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1、第 1 章 三相交流电路 三相交流电源与三相负载 授课日期：2019.9 班次：08建筑1、2、3班 授课时数：3 第1章 三相交流电路 教学目的： ? 了解三相交流电的产生； ? 理解三相电源的特点； ? 掌握三相电路中相电压、相电流、线电压、线电流的关系 重点： 三相电路中相电压、相电流、线电压、线电流的关系 难点： 与重点相同 教学过程： 1.1 三相电源与三相负载 1.1.1 三相交流电的产生 1. 定义 2. 特点 3. 产生 1.1.2 三相电源与三相负载的连接 1.三相电源的星形联结 2. 三相电源的三角形联结 3.三相负载的星形联结 4. 三相负载的三角形联结 5.典型例题分析
2、 电能可以由 热能（火力发电）、核能（核能发电）、水能（水力发电）、风能（风力发电）、太阳能（太阳能电站）、地热能等转换而得。 第第 1 章章 三相交流电路三相交流电路 在电力系统中，电力是由发电厂生产的，它是将自然界蕴藏的各种一次能源转换为电能（二次能源）的工厂。 1火力发电厂火力发电厂 火力发电厂简称火电厂，它是利用煤、石油、天然气等燃料的化学能来生产电能的。我国的火电厂主要是燃煤。煤粉在锅炉的炉膛内充分燃烧，将锅炉内的水烧成高温高压的蒸汽，推动汽轮机转动，使与它联轴的发电机旋转发电。其能量转换过程是： 锅炉 燃料的化学能 热能 汽轮机 机械能 发电机 电能 (蒸汽管道) （冷凝器) （河
3、流或水库） （变电所） 输送带 （涡轮） （煤炭供应 ） （锅炉） （大烟囱） （发电机） （冷却水） 2水力发电厂 水力发电厂简称水电厂或水电站。 （它是利用水流的位能来生产电能的。当控制水流的闸门打开时，水流沿进水管进入水轮机蜗壳室，冲动水轮机，带动发电机发电。） 其能量转换过程是： 水流位能 水轮机 机械能 发电机 电能 乌江渡发电厂 高165米 水力发电厂的容量大小决定于上下游的水位差（简称水头）和流量的大小。 因此，水力发电厂往往需要修建拦河大坝等水工建筑物以形成集中的水位差，并依靠大坝形成具有一定容积的水库以调节河水流量. 世界第一大的水电工程，位于西陵峡中段的湖北省宜昌市境内的三
4、斗坪，距下游葛洲坝水利枢纽工程38公里。三峡大坝工程包括主体建筑物工程及导流工程两部分，工程总投资为954.6亿元人民币。 1994年12月14日正式动工修建，2019年5月20日全线建成。2019年7月19日，三峡大坝迎来了一次峰值在65000立方米/秒左右的洪水。堪比2019年长江三峡河段的最高峰值，这也是三峡水库建成以来所面临的规模最大的一次洪水挑战。 三峡大坝鸟瞰图 大坝为混凝土重力坝，坝顶总长3035米，坝顶高程185米，正常蓄水位175米，总库容393亿立方米，其中防洪库容221.5亿立方米，能够抵御百年一遇的特大洪水。配有26台发电机的两个电站年均发电量849亿度。航运能力从原有
5、的1000万吨提高到5000万吨，万吨级船队可直达重庆，同时运输成本也将降低35。 3核能发电厂 核能发电厂又称为原子能发电厂，简称为核能发电厂又称为原子能发电厂，简称为核电厂或核电站。它主要是利用原子核的裂变能来生产电能。 它的生产过程与火电厂基本相同，主要区别是以核反应堆（俗称原子锅炉）代替了燃煤锅炉，以少量的核燃料代替了大量的煤炭。其能量转换过程是： 反应堆 核裂变能 热能 汽轮机 机械能 发电机 电能 俄国悬浮核能发电厂 4、风力发电厂 5、地热发电厂发电厂 6、太阳能发电厂发电厂 1.1.1 三相交流电的产生 1三相交流电路的定义 由三相交流电源供电的电路称为三相交流电路。 所谓三相
6、交流电路是指由三个频率相同、最大值（或有效值）相等、在相位上互差 120电位角的单相交流电动势组成的电路，这三个单相交流电动势称为三相对称电动势。 第第 1 章章 三相交流电路三相交流电路 1.1.1 1.1.1 三相交流电的产生三相交流电的产生 2三相交流电有何特点？ 优点： （1）三相交流发电机比功率相同的单相交流发电机 体积小、重量轻、成本低； （2）电能输送，当输送功率相等、电压相同、输电距离一样，线路损耗也相同时，用三相制输电比单相制输电可大大节省输电线有色金属的消耗量，即输电成本较低。三相输电的用铜量仅为单相输电用铜量的 ； （3）目前获得广泛应用的三相异步电动机，是以三相交流电作
7、为电源，它与单相电动机或其它电动机相比，具有 结构简单、价格低廉、性能良好和使用维护方便等优点。 因此在现代电力系统中，三相交流电路获得广泛应用。 %753三相交流电如何产生的？ 三相交流电的产生就是指三相交流电动势的产生。三相交流电动势由三相交流发电机产生，它是在单相交流发电机的基础上发展而来的，如图1.1所示。 图1.1 三相交流发电机 1.1.1 三相交流电的产生三相交流电的产生 磁极放在转子上，一般均由直流电通过励磁绕组产生一个很强的恒定磁场。当转子由原动机拖动作匀速转动时，三相定子绕组即切割转子磁场而感应出三相交流电动势三相交流电动势。 这三个电动势的三角函数表达式为 ?)240si
