电路分析基础第6章-三相交流电路-PPT精选课件

1、第6章 三相交流电路6.1 三相电源 6.2 三相负载的连接 6.3 三相电路的功率 本章小结 阅读材料：安全用电常识 实验10 三相交流电路电压、电流的测量 6.1 三相电源所谓三相交流电源，是由三个频率相同、振幅相等、相位依次互差120的正弦交流电源按一定方式连接而成的电源。6.1.1 对称三相电源三相发电机是将三组完全相同的绕组对称固定在同一圆柱形铁芯上，固定不动，这三个绕组在空间位置上互相差120角。当中间转动的励磁绕组以角频率匀速旋转时，三相绕组会同时产生三个大小及频率相同而相位互差120的对称三相电动势，这就是三相交流发电机的原理。图6-1(a)所示是三相交流发电机的结构示意图。图

2、6-1 三相交流发电机结构示意图及电压波形图 三相发电机的三个绕组匝数相等，尺寸和绕法相同，空间几何位置互差120，就构成了对称三相电源，其中每一个电源称为一相。三相电压源的始端称为相头，标以U1、V1、W1；末端称为相尾，标以U2、V2、W2。一般令U相初相为零，V相滞后U相120，W相滞后U相120，这三相电压的幅值相等、频率相同、相位互差120，称为对称三相电压。各相电压的瞬时值表达式分别为 (6-1) 其波形如图6-1(b)所示，相量表达式为 对应的相量图如图6-2所示。根据KVL可知，对称三相电压的瞬时值或相量之和为零，即(6-2) (6-3) 图6-2 对称三相电压相量图 三相交流

3、电依次到达正最大值(或零值)的顺序称为相序。如上所述，uU超前uV120，uV超前uW120，而uW又超前uU120，则相序为UVWU，称为正序；反之，若相序为UWVU，则称为负序(又称逆序)。许多需要正、反转的生产设备可通过改变相序来实现，例如三相电动机在正序电压供电时正转，改成负序电压供电则反转。因此，使用三相电源时必须注意它的相序。为使电力系统能够安全可靠地运行，通常统一规定技术标准，一般采用正序，并用不同颜色加以区分，规定U相为黄色，V相为绿色，W相为红色。6.1.2 对称三相电源的连接方式三相电源有两种连接方式，一种是星形接法(符号Y)，另一种是三角形接法(符号)。1.三相电源的星形

4、连接(Y形连接) 将三相电源三相绕组的始端U1、V1、W1(相头)分别与负载相连，作为三相输出端；末端U2、V2、W2(相尾)连接在同一点N上，这种连接方式叫做星形(Y形)连接，如图6-3(a)所示。从三相电源三个相头U1、V1、W1引出的三根导线，称为端线或相线，俗称火线。Y形公共连接点N称为中点，从中点引出的导线叫做中线或零线，有时将中线接地，故又称为地线。由三根相线和一根中线构成的供电系统称为三相四线制供电系统。通常低压供电网采用三相四线制，日常生活中见到的只有两根导线的单相供电线路只是其中的一相，是由一根相线和一根中线组成的。三相四线制供电系统可输送两种电压：一种是相线与中线之间的电压

5、UU、UV、UW，称为相电压；另一种是相线与相线之间的电压UUV、UVW、UWU，称为线电压。如图6-3(b)所示，通常规定相电压的参考方向从始端指向末端(从相线指向中线)，线电压的参考方向规定为由下标中的前一字母指向后一字母，例如UUV，则是由U端指向V端。由图6-3(b)可知，各线电压与相电压之间的关系为 若是对称三相电源，可画出对称三相电源相电压与线电压的相量图如图6-4所示。(6-4) 图6-3 三相电源星形连接及电压关系示意图 图6-4 相电压与线电压的相量图 由图6-4可知，若相电压是对称的，则线电压也是对称的。线电压等于相电压的倍，且在相位上比相应的相电压超前30。将线电压的有效

6、值用UL表示，相电压的有效值用UP表示，由相量图可知它们的关系为故各线电压与对应的相电压的相量关系为(6-5)(6-6) 【例6-1】在星形连接的三相对称电压中，已知=22090V，试写出其他两相相电压和线电压的相量，并作出相量图。解 由公式(6-6)可得相量图如图6-5所示。图6-5 例6-1相量图 我国的低压配电系统的供电方式是三相四线制，规定线电压是380V，则相电压是220V。这样负载可根据额定电压决定其接法：若负载额定电压是380V，就接在两根端线之间；若额定电压是220V，就接在端线和中线之间。必须注意：不加说明的三相电源和三相负载的额定电压都是指线电压的有效值。2三相电源的三角形

