《電工基礎(chǔ)》教材-模塊四三相交流電路

模塊四三相交流電路電能的生產(chǎn)、輸送和分配幾乎全部采用三相制，日常照明用的單相交流電也是三相交流電中的一相。本模塊以兩個(gè)單元為引領(lǐng)主要探討研究了三相交流電的基礎(chǔ)知識(shí)及三相電源的連接；三相負(fù)載的對(duì)稱連接和不對(duì)稱連接以及三相電功率的計(jì)算方法，介紹中性線的的概念，并通過三相照明電路的安裝與調(diào)試加深理解和認(rèn)識(shí)。單元一【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.了解三相正弦交流電的產(chǎn)生原理2.理解三相對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)3.掌握三相電源的連接方式及特點(diǎn)【能力目標(biāo)】1.學(xué)會(huì)分析三相電源之間的關(guān)系知識(shí)探究知識(shí)探究一、三相交流電路的基本知識(shí)（一）三相交流電的特點(diǎn)（1）三相交流發(fā)電機(jī)比同樣體積的單相交流發(fā)電機(jī)輸出的功率大，使用維護(hù)方便，振動(dòng)小。（2）在輸送功率、電壓相同和輸電距離、線路損失相等的情況下，采用三相制輸電比單相輸電所用的導(dǎo)線的用量可以節(jié)約25％。（3）能方便地獲得三組單相交流電，滿足單相、三相用電器的使用需要。（二）三相交流電的產(chǎn)生三相正弦交流電源是由三相交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的，也可以由三相變壓器繞組提供。圖4-1（a）所示為最簡(jiǎn)單的三相交流發(fā)電機(jī)的示意圖。同單相交流發(fā)電機(jī)一樣，三相交流發(fā)電機(jī)的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電樞表面上呈正弦規(guī)律分布，在轉(zhuǎn)子上裝有三個(gè)互相獨(dú)立的繞組，它們的材料、尺寸和幾何形狀均相同，但是空間的位置互差120°，三個(gè)繞組的首端分別用U1、V1、W1表示；末端分別用U2、V2、W2表示。當(dāng)三相交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)繞組均切割磁感線，分別產(chǎn)生正弦交變電動(dòng)勢(shì)eU、eV、eW,如圖4-1（b）所示。三個(gè)電動(dòng)勢(shì)最大值相等、頻率相同、相位互差120o，稱為三相對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)。由三相對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)組成的電源，稱為三相交流電源。原理示意圖（b）產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)圖4-1三個(gè)電動(dòng)勢(shì)依次到達(dá)最大值的順序稱為相序，通常規(guī)定正相序(順相序)為U-V-W-U，此時(shí)選用U相電動(dòng)勢(shì)eU為參考電動(dòng)勢(shì)，則V相的電動(dòng)勢(shì)eV比滯后120o，W相的電動(dòng)勢(shì)eW比eV滯后120o。相序U-W-V-U與正序相反，稱為負(fù)相序（逆相序），如無(wú)特別說明，一般三相對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)都是指正相序。在實(shí)際工作中，通常采用黃、綠、紅三種顏色標(biāo)識(shí)U、V、W三相。（三）三相對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)的表示法三相對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)可以用三角函數(shù)式表示為三相對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值eU、eV、eW的波形圖和矢量圖如圖4-2所示。