单元5三相正弦交流电路课件

《电工技术基础与技能》单元5三相正弦交流电路单元5三相正弦交流电路我们日常生活中使用较多的单相交流电通常是从三相交流电中获得的。三相交流电有很多优点：三相交流发电机使用、维护方便，运转时振动小；三相交流电动机结构简单，工作稳定可靠，旋转力矩大；三相输电比单相输电节约材料等。所以，电力生产和输送一般都采用三相交流电。当今，发电形式多种多样，火力、水力和核反应是世界电力的三大支柱，另外还有风力、太阳能发电等。这一单元，我们来学习三相交流电的基本概念，了解三相交流电源连接的特点，三相交流电路中负载的连接，以及负载电流、电压的测量和简单计算，三相电路功率的简单计算等。单元5三相正弦交流电路大亚湾核电站学习目标5.1三相正弦电源单元5三相正弦交流电路（1）了解三相正弦对称电源的概念，理解相序的概念。（2）了解电源星形连接的特点，能绘制其电压矢量图。（3）了解我国电力系统的供电制。单元5三相正弦交流电路5.1三相正弦电源5.1.1三相正弦电源的概念1．三相交流对称电动势三相交流电动势由三个单相交流电动势组成。如果三相绕组的形状、尺寸、匝数均相同，则三个单相交流电动势的最大值、角频率都完全一样，只是初相角不同，由于三相绕组在空间位置上相隔120°，三者的相位也互差120°，这样的三相电动势称为三相交流对称电动势。三相交流电源是三个单相交流电源按一定方式进行的组合，它们之间满足一定的关系。三相交流电由三相交流发电机产生。主要由定子和转子构成。定子上嵌有三组线圈AX、BY、CZ，分别称为A相、B相、C相绕组，它们在空间相隔120°。转子是一对磁极的电磁铁，当它以匀角速度转动时，三相定子绕组依次切割磁感线，在各绕组中产生相应的正弦交流电动势。单元5三相正弦交流电路5.1三相正弦电源5.1.1三相正弦电源的概念)sin(mAtEe)120sin(omBtEe)120sin(omCtEe（2）矢量表达式（1）瞬时值表达式oA0EEoB120EEoC120EE波形图矢量图单元5三相正弦交流电路5.1三相正弦电源5.1.1三相正弦电源的概念2．三相交流电动势的相序三相交流电动势随时间按正弦规律变化，它们到达最大值(或零值)的先后顺序叫做相序。图中相序就是A—B—C—A，称为正序，若相序是A—C—B—A，则称为负序或逆序。相序是由三相交流发电机的结构所决定的，一般都采用正序。在供电系统中，通常用“黄”、“绿”、“红”三种颜色分别代表A、B、C三相。单元5三相正弦交流电路5.1三相正弦电源5.1.2三相正弦电源的连接1．三相电源的星形（Y形）连接将三相交流发电机三相绕组的末端X、Y、Z连接在一起，构成一个公共端点，称为中点（零点），用“O”表示，三相绕组的首端A、B、C分别单独引出，这种连接方式称为星形（Y形）连接。从首端引出的A、B、C三根传输线称为相线（俗称火线），从中点引出的传输线称为中性线（或称中线、零线），零线通常用黑色或白色表示。这样就构成了三相电源四根传输线的三相四线供电制。单元5三相正弦交流电路5.1三相正弦电源5.1.2三相正弦电源的连接2．三相电源的三角形（△形）连接将三相交流发电机的三相绕组彼此之间首末端相连，这种连接方式称为三角形（△形）连接。这样就构成了三相电源三根传输线的三相三线供电制。对于三角形连接形式的电源，要求负载必须为对称负载，即Zab=Zbc=Zca，且发电机绕组回路不得产生环流，否则发电机将被烧毁。这对负载的要求很严格，因此三相电源的三角形连接实际上很少采用，供电系统的三相变压器三相绕组有时采用此种连接。单元5三相正弦交流电路5.1三相正弦电源5.1.2三相正弦电源的连接3．相电压和线电压（1）相电压相线与零线之间的电压称为相电压。有效值矢量有效值UA、UB、UC瞬时值uA、uB、uC。ABCUUU、、（2）线电压相线与相线之间的电压称为线电压。