《电工电子技术基础教学资料》第4章三相交流电路

1、电工电子技术基础,第4章 三相交流电路,某工厂的三相电路发生故障，工厂的电工学徒想了解三相电路基本的联结方式，并查出故障的来源。本章就来讲解学习关于三相交流电路的电源联结的方法，负载联结方法，以及三相功率的计算。最后再普及一下安全用电的基本知识。,学习目标： 1.了解三相电路的产生、优点，认识对称三相交流电源的联结方法，三相负载的联结方法； 2.掌握三相电路功率的计算； 3.熟悉三相负载的两种联结方法； 4.熟悉有功功率、无功功率、视在功率的计算； 5.了解安全用电的基本知识。,第4章 三相交流电路,第4章 三相交流电路,4.1 三相交流电源,4.1.1对称三相交流电动势的产生和特点,在工业生

2、产及日常生活中，三相交流电路被广泛应用。日常生活中应用的单相交流电，也是取自三相交流电的一相。三相交流电路应用原理是以单相交流电路为基础的。由三相交流电源供电的电路称为三相交流电路，三条电路的电动势频率相同、最大值（或有效值）相等、在相位上互差120，这三个电动势称为对称三相电动势。,如图4-1所示是三相交流发电机的最简示意图。三相交流电是由三相交流发电机产生的。在三相交流发电机中，有三个相同的绕组（即线圈），三个绕组的始端分别用U1、V1、W 1表示，末端分别用U2、V2、W2来表示。U1U2、V1V2、W 1W2三个绕组分别称为U相、V相、W相绕组。,第4章 三相交流电路,4.1 三相交流

3、电源,由于发电机结构的原因，这三相绕组产生的三相电动势幅值相等，频率相同，相位互差120。这样的三相电动势称为对称的三相电动势，如图4-2所示。,对称三相电动势瞬时值的数学表达式为,第4章 三相交流电路,4.1 三相交流电源,对称三相电动势的波形图与相量图如图4-3所示。,第4章 三相交流电路,4.1 三相交流电源,显然有,相序是三相电动势达到最大值的先后次序。如上述的三相电动势依次滞后120，其相序为UVW。相序是一个十分重要的概念，为使电力系统能够安全可靠地运行，通常统一规定技术标准，一般在配电盘上用黄色标出U相，用绿色标出V相，用红色标出W相。,第4章 三相交流电路,4.1 三相交流电源

4、,4.1.2 三相交流电源的联结,1.三相电源的星形(Y形)联结,把电源的三相绕组的末端U2、V2、W2连接到一点N，而把始端U1、V1、W1作为与外电路相连接的端点。这种连接方式称为电源的星形联结，如图4-4所示。N点称为中点或零点，从中点引出的导线称为中线或零线，有时中线接地又称为地线。从始端（U1、V1、W1）引出的三根导线称为相线，俗称火线，常用U、V、W表示。,由三条相线和一条中线构成的供电系统称为三相四线制供电系统。通常低压供电网均采用三相四线制。三相四线制供电系统可输送两种电压：一种是相线与中线之间的电压，称为相电压，相电压的有效值用UU、UV、UW表示；另一种是相线与相线之间的

5、电压，称为线电压，线电压的有效值用UUV、UVW、UWU表示。,第4章 三相交流电路,4.1 三相交流电源,通常规定各相电动势的参考方向为从绕组的末端指向始端，相电压的参考方向为从始端指向末端（从相线指向中线）；线电压的参考方向，例如UUV，则是从U端指向V端。由图4-5可知各线电压和相电压之间的相量关系为,它们的相量图如图所示。由于三相电动势是对称的，故相电压也是对称的。作相量图时，可先作出U、V、W，然后根据相关公式分别作出UUV、UVW、UWU。由相量图可知，线电压也是对称的，在相位上比相应的相电压超前30。,一般线电压的有效值用UL表示，相电压的有效值用UP表示，由相量图可知它们的关系