圖4-2三相對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)二、三相電源的連接三相發(fā)電機(jī)的三個(gè)繞組不是獨(dú)立的向外送電，而是按照一定的連接方式組成一個(gè)整體相負(fù)載供電。三相電源由兩種供電方式，三相四線制（Y形）和三相三線制（Δ形）。三相四線制供電（Y形）三相四線制供電（Y形）連接方式是把三相繞組的末端U2、V2、W2連接在一起，形成一個(gè)公共點(diǎn)N，此點(diǎn)成為中性點(diǎn)。由中性點(diǎn)外引出連接線稱為中性線（俗稱零線）；由繞組首端U1、V1、W1分別向外引出連接線稱為端線或相線（俗稱火線），如圖4-3所示。圖4-3三相四線制供電方式（Y形）相電壓：各相線與中性線之間的電壓，分別用、、來表示，相電壓的參考方向規(guī)定為由相線指向中性線。線電壓：任意兩根相線之間的電壓，分別用、、來表示，線電壓的參考方向由注腳字母的先后次序來決定，例如的電壓方向?yàn)閁端指向V端，書寫時(shí)不能任意顛倒，否則在相位上相差180°。三相四線制相電壓和線電壓的矢量圖如圖4-4所示。圖4-4三相四線制相電壓和線電壓的矢量圖在電工技術(shù)上，通常用UP表示相電壓的有效值，用UL表示線電壓的有效值。三相四線制供電系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①有兩組供電電壓，即相電壓和線電壓；②三個(gè)相電壓和三個(gè)線電壓均為對(duì)稱電壓；③線電壓的大小等于相電壓的倍，記為；④各線電壓在相位上比對(duì)應(yīng)的相電壓超前30o。在日常使用的三相四線制低壓供電系統(tǒng)中，相電壓為220V，線電壓為380V。三相三線制供電（Δ形）三相供電也可以采用三相三線制供電方式（Δ形），即把三個(gè)繞組的首端和末端依次相接，使其構(gòu)成閉合回路，再?gòu)倪@三個(gè)連接點(diǎn)引出三根相（端）線，如圖4-5所示。圖4-5三相三線制供電方式（Δ形）當(dāng)采用三相三線制供電方式（Δ形）時(shí)，只能提供一種電壓，線電壓等于相電壓，回路中的總電動(dòng)勢(shì)為零，因此接線正確時(shí)，三相繞組回路中不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，電流也為零。若是把其中的某一相接反，則此時(shí)三個(gè)電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和不為零，在三相繞組中便會(huì)產(chǎn)生很大環(huán)流，將可能燒毀發(fā)電機(jī)。因此，三相發(fā)電機(jī)繞組一般不作三相三線制供電方式（Δ形）連接。三相四線制供電（Y形）的應(yīng)用場(chǎng)合：通常在低壓配電系統(tǒng)中采用；三相三線制供電方式（Δ形）應(yīng)用場(chǎng)合：通常在高壓輸電工程中采用。三相電源的Y形聯(lián)結(jié)中，當(dāng)三相負(fù)載對(duì)稱時(shí)，中線可省略，三相四線變?yōu)槿嗳€。三相四線制供電系統(tǒng)中，若一相繞組接反則輸出的三個(gè)線電壓不對(duì)稱，與接反一相有關(guān)的兩個(gè)線電壓的大小將等于相電壓，所以要確定星形連接的三相電源是否相反，可用電壓表測(cè)出三個(gè)線電壓是否相等；若相等，說明沒有接反；若其中一個(gè)等于另外兩個(gè)線電壓的eq\r(3)倍，則與較小兩相均有關(guān)的一相接反。三相電源的△形聯(lián)結(jié)，若其中某一相接反，回路中的總電動(dòng)勢(shì)等于2倍的相電壓，在三相繞組中會(huì)產(chǎn)生很大電流，燒毀發(fā)電機(jī)，因此三相發(fā)電機(jī)通常不作△形聯(lián)結(jié)。確定三角形連接的三相電源是否接反，可以利用開口三角形測(cè)電壓的方法來確定，即將三角形連接的三相電源的一個(gè)連接斷開，接入電壓表，看電壓表是否為0，為0說明連接正確，電壓較大說明一相繞組接反。