電工電子技術(shù)-電路分析第4章-三相交流電路

1、第4章 三相交流電路,4.1 三相電源,4.2 三相交流電路的分析,4.3 三相電路的功率,,,4.4 安全用電常識,三相交流電路,三相電壓,三相交流電路在生產(chǎn)上應(yīng)用最為廣泛。發(fā)電和輸配電一般都采用三相制。在用電方面，最主要的負載是三相電動機。,三相電壓是由三相發(fā)電機產(chǎn)生的頻率相同、幅值相等、相位互差120°的三相對稱正弦電壓，若以uA為參考正弦量，則,也可用相量表示,,,,,,4.1.1 三相正弦交流電的產(chǎn)生,,A,

2、X,,,,,,×,e,e,,B,Y,,,,,,×,e,e,,C,Z,,,,,,×,e,e,(1)? t=0時,A相繞組的感應(yīng)電動勢達到最大。,(2)? t=120º時,B相繞組的感應(yīng)電動勢達到最大。,(3)? t=240º時,C相繞組的感應(yīng)電動勢達到最大。,4.1 三相電源,三相交流發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖,,,,各相繞組中感應(yīng)電動勢的參考方向,,對稱三相電動勢,,,eA,A,X,,,

3、eB,B,Y,,,eC,C,Z,? t,0,,2?,?,eA= Emsin ? t,eB= Emsin (? t– 120°),eC= Emsin (? t– 240°),對稱三相電動勢的幅值相等, 頻率相同, 彼此間的相位差也相等。,相序A-B-C,,,,+,﹣,﹣,﹣,+,+,,uC,以uA為參考正弦量，則有,三相電壓,對稱三相電壓的波形圖,,對稱三相電壓相量圖,,,,,120°,,120°,

4、,120°,,,,,,,,N,中點或零點,相線,中性線,兩條相線之間的電壓稱為線電壓。 其有效值用UAB、UBC、 UCA表示或一般用Ul 表示。,電源三相繞組首端與末端之間的電壓稱為相電壓; 其有效值用UA 、 UB、 UC表示或一般用UP 表示。,線、相電壓之間的關(guān)系,,,,,,,4.1.2 三相電源的星形聯(lián)接,,,,,,,A,B,,,,,C,,,,,,,,,,,發(fā)電機繞組星形聯(lián)接, 可提供兩種數(shù)值的電壓。

5、,相電壓,線電壓,中性線,相線,,,,相線,相線,,,,,4.1.2 三相電源的星形聯(lián)接,,電源繞組星形聯(lián)接時線電壓與相電壓的關(guān)系,,,相電壓,線電壓,,,,Ul = UP,在大小關(guān)系上，線電壓是相電壓的 倍，在相位上, 線電壓比相應(yīng)的相電壓超前30 º 。,例4.1.1 發(fā)電機繞組星形聯(lián)接，線電壓,解：由相量圖得,,,,UP= Ul /,eA + eB + eC = 0,,提供一組三相對稱電壓

6、,,,,4.1.3 三相電源的三角形聯(lián)接,由于三相電壓對稱，三相電壓之和等于零,由三相電源供電的負載稱為三相負載,三相四線制,三角形聯(lián)接,星形聯(lián)接,三相負載采用何種聯(lián)接方式由負載的額定電壓決定。,當(dāng)負載額定電壓等于電源線電壓時采用三角形聯(lián)接。,當(dāng)負載額定電壓等于電源相電壓時采用星形聯(lián)接；,4.2 三相交流電路的分析,4.2. 1 負載的聯(lián)接,,,,,,,,,,,~,~,A,B,C,N,,,,不對稱負載,當(dāng)單相負載的額定

7、電壓等于電源的相電壓時，應(yīng)將負載接在相線與中性線之間。,4.2 三相交流電路的分析,三相四線制電路,,,,每相負載中的電流Ip稱為相電流,,4.2. 2 負載星形聯(lián)接的三相電路,N,,,uC,–,+,,,,,,,,,N?,電路及電壓和電流的參考方向如圖示,每根相線中的電流Il稱為線電流,負載為星形聯(lián)接時，,設(shè) 為參考正弦量,則有,負載線、相電流相等,即,,,,,4.2. 2 負載星形聯(lián)接的三相電路,N,,,uC,–