6、为,第4章 三相交流电路,4.1 三相交流电源,4.1.3 对称三相交流电源的三角形联结,将发电机三相绕组始末端依次连接，构成闭合电路，并将三个连接点作为三相电源输出点，向外引出三根相线，这种接法称为三角形联结（或称形联结），如图4-6所示。,当发电机绕组接成三角形时，由于每相绕组直接跨接在两相线之间，所以线电压等于相电压，即,这种供电系统与星形联结相比，只有一种电压输出。由于发电机三相绕组对称，每相电压数值相等，相位差为120，所以任意两相电压的相量和与第三相电压大小相等、方向相反。相量图如图4-7所示。,第4章 三相交流电路,4.1 三相交流电源,若对称相电流的有效值用IL表示，对称线电流

7、的有效值用IP表示，由相量图可得,总之，当三相电流对称时，线电流的有效值是相电流有效值的3倍，线电流滞后对应的相电流30，即,第4章 三相交流电路,4.1 三相交流电源,第4章 三相交流电路,4.2 三相负载的联结,当三相电源确定后，三相负载需要经过一定的方式连接于三相电源上。三相负载的连接方式根据负载的额定电压和负载的性质来确定。三相负载也有星形(Y)联结和三角形()联结两种形式，下面分别来进行讨论。,第4章 三相交流电路,4.2 三相负载的联结,4.2.1 三相负载的星形联结,三相负载的星形联结是指每相负载的一端分别接三相交流电源的相线，另一端接在一起或接在中线上的连接方法。,三相负载的星

8、形联结的接线原则与电源的星形联结相似，即将每相负载末端连成一点N（中性点N），首端、V、W分别接到电源线上，如图4-8所示为三相负载的星形联结。,第4章 三相交流电路,4.2 三相负载的联结,中性线电流对应的相量式为,如图4-8所示是只有三根相线而没有中性线的电路，即三相三线制；而接线方式除了三根相线外，在中性点还接有中性线，这样的接法即为三相四线制，如图4-9所示，三相四线制除可供电给三相负载外，还可供电给单相负载，故凡有照明、单相电动机、电扇、各种家用电器的场合，也就是说一般低压用电场所，大多采用三相四线制。,第4章 三相交流电路,4.2 三相负载的联结,三相负载的线电压就是电源的线电压，

9、也就是两根相线之间的电压；每相负载两端的电压称作负载的相电压，在忽略输电线上的电压降时，负载的相电压就等于电源的相电压，因此,流过每根相线上的电流叫线电流；流过每相负载的电流叫相电流；流过中线的电流叫中线电流。对于三相电路中的每一相而言，可以看成一个单相电路，所以各相电流与电压间的相位关系及数量关系都可用讨论单相电路的方法来讨论。,若三相负载对称，则在三相对称电压的作用下，流过三相对称负载中每相负载的电流有效值应相等，即,每相电流间的相位差仍为120，由KCL可知，中线电流为零。,第4章 三相交流电路,4.2 三相负载的联结,三相四线制接线方式的特点如下。,（1）相电流等于线电流，即 （2）加

10、在负载上的相电压和线电压之间的关系为 （3）流过中性线N的电流IN为 ,第4章 三相交流电路,4.2 三相负载的联结,当三相电路中的负载完全对称时，在任意一个瞬间，三个相电流中，总有一相电流与其余两相电流之和大小相等，方向相反，正好互相抵消。所以，流过中性线的电流等于零。在三相对称电路中，当负载采用星形联结时，因为流过中性线的电流为零，所以三相四线制就可以变成三相三线制供电。如三相异步电动机及三相电炉等负载，当采用星形联结时，电源对该类负载就不需接中性线。通常在高压输电时，由于三相负载都是对称的三相变压器，所以都采用三相三线制供电。,第4章 三相交流电路,4.2 三相负载的联结,第4章 三相交

