一、三相電源的接法
1、電源的星形連接
把電源三相繞組的末端X、Y、Z連接到一起,從首端A、B、C引出連接負載的導線,稱為電源的星形連接。
三相繞組末端的結(jié)點稱為電源的中性點,以字母O或N表示,其引出的導線稱為中性線,又稱零線,當中性線接地時又稱地線。每相引出的導線稱為相線,俗稱火線。
有中性線的三相供電方式稱為三相四線制。不引出中性線的三相供電方式稱為三相三線制。
相線與中性線間的電壓稱為相電壓,其瞬時值和有效值分別用uA、uB、uC和UA、UB、UC表示。任意兩相線間的電壓稱為線電壓,其瞬時值和有效值分別用uAB、uBC、uCA和UAB、UBC、UCA表示。
星形連接時,用向量法分析可得:線電壓超前于所對應(yīng)的相電壓30°,線電壓是相電壓的√3倍,即UAB=√3UA,UBC=√3UB,UCA=√3UC。
2、電源的三角形連接
將一相繞組的末端與相鄰一相繞組的首端依次連接,組成一個封閉的三角形,再從三個首端A、B、C引出三根端線,稱為電源的三角形連接。
在三角形連接中的三相繞組構(gòu)成閉合回路,其產(chǎn)生的電動勢是三相對稱的,因此在閉合回路內(nèi)的三相電動勢之和為零。但若有一相頭尾接錯,則會引起閉合回路中的總電勢為一相電勢的2倍,可能導致電源繞組燒毀。故接線前,應(yīng)正確判定各相繞組的首末端。
三角形接法時,線電壓等于相電壓,即UAB=UA,UBC=UB,UCA=UC。
三相變壓器繞組連接常采用三角形接法,而三相發(fā)電機一般都接成星形。
二、負載的接法
1、負載的星形連接
把三相負載的末端連接到一起,從三個首端分別引出三條線與三相電源相連,稱為負載的星形連接。
星形連接時,線電流等于相電流,即IA=IA相,IB=IB相,IC=IC相。
當三相負載的阻抗相等、功率因數(shù)角相等且具有同樣的性質(zhì)(即均為感性或容性),這樣的負載稱為平衡負載。如果電源電壓對稱,則
IA=IB=IC=I線=I相。此時只要計算一相即可。
由于三個相電流或三個線電流大小相等,且各電流相位差為120°,所以中性線中沒有電流通過,即IN=1A+IB+IC=0,此時可將中性線省去,改為三相三線供電。但三相三線供電只適用于平衡負載,如三相電動機、三相電爐等。
三相三線制供電時,供電電壓為線電壓U線,負載每相的電壓為相電壓U相,U線=√3U相。即線電壓為相電壓的√3倍。
在電源電壓對稱、負載平衡的情況下,I線=I相。即線電流等于相電流。
2、負載的三角形連接
一相負載的末端和另一相負載的首端相連,使三相負載構(gòu)成一個閉合回路,然后從三個首端(或末端)引出三條線與三相電源相連,由于負載一般畫成三角形的形式,所以稱為三角形連接。
三角形連接時,每相負載所受的電壓(相電壓)等于電源的線電壓,即
U線=U相。即線電壓等于相電壓。
三角形連接時,當三相電壓對稱,(UAB=UBC=UCA=U線,各電壓彼此相位差120°),負載平衡時,線電流IA=IB=IC=I線。
IA=√3IA相,IB=√3IB相,IC=√3lC相,I線=√3I相。即線電流為相電流的√3倍。
三、不平衡負載的星形連接
不平衡負載是指阻抗不等或阻抗角不等,或阻抗角大小雖然相等,但阻抗性質(zhì)不同的三相負載。
1、三相四線制向星形不平衡負載供電
如下圖所示,電源電壓對稱,其線電壓U線=380V,各相負載為純電阻,其值分別為RA=50Ω、RB=100Ω、RC=200Ω,計算電源與負載的相電壓、負載電流與中性線電流。
根據(jù)星形連接時,U線=√3U相,所以電源相電壓U相= 380/U線=220V。
如略去輸電線上的阻抗壓降,則負載端的線電壓與相電壓分別為380V和220V。求得通過各相負載的電流分別為:
IA=220/5=44A,IB=220/10=22A,IC=220/20=11A。
