第12章三相电路

第12章三相电路重点：1.三相电路的概念；2.星形连接、三角形连接下的线电压（电流）与相电压（电流）的关系3.对称三相电路归结为一相电路的计算方法4.三相电路的功率分析5.不对称三相电路的概念难点：1.三相电路的计算及相量图的应用2.三线三相制电路功率测量的二瓦特计法本章与其它章节的联系：三相电路可以看成是三个同频率正弦电源作用下的正弦电流电路，对它的计算，第九章正弦电流电路中所阐述的方法完全适用。§12.1三相电路三相电路是由三个频率相同、振幅相同、相位彼此相差120°的正弦电动势作为供电电源的电路。三相电力系统由三相电源、三相负载和三相输电线路三部分组成。三相电路具有如下优点：(1)发电方面：比单项电源可提高功率50％；(2)输电方面：比单项输电节省钢材25％；(3)配电方面：三相变压器比单项变压器经济且便于接入负载；(4)运电设备：具有结构简单、成本低、运行可靠、维护方便等优点。以上优点使三相电路在动力方面获得了广泛应用，是目前电力系统采用的主要供电方式。研究三相电路要注意其特殊性，即：(1)特殊的电源；(2)特殊的负载；(3)特殊的连接；(4)特殊的求解方式。1.对称三相电源通常由三相同步发电机产生对称三相电源。如图12.1所示，其中三相绕组在空间互差120°，当转子以均匀角速度ω转动时，在三相绕组中产生感应电压，从而形成图12.2所示的对称三相电源。其中A、B、C三端称为始端，X、Y、Z三端称为末端。图12.1图12.2三相电源的瞬时值表达式为：式中以A相电压uA为参考正弦量，三相电压波形图如图12.3所示。图12.3图12.4三相电源的相量表示为可以用图12.4所示的相量图表示。由以上式子可以得出对称三相电源的特点即：三相电源的瞬时值之和和相量之和总是为零。三相电源中各相电源经过同一值(如最大值)的先后顺序称为三相电源的相序，上述三相电压的相序称为正序(或顺序)。反之，若B相超前A相120°，C相超前B相120°，这种相序称为反序(或逆序)。以后如果不加说明，都认为是正序。2.三相电源的联接（1）星形联接(Y联接)把三个绕组的末端X,Y,Z接在一起，把始端A,B,C向外引出如图12.5所示，就构成星形联接。图12.5图12.6（2）三角形联接(D联接)三个绕组始末端顺序相接如图12.6所示就构成三角形联接。注意：D联接电源必须始端末端依次相连，由于，电源中不会产生环流。任意一相接反，都会造成电源中的大的环流而损坏电源。因此，当将一组三相电源连成三角形时，应先不完全闭合，留下一个开口，在开口处接上一个交流电压表，测量回路中总的电压是否为零。如果电压为零，说明连接正确，然后再把开口处接在一起。3.三相负载及其联接三相电路的负载由三部分组成，其中每一部分叫做一相负载，三相负载也有星型联接如图12.7所示和三角形联结如图12.8所示二种联接方式。当三相负载满足关系：称三相对称负载。图12.7图21.84.三相电路三相电路就是由对称三相电源和三相负载联接起来所组成的系统。工程上根据实际需要可以组成图12.7所示的Y-Y联接方式，或图12.8所示的Y-D联接方式，还有D-Y和D-D联接方式。当组成三相电路的电源和负载都对称时，称对称三相电路。5．三相电路中的术语(1)端线(火线)：始端A,B,C三端引出线。(2)中性点：X,Y,Z接在一起的点称为三相电源的中性点，用N表示，星形负载接在一起的点称为负载的中性点，用N'表示。三角形电源和负载没有中性点。(3)中线：中性点N和N'的联接线。(4)三相三线制与三相四线制：具有中性线的三相电路如图11.7所示的Y-Y联接方式为三相四线制，其余联接方式为三相三线制。(5)线电压：端线与端线之间的电压，如(6)相电压：每相电源或每相负载的电压，如，(7)线电流：流过端线的电流。