11、流电路,4.2 三相负载的联结,4.2.2 三相负载的三角形联结,如图4-11所示，将三相负载分别接在三相电源的每两根相线之间的接法，称为三相负载的三角形联结。由于三角形联结的各相负载是接在两根相线之间，因此负载的相电压就是线电压。,假设三相电源及负载均对称，则三相电流大小均相等，为,第4章 三相交流电路,4.2 三相负载的联结,三个相电流在相位上互差120，如图4-12所示是三相对称负载作三角形联结时的相量图，并假定电压超前电流一个角度。,由图4-12通过几何关系不难证明,即当三相对称负载采用三角形联结时，线电流等于相电流的 3 倍。从相量图中还可看到线电流和相电流不同相，线电流滞后相应的相

12、电流一个30相位角。因此三相对称负载三角形联结时的电流、电压关系为,第4章 三相交流电路,4.2 三相负载的联结,第4章 三相交流电路,4.3 三相功率的计算,4.3.1 有功功率,在三相电路中，负载无论采用何种连接方式，总的有功功率等于各相有功功率之和，总的无功功率等于各相无功功率之和。,根据功率平衡条件，在三相电路中的负载无论是星形还是三角形联结，负载消耗的总有功功率之和为,式中，UU、UV、UW为各相相电压的有效值；IU、IV、IW为各相相电流的有效值；U、V、W为各相相电压和相电流的相位差，即各负载的阻抗角。,第4章 三相交流电路,4.3 三相功率的计算,若三相负载对称，各相消耗的有功

13、功率相等，则三相有功功率为一项有功功率的三倍，即,式中，为相电压UP和相电流IP之间的相位差；cos是功率因数。,第4章 三相交流电路,4.3 三相功率的计算,由于线电压和线电流容易测量，因此计算对称负载的三相有功功率时，常用P=3ULILcos进行计算。对该公式要注意以下三点。,（1）仍然为相电压UP和相电流IP之间的相位差，即功率因数角。 （2）该公式对于对称负载的星形联结和三角形联结均适用，但是同一负载在同一电源下连接时，所计算的有功功率值是不同的。 （3）只有当电路的参数是常数时，有功功率P才是常数,第4章 三相交流电路,4.3 三相功率的计算,4.3.2 无功功率,三相电路的无功功率

14、为,由于每相负载可能是感性，也可能是容性，即每相的无功功率可正可负，所以无功功率为各项无功功率的代数和。在对称三相电路中，无论是星形联结还是三角形联结，总无功功率为,第4章 三相交流电路,4.3 三相功率的计算,3.3 视在功率,三相电路的总视在功率一般不等于各相视在功率之和，通常用下列各式计算：,第4章 三相交流电路,4.3 三相功率的计算,第4章 三相交流电路,4.3 三相功率的计算,第4章 三相交流电路,4.3 三相功率的计算,第4章 三相交流电路,4.3 三相功率的计算,第4章 三相交流电路,4.3 三相功率的计算,计算表明，在电源电压不变时，同一负载由星形改接为三角形联结时，功率增加

15、到原来的三倍。这就告诉我们，若要负载正常工作，则负载的接法必须是正确的。若正常工作是星形联结的负载，误接成三角形时，将因功率过大而烧毁；若正常工作是三角形联结的负载，误接成星形时，则会因功率过小而不能正常工作。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,4.4.1 概述,随着电能应用的不断拓展，以电能为工作能源的各种电气设备广泛进入企业生产和家庭生活中，与此同时，电气设备所带来的安全事故也不断发生。为了实现电气安全，在对电网本身的安全进行保护的同时，更要重视用电的安全问题。因此，学习安全用电基本知识，掌握常规触电防护技术，是保证用电安全的有效途径。,电气危害有两个方面：一方面是对系统自身的危害，

16、如短路、过电压等；另一方面是对用电设备、环境和人员的危害，如触电、电气火灾、电压异常升高造成用电设备损坏等，其中尤以触电和电气火灾危害最为严重。触电可直接导致人员伤残、死亡。另外，静电产生的危害也不能忽视，它是电气火灾的原因之一，对电子设备的危害也很大。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,4.4.2 电击触电及如何防止触电,1.触电的危害,触电是指人体触及带电体后，电流对人体造成的伤害。它有两种类型，即电伤和电击。,电伤是指电流的热效应、化学效应、机械效应及电流本身作用造成的人体伤害。电伤会在人体皮肤表面留下明显的伤痕，常见的有灼伤、电烙伤和皮肤金属化等现象。,电击是指电流通过人体内部，