8、n()120sin(sinmmVmU?tEetEetEeW?转子 直流电 其波形图如图1.2（a）所示，相量图如图1.2（b）所示。 图1.2 三相交流电动势 从图1.2（a）中可以看出，三相交流电动势在任一瞬间其三个电动势的代数和为零。即 0WVU?eee 在图1.2（b）中还可看出三相正弦交流电动势的相量和也等于零，即 0WVU?EEE?1.1.1 三相交流电的产生三相交流电的产生 把它们称做三相对称电动势，规定每相电动势的正方向是从线圈的末端指向首端(或由低电位指向高电位)。 1.1.2 三相电源与负载的连接 案例1.2 发电站由三相交流发电机发出的三相交流电，通过三相输电线传输、分配给
9、不同的用户。 如：工厂的用电设备一般为三相低压用电设备，功率较大；家庭用电设备一般为单相低压用电设备，功率较小。 问题：我们都听说过或看到过三相三线制供电方式和三相四线制供电方式。它们有何不同？如何连接？ 三相交流发电机实际有三个绕组，六个接线端，我们目前采用的是 将这三相交流电按照一定的方式，连接成一个整体向外送电的。连接的 方法通常为星形和三角形。 (一) 三相电源的连接： 1.12 三相电源与负载的连接 根据使用方法的不同，电力系统的负载可以分成两类。 ? 一类是象电灯这样有两根出线的，叫做单相负载，又如：电风扇、收音机、电烙铁、单相电动机等都是单相负载； ? 一类是象三相电动机的这样的
10、有三个接线端的负载，叫做 三相负载。 在三相负载中， ? 如果每相负载的电阻均相等，电抗也相等（均为容抗或均为感抗），则称为三相对称负载； ? 如果各相负载不同，就是三相不对称负载，如三相照明电路中的负载。 负载也和电源一样可以采用两种不同的连接方法，即： 星形联结和三角形联结。 (二) 三相负载的连接： 1.12 三相电源与负载的连接 图1.3 三相电源的星形联结（有中性线） ? 三相绕组末端相连的一点称中性点，一般用“N” 表示。 ? 从中点引出的线叫中性线（简称中线），由于中线一般与大地相连， 通常又称为地线（或零线）。 ? 从首端U1、V1、W1引出的三根导线称相线（或端线）。由于它与
11、大地之间有一定的电位差，一般又通称火线。 2）中点、中性线、相线： 将电源的三相绕组末端U2、V2、W2连在一起，首端U1、V1、W1分别与负载相连，这种方式就叫做星形联结。其接法如图1.3所示。 1）星形联结： （1）基本概念 1三相电源的星形联结（Y接） 1.12 三相电源与负载的连接 图1.3 三相电源的星形联结（有中性线） 由三根火线和一根地线所组成的输电方式称三相四线制。 （通常在低压配电系统中采用）。 只由三根火线所组成的输电方式称三相三线制。 （在高压输电时采用较多）。 3）输电方式： 1三相电源的星形联结（Y接） 1.12 三相电源与负载的连接 （2）三相电源星形联结时的电压关
12、系 1）相电压 PU2）线电压 LU相电压与线电压参考方向的规定： 相电压的正方向是由首端指向中点N，例如电压 UU是由首端U1指向中点N 线电压的方向， 如 是由首端U1指向首端V1。如图1.3所示。 即每个绕组的首端与末端之间的电压。相电压的有效值用 VUUUWU表示； 、 、 即各绕组首端与首端之间的电压，即任意两根相线之间的电压叫做线电压，其有效值分别用 UVUVWUWUU表示。 、 、 图1.3 三相电源的星形联结（有中性线） UVU1.12 三相电源与负载的连接 故两端线U和V之间的线电压应该是两个相应的相电压之差，即 ?UWWUWVVWVUUVUUUUUUUUU? 线电压大小利用
13、几何关系可求得为： UUUV330cos2UUU?同理可得： VVW3UU?WWU3UU?结论：三相电路中线电压的大小是相电压的 倍，其公式为 3PL3UU?图1-4 电源星型联结时的电压相量图 3）线电压UL与相电压UP的关系 三相电源Y形联结时的电压相量图，如图1.4所示。三个相电压大小相等，在空间各相差120。 1.12 三相电源与负载的连接 平常我们讲电源电压为220V，即是指相电压；讲电源电压为380V，即是指线电压。 由此可见：三相四线制的供电方式可以给负载提供两种电压，即线电压380V和相电压220V，因而在实际中获得了广泛的应用。 1.12 三相电源与负载的连接 2三相电源的三
