三相交流電

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目錄

什麼是三相交流電[1]

  三相交流電是由三個頻率相同、幅值相同、相位不同的三個單相交流電組成的三相電流、三相電壓和三相電動勢的總稱。

三相交流電的產生[2]

  所謂三相交流電就是由三個頻率相同、電壓相等、相位互差為120°的正弦電壓(或電流)。圖1是三相發電機的原理圖。它的主要部分是定子和轉子。在定子的鐵心內嵌有三組完全相同、在空間上互差為120°的繞組。這三個繞組記為AX、BY和CZ,分別稱為A相、B相和C相。轉子是磁極,當轉子在外力的作用下以恆定的角速度轉動時,定子中的三個繞組依次切割磁感線,從而產生了頻率相等、大小相同、相位差互為120°的三相正弦交流電。
Image:三相发电机的原理图.jpg

三相交流電的特點[3]

  和單相交流電相比較,三相交流電具有以下特點:

  (1)三相發電機比同尺寸的單相發電機輸出的功率大。

  (2)三相發電機的結構和製造與單相發電機相差不多,且使用、維護較方便,運轉時比單相發電機的振動要小。

  (3)在同樣條件下輸送同樣大的功率時,特別是在遠距離輸電時,三相輸電線要比單相輸電線節約24%的材料

  由於具有以上特點,所以三相交流電比單相交流電應用更為廣泛。

三相交流電的表示方法[4]

  三相交流電有如下幾種表示方法:

  (1)瞬時值表達式
eA = EmsinωtV
eB = Emsin(ωt-120°)V
eC = Emsin(ωt-240°)=Emsin(ωt+120°)V
  (2)波形圖表示如圖2(a)所示。
Image:三相电动势.jpg

  (3)相量圖表示如圖2(b)所示。

  (4)相量表示
\dot{E}_A=E∠0°=EV
\dot{E}_B=E∠-120°=E(-\frac{1}{2}-j\frac{\sqrt{3}}{2})V
\dot{E}_C=E∠120°=E(-\frac{1}{2}+j\frac{\sqrt{3}}{2})V

  從圖2不難證明,對稱三相電動勢瞬時值代數和恆等於零,其相量和也恆等於零。即有eA + eB + eC = 0\dot{E}_A+\dot{E}_B+\dot{E}_C=0。對稱三相電壓和電流具有相同的特性。

三相交流電的線制[5]

  1.什麼是三相三線制?

  三相三線制是電源和負載之間的一種連接方式。把供電系統中不引出中性線的星形接法和三角形接法,即電源和負載之間只有三根相線連接的接法稱為三相三線制。三相三線制只包括三相電的三個相線(A相、B相和C相)。由於沒有中性線(N線)和地線(PE線),所以這種供電方式不能用於三相不對稱負載,此外,由於沒有外殼接地保護,一般不作民用。工廠車間里,除有些三相電動機和變壓器之外,也較少使用。

  三相三線制標準導線顏色為:A相線為黃色,B相線為綠色,C相線為紅色。

  電力系統高壓架空線路,即野外看到的輸電線路一般採用三相三線制,這三根線(三相線)可能水平排列,也可能三角形排列;每一相可能是單獨的一根線(一般為鋼芯鋁絞線),也有可能是分裂線(電壓等級很高的架空線路中,為了減小電磁損耗和線路電抗,採用分裂導線,由多根線組成一相線,一般分2~4裂),電力系統高壓架空線路是典型的三相三線制接法。

  2.什麼是三相四線制?

  三相四線制供電系統是電源和負載均星形連接的一種供電方式。把電源的三條相線(電源的首端)與三相負載的首端相連,把電源的星接點與負載的星接點用一條線相連,就構成了三相四線制接法。把連接兩個星接點的連線稱為中性線。

  三相四線制是用電系統中經常使用的一種供電方式。其中,三相指L1(A)相、L2(B)相、L3(C)相這三相;四線指正常工作時電路的三根相線和一根N線(中性線)。三相四線制中有中性線存在,從而保證星形連接的各相負載上的電壓始終接近對稱,在負載不平衡時也不致發生某一相電壓升高或降低。此外,若一相斷線,仍可以保證其他兩相負載兩端的電壓不變,所以,在低壓供電線路上廣泛採用三相四線制。

  3.在低壓三相四線制(380V/220V)供電系統中,中性線有什麼作用?