(8)相电流：流过每相负载的电流。§11.2对称三相电路线电压(电流)与相电压(电流)的关系三相电源和三相负载的线电压和相电压、线电流和相电流之间的关系与连接方式有关。下面分别加以讨论。1.线电压与相电压的关系参见图12.5对称星形电源的电路，设：则利用图12.9所示的相量图也可以得到以上相电压和线电压之间的关系。图12.9由此得出结论：对Y接法的对称三相电源（1）相电压对称，则线电压也对称；（2）线电压是相电压的倍；（3）线电压相位领先对应相电压30°。这里所谓的对应相电压用线电压的第一个下标字母标出。对于D联接的电源，见图12.6，显然有：即：D联接时线电压等于对应的相电压。注意：以上关于线电压和相电压的关系也适用于对称星型负载和三角型负载。2.相电流和线电流的关系由图12.7可知，Y联接时，线电流等于相电流。而△联接时，见图12.8，有：由此得出结论：△联接时（1）相电流对称，则线电流也对称；（2）线电流是相电流的倍；（3）线电流相位滞后对应相电流30°。§11.3对称三相电路的计算对称三相电路由于电源对称、负载对称、线路对称，因而可以引入一特殊的计算方法，从而简化三相电路的计算。1.Y–Y联接(对称三相四线制）图12.10为对称三相四线制电路，其中Zl为端线阻抗，ZN为中线阻抗，应用结点法求解中点N和N'之间的电压，以N为参考点，可得：图12.10由于所以中点间的电压即N，N'两点等电位，中线中电流为零，因此可将中点短路，这样各相独立，彼此无关，便可将三相电路的计算简化为单相电路的计算。图12.11图12.11为A相计算电路。线电流为：同理可得B相和C相的电流：由此得出结论：1)对称三相电路，电源中点与负载中点等电位，有无中线对电路没有影响；2）对称情况下，各相电压、电流都是对称的，可归结为一相（如A相）计算。只要算出一相的电压、电流，则其它两相的电压、电流可按对称关系直接写出。3）负载为三角形联接的对称三相电路，可以根据星形和三角形的等效互换，化为Y—Y三相电路，如图12.12所示，然后归结为一相的计算方法。图12.124）电源为D联接的对称三相电路，可将D电源用Y电源替代，但要保证其线电压相等，即：化为Y—Y三相电路后，再归结为一相的计算方法。由此得对称三相电路的一般计算方法:（1）将所有三相电源、负载都化为等值Y—Y电路；（2）连接各负载和电源中点，中线上若有阻抗可不计；（3）画出单相计算电路，求出一相的电压、电流，一相电路中的电压为Y接时的相电压，一相电路中的电流为线电流；（4）根据D接、Y接时线量、相量之间的关系，求出原电路的电流电压；（5）由对称性，得出其它两相的电压、电流。例12-1图（a）所示电路已知对称三相电源线电压为380V，负载阻抗Z=6.4+j4.8Ω，端线阻抗Zl=6.4+j4.8Ω。求负载Z的相电压、线电压和电流。例12-1图（a）例12-1图（b）解：画出一相计算图如图（b）所示。设线电压为，则电源相电压为：线电流负载相电压负载线电压§11.4不对称三相电路的概念在三相电路中，只要有一部分不对称，如出现电源不对称，或电路参数(负载)不对称就称为不对称三相电路。不对称三相电路的分析不能引用上一节中对称三相电路的分析方法，只能用第九章介绍的正弦稳态电路的分析法。本节主要讨论由于负载不对称而引起的一些特点。图12.13图12.13的Y-Y连接的电路中三相电源是对称的，三相负载Za、Zb、Zc不相同。应用结点法求得中点N和N'之间的电压为：负载各相电压为：相量图如图12.14所示。从图中可以看出，负载不对称造成负载中点与电源中点不重合的现象，这一现象称为中性点位移。在电源对称情况下，可以根据中点位移的情况来判断负载端不对称的程度。当中点位移较大时，会造成负载相电压严重不对称，使负载的工作状态不正常。