14、角形联结（接） （1）基本概念 如图1.5所示，将电源一相绕组的末端与另一相绕组的首端依次相连 （接成一个三角形），再从首端U1、V1、W1分别引出端线，这种连接方式就叫三角形联结。 1.12 三相电源与负载的连接 （2）三相电源三角形联结时的电压关系 ?WUWVWVUVUUUUUUU?所以，三相电源三角形联结时，电路中线电压的大小与相电压的大小相等 即： 由图 可见 PLUU?由相量图5.6 可以看出，三个线电压之和为零，即： 0WUVWUV?UUU?同理可得，在电源的三相绕组内部三个电动势的相量和也为零，即 0WUVWUV?EEE?1.12 三相电源与负载的连接 3三相负载的星形联结 （1
15、）接线特点 如图：为三相负载星形联结电路图，它的接线原则与电源的星 形联结相似，即将每相负载末端连成一点N（中性点N），首端U、V、W 分别接到电源线上。 中线电流对应的相量式为 0WVUN?IIII?1.12 三相电源与负载的连接 图5.7的接线方式是只有三根相线，而没有中性线的电路，即三相三线制，图5.8的接线方式除三根相线外，在中性点还接有中性线，即三相四线制。 三相四线制除供电给三相负载外，还可供电给单相负载，故凡有照明、单相电动机、电扇、各种家用电器的场合，也就是说一般低压用电场所，大多采用三相四线制。 1.12 三相电源与负载的连接 （2）电压、电流关系 线电压 ：三相负载的线电压
16、就是电源的线电压，也就是两根相线之间的电压； 相电压 ：每相负载两端的电压称作负载的相电压，在忽略输电线上的电压降时， 负载的相电压就等于电源的相电压； 线电流 ：流过每根相线上的电流叫线电流； 相电流 ：流过每相负载的电流叫相电流； 中线电流 ：流过中线的电流叫中线电流。 对于三相电路中的每一相而言，可以看成一个单相电路，所以各相电 流与电压间的相位关系及数量关系都可用讨论单相电路的方法来讨论。 LUPULIPINI1.12 三相电源与负载的连接 （3）三相四线制的特点是： 1）相电流 等于线电流 ，即 PILILPII ?2）加在负载上的相电压 和线电压 之间有如下关系 PULUPL3UU
17、?3）流过中性线N的电流 为 WVUNIIII? 当三相电路中的负载完全对称时，在任意一个瞬间，三个相电流中， 总有一相电流与其余两相电流之和大小相等，方向相反，正好互相抵消。 所以，流过中性线的电流等于零。 NI? 因此，在三相对称电路中，当负载采用星形联结时，由于流过中性线 的电流为零，故三相四线制就可以变成三相三线制供电。 1.12 三相电源与负载的连接 4三相负载的三角形联结 （1）接线特点 将三相负载分别接在三相电源的每两根相线之间的接法，称为三相负 载的三角形联结，如图5.10所示。 1.12 三相电源与负载的连接 （2）电压、电流关系 由于三角形联结的各相负载是接在两根相线之间，
18、因此负载的相电压 就是线电压。 假设三相电源及负载均对称，则三相电流大小均相等： PPWUVWUVPZUIIII?1.12 三相电源与负载的连接 三个相电流在相位上互差120度，图5.11画出了它们的相量图，并假 定电压超前电流一个角度。所以，线电流分别为： ?VWWUWUVVWVWUUVUIIIIIIIII? 由图5.11通过几何关系不难证明 。从矢量图中还可看到线电流和相电流不同相，线电流滞后相应的相电流一个30 电角。 PL3II?1.12 三相电源与负载的连接 2）线电流 是相电流 的 倍，即 LI3PL3II?PI 在三相三线制电路中，根据KCL，把整个三相负载看成一个节点的话，则不
19、论负载的接法如何，以及负载是否对称，三相电路中的三个线电流的瞬时值之和或三个线电流的相量和总是等于零，即 0WVU?iii0WVU?III? 例1.1 有三个100的电阻，将它们联结星形或三角形，分别接到线电压为 380的对称三相电源上。试求：线电压、相电压、线电流和相电流各是多少。 因此三相对称负载三角形联结的电流、电压关系为： 1）线电压 与相电压 相等，即 LUPUPLUU?220VV33803LP?UU2.2AA100220PLP?RUIIV380L?UV380LP? UU3.8AA100380PP?RUI负载的相电流（等于线电流 ） （2）负载作三角形联结，如图（b）所示。负载的线电压为 负载的相电压等于线电压 负载的相电流为 负载的线电流为相电流的 倍 36.58AA8 . 333PL?II解：（1） 负载作星形联结，如图（a）所示。负载的线电压为 V380L?U负载的相电压为线电压的 ，即 31例1.1 有三个100的电阻，将它们联结星形或三角形，分别接到线电压为380的对称三相电源上。试求：线电压、相电压、线电流和相电流各是多少。 1.12 三相电源与负载的连接
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