《电工技术基础》项目5分析三相正弦交流电路

电工技术基础项目一分析简单直流电路项目二分析复杂直流电路项目三认识磁场与电磁感应项目四分析单相正弦交流电路项目五分析三相正弦交流电路项目六认识变压器项目七认识异步电动机项目八认识低压电器与用电保护项目五分析三相正弦交流电路5.1三相交流电5.2三相负载项目导读与单相交流电相比，三相交流电具有结构简单、输出功率大的特点。点击跳过案例项目导读目前，三相交流电已在电力系统中得到了广泛的应用。日常生活中所使用的交流电多为单相交流电，也是三相交流电中的一相。点击跳过案例目标知识目标了解三相交流电的产生和特点。掌握三相四线制的定义及相电压与线电压的关系。掌握三相负载星形连接和三相负载三角形连接的方法和特点。熟悉三相负载的有功功率、无功功率和视在功率的定义和计算方法。技能目标能安装照明、动力混合电路。素质目标培养安全操作、规范操作的安全意识。树立遵章守纪、严于律己的责任意识。1．项目描述项目工单——安装照明、动力混合电路照明、动力混合电路的安装是一项实操性很强的技能。请学习照明、动力混合电路的安装规范和方法，并对照明、动力混合电路进行安装。2．项目准备项目工单——安装照明、动力混合电路1）知识准备照明电路多为单相负载，而动力混合电路多为三相负载。若照明设备配置不当，则会导致大量的照明设备集中于一相，使线路三相负载不对称，从而造成中性点电位偏移、中性线电流过大。中性点电位偏移将引起三相交流电压的不对称，严重影响变压器和电动机的运行，甚至造成某相电压过高，烧坏该相负载。2．项目准备项目工单——安装照明、动力混合电路1）知识准备在为动力混合电路配线时，应将横着的导线水平布置，将竖着的导线垂直布置，将拐角的导线布置成直角且不能有斜线。接线时，要尽量避免交叉导线，若在一个方向上有多条交叉导线，则要将其合并在一起。最后，用扎线将导线固定在配电板上。如图所示。照明、混合电路的安装简图将实施过程中所需的工具和器材填入表中。2．项目准备项目工单——安装照明、动力混合电路2）工具和器材准备实施过程中所需的工具和器材名称规格与型号单位数量备注配电板

个1

电能表

台2

万用表

台1

插座

个6

刀开关

个2

白炽灯个62．项目准备项目工单——安装照明、动力混合电路2）工具和器材准备（续表）名称规格与型号单位数量备注导线条若干

开关

个6

螺丝刀

个1

剥线钳

个1

接线端子

个若干

电钻个1学生以4～5人为一组，各小组成员合作对照明、动力混合电路进行安装。（详情请见教材）3．项目实施项目工单——安装照明、动力混合电路5.1三相交流电5.1.1三相交流电的产生三相交流电又称动力电，它是由三相交流发电机（见图）产生的。三相交流发电机的结构与单相交流发电机相似，都由转子和定子组成。转子是电磁铁，其磁极表面的磁场按正弦规律分布；定子中有三个结构相同的绕组，它们在定子中的位置彼此间隔。三相交流发电机三相交流发电机的结构5.1.1三相交流电的产生三个绕组的首端分别用A、B、C

表示，末端分别用X、Y、Z

表示。当转子匀速旋转时，三个绕组切割磁感线，由此产生了三个相位不同但最大值和频率相同的单相交流电。三相交流发电机的结构5.1.1三相交流电的产生三相交流发电机的结构通常将频率相同、最大值相等、相位彼此相差的三个单相交流电源称为三相正弦交流电。如无特殊说明，下文所述的“三相交流电”均指三相正弦交流电。通常用A、B、C分别表示三相交流电中的第一相、第二相、第三相。5.1.1三相交流电的产生三相交流发电机的结构由三相交流发电机的结构可知，当磁极S按顺时针方向旋转到A相时，该相的电动势达到正向峰值。若将该相的相位作为参考相位，令该值的初相为0，则B相的初相为-

、C相的初相为。5.1.1三相交流电的产生三相交流电随时间按正弦规律变化，它们达到最大值的先后次序称为相序。由矢量图可知，当转子按顺时针方向旋转时，三相绕组会按顺时针次序达到最大值（或零值），即按

