三相交流电路实验.pdf
实验 5三相交流电路一、实验目的1学习三相负载的正确联接方法。2掌握三相电路中线电压、相电压、线电流、相电流的关系，了解三相四线制低压配电系统中中线的作用。3学习用二瓦特计法测三相负载的功率。4学习根据实验内容的要求选择仪表和量程，自拟实验电路及数据表格。二、实验原理1工业及民用的交流电源，几乎都是由三相电源供给的，单相交流电源也是由三相电源的一相提供的。三相电源一般来自发电机或变压器二次侧的三个绕组。三个绕组的始端为 A、B、C、末端为 X、Y、Z，若将三个绕组的末端连在一起，便形成星形（Y 型）联结。三个绕组的连接点成为一个公共端，称为中点，从公共端引出的导线称为中线（或零线），并用字母 N 表示，有时中线与大地直接相连称为地线。从三个绕组始端引出的三条输电线称为端线或相线（俗称火线）。这时电源有四条输电线，称为三相四线制电源。端线（A、B、C）与中线之间的电压，就是一相绕组的电压，称为相电压，用UP表示。相电压有三个，即 UA、UB、UC，三个相电压是一组对称的电压，它们的相量表示式为UA UP0UBUP-120UCUP120任意两根端线（火线）之间的电压，称为三相电源的线电压，用Ul表示。三个线电压与相电压之间的关系为UABUA-UBUBCUB-UCUCAUC-UA根据它们之间的几何关系，可得UAB3UP30UBC3UP-90UAC3UP150三个线电压也是一组对称的电压，线电压的大小是相电压的3倍，在相位上超前相应的相电380压30。如果三相四线制电源的线电压Ul 380V，则此电源的相电压UP 220V。32三相交流电路中负载有星形和三角形两种联结方法，如图 4.5.1。采用哪种联结方法取决于电源电压与负载的额定电压。目前我国低压配电大多数为380V，三相四线制系统，通常电灯（单相负载）的额定电压为220V，因此要接在相线与中线之间，并尽可能使电源各相负载均匀、对称，所以总体看负载联结成星形。由于有中线，可以保证在负载不对称时，负载各相电压仍是对称的。三相异步电动机、三相电炉等为三相对称负载（指各相负载阻抗的136模与阻抗角完全相等，即ZA ZB ZC），所以当星形联结时，由于中线电流IN等于零，可以采用三相三线制（即去除中线）。本实验用白炽灯来模拟三相负载。IAAUAIAZC AIC AZAZABNUCINZCNZBIABIBCUBICIBBCIBICZBC(a)(b)图 4.5.1 三相电路中负载的联接（a）负载星形联结（b）负载三角形联结3三相对称负载不论是星形还是三角形联结，三相电路的有功功率P 3PP 3UPIPcos3UlIlcos式中 PP为其中一相的功率，IP及 Il为相电流及线电流，为相电压和相电流的相位差。三相电路有功功率的测量，在三相四线制供电系统中，可采用一瓦特计法（负载对称）和三瓦特计法（负载不对称）。对三相三线制供电系统，不论负载对称与否，亦不论负载是星形还是三角形联接，一般都采用二瓦特计法。*ABC*W1*W三相负载图 4.5.2 二瓦特计法测量三相功率本实验采用二瓦特计法测量三相功率，测量的原理电路如图4.5.2 所示。三相电路的总功率等于两个功率表读数的代数和，即PP1P2。当负载的功率因数cos 0.5时（例如电动机空载或轻载运行），测量时会出现一个功率表指针反偏现象，无法读数，此时可拨动面板上的极性开关（有些功率表无此开关，可调换电流线圈的两个接线端），使指针正偏，但读数应取负值。本次实验为电阻性电灯负载，不会出现负值，测量的总功率就为PP1P2。三、实验仪器和设备电流插座、插头（各 1）、灯板（配 4 个 220V、100V 白炽灯泡）、交流电压表（0250500V）、交流电流表（012A 及 00.51A 各 1）、功率表（00.51A、075150300600V）。