电工电子技术-4

４.１三相交流电的产生与连接电力输配电系统中使用的交流电源绝大多数是三相制系统.前面研究的单相交流电也是由三相系统的一相提供的.之所以采用三相系统供电,是因为在发电、输电以及电能转换为机械能等方面都具有明显的优越性.本节在介绍三相交流电产生的基础上,着重介绍三相负载的连接、分析与计算,并简介安全用电技术.需要说明的是,三相交流即三个单相的组合,学习时请着重注意相与相间的关系.１.三相交流电的产生三相交流电是由三相发电机产生的,图４-１便是一台三相交流发电机示意图.下一页返回４.１三相交流电的产生与连接令三相全同绕组A－X、B－Y、C－Z(首—末)对称分布在定子凹槽内,转子通入直流电励磁.图示磁极形状是为产生正弦磁场而设计的.当转子由原动机带动,以角速度ω旋转时,三个绕组依次切割旋转磁极的磁力线而产生幅值相等(绕组全同)、频率相同(以同一角速度切割)、只在相位上(时间上)相差１２０°的三相交变感应电动势.若以图４-１中A相(位于磁场为零的中性面上)为参考,规定其正方向为末端指向首端,则其波形如图４-２所示.不难证明:eA

＋eB

＋eC

＝０这样的三相电源称为三相对称电源.上一页下一页返回４.１三相交流电的产生与连接其某一参考值出现的先后顺序为A→B→C→A,叫作三相电源的相序.在图４-１中,若转子磁极逆时针旋转,则其相序为A→C→B.若以有效值相量表示,则为更易看出:其相量图如图４-３所示.上一页下一页返回４.１三相交流电的产生与连接２三相交流(发电机)绕组的连接三相交流(发电机)绕组的连接方式有两种:星形或三角形.一般常作星形连接,即三个末端X、Y、Z连在一起,三个首端A、B、C连同末端连接点N引出,如图４-４所示.这样连接的优点是:(１)可以提供两种电压;(２)各相绕组承压低;(３)空载时发电机无内耗.(三角形连接时的情况同学可以自析之.)上一页下一页返回４.１三相交流电的产生与连接图４-４中由星形点引出的导线称为中线,俗称零线;A、B、C端引出的导线称为相线,俗称火线.所谓两种电压,即每相绕组的端电压称为相电压,其有效值记作Up;任意两条相线间电压称为线电压,其有效值记作Ul.各电压的参考方向如图４-５所示,则由图可得:发电机内阻抗上压降与输出电压相比可以忽略不计,则相电压基本上等于电源的电动势,故其相量图可如图４-５所示.显然,三相电源的线电压也是对称的,其在相位上领先于相应的相电压３０°.且由其几何关系可得上一页下一页返回４.１三相交流电的产生与连接上述电源的供电线路称为三相四线制供电方式,我国的低压配电系统大都采用三相四线制.相电压为２２０V时,线电压为３８０V;线电压为２２０V时,相电压为１２７V.是常用的两种电压模式.上一页返回４.２负载的星形()连接三相负载的连接方式也有两种,即星形和三角形连接,依电源额定电压与负载需求,两种连接方式都为常用.本节先分析负载星形连接时的三相电路.负载星形连接的三相四线制电路如图４-６所示,三相负载分别为ZA

、ZB

、ZC,由于中线的存在,负载的相电压即为电源的相电压,且流过每相负载的电流亦即相线中电流,分别为下一页返回４.２负载的星形()连接根据KCL,中线电流为下面分负载对称与不对称两种情况进行讨论.１.负载对称时的连接所谓对称负载,即三相阻抗完全相同,亦即一般的三相电气设备,大都是(如三相电动机)对称负载.设以为参考相量,则上一页下一页返回４.２负载的星形()连接可见,三个相电流也对称.设φ＞０,相量图如图４-７所示.则中线电流:显然,此时中线完全可以省去,这样的三相电路称为三相对称电路.负载的中点N′与电源中点N等电位,电路的工作状态与有无中线无关.去掉中线的三相对称电路为三相三线制电路.２负载不对称时的连接三相负载不完全相同时,称为不对称负载.即此时中线不可省去.负载不对称而无中线的情况,属于故障现象.上一页返回４.３负载的三角形(△)连接负载作三角形连接的三相电路如图４-１１所示.电压与电流的参考方向如图中所标,可见,三相负载的电压即为电源的线电压,且无论负载对称与否,电压总是对称的,或者说而三个负载中电流(相电流)与三条相线中电流(线电流)间关系,根据KCL,得下一页返回４.３负载的三角形(△)连接从这个意义上讲,星形连接时,Ip

＝Il

与有无中线无关.１.负载对称时的△连接三相负载对称时,,则三个相电流:也是对称的,即相位互差１２０°.若以为参考,则其相量图如图４-１２所示.作出三个线电流也如图４１２所示,可见其也是对称的.显然,线电流比相应的相电流滞后３０°,且上一页下一页返回４.３负载的三角形(△)连接２.负载不对称时的△连接当负载对称时,只需计算一相电流,其他两相电流可以根据对称性直接写出,此时中线无电流,可省去中线;但当负载不对称时需要分别计算各线电流和中线电流.我们知道,一般的电器负荷大都有额定电压这一重要标志.决定采用何种连接方式的依据,即应使每相负载承受的电压等于其额定电压.如三相电动机铭牌上常有“/△、３８０V/２２０V”这样的标识,意即:连接时接３８０V线电压,△连接时接２２０V线电压.事实上每相负载均工作在２２０V相电压下.而“照明用电连,动力用电、△均可”的认识是毫无道理的.上一页返回４.４三相电路的功率１有功功率单相电路的有功功率P１＝UIcosφ＝UpIpcosφ,三相电路,无疑是三个单相的组合,故三相电路的有功功率为各相有功功率之和,即P３＝PA

＋PB

＋PC

＝UApIApcosφA

＋UBpIBpcosφB

＋UCpICpcosφC

当三相负载对称时,P３＝３P１＝３UpIpcosφ(４-１４)式中:φ是Up

与Ip

间的相位差,亦即负载的阻抗角.负载对称时,连接时的相电压与△连接时的相电流均难以测得,故三相负载铭牌上标的额定值一般均为线电压与线电流,也便于测量.无论是连接,还是△连接的对称负载,都有(同学可以自己验证),所以式(４-１３)常表作:下一页返回４.４三相电路的功率但需注意的是,这样表达并非负载接成或△时功率相等.可以证明,Ul一定时,同一负载接成时的功率P与接成△时的功率P△间的关系为(同学自证之)２.无功功率与视在功率与有功功率的研究方法类同,三相无功功率也有:负载不对称时,负载对称时,三相视在功率:上一页