1.3 三相交流電路常識

1.3.1 三相交流電概述

上一節所討論的是，假設交流發電機產生的只有一個交變電動勢的單相交流電路。但在實際應用中，所采用的幾乎都是三相交流電。由三個同幅值、同周期變化，三者之間相位相差120°的正弦交流電動勢構成的電源稱為三相對稱正弦交流電源。由三相交流電源、三相用電設備、連接導線、控制設備組成的電路稱為三相交流電路，或稱為“三相制”。

“三相制”之所以被廣泛使用，是因為其遠距離輸送電能損失小，在輸電功率、電壓、距離和線損等條件相同的情況下，三相輸電用鋁量僅為單相輸電的75%；同時，三相電器結構和制造比較簡單，性能穩定，使用可靠，維護方便。

1.三相對稱電動勢的產生

（1）三相交流發電機的結構

三相交流發電機的結構如圖1.47所示，它與單相交流發電機的結構基本相同，只不過在轉子上有三組夾角相互相差120°的線圈（AX、BY、CZ），分別稱為A繞組、B繞組、C繞組。三個繞組的起始端分別以A、B、C表示，末端以X、Y、Z表示，每個繞組的形狀、尺寸、匝數都相同，轉子上下有磁極N、S。

磁感應強度B沿轉子表面按正弦規律分布。

（2）三相對稱電動勢的產生

當三相發電機的轉子在外力的作用下，以等角速度ω按逆時針方向旋轉時，三個繞組中會分別產生正弦交流電動勢。這三個電動勢有如下的特點。

[1] 由于三相繞組以相同的角速度切割磁力線，因此所產生電動勢的頻率相同。

[2] 由于各繞組的幾何形狀、尺寸、匝數都相同，繞組角速度也相同，因此所產生電動勢的最大值都相等。

[3] 由于三相繞組的起端和末端互差120°，因此所產生三個電動勢的初相角之間也互差120°。

由此可見，三相發電機所產生的電動勢是三相對稱電動勢。三相對稱電動勢到達最大值或零的先后順序稱為相序。

2.三相對稱電動勢的表示法

為了以正弦量的形式表示三個繞組所產生的正弦電動勢，我們把繞組的末端（X、Y、Z）到起始端（A、B、C）的方向規定為電動勢的正參考方向；把A—B—C—A規定為正相序。那么，三個繞組所產生的正弦電動勢的瞬時值可表示為

eAX=Emsinωt

eBY=Emsin(ωt-120°)

eCZ=Emsin(ωt+120°)

三相對稱電動勢的曲線圖和相量圖如圖1.48所示。

如果把三個對稱正弦電動勢的相量加在一起，它們就構成一個閉合的等邊三角形，即

說明

三相對稱電動勢的相量和等于零，如圖1.49所示。

如果把三個對稱的正弦電動勢的瞬時值加起來，經過計算，可以得到

eAX+eBY+eCZ=0

無論是表達式還是波形圖都證明：在任一瞬間，三相對稱正弦電動勢的代數和等于零。

3.三相電源的Y形連接

三相發電機每一個繞組所產生的電動勢都相當于一個獨立電源，可以單獨與負載連接使用。但這種連接方式在輸送電能時需要6 根導線。為此，我們把發電機三個繞組的末端X、Y、Z連在一起，接成一個公共點O，引出一根連接線稱為中線（零線）；由A、B、C三個起始端分別引出三根連接線，稱為端線（火線），這種連接方式稱為三相電源的星形（Y形）連接，如圖1.50所示。三相電源Y形連接向負載供電的方式稱為三相四線制。

繞組連接成星形時，可以得到兩種電壓：相電壓和線電壓。

（1）相電壓

星形連接時，起始端與末端（端線與中線）之間的電壓稱為相電壓。相電壓的有效值U用A、UB、UC表示，若忽略各相繞組的阻抗和內部壓降，則有

UA=EA UB=EB UC=EC

三個相電壓的有效值大小相等，它們之間在相位上互差120°。相電壓的方向由端線指向中線。伏特表V1上所測得的就是相電壓。

（2）線電壓

端線與端線之間的電壓稱為線電壓，線電壓的有效值用UAB、UBC、UCA表示。線電壓的正方向由下標文字的先后順序來表示，書寫時下標不能顛倒，否則在相位上相差180°。三個線電壓的有效值大小也相等。伏特表V2上所測得的就是線電壓。

（3）相電壓與線電壓的關系

任意兩根端線之間有電壓存在，是因為兩個相關繞組的感應電動勢共同作用造成的。因此，線電壓與相電壓之間有一定的關聯。經電壓定義和相量的推導我們得出：線電壓在數值上等于相電壓的倍；相位上比它所對應的相電壓超前30°。三個線電壓之間的相位互差120°，因而線電壓依然是對稱的。

在日常生產和生活中，常用的電壓為380/220V，是指電源在星形連接時的相電壓為220V，線電壓為。