137四、实验内容和步骤1本实验采用线电压为220V 的三相电源，用四个220V、100W 的白炽灯泡接成三相负载。2灯泡负载接成星形（1）测量对称负载有中线及无中线两种情况下的各线电压、相电压、线电流，有中线时的中线电流和无中线时电源中点与负载中点之间的电压UNN。将测得数据记入自拟表格。（2）测量不对称负载（A 相负载中并接一个白炽灯泡），有中线及无中线两种情况下与实验内容 2（1）中所测相同内容的各数据，记入自拟表格。3灯泡负载接成三角形（1）测量负载对称与不对称（AB 相负载上并接一个白炽灯泡）两种情况下的各线电压、线电流及 AB 相的相电流，将测得数据记入自拟表格。（2）用二瓦计法测量对称情况下三相灯泡负载的总功率，将两功率表的数据记入自拟表格。五、预习要求1将图 4.5.3 中白炽灯泡负载画成星形联结和三相电流插座及电源开关相连。要求一次接线能完成实验内容 2 中各项要求。分析图（c）中 S1、S2起什么作用。2将图 4.5.3 中白炽灯泡负载画成三角形联结的三相对称负载，并在AB 相中串联一个测量相电流的电流表。B 220VCNAS1S2（a）(b)(c)图 4.5.3 三相交流实验中所用电源板、电流插座及灯板的示意图（a）电源的开关板(b)电流插座(c)灯板3根据实验内容 1、2、3，自拟相应的数据表格和选择仪表量程。4按实验内容 3（2）的要求，画出用二瓦特计法测量三相功率的接线图。六、实验总结报告1根据实验内容 2 的结果，说明中线的作用，以及在星形联结时Ul3UP的条件。2画实验内容 2（2）中不对称负载星形联接有中线情况下的电流相量图（以UA为参考相量）。3画出实验内容3（1）不对称负载情况下的各线电流和AB 相电流的相量图（以UAB为参考量）。实验 6单相变压器及单相异步电动机的使用一、实验目的1381了解变压器的构造和铭牌数据的意义。2学会判定变压器绕组极性的方法。3学习测定变压器外特性及电压调整率。4学习正确使用单相自耦调压器。5学习单相电容运转异步电动机起动和反转的操作方法。二、实验原理1变压器是一种静止的电器，具有变换电压、电流和变换阻抗的作用，应用较广泛。由于应用的领域不同，变压器种类繁多，但其工作原理都是以电磁感应原理为基础的，它们的基本结构主要由铁心和线圈（又称变压器的绕组）两部分组成。通常将接到交流电源的绕组称为一次绕组（又称原绕组、初级），而将接到负载的绕组称为二次绕组（又称副绕组、次级）。变压器的一次二次绕组之间有磁耦合，当一次绕组外加交流电压后，由于电磁感应作用，使二次绕组产生交流电压，而原一次二次绕组之间在电路上没有连接，是相互隔离的。变压器的变压比（简称变比）规定为变压器二次侧开路（即空载）时，变压器的一次绕组与二次绕组电压之比，用字母来表示kU1N1U2ON2式中U1为一次侧所加的电压，U2O为二次侧的开路电压，N1、N2分别为一次、二次绕组的匝数。变压比 k 是变压器的一个重要参数。当变压器一次侧接通电源，二次侧接通负载后，电路中就会产生电流，变压器成为负载N1运行状态。此时变压器一次、二次电流有效值的关系为I12I2I2。N1k变压器的铭牌数据主要是额定电压、额定电流和额定容量，它指导用户安全、合理地使用。变压器的额定电压是指变压器空载时，各绕组的电压；额定电流是以其额定容量除以额定电压计算得出；额定容量又称额定视在功率，其值等于变压器额定电压与额定电流的乘积。2有些变压器的一次、二次绕组不止一个，当需要将它们串联或并联使用时，要特别注意绕组的正确联接，为此须判定它们的相对极性。本实验采用交流法判定绕组相对极性，如图 4.6.1 所示。先将两绕组任一端点（如点 2 与 4）相联，在点 1、2 两端加一个比较低的便于测量的交流电压U12，再用电压表分别测量点 1 与 3 之间的电压U13和两绕组的电压U12及U34，若其有效值之间的关系为U13U12U34，则点 1 与 4是同极性端（或同名端）标有“”号；若U13U12-U34，则点 1 与 3 是同极性端。