返回主目錄任務(wù)11三相正弦交流電的認(rèn)識(shí)測量掌握三相電源和三相負(fù)載的連接方式。掌握對(duì)稱三相正弦電路線電壓與相電壓、線電流與相電流的關(guān)系。掌握三相正弦穩(wěn)態(tài)電路功率的計(jì)算。知識(shí)要點(diǎn)一、三相交流電的產(chǎn)生1．三相交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)三相交流電源電壓一般是由三相交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的。三相交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖11-1所示，其結(jié)構(gòu)主要由電樞和磁極兩部分組成。電樞是固定部分，又稱定子，由定子鐵心和三相電樞繞組組成。三相定子繞組的幾何形狀、尺寸和匝數(shù)都相同，分別為AX、BY、CZ，其中A、B、C分別表示它們的首端，X、Y、Z表示末端，每組線圈稱為一相，要求各相的始端之間（或末端之間）都彼此間隔120°。磁極是發(fā)電機(jī)中的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，又稱轉(zhuǎn)子，由轉(zhuǎn)子鐵心和勵(lì)磁繞組組成，用直流電勵(lì)磁后產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的恒定磁場。通過選擇合適的極面形狀和勵(lì)磁繞組的布置，可使空氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度按正弦規(guī)律分布。當(dāng)轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，并以勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每相繞組依次切割轉(zhuǎn)子磁場，分別產(chǎn)生感應(yīng)電壓uA、uB、uC。由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，各繞組中的電壓必然頻率相同，幅值相等。由于出現(xiàn)幅值的時(shí)間彼此相差三分之一周期，故在相位上彼此相差120°。以A相電壓為參考，則可得出各相電壓的表達(dá)式分別為(11-1)用相量表示則為

(11-2)三相對(duì)稱電壓源電壓的波形圖和相量圖分別示于圖15-2（a）與圖15-2（b）中。圖11-1三相交流發(fā)電機(jī)的原理圖2.三相交流電的相序三相交流電源電壓到達(dá)同一數(shù)值（如正的幅值）的先后順序稱為相序。圖11-2所示電路的三相電壓源相序?yàn)锳-B-C，稱其為正相序或順序。若改變轉(zhuǎn)子磁極的旋轉(zhuǎn)方向或改變定子三相電樞繞組中任意兩者的相對(duì)空間位置，則其相序?qū)锳-C-B，稱其為負(fù)相序或逆序。一般不加說明均指正相序。若三相電壓的幅值相等、頻率相同，彼此間互差120°的三相電壓，稱為三相對(duì)稱電壓。顯然它們的瞬時(shí)值之和或相量和均為零。即

(11-3)2．三相電源的連接三相發(fā)電機(jī)有三個(gè)獨(dú)立的繞組，通常是將發(fā)電機(jī)的三相繞組接成星形（Y），有時(shí)也接成三角形（△）。（1）星形（Y）聯(lián)結(jié)把發(fā)電機(jī)三個(gè)對(duì)稱繞組的末端接在一起組成一個(gè)公共點(diǎn)N，為星形聯(lián)結(jié)，如圖11-3（a）所示。圖11-3電源的星形聯(lián)結(jié)及電壓相量圖星形聯(lián)結(jié)時(shí)，公共點(diǎn)稱為中性點(diǎn)，從中性點(diǎn)引出的導(dǎo)線稱為中性線，俗稱零線。當(dāng)中性點(diǎn)接地時(shí)，中性線又稱地線。從首端引出的三根導(dǎo)線稱為相線或端線，俗稱火線。相線與中性線之間的電壓稱為相電壓，分別為UA、UB、UC,任意兩相線之間的電壓稱為線電壓，分別UAB、UBC、UCA

。各電壓習(xí)慣上規(guī)定的參考方向如圖11-3（a）所示。當(dāng)三相電源電壓對(duì)稱時(shí)，選為參考相量，用UP表示相電壓的有效值，則三個(gè)對(duì)稱相電壓相量為所以線電壓同理可得和。即

(11-4)

各電壓若用相量圖表示則如圖11-3（b）所示。由此可見，當(dāng)相電壓對(duì)稱時(shí)，線電壓也是對(duì)稱的。線電壓的有效值UL恰是相電壓有效值UP的倍，即（11-5）并且這三個(gè)線電壓相量分別超前于相應(yīng)相電壓相量30°。（2）三角形（△）聯(lián)結(jié)將發(fā)電機(jī)繞組的一相末端與另一相繞組的首端依次相連接，就成為三角形聯(lián)結(jié)，如圖11-4所示。由圖11-4可見，電源線電壓就是相應(yīng)的相電壓，其相量形式為在三相電源電壓對(duì)稱時(shí)，UA+UB+UC