17、破坏人体内部组织，影响呼吸系统、心脏及神经系统的正常功能，甚至危及生命。在触电事故中，电击和电伤常会同时发生。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,2.影响触电危险程度的因素,（1）电流大小。,通过人体的电流越大，人体的生理反应就越明显，引起心室颤动所需的时间就越短，致人死亡的可能性就越大。按照通过人体电流的大小和人体所呈现的不同状态，工频交流电大致分为下列3种：,感觉电流。指引起人的感觉的最小电流（13 mA）。 摆脱电流。指人体触电后能自主摆脱的最大电流（10 mA）。 致命电流。指在较短的时间内就可危及生命的最小电流（30 mA）。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,（2）电流

18、的类型。,工频交流电的危害性大于直流电，因为交流电主要是麻痹破坏神经系统，触电者往往难以自主摆脱。一般认为4060 Hz的交流电对人最危险。随着频率的增加，危险性将降低。当电流频率大于2 000 Hz时，所产生的损害明显减小，但高压高频电流对人体仍然是十分危险的。,（3）电流的作用时间。,人体触电，通过电流的时间越长，越易造成心室颤动，生命危险就越大。据统计，触电15 min内急救，90有良好的效果，10 min内有60救活机率，超过15 min则希望甚微。,触电保护器的一个主要指标就是额定断开时间与电流乘积小于30 mAs。实际产品一般额定动作电流30 mA，动作时间01 s，故乘积小于30

19、 mAs，可有效防止触电事故。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,（4）电流路径。,（5）人体电阻。,电流通过头部可使人昏迷；通过脊髓可能导致瘫痪；通过心脏会造成心跳停止，血液循环中断；通过呼吸系统会造成窒息。因此，从左手到胸部是最危险的电流路径；从手到手、从手到脚也是很危险的电流路径；从脚到脚是危险性较小的电流路径。,人体电阻值变化范围很大，皮肤干燥时一般为100 k左右，而一旦潮湿可降到1 k。,人体不同，对电流的敏感程度也不一样，一般地说，儿童较成年人敏感，女性较男性敏感。患有心脏病者，触电后死亡的可能性就更大。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,（6）安全电压。,安全电压是

20、指人体不戴任何防护设备时，触及带电体不受电击或电伤的电压。人体触电的本质是电流通过人体产生了有害效应，触电的形式通常都是人体的两部分同时触及了带电体，而且这两个带电体之间存在着电位差。因此在电击防护措施中，要将流过人体的电流限制在无危险范围内，也即将人体能触及的电压限制在安全的范围内。国家标准制定了安全电压系列，称为安全电压等级或额定值，这些额定值指的是交流有效值，分别为：42 V、36 V、24 V、12 V、6 V等几种。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,3.常见的触电原因,人体触电类型主要有两种：直接或间接接触带电体以及跨步电压。直接接触又可分为单极触电和双极触电。,（1）单极触

21、电。,当人站在地面上或其他接地体上，人体的某一部位触及一相带电体时，电流通过人体流入大地（或中性线），称为单极（相）触电，如图4-15所示。如图4-15a所示为电源中性点接地运行方式时，单相的触电电流途径。如图4-15b所示为中性点不接地的单相触电情况。因为图a中人体处于相电压下，触电回路中的电阻基本上只是人体电阻，而图b触电回路中的总电阻是人体电阻与负载电阻的串联。所以图4-15a图中流经人体的触电电流要大于图4-15b图。,在一般情况下，中性点接地电网的单极触电比不接地电网的危险性大得多。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,（2）双极触电。,双

22、极触电是指人体两处同时触及同一电源的两相带电体，以及在高压系统中，人体距离高压带电体小于规定的安全距离，造成电弧放电时，电流从一相导体流入另一相导体的触电方式，如图4-16所示。,两相触电加在人体上的电压为线电压，因此不论电网的中性点接地与否，其触电的危险性都最大。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,4.4.3 保护接地和保护接零,1. 接地和接零保护,为了人身安全和电力系统的工作需要，要求电气设备采用接地措施。按接地目的的不同，主要分为工作接地、保护接地、保护接零和重复接地等不同的安全措施。各接地方式如图4-17所示。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,（1）保护接地。,按功能分