有效值矢量有效值UAB、UBC、UCA瞬时值uAB、uBC、uCA。ABBCCAUUU、、（3）相电压与线电压的关系单元5三相正弦交流电路5.1三相正弦电源5.1.2三相正弦电源的连接结论：对于三相四线制（Y形）电源，线电压有效值是相电压有效值的倍，各线电压在相位上彼此相差120，线电压比相应的相电压超前30。oyφyl303∠UU3B120UUC120UU则ABABABA30330UUUUUBCBCBCB30330UUUUUCACACAC30330UUUUUA0UU在三相四线制电源中，设单元5三相正弦交流电路5.1三相正弦电源目前，我国市网低压供电线路大多采用三相四线制供电方式，相线与零线之间的相电压有效值为220V，相线与相线之间的线电压有效值为380V。电能的输送你知道吗发电厂生产的电能先经升压变电所，将电压提升到几百千伏（如110kV、220kV、500kV）的高压，有的达1000kV的特高压，然后通过高压输电线路送至用电地区的高压变电所，将高压电降为几十kV（如35kV、10kV）（有时要经几次降压），再通过短途的输电线路送至配电变电所，经再次降压后分配到各用电户。目前，我国的最高输电电压已达1000kV。单元5三相正弦交流电路5.1三相正弦电源电能的输送升压变电所高压输电线路用电户发电厂站高压变电所（一、二次降压）学习目标5.2三相交流负载单元5三相正弦交流电路（1）了解对称负载与不对称负载的概念。（2）了解星形连接方式下三相对称负载线电流、相电流和中性线电流的关系，以及中性线的作用。（3）三相对称负载星形连接电压、电流的测量实验：观察三相星形负载在有、无中性线时的运行情况，测量相关数据，并进行比较。5.2三相交流负载单元5三相正弦交流电路三相交流电路的负载由三部分组成，其中每一部分叫做一相负载。实用中，有由三个单相负载组成一个整体的三相负载，如三相电动机、三相电炉等，也有由彼此独立的三个单相负载组成的三相负载，如照明电路等。若每一相负载的阻抗相等、性质相同，Za=Zb=Zc（即Ra=Rb=Rc，Xa=Xb=Xc），则该三相负载称为三相对称负载。若各相负载的阻抗大小或性质不完全相同，则该三相负载称为三相不对称负载。5.2.1对称负载与不对称负载三路单相照明电路尽可能均分到三相电源的各相上5.2三相交流负载单元5三相正弦交流电路把三相负载的各相分别接在三相电源的一根相线与中线之间的接法称为三相负载的星形连接。Za、Zb、Zc为各负载的阻抗值。5.2.2三相对称负载的星形连接1．电压、电流关系流过每一相负载的电流称为相电流，流过各相线的电流称为线电流，yabc()IIII、、)(CBAylIIII、、每一相负载两端的电压称为负载的相电压，。忽略输电线上电压降，负载的相电压就等于电源的相电压，三相负载的线电压就等于电源的线电压。仍然φl3UUcbaUUU、、yφCBAUUUUoccccobbbboaaa1201200∠∠∠IZUIIZUIIZUIa；；CcBbAaUUUUUU；；yφcbaIIII所以5.2三相交流负载单元5三相正弦交流电路5.2.2三相对称负载的星形连接由图还可看出，流过每一相负载的相电流与其相对应的相线中的线电流是同支路，因此，在星形接法中，相电流等于线电流，即）（AaAaAaylyφ，，IIIIIIII据基一律，中线电流cba0IIII由于三个相电流是对称的，如图，因此它们的矢量和为零，即中线电流为零。此时，可把中线省掉，成为星形连接的三相三线制电路。省去中线后，三个相电流借助于各端线及每相负载互成回路。此时的三相四线制同三相三线制一样，各相负载所承受的电压仍为对称的相电压，线电压与相电压的关系仍为φl3UU5.2三相交流负载单元5三相正弦交流电路5.2.2三相对称负载的星形连接【例5.1】如图所示照明电路中，每相负载各灯泡阻值均为20Ω，电源电压。试求：当开关全部闭合时，各相电流、线电流和中线电流。)