模块六　三相交流电路（课件）-《电工基础》同步教学（劳保版，第二版）

模块六 三相交流电路 306 课题二　三相负载的连接方式 课题一　三相交流电源 课题三　提高功率因数的意义和方法 课题一　三相交流电源 308 学习目标 1. 了解三相交流电的产生和特点。 2. 掌握三相电源绕组星形联结时线电压和相电压的关系。 3. 了解三相四线制和三相三线制供电方式。 4. 了解三相电源绕组三角形联结时线电压和相电压的关系。 309 模块六　三相交流电路 310 三相输电线 a） 三相架空线　b） 三相异步电动机电源线 模块六　三相交流电路 目前电能的产生、输送和分配大都采用三相交流电。和单相交流电相比，三相交流电具有以下优点： 第一，三相交流发电机比体积相同的单相交流发电机输出的功率要大。 第二，三相交流发电机的结构不比单相交流发电机复杂多少，但使用、维护都比较方便，运转时比单相交流发电机的振动要小。 第三，在同样条件下输送同样大的功率，特别是在远距离输电时，三相输电比单相输电节约材料。 第四，从三相电力系统中可以很方便地获得三个独立的单相交流电。当有单相负载时，可使用三相交流电中的任意一相。 311 模块六　三相交流电路 一、三相交流电动势的产生 如图所示为一种实验用简易三相交流发电机模型。 312 实验用简易三相交流发电机模型 模块六　三相交流电路 在三组颜色不同的两个接线柱间各接入一只灯泡，摇动手柄，灯泡发亮。若将灯泡换成检流计，缓缓摇动手柄，会看到检流计指针来回摆动。这表明，发电机产生了三个交流电动势。 若接入的是三只检流计，还会发现，各指针的摆动并不同步。这表明，三个交流电动势的相位不同。 313 模块六　三相交流电路 这三个交流电动势的大小和相位关系是由发电机本身的结构决定的。如图所示为三相交流发电机的原理图。与单相交流发电机相似，三相交流发电机也是由定子和转子组成的。转子是电磁铁，其磁极表面的磁场按正弦规律分布。定子铁芯中嵌放三个在尺寸、匝数和绕法上完全相同的绕组，三相绕组始端分别用 U1、V1、W1 表示，末端用 U2、V2、W2 表示，分别称为 U 相、V 相、W 相，三个绕组在空间位置上彼此相隔 120°。 314 模块六　三相交流电路 315 三相交流发电机的原理图 a） 发电机结构　b） 电枢绕组　c） 三相绕组及其电动势 模块六　三相交流电路 当转子在外力带动下以角速度 ω 做逆时针匀速转动时，三相定子绕组依次切割磁感线，产生三个对称的正弦交流电动势。电动势的参考方向选定为从绕组的末端指向始端，即电流从始端流出时为正，反之为负。 由上图a 可见，当电磁铁的 N 极转到 U1 处时，U 相的电动势达到正的最大值。经过 120°后，电磁铁的 N 极转到 V1 处，V 相的电动势达到正的最大值。同理，再由此经过 120°后，W 相的电动势达到正的最大值，如此周而复始。这三相电动势的相位互差120°。 316 模块六　三相交流电路 若以 U 相为参考正弦量，可得三相正弦交流电动势 eU 、eV 、eW 的解析式如下： eU 、eV 、eW 的波形图和相量图如图所示。 317 模块六　三相交流电路 三相对称交流电动势到达最大值的先后次序称为相序。如按 U →V →W →U 的次序循环称为正序；按 U →W →V →U 的次序循环则称为负序。 318 三相正弦交流电动势的波形图和相量图 a） 波形图　b） 相量图 模块六　三相交流电路 二、三相电源绕组的星形联结 上述发电机的每个绕组各接上一个负载，就得到三个独立的单相电路，如图所示。这样要用六根导线，很不经济。实际上，三相电源通常都采用星形联结，如图a 所示。 319 三相六线制电路 模块六　三相交流电路 将三相交流发电机中三相绕组的末端 U2、V2、W2 连接在一起，成为一个公共点，始端 U1、V1、W1 引出线作输出线，这种连接方式称为星形联结，用 “Y” 表示。从三个绕组始端 U1、V1、W1 引出的三根线称为相线 （俗称火线），用 L1、L2、L3 表示，并分别用黄、绿、红三种颜色作为标志。三个绕组的末端连接在一起，成为一个公共点，称为中性点，简称中点，用 N 表示。