交流電的認識

返回主目錄任務(wù)11三相正弦交流電的認識測量掌握三相電源和三相負載的連接方式。掌握對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)電路功率的計算。知識要點一、三相交流電的產(chǎn)生1．三相交流發(fā)電機的結(jié)構(gòu)三相交流電源電壓一般是由三相交流發(fā)電機產(chǎn)生的。三相交流發(fā)電機的結(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)電機中的轉(zhuǎn)動部分，又稱轉(zhuǎn)子，由轉(zhuǎn)子鐵心和勵磁繞組組成，用直流電勵磁后產(chǎn)生一個很強的恒定磁場。通過選擇合適的極面形狀和勵磁繞組的布置，可使空氣隙中的磁感應(yīng)強度按正弦規(guī)律分布。當(dāng)轉(zhuǎn)子由原動機帶動，并以勻速轉(zhuǎn)動時，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式分別為(11-1)用相量表示則為

(11-2)三相對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)電機的原理圖2.三相交流電的相序三相交流電源電壓到達同一數(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為A-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空間位置，則其相序?qū)锳-C-B，稱其為負相序或逆序。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，稱為三相對稱電壓。顯然它們的瞬時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)電機有三個獨立的繞組，通常是將發(fā)電機的三相繞組接成星形（Y），有時也接成三角形（△）。（1）星形（Y）聯(lián)結(jié)把發(fā)電機三個對稱繞組的末端接在一起組成一個公共點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，公共點稱為中性點，從中性點引出的導(dǎo)線稱為中性線，俗稱零線。當(dāng)中性點接地時，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)三相電源電壓對稱時，選為參考相量，用UP表示相電壓的有效值，則三個對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)相電壓對稱時，線電壓也是對稱的。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稱時，UA+UB+UC

=0。這表明三角形回路中合成電壓等于零，即這個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。接成三角形后會出現(xiàn)很大的環(huán)路電流。因此，在第一次實施三角形聯(lián)結(jié)時需正確判斷各繞組的極性。結(jié)論：在三角形連接時，線電壓與相電壓相等，即：UL＝UP一般交流發(fā)電機的三相繞組都接成星形，而不接成三角形。二、三相負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，如三相交流電動機等。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（△），稱為三相負載。三廂負載接入電源時應(yīng)遵守兩個原則：一是加于負載的電壓必須等于負載的額定電壓，二是應(yīng)盡可能地使電源的各相負荷均勻、對稱，從而使三相電源供電趨于平衡。1．負載的星形聯(lián)結(jié)把三個負載ZA、ZB、ZC的一端聯(lián)在一起，接到三相電源的中性線上，三個負載的另一端分別接到電源的A、B、C三相上稱為負載的星形聯(lián)結(jié)（三相四線制），如圖15-5所示。當(dāng)忽略導(dǎo)線阻抗時，電源的相、線電壓就分別是負載的相、線電壓，并且負載中點電位是電源中點電位。圖11-5三相四線制供電電路負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載。各相負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，線電流IL就是相電流IP，即IL=IP

（11-6）在圖11-5中，三個相線與一個中性線供電的三相四線制電路中，計算每相負載中電流的方法與單相電路時一樣。如果用相量法計算，則

（11-7）中線電流的參考方向為從負載到電源時有

（11-8）（1）三相對稱負載如果三相負載完全相同，即各相阻抗的模（值）相同，阻抗角（初相位）相等，這種三相負載稱為三相對稱負載。此時三個相電流相等，各相電壓與電流間的相位差也相同，即三個相電流之間的相位互差120°。因此，三相電流也是對稱的。其相量圖如圖11-6所示。顯然，此時中線電流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。對于三相對稱電路，只要分析計算其中一相的電壓、電流就行了，其他兩相的電壓、電流可以根據(jù)其對稱性（三相對稱量大小相等相位差120°）直接寫出。不必重復(fù)計算。并且星形負載對稱時的線電壓與相電壓、線電流與相電流之間有下列一般關(guān)系式（11-9）圖11-6對稱負載相量圖圖11-7三相三線制電路（2）不對稱三相負載電路在實際的三相電路中，負載是不可能完全對稱的。對于星形聯(lián)結(jié)，只要有中性線，負載的相電壓總是對稱的。此時各相負載都能正常工作，只是這時各相電流不再對稱，中性線電流也不再為零。在計算各相電流及中性線電流時，一般用相量法計算最為簡便。對于負載不對稱而又無中性線的三相交流電路，如圖11-7所示。在負載不對稱時，兩中性點N和N′之間就會出現(xiàn)電壓。由節(jié)點電壓法，取N為參考點，則有（11-10）解出后，用相量法即可求出各負載電壓及各支路電流。在三相四線制供電的不對稱電路中，為了保證負載的相電壓對稱，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負載電壓不對稱。

2．負載的三角形聯(lián)結(jié)將三相負載的兩端依次相接，并從三個連接點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)的負載，如圖11-8所示。負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稱的，所以三角形聯(lián)結(jié)時，不論負載對稱與否，其電壓總是對稱的。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)負載對稱時，由于電源電壓是對稱的，所以相電壓是對稱的。此時各電壓、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，此時的線電流也是對稱的，且對稱三角形負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)三角形負載不對稱時，各相電流將不對稱。而各線電流也將不對稱，其各相電流與各線電流就不再是倍的關(guān)系，要分別計算。實際上，負載如何連接，要根據(jù)電源電壓和負載額定電壓的情況而定，保證負載所加的電源電壓等于它的額定電壓。圖11-9三角形對稱負載相量圖二、相關(guān)知識當(dāng)電源電壓對稱、負載也對稱時，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)三相電源電壓對稱、三個負載不對稱時，若采用三相四線制，仍有UL=UP，IL=IP，但IA+IB+IC=IN≠0，三相電流不對稱。若采用三相三線制，則負載上的UL≠UP，這時會出現(xiàn)中性點位移現(xiàn)象。各相電壓的大小不相等，有的相電壓過高，將使負載過載；有的相電壓過低，可使負載無法正常工作。因此三相不對稱負載作星形連接時，必須牢固連接中線。三相電路實訓(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，八個相同的燈泡共分成四組，每組為兩個燈泡串聯(lián)。A相負載為兩組燈泡，分別由SA和S′A控制通斷；B、C相負載各一組燈泡，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，N′為負載中點。IA、IB、IC為線電流的電流插孔。三、操作步驟1.實際觀察實地觀察校外的高壓輸電線路，觀看三相四線制輸電線路。實地參觀學(xué)校內(nèi)的配電所，請電工師傅介紹學(xué)校內(nèi)的配電情況。實際觀察學(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。實地觀察實訓(xùn)室內(nèi)的三相四線制電源，在教師指導(dǎo)下，用萬用表實際測量線電壓與相電壓的數(shù)值。2．三相負載的星形（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)進行實訓(xùn)。合SA、SB、SC，測量對稱負載、有中性線和無中性線時的線電壓、線電流、相電壓、相電流及兩中性點間電壓（無中性線時）、中性線電流（有中性線時）的值，記入表11-1中。②合（A相多一組燈），測量不對稱負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相負載全部斷開（A相開路），測量不對稱負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對各燈泡亮度的影響。3．三相負載的三角形（Δ）聯(lián)結(jié)①按圖11-12接線，仔細檢查電路無誤后接通電源，分別測量負載對稱和不對稱兩種情況下的線電壓、