的次序，这种次序称为正序或顺序；当转子按逆时针方向旋转时，三相绕组会按逆时针的次序达到最大值（或零值），即按的次序，这种次序称为负序或逆序。（a）三相交流电的波形图（b）三相交流电的矢量图5.1.2三相交流电的特点和单相交流电相比，三相交流电具有以下特点（1）在发电机尺寸相同的条件下，三相发电机的输出功率比单相发电机的输出功率大（2）虽然三相发电机的结构和制造流程比单相发电机略微复杂，但是三相发电机的使用和维护较为方便，运转时的振动也比单相发电机小（3）在同等条件下，输送同等功率的交流电，特别是对于远距离输电，三相输电比单相输电的电能损耗更小头脑风暴三相交流电在生活中还有哪些应用？5.1.3三相交流电源的连接方式三相交流发电机的每个绕组都是独立的电源，都可以单独向负载供电，但这种供电方式需要六根导线，经济性和实用性较差。在实际工作中，通常将三相交流电源按照一定的配电方式连接之后再向负载供电。下面以三相四线制为例介绍三相交流电的连接方式。三相交流电源的连接方式三相三线制三相四线制三相五线制5.1.3三相交流电源的连接方式1．三相四线制将三相交流发电机三个绕组的末端连接于一个公共点，三个绕组的首端分别与负载连接，这种连接方式称为星形连接，用符号“Y”表示。其中，公共点称为中性点或零点，用符号“N”表示。三相四线制供电系统5.1.3三相交流电源的连接方式1．三相四线制从中性点引出的导线称为中性线或零线，它通常与大地相连接，一般采用淡蓝色线；从三个绕组的首端引出的三根导线称为相线或火线，分别用符号“A”“B”“C”表示，一般用黄、绿、红3种颜色区分。这种由三根相线和一根中性线组成的供电系统称为三相四线制供电系统，用符号“”表示。三相四线制供电系统5.1.3三相交流电源的连接方式三相四线制供电系统通常用于低压配电系统中，我们在日常生活中见到的只有两根电线的供电线路其实是由三相交流电源中一相的相线和中性线组成的。1．三相四线制三相四线制供电系统5.1.3三相交流电源的连接方式三相四线制供电系统可输送的电压形式相电压线电压2．相电压与线电压5.1.3三相交流电源的连接方式2．相电压与线电压相电压是指相线与中性线之间的电压，其瞬时值用、、表示，有效值用、、或通用符号表示。若以相电压为参考正弦量，则三相交流电的各相电压可表示为（5-1）5.1.3三相交流电源的连接方式2．相电压与线电压（5-2）线电压是指相线与相线之间的电压，其瞬时值用、、表示，有效值用、、或通用符号表示。一般情况下，线电压的方向是从A线指向B线，从B线指向C线，从C线指向A线。三个线电压的最大值相等，频率相同，相位彼此相差。线电压瞬时值与相电压瞬时值之间的关系为5.1.3三相交流电源的连接方式2．相电压与线电压由矢量图可知，线电压有效值和相电压有效值之间的关系为三相交流电的三个线电压是对称的，且线电压比相应的相电压超前。（5-3）即（5-4）线电压与相电压的矢量图课堂互动常用的三相四线制低压供电系统的相电压和线电压通常是多少？从日常生活中列举一个使用三相四线制的典型应用？知识库常用的三相四线制低压供电系统，其相电压一般为220V，线电压一般为380V。在工业生产和日常生活中所用的四孔插座就是三相四线制电源的典型应用。5.1.3三相交流电源的连接方式例5-1已知在发电机的三相绕组中，B相电压的瞬时值表达式为，试求：（1）按正序写出其他两项电压的瞬时值表达式；（2）三相交流电采用星形连接时的和。5.1.3三相交流电源的连接方式例5-1已知在发电机的三相绕组中，B相电压的瞬时值表达式为，试求：（1）按正序写出其他两项电压的瞬时值表达式；解：（1）由矢量图可得，A相电压和C相电压的瞬时值表达式分别为：线电压与相电压的矢量图5.1.3三相交流电源的连接方式例5-1已知在发电机的三相绕组中，B相电压的瞬时值表达式为，试求：（2）三相交流电采用星形连接时的和。解：（2）相电压的有效值为。由式可得，线电压的有效值为。课堂训练三相四线制供电系统是什么？三相交流电具有哪些特点？课堂小结三相交流电三相交流电的产生三相交流电的特点三相交流电源的连接方式5.2三相负载5.2三相负载按照对电源的要求不同：照明灯单相电动机家用电器单相负载是指由单相电源供电的电气设备，如：负载单相负载三相负载5.2三相负载三相负载是指由三相交流电源供电的电气设备，如：机床工业热处理炉5.2三相负载若三相负载中各相负载的电阻和电抗均相等，则该类三相负载称为三相对称负载，如：若各相负载的电阻和电抗不完全相等，则该类三相负载称为三相不对称负载，如三相照明电路等。三相异步电动机三相电炉5.2.1三相负载的连接方式三相负载的连接方式星形连接三角形连接5.2.1三相负载的连接方式1．三相负载的星形连接1）三相负载星形连接的方法将三相负载、和的三个末端连接在一起，并与三相交流电源的中性线连接，再将三个首端分别接到电源的三根相线上的连接方式称为三相负载的星形连接。如图所示。三相负载星形连接的方法5.2.1三相负载的连接方式1．三相负载的星形连接2）三相负载星形连接的特点（5-5）当三相负载采用星形连接并有中性线时，各相负载两端的电压称为负载的相电压，用表示。当忽略输电线的阻抗时，负载的相电压等于电源的相电压，即。ab、bc、ca之间的电压称为负载的线电压，用表示。负载的线电压等于电源的线电压，即。因此，负载的线电压和负载的相电压之间的关系为5.2.1三相负载的连接方式1．三相负载的星形连接2）三相负载星形连接的特点（5-6）当三相负载采用星形连接时，通过每根相线的电流称为线电流，其有效值用、、或通用符号表示；通过各相负载的电流称为相电流，其有效值用通用符号表示；通过中性线的电流称为中性线电流，其有效值用通用符号表示。在三相负载的星形连接电路中，线电流等于相电流，即5.2.1三相负载的连接方式1．三相负载的星形连接2）三相负载星形连接的特点中性线电流为（5-7）在三相交流电路中，三相交流电压对称。若三相负载也对称，则通过三相负载中的各相电流也对称，即（5-8）5.2.1三相负载的连接方式1．三相负载的星形连接2）三相负载星形连接的特点（5-9）因此，各相电流的相位差仍是。在计算三相对称负载电路中的电流时，只需要计算其中一相即可，其他两相可通过相位差计算得到。根据该特性，可作出如图所示的矢量图。由电流矢量图可知，当三相对称负载采用星形连接时，中性线电流等于零，即三相对称负载采用星形连接时的电流矢量图5.2.1三相负载的连接方式1．三相负载的星形连接2）三相负载星形连接的特点在这种情况下，中性线不会影响三相电路的正常工作，因此可省去中性线，即原三相四线制电路可变为三相三线制电路，如图所示。三相三线制电路5.2.1三相负载的连接方式1．三相负载的星形连接2）三相负载星形连接的特点在三相交流电路中，若负载不对称，则必须采用带中性线的三相四线制电路。若没有中性线，则可能使其中某一相电压过低，从而导致该相电路中的负载不能正常工作；也可能使某一相电压过高，从而导致该相电路中的负载因过载而被烧坏。5.2.1三相负载的连接方式1．三相负载的星形连接2）三相负载星形连接的特点因此，在三相四线制电路中有规定，不允许在中性线上安装低压熔断器和开关，有时还需要采用钢芯线来加强中性线的机械强度。此外，为保证用电安全，通常还需要将中性线接地，使其与大地电位相同。课堂互动中性线的规范连接在三相四线制电路中起到了什么重要作用？思想启迪中性线的规范连接是三相四线制电路安全运行的重要保障。安全用电是关系人民群众生命财产安全的大事。因此，在进行电力作业时，必须严格执行有关要求，规范操作，要始终坚守安全意识、规范意识，为自己负责也是为他人负责。5.2.1三相负载的连接方式例5-2解：线电压和电源电压相等，即：已知某三相对称负载中各相负载，。该三相负载采用星形连接并接在的三相交流电源上。试求：该三相负载的、、。5.2.1三相负载的连接方式例5-2已知某三相对称负载中各相负载，。该三相负载采用星形连接并接在的三相交流电源上。试求：该三相负载的、、。解：各相负载的阻抗为：线电流为：相电流为：5.2.1三相负载的连接方式2．三相负载的三角形连接1）三相负载三角形连接的方法将三相负载分别连接到三相交流电源的两根相线之间的连接方式称为三相负载的三角形连接，用符号“△”表示。与三相负载的星形连接不同，三相负载的三角形连接只能采用三相三线制供电。如图（a）

