(7.1)--第7讲_三相交流电路.pdf

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1、1第7讲 三相交流电路知识点7.1 三相交流电源NSAXe在两磁极中间，放一个线圈在两磁极中间，放一个线圈。让让线线圈圈（磁场）（磁场）以以的的转速转速度度顺时针旋转顺时针旋转。线圈反方向切割磁力线，根据线圈反方向切割磁力线，根据右手定则可知，线圈中产生感右手定则可知，线圈中产生感应电动势，其方向由应电动势，其方向由AX。合理设计磁极形状，使磁通按正弦规合理设计磁极形状，使磁通按正弦规律分布，线圈两端便可得到律分布，线圈两端便可得到单相单相交流交流电动势电动势：=三相三相电动势电动势的的产生产生2首端首端末端末端三线圈空间三线圈空间位置各位置各差差120o转子转子装有磁极并装有磁极并以以 的速

2、度的速度旋转。三旋转。三个线圈个线圈中便产生三中便产生三个个单相单相电动势。电动势。AXYCBZSN定子定子转子转子 三相三相电动势电动势的的产生产生三相发电机的定子三相发电机的定子中放三个线圈中放三个线圈X AY BZ C瞬时值表达式瞬时值表达式三相三相电动势电动势的的特征：特征：大小相等、频率相同、相位互差大小相等、频率相同、相位互差120=()=(+)三相对称电源。三相对称电源。OtAmBC波形图波形图3=相量表达式相量表达式相量图相量图+=相量和：相量和：（1）星形（）星形（Y）接法）接法三相电源的连接三相电源的连接AXYCBZN+（中线）（中线）（火线）（火线）（火线）（火线）（火线

3、）（火线）4三相四线三相四线制供电制供电火线（相线）火线（相线）:ABC中线（零线）：中线（零线）：NAXYCBZN+（中线）（中线）（火线）（火线）（火线）（火线）（火线）（火线）三相三相电源电源星形接法的两组电压星形接法的两组电压相电压相电压：火线对零线间的电压。火线对零线间的电压。ACBN+=120 120 120 5线电压：线电压：火线间的电压。火线间的电压。ACBN+=线电压和相电压的线电压和相电压的关系关系30 =+()=同理：同理：=、CA大小相等，相位互差120，长度是相电压的3倍，相对于相应的相电压超前了306第第4 4章章三相交流电路三相交流电路线电压与相电压的通用关系线电

4、压与相电压的通用关系表达式表达式-为为相电压相电压-为线电压为线电压=p=在日常生活与工农业生产中在日常生活与工农业生产中，我国市电的电压等级：，我国市电的电压等级：p=220V=380V（2）三角形（）三角形（）接法）接法+AXBYCZ+=电源星三角形连接的特点是：电源星三角形连接的特点是：7知识点知识点7.2 负载星形接法的三相电路分析负载星形接法的三相电路分析第第7讲讲 三相交流电路三相交流电路星形（星形（Y）接法）接法ACBNZAZCZB三角形（三角形（）接）接法法ACBZABZCAZBC负载有负载有两种接两种接法法8ACBNZAZCZB负载相电压与线电压负载相电压与线电压负载相电压=

5、电源相电压ANBNCN线电压线电压每相负载上的电压为负载相电压负载相电压负载相电压与线电压的关系：=负载相电压与线电压的关系=由此可以由线电压求出每相负载由此可以由线电压求出每相负载上的电压，从而求出每相负载的上的电压，从而求出每相负载的相电流。相电流。9负载相电流与线电流负载相电流与线电流线电流线电流=相电流相电流 A=AN B=BN C=CN p=l中线电流中线电流 N=AN+BN+CNACBNZAZCZBANBNCNABCANBNCN相电流相电流线线电流电流N负载星形接法三相电路的一般计算方法负载星形接法三相电路的一般计算方法ACBNZAZCZB AN BN CN A B C N解题思路