=0。這表明三角形回路中合成電壓等于零，即這個(gè)閉合回路中沒有電流。圖11-4電源的三角形連接上述結(jié)論是在正確判斷繞組首尾端的基礎(chǔ)上得出的，否則，合成電壓不等于零。接成三角形后會(huì)出現(xiàn)很大的環(huán)路電流。因此，在第一次實(shí)施三角形聯(lián)結(jié)時(shí)需正確判斷各繞組的極性。結(jié)論：在三角形連接時(shí)，線電壓與相電壓相等，即：UL＝UP一般交流發(fā)電機(jī)的三相繞組都接成星形，而不接成三角形。二、三相負(fù)載一些小功率的用電設(shè)備例如電燈、各種家用電器等，都使用單相電，稱為單相負(fù)載。工業(yè)生產(chǎn)上用的大型用電設(shè)備，一般都使用三相電，如三相交流電動(dòng)機(jī)等。三相用電設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有三部分，根據(jù)需要可接成星形（Y）或三角形（△），稱為三相負(fù)載。三廂負(fù)載接入電源時(shí)應(yīng)遵守兩個(gè)原則：一是加于負(fù)載的電壓必須等于負(fù)載的額定電壓，二是應(yīng)盡可能地使電源的各相負(fù)荷均勻、對(duì)稱，從而使三相電源供電趨于平衡。1．負(fù)載的星形聯(lián)結(jié)把三個(gè)負(fù)載ZA、ZB、ZC的一端聯(lián)在一起，接到三相電源的中性線上，三個(gè)負(fù)載的另一端分別接到電源的A、B、C三相上稱為負(fù)載的星形聯(lián)結(jié)（三相四線制），如圖15-5所示。當(dāng)忽略導(dǎo)線阻抗時(shí)，電源的相、線電壓就分別是負(fù)載的相、線電壓，并且負(fù)載中點(diǎn)電位是電源中點(diǎn)電位。圖11-5三相四線制供電電路負(fù)載的各相線電流稱為線電流，如圖15-5中、、，參考方向是從電源到負(fù)載。各相負(fù)載上的電流稱為相電流，其參考方向與各相電壓關(guān)聯(lián)。顯然星形接線時(shí)，線電流IL就是相電流IP，即IL=IP

（11-6）在圖11-5中，三個(gè)相線與一個(gè)中性線供電的三相四線制電路中，計(jì)算每相負(fù)載中電流的方法與單相電路時(shí)一樣。如果用相量法計(jì)算，則

（11-7）中線電流的參考方向?yàn)閺呢?fù)載到電源時(shí)有

（11-8）（1）三相對(duì)稱負(fù)載如果三相負(fù)載完全相同，即各相阻抗的模（值）相同，阻抗角（初相位）相等，這種三相負(fù)載稱為三相對(duì)稱負(fù)載。此時(shí)三個(gè)相電流相等，各相電壓與電流間的相位差也相同，即三個(gè)相電流之間的相位互差120°。因此，三相電流也是對(duì)稱的。其相量圖如圖11-6所示。顯然，此時(shí)中線電流IN為零。既然中性線沒有電流，它就不起作用，因此可以把中性線去掉。圖11-7所示的三相三線制電路就是如此。對(duì)于三相對(duì)稱電路，只要分析計(jì)算其中一相的電壓、電流就行了，其他兩相的電壓、電流可以根據(jù)其對(duì)稱性（三相對(duì)稱量大小相等相位差120°）直接寫出。不必重復(fù)計(jì)算。并且星形負(fù)載對(duì)稱時(shí)的線電壓與相電壓、線電流與相電流之間有下列一般關(guān)系式（11-9）圖11-6對(duì)稱負(fù)載相量圖圖11-7三相三線制電路（2）不對(duì)稱三相負(fù)載電路在實(shí)際的三相電路中，負(fù)載是不可能完全對(duì)稱的。對(duì)于星形聯(lián)結(jié)，只要有中性線，負(fù)載的相電壓總是對(duì)稱的。此時(shí)各相負(fù)載都能正常工作，只是這時(shí)各相電流不再對(duì)稱，中性線電流也不再為零。在計(jì)算各相電流及中性線電流時(shí)，一般用相量法計(jì)算最為簡便。對(duì)于負(fù)載不對(duì)稱而又無中性線的三相交流電路，如圖11-7所示。在負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，兩中性點(diǎn)N和N′之間就會(huì)出現(xiàn)電壓。由節(jié)點(diǎn)電壓法，取N為參考點(diǎn)，則有（11-10）解出后，用相量法即可求出各負(fù)載電壓及各支路電流。在三相四線制供電的不對(duì)稱電路中，為了保證負(fù)載的相電壓對(duì)稱，中性線不允許接入開關(guān)和熔斷器。以免中性線斷開造成各個(gè)負(fù)載電壓不對(duì)稱。