（b）所示。（a）三相负载的三角形连接原理图（b）实际电路图5.2.1三相负载的连接方式2．三相负载的三角形连接2）三相负载三角形连接的特点（5-10）当三相负载采用三角形连接时，各相负载都对应一个单相交流电路，各相电流与电压之间的相位关系与数量关系和单相交流电路相同。在三相负载的三角形连接中，负载的相电压等于负载的线电压（即三相交流电源的线电压），即5.2.1三相负载的连接方式2．三相负载的三角形连接2）三相负载三角形连接的特点（5-11）负载在采用三角形连接时也会产生线电流和相电流。线电流的有效值分别用、、或通用符号为表示；相电流的有效值分别用、、或通用符号为表示。由基尔霍夫电流定律可得，三角形连接负载的线电流与相电流之间的关系为5.2.1三相负载的连接方式2．三相负载的三角形连接2）三相负载三角形连接的特点（5-12）当负载对称时，矢量图如图所示。由矢量图可知，各线电流滞后于对应的相电流，所以各线电流之间的相位差也是。由平行四边形法则可得，线电流与相电流之间的数量关系为线电流与相电流的矢量图拓展视频三相负载的三角形电路连接三相负载的三角形连接与星形连接相比哪个更好?5.2.1三相负载的连接方式例5-3已知三相负载按三角形连接法接到线电压为380V的三相交流电源上。若各相负载，，试求：和。解：由于负载采用三角形连接，因此各相负载的相电压等于三相交流电源的线电压，即：5.2.1三相负载的连接方式例5-3已知三相负载按三角形连接法接到线电压为380V的三相交流电源上。若各相负载，，试求：和。解：负载的阻抗为：相电流为：线电流为：5.2.2三相负载的功率在三相交流电路中，负载的功率有功功率无功功率视在功率5.2.2三相负载的功率1．三相负载的有功功率在三相交流电路中，无论采用星形连接还是三角形连接，负载的总有功功率等于各相负载的有功功率之和，则三相负载的有功功率计算表达式为（5-13）式中：