8、,+,,,,,,,,,N?,設(shè) 為參考正弦量,則有,每相負載中的電流,,,,設(shè) 為參考正弦量,則有,每相負載中的電流的有效值為,各相負載的電壓與電流的相位差為,中性線中的電流為,,,,4.2. 2 負載星形聯(lián)接的三相電路,,2. 三相對稱負載,ZA =ZB= ZC =?Z ??? ,,,,,A,B,,,,C,,,,,,N,N´,ZA,ZB,ZC,A´,B´,,,,,,,C

9、0;,,,中性線電流,三相對稱負載時可以不要中性線。,,,,,,,,,uC,–,+,,,,,,,,N?,1、對稱負載星形聯(lián)接的三相電路,圖中，若負載對稱，即,,,,,,A,B,C,N,或,因為電壓對稱，負載電流也對稱，即,因此，中線電流為零，即,,,,4.2. 2 負載星形聯(lián)接的三相電路,,N,,,,,,,,,,,N?,負載對稱時，中線電流為零，所以可以去掉中線，成為三相三線制電路。,Z,Z,Z,負載對稱時電壓、電流的相量圖,,,

10、,,?,,1、對稱負載星形聯(lián)接的三相電路,4.2. 2 負載星形聯(lián)接的三相電路,,,,,A,B,,,,C,,,,,,N,ZA,ZB,ZC,,,,,,,,N´,A´,B´,C´,每相負載上的電壓等于電源的相電壓, 可分別計算各相負載中的電流, 即,,,,2、不對稱負載星形聯(lián)接的三相電路,,uC,–,+,,,,,,,,N?,負載不對稱時電壓、電流的相量圖,圖中，若負載不對稱，即各相負載的復(fù)

11、數(shù)阻抗不相同，則各相負載的相電流不對稱。,,,,,,A,B,C,N,,,,,,,,,,,,,2、不對稱負載星形聯(lián)接的三相電路,,,C,,,ZC,,,C´,,,A,B,,,,,,,,N,ZA,ZB,,,,,,例4.2.1 已知對稱三相電源的相電壓UP=220V，ZA =5?，ZB=10?，ZC =20 ? ,各相負載的UN=220V。試求有中性線和無中性線兩種情況下，各相負載的相電壓、相電流及中性線電流, 畫出相量圖。,N

12、´,A´,B´,,,,,解：（1）有中性線,,19.1º,ZA =5?，ZB=10?，ZC =20?,,,,相量圖,,（2）無中性線,先用節(jié)點電位法求出負載中性點與電源中性點間的電壓,= 83.2 ?–19º V,,,A,B,,,,C,,,,,,,N,N´,ZA,ZB,ZC,,,,,,,,,,,,,各相負載的相電壓,=144?11º V,=249.5 ?-139o V

13、,,,,=288 ?131o V,,,,,139o,131o,,各相負載的相電流,,,,,,,,,A,B,,,,C,,,,,,,N,ZA,ZB,ZC,,,例4.2.2 在有中性線和無中性線兩種情況下，分析A相負載發(fā)生短路或斷路時電路的工作情況。,（1）有中性線 , A相負載發(fā)生短路,,,FU,,,,,,,,,,,僅A相熔斷器熔斷, B相、C相負載仍正常工作。,N´,A´,B´,C´,,,

14、,FU,FU,解：,,,A,B,,,,,,,N,ZA,ZB,,,（2）無中性線 , A相負載發(fā)生短路,,,,FU,,,B相、C相負載承受電源線電壓，IB、 IC增大，,, FU不一定熔斷, B相、C相負載將會損壞。,,N´,A´,B´,,,,,,C,,,ZC,,,C´,FU,FU,,,A,B,,,,,,,N,ZA,ZB,,,（3）有中性線, A相斷路,,,,,,S,B相、C相負載正常工作。不受影響

15、。,,FU,,N´,A´,B´,,,,,FU,FU,（4）無中性線 , A相斷路,,,,A,B,,,,,,N,ZA,ZB,,,,,,S,FU,,,N´,A´,B´,,,,,,FU,FU,,從上面的例題可以看出:,(1) 負載不對稱而又沒有中性線時,負載的相電壓就 不對稱,有的相的電壓高于負載的額定電壓,有的 低于負載的額定電壓, 這都是不允許的。