用同样的方法可判定多绕组变压器各绕组的相对极性。3当变压器带负载后，由于一次、二次绕组存在电阻和漏磁抗，所以其输出电压U2将随负载电流I2增加而下降。当电源电压U1和负载功率因数cos2为常数时，U2和I2的变化关系称为变压器的外特性曲线U2f(I2)。对于电阻性或电感性负载，其外特性如图4.6.2 所示。变压器从空载到图 4.6.1 测定变压器绕组的相对极性额定负载，二次绕组电压的变化程度用电压调整率U 表示1391*3U34*U1224（UU20-U2。100%,U20为空载时的输出电压）U20U2U20U2U00I2NI20I0图 4.6.2 变压器的外特性曲线图 4.6.3 变压器的空载特性曲线4变压器的空载实验主要是为了测量空载电流I0和空载损耗P0。空载电流产生磁通，空载损耗主要是铁心损耗（包括磁滞和涡流损耗）。空载特性是空载电压U0与空载电流I0之间的关系，如图 4.6.3 所示。Aa0 250V相线自耦变压器单相变压器220V220VI1aI2S1S2S3S4S5Xx中线U1b低压側U2高压側图 4.6.4 单相自耦调压器的电路符号图 4.6.5 实验原理接线图5本实验中，在单相变压器前接有单相自耦调压器，以保证单相变压器一次绕组所要求的电压。自耦调压器的电路符号如图4.6.4 所示，AX 端接电源，ax 端接负载，Xx 为公共端，接电源的中线。当一次侧电压为220V 时，二次侧电压在0250V 范围内连续可调，它的一次侧与二次侧之间有直接电气联系。单相自耦调压器的接线图及额定值均己在铭牌上给出，供使用参考。接通电源前应先用验电笔测试出电源的中线，将电源的中线与X 端相接，然后将自耦调压器的调压手柄逆时针旋到零位，以保证输出电压为零，接通电源后，再根据要求进行调压，使用完毕，应先将调压手柄逆时针旋到零，再断开电源。本实验的原理接线图如图4.6.5 所示。6单相异步电动机采用单相交流电源，其输出功率较小（1KW 以下），主要应用于电动工具，家用电器、医用器械和自动化仪表等设备中。本实验采用在家用电器中广泛应用的单相电容运转异步电动机，其定子绕组为单相绕组，转子为笼型绕组。当定子绕组通入单相交流电后，在定子内会产生一个脉动磁场，其大小随时间按正弦规律变化，而空间位置沿定子绕组轴线方向不变。可以分析此时转子受到的转矩为零，电动机不能自行起动。单相电容运转异步电动机采用分相法起动，使转子在起动时产生起动转矩，从而使电动机自行起动。这种电动机定子上装有两组绕组，一组为工作绕组 W，另一组为起动绕组 S，它们在空间位置相差 90o，起动绕组串接电容 C 后与工作绕组并联接入电源，如图 4.6.6 所示。140在同一单相电源作用下，如果电容量选择适当，可使工作绕组和起动绕组的电流相位差接近90o，这样就能产生旋转磁场，笼型转子在旋转磁场作用下产生电磁转矩而使电机旋转。电动机的旋转方向由旋转磁场的旋转方向决定。WCS图 4.6.6 单相电容运转异步电动机原理示意图M本实验选用单相电容运转异步电动机，手动控制模拟洗衣机的洗涤过程，即实现电动机的正转停反转停的运转功能。三、实验仪器和设备单相变压器（500VA，110220V，4.55/2.77A）、单相自耦调压器（1kVA，2200250V）、交流电压表（0300V）、交流电流表（02.55A 及 02.51A 各 1）、低功率因数功率表（02.55A，0150300Vcos 0.2）、负载灯板（配220V，100V 白炽灯泡 5 个）、验电笔、电流插座、插头、单相电容运转电动机、电容器、常开按钮（2 个）、单刀钮子开关。四、实验内容和步骤1判定一次、二次绕组的相对极性按图 4.6.5 接线，使单相变压器二次侧（高压侧）开路（即断开开关S1S5），将自耦调压器输出端 a、b 调 到 30V，即使单相变压器的一次绕组电压 U130V。