下面是小编为大家整理的《电工基础》教材-模块四三相交流电路,供大家参考。
模块四 三相交流电路 电能的生产、输送和分配几乎全部采用三相制，日常照明用的单相交流电也是三相交流电中的一相。
本模块以两个单元为引领主要探讨研究了三相交流电的基础知识及三相电源的连接；三相负载的对称连接和不对称连接以及三相电功率的计算方法，介绍中性线的的概念，并通过三相照明电路的安装与调试加深 理解和认识。
单元一
三相正弦交流电及其电源的基本连接电路
【学习目标】
1.了解三相正弦交流电的产生原理 2.理解三相对称电动势 3.掌握三相电源的连接方式及特点 【能力目标】
1.学会分析三相电源之间的关系
一、三相交流电路的基本知识 （一）三相交流电的特点
（1）三相交流发电机比同样体积的单相交流发电机输出的功率大，使用维护方便，振动小。
（2）在输送功率、电压相同和输电距离、线路损失相等的情况下，采用三相制输电比单相输电所用的导线的用量可以节约 25％。
（3）能方便地获得三组单相交流电，满足单相、三相用电器的使用需要。
（二）三相交流电的产生 三相正弦交流电源是由三相交流发电机产生的，也可以由三相变压器绕组提供。图 4-1（a）所示为最简单的三相交流发电机的示意图。
知识探究
同单相交流发电机一样，三相交流发电机的磁极所产生的磁场在电枢表面上呈正弦规律分布，在转子上装有三个互相独立的绕组，它们的材料、尺寸和几何形状均相同，但是空间的位置互差 120°，三个绕组的首端分别用 U1、V1、W1 表示；末端分别用 U2、V2、W2 表示。
当三相交流发电机的转子等速旋转时，三个绕组均切割磁感线，分别产生正弦交变电动势 e U 、e V 、e W ,如图 4-1（b）所示。三个电动势最大值相等、频率相同、相位互差 120º，称为三相对称电动势 。由三相对称电动势组成的电源，称为三相交流电源。
U1 V1 W1U2 V2 W2e U e V e W+ + +_ _ _ （a）原理示意图
（b）产生交变电动势 图 4-1 三个电动势依次到达最大值的顺序称为相序，通常规定正相序(顺相序)为 UVWU，此时选用 U 相电动势 e U 为参考电动势，则 V 相的电动势 e V 比 Ue 滞后 120º，W 相的电动势 e W 比 e V 滞后 120º。相序 UWVU 与正序相反，称为负相序（逆相序），如无特别说明，一般三相对称电动势都是指正相序。在实际工作中，通常采用黄、绿、红三种颜色标识U、V、W 三相。
（三）三相对称电动势的表示法 三相对称电动势可以用三角函数式表示为
三相对称电动势瞬时值 e U 、e V 、e W 的波形图和矢量图如图 4-2 所示。
tV E em U sin V t E em V) 120 sin( V t E em W) 120 sin(
图 4-2 三相对称电动势 二、三相电源的连接 三相发电机的三个绕组不是独立的向外送电，而是按照一定的连接方式组成一个整体相负载供电。三相电源由两种供电方式，三相四线制（Y 形）和三相三线制（Δ 形）。
（一）
三相四线制供电（Y 形）
三相四线制供电（Y 形）连接方式是把三相绕组的末端 U2、V2、W2 连接在一起，形成一个公共点 N，此点成为中性点。由中性点外引出连接线称为中性线（俗称零线）；由绕组首端 U1、V1、W1 分别向外引出连接线称为端线或相线（俗称火线），如图 4-3 所示。
图 4-3 三相四线制供电方式（Y 形）
相电压：各相线与中性线之间的电压，分别用UU、VU、WU来表示，相电压的参考方向规定为由相线指向中性线。
线电压：任意两根相线 之间的电压，分别用UV U、VW U、WU U来表示，线电压的参考方向由注脚字母的先后次序来决定，例如UV U的电压方向为 U 端指向 V 端，书写时不能任意颠倒，否则在相位上相差 180°。
三相四线制相电压和线电压的矢量图如图 4-4 所示。
图 4-4 三相四线制相电压和线电压的矢量图 在电工技术上，通常用 U P 表示相电压的有效值，用 U L 表示线电压的有效值。
三相四线制供电系统具有以下特点：
① 有两组供电电压，即相电压和线电压； ② 三个相电压和三个线电压均为对称电压； ③ 线电压的大小等于相电压的 3 倍，记为P LU U 3 ； ④ 各线电压在相位上比对应的相电压超前 30º。
在日常使用的三相四线制低压供电系统中，相电压为 220V，线电压为 380V。
（二）
三相三线制供电（ Δ 形）
三相供电也可以采用三相三线制供电方式（Δ 形），即把三个绕组的首端和末端依次相接，使其构成闭合回路，再从这三个连接点引出三根相（端）线，如图 4-5 所示。
图 4-5 三相三线制供电方式（Δ 形）
当采用三相三线制供电方式（Δ 形）时，只能提供一种电压，线电压等于相电压，回路中的总电动势为零，因此接线正确时，三相绕组回路中不会产生环流，电流也为零。若是把其中的某一相接反，则此时三个电动势的代数和不为零，在三相绕组中便会产生很大环流，将可能烧毁发电机。因此，三相发电机绕组一般不作三相三线制供电方式（Δ 形）连接。
单元测评 三相四线制供电（Y 形）的应用场合：通常在低压配电系统中采用；三相三线制供电方式（Δ 形）应用场合：通常在高压输电工程中采用。
三相电源的 Y 形联结中，当三相负载对称时，中线可省略，三相四线变为三相三线。三相四线制供电系统中，若一相绕组接反则输出的三个线电压不对称，与接反一相有关的两个线电压的大小将等于相电压，所以要确定星形连接的三相电源是否相反，可用电压表测出三个线电压是否相等；若相等，说明没有接反；若其中一个等于另外两个线电压的 3倍，则与较小两相均有关的一相接反。
三相电源的△ 形联结，若其中某一相接反，回路中的总电动势等于 2 倍的相电压，在三相绕组中会产生很大电流，烧毁发电机，因此三相发电机通常不作△形联结。确定三角形连接的三相电源是否接反，可以利用开口三角形测电压的方法来确定，即将三角形连接的三相电源的一个连接断开，接入电压表，看电压表是否为 0，为 0 说明连接正确，电压较大说明一相绕组接反。注意：不能用测量回路电流的方法来判断，以防在测量时因电流过大损坏仪表或绕组。
1．对三相对称电动势的说法正确的是哪几个？
（1）因为对称，所以三个电动势同时到达最大值 （2）它们到达最大值的时间依次落后 13 周期 （3）它们的周期相同，有效值也相同 （4）它们因为空间位置不同，所以最大值不同 2．星形连接的三相电源，已知 A 相电压为 u A ＝220 2sin(ωt＋0°)V，请写出线电压 u BC的表达式。
