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1、第4章 三相正弦交流电路,4.1 对称三相正弦交流电源 4.2 对称三相正弦交流电路的计算,三相正弦交流电路技术在发电及供电系统中得到了广泛的应用，例如工厂生产所用的三相电动机以及其他很多大型工业用电设备都是采用三相制供电，三相交流电也称为动力电。我们在日常生活中所使用的照明及家电的单相电源，只是三相交流电其中的一相。 本章主要介绍对称三相正弦交流电源、对称三相负载的连接及电压、电流和功率的分析。,4.1 对称三相正弦交流电源 4.1.1 对称三相正弦交流电源的产生与特征 对称三相正弦交流电源是三相交流发电机的电路模型，也可取自电力系统、变配电变压器的二次侧(即变压器的副方)。三相交流发电机主
2、要由定子和转子构成。定子铁心的内圆表面冲有槽，用以放置三相定子绕组。三相定子绕组是相同的，其首端分别标以A、B、C，末端标以X、Y、Z。三相绕组分别放置在定子铁心槽内，且首端或末端之间依序相互间隔120。转子铁心上绕有直流励磁绕组，选用合适的极面形状和励磁绕组的布置可以使发电机空气隙中的磁感应,强度按正弦规律分布。三相定子绕组在同一旋转磁场中分别切割磁力线，产生三相对称的正弦交流电源，其中每相电源的频率相同、幅值相等、初相角依次相差120。 对称三相正弦交流发电机三相绕组的通常接法如图4.1.1所示，即将三个末端连接在一起，连接点称为中点或零点，用N表示；从三相绕组的始端A、B、C引出的三根导
3、线称为相线，也称端线，俗称火线；由中点引出的导线称为中线，俗称零线。这种连接方式称为星形(Y形)连接。有中线引出的称为Y0连接，无中线引出的称为Y连接。,图4.1.1 对称三相正弦交流发电机三相绕组的通常接法,在图4.1.1中三相对称电源依次称为A相、B相、C相，分别记为uA、uB、uC。如以A相为参考，则其电压瞬时值表达式为 写成电压的相量表达式为,(4.1.1),(4.1.2),式中，U为电压有效值， 。 对称三相正弦交流电压的波形图如图4.1.2所示，各相电压的相量图如图4.1.3所示。 由对称三相正弦交流电压的数学表达式、波形图和相量图可以证明，一组对称三相正弦量(电压或电流)之和为零
4、，即,(4.1.3),图4.1.2 对称三相正弦交流电压的波形图,图4.1.3 对称三相正弦交流电压的相量图,4.1.2 对称三相正弦交流电源的相序 三相电源中各相电压超前或滞后的排列次序称为相序，或者说三相正弦电压达到最大值的次序叫相序。例如，在图4.1.3所示电路中，A相电压超前B相电压120，而B相电压又超前C相电压120，则将ABCA的相序称为正相序或顺序；反之，ACBA的相序则称为负相序或逆序。当三相电压或电流的相序未加说明时，我们一般都指的是正相序。另外，顺便提及一下，我国供配电系统中的三相母线都标有规定的颜色以便识别相序，规定A相黄色、B相绿色、C相红色。,有些三相负载对所接三相
5、电源的相序是有要求的，例如三相交流电动机如果接正相序电源它正转，而接负相序电源后它就会反转，因而我们要根据三相负载的工作情况来正确选择三相电源的相序。当三相电源的相序未知时，可以用相序指示器来进行测量及判定。,4.1.3 对称三相正弦交流电源相电压与线电压的关系 图4.1.4所示为Y0连接的三相交流发电机的相电压和线电压相量图。在图4.1.4中，每相始端与中点间的电压称为相电压，用UA、UB、UC表示，或一般用UP表示。而任意两相线间的电压称为线电压，其有效值用UAB、UBC、UCA表示，或一般用UL表示。 由图4.1.1可知，线电压与相电压关系如下,(4.1.4),图4.1.4 相电压和线电
6、压相量图,由图4.1.4电压相量图可知 由电压相量图中相电压和线电压相量的几何关系，可得到,(4.1.5),(4.1.6),由上述关系可知，对称三相交流电源星形(Y形)连接时，三相电压也对称。线电压的有效值是相电压有效值的 倍，线电压的相位超前对应相电压的相位30。 通常在低压配电系统中，相电压为220V，线电压为380V，小型低压三相交流发电机采用Y0接线时，可以引出四根线，称为三相四线制，能给予负载两种电压，这样就解决了三相负载和单相负载由同一电源供电的问题。但是电力系统、发电厂的三相交流发电机，由于容量大，额定电压都采用较高的数值，我国发电厂发电机的线电压一般为6.3kV和10.5kV，
7、与额定线电压为6kV和10kV的电力网连接。为Y形连接，它可与升压变压器连接后将电力送入高压电网；或与降压变压器连接后将低压电供给发电厂的自用低压负载。 ,由变压器二次侧组成三相交流电源时，可以接成Y0形连接、Y形连接及三角形连接(连接)，后两种连接方式也称三相三线制。当三相交流电源采用三角形连接方式时，线电压与相电压相等，即 、 、 。由于三线电源是对称的，三相电压的相量和为零，即 ，所以三角形环路中无环流产生。,4.2 对称三相正弦交流电路的计算 4.2.1 三相负载的连接方式 三相供电系统中大多数负载是三相的，即由三个负载接成Y形(星形)或形(三角形)，分别如图4.2.1(a)、(b)所
8、示。其中每一个负载称为一相负载，每相负载的端电压称为负载相电压，流过每个负载的电流称为相电流，流过端线的电流称为线电流。复阻抗相等的三相负载称为对称三相负载，复阻抗不相等的三相负载称为不对称三相负载。,图4.2.1 三相负载的连接方式,4.2.2 对称三相电路的计算 对称三相电路就是对称三相电源与对称三相负载连接起来所组成的电路。由于是对称三相电路，所以三相线路阻抗相等。同时需要说明的是，一般进行负载电路的计算时，不 考虑三相电源内部的工作情况，而只注意供电线路，因此在电路图中可只画三根火线A、B、C和中线N来表示三相电源。图4.2.2所示为三种典型对称三相正弦交流电路的连接示意图，图4.2.