6、解题思路：一般线电压为已知，根据线电压求出相电压和负载求电流。AN BN CN 清华大学 段玉生101.负载不对称时，各相单独计算负载不对称时，各相单独计算。已知已知：三相负载三相负载 R、L、C 以及三以及三相相电源对称，线电源对称，线电压电压=求求：各相、各线及中线：各相、各线及中线电流电流。（已。（已知感抗、容抗、电阻相等）知感抗、容抗、电阻相等）CRABNLC 解解:（1）求相电压求相电压=相电压=CA=（2）求相电流）求相电流=（3）中线电流）中线电流=+11（4）各电流相量关系各电流相量关系=C B 因为：因为：感抗感抗=容抗容抗=电阻电阻所以各相电流相等所以各相电流相等=()从相

7、量图可以计算得：从相量图可以计算得：2.负载对称时，只需计算一相。负载对称时，只需计算一相。同理同理可可直接得出另两相电流：直接得出另两相电流：（中线电流为（中线电流为0）如果负载如果负载对称对称，只，只要求电流、电压大小时，仅算一要求电流、电压大小时，仅算一相有相有效值效值即可。即可。如：如：=|则：则：=|=|=|=+=C B12ZZZ+3 三相三相完全对称时，零线可以完全对称时，零线可以取消，称为三相取消，称为三相三线制。三线制。N=0ZCZAZB+这这是有两个节点的电路，可以利用节点电位法求解，计算步骤：是有两个节点的电路，可以利用节点电位法求解，计算步骤：（1）选）选N点为参考点，利

8、用节点电位法求点为参考点，利用节点电位法求点的电位点的电位。（2）求每个负载）求每个负载上的上的相相电压电压。（3）求每个负载）求每个负载上的相电流上的相电流。4.三相三线制三相三线制供电供电、负载不对称时负载不对称时各相电流的计算各相电流的计算 AN BN CN 13ZCZAZB+4.三相三线制三相三线制供电供电、负载不对称时负载不对称时各相电流的计算各相电流的计算 AN BN CN N=AA+BB+CC1A+1B+1C AN=A N BN=B N CN=C N=AN=BN=CN已知已知：三相电源对称，：三相电源对称，=，每盏灯的额定值为，每盏灯的额定值为:220V/100W。求：各相电流求

9、：各相电流。例：例：ZA+=2=484 N=2200+220 120+220120/21+1+2=55120(V)14 AN=2200 55120 252 10.9(V)BN=220 120 55120 252 109.1(V)CN=220120 55120 165120(V)AN=AN=252 10.9484=0.52 10.9(A)BN=BN=0.52 10.9(A)CN=BN/2=1.04120(A)可见A相和B相的电压升高了，而C相负载的电压低于额定电压。都不能正常工作。各相电流：三相三相三线三线制制供电供电时，如果负载不对称，负载中点的电时，如果负载不对称，负载中点的电位不是位不是0

10、，会造成各相负载电压不平衡，有的相电压，会造成各相负载电压不平衡，有的相电压高，有的相电压低，将损坏设备，是应该避免的。高，有的相电压低，将损坏设备，是应该避免的。因此三相负载不对称时，为了保证负载中点的电位为因此三相负载不对称时，为了保证负载中点的电位为0，应有中线、并保证中线的有效连接。，应有中线、并保证中线的有效连接。ZCZBZA+154-29知识点知识点7.3 负载三角形接法的三相电路分析负载三角形接法的三相电路分析第第7讲讲 三相交流电路三相交流电路ABCZABZBCZCA 三相负载三相负载 ZAB、ZBC、ZCA，分别称为，分别称为AB相、相、BC相和相和CA相负相负载。载。三相负