23、，接地可分为工作接地和保护接地。工作接地是指电气设备（如变压器中性点）为保证其正常工作而进行的接地；保护接地是指为保证人身安全，防止人体接触设备外露部分而触电的一种接地形式。在中性点不接地系统中，设备外露部分（金属外壳或金属构架）必须与大地进行可靠电气连接，即保护接地。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,接地装置由接地体和接地线组成，埋入地下直接与大地接触的金属导体，称为接地体，连接接地体和电气设备接地螺栓的金属导体称为接地线。接地体的对地电阻和接地线电阻的总和，称为接地装置的接地电阻Rb，人体电阻设为Rr。图4-18a中无接地保护措施，人体一旦接触到漏电负载，将成为电流Id的导体，发生

24、危险。而图4-18（b）有接地措施，当人体接触到漏电负载时，人体电阻Rr大于接地电阻Rb许多，电流Id几乎不经过人体，保证了人身安全。,保护接地常用在IT低压配电系统和TT低压配电系统的形式中。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,（2）保护接零。,保护接零是指在电源中性点接地的系统中，将设备需要接地的外露部分与电源中性线直接连接，相当于设备外露部分与大地进行了电气连接，使保护设备能迅速动作断开故障设备，减少了人体触电危险。保护接零适用于TN低压配电系统形式。,保护接零的工作原理：当设备正常工作时，外露部分不带电，人体触及外壳相当于触及零线，无危险，如图4-19所示。,第4章 三相交流电路

25、,4.4 安全用电,（3）重复接地。,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。,从图4-20a中可以看出，一旦中性线断线，不对称三相电路的零线N中往往有电流，则零线对地电压不为零，距离电源越远，电压越高，当设备外露部分带电，人体触及同样会有触电的可能。而在重复接地的系统中，如图4-20b所示，即使出现中性线断线，但外露部分因重复接地而使其对地电压近似为零，对人体的危害也大大下降。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,为了保证安全用电，电力系统的零线必须连接牢固，开关和熔断器不允许

26、装在零线上。但是引入住宅和办公场所的一根相线和一根零线上一般都装有双刀开关，并都装有熔断器以增加短路时熔断的机会。,以上分析的电击防护措施是从降低接触电压方面进行考虑的。但实际上这些措施往往还不够完善，需要采用其他保护措施作为补充。例如，采用漏电保护器、过电流保护器等措施。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,2. 用电安全技术简介,低压配电系统是电力系统的末端，分布广泛，几乎遍及建筑的每一角落，平常使用最多的是380V/220V的低压配电系统。从安全用电等方面考虑，低压配电系统有3种接地形式：IT系统、TT系统、TN系统。TN系统又分为TN-S系统、TN-C系统、TN-C-S系统3种形式

27、。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,（1） IT系统。,IT系统就是电源中性点不接地、用电设备外壳直接接地的系统，如图4-21所示。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,（2）TT系统。,TT系统就是电源中性点直接接地、用电设备外壳也直接接地的系统，如图4-22所示。通常将电源中性点的接地称为工作接地，而设备外壳接地称为保护接地。TT系统中，这两种接地形式必须是相互独立的（指导线N与PE不连接）。设备外壳接地可以是每一设备都有各自独立的接地装置，也可以若干设备共用一个接地装置，图4-22中单相设备和单相插座就是共用接地装置的。,第4章 三相交流电路,4.4 安全用电,（3）TN系统。,TN系统即电源中性点直接接地、设备外壳等可导电部分与电源中性点有直接电气连接的系统，它有3种形式，分述如下。,TN-S系统（见图4-23）。图中中性线N与TT系统相同，在电源中性点工作接地，而用电设备外壳等可导电部分通过专门设置的保护线PE连接到电源中性点上。在