹簧等部件组成。这种验电笔利用电流通过验电笔、人体、大地形成回路，其漏电电流使氖泡启辉发光而工作的。在使用前，首先应检查一下验电笔的完好性，只有确认电笔完好后，才可进行验电。在使用时，一定要手握笔帽端金属挂钩或尾部螺丝，如图３－１２所示，笔尖金属探头接触带电设备，湿手时不要用手接触笔尖金属探头。下一页返回任务四验电笔、钳形电流表的使用４.２钳形电流表的使用首先，应根据被测电流的种类电压等级正确选择钳形电流表，被测电路的电压等级应与钳形表的额定电压等级相匹配，不能用低电压的钳形表测高电压的线路电流，钳形电流表如图３－１３所示。其次，在使用前要认真检查钳形电流表的外观情况，一定要检查表的绝缘性能是否良好，外壳有无损坏，手柄是否清洁干净。若指针没在零位，应进行机械调零。钳形表的钳口应紧密接合，若指针抖晃，可重新开闭一次钳口，如抖晃仍然存在，应仔细检查，注意清除钳口杂物污垢，然后再进行测量。由于钳形电流表要接触被测线路，所以钳形电流表不能测量裸导体电流。上一页下一页返回任务四验电笔、钳形电流表的使用再次，在使用时应按笔扳手，使钳口张开，将被测导线放入钳口中央，然后松开扳手并使钳口闭合紧密。不可同时钳住两根导线。读数后，将钳口张开，将被测导线退出，将挡位置于电流最高挡位或ＯＦＦ挡。根据被测电流大小来选择合适的钳形电流表的量程。选择的量程应稍大于被测电流数值，若无法估计，为防止损坏钳形电流表，应从最大量程开始测量，逐步变换挡位直至量程合适。严禁在测量进行过程中，切换钳形电流表的挡位，换挡时应先将被测导线从钳口退