由三相交流電源供電的電路。簡稱三相電路。三相交流電源是指能夠提供 3個頻率相同而相位不同的電壓或電流的電源,其中最常用的是三相交流發(fā)電機。1891年世界上第一臺三相交流發(fā)電機在德國勞芬發(fā)電廠投運,并建成了第一條從勞芬到法蘭克福的三相交流輸電線路。由于三相電路輸送電力比單相電路經(jīng)濟,三相交流電機的運行性能和效率也遠(yuǎn)較單相交流電機為優(yōu),因此目前世界上電力系統(tǒng)和動力用電都幾乎無例外地采用三相制。
三相交流電源 三相發(fā)電機有 3個繞組。它們構(gòu)成對稱的三相電源,其中每一個電源稱為一相。各相電壓的瞬時值分別為
它們有相同的振幅Um和頻率,而三者的相位卻互差120°電角度(即1/3周期)。三相電壓的相量分別為
式中Up是相電壓U的有效值(Up=Um/匇)。相電壓的瞬時值和相量可分別用波形圖(圖1a)和相量圖(圖1b)表示。
三相交流電路
三相電源中各相電壓超前或滯后的排列次序稱為相序。若a相電壓超前b相電壓,b相電壓又超前c相電壓,這樣的相序是a—b—c相序,稱為正序;反之,若是c—b—a相序,則稱為負(fù)序(又稱逆序)。三相電動機在正序電壓供電時正轉(zhuǎn),改成負(fù)序電壓供電則反轉(zhuǎn)。因此,使用三相電源時必須注意它的相序。但是,許多需要正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)設(shè)備可利用改變相序來實現(xiàn)三相電動機正反轉(zhuǎn)控制。
三相電源連接方式 通常有兩種方式:一種是星形連接(Y形),另一種稱為三角形連接(△形)。從3個電源的始端a、b、c引出的3條導(dǎo)線稱為端線(俗稱火線)。任意兩根端線之間的電壓妧ab、妧bc、妧ca稱為線電壓。兩種不同連接方式的接線圖,線電壓和相電壓的相量圖如圖2圖3所示,線電壓與相電壓的關(guān)系見表所列。
三相交流電路
三相交流電路
三相交流電路
星形連接時線電壓為相電壓的呑倍,3個線電壓之間的相位差仍為120°,它們比3個相電壓各超前30°。星形連接有一個公共點(接線圖中的點n),稱為中性點。三角形連接時線電壓等于相電壓,而且 3個電源形成一個回路,只有當(dāng)三相電源對稱并連接正確時(此時妧a+妧b+妧c=0)才能保證電源內(nèi)部沒有環(huán)流。
三相負(fù)載 按照三相阻抗是否相等可以分成對稱三相負(fù)載和不對稱三相負(fù)載。有些三相負(fù)載,諸如三相電動機、三相電爐等的三相阻抗完全相等,屬于對稱三相負(fù)載。一些由單相電工設(shè)備接成的三相負(fù)載,如生活用電、照明用電負(fù)載,通常是取一條端線和由中性點引出的中線(俗稱地線)供給一相用戶,取另一條端線和中線給另一相用戶。按這樣接法,3條端線上的負(fù)載不可能完全相等, 故屬于不對稱三相負(fù)載。
三相負(fù)載的連接方法與三相電源一樣也有星形連接和三角形連接兩種。中性點不與外界連接的星形連接和三角形連接都是只通過3個端點與電源相連, 根據(jù)外特性相同的原則,不論是對稱還是不對稱的三相負(fù)載都能進行等效變換(見星形-三角形變換)。
對稱三相電路計算 對稱三相電路中的三相電源、三相負(fù)載和三相端線都是對稱的。三相端線對稱是指三根輸電用的導(dǎo)線阻抗完全相等。對稱的三相電源和三相負(fù)載可以是星形或三角形連接,因為通過星形-三角形變換總可以將二者都變成等效的星形而成為Y-Y連接的對稱三相電路(圖4)。
三相交流電路
應(yīng)用節(jié)點電壓法可求得圖4中妧nN=0,所以對稱三相電路只要計算其中一相的電壓和電流,其他兩相的電壓和電流可根據(jù)對稱性直接寫出。中線電流夒N=夒a+夒b+夒c=0,這說明Y-Y連接的對稱三相電路的中線電流為零,因此中線存在與否對于對稱三相電路并不產(chǎn)生任何影響。 這樣一個只有3根導(dǎo)線的三相系統(tǒng)所能傳送的功率與3個單相系統(tǒng)相同。但是,三相系統(tǒng)的線路損耗卻只有3個單相系統(tǒng)的一半,原因是后者必須用6條輸電導(dǎo)線。
不對稱三相電路計算 只要三相電源、三相負(fù)載和三相傳輸線三者之一不對稱就是不對稱三相電路。在實用中主要是三相負(fù)載不對稱。 常見的不對稱電路有3種:①向不對稱星形連接負(fù)載供電的三相四線制電路;②向不對稱三角形連接負(fù)載供電的三相三線制電路;③向不對稱星形連接負(fù)載供電的三相三線制電路。在忽略傳輸線負(fù)載時,第一種電路的負(fù)載相電壓仍是對稱的,故可按3個單相電路分別進行計算(見星形連接);對于第二種電路,負(fù)載相電壓也仍是對稱的,故可先計算負(fù)載電流,再計算線電流(見三角形連接);對于第三種電路,負(fù)載中性點要位移,可根據(jù)求得的中性點電壓計算三相負(fù)載的電壓和電流(見中性點)。
三相電路的功率 三相電路的瞬時功率等于各相瞬時功率之和。各相瞬時功率為
式中UΑ、UB、UC、IΑ、IB、IC分別為三相相電壓和相電流的有效值,φΑ、φB、φC分別是各相相電壓與相電流間的相角差。以P表示三相電路的瞬時功率,則有
P=PΑ+PB+PC
若電路是對稱電路,則因
此時
φΑ=φB=φC=φ
可得
此時
UΑ=UB=UC=Up
式中Up、Ip、U、I分別是相電壓、相電流、線電壓和線電流的有效值。
對稱三相電路的瞬時功率是一個常量,因此在正常運行時帶動三相發(fā)電機的原動機所受的反力矩和三相電動機的輸出轉(zhuǎn)矩都是平穩(wěn)的。單相交流電路的瞬時功率是脈動的,不具備這種優(yōu)點。
對稱三相電路的平均功率為
其值與瞬時功率相同。
對稱三相電路的無功功率為
視在功率為