“三相交流电路”实验报告总结

一、实验目的

1.学习三相交流电路中三相负载的连接。

2.了解三相四线制中线的作用。

3.掌握三相电路功率的测量方法。

二、实验原理

　1. 对称三相电路中线、相电压和线、相电流的关系，三相电路中，负载的连接分为星形连接和三角形连接两种。一般认为电源提供的是对称三相电压。

　　（1）星形连接的负载如图1所示： 　　

　

图1 星形连接的三相电路

　　A、B、C表示电源端，N为电源的中性点（简称中点），N' 为负载的中性点。无论是三线制或四线制，流过每一相负载的相电流恒等于与之相连的端线中的线电流：

　　　　（下标I表示线的变量，下标p表示相的变量）

　　在四线制情况下，中线电流等于三个线电流的相量之和，即

　　端线之间的电位差（即线电压）和每一相负载的相电压之间有下列关系：

　　　　

　　　　

　　　　

　　当三相电路对称时，线、相电压和线、相电流都对称，中线电流等于零，而线、相电压满足：

　　　　

（2）三角形连接的负载如图2所示： 　　　

　　其特点是相电压等于线电压：

　　线电流和相电流之间的关系如下：

　　　　

　　当三相电路对称时，线、相电压和线、相电流都对称，此时线、相电流满足： 　

　　2.不对称三相电路

　　在三相三线制星形连接的电路中，若负载不对称，电源中点和负载中点的电位不再相等，称为中点位移，此时负载端各相电压将不对称，电流和线电压也不对称。

　　在三相四线制星形连接的电路中，如果中线的阻抗足够小，那么负载端各相电压基本对称，线电压也基本对称，从而可看出中线在负载不对称时起到了很重要的作用。但由于负载不对称，因此电流是不对称的三相电流，这时的中线电流将不再为零。

　　在三角形连接的电路中，如果负载不对称，负载的线、相电压仍然对称，但线、相电流不再对称。

　　如果三相电路其中一相或两相开路也属于不对称情况。

　　3.三相负载接线原则

　　连接后加在每相负载上的电压应等于其额定值。

三、实验设备

1.实验电路板

2.三相交流电源

3.交流电压表一个（300v，600v）或万用表

4.交流电流表（5A,10A）

5.功率表

6.单掷刀开关

7.电流插头、插座

四、实验内容及步骤

1.三相负载星形联结

按图3-2接线，图中每相负载采用三只白炽灯，电源线电压为220V。

图3-2 三相负载星形联结

(1)测量三相四线制电源的线电压和相电压，记入表3-1(注意线电压和相电压的关系)。

表3-1

(2)按表3-2内容完成各项测量，并观察实验中各白炽灯的亮度。表中对称负载时为每相开亮三只灯；不对称负载时为U相开亮一只灯，V相开亮两只灯，W相开亮三只灯。

表3-2

2.三相负载三角形联结

按图3-3连线。测量功率时可用一只功率表借助电流插头和插座实现一表两用，具体接法见图3-4所示。接好实验电路后，按表3-3内容完成各项测量，并观察实验中白炽灯的亮度。表中对称负载和不对称负载的开灯要求与表3-2中相同。

图3-3 三相负载三角形联结

图3-4 两瓦特表法测功率

表3-3

五、实验数据及分析

　1.根据实验数据，总结对称负载星形联结时相电压和线电压之间的数值关系，以及三角形联结时相电流和线电流之间的数值关系。

(1).星形连结：

根据表3-1，可得：星形联结情况下，不接负载时，各路之间的线电压和各分电源的相电压都分别相同，即UUV= UVW=UWU=(218+219+220)/3=219V；UUN=UVN=UWN=127V(本次实验中这三个电压为手动调节所得)。可以计算：219/127=1.7244≈，即：线电压为相电压的倍，与理论相符。

根据表3-2，可得：星形联结情况下，接对称负载时，线电压不变，仍为表3-1中的数据；而相电压在有中线都为124V，在无中线时分别为125V、125V、123V，因此可认为它们是相同的。由此，得到的结论与上文相同，即：有中线时，219/124=1.7661≈，线电压为相电压的倍；无中线时，(125+125+123)/3=124.3，219/124.3=1.7619≈，线电压为相电压的倍。