3．已知某三相交流发电机各相绕组的电压为 220V，如题图 4-1 所示，请问此时电压表的读数是多少？
题图 4-1 4.有一台三相发电机，绕组接成星形，每相绕组电压为 220V，在实验时用电压表测得各相电压均为 220V，但线电压 UVW＝380V，UUV＝220V，UWU＝220V，试说明原因。
知识探究 单元二
三相负载的连接及简单计算
【学习目标】
1.了解三相负载的连接方式 2.理解中性线的作用 【能力目标】
1.学会三相电功率的计算方法 2.能够简单安装与调试三相照明电路
由三相电源供电的负载叫三相负载。三相负载可以是一个整体，如三相电动机；也可以是独立的三个单相负载，如日常生活中的照明电路。
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W V UR R R ，W V UX X X 。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。三相负载也有两种连接方式，即星形（Y 形）和三角形（△ 形）联结方式。
一、三相负载的连接 （一）三相负载的星形联结
图 4-6
三相负载的星形联结 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。如图 4-6 所示为三相负载星形联结的原理图和实际电路图。
当输电线的电阻被忽略时，负载的相电压等于电源相电压 P YPU U
电源的线电压与负载的相电压关系为 YP L3U U
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UI 、VI 、WI 表示，一般用YPI 来表示。流过每根相线的电流称为线电流，分别用uI 、vI 、wI来表示，一般用LI 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UI ＝uI ，VI ＝vI ，WI ＝wI 。
一般写成
LI ＝PI
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 W V U NI I I I
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，如图4-7(a)所示。即 0W V U N I I I I
由于电流是瞬时值，三相电流瞬时值的代数和也为零，即 0W V U N i i i i 。因此对称负载下中性线便可以省去不用，电路变成如图 4-7（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。
W V U NI I I IW V U Ni i i i （a）
三相对称负载相电流矢量图
（b）三相对称负载的三相三相制 图 4-7 若负载不对称，则中性线电流不为零，其中性线电流为
或
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。
如图 4-8 所示，把额定电压为 220 V，功率分别为 l00 W、60 W 和 40 W 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 S N ，如图 4-8(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，如图 4-8(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，40 W 的灯反而比 l00 W 的灯亮得多。其原因是，没有中性线，两个灯(40 W 和 l00 W 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(380 V)。又由于 l00 W 的灯的电阻比 40 W 的灯的电阻小，由串联分压可知它两端的电压也就小。因此，l00 W 的灯反而较暗，40 W 的灯两端的电压大于 220 V，会发出更强的光,还可能将灯烧毁。
图 4-8 三相不对称负载
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。
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 3倍，即YP L3U U ； （2）每一相相线的线电流等于流过负载的相电流，即LI ＝PI ； （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 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 4-9 图(a)所示为负载作三角形联结的原理图，图 4-9(b)所示的是三相负载三角形联结的实际电路图。
图 4-9 三相负载的三角形联结 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 L ΔPU U
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UVLWU VW UVZUI I I ，采用矢量表示可求出线电流与相电流之间有以下关系 ΔP ΔL3I I
结论：
当三相负载作三角形联结时：
（1）相电压等于线电压，即L ΔPU U ； （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 3倍，一般写成ΔP ΔL3I I 。
二、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W V UP P P P 。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 cosP P W V UI U P P P ，负载消耗的总功率可以写成 cos 3P P IU P
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）
——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...
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