按实验原理 2 中介绍的交流法，判定一次、二次绕组的相对极性。注意：使用自耦调压器时，按实验原理 5 介绍的方法，一次侧、二次侧不能接错，并应先将输出电压调到零；升压时须用电表监测输出电压，手柄指示的刻度盘电压仅作参考。2测变压器的变比图 4.6.5 中，单相变压器二次侧开路，将自耦调压器手柄先转动到使其输出电压为零的位置，然后调节手柄，使变压器一次侧（低压侧）电压为额定值（U1N110V），测二次侧电压U2，一次侧电流I1，记录于自拟表格中。注意：待接通电源后，再将电流表接入变压器器一次侧电路。3测定变压器的外特性图 4.6.5 中，用自耦调压器维持单相变压器一次侧电压U1始终为额定值（即U1110V），分五次增加变压器的负载直到额定值（逐次合上开关 S1S5）测量U1,U2,I1和I2，并记录于自拟表格中。注意：每次增加负载后，须复测U1，务必使U1保持额定值 110V；变压器从空载到负载，须注意电流表的量程。4测定变压器的空载特性图 4.6.5 中，将变压器二次侧（高压侧）开路，调节自耦调压器使其为1.2 倍的变压器一次侧（低压侧）额定电压，即1.2U1N(U1N110V)。从1.2U1N开始至 0.2U1，分七次至九次分别测量相应的空载电压U1（即Uo），空载电流IO和当电源电压为 110V 时的空载损耗 Po，记录于自拟表格中。（变压器空载时功率因数为0.2 左右，所以测功率时用低功率因数功率表较好）。5单相异步电动机的使用141图 4.6.7 中，AX、BY 为电动机相同的两个绕组，电容C 为 4F，SB1、SB2为两个常开按钮，S 为单刀钮子开关。（1）观察不接电容时电动机的起动情况。断开开关 S，合上电源开关 Q，并按动开关SB1，观察不接电容时，电动机的起动情况，若此时用手拔一下电动机的转轴，观察起动情况。（2）单相电容运转异步电动机的起动及正、反转，模拟洗衣机的洗涤过程。合上开关 S，按下按钮 SB1，观察电动机的起动及转动方向，当手松开时，电动机停转，按下 SB2电动机转向改变，当手松开时，电动机停转，记录实验结果。五、预习要求1根据实验内容 2、3、4 的要求，自拟数据表格，并选择仪表的量程范围。2变压器负载运行时，当二次侧电流I2增大，一次侧电流I1为什么随着增大？3若自耦调压器的一次侧、二次侧接错，将出现什么事故？自耦调压器用完后为什么应将手柄调到零位？零线相线FUSB1SB2CS 220VABXY图 4.6.7单相异步电动机实验电路六、实验总结报告1根据测量数据计算变压器空载时的电压比和满载时的电流比，并与理论值对比。2根据测量数据，在坐标纸上绘出变压器在电阻性负载时的外特性曲线，计算变压器的电压调整率。3根据测量数据，在坐标纸上绘出变压器的空载特性，并简单讨论基本变化趋势是否与理论相符。4为什么单相电容运转异步电动机能实现转向的改变？实验 7三相异步电动机的继电接触器控制一、实验目的1了解交流接触器、热继电器、时间继电器、行程开关和按钮的结构及其在控制电路中的应用。2学习异步电动机基本控制电路的联接。3学习用万用表检查控制电路的方法，初步培养分析和排除故障的能力。4学习根据生产机械的工艺要求，设计主电路和和控制电路。二、实验原理及设计要求继电接触器控制大量应用于对电动机的起动、停转、正反转、调速、制动等控制，从而使生产机械按既定的要求动作；同时也能对电动机和生产机械进行保护。交流接触器有一个铁心线圈吸引衔铁动作，还有三个主触点和若干辅助触点。主触点接在主电路中，对电动机起接通或断开电源的作用，线圈和辅助触点接在控制电路中，可按自142锁或联锁的要求来联接，亦可起接通或断开控制电路某分支的作用。接触器还可起欠压保护作用。选用接触器时，应注意它的额定电流、线圈电压及触点数量。