7、连接(形连接) 将三相绕组的相头和相尾依次连接在一起，如图6-6所示，称为三相电源的三角形(形)连接。这时从三个连接点分别引出的三根端线就是火线。显然，当电源采用三角形连接时，线电压就是相电压，即 各线电压与对应的相电压用相量表示为(6-7) (6-8) 图6-6 三相电源的三角形连接 如果三相电源电压对称，则三相电压的相量和为，所以电源内部无环流。但是，实际电源的三相电压不是理想的对称三相电压，相量和并不是绝对等于零，电源内部有环流存在；并且如果某一相电压接错，则回路中的环流将很大，会烧坏电源绕组。所以，三相电源通常都接成星形，而不接成三角形。 6.2 三相负载的连接我们把接在三相电路中的三

8、组单相用电器(如照明灯、家用电器等)或三相用电器(如三相交流电动机)通称为三相负载。三相负载按三相阻抗是否相等分为对称三相负载和不对称三相负载。三相电动机和三相电炉等属前者；一些由单相电工设备接成的三相负载，如生活用电及照明用电负载，通常是取一条端线和中线(俗称地线)供给一相用户，取另一端线和中线供给另一相用户，这类接法三条端线上负载不可能完全相等，属不对称三相负载。三相负载的连接方式也有星形与三角形之分。6.2.1 三相负载的星形连接若把对称三相负载ZU、ZV、ZW一端连在一起，成为一个公共点N(称为负载的中点)，并接到三相电源的中线上，而各负载的另一端分别接到三相电源的端线上，就构成星形连

9、接，如图6-7所示。用四根导线把电源和负载连接起来的三相电路，称为三相四线制电路(Y0-Y0供电系统)。三相电路中，流过各相负载的电流称为相电流，而流经各端线的电流称为线电流。由图6-7可知，负载为星形连接时，电路有以下基本关系：(1)负载相电流等于相应的线电流，即(6-9) 图6-7 三相四线制电路 (2)负载相电压就是电源的相电压，即 三相负载为星形连接时，线电压是对应相电压的倍，即，且超前于相应的相电压30，即L=P+30，此时各线电压表达式为(6-10) (3)各相电压、电流遵从欧姆定律，即当三相负载对称，即ZU=ZV=ZW=Z时，则相电流也对称，有对于对称三相电路，只需取其中一相计算

10、，其余两相的电压或电流可以根据对称性得出。 (6-11) (6-12) (4)若三相负载电路对称，则负载的线电流也对称，根据基尔霍夫定律可得，中线电流等于零，即如果此时把中线去掉，只用三根线连接电源和负载，则为三相三线制电路(Y-Y)。工业生产上所用的三相负载(如三相电动机、三相电炉等)通常情况下都是对称的，可用三相三线制电路供电。但是，如果三相负载不对称，中线中就会有电流通过，此时中线不能除去，否则会造成负载上三相电压严重不对称，使用电设备不能正常工作。 (6-13) 【例6-2】对称三相负载作星形连接，且每相负载为纯电阻，大小为10，已知电源电压=3800V，求各相电流、线电流与中线电流的

11、相量。解 由星形连接的线电压与相电压关系，得负载为星形连接时，线电流等于相电流，则 根据对称三相电路的电流对称性，得其他两相电流为 因为三相负载是对称的，所以【例6-3】如图6-8所示，三相四线制电路中，星形负载各相阻抗分别为ZU=8+j6，ZV=3j4，ZW=10，三相电源电压为380V，求各相电流及中线电流。解 由于三相负载不对称，所以各线电流不对称，中线电流也不为零。设U相电压为参考电压，由题知UL=380V，则U相电压为 图6-8 例6-3图 由此得各相电流为 由此得中线电流为 由此例可知：(1)在对称的三相四线制电路中(负载为对称三相负载)，中线电流为零，即中线不起作用，可以去掉，成

