第五章-三相正弦交流电路

第五章-三相正弦交流电路第五章——三相正弦交流电路本文简介：课??题第五章?三相正弦交流电路第一节?三相正弦交流电源第二节三相负载的连接课?型新课授课班级授课时数6教学目标1．了解三相交流电的优点。2．了解三相交流电的产生。3．掌握三相交流电的供电方式。4．掌握三相负载的两种接线方式。教学重点1．三相交流电的供电方式。2．三相交流电的两种接线方式。教学难点三第五章-三相正弦交流电路本文内容：课??题第五章?三相正弦交流电路第一节?三相正弦交流电源第二节三相负载的连接课?型新课授课班级授课时数6教学目标1．了解三相交流电的优点。2．了解三相交流电的产生。3．掌握三相交流电的供电方式。4．掌握三相负载的两种接线方式。教学重点1．三相交流电的供电方式。2．三相交流电的两种接线方式。教学难点三相负载的两种接线方式的分析与应用。学情分析教学效果教后记新授课A、新授课第一节?三相正弦交流电源在电力系统中，几乎全部采用交流三相制供电，究竟它有些什么优点使得它应用这么广泛呢？与单相交流电相比，三相交流电具有如下优点：1．三相发电机比尺寸相同的单相发电机输出的功率要大。2．三相发电机的结构和制造不比单相发电机复杂多少，且使用、维护都较方便，运转时比单相发电机的振动要小。3．在同样条件输送同样大的功率时，特别是在远距离输电时，三相输电线比单相输电线可节约25％左右的材料。4．三相异步电动机是应用最广的动力机械。使用三相交流电的三相异步电动机结构简单、价格低廉、使用维护方便，是工业生产的主要动力源。由于具有以上优点，所以三相交流电比单相电应用得更广泛，通常的单相交流电源多数也是从三相交流电源中获得的。一、三相交流电源让我们看看周围的供电线路。在一般家庭中，采用两根线传送，一根零线(黑色)，一根相线(黄色或红色或绿色，大多数为红色)，称为单相交流电。我们习惯上说的交流电指的就是单相正弦交流电。而在用电量大的工厂及大楼等动力用电处则采用三相交流电供电(黄、绿、红三种颜色线同时传输)。单相交流电路从一个电源出发用两根线进行输送，这是用了三相交流电中一相(有时也称为单相三线电)，如下图(a)所示。三相交流电从一个电源出发(电压相等、频率相同、相位彼此相差为1200的三个电源)，用三根线进行输送，如下图（b）所示。（a）(b)三相交流电的应用二、三相交流电的产生三相交流电是由三相发电机产生的。三相交流发电机原图理如下图（a）所示，发电机有一个可以转动的磁铁，在磁铁周围的圆周上均匀分布有U1-U2、V1-V2、W1-W2三个绕组，每一个绕组叫做一相，各相绕组的匝数相等、结构相同，它们的始端（U1、V1、W1）在空间位置上彼此相差120（讲解）（图片展示、讲解）0，它们的末端（U2、V2、W2）在空间位置上也彼此相差1200。若按顺时针方向转动磁铁，在线圈U1-U2中就会产生感应电动势；则在线圈V1-V2中产生相同的感应电动势，但其相位较U1-U2滞后1200，W1-W2也产生相同的感应电动势，但其相位较V1-V2滞后1200。与磁铁的转动角相一致画出的波形如下图（b）所示，矢量图如下图（c）所示。在上图中，把线圈U1-U2、V1-V2和W1-W2上所产生的感应电动势依次到达最大值的顺序叫做相序，三个线圈分别用U、V、W来表示。习惯上把三相交流电中相序为U-V-W称为正序。在电工技术和电力工程中，把上图（b）所示这样的电压称为三相交流电压。可以把它看作是三个单相交流电源，其电压大小相等，频率相同，相位互差120°。三、三相交流电供电方式把三相发电机三相绕组的末端U2、V2、W2连接成一个公共端点，叫做中性点(零点)，用字母N表示。从中性点引出的导线称为中性线(或零线)，用黑色或白色表示。中性线接地时，又称为地线。从线圈的首端Ul、V1、Wl引出的三根导线称为相线(俗称火线)，分别用黄、绿、红三种颜色表示，这种供电系统称为三相四线制。如下图所示。在低压供电系统中常采用三相四线制供电。