热继电器主要由发热元件、感受元件和触点组成。发热元件接在主电路中，触点接在控制电路中。当电动机长期过载时，主电路中的发热元件通过感受元件使接在控制电路中的动断（常闭）触点断开，因而接触器线圈断电，使电动机主电路断开，起到过载保护作用。选用热继电器时，应使其整定电流与电动机的额定电流基本一致。在自动控制系统中，有时需按时间控制原则换接电路，采用时间继电器可以达到上述要求。时间继电器种类很多，按其基本功能有通电延时和断电延时两类，它们的延时时间可按要求事先整定。本实验选用通电延时的晶体管式时间继电器，它有一个延时断开的动断（常闭）触点，一个延时闭合动合（常开）触点，这种时间继电器延时范围大。在生产中有时需要控制生产机械的行程和位置，采用装有限位开关的控制电路可解决此类问题。限位开关又称行程开关，一般具有一对动合（常开）触点和一对动断（常闭）触点。其操作机构有直杆式、单臂滚轮式、双臂滚轮式等，它是由装在运动部件上的档块来撞动的，具有瞬时换接触点，大部分品种具有自动复位的特点。控制电路原理图中所有电器的触点都处于静态位置，即电器没有任何动作的位置。例如：对于继电器接触器，是指其线圈没有电流时的位置；按钮是指没有受到压力时的位置。1三相异步电动机直接起动和正反转控制的原理，图 4.7.1 是异步电动机直接起动的控制电路。先接通电源开关Q1，为电动机起动作好准备，当接通控制电路电源的开关Q2，并按下起动按钮 SBST时，交流接触器线圈 KM 通电，其主触点闭合，使电动机 M 起动。KM 动合（常开）辅助触点起自锁作用，以保证松开按钮SBST时，电动机仍能继续运转。若需电动机停转，可按停止按钮 SBSTP。图中熔断器 FU1和 FU2起短路保护作用，热继电器 KH 起过载保护作用。图 4.7.2 是异步电动机正反转控制电路，其中KMF和KMR分别是用作正反转控制的两个交流接触器。为防止接触器同时工作，而使电源通过它们的主触点发生短路，所以在控制电路中，正转接触器 KMF的一个动断（常闭）辅助触点串接在反转接触器 KMR的线圈电路中；反转触器 KMR的一个动断（常闭）辅助触点串接在正转接触器 KMF的线圈电路中，这两个动断（常闭）辅助触点起联锁作用。在图 4.7.2 中，如果在正转过程中要求反转，必须先按停止按钮SBSTP，使联锁触点KMF闭合后，按反转起动按钮 SBSTR，电动机才能反转。图 4.7.1 异步电动机直接起动的控制电路M3 KM 380VQ2 220VQ1FU1KMKHFU2SBSTPSBSTKMKH143 380V 220VQ1FU1KMFQ2FU2KMRSBSTPSBSTFKMRKMFKHKHSBSTRKMFKMFKMRM3 KMR图 4.7.2 异步电动机正反转控制电路2故障分析方法（1）在图 4.7.1 中，接通电源以后，按起动按钮SBST，若接触器动作，而电动机不转，说明主电路中有故障；如果电动机伴有嗡嗡声，则有可能有一相电源断开。检查主电路的保险丝，主触点 KM 是否良好，热继电器 KH 是否正常，联接导线有无断开等。（2）接通电源后，按 SBST若接触器不动作，说明控制电路有故障。检查控制电路的保险丝，热继电器复位按钮是否正常，停止按钮SBSTP接触是否良好，线圈及导线是否断线等。3三相异步电动机时间控制与行程控制的设计要求：本实验要求根据下述生产机械的要求，设计主电路和控制电路，并通过实验验证所设计的电路是否满足控制要求。某工作台工作时要求：（1）用按钮操作使用工作台前进（电动机正转）。（2）当前进到预定位置时，由行程开关ST1（见图 4.7.3 工作台动作示意图）控制停车，经延时后，工作台自动后退（电动机反转），当后退至预定位置时，工作台又自动前进。用按钮操作使工作台停止运动。后退工作台前进ST2撞块ST1图 4.7.3 工作台动作示意图（3）工作台前进和后退要求有电气联锁，防止发生电源短路。