11、载上的电压分别等于对应的线电压三相负载上的电压分别等于对应的线电压负载三角形接法的三相负载三角形接法的三相电路电路16ABCZABZBCZCA负载三角形接法的三相负载三角形接法的三相电路电路各相电流的计算：各相电流的计算：=线线电流电流=ABCZABZBCZCA负载三角形接法的三相负载三角形接法的三相电路电路（1）负载不对称时，先算出各相电流，然后计算线电流。）负载不对称时，先算出各相电流，然后计算线电流。（2）负载对称时（）负载对称时（ZAB=ZBC=ZCA=Z，各各相电流相电流有效值有效值相相等，相位互差等，相位互差120。有效值为。有效值为：=p=|174-33负载对称时负载对称时=|=

12、|=|=|4-34=同理：同理：184-35三角形连接三角形连接的负载的负载对称的三相对称的三相电路电路负载的相电压负载的相电压=线电压线电压 p=线电流与相电流的关系线电流与相电流的关系负载负载星星形连接形连接的三相电路的三相电路=线线电流电流=相电流相电流=相电压与线电压的关系相电压与线电压的关系=第第7讲讲 三相交流电路三相交流电路知识点知识点7.4 三相电路的功率三相电路的功率19三相三相电路的功率的计算电路的功率的计算三相总有功功率：三相总有功功率：=+负载对称时：负载对称时：=L星形接法时：星形接法时：=三角三角形接法时：形接法时：=3三相总有功功率：三相总有功功率：=三相三相无无

13、功功率功功率：=视在视在功率功率：单相功率的测量单相功率的测量电动式瓦特计电动式瓦特计*i1i2u+电压电压线圈线圈电流线圈电流线圈电压线圈圈数电压线圈圈数多、电阻大，多、电阻大，i2与与u成正比成正比并近似同相并近似同相电压线圈圈数电压线圈圈数少、电阻小少、电阻小瓦特计指针的偏转角度：瓦特计指针的偏转角度：=在上图的连接方式时，其读数即为负载的功率：在上图的连接方式时，其读数即为负载的功率：PL=P瓦特计的读数：瓦特计的读数：=k是与结构相关的是与结构相关的常数，常数，是电压是电压与电流的相位差与电流的相位差电压线圈与负载并联、电流线圈与负载串联电压线圈与负载并联、电流线圈与负载串联u+RL

14、同名同名端符号端符号20三相功率的测量三相功率的测量三相四线制接法，用三个功率表测量：三相四线制接法，用三个功率表测量：*负载ACBNW2W1W3三相总功率为三个功率表测得数据的总和。三相总功率为三个功率表测得数据的总和。三相负载的总功率等于两表测得数据之和。三相负载的总功率等于两表测得数据之和。ACB*三相三线制的电路中，用两表法测功率：三相三线制的电路中，用两表法测功率：W1W2ACBCBCABCAABC21两表法测量功率的原理：两表法测量功率的原理：=+=+=+=w+w=结论：结论：三相总功率等于两表测得数据之和。每单三相总功率等于两表测得数据之和。每单个功率表的读数没有意义。个功率表的

15、读数没有意义。三相瓦特计实际上就是根据“二表法”的原理设计三相瓦特计实际上就是根据“二表法”的原理设计的。的。按照要求的电路接线，其读数是两个表的功率按照要求的电路接线，其读数是两个表的功率之和。之和。求：功率表求：功率表W1、W2的读数。的读数。已知：电机的功率为已知：电机的功率为 2.5 kW,=.866，设，设电机为星电机为星形接法，形接法，N为其为其中点。三相对称电源中点。三相对称电源线电压为线电压为380V。例例*电机电机ACBW1W1*C *（1）求电流大小）求电流大小=3=.=.22求：功率表求：功率表W1、W2的读数。的读数。已知：电机的功率为已知：电机的功率为 2.5 kW,