从中性点引出的输电线称为中性线，简称中线。中线通常与大地相接，并把接地的中性点称为零点，而把接地的中性线称为零线。工程上，零线或中线所用导线一般用蓝色表示。有时为了简便，常不画发电机的绕组连接方式，只画四根输电线表示相序，如图b 所示。 320 模块六　三相交流电路 321 电源绕组的星形联结 模块六　三相交流电路 由三根相线和一根中线所组成的输电方式称为三相四线制，目前在低压供电系统中多数采用三相四线制供电。 相线与相线之间的电压称为电源的线电压，分别用 表示，通用符号为 。规定线电压的参考方向是自 U 相指向 V 相，V 相指向 W 相，W 相指向 U 相。相线与中性点之间的电压称为电源的相电压，分别用 表示，通用符号为 。规定相电压的参考方向为始端指向末端。 作出 的相量图，如上图所示，可得线电压与相电压之间的关系为 322 模块六　三相交流电路 323 三相四线制线电压与相电压的相量图 模块六　三相交流电路 又因为 ，在图中作出 ，利用几何方法可以求出三个线电压，它们也是对称三相电压，其有效值为 从如图可以看出，线电压总是超前于对应的相电压 30°。 发电机 （或变压器） 的绕组接成星形，采用三相四线制供电，可以提供两种对称三相电压，一种是对称的相电压，另一种是对称的线电压。目前，电力电网的低压供电系统中的线电压为 380 V，相电压为 220 V，常写作 “电源电压 380 V / 220 V”。 324 模块六　三相交流电路 实际应用中，通常在三相四线制的基础上，另增加一根专用保护线 （ 称为保护零线，也称接地线） 与接地网相连，从而更好地起到保护作用，如图所示。保护零线一般用黄绿相间色作为标志，用 PE 表示。相应地，原三相四线制中的零线一般称为工作零线。 325 增加保护零线的三相四线制供电 模块六　三相交流电路 工作生活中日常使用的单相交流电都是由上述供电系统得来的。其中，取三根相线中的一根为相线，同时保留工作零线和保护零线。按照规范，单相三孔插座的接线必须遵循“左零 （N） 右相 （L） 上接地 （PE） ” 的原则，单相两孔插座不接保护零线，遵循 “ 左零 （N） 右相 （L） ” 的原则，如图所示。 326 单相插座 模块六　三相交流电路 如图所示为增加保护零线的三相四线制供电系统示意图。 327 增加保护零线的三相四线制供电系统示意图 模块六　三相交流电路 三相电源绕组星形联结时，中线不引出，由三根相线对外供电的方式，称为三相三线制供电，如图所示。三相三线制供电只能向三相用电器供电，提供线电压，不能向单相用电器供电，主要用于高压输电线路和低压动力线路。 328 三相三线制供电 模块六　三相交流电路 三、三相电源绕组的三角形联结 将三相电源内每相绕组的末端和另一相绕组的始端依次相连的连接方式，称为电源的三角形联结，用 “△” 表示，如图所示。 329 电源绕组的三角形联结 模块六　三相交流电路 在上图中可以明显看出，三相电源绕组作三角形联结时，线电压就是相电压，即其有效值为 UL = UP 若三相电动势对称，则三角形闭合回路的总电动势等于零，即 由此可以得出，这时电源绕组内部不存在环流。但若三相电动势不对称，则回路总电动势就不为零，此时即使外部没有负载，也会因为各绕组本身的阻抗均较小，使闭合回路内产生很大的环流，这将使绕组过热，甚至烧毁。因此，三相交流发电机绕组一般不采用三角形联结而采用星形联结。 330 模块六　三相交流电路 课题二 三相负载的连接方式 331 学习目标 1. 理解三相负载作星形联结和三角形联结时，负载相电压与线电压以及相电流与线电流的关系。 2. 理解中线的作用。 3. 了解三相对称负载功率的计算方法。 332 模块六　三相交流电路 接在三相电源上的负载统称为三相负载。如果各相负载的电阻、电抗相同，则称为三相对称负载，如三相电动机、三相变压器、三相电阻炉等。如果各相负载不同，则称为三相不对称负载，如三相照明电路中的负载。 使用任何电气设备，均要求负载承受的电压不能超过它的额定电压，所以负载要采用一定的连接方式，以满足负载对电压的要求。