12、为三相三线制供电系统。(2)三相负载不对称时，中线有电流通过，中线不能断开。(3)中线上不允许安装熔断器(保险)和开关；熔断器(保险)和开关只能装在端线(火线)或负载电路中。6.2.2 三相负载的三角形连接当负载的额定电压等于电源的线电压时，负载应分别接在三条端线之间，这时负载是按三角形方式连接的，如图6-9所示。将三相负载首尾依次连接成三角形后，分别接到三相电源的三根端线上。负载采用三角形连接时只能形成三相三线制电路。ZUV、ZVW、ZWU分别为三相负载，流过负载的相电流分别为，其参考方向如图6-9所示。图6-9 三角形连接的三相电路 若忽略端线阻抗，则三角形连接的负载电路具有以下关系： (

13、1)每相负载两端的相电压等于电源的线电压，即(2)流过每相负载的电流称为相电流，有效值IP。各相电流具体表示为(6-14) (6-15) 如果三相负载为对称负载，即ZUV=ZVW=ZWUZ，则有 (3)流过各端线的电流称为线电流，有效值IL。如果三相负载为对称负载，则线电流是对应相电流的倍，即，且滞后于相应的相电流30，即L=P30。各线电流具体表示为(6-16) (6-17) 即：线电流有效值是相电流有效值的倍，线电流滞后于相电流30。由上述分析可知，在负载为三角形连接时，相电压对称。若某一相负载断开，并不影响其他两相的工作。【例6-4】在图6-10(a)所示的负载作三角形连接的电路中，各相

14、负载的复阻抗Z=6+j8，外加线电压为380V。试求正常工作时负载的相电流和线电流，并画出相量图。解 三角形连接时，UP=UL=380V，若设相电压为参考电压，则对应的相电流为 由于正常工作时是对称电路，所以可推导出其他两相电流为由此，可得对应的线电流为 相量图如6-10(b)所示。 图6-10 例6-4图 6.3 三相电路的功率根据前面讨论已知，交流电路的总有功功率等于各部分有功功率之和，因此，不论三相负载是否对称，三相电路的有功功率等于各相的有功功率之和，即P=PU+PV+PW(6-18)当三相负载对称时，每相有功功率是相等的，因此三相总有功功率为 P=3PU=3UPIPcosf(6-19

15、)当对称三相负载作星形连接时，IL=IP，则当对称三相负载作三角形连接时，UL=UP，则 当对称三相负载作三角形连接时，UL=UP，则 观察可知：星形连接和三角形连接有功功率的表达式，均为线电压、线电流及功率因数乘积的倍，即 因此，只要是在对称电路中，无论负载作星形连接还是作三角形连接，三相电路的总有功功率均可由式(6-20)计算。这个公式在计算三相电路功率时具有普遍的实用意义。因为三相电路中线电压和线电流的数值比较容易测量，实际的三相电气设备铭牌标出的额定电压和额定电流，通常都是线电压和线电流的额定值。(6-20) 同理可推出对称三相电路的无功功率及视在功率为 但是，在不对称三相电路中，视在

16、功率不等于各相负载的视在功率之和，即SSUSVSW。在不对称三相电路中，由于各相功率因数不同，三相电路的功率因数便无实际意义。在对称三相电路中，三相电路的功率因数就是一相负载的功率因数，即(6-21) (6-22) (6-23) 【例6-5】有一个三相电动机，每相的等效电阻R6，等效电抗X8，用380V线电压的电源供电，试求分别采用星形连接和三角形连接时电动机的相电流、线电流和总的有功功率。解 每相阻抗为Z=6+j8=1053(1)星形连接时： 星形连接时总的有功功率为(2)三角形连接时:UP=UL=380V三角形连接时总的有功功率为 计算表明，在电源电压不变的情况下，同一负载作星形连接和三角

17、形连接时所消耗的功率是不同的，三角形连接时的功率是星形连接时的三倍。这就告诉我们，若要使负载正常工作，负载的接法必须正确。如果将正常工作为星形连接的负载误接成三角形，会因功率过大而烧毁负载；如果将正常工作为三角形连接的负载误接成星形，则会因功率过小而不能使负载正常工作。本章小结1.对称三相正弦量(1)定义：幅值(最大值)相等、频率相同、相位互差120的三相正弦量。(2)相量表示(以电压为例)： 2.相序定义：三相交流电依次达到正最大值的顺序。(1)顺相序：UVW。(2)表示颜色：U相黄色，V相绿色，W相红色。3.三相电源的连接方式1)星形(Y形)连接(1)三相四线制：一根中线(N)和三根端线(