（4）有过载和短路保护。144（5）可以用按钮操作，直接使用工作台后退。4设计简单控制电路的方法和步骤如下：（1）弄清控制要求、动作顺序及保护要求，确定必要的电器元件。（2）根据控制要求及动作顺序逐步画出主电路和控制电路原理图，力求简单、可靠。（3）要电路图中加上必要的保护环节。（4）根据所用电源电压及控制对象的负荷大小，选择电气元件的线圈额定电压及触点的额定工作电流，确定电器型号。（由于本实验己给定电器元件，所以不能自行选择）。三、实验仪器和设备三相异步电动机、交流接触器（2 个，线圈电压 220V）、热继电器、行程开关、交流时间继电器、按钮 3 个、万用表。四、实验内容和步骤1三相异步电动机的直接起动和正反转控制（1）在实验桌上找到交流接触器、热继电器和按钮等控制电器，了解其结构及动作原理。（2）在断开电源的情况下，用万用表判断上述各种电器的动合（常开）、动断（常闭）触点和线圈等对应的接线柱，并将线圈的电阻值记入表4.7.1。检查接触器的动合（常开）和动断（常闭）触点时，可用手将其动铁心反复按下和松开，若触点接触器良好，则无接触电阻。表 4.7.1测试项目线圈电阻值 交流接触器交流接触器（3）异步电动机直接起动的控制按图 4.7.1 接线，接好线后，可进行下列试验：检查控制电路，在电源开关 Q1、Q2断开的情况下按下起动按钮 SBST，用万用表电阻档测量控制电路两端的电阻值，若测得的阻值接近接触器线圈阻值时，则说明控制电路无短路或断路，可以准备通电（注意：切勿带电检查）。检查主电路接线无误后，接通电源开关Q1、Q2，按下起动按钮SBST，观察电动机起动情况，若正常，可按停止按钮SBSTP，并断开 Q1、Q2，电动机停转。（4）异步电动机的正反转控制按图 4.7.2 接线，参考实验内容（3）介绍的方法检查控制电路。检查主电路接线无误后，接通电源开关Q1和 Q2，按下起动按钮SBSTF，观察电动机转动情况，若正常，可按下停止按钮SBSTP，观察电动机转向；再按下SBSTR，电动机应该改换转向，若正常，按 SBSTP并断开电源开关 Q1和 Q2。2三相异步电动机的顺序起动控制在实验桌上找到时间继电器和行程开关，了解其结构和工作原理，在断开电源的情况下，用万用表判断它们线圈和触点对应接线柱的位置，记录所测线圈的电阻值，并检查其工作情况是否正常。145两台电动机顺序起动的控制电路按图 4.7.4 接线。参照实验内容（3）介绍的方法检查控制电路。（此时测得的电阻值为 KM1和 KT 两个线圈并联后的阻值）然后合上 Q2，观察控制电路接触器、结电器动作情况，若控制电路动作正常，主电路接线正确，则可接通电源开关 Q1，观察一台电动机先起动，同时时间继电器线圈通电，延时一段时间后，时间继电器动作，另一台电动机随之起动。380V 220VQ1Q2FU1FU2KM2KM1SBSTPSBSTKTKTKM1KM1M3 M3 KM2图 4.7.4 两台电动机顺序起动的控制电路3根据预习要求自行设计的主电路和控制电路接线和操作。注意：接线必须经指导教师认可后，才能接线。五、预习要求1读懂异步电动机直接起动和正反转控制电路的工作原理，说明哪些辅助触点起自锁或联锁作用。2如何用万用表判断交流接触器的线圈、动合（常开）触点及动断（常闭）触点？3交流接触器线圈的额定电压为 220V，若将两个接触器的线圈串联后接到交流 220V电源上，会产生什么后果，为什么？4读懂两台电动机顺序起动控制电路的工作原理。5根据实验原理和设计要求 3、4 中生产机械的要求和控制电路的设计方法，自行设计主电路和控制电路。六、实验总结报告1通过实验，总结用万用表检查控制电路的方法。2画出经实验验证后的图4.7.4 工作台运动的主电路和控制电路。3实验过程中有无出现故障？是什么性质的故障？你是如何检查和排除的?146