注意：不能用測(cè)量回路電流的方法來判斷，以防在測(cè)量時(shí)因電流過大損壞儀表或繞組。單元測(cè)評(píng)單元測(cè)評(píng)對(duì)三相對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)的說法正確的是哪幾個(gè)？（1）因?yàn)閷?duì)稱，所以三個(gè)電動(dòng)勢(shì)同時(shí)到達(dá)最大值（2）它們到達(dá)最大值的時(shí)間依次落后eq\f(1,3)周期（3）它們的周期相同，有效值也相同（4）它們因?yàn)榭臻g位置不同，所以最大值不同星形連接的三相電源，已知A相電壓為uA＝220eq\r(2)sin(ωt＋0°)V，請(qǐng)寫出線電壓uBC的表達(dá)式。3．已知某三相交流發(fā)電機(jī)各相繞組的電壓為220V，如題圖4-1所示，請(qǐng)問此時(shí)電壓表的讀數(shù)是多少？題圖4-14.有一臺(tái)三相發(fā)電機(jī)，繞組接成星形，每相繞組電壓為220V，在實(shí)驗(yàn)時(shí)用電壓表測(cè)得各相電壓均為220V，但線電壓UVW＝380V，UUV＝220V，UWU＝220V，試說明原因。

單元二三相負(fù)載的連接及簡(jiǎn)單計(jì)算【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.了解三相負(fù)載的連接方式2.理解中性線的作用【能力目標(biāo)】1.學(xué)會(huì)三相電功率的計(jì)算方法2.能夠簡(jiǎn)單安裝與調(diào)試三相照明電路知識(shí)探究知識(shí)探究由三相電源供電的負(fù)載叫三相負(fù)載。三相負(fù)載可以是一個(gè)整體，如三相電動(dòng)機(jī)；也可以是獨(dú)立的三個(gè)單相負(fù)載，如日常生活中的照明電路。三相電路中的三相負(fù)載，可分為對(duì)稱三相負(fù)載和不對(duì)稱三相負(fù)載。各相負(fù)載的大小和性質(zhì)完全相同的叫對(duì)稱三相負(fù)載，即，。如三相電動(dòng)機(jī)、三相變壓器、三相電爐等。各相負(fù)載不等的就叫不對(duì)稱三相負(fù)載，例如家用電器和電燈，這類負(fù)載通常是按照盡量平均分配的方式接入三相交流電源中。三相負(fù)載也有兩種連接方式，即星形（Y形）和三角形（△形）聯(lián)結(jié)方式。一、三相負(fù)載的連接（一）三相負(fù)載的星形聯(lián)結(jié)圖4-6三相負(fù)載的星形聯(lián)結(jié)把各相負(fù)載的末端U2、V2、W2連在一起接到三相電源的中性線上；把各相負(fù)載的首端U1、Vl、W1分別接到三相交流電源的三根相線上，這種連接的方法叫做三相負(fù)載的星形聯(lián)結(jié)。如圖4-6所示為三相負(fù)載星形聯(lián)結(jié)的原理圖和實(shí)際電路圖。當(dāng)輸電線的電阻被忽略時(shí)，負(fù)載的相電壓等于電源相電壓電源的線電壓與負(fù)載的相電壓關(guān)系為在三相交流電路中，負(fù)載作星形聯(lián)結(jié)，流過每一相負(fù)載的電流稱為相電流，分別用、、表示，一般用來表示。流過每根相線的電流稱為線電流，分別用、、來表示，一般用表示。當(dāng)負(fù)載作星形聯(lián)結(jié)具有中性線時(shí)，三相交流電路的每一相，就是一個(gè)單相交流電路，各相電壓與電流間數(shù)量及相位關(guān)系可應(yīng)用前面學(xué)習(xí)的單相交流電路的方法處理。如下圖所示，由于每相的負(fù)載都串在相線上，相線和負(fù)載通過的是同一個(gè)電流，所以各線電流等于各相電流，即＝，＝，＝。一般寫成＝除此之外，我們還要考慮流過中性線的電流，由基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流定律可以求出中性線電流。一般采用矢量法來分析。