V(220φU三相负载完全相同，阻抗相等、性质相同，是三相对称星形负载。)(10220φcbaZZZZ)A(2210220φφφcbaZUIIII)A(22φlCBAIIIII00I相电流线电流中线电流每相负载阻抗解：5.2三相交流负载单元5三相正弦交流电路2．中性线的作用5.2.2三相对称负载的星形连接额定电压220V，功率为100W、60W、40W的三个灯泡作星形连接，接到三相四线制电源上，为说明问题，设中线上装有开关S0。①闭合S0、SA、SB、SC，每个灯泡都正常发光。②S0、SA、SB闭合、SC断开，〔图(a)〕；③SA、SB闭合、SC断开，S0断开，图(b)〕；④SA、SB闭合、S0断开，C相短路〔图(c)〕。5.2三相交流负载单元5三相正弦交流电路5.2.2三相对称负载的星形连接由此可知，在不对称三相负载的星形连接中，中线对于电路的正常工作是非常重要的。在三相四线制电路中，中线的作用不仅能使用户得到两种不同的工作电压，更重要的是使不对称负载两端的电压保持对称，从而保证电路安全可靠地工作。为了防止不正常现象及事故的发生，在三相四线制中规定，中线不准安装熔断器和开关。在有些场合，中线还采用钢芯导线来加强机械强度，以免断路。同时，在连接三相负载时，应尽量做到三相平衡，以减小中线电流。通常为保证安全，还要把中线接地，使它的电位与大地相同。2．中性线的作用5.2三相交流负载单元5三相正弦交流电路5.2.3实验:三相对称负载星形连接时的电压与电流1．实验目的（1）练习三相负载作星形连接的方法及三相电路电压与电流的测量。（2）验证三相负载在星形连接时，线电压与相电压、线电流与相电流之间的关系。（3）理解三相四线制供电系统中性线的作用。2．实验器材（1）三相负载（灯箱：白炽灯泡220V、10W两只）三个。（2）交流电压表（0～500V）（或万用表）一只。（3）交流电流表（0～1A）四只。（4）闸刀开关（500V/5A）一只，单相开关一只。（5）实验线路板一块，工具一套，导线若干。5.2三相交流负载单元5三相正弦交流电路5.2.3实验:三相对称负载星形连接时的电压与电流3．实验原理三相负载Y形连接：线电压等于相电压的倍，线电流等于相电流，即φlφl3IIUU；三相负载对称：中线电流等于零，即I0=0。34．实验步骤与要求（1）将三组灯箱星形连接，检查后接通电源。（2）分别测量对称负载在有中线时的线电压和相电压、线电流和相电流、中线电流，将测量结果记录。（3）分别测量不对称负载（断开一相负载）在有中线时的线电压和相电压、线电流和相电流、中线电流，将测量结果记录。（4）断开一相负载后接通电源，将开关S2通、断几次，观察其余两相灯箱的亮度变化。5.2三相交流负载单元5三相正弦交流电路5.2.3实验:三相对称负载星形连接时的电压与电流注意事项：①实验时不可触及裸露的导电部位，防止意外事故发生；②严格遵守“实训室安全操作规程”。连接电路时，先接设备，后接电源；拆卸电路时，先拆电源，后拆设备。5．问题讨论（1）用实验数据说明三相对称负载作星形连接时的线电流、相电流和中性线电流是怎样的关系。（2）负载作星形连接（有中线）时，断开一相负载后，开关S2通与断时灯箱的亮度变化说明什么？总结中线的作用。（3）实验测量数据会有误差，分析实验误差产生的原因。学习目标单元5三相正弦交流电路了解对称三相电路功率的概念与计算。5.3三相电路的功率5.3三相电路的功率单元5三相正弦交流电路5.3.1三相功率的基本关系三相交流电路的功率也具有有功功率P、无功功率Q和视在功率S，并且其三相功率都是三个单相功率之和，即P总PA+PB+PCQ总QA+QB+QCS总SA+SB+SC由单相交流电路知P=UIcosQ=UIsinS=UI三相交流电路中每个单相电路的功率P=UIcosQ=UIsinS=UI则三相交流电路的功