18、U、V、W)构成的三相供电系统。(2)相电压UP：端线与中线之间的电压。(3)线电压UL：端线之间的电压。电源作星形连接时，。一般低压供电系统的线电压是380V，相电压是220V。2)三角形(形)连接(1)三相三线制：三根端线(U、V、W)构成的三相供电系统。 (2)线电压等于相电压4.对称三相负载的连接1)三相负载的星形连接(1)负载相电压等于电源相电压：(2)相电流：每相负载流过的电流，有效值用IP表示， (3)线电流：流过各端线的电流，有效值用IL表示，。(4)中线电流：。在对称的三相四线制电路中，中线电流为零。三相负载不对称时，中线有电流通过，中线不能断开。2)三相负载的三角形连接(1

19、)负载相电压等于电源线电压：(3)线电流：(2)相电流：5.对称三相电路的功率阅读材料：安全用电常识除了阳光、空气和水，现代文明须臾不可或缺的就是电了。从规模宏大的社会生产到千家万户的衣食住行，电已经渗透到人类活动的细微末节。电在给人们带来便利的同时，也会给人身带来伤害，所以平时要注意用电安全，防止触电事故的发生。触电是指电流流过人体时对人体产生的生理和病态伤害。这种伤害是多方面的，可分为电击和电伤两种类型。电击是电流通过人体内部，破坏人的心脏、神经系统、肺部的正常工作造成的伤害，会使人出现痉挛、呼吸窒息、心室纤维性颤动、心跳骤停甚至死亡。人体触及带电的导线、漏电设备的外壳或其他带电体，以及雷

20、击或电容放电，都可能导致电击，绝大部分触电死亡事故都是电击造成的。电伤是指由于电流的热效应、化学效应或机械效应对人体外表造成的局部伤害，它常常与电击同时发生。最常见的有电灼伤、电烙印、皮肤金属化三种类型。人体能感知的触电，与电源频率、电压、电流、通电时间、通电渠道等因素有关。譬如人手能感知的最低直流约为5mA10mA(毫安感觉阈值)，对60Hz交流电的感知电流约为1mA10mA。随着交流电频率的提高，人体对其感知敏感度下降，当电流电频率高达15kHz20kHz时，人体无法感知电流。1安全电流为了确保人身安全，一般以人触电后人体未产生有害的生理效应作为安全的基准。因此，通过人体一般无有害生理效应

21、的电流值，即称为安全电流。此外，电流强度越大，致命危险越大；持续时间越长，死亡的可能性越大。能使人感觉到的最小电流值称为感知电流，交流为1mA，直流为5mA；人触电后能自己摆脱的最大电流称为摆脱电流，交流为10mA，直流为50mA；在较短的时间内危及生命的电流称为致命电流，如100mA的电流通过人体1s，可足以使人致命，因此致命电流为100mA。2安全电压安全电压是指不使人直接致死或致残的电压。一般环境条件下，按30mA来限定电流，允许持续接触的安全电压是36V。根据生产和作业场所的特点，采用相应等级的安全电压，是防止发生触电伤亡事故的根本性措施。国家标准安全电压(GB380583)规定我国安

22、全电压额定值有5个等级：42V、36V、24V、12V和6V，应根据作业场所、操作员条件、使用方式、供电方式、线路状况等因素选用。3触电方式按照人体触及带电体的方式和电流流过人体的途径，电击可分为低压触电和高压触电。其中低压触电可分为单线触电和双线触电，高压触电可分为高压电弧触电和跨步电压触电。(1)单线触电，如图6-11(a)所示。当人体直接碰触带电设备其中的一线时，电流通过人体流入大地，这种触电现象称为单线触电。低压电网通常采用变压器低压侧中性点直接接地和中性点不直接接地(通过保护间隙接地)的接线方式。(2)双线触电，如图6-11(b)所示。人体同时接触带电设备或线路中的两相导体，电流从一