  在低壓供電系統中,大多數採用三相四線制方式供電,因為這種方式能夠提供兩種不同的電壓——線電壓(380V)和相電壓(220V)。其中,220V的相電壓就是電源的任意一根端線到中性線之間的電壓。所以,三相四線制供電系統可以適應用戶不同的需要

  在三相四線制系統中,如果三相負載是完全對稱的(阻抗的性質和大小完全相同),則零線可有可無,例如三相非同步電動機的三相繞組完全對稱,連接成星形後,即使沒有零線。三相繞組也能得到三相對稱的電壓,電動機能照常工作。但是對於住宅、學校、機關和商場等以單相負荷為主的用戶來說,零線就起著舉足輕重的作用了。儘管這些地方在設計、安裝供電線路時都儘可能使局部的三相負荷接近平衡,但是這種平衡只是相對的,不平衡則是絕對的,而且各相負載每時每刻都在變化。在這種情況下,如果零線中斷了,三相負載中性點的電位就要發生位移。中性點電位位移的直接後果就是三相電壓不再平衡,有的相電壓可能大大超過電器的額定電壓(在極端情況下可能會接近380V),輕則燒毀電器,重則引起火災等重大事故;而有的相電壓大大低於電器的額定電壓(在極端情況下會接近OV),輕則使電器無法工作,重則也會燒毀電器(因為電壓過低,空調、冰箱和洗衣機等設備中的電動機無法啟動,時間長了也會燒毀電機繞組)。由於三相負載是隨機變化的,所以電壓不平衡的情況也是隨機變化的。

  當中性線存在時,負載的相電壓始終對稱並總是等於電源的相電壓,這裡中性線起著迫使負載相電壓對稱和基本不變的作用。因此,使得各相負載的工作彼此獨立,互不影響,即使負載不對稱或某一相負載發生斷路故障,其他兩相上的負載照常可以正常工作。

  4.在低壓三相四線制(380V/220V)供電系統中,如何設置中性線?'

  在設置零線時應該註意以下方面。

  ①在三相四線制線路的幹線上,流過中性線的電流不能超過線電流額定值的1/4。

  ②正確選擇中性線截面。以照明為主的線路中性線截面應等於相線截面。單相供電線路中,中性線截面應和相線相同。

  ③儘量減少線路中中性線接頭,中性線的連接必須牢固可靠,若銅線、鋁線相接時,應使用銅鋁過渡夾,並加強巡查和維護,發現有接頭打火或接觸不良時,應及時處理。平時還應經常進行檢查,避免中性線接觸不良等問題的發生,保證中性線在任何時候都不能斷開。

  ④不能在中性線上安裝開關,更不允許裝設熔斷器。

  5.在低壓供電系統中,三相四線制比三相三線制有什麼優點?

  三相三線制供電系統只適用於三相對稱負載(如三相電力變壓器、三相電動機等)。如果因為某種原因,負載不對稱了,在原來的中性點上就會產生電壓,造成負載欠壓和超壓運行,容易造成負載損壞。三相四線制低壓供電系統的優點如下。

  ①採用三相四線制低壓供電系統可以獲得電源線電壓和電源相電壓兩種電壓,這對於用戶來說非常方便。所以,在低壓供電系統中,經常採用動力和照明混合供電,即將380V的線電壓供三相電動機使用,將220V的相電壓供照明和單相負載使用。

  ②三相四線制低壓供電系統不但適用於三相對稱負載,也適用於三相不對稱負載。當三相負載不對稱時,因為中性線的電阻和負載相比小得多,在電壓的分配上,可以近似認為中性線上的電壓為零,則不對稱的三相負載仍然能獲得對稱的三相電壓,從而可以保證負載正常工作。

  ③三相四線制比三相三線制工作可靠。三相三線制供電系統,若一相負載斷開,則剩下的兩相負載會串聯起來分配電源線電壓,使得每相負載兩端的電壓低於正常工作電壓,該兩相負載也不能正常工作。而三相四線制低壓供電系統,當一相斷開時,剩下的兩相負載各自仍承受電源相電壓,因此在短時間內仍然能正常工作。

三相交流電的相序[1]