综上所述，在对称负载星形联结时，不论是否接上负载(这里指全部接上或全部不接)、是否有中线，线电压都为相电压的倍。

(2).三角形联结

不对称负载星形联结三相四线制(有中线)电流向量图如左图所示，根据IU+IV+IW=IN，且根据对称关系三个相电流之间的夹角各为120º，因而根据几何关系画出IN。可见，IN在数值的大小上和三个相电流并不成线性关系，而在角度(相位)上也没有直观的规律。这是因为IN是由三个互成120º的相电流合成的电流，是矢量的，与直流电路的电流有很多不同性质，因而要讲大小与方向结合计算才有意义。

中线的作用：由左图可知，在不对称负载星形联结(有中线)电路中，中线电流不为0，因而如若去掉中线必会改变电路中电流的流向，导致各相负载电压不同(即表3-2中不对称且无中线的情况)，这时部分负载可能会由于电流过大而烧毁。因此中线起到了电路中作为各相电流的回路的作用，能够保证各相负载两端的电压相同(据表3-2也可看出)，就能够保证负载正常运行，不致损坏。因此中线在星形联结中是至关重要的，因而在通常的生产生活中的星形联结三相电路都是有中线的。

2.根据表3-2的数据，按比例画出不对称负载星形联结三相四线制(有中线)的电流向量图，并说明中线的作用。

3.根据表3-3的电压、电流数据计算对称、不对称负载三角形联结时的三相总功率，并与两瓦特表法的测量数据进行比较。

根据本实验电路，可知负载电路均为电阻性，不对电流相位产生影响，因此功率因素为1，由此，可得：P= IUV×UUV＋IVW×UVW＋IWU×UWU 因而据表3-3得：

对称负载：计算值P=222.944W；测量值P= P1×P2=220W；相差(222.944-220)/220=1.34%

不对称负载：计算值P=154.738W；测量值P= P1×P2=153.2W；相差(154.738-153.2)/153.2=1.00%

(注：功率表的正负不影响功率的测量，因此将其当作正值计算。)

通过上述计算，可见用二功率表测量法测出的功率与分别测量各负载电流电压而计算得出的功率非常接近，相差仅约1%，因此可以认为这两种方法测得的数据都是比较可靠的。这也表明该电路中只有负载端的负载在耗能，而电路的其他部分(如导线)几乎没有能量损耗。

但通过上述数据也可发现，两组测量值都略小于计算值，分析有如下可能原因：(1).电路中可能存在多种因素导致功率因素小于1，功率表在测量时已将功率因素计算在内，而计算值是将功率因素当作1来算的，因此测量值会略小于计算值。(2).存在某种系统误差，导致测量结果有一定的趋向性，但可能导致这种误差的因素有很多，比如仪表内部因素、电路连接因素等，难以确定具体由何种因素导致。(3).存在随机误差，导致两组测量值恰好都小于计算值，但这种可能性不大。

另外，显然有：不对称负载功率<对称负载功率，这是因为在本实验中，对称负载共开了9盏灯，而不对称负载只开了6盏，而又因为在三角形联结中各负载所得的电压相同(这在表3-3中也可看出)，因此每盏灯所耗功率接近，导致对称负载功率大于不对称负载。这完全是由实验设计决定，而与对称与否无关。

六、实验结论

本次实验是三相交流电路相关的实验，通过本次实验，我们学习了三相交流电路中三相负载的连接方法，了解了三相四线制中线的作用，并掌握三相电路中功率的测量方法。这与我们书上学到的理论知识有很好的关联性，在实验过程中将理论结合于实践，使我们更好地掌握所学的知识。