23、相导体通过人体流入另一相导体，构成一个闭合电路，这种触电方式称为双线触电。发生双线触电时，作用于人体的电压等于线电压，这种触电是最危险的。 (3)高压电弧触电，如图6-12(a)所示。指人靠近高压线(高压带电体)，造成弧光放电而触电。高压输电线路的电压高达几万伏甚至几十万伏，即使不直接接触，在接近过程中人会看到一瞬的闪光(弧光)，并被高压击倒触电受伤或死亡。图6-11 低压触电 (4)跨步电压触电，如图6-12(b)所示。当电气设备发生接地故障，接地电流通过接地体向大地流散，在地面上形成电位分布时，若人在接地短路点周围行走，其两脚之间的电位差就是跨步电压。由跨步电压引起的人体触电，称为跨步电压

24、触电。跨步电压的大小受接地电流大小、鞋和地面特征、两脚之间的跨距以及离接地点的远近等很多因素的影响。人的跨距一般按0.8m考虑。图6-12 高压触电 4触电事故应急处理如果遇到触电情况，要沉着冷静、迅速果断地采取应急措施。针对不同的伤情，采取相应的急救方法，争分夺秒地抢救，直到医护人员到来。触电急救的要点是动作迅速，救护得法。发现有人触电，首先要使触电者尽快脱离电源，然后根据具体情况，进行相应的救治。下面介绍一些及时脱离电源的方式。(1)如开关箱在附近，可立即拉下闸刀或拔掉插头，断开电源。(2)如距离闸刀较远，应迅速用绝缘良好的电工钳或有干燥木柄的利器(刀、斧、锹等)砍断电线，或用干燥的木棒、

25、竹竿、硬塑料管等物迅速将电线拨离触电者，如图6-13所示。(3)若现场无任何合适的绝缘物(如橡胶、尼龙、木头等)，救护人员亦可用几层干燥的衣服将手包裹好，站在干燥的木板上，拉触电者的衣服，使其脱离电源。(4)对高压触电，应立即通知有关部门停电，或迅速拉下开关，或由有经验的人采取特殊措施切断电源。图6-13 触电事故应急处理 脱离电源的注意事项：(1)救护者一定要判明情况，做好自身防护。(2)在触电人脱离电源的同时，要防止二次摔伤事故。(3)如果是夜间抢救，要及时解决临时照明，以避免延误抢救时机。 实验10三相交流电路电压、电流的测量1.实验目的(1)验证三相负载采用星形、三角形两种接法时，线、

26、相电压及线、相电流之间的关系。(2)充分理解三相四线供电系统中中线的作用。2.实验器材三相自耦调压器、三相灯组负载，交流电压表、交流电流表、万用表。如做仿真实验使用Multisim仿真软件。3.实验原理(1)三相负载可采用星形(Y形)或三角形(形)连接。当三相对称负载作Y形连接时，线电压是相电压的倍，线电流等于相电流，即在这种情况下，流过中线的电流为零，所以可以省去中线。当对称三相负载作形连接时，有，UL=UP。(2)不对称三相负载作Y形连接时，必须采用三相四线制接法，而且中线必须牢固连接，以保证三相不对称负载的每相电压维持对称不变。倘若中线断开，会导致三相负载电压不对称，致使负载轻的那一相的

27、相电压过高，使负载遭受损坏，负载重的一相相电压又过低，使负载不能正常工作。尤其是对于三相照明负载，无条件地一律采用三相四线制接法。(3)当不对称负载作形连接时，ILIP，但只要电源的线电压UL对称，加在三相负载上的电压仍是对称的，对各相负载工作没有影响。4.实验内容1)三相负载星形连接(三相四线制供电)按图6-14搭接实验电路。即三相灯组负载经三相自耦调压器接通三相对称电源。将三相调压器的旋柄置于输出为0V的位置(即逆时针旋到底)。经指导教师检查后，方可开启试验台电源，然后调节调压器的输出，使输出的三相线电压为220V。按表6-1内容完成各项实验，分别测量三相负载的线电压、相电压、线电流、相电流及中线电流。将测得的数据记入表6-1中，并观察各相灯组亮暗的变化程度，特别注意观察中线的作用。图6-14 三相负载星形连接实验电路图 表6-1 三相负载星形连接测量参数 2)负载三角形连接(三线三线制供电)按图6-15改接线路，虚线框内的3个灯泡符号分别代表三组负载灯，每组3个。经指导教师检查后接通三相电源，并调节调压器，使其输出线电压为220V，按表6-2的内容进行测试，并记录实验数据。 图6-15 负载三角形连接实验电路 表6-2 三相负载