中性線電流IN=1A+IB+IC,可根據(jù)向量作圖的方法求得(各電流必須按同一比例尺寸繪制),也可把各電流分解成與x軸和y軸上的投影,利用直角關(guān)系進行計算。
IA分解后得IAy=IA,IAx=0
IB分解后得IBy=-IBscos60°,IBx=IBcos30°
IC分解后得ICy=-ICcos60°,ICx=-ICcos30°
計算后得IAy=44A,IBy=-11A,ICy=-5.5A,IAx=0,IBx =19.1A,ICx =-9.55A
故IN=√(19.1-9.55)2+(44-11-5.5)2=29.2A
負載不平衡時,在中性線中有電流通過,且IN會隨不平衡度增加而增加。如果沒有中性線,勢將造成負載各相電壓不相等。個別相上的電壓將會大大超過電源相電壓,使負載不能正常運行,甚至因承受過高的電壓而損壞。
2、三相三線制向星形不平衡負載供電
下圖是三相三線電路,負載為純電阻,RA=5Ω、RB=10Ω、RC=20Ω。
當C相負載斷開時,組成一個RA與RB串聯(lián)后接到與電源AB的閉合回路,此時通過負載的電流IA=IB=UAB/(RA+RB)=380/(5+10)=25.3A,且與UAB同相。RA與RB上的電壓URA與 URB分別為
URA=IARA=25.3x5=126.5V,URB=IBRB=25.3x10=253V。
如負載RA、RB的額定工作電壓為220V,則RA上的電壓低于額定值,而RB上的電壓則高于額定值,使兩個負載都不能正常工作。而RB上的電壓因為過高,負載還有被損壞的危險。
所以不平衡負載,例如照明負載或其它接在三相電路中的單相負載,不宜采用三相三線制供電。如上圖中的三個負載如果是白熾燈,則上述情況發(fā)生時(C相斷開),接在A相的燈就很暗,而接在B相的燈特別亮,并將被燒壞。即使C相未斷開,三相的燈亮度也各不同。并且若將燈泡接成上圖的電路時,在BC相的燈不用時(即 B、C相與電源斷開),A相的燈也無法使用。
四、星形連接時的中性點位移
三相三線制中,如電源對稱,作星形連接的負載平衡,則電源中性點N與負載中性點N'等電位。但當負載不平衡時,N'點的電位就不再與電源中性點N的電位相等,這種兩個中性點電位不等的現(xiàn)象稱為中性點位移,或稱為中性點移動。
上題中C相斷開后,作用在RA、RB上的電壓為UAB=IARA+IBRB=UA N'+U N'B,其向量圖如下圖所示。
圖中電源中性點N與負載中性點N'間的連線為向量UN N',UN N'即為中性點位移電壓,也就是電源中性點N與負載中性點N'間的電位差,其大小、相位取決于負載的不平衡程度和負載的性質(zhì)。
五、三相四線制中性線的作用及要求
1、中性線的作用
三相四線制供電系統(tǒng)一般都是低壓供電系統(tǒng),其供電電壓大部分是380V/220V。其負載除三相電動機、三相電爐等三相負載外,大部分是單相負載,如照明、電焊機、小容量電爐等。由于各相設(shè)備的具體使用條件不同,實際上無法保證三相平衡,因此電源作星形連接時不能采用三相三線供電,必須設(shè)置中性線。由于中性線連接在電源中性點N與負載中性點N'之間,從而可以強制N與N'等電位,使負載每相所受的電壓即為電源每相電壓(不計線路壓降),以保證負載能在額定電壓下正常工作。強制負載中性點N'與電源中性點N等電位,使不平衡負載的相電壓達到對稱,這就是中性線的作用。
2、中性線的要求
1)為能強制負載中性點N'與電源中性點N等電位,中性線中不能接入熔斷器;
2)中性線必須要有足夠的機械強度,以防止中性線的斷裂;
3)中性線要有合適的截面,以避免IN在中性線上產(chǎn)生過大的壓降,影響強制等電位的作用。
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