由此得出结论：（1）负载不对称，电源中性点和负载中性点不等位，中线中有电流，各相电压、电流不再存在对称关系；图12.14（2）负载不对称情况下中线的存在是非常重要的，中线可强使中点间的电压为零（如果ZN=0），但各相保持独立性。因此要消除或减少中点的位移，应尽量减小中线阻抗，且不允许在中线上接入熔断器或闸刀开关。例12-2图示为照明电路，电源电压和负载均对称，试分析在三相四线制和三相三线制下的工作情况。解：(1)三相四线制时如图(a)所示，设中线阻抗约为零。则每相负载的工作彼此独立。例12-2图（a）(2)若三相三线制如图(b)所示。则每相负载的工作彼此相关，设A相断路出现三相不对称。此时有若线电压为380V，则B、C相灯泡电压为190V，未达额定工作电压，灯光昏暗。(3)若A相短路如图（c）所示。则例12-2图（b）即负载上的电压为线电压超过灯泡的额定电压，灯泡将烧坏。此时A相的短路电流计算如下(设灯泡电阻为R)：例12-2图（c）即短路电流是正常工作时电流的3倍§11.5三相电路的功率1.对称三相电路功率的计算（1）平均功率设对称三相电路中一相负载吸收的功率等于Pp=UpIpcosφ，其中Up、Ip为负载上的相电压和相电流。则三相总功率为：P=3Pp=3UpIpcosφ注意：1)上式中的φ为相电压与相电流的相位差角(阻抗角)；2)cosφ为每相的功率因数，在对称三相制中三相功率因数：cosφA=cosφB=cosφC=cosφ；3)公式计算的是电源发出的功率(或负载吸收的功率)。当负载为星形连接时，负载端的线电压，线电流，代入上式中有：当负载为三角形连接时，负载端的线电压，线电流，代入上式中有：（2）无功功率对称三相电路中负载吸收的无功功率等于各相无功功率之和：（3）视在功率（4）对称三相负载的瞬时功率设对称三相负载A相的电压电流为：则各相的瞬时功率分别为：可以证明它们的和为：上式表明，对称三相电路的瞬时功率是一个常量，其值等于平均功率，这是对称三相电路的优点之一，反映在三相电动机上，就得到均衡的电磁力矩，避免了机械振动，这是单相电动机所不具有的。2.三相功率的测量(1)三表法对三相四线制电路，可以用图12.15所示的三个功率表测量平均频率。若负载对称，则只需一个表，读数乘以3即可。图12.15图12.16(2)二表法对三相三线制电路，可以用图12.16所示的两个功率表测量平均频率。测量线路的接法是将两个功率表的电流线圈串到任意两相中，电压线圈的同名端接到其电流线圈所串的线上，电压线圈的非同名端接到另一相没有串功率表的线上。显然除了图12.16的接线方式，还可采用图12.17的接线方式。这种方法称为两瓦计法。图12.17两瓦计法中若W1的读数为P1,W2的读数为P2，可以证明三相总功率为：P=P1+P2证明：设负载是Y连接，根据功率表的工作原理，有：所以因为代入上式有：所以两个功率表的读数的代数和就是三相总功率。由于△联接负载可以变为Y型联接，故结论仍成立。注意：1）只有在三相三线制条件下，才能用二瓦计法，且不论负载对称与否；2）两块表读数的代数和为三相总功率，每块表单独的读数无意义；3）按正确极性接线时，二表中可能有一个表的读数为负，此时功率表指针反转，将其电流线圈极性反接后，指针指向正数，但此时读数应记为负值；4）负载对称情况下，有：下表给出了不同φ值时两个功率表的取值。例12-3图(a)所示三相电路，已知线电压Ul=380V，Z1=30+j40Ω，电动机的功率P=1700W，cosφ=0.8(感性)。求：(1)线电流和电源发出的总功率；(2)用两表法测电动机负载的功率，画接线图，并求两表读数。例12-3图（a）解：(1)设电源电压则电动机负载：所以根据得：因此总电流：电源发出的功率(2)两瓦计法测量功率的测量图如图（b）所示。表W1的读数：表W2的读数：例12-3图（b）