  以三相交流電動勢為例,三相交流電的相序通常是指三相交流電動勢依次達到正向最大值(或正幅值)的先後順序。若三相交流電動勢達到正向最大值(或正幅值)的順序依次是A相→B相→C相→A相,即相序為A、B、C、A;當然,三相交流電動勢達到正向最大值(或正幅值)的順序也可能是C相→B相→A相→c相,即相序為C、B、A、C。三相交流電流和三相交流電壓的相序也是這樣定義的。

  為保證供電系統的可靠性、經濟性以及提高電源的利用率,發電廠提供的電能都要併入電網運行,所以要求併入電網時必須保證同名相的連接,即同相序的三相電才能相連。另外,三相交流非同步電動機的旋轉方向和接入的三相電的相序有關係。如液壓泵的轉向會影響泵的工作效率等,因此必須對三相交流電的相序引起足夠的重視。

三相交流電的供電方式[6]

  三相交流發電機能產生三相交流電壓,將這三相交流電壓供給用戶可採用3種供電方式:直接連接供電、星形連接供電和三角形連接供電。

  1.直接連接供電方式
  直接連接供電方式如圖3所示。
Image:直接连接供电方式.jpg

  直接連接供電方式是將發電機3組繞組輸出的每相交流電壓分別用2根供電導線向用戶供電,這種方式共需用到6根供電導線,如果在長距離供電時採用這種供電方式會使供電成本很高。

  2.星形連接供電方式
  星形連接供電方式如圖4所示。
Image:星形连接供电方式.jpg

  星形連接是將發電機的3組繞組末端都連接在一起,並接出一根線,稱為中性線N,3組繞組的首端各引出一根線,稱為相線,這3根相線分別稱為U相線、V相線和W相線。3根相線分別連接到單獨的用戶,而中性線則在用戶端一分為三,同時連接3個用戶,這樣發電機3組繞組上的電壓就分別提供給各自的用戶。在這種供電方式中,發電機3組繞組連接呈星形,並且採用4根線來傳送三相電壓,因此稱為三相四線制星形連接供電方式。

  任意一根相線與中性線之間的電壓都稱為相電壓UP,該電壓實際上是任意一組繞組兩端間的電壓;任意兩根相線之間的電壓稱為線電壓UL。從圖4可以看出,線電壓實際上是由兩組繞組上的相電壓疊加得到的,但線電壓UL的值並不是相電壓UP的2倍,因為任意兩組繞組上的相電壓相位都不相同,不能進行簡單的乘2來求得。根據理論推導可知,在星形連接時,線電壓是相電壓的\sqrt{3}倍,即
U_L=\sqrt{3}U_P

  如果相電壓UP = 220V,根據上式可計算出線電壓約為380V。在圖4中,三相交流電動機的3根線分別與發電機的3根相線連接,若發電機的相電壓為220V,那麼電動機3根線中的任意兩根之間的電壓就為380V。

  3.三角形連接供電方式
  三角形連接供電方式如圖5所示。
Image:三角形连接供电方式.jpg

  三角形連接是將發電機的3組繞組首末端依次連接在一起,連接方式呈三角形,在3個連接點各接出一根線,分別稱為U相線、V相線和W相線。將3根相線按圖5所示的方式與用戶連接,3組繞組上的電壓就分別提供給各自的用戶。在這種供電方式中,發電機3組繞組連接呈三角形,並且採用3根線來傳送三相電壓,因此稱為三相三線制三角形連接供電方式。

  在三角形連接供電方式中,相電壓UP(每組繞組上的電壓)和線電壓UL(兩根相線之間的電壓)是相等的,即
UL = UP

  在圖5中,如果相電壓為220V,那麼電動機3根線中的任意兩根之間的電壓也為220V。

相關條目

參考文獻

  1. 1.0 1.1 邱利軍,於曰浩主編.第六章 三相交流電 電工基礎.化學工業出版社,2007.9.
  2. 徐斌富等主編.第18章 正弦交流電路 大學基礎物理第二冊.科學出版社,2007.1.
  3. 李賞,王躍東主編.第4章 三相交流電路 電工學.西北工業大學出版社,2008.6.
  4. 符磊,王久華主編.第2章正弦交流電路 電工技術與電子技術基礎(第三版).清華大學出版社,2011.05.
  5. 邱利軍,於曰浩主編.第5章 三相交流電 電工基礎.化學工業出版社,2011.03.
  6. 蔡杏山,劉凌平編著.第二章 三相非同步電動機 零起步輕鬆學電動機及控制線路.人民郵電出版社,2008.12.
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