9、3所示为我国380V/220V低压供电线路中不考虑线路上阻抗情况下的三种常见的三相负载连接电路。,图4.2.2 对称三相正弦交流电路的连接示意图,图4.2.3 低压供电线路中常见的三相负载连接示意图,由于三相电源及三相负载对称，所以三相电流也对称且与电源电压是同相序的对称量。因此我们只要计算出一相的电流、电压，其他两相的电流、电压就能由对称关系写出。 在三相电路中，每相负载所流过的电流称为相电流，其有效值用字母IP表示，流过相线(火线)的电流称为线电流，其有效值用字母IL表示。 当对称三相负载Y形连接时，设ZA=ZB=ZC=Z，则线电流与相电流、线电压与相电压的关系为,(4.2.1),各相电流
10、与各相电压及各相负载之间的相量关系为 可以证明，当对称三相负载Y形连接时，线电流等于相电流，线电压的有效值是相电压有效值的 倍，各线电压的相位超前对应相电压的相位30。,(4.2.2),对于Y0连接的对称三相电路，由于是三相对称系统，三相电流的相量和也为零，这时中线上的电流为零，说明此时中线不起作用，但中线不能断开，并且中线上不允许安装熔断器和开关。否则，一旦中线断开，对称三相负载因某种原因(如某相出现短路或断路)不再对称，这时各相则不能独立正常工作，出现某相负载过压或欠压甚至损坏的情况。 在确保三相负载对称的情况下，Y0连接与Y连接时负载的工作情况完全相同。一般工厂中使用的额定功率PN3kW
11、的三相交流异步电动机，均采用三相三线制Y形连接。,例4.2.1 在图4.2.4所示的对称三相Y形连接电路中,各相负载中R=6,感抗XL=8，已知对称三相电源线电压 ，试求各相电流。 解 据 则 ，相电压 可以求得 根据对称性可直接写出,图4.2.4 例4.2.1电路图,例4.2.2 Y形连接对称三相负载，每相电阻为11，电流为20A，求三相负载的线电压。 解 Z=R=11，IP=20A,例4.2.3 在图4.2.5所示的对称Y形连接三相电路中,线电压UL=380V。若此时图中p点处发生断路，求电压表读数V1；若图中m点处发生断路,求此时电压表读数V2；若图中m点、p点两处同时发生断路，求此时电
12、压表读数V3。 解 若此时图中p点处发生断路，由于电路对称，V1=220V。 若此时图中m点处发生断路，由于有中线存在，V2=220V。 若此时图中p、m点处均发生断路，两阻抗串联在线电压上，则有 ,当对称三相负载形连接时，设ZA=ZB=ZC=Z，则线电流与相电流、线电压与相电压的关系为,(4.2.3),可以证明，当对称三相负载形连接时，线电压等于相电压，线电流的有效值是相电流有效值的 倍，各线电流的相位分别滞后对应的相电流的相位30。,图4.2.5 例4.2.3图,例4.2.4 图4.2.6所示的连接的对称三相电路中,已知负载阻抗Z=38-30。若线电流 ，求线电压 。 解 根据对称三相负载
13、形连接时,线电流的有效值是相电流有效值的 倍，各线电流的相位分别滞后对应的相电流的相位30，可写出,图4.2.6 例4.2.4图,例4.2.5 在图4.2.7所示的对称三相电路中,已知线电流IL=17.32A，若此时图中m点处发生断路,求此时电流IA、IB、IC。 解 相电流 当m点处发生断路时，IA=IC=10A，IB大小不变，IB=17.32A,图4.2.7 例4.2.5图,4.2.3 三相功率 三相负载总的功率计算形式与负载的连接方式无关。 三相总的有功功率等于各相有功功率之和，即 P=PA+PB+PC 三相总的无功功率等于各相无功功率的代数和，即 Q=QA+QB+QC 三相总的视在功率
14、根据功率三角形可得,在三相负载对称的情况下，则三相总的功率分别为 式(4.2.4)中，角是相电压UP与相电流IP之间的相位差，即是每相对称负载的阻抗角。,(4.2.4),需注意的是，虽然Y形连接和形连接计算功率的形式相同，但在计算时要根据具体的线电压与相电压、线电流与相电流的值代入计算。 对于三相不对称负载，我们在此不作具体的分析，但对称三相负载如出现短路或断路情况，我们应掌握基本的定性与定量分析。,例4.2.6 图4.2.8所示的Y形连接对称三相电路中，若已知电源线电压UL=380V，负载电阻R=22，求三相功率P。 解,图4.2.8 例4.2.6图,例4.2.7 对称三相电源线电压为380V，作用于三角形对称三相负载，每相电阻为220，求负载相电流、线电流及三相总功率。 解 此题为对称负载，有UL=UP=380V,例4.2.8 图4.2.9所示的对称三相电路中，连接负载阻抗Z1=(60+j80)，Y形连接负载阻抗Z2=(40+j30)，若测得图中所示线电流IL1=3A，求Y形连接负载阻抗所消耗的功率P2。 解 对负载Z1有IL1=3A，则相电流 Z1负载端电压 对Y形连接负载Z2，线电压 ,相电压UP2=100V 所以,另 故,图4.2.9 例4.2.8图,
