星形连接的三相照明电路优化方案

【任务目标】

•知识目标

(1)掌握电源的星形连接中电压、电流的关系;

(2)掌握负载的星形连接中电压、电流的关系。

•能力目标

(1)能识读电路图;

(2)能正确按电路图接线;

(3)能使用电流表、电压表、万用表测量相电压、线电压、相电流、线电流;

(4)能进行实验数据分析,验证星形连接负载对称与不对称时,线电压和相电压、线电流和相电流,中线电流之间的关系及变化情况;

(5)能完成实验报告填写。

•态度目标

(1)能主动学习,在完成任务过程中发现问题、分析问题和解决问题;

(2)能与小组成员协商、交流配合完成本次学习任务,养成分工合作的团队意识;

(3)严格遵守安全规范,爱岗敬业、勤奋工作。

【任务描述】

班级学生自由组合为若干个实验小组,各实验小组自行选出组长,并明确各小组成员的角色。 在电工实验室中,各实验小组按照《Q/GDW 1799.1—2013 国家电网公司电力安全工作规程》、进网电工证相关标准的要求,对星形连接的三相照明电路进行相电压、线电压、相电流、线电流的测量,并对测量数据进行分析。

【任务准备】

课前预习相关知识部分,独立回答下列问题:

(1)三相交流电是怎样产生的?

(2)供电系统中电源有哪些接线形式?

(3)对称负载星形接法中的线电压和相电压是怎样的关系,线电流和相电流是怎样的关系?

(4)中性线起什么作用? 可以省略吗?

【相关知识】

理论知识

目前电力工程上普遍采用三相制供电。 三相制供电为什么会在电力工程上得到普遍应用呢? 这是从技术、经济角度综合比较后得到的结果。 在发电方面,三相交流发电机比相同尺寸的单相交流发电机容量大;在输电方面,如果以同样电压将同样大小的功率输送到同样距离,三相输电线比单相输电线节省材料;在用电设备方面,三相交流电动机比单相电动机结构简单、体积小、运行特性好。 相数越多,电力生产和运输的成本越高,如果采用两相,为保障两相稳定运行的成本也很高。 因此,在交流系统中三相制供电被普遍应用。

一、三相电源

1) 三相交流电源

图4.1.1　发电机原理示意图

三相交流电源来自三相交流发电机。 图4.1.1 是三相交流发电机的原理示意图。 发电机的主要结构是磁极和电枢。电枢由线圈和铁芯构成,线圈匝数很多,嵌在硅钢片制成的铁芯上,铁芯内圆周表面有槽,线圈就嵌在槽中。 电枢转动而磁极不动的发电机被称为旋转电枢式发电机;磁极转动而电枢不动的发电机被称为旋转磁极式发电机。 在发电机中,转动的部分叫转子,不动的部分叫定子。 不管是这两种发电机中的哪一种,当电机运转时,转子和定子之间有相对运动,线圈都切割磁力线,电枢中就会产生感应电动势。 如果电枢外接负载,构成闭合回路,回路中就产生三相交流电流。

当发电机的转子以角速度ω 按逆时针旋转时,在三个绕组的两端分别产生幅值相同、频率相同、相位依次相差120°的三相正弦交流电动势,这三相通常以A 相、B 相、C 相或U 相、V 相、W 相表示(本书统一用A 相、B 相、C 相表示)。 三相正弦交流电动势瞬时值的数学表达式为

也可用相量表示为

它们的波形图和相量图分别如图4.1.2 和图4.1.3 所示。

图4.1.2　三相电动势波形图

图4.1.3　电压相量图

从波形图中可看出,任意时刻三个正弦交流电动势瞬时值之和等于零,即

uA + uB + uC = 0

能够提供这样一组对称三相正弦电动势的就是对称三相电源,通常所说的三相电源就是指对称三相电源。

三相电动势达到最大值(振幅)的先后次序叫作相序。 uA 比uB 超前120°,uB 比uC 超前120°,而uC 又比uA 超前120°,这种相序被称为正序或顺序;反之,如果uA 比uC 超前120°,uC 比uB 超前120°,uB 比uA 超前120°,这种相序被称为负序或逆序。