如生活中的照明用电就是采用三相四线制供电。三相四线制供电系统可输送两种电压，即相电压与线电压。各相线与中性线之间的电压称为相电压，分别用、、表示其有效值；相线与相线之间的电压称为线电压，用、、表示。另一种表示方法是用表示相电压，表示线电压。（画图讲解）（画图讲解）由于电动势的方向规定为从绕组的末端指向始端，那么相电压的方向就是从绕组的始端指向末端，如上图所示相电压、、。线电压的方向按三相电源的相序来确定，如就是从U1端指向V1端；就是从V1端指向W1端；就是从W1端指向U1端，如上图所示线电压、、。实验证明，三相四线制供电系统中，相电压和线电压都是对称的，各线电压的有效值为相电压有效值的倍，而且各线电压在相位上比各对应的相电压超前300。即我国低压三相四制供电系统中，电源相电压有效值为220V，线电压有效值为380V。※第二节三相负载的联结由三相电源供电的负载叫三相负载（例如三相交流电动机）。三相电路中的三相负载，可分为对称三相负载和不对称三相负载。各相负载的大小和性质完全相同的叫对称三相负载，即，。如三相电动机、三相变压器、三相电炉等。各相负载不等的就叫不对称三相负载，例如家用电器和电灯，这类负载通常是按照尽量平均分配的方式接入三相交流电源中。在三相电路中，负载有星形（用符号“Y”表示）和三角形（用符号“△”表示）两种联结方式。一、三相负载的星形联结1.联结方式把各相负载的末端U2、V2、W2连在一起接到三相电源的中性线上；把各相负载的首端U1、Vl、W1分别接到三相交流电源的三根相线上，这种连接的方法叫做三相负载的星形联结。如下图(a)所示为三相负载星形联结的原理图，图（b）所示为三相负载星形联结的实际电路图。（讲解）（画图讲解）负载作星形联结并具有中性线时，每相负载两端的电压称为负载的相电压，用表示。2.电路计算当输电线的电阻被忽略时，负载的相电压等于电源相电压电源的线电压与负载的相电压关系为在三相交流电路中，负载作星形联结，流过每一相负载的电流称为相电流，分别用、、表示，一般用来表示。流过每根相线的电流称为线电流，分别用、、来表示，一般用表示。当负载作星形联结具有中性线时，三相交流电路的每一相，就是一个单相交流电路，各相电压与电流间数量及相位关系可应用前面学习的单相交流电路的方法处理。如下图所示，由于每相的负载都串在相线上，相线和负载通过的是同一个电流，所以各线电流等于各相电流，即＝，＝，＝。一般写成＝除此之外，我们还要考虑流过中性线的电流，由基尔霍夫节点电流定律可以求出中性线电流。一般采用矢量法来分析。中性线电流为线电流（或相电流）的矢量和对于三相对称负载，在对称三相电源作用下，三相对称负载的中性线电流等于零，如下图(a)所示。即由于电流是瞬时值，三相电流瞬时值的代数和也为零，即。因此对称负载下中性线便可以省去不用，电路变成如下图（b）所示的三相三线制传输。如在发电厂与变电站、变电站与三相电动机等之间，由于负载对称，便采用三相三线制传输。（讲解）(a)(b)若负载不对称，则中性线电流不为零，其中性线电流为或3.不对称负载星形联结时中性线的作用三相负载在很多情况下是不对称的，最常见的照明电路就是不对称负载星形联结的三相电路。下面，我们根据实验中的数据来分析三相四线制中性线的重要作用。如下图所示，把额定电压为220V，功率分别为l00W、60W和40W的三盏白炽灯作星形联结，然后接到三相四线制的电源上。为了便于说明问题，设在中性线上装有开关SN，如下图(a)所示。当SN合上时每个灯泡都能正常发光。当断开SU、Sv和Sw中任意一个或两个开关时，处在通路状态下的灯泡两端的电压仍然是相电压，灯仍然正常发光。上述情况是相电压不变，而各相电流的数值不同，中性线电流不等于零。如果断开开关Sw，再断开中性线开关SN，如下图(b)所示。中性线断开后，电路变成不对称星形负载无中性线电路，40W的灯反而比l00W的灯亮得多。其原因是，没有中性线，两个灯(40W和l00W灯泡)串联起来以后接到两根相线上，即加在两个串联灯两端的电压是线电压(380V)。