与三相电源相似，三相负载的连接方式也有两种： 星形 （Y ） 联结和三角形 （△） 联结。 333 模块六　三相交流电路 由下图所示两台三相异步电动机的铭牌可知，其中一台电动机采用星形联结，另一台电动机采用三角形联结。 334 两台三相异步电动机的铭牌 模块六　三相交流电路 一、三相负载的星形联结 把三相负载分别接在三相电源的一根相线和中线之间的接法称为三相负载的星形联结，如图a 所示。图中 ZU 、ZV 、ZW 为各负载的阻抗值，N′为负载的中性点。 335 三相负载的星形联结及电流相量图 a） 三相负载的星形联结　b） 电流相量图 模块六　三相交流电路 负载两端的电压称为负载的相电压。当三相负载作星形联结时，如果忽略输电线上的电压降，负载的相电压就等于电源的相电压，电源的线电压为负载相电压的 倍，即 式中，UYP 表示负载作星形联结时的相电压。线电压的相位超前相应的相电压 30°。 流过每根相线的电流称为线电流，其方向规定为由电源流向负载；流过每相负载的电流称为相电流，其方向规定为与相电压方向一致；流过中线的电流称为中线电流，其方向规定为由负载中性点 N′流向电源中性点 N。 336 模块六　三相交流电路 显然，三相负载作星形联结时，线电流等于相电流，即 IYL = IYP 若三相负载对称，则各负载中的相电流也相等，而且三个相电流的相位差也互为 120°。 中线电流为各相电流的相量和，由上图b 所示电流相量图很容易得出： 三个相电流的相量和为零，即 337 模块六　三相交流电路 实验结果表明： 1. 三相对称负载作星形联结时，各相负载相电压相等，均等于电源相电压。 2. 三相对称负载作星形联结时，流过三相对称负载的各相电流相等，线电流的大小等于相电流。 338 模块六　三相交流电路 3. 三相不对称负载作星形联结有中线时，流过三相不对称负载的各相电流不相等，中线电流不等于零。 4. 三相不对称负载作星形联结有中线时，各相负载相电压相等，均等于电源相电压，各相负载能正常工作。 5. 三相不对称负载作星形联结无中线时，各相负载相电压不相等，阻抗小的负载相电压减小，阻抗大的负载相电压增大，各相负载不能正常工作。 339 模块六　三相交流电路 二、三相负载的三角形联结 把三相负载分别接在三相电源每两根相线之间的接法称为三相负载的三角形联结，如图a 所示。在三角形联结中，由于各相负载是接在两根相线之间，因此不论负载是否对称，各相负载的相电压均与电源的线电压相等，即 U△P = UL 340 三相负载的三角形联结及电流相量图 a） 三相负载的三角形联结　b） 电流相量图 模块六　三相交流电路 如上图a 中所标 为线电流， 为相电流。如上图 b 是以 的初相位为零作出的相量图。从相量图可求得三个相电流和三个线电流都是数值相等且相位互差 120°的三相对称电流。线电流和相电流的关系为 从如上图 b 可以看出，线电流总是滞后于相应的相电流 30°。 341 模块六　三相交流电路 实验结果表明： 1. 三相对称负载作三角形联结时，各相负载相电压等于电源线电压，三根相线的线电流相等，三相负载的相电流相等。 2. 三相不对称负载作三角形联结时，各相负载相电压均等于电源线电压，三根相线的线电流不相等，三相负载的相电流不相等。 342 模块六　三相交流电路 三、三相负载的功率 在三相交流电路中，三相负载的有功功率为各相负载的有功功率之和，即 P = PU +PV +PW 在三相对称电路中，各相负载的相电压、相电流的有效值相等，功率因数也相等，因而总有功功率为一相有功功率的 3 倍，即 P = 3PP = 3UP IP cosφP 在实际工作中，测量线电流比测量相电流要方便 （ 指三角形联结的负载），因此三相负载功率的计算式通常用线电流、线电压来表示。 343 模块六　三相交流电路 当对称负载作星形联结时，有功功率为 当对称负载作三角形联结时，有功功率为 即三相对称负载不论作星形联结还是三角形联结，其总有功功率均为 同理，可得三相对称负载的无功功率和视在功率的计算式，它们分别为 344 模块六　三相交流电路 可以得出以下两点结论： 第一，在线电压不变时，负载作三角形联结时的功率为作星形联结时功率的 3 倍。 