16、=.，设，设电机为星电机为星形接法，形接法，N为其为其中点。三相对称电源中点。三相对称电源线电压为线电压为380V。例例*电机电机ACBW1W2*CB *（2）求电流、电压的）求电流、电压的相位相位 AN=设设：AB=383 BC=38 9 CB=389 则则：*电机电机ACBW1W2*CB *已知电机的已知电机的=.=.=.、间相位差为间相位差为=.=.()W1的读数的读数为为833.3瓦瓦23*电机电机ACBW1W2*CB *=.()、间相位差为间相位差为=.=.()B 超前超前 由由相量图可得：相量图可得：W2的读数的读数为为1666.7瓦瓦 C B在求瓦特计的读数的时候请注意瓦特计的读

17、数是什么含义，与电路的功率不一定有必然的联系。=B是是 与与 B的相位差的相位差ACBW*负载负载24相序的判定相序的判定A?CL1L2R1R2C=1=2这是一个典型的非对称负载的三相三线制电路，请参考知识点7.2中介绍的解法。假设B、C相，可以求出两个灯泡中的电流，结果是B相的电路电流大。说明灯泡亮的是B相。BC相序指示器第第7讲讲 三相交流电路三相交流电路知识点知识点7.5 安全用电常识安全用电常识清华大学 段玉生25电击的形式电击的形式（1）直接电击：因触及正常工作）直接电击：因触及正常工作的带电导体而产生的电击。的带电导体而产生的电击。（2）间接电击：正常工作时不带）间接电击：正常工作

18、时不带电的设备部位，因故障而带电的设备部位，因故障而带上危险电压，被人触及而产上危险电压，被人触及而产生的电击。生的电击。4-50人体的阻抗与个体、性别有关，与电压也有关。接触人体的阻抗与个体、性别有关，与电压也有关。接触220V电压时一般在电压时一般在10002125之间。典型值可以取之间。典型值可以取1000，在接触电压的瞬间，由于电容效应，阻抗较小，一般取在接触电压的瞬间，由于电容效应，阻抗较小，一般取500。人体阻抗人体阻抗26电流通过人体时产生的效应电流通过人体时产生的效应通常无通常无反应反应通常无有害通常无有害生理反应生理反应肌肉收缩等肌肉收缩等可恢复的不可恢复的不良反应良反应心室

19、颤心室颤动达动达5%心室颤心室颤动达动达50%心室颤心室颤动超动超50%安全电压与安全电流安全电压与安全电流在正常环境下，人体接触在正常环境下，人体接触50V（对应（对应30mA以下电流）以下以下电流）以下的电压多长时间都不会发生致命电击，的电压多长时间都不会发生致命电击，30mA为安全电流，为安全电流，50V为正常环境下的安全电压。而在潮湿环境下的安全电为正常环境下的安全电压。而在潮湿环境下的安全电压为压为25V。27电击防护电击防护实施于低压配电系统的防护措施实施于用电设备上的防护措施实施于用电场所的防护措施接地系统的种类接地系统的种类ITTTTN-S,TN-C-S，TN-C电器分类电器分

20、类外壳防护外壳防护绝缘绝缘设备的安全认证设备的安全认证用电场所绝缘用电场所绝缘总等电位联结总等电位联结电气设备的电击防护措施电气设备的电击防护措施用电设备的电击防护分类用电设备的电击防护分类0类设备：基本绝缘类设备：基本绝缘，无防护连接，无防护连接手段（不接保护地线），手段（不接保护地线），用于不导电环境用于不导电环境。综合技术、经济、应用场所和使用功能等因素，国家对用电设备的电击防护措施进行明确规定。基本绝缘一旦失效，可能会发生电击危险。如没有保护地线的金属外壳的台灯、电扇等设备。发达国际基本淘汰，有的国家已经明令禁止。28I类设备：基本绝缘，有防护连接手段，导电外壳与保护地线（类设备：基本