相序是一个非常重要的概念,使用三相电源时必须注意其相序。 一些需要正反转的生产设备可以通过改变其电源相序来控制电动机的正反转。 在电力系统中一般用黄、绿、红三色区别A、B、C 三相,黄色表示A 相,绿色表示B 相,红色表示C 相。 在正常情况下,电力系统的三相电压、三相电流的相序都是正序或者顺序。

2)三相电源的星形(Y)连接

(1)三相电源的星形(Y)连接形式。

三相电源的星形(Y)连接方式如图4.1.4 所示。 把发电机三相绕组的末端X、Y、Z 接成一点,而把始端A、B、C 作为与外电路相连接的端点,这种连接方式称为电源的星形连接。这个X、Y、Z 接成的公共点被称为中性点,如果从中性点向外引出一根导线N,我们称这根导线N 为电源的中性线,简称中线,俗称零线,在电力系统中通常用蓝色表示零线;由三相绕组的首端向外引出三根导线称为端线或相线,俗称火线,分别用A、B、C 表示。 电源绕组按这种接线方式向外供电的体制被称为三相四线供电制,通常在低压配电系统中采用,如低压照明电路。 如果中性点没有向外引出导线,这种供电体制被称为三相三线供电制,通常在3 ～10 kV的中压配电系统中采用。

图4.1.4　三相电源绕组的星形连接

三相四线供电制能提供以下两种电压:

(2)三相电源星形连接时线电压与相电压的关系。

①线电压与相电压的相量关系式:

图4.1.5　线电压与各相电压的相量图

同理可得即线电压的有效值是相电压有效值的3 倍,线电压的相位超前其对应的相电压30°。

②线电压与相电压的相量图。

由三相电源的星形(Y)连接时线电压与相电压的相量关系式,可画出以A 相电压为参考相量时各线电压与各相电压的相量图,如图4.1.5 所示。

③线电压的瞬时值表达式。

若以A 相电压为参考正弦量,可知0°),则

【例4.1.1】　某电源接成星形,其相电压UP 是220 V,线电压是多少? 以A 相为参考相量,写出各相、线电压的瞬时值表达式。

解　线电压

各相、线电压的瞬时值表达式为

二、三相负载的星形连接(www.xing528.com)

交流电路中的用电设备大体可分为两类。 一类是需要接在三相电源上才能正常工作的叫作三相负载,如果每相负载的阻抗值和阻抗角完全相等,则为对称负载,如三相电动机。另一类是只需接单相电源的负载,它们可以按照需要接在三相电源的任意一相相电压或线电压上。 对于电源来说,它们也组成三相负载,但各相的复阻抗一般不相等,所以不是三相对称负载,如照明灯。

三相负载的星形连接,就是把三相负载的一端连接到一个公共端点,负载的另一端分别与电源的三个端线相连。 负载的公共端点称为负载的中性点,简称中点,用N′表示。 如果电源为星形连接,则负载中点与电源中点的连线称为中线,两中点间的电压称为中点电压。 若电路中有中线连接,可以构成三相四线制电路;若没有中线连接,或电源端为三角形连接,则只能构成三相三线制电路。

如图4.1.6 所示电路,三相负载ZA、ZB、ZC 的三个末端连接在一起,接到电源的中线上。三相负载的首端分别接到电源的三条相线上。 由此可知,每相负载的电压等于电源的相电压。

图4.1.6　负载的星形连接和电流相量

那么,各相电流也是对称的,即

由此可画出电流的相量图,如图4.1.6(b)所示。 图中可见,中线电流 为零,即

综上所述,对称负载采用星形连接时具有以下特点:

①由于三相负载和三相电压都是对称的,所以相电流也对称,即大小相等,相位互差120°。 因此,只需求出其中一相的电流,其他两相电流可直接推出。

②由于相电流对称,使得中线电流为零,所以中线可以省略,变成三线三相制的供电方式。 此时,N 点和N′之间的电压为零,说明在对称负载和对称电源的三相电路中,即使中线断开,电源的中性点和负载的中性点也是等电位的,与有中性线时完全相同,各相负载的电流和电压都是对称的,负载的工作不受中线的影响。