16、三相負 載的相電壓必須對稱。,(2) 不對稱負載星形聯(lián)接時必須有中性線。 中性線的 作用就在于使星形聯(lián)接的不對稱負載的相電壓對 稱。中性線(指干線)內(nèi)不應(yīng)接入熔斷器或閘刀開 關(guān), 以保證中性線不斷開。,,,,結(jié) 論,,,,,,,,,,,~,~,A,B,C,,N,當(dāng)負載的額定電壓等于電源的線電壓時，應(yīng)將負載接在兩根相線之間，形成三角形聯(lián)接。,4.2.3 負載三角形聯(lián)接的三相電路,,,,,

17、,,,,,A,B,C,ZBC,ZCA,ZAB,,,,,,,,,,三相負載三角形聯(lián)接時，負載的相電壓等于電源的線電壓。因此，不論負載對稱與否，其相電壓總是對稱的。,相電流,線電流,,,,對稱負載三角形聯(lián)接,,,,,,,A,B,C,ZBC,ZCA,ZAB,,,,,,,,,,ZAB =ZBC= ZCA =Z=?Z ???,,,,負載線、相電流之間的關(guān)系,根據(jù)KCL，負載線、相電流之間的關(guān)系為,若負載對稱，即,和,則負載相電流也是對稱的，

18、即,,,,,,,,,,,顯然三個線電流也對稱，若有效值用Il表示，則有IA= IB= IC= Il，且 ；相位上，線電流滯后相應(yīng)的相電流30o 。,,,,,iC,,,A,B,C,,,,,,,,,,,iB,iA,iAB,iBC,iCA,–,+,uAB,–,+,uBC,–,+,uCA,,,ZAB,ZBC,ZCA,對稱負載三角形聯(lián)接時，電壓、電流的相量圖,,,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,,

19、,,,,,R,R,R,,,,,,,N,,,,,,,P = UAIANcos?,= 220 IAN0.5,= 1100 W,IAN= 10 A,,,,,解：,,,,,,51.2o,=24 ?– 51.2oA,=17.3 ?– 150oA,=17.3 ?+90oA,= 15 – j18.66,=220,V,–30º,?,,,,4.3.1 一般三相電路的功率,1.有功功率：P =PA+ PB+ PC ,,2.無功功率：Q =QA

20、+ QB+ QC ，QA= UAPIAPsin? A,PA= UAPIAPcos? A,1.有功功率：P = 3PA= 3UP IP cos?,4.3 三相電路的功率,4.3.2 對稱三相電路的功率,注意:式中的? 角仍為相電壓與相電流之間的相位差。,,,,,,觸電事故是指人體由于不慎觸及帶電體，使人體受到傷害。,按人體所受傷害方式的不同，觸電事故可分為電擊和電傷。,電擊主要是電流通過人體內(nèi)部，影響呼吸、心臟和神經(jīng)系統(tǒng)，造成人

21、體內(nèi)部組織的破壞，乃至死亡。,電傷主要是指在電弧的作用下，或熔斷絲熔斷時，對人體的傷害，如燒傷、金屬濺傷等。,4.4 安全用電常識,4.4.1 觸電的危害,,電擊所引起的傷害程度與下列因素有關(guān)：,1.人體電阻的大小；,2.電流通過時間長短；,3.電流的大小；,,,,4.4.2 觸電方式,（1）電源中性點接地的單相觸電,人體處于相電壓之下，危險性較大。如果人體與地面的絕緣較好，危險性可大大減小。,,,,1. 單相觸電,4.4

22、.2 觸電方式,（1）電源中性點接地的單相觸電,（2）電源中性點不接地的單相觸電,導(dǎo)線與地面的間的絕緣可能不良（對地絕緣電阻為R´），甚至有一相接地的情況下，人體就有電流通過。在交流情況下，導(dǎo)線與地面間存在的電容也可構(gòu)成電流通路。,1. 單相觸電,,,,4.4.2 觸電方式,兩相觸電是指人體兩處同時接觸三相電源的兩根相線，人體上作用電源的線電壓。,最危險,,人體處于線電壓之下,但不常見,,,,1. 兩相觸電,