21、绝缘，有防护连接手段，导电外壳与保护地线（PE）相连）相连当基本绝缘损坏后，保护地线能起到一定的保护作用。我们使用的大多数电器属于I类设备，如洗衣机、电冰箱等。0I类设备：基本绝缘类设备：基本绝缘，无防护连接手段，无防护连接手段，但是其金属外壳上有接地端，但是其金属外壳上有接地端，但是不提供有接地线的电源线。接地端子一旦接上保护地但是不提供有接地线的电源线。接地端子一旦接上保护地线，就等同于线，就等同于I类设备了。类设备了。II类设备：类设备：II类设备采用的双重绝缘或加强绝缘，不设保护地线。类设备采用的双重绝缘或加强绝缘，不设保护地线。带塑料外壳的家用电器大多属于带塑料外壳的家用电器大多属于

22、II类设备，如电视机、录音类设备，如电视机、录音机等。机等。III类设备：此类设备采用安全电压供电，要求在任何情况下起内部都类设备：此类设备采用安全电压供电，要求在任何情况下起内部都不能有高于安全电压的电压。不能有高于安全电压的电压。29低压供电系统的电击防护措施低压供电系统的电击防护措施IT系统系统TT系统系统TN系统：系统：TN-C、TN-S、TN-C-S第一个字母代表电源与地的关系第二个字母代表设备与地的关系。I绝缘、T接触、N设备金属外壳直接与PE线相连。L1L2L3IT系统系统适合于供电连续性好、对电击保护要求较高的场合，如矿山巷道、医院等。变压器变压器30L1L2L3发生火线碰壳故

23、障时，通过分布电容形成电流回路，因为容抗很大，又有接地电阻分流，流过人体的电流一般比较小，电击的危险较小。电流较小电流较小IT系统的防护特性分析系统的防护特性分析L1L2L3但是如果发生二次碰壳故障，相当于线电压加在两个接地电阻上，每个设备的电压可达190V，非常危险。需要熔断器在规定的时间内容短，将火线碰壳故障转化为短路故障。190V190VIT系统的防护性能分析系统的防护性能分析因此应该为每台增加漏电流保护器（RCD），这样只有故障设备断电，系统不断电。31L1L2L3IT系统的防护性能分析系统的防护性能分析RCDRCDTT系统系统L1L2L3NNLPENLN32TT系统的防护特性分析系统

24、的防护特性分析L1L2L3NNL 假如在TT系统中单相设备发生火线碰壳故障，所产生的电流不一定使熔断器容断；设备外壳会有比较高的电压，很难达到安全电压。需要有其他防护措施。TT系统的优点是可以防止故障设备外壳的危险电压向其他设备传导。不一定能熔断不一定能熔断很难达到安全电压很难达到安全电压TN系统系统（1）TN-C系统系统L1L2L3NLNLNPENPEPE电源中性点直接接地，设备外壳与电源地直接相连，有三种形式。电源中性点直接接地，设备外壳与电源地直接相连，有三种形式。正常工作时由于PEN线的压降，使设备外壳带电；如果PEN线断线，单相设备无法工作，三相负载不平衡时PEN对地电位发生偏移。因

25、此逐渐被TN-S或TN-C-S系统代替。有电压33L1L2L3NLNLNNPEPEPE（2）TN-S系统系统 避免了TN-C系统的缺点，正常工作时设备外壳电压为0；L1L2L3NLNPEPE 一般不能使设备电压降到安全电压以下（通常大于110V）；电流回路电阻小，电流大，可以使熔断器断开，使碰壳故障转换为短路故障。是一种最安全的供电防护系统。TN-S系统的防护特性分析系统的防护特性分析34（3）TN-C-S系统系统L1L2L3NNLNLNPEPEPEPEN前部是TN-C系统，后部是TN-S系统。适合于采用TN-C方式供电的系统。N线与PE分开后不可再有连接。从从安全性上来讲，安全性上来讲，IT