——三相负载的总有功功率，单位为W；

——各相负载的有功功率，单位为W；

——各相负载的功率因数，无单位。5.2.2三相负载的功率1．三相负载的有功功率若三相负载对称，则各相负载的电压、电流也是对称的，各相负载的功率因数也相同，即（5-14）（5-15）（5-16）因此，在三相交流电路中，三相对称负载消耗的总有功功率为（5-17）在实际工作中，测量线电压和线电流比测量相电压和相电流方便。因此，三相交流电路的总有功功率常用线电压和线电流来表示。5.2.2三相负载的功率1．三相负载的有功功率（5-18）当三相对称负载采用星形连接时，，；当三相对称负载采用三角形连接时，，。因此，三相对称负载不管是采用星形连接还是采用三角形连接，其总有功功率均为5.2.2三相负载的功率2．三相负载的无功功率（5-19）在三相交流电路中，无论采用星形连接还是采用三角形连接，负载的总无功功率均等于各相负载的无功功率之和，则三相负载的无功功率计算表达式为式中：

——三相对称负载的总无功功率，单位为var；

——三相对称负载相电压与相电流之间的相位差。5.2.2三相负载的功率3．三相负载的视在功率（5-20）有功功率、无功功率和视在功率之间的关系为式中：

——三相对称负载的视在功率，单位为

。三相负载的视在功率计算表达式为（5-21）5.2.2三相负载的功率例5-4有一个三相对称负载，各相负载，。将其接在、的三相交流电上。当该三相对称负载采用星形连接时，试求：该三相负载的、、、、。解：三相负载的相电压为各相负载的阻抗为5.2.2三相负载的功率例5-4有一个三相对称负载，各相负载，。将其接在、的三相交流电上。当该三相对称负载采用星形连接