2．負(fù)載的三角形聯(lián)結(jié)將三相負(fù)載的兩端依次相接，并從三個(gè)連接點(diǎn)分別引線接至電源的三根相線上，這樣就構(gòu)成了三角形聯(lián)結(jié)的負(fù)載，如圖11-8所示。負(fù)載的相電壓就是線電壓，且與相應(yīng)的電源電壓相等，即

UL=UP（11-11）通常電源的線電壓總是對(duì)稱的，所以三角形聯(lián)結(jié)時(shí)，不論負(fù)載對(duì)稱與否，其電壓總是對(duì)稱的。如果按慣例規(guī)定各電壓、電流的參考方向，如圖11-8所示。則各相電流分別為（11-12）根據(jù)基爾霍夫電流定律，可得各線電流為（11-13）當(dāng)負(fù)載對(duì)稱時(shí)，由于電源電壓是對(duì)稱的，所以相電壓是對(duì)稱的。此時(shí)各電壓、電流的相量圖如圖11-9所示。根據(jù)電流相量的幾何關(guān)系可知，此時(shí)的線電流也是對(duì)稱的，且對(duì)稱三角形負(fù)載的線電流落后于相應(yīng)相電流30°，而線電流的有效值Il是相電流有效值IP的倍，即（11-14）當(dāng)三角形負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，各相電流將不對(duì)稱。而各線電流也將不對(duì)稱，其各相電流與各線電流就不再是倍的關(guān)系，要分別計(jì)算。實(shí)際上，負(fù)載如何連接，要根據(jù)電源電壓和負(fù)載額定電壓的情況而定，保證負(fù)載所加的電源電壓等于它的額定電壓。圖11-9三角形對(duì)稱負(fù)載相量圖二、相關(guān)知識(shí)當(dāng)電源電壓對(duì)稱、負(fù)載也對(duì)稱時(shí)，采用三相四線制或三相三線制（有無中性線）均可，線電壓Ul和相電壓UP、線電流Il和相電流IP之間有如下關(guān)系Ul=UP，Il=IP，IA+IB+IC=IN=0當(dāng)三相電源電壓對(duì)稱、三個(gè)負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，若采用三相四線制，仍有UL=UP，IL=IP，但I(xiàn)A+IB+IC=IN≠0，三相電流不對(duì)稱。若采用三相三線制，則負(fù)載上的UL≠UP，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)中性點(diǎn)位移現(xiàn)象。各相電壓的大小不相等，有的相電壓過高，將使負(fù)載過載；有的相電壓過低，可使負(fù)載無法正常工作。因此三相不對(duì)稱負(fù)載作星形連接時(shí)，必須牢固連接中線。三相電路實(shí)訓(xùn)燈箱如圖11-10所示。圖11-10三相電路燈箱在三相電路燈箱中，八個(gè)相同的燈泡共分成四組，每組為兩個(gè)燈泡串聯(lián)。A相負(fù)載為兩組燈泡，分別由SA和S′A控制通斷；B、C相負(fù)載各一組燈泡，分別由SB和SC控制通斷。A、B、C為相首，X、Y、Z為相尾，N為電源中點(diǎn)，N′為負(fù)載中點(diǎn)。IA、IB、IC為線電流的電流插孔。三、操作步驟1.實(shí)際觀察實(shí)地觀察校外的高壓輸電線路，觀看三相四線制輸電線路。實(shí)地參觀學(xué)校內(nèi)的配電所，請(qǐng)電工師傅介紹學(xué)校內(nèi)的配電情況。實(shí)際觀察學(xué)校內(nèi)的配電所接線，從高壓三相四線制的輸入線路，到低壓單相電和三相電的輸出線路。實(shí)地觀察實(shí)訓(xùn)室內(nèi)的三相四線制電源，在教師指導(dǎo)下，用萬用表實(shí)際測量線電壓與相電壓的數(shù)值。2．三相負(fù)載的星形（Y）聯(lián)結(jié)①按圖11-11接線，通電前使用萬用表檢測各相電阻，無誤后，合上電源開關(guān)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。合SA、SB、SC，測量對(duì)稱負(fù)載、有中性線和無中性線時(shí)的線電壓、線電流、相電壓、相電流及兩中性點(diǎn)間電壓（無中性線時(shí)）、中性線電流（有中性線時(shí)）的值，記入表11-1中。②合（A相多一組燈），測量不對(duì)稱負(fù)載在有中性線和無中性線兩種情況下的各電壓及電流值，記入表11-1中。③將A相負(fù)載全部斷開（A相開路），測量不對(duì)稱負(fù)載在有中性線和無中性線兩種情況下的各電壓及電流值，記入表11-1中，并觀察在有中性線和無中性線時(shí)對(duì)各燈泡亮度的影響。3．三相負(fù)載的三角形（Δ）聯(lián)結(jié)①按圖11-12接線，仔細(xì)檢查電路無誤后接通電源，分別測量負(fù)載對(duì)稱和不對(duì)稱兩種情況下的線電壓、