26、系统的安全性能最好，故障情系统的安全性能最好，故障情况不断电。适合与医院不能断电的手术室、况不断电。适合与医院不能断电的手术室、ICU病房、病房、煤矿坑道等。煤矿坑道等。TN-C最不安全，是要淘汰的接地系统。最不安全，是要淘汰的接地系统。TN-S和和TN-C-S系统是广泛使用的比较安全的接地系统。系统是广泛使用的比较安全的接地系统。任何一种系统都不是绝对安全的。为了进一步保障任何一种系统都不是绝对安全的。为了进一步保障安全，应加装漏电流保护器（安全，应加装漏电流保护器（RCD）。但是）。但是RCD与与接地防护是不能相互替代的。接地防护是不能相互替代的。35漏电流保护器漏电流保护器脱扣脱扣电路电

27、路用电用电设备设备实验实验按钮按钮LN使开关瞬使开关瞬间打开间打开电流不相等电流不相等产生感生电流产生感生电流 可以有效防护间接电击；可以有效防护间接电击；对直接电击也有保护作用，但对直接电击也有保护作用，但是不能替代绝缘等保护措施。是不能替代绝缘等保护措施。第7讲 三相交流电路知识点7.6 用spice分析三相交流电路36Aim-spice基于Spice 3E1，不是目前的最新版本Spice3F5。在Spice 3E1中正弦信号源只有五个参数：如果Spice文件中的信号源有初相，如：V1 1 0 sin(0 1 1000 0 0 -45)最后一个参数初相是被忽略的。sin(V0 VA Fre

28、q Td Theta)电路仿真软件Spice opus另外，因为是学生版，Aim-spice还对电路的规模和计算的点数做了限制。如果要输出的波形时间太长，其波形就不光滑了。V1 1 0 sin(0 1 1000 0 0 -45)的波形sinV1 1 0 sin(0 1 1000 0 0 -45)R 1 0 10k.tran 0.01m 2m.plot tran v(1).end电路文件37Aim-spcie的优点是有Spice文件编辑器，使用方便。编辑好电路文件后可以直接保存成标准的Spice文件格式（.cir格式）下面我们要使用基于全功能的Spice3F5/Xspice的电路仿真软件Spic

29、e opus分析三相电路。也是免费软件。电路仿真软件Spice opusSpice opus没有电路文件编辑窗口。只有命令行。38 Spice opus没有电路文件编辑窗口。只有命令行。Spice opus的特点 用其他文本编辑软件编写电路文件，然后改成.cir格式。如果用Aim-spice编写就不用改了。电路文件中可以只包括电路结构部分。分析指令、输出指令是在载入文件后，在命令行输入的。输入分析和输出指令时，前面不加“点”。也不要加分析类型。输出表格用print，输出曲线用plot。载入文件的指令是source，后面是文件目录及文件全名（带.cir）。用Aim-spice编辑好的电路文件 s

30、in.cir，存放在F:盘的spicefile目录中。可以先使用cd指令进入该目录，然后直接用 source sin.cir载入该文件：进入F盘进入spicefile目录载入sin.cir文件瞬态tran分析输出节点1电压39sinV1 1 0 sin(0 1 1000 0 0 -45)R 1 0 10k.tran 0.01m 2m.plot tran v(1).end用Spice opus分析电路，电路文件中可以没有分析和输出指令，也可以有。也可以用*讲指令行变成注释。用Spice opus仿真三相电路。相序指示器电路，分析求RB和RC上的电压的有效值。例：例：CRCRBABC10318318220V初相为00acbN23phaseVa a 0 ac 220 0Vb b 0 ac 220-120Vc c 0 ac 220 120C a N2 10uRb b N2 318Rc c N2 318*.ac lin 1 50 50*.print Vm(b,N2)Vm(c,N2).end 电路文件：threephase.cir保存在F:/spicefile目录中只针对ac分析的写法40载入文件ac分析，只分析50Hz一个点输出两个电阻上的电压结果RB上的电压是329V，RC上的电压是88V如果电容是A相，则灯泡亮更亮的是B相。