由于此次实验内容比较多，接线等操作也较为复杂，因此实验过程中要十分仔细。在严格按照实验册上所给电路连好线后，一定要再检查一遍电路再开电源，以免连接出错损坏仪器。由于本次实验采用上百伏的电压，因此实验过程中务必要注意安全，必须待电路检查无误后再开电源，一旦发生问题要先关闭电源再动手更改连线。另外，由于本次实验用到了较多灯泡，在拿取灯泡时需小心，以免跌碎。

另外，本次实验需要记录的数据也比较多，然而在后续的实验数据处理中并未完全用到。这些数据可以用于进行其他要求之外的分析，从而得出更多的结论；或者，也可用于相互验证，因为有些数据是有相关性的，比如三角形联结中的线电流和相电流，可以由相电流互成120 º推出线电流的大小和方向。但也因为有这些数据，可以比较计算值与测量值的异同，从而得到更进一步的分析，更深入地了解三相交流电路。

七、思考题

1、 三相负载根据什么原则作星形或三角形连接？

答： 三相负载可接成星形(又称"Y"接)或三角形(又称"△"接).1、当三相对称负载作Y形联接时,线电压UL是相电压Up的倍.线电流IL等于相电流Ip,即UL=Up, IL=Ip 在这种情况下,流过中线的电流I0=0, 所以可以省去中线. 当对称三相负载作△形联接时,有IL=, UL=Up. 2、不对称三相负载作Y联接时,必须采用三相四线制接法,即Yo接法.而且中线必须牢固联接,以保证三相不对称负载的每相电压维持对称不变. 倘若中线断开,会导致三相负载电压的不对称,致使负载轻的那一相的相电压过高,使负载遭受损坏;负载重的一相相电压又过低,使负载不能正常工作.尤其是对于三相照明负载,无条件地一律采用Y0接法. 3、当不对称负载作△接时,IL≠Ip,但只要电源的线电压UL对称,加在三相负载上的电压仍是对称的,对各相负载工作没有影响.

2、请问三相负载按星形或三角形连接，它们的线电压与相电压、线电流与相电流有何关系？

答：

线电压：两相之间的电压（实际也就是两条相线之前的电压）

相电压：一相对地的电压（实际也就是相线与地之间的电压，中性线接地系统也就是相线与中性线间的电压，普通民用三相四线制线电网中即为火线和零线间的电压）

线电流：导线上的电流。

相电流：每一相上电流，星形负载时即为流过每一相负载的电流。

三相交流电路中负载星形连接时

对负载侧：

线电压=1。732相电压

线电流=相电流。

3、说明在三相四线制供电系统中中线的作用，中线上能安装保险丝吗？为什么？

答： 首先，相四线是三根相线,一根PE线，即“中线”.正常情况下,三相负载平衡时不需要N线的.PE用于接机壳,当设备发生对机壳漏电时,地线将机壳与大地接起来,避免触电. 第二，中线肯定不能接保险丝。三相中负载平衡时中线没有电流通过，但负载不平衡时，中线上的电流是很大的，就是可能使三相相电压失去平衡，损坏用电设备。

4、说明在三相四线制供电系统中，中线的作用是什么？

答：三相负载电路中中线的作用是使三相不平衡负载的相电压保持平衡. 如果三相电路中的每一根所接的负载的阻抗和性质都相同，就说三根电路中负载是对称的。在负载对称的条件下，因为各相电流间的位相彼此相差120°，所以，在每一时刻流过中线的电流之和为零，把中线去掉，用三相三线制供电是可以的。 对于不对称的三相负载，中线不能去掉，不能在中线上安装保险丝或开关，而且要用机械强度较好的钢线作中线。 因为实际上多个单相负载接到三相电路中构成的三相负载不可能完全对称。在这种情况下中线显得特别重要，而不是可有可无。有了中线每一相负载两端的电压总等于电源的相电压，不会因负载的不对称和负载的变化而变化，就如同电源的每一相单独对每一相的负载供电一样，各负载都能正常工作。若是在负载不对称的情况下又没有中线，就形成不对称负载的三相三线制供电。由于负载阻抗的不对称，相电流也不对称，负载相电压也自然不能对称。可见，在三相四线制供电的线路中，中线起到保证负载相电压时称不变的作用。