中性線電流為線電流（或相電流）的矢量和對(duì)于三相對(duì)稱負(fù)載，在對(duì)稱三相電源作用下，三相對(duì)稱負(fù)載的中性線電流等于零，如圖4-7(a)所示。即由于電流是瞬時(shí)值，三相電流瞬時(shí)值的代數(shù)和也為零，即。因此對(duì)稱負(fù)載下中性線便可以省去不用，電路變成如圖4-7（b）所示的三相三線制傳輸。如在發(fā)電廠與變電站、變電站與三相電動(dòng)機(jī)等之間，由于負(fù)載對(duì)稱，便采用三相三線制傳輸。三相對(duì)稱負(fù)載相電流矢量圖（b）三相對(duì)稱負(fù)載的三相三相制圖4-7若負(fù)載不對(duì)稱，則中性線電流不為零，其中性線電流為或三相負(fù)載在很多情況下是不對(duì)稱的，最常見的照明電路就是不對(duì)稱負(fù)載星形聯(lián)結(jié)的三相電路。下面，我們根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)來分析三相四線制中性線的重要作用。如圖4-8所示，把額定電壓為220V，功率分別為l00W、60W和40W的三盞白熾燈作星形聯(lián)結(jié)，然后接到三相四線制的電源上。為了便于說明問題，設(shè)在中性線上裝有開關(guān)SN，如圖4-8(a)所示。當(dāng)SN合上時(shí)每個(gè)燈泡都能正常發(fā)光。當(dāng)斷開SU、Sv和Sw中任意一個(gè)或兩個(gè)開關(guān)時(shí)，處在通路狀態(tài)下的燈泡兩端的電壓仍然是相電壓，燈仍然正常發(fā)光。上述情況是相電壓不變，而各相電流的數(shù)值不同，中性線電流不等于零。如果斷開開關(guān)Sw，再斷開中性線開關(guān)SN，如圖4-8(b)所示。中性線斷開后，電路變成不對(duì)稱星形負(fù)載無(wú)中性線電路，40W的燈反而比l00W的燈亮得多。其原因是，沒有中性線，兩個(gè)燈(40W和l00W燈泡)串聯(lián)起來以后接到兩根相線上，即加在兩個(gè)串聯(lián)燈兩端的電壓是線電壓(380V)。又由于l00W的燈的電阻比40W的燈的電阻小，由串聯(lián)分壓可知它兩端的電壓也就小。因此，l00W的燈反而較暗，40W的燈兩端的電壓大于220V，會(huì)發(fā)出更強(qiáng)的光,還可能將燈燒毀。圖4-8三相不對(duì)稱負(fù)載可見，對(duì)于不對(duì)稱星形負(fù)載的三相電路，必須采用帶中性線的三相四線制供電。若無(wú)中性線，可能使某一相電壓過低,該相用電設(shè)備不能工作；某一相電壓過高,燒毀該相用電設(shè)備。因此，中性線對(duì)于電路的正常工作及安全是非常重要的，它可以保證負(fù)載電壓的對(duì)稱，防止發(fā)生事故。通過這個(gè)實(shí)例可以發(fā)現(xiàn)，中性線的作用就是使不對(duì)稱的負(fù)載獲得對(duì)稱的相電壓，使各用電器都能正常工作，而且互不影響。在三相四線制供電線路中，規(guī)定中性線上不允許安裝熔斷器、開關(guān)等裝置。為了增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，有的還加有鋼芯；另外通常還要把中性線接地，使它與大地電位相同，以保障安全。結(jié)論：負(fù)載作星形聯(lián)結(jié)時(shí)：（1）電源線電壓是負(fù)載兩端相電壓的eq\r(3)倍，即；（2）每一相相線的線電流等于流過負(fù)載的相電流，即＝；（3）對(duì)于對(duì)稱負(fù)載可去掉中性線變?yōu)槿嗳€制傳輸；（4）對(duì)于不對(duì)稱負(fù)載則必須加中性線，采用三相四線制傳輸。（二）三相負(fù)載的三角形聯(lián)結(jié)把三相負(fù)載分別接到三相交流電源的每?jī)筛嗑€之間，負(fù)載的這種連接方法叫做三角形聯(lián)結(jié)。如4-9圖(a)所示為負(fù)載作三角形聯(lián)結(jié)的原理圖，圖4-9(b)所示的是三相負(fù)載三角形聯(lián)結(jié)的實(shí)際電路圖。