【例4.1.2】　有一对称三相正弦交流电路,负载为星形连接时,线电压为380 V,每相负载阻抗为6 Ω 电阻与8 Ω 感抗串接,试求负载的相电流的大小。

解　已知电压UL =380 V,则

每相负载电阻R=6 Ω

每相负载感抗XL =6 Ω

答:负载相电流为22 A。

实践知识

一、三相调压器的工作原理及使用注意事项

三相调压器是一种可调的自耦变压器,可作为带动三相负载的无级平滑调节电压设备。其主要工作原理是将四层三端半导体器件接在电源和负载中间,配上相应的触发控制电路板,就可以调整加到负载上的电压、电流和功率。 三相调压器是由三台单相调压器接成星形而组成的,图4.1.7 中,A、B、C、O 为输入端(初级),a、b、c、o 为输出端(次级)。 每相调压器的滑块固定在同一根转轴上,当旋转手柄改变滑块的位置时,能同时调节三相输出电压并保证输出电压的对称性。

(1)三相调压器A、B、C 接线柱为输入端,a、b、c 接线柱为输出端,O 接线柱为星形(Y 形)中性点。

(2)新安装或长期不用的调压器,运行前须用500 V 兆欧表测绝缘,满足要求时才可安全使用,否则应进行热烘处理。 热烘处理一般可取带电干燥法或送烘房干燥,干燥后应检查各紧固件是否松动,如有松动应加以紧固。

(3)三相调压器的输入输出端钮较多,接线前应一一核对清楚。 根据星形连接的特点,三相调压器的中性点O 和o 必须连接在一起并与电源中性线相接。

(4)调压器必须良好接地,以保证安全。

(5)三相调压器不准并联使用。

(6)三相调压器的输入电压值不得超过额定电压,以免烧坏调压器;在不使用时,应将输出电压调至0 V 且切断输入电源。

图4.1.7　三相调压器

(7)使用时应缓慢均匀地旋转手柄,以免引起电刷损坏或产生火花。

(8)应经常检查调压器的使用情况,如发现电刷磨损过多、缺损,应及时调换同种规格的电刷,并用零号砂纸垫在电刷下面转动手轮数次数,使电刷磨面磨平,接触良好,方可使用。调换的铜石墨复合电刷必须符合规格要求。

(9)线圈与电刷接触的表面,应经常保持清洁,否则易引起打火花而烧坏线圈表面。 如发现线圈表面有黑色斑点,可用棉纱蘸酒精(90%)擦拭表面直到斑点除去为止。

(10)从电源接到调压器,调压器到负载的导线和导线端子接头应接触良好,并能通过调压器的额定电流。

二、三相照明电路星形连接时电压、电流及分析

【任务简介】

1)任务描述

(1)学会三相负载星形连接方法。

(2)验证星形连接负载对称与不对称时,线电压和相电压、线电流和相电流,中线电流之间的关系及变化情况。

(3)理解中性线的作用。

2)任务要求

测量负载对称与不对称时线电压、相电压、中性线电压及相电流、中性线电流数据,验证负载对称与不对称时,各测量量的关系。

3)实施条件(表4.1.1)

表4.1.1　三相负载星形连接

【任务实施】

1)电路图

图4.1.8　三相照明电路星形连接

2)操作步骤

(1)按图4.1.8 接线。

(2)经老师检查电路接线正确后,合上开关K。

(3)调整三相调压器,使输出线电压为220 V,按表4.1.2 测取数据。

3)数据记录

表4.1.2　数据记录表

4)注意事项

(1)三相调压器在合闸前,手柄应放在零位,且输入、输出端不能接错。

(2)注意各表量程的选择。

(3)做A 相负载短路实验时,一定要无中线,否则会造成A 相电源短路。

5)思考题

(1)负载对称时UL =,负载不对称时,此关系成立吗?

(2)通过实验,说明中性线的作用。

6)检查与评价(表4.1.3)

表4.1.3　检查与评价