又由于l00W的灯的电阻比40W的灯的电阻小，由串联分压可知它两端的电压也就小。因此，l00W的灯反而较暗，40W的灯两端的电压大于220V，会发出更强的光,还可能将灯烧毁。可见，对于不对称星形负载的三相电路，必须采用带中性线的三相四线制供电。若无中性线，可能使某一相电压过低,该相用电设备不能工作；某一相电压过高,烧毁该相用电设备。因此，中性线对于电路的正常工作及安全是非常重要的，它可以保证负载电压的对称，防止发生事故。通过这个实例可以发现，中性线的作用就是使不对称的负载获得对称的相电压，使各用电器都能正常工作，而且互不影响。（画图讲解）（画图讲解）在三相四线制供电线路中，规定中性线上不允许安装熔断器、开关等装置。为了增强机械强度，有的还加有钢芯；另外通常还要把中性线接地，使它与大地电位相同，以保障安全。结论：负载作星形联结时：①电源线电压是负载两端相电压的倍，即；②每一相相线的线电流等于流过负载的相电流，即＝；③对于对称负载可去掉中性线变为三相三线制传输；④对于不对称负载则必须加中性线，采用三相四线制传输。二、三相负载的三角形联结1．联结方式把三相负载分别接到三相交流电源的每两根相线之间，负载的这种连接方法叫做三角形联结。如下图(a)所示为负载作三角形联结的原理图，图(b)所示的是三相负载三角形联结的实际电路图。2.电路计算三角形联结中的各相负载全都接在了两根相线之间，因此负载两端的电压，即负载的相电压等于电源的线电压，则由于三相电源是对称的，无论负载是否对称，负载的相电压是对称的。对于负载作三角形联结的三相电路中每一相负载来说，都是单相交流电路。各相电流和电压之间的数量与相位关系与单相交流电路相同。在对称三相电源的作用下，流过对称负载的各相电流也是对称的，应用单相交流电路的计算关系，可知各相电流的有效值为，采用矢量表示可求出线电流与相电流之间有以下关系（归纳总结）（结合图形讲解）结论：当三相负载作三角形联结时：①相电压等于线电压，即；②当对称三相负载作三角形联结时，线电流的大小为相电流的倍，一般写成。三、三相电路的功率在三相交流电路中，不论负载采取星形联结的方式，还是采取三角形联结的方式，三相负载消耗的总功率等于各相负载消耗的功率之和，即。每一相负载所消耗的功率，可以应用单相正弦交流电路中学过的方法计算。当三相负载对称时，有，负载消耗的总功率可以写成式中：UP——负载的相电压，国际单位制单位V（伏）IP——流过负载的电流，国际单位制单位A（安）ΦP——负载相电压与相电流间的相位差，国际单位制单位弧度（rad）或度P——三相负载总的有功功率，国际单位制单位W（瓦）上式可知，对称三相电路总有功功率为一相有功功率的3倍。在实际工作中，测量线电压、线电流比较方便，三相电路的总功率常用线电压和线电流来表示。理论推导证明，对称负载不论负载作星形还是三角形联结，总有功功率也可由下式计算：例5-1某三相对称负载，每相负载的电阻为6Ω，感抗为8Ω，电源线电压为380V，试求负载星形联结和三角形联结时两种接法的三相电功率。解：每相绕组的阻抗为（1）星形联结时，负载相电压（讲解）（结合例题详细讲解）因此流过负载的相电流为负载的功率因数为星形联结时三相总有功功率（2）三角形联结时，负载相电压等于电源线电压，即负载的相电流为三角形联结时三相总有功功率可见，同样的负载，三角形联结消耗的有功功率是星形联结时的3倍。也就是说，三相负载消耗的功率与负载连接方式有关，要使负载正常运行，必须正确连接电路。显然在同一电源作用下，错将星形联结成三角形联结，负载会因3倍的过载而烧毁；反之，错将三角形联结接成星形联结，负载也无法正常工作，只能输出的功率。数学推导和实验已经证明，对称三相电路在功率方面还有一个很可贵的性质：对称三相电路的瞬时功率是一个不随时间变化的恒定值，它就是电路的有功功率。这个性质对旋转的电机带来了极有利的条件。三相电动机任一瞬时所吸收的瞬时功率恒定不变，则电