第二，只要每相负载所承受的相电压相等，那么不管负载接成星形还是三角形，负载所消耗的功率均相等。 345 模块六　三相交流电路 课题三 提高功率因数的 意义和方法 346 学习目标 1. 了解提高功率因数对于节约电能和提高供电质量的重要意义。 2. 了解提高功率因数的常用方法。 3. 了解感性负载并接电容器提高功率因数的实际应用。 347 模块六　三相交流电路 某企业为用电大户，在每月用电负荷相同的情况下，采用并接电容器的补偿方法后，所交电费比以前明显减少，这是为什么呢? 这就涉及提高功率因数的问题。 企业所用交流设备多为感性负载，如电动机、变压器、感应加热炉、电磁铁、高压汞灯、高压钠灯等。计算它们的有功功率应用下式： P = UIcosφ 式中，cosφ 为功率因数。对于纯电阻负载，cosφ = 1。感性负载的功率因数 cosφ < 1，这就意味着，在电感性电路中，有功功率只占电源容量的一部分，还有一部分能量并没有消耗在负载上，而是在负载与电源之间反复进行交换，这就是无功功率，它占用了电源的部分容量。 348 模块六　三相交流电路 一、提高功率因数的意义 功率因数是高压输电线路的运行指标之一，它反映了电源设备的容量利用率。提高用户的功率因数，对于提高电网运行的经济效益和节约电能都具有重要意义。 1. 充分利用电源设备的容量 如果一个电源的额定电压为 UN ，额定电流为 IN ，那么它的额定容量即额定视在功率： SN = UN IN 349 模块六　三相交流电路 2. 减小输电线路的功率损耗 输电线路本身具有一定阻抗，在电源电压一定的情况下，对于相同功率的负载，功率因数越低，电流越大，输电线路上电压降和功率损耗也越大。 如果输电线路上的电压降过大，还会使负载的端电压随之减小，造成电网末端的用电设备长期处于低压运行状态，影响其正常工作。为了减少电能损耗，改善供电质量，就必须提高功率因数。 350 模块六　三相交流电路 二、提高功率因数的方法 1. 提高设备自身功率因数 异步电动机和变压器是占用无功功率最多的电气设备，当异步电动机和变压器实际负荷比其额定容量低许多时，功率因数将急剧下降。要提高功率因数就要合理选用异步电动机和变压器，使它们的容量与负载相配合，接近满载运行，避免 “大马拖小车” 的现象。 此外，还要合理安排工艺流程，改善电气设备运行方式，尽量不要让电焊机、机床电动机等空载运行；对于负载有变化且经常处于轻载运行状态的电动机，在运行过程中，采用△—Y 接线的自动转换，使电路的功率因数提高。 351 模块六　三相交流电路 2. 并接电容器补偿 如果采用提高设备自身功率因数措施后，仍达不到供电部门规定的标准，就必须采用补偿装置以改善功率因数。常采用的方法是并接电容器补偿，即在电动机、变压器等感性负载两端并联合适的电容器来提高电路的功率因数。 如图 a 所示，将电力电容器与感性负载并联，设感性负载原功率因数为 cosφ。并接电力电容器后，总电流由 I 减小到 I′，电路的功率因数也由 cosφ 提高到 cosφ′，如图 b所示。 352 模块六　三相交流电路 353 电容器与感性负载并联 a） 电路图　b） 相量图 模块六　三相交流电路 在工厂供配电系统中，常采用个别补偿、分组补偿、集中补偿等不同的补偿方式。其中，集中补偿方式初投资较少，且便于控制和维护，所以应用更为广泛。 354 设备并接电容器补偿 a） 个别补偿　b） 集中补偿 模块六　三相交流电路 并接电容器的容量越大，功率因数提高越多。但并不要求把功率因数补偿到 1，一般达到 0. 9 以上即可，如图所示。如果要使电路功率因数接近 1，所需电容器容量很大，这将大大增加设备投资，如果电容器的容量过大，造成 “ 过补偿” ，会使电路变成电容性，功率因数 cosφ 反而会降低。目前，大多采用智能无功功率自动补偿控制器，如图所示，可根据无功功率的变化情况，自动控制投入的电容器数量，以实现最佳补偿。 355 模块六　三相交流电路 356 指针式功率因数表 智能无功功率自动补偿控制器 模块六　三相交流电路 $$