23、4.4.3 觸電的預(yù)防,為預(yù)防觸電，應(yīng)做好以下工作：,（1）正確使用和安裝電氣設(shè)備；,（2）防止電氣設(shè)備的絕緣損壞和受潮；,（3）遵守操作規(guī)程，合理使用安全工具；,（4）對人體經(jīng)常觸及的帶電設(shè)備，要采用安全電壓；,（5）采用合格的接地系統(tǒng)。,安全電壓,為防止觸電事故而采用的由特定電源供電的電壓系列稱為安全電壓。,通用接觸電壓極限：人體允許長期承受的電壓極限值。,常規(guī)環(huán)境下：,交流(15~100Hz)電壓為50V直流電壓為120V。

24、,潮濕環(huán)境下：,交流(15 ~100Hz)電壓為25V直流電壓為60V。,我國規(guī)定工頻有效值42V、30V、24V、12V和6V為安全電壓的額定值。,選用安全電壓是防止觸電的安全措施。,注意：安全電壓的供電電源除采用獨立電源外，其輸入與輸出電路必須實行電路上的隔離。工作在安全電壓下的電路必須與其它電氣系統(tǒng)和任何無關(guān)的可導(dǎo)電部分實行電氣上的隔離。,,,,由于大多數(shù)電氣設(shè)備采用380/220V低壓系統(tǒng)供電,為防止觸電事故發(fā)生，需

25、根據(jù)供電系 統(tǒng)接地型式不同，分別采用接地或接零的保護措施。,在低壓配電系統(tǒng)中，電源（變壓器）中性點有接地和不接地兩種。接地的目的出于電力系 統(tǒng) 運行和安全需 要。這種接地稱為工作接地。例如三相四線制電源中性點接地。,在低壓配電系統(tǒng)中，電源（變壓器）中性點不接地的情況下，采用保護接地；在中性點接地的情況下，采用保護接零。,,,,4.4.4 電氣設(shè)備的保護接地和保護接零,,R0,,保護接地,(2)由于采用了保護接地，當(dāng)出現(xiàn)漏電

26、或一相碰殼時，外殼對地電壓接近為零，故人體觸及外殼時比較安全。,保護接地適用于電源中性點不接地的三相三線制供電系統(tǒng)中。將電氣設(shè)備的金屬外殼接地，一般要求R0小于4?。,1. 保護接地,(1)當(dāng)出現(xiàn)漏電或一相碰殼時，外殼未接地，此時人體觸及外殼時相當(dāng)于單相觸電。,,,,,,,,,4.4.4 電氣設(shè)備的保護接地和保護接零,2. 保護接零,,R0,,保護接零,,,,,,由于外 殼 與零線聯(lián)接，當(dāng)出現(xiàn) 漏 電或一相碰殼時，就

27、形成單相短路或接近短路，接于該相線上的短路保護裝置或過流保護裝置便會動作，迅速切斷電源消除觸電危險。,適用于電源中性點接地的三相四線制供電系統(tǒng)中。,將電氣設(shè)備的金屬外殼接到零線（中性線）上。,此時通過人體電流很小。,,,,,4.4.4 電氣設(shè)備的保護接地和保護接零,工作零線與保護零線,N（工作零線）,,L（相線）,PE（保護零線）,,,,,,,,,,,～220V,,,,,×,,,,（a）,(b),(c),N,N,N,

28、L,L,L,E,E,E,,,,,為了確保設(shè)備外殼對地電壓為零，專設(shè)保護零線PE。,接零正確,,接零不正確,,忽視接零,,,,,靜電是相對靜止的電荷，它通常是由物體之間的相互摩擦或感應(yīng)而產(chǎn)生的。靜電廣泛應(yīng)用于噴繪、除塵、復(fù)印等。,在一定條件下，靜電也為生產(chǎn)和生活帶來諸多不便，例如引起易燃易爆物體爆炸或起火，損壞電子元器件等。,,,,4.4.5 靜電的危害和防護,對靜電的防護措施主要有：,（1）接地和泄漏 當(dāng)接地電阻低于100