圖4-9三相負(fù)載的三角形聯(lián)結(jié)三角形聯(lián)結(jié)中的各相負(fù)載全都接在了兩根相線之間，因此負(fù)載兩端的電壓，即負(fù)載的相電壓等于電源的線電壓，則由于三相電源是對(duì)稱的，無(wú)論負(fù)載是否對(duì)稱，負(fù)載的相電壓是對(duì)稱的。對(duì)于負(fù)載作三角形聯(lián)結(jié)的三相電路中每一相負(fù)載來說，都是單相交流電路。各相電流和電壓之間的數(shù)量與相位關(guān)系與單相交流電路相同。在對(duì)稱三相電源的作用下，流過對(duì)稱負(fù)載的各相電流也是對(duì)稱的，應(yīng)用單相交流電路的計(jì)算關(guān)系，可知各相電流的有效值為，采用矢量表示可求出線電流與相電流之間有以下關(guān)系結(jié)論：當(dāng)三相負(fù)載作三角形聯(lián)結(jié)時(shí)：（1）相電壓等于線電壓，即；（2）當(dāng)對(duì)稱三相負(fù)載作三角形聯(lián)結(jié)時(shí)，線電流的大小為相電流的eq\r(3)倍，一般寫成。二、三相電路的功率在三相交流電路中，不論負(fù)載采取星形聯(lián)結(jié)的方式，還是采取三角形聯(lián)結(jié)的方式，三相負(fù)載消耗的總功率等于各相負(fù)載消耗的功率之和，即。每一相負(fù)載所消耗的功率，可以應(yīng)用單相正弦交流電路中學(xué)過的方法計(jì)算。當(dāng)三相負(fù)載對(duì)稱時(shí)，有，負(fù)載消耗的總功率可以寫成式中：UP——負(fù)載的相電壓，國(guó)際單位制單位V（伏）IP——流過負(fù)載的電流，國(guó)際單位制單位A（安）——負(fù)載相電壓與相電流間的相位差，國(guó)際單位制單位弧度（rad）或度P——三相負(fù)載總的有功功率，國(guó)際單位制單位W（瓦）上式可知，對(duì)稱三相電路總有功功率為一相有功功率的3倍。在實(shí)際工作中，測(cè)量線電壓、線電流比較方便，三相電路的總功率常用線電壓和線電流來表示。理論推導(dǎo)證明，對(duì)稱負(fù)載不論負(fù)載作星形還是三角形聯(lián)結(jié)，總有功功率、無(wú)功功率和視在功率也可由下式計(jì)算：例4-1某三相對(duì)稱負(fù)載，每相負(fù)載的電阻為6Ω，感抗為8Ω，電源線電壓為380V，試求負(fù)載星形聯(lián)結(jié)和三角形聯(lián)結(jié)時(shí)兩種接法的有功功率。解：每相繞組的阻抗為（1）星形聯(lián)結(jié)時(shí)，負(fù)載相電壓因此流過負(fù)載的相電流為負(fù)載的功率因數(shù)為星形聯(lián)結(jié)時(shí)三相總有功功率（2）三角形聯(lián)結(jié)時(shí)，負(fù)載相電壓等于電源線電壓，即負(fù)載的相電流為三角形聯(lián)結(jié)時(shí)三相總有功功率可見，線電壓不變的情況下，同樣的負(fù)載，三角形聯(lián)結(jié)消耗的有功功率是星形聯(lián)結(jié)時(shí)的3倍。也就是說，三相負(fù)載消耗的功率與負(fù)載連接方式有關(guān)，要使負(fù)載正常運(yùn)行，必須正確連接電路。顯然在同一電源作用下，錯(cuò)將星形聯(lián)結(jié)成三角形聯(lián)結(jié)，負(fù)載會(huì)因3倍的過載而燒毀；反之，錯(cuò)將三角形聯(lián)結(jié)接成星形聯(lián)結(jié)，負(fù)載也無(wú)法正常工作，只能輸出的功率。技能訓(xùn)練技能訓(xùn)練三相照明電路的安裝與調(diào)試一、實(shí)訓(xùn)目的1.熟悉三相負(fù)載星形聯(lián)結(jié)的接線方式。2.了解負(fù)載不對(duì)稱時(shí)中性線的作用。二、實(shí)訓(xùn)器材燈座三個(gè),燈泡四個(gè)(100W三只,60W的一只)，電流插座四個(gè),短路插頭四個(gè)，交流電流表四個(gè)(0.5A/1A)，電工工具箱一個(gè)，導(dǎo)線若干。三、實(shí)訓(xùn)步驟1.核對(duì)器材，檢查器件