5．1．1 三相交流電的產(chǎn)生
1．三相交流電路的定義
電能是現(xiàn)代化生產(chǎn)、管理及生活的主要能源，電能的生產(chǎn)、傳輸、分配和使用等許多環(huán)節(jié)構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)叫做電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)目前普遍采用三相交流電源供電，由三相交流電源供電的電路稱為三相交流電路。所謂三相交流電路是指由三個(gè)頻率相同、最大值（或有效值）相等、在相位上互差120°電角的單相交流電動(dòng)勢(shì)組成的電路，這三個(gè)電動(dòng)勢(shì)稱為三相對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)。
2．三相交流電的特點(diǎn)
三相交流電與單相交流電相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）三相交流發(fā)電機(jī)比功率相同的單相交流發(fā)電機(jī)體積小、重量輕、成本低；
（2）電能輸送，當(dāng)輸送功率相等、電壓相同、輸電距離一樣，線路損耗也相同時(shí)，用三相制輸電比單相制輸電可大大節(jié)省輸電線有色金屬的消耗量，即輸電成本較低，三相輸電的用銅量?jī)H為單相輸電用銅量的75%；
（3）目前獲得廣泛應(yīng)用的三相異步電動(dòng)機(jī)，是以三相交流電作為電源，它與單相電動(dòng)機(jī)或其它電動(dòng)機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、性能良好和使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。
因此在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，三相交流電路獲得廣泛應(yīng)用。
3．三相交流電的產(chǎn)生
三相交流電的產(chǎn)生就是指三相交流電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生。三相交流電動(dòng)勢(shì)由三相交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生，它是在單相交流發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，如圖5.1所示，在發(fā)電機(jī)定子（固定不動(dòng)的部分）上嵌放了三相結(jié)構(gòu)完全相同的線圈U1U2、V1V2、W1W2（通稱繞組），這三相繞組在空間位置上各相差120°電角度，分別稱為U相、V相和W相。U1、V1、W1三端稱為首端，U2、V2、W2則稱為末端。工廠或企業(yè)配電站或廠房?jī)?nèi)的三相電源線（用裸銅排時(shí)）一般用黃、綠、紅分別代表U、V、W三相。
磁極放在轉(zhuǎn)子上，一般均由直流電通過勵(lì)磁繞組產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的恒定磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，三相定子繞組即切割轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)而感應(yīng)出三相交流電動(dòng)勢(shì)。由于三相繞組在空間各相差120°電角度，因此三相繞組中感應(yīng)出的三個(gè)交流電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間上也相差三分之一周期（也就是120°角）。這三個(gè)電動(dòng)勢(shì)的三角函數(shù)表達(dá)式為
（5．1）
三相交流電動(dòng)勢(shì)在任一瞬間其三個(gè)電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和為零。我們用上面的三個(gè)式子也可以證明出這一結(jié)論。即
（5．2）
在圖5-2（b）中還可看出三相正弦交流電動(dòng)勢(shì)的相量和也等于零，即
（5．3）
我們把它們稱做三相對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)，規(guī)定每相電動(dòng)勢(shì)的正方向是從線圈的末端指向首端(或由低電位指向高電位)。
5．1．2三相電源與負(fù)載的連接
我們知道，三相交流發(fā)電機(jī)實(shí)際有三個(gè)繞組，六個(gè)接線端，如果這三相電源分別用輸電線向負(fù)載供電，則需六根輸電線（每相用兩根輸電線），這樣很不經(jīng)濟(jì)，我們目前采用的是將這三相交流電按照一定的方式，連接成一個(gè)整體向外送電的。連接的方法通常為星形和三角形。
電力系統(tǒng)的負(fù)載，從它們的使用方法來看，可以分成兩類。一類是象電燈這樣有兩根出線的，叫做單相負(fù)載，電風(fēng)扇、收音機(jī)、電烙鐵、單相電動(dòng)機(jī)等都是單相負(fù)載。另一類是象三相電動(dòng)機(jī)的這樣的有三個(gè)接線端的負(fù)載，叫做三相負(fù)載。
在三相負(fù)載中，如每相負(fù)載的電阻均相等，電抗也相等（且均為容抗或均為感抗），則稱為三相對(duì)稱負(fù)載。如果各相負(fù)載不同，就是不對(duì)稱的三相負(fù)載，如三相照明電路中的負(fù)載。
任何電氣設(shè)備都設(shè)計(jì)在某一規(guī)定的電壓下使用（稱額定電壓），若加在電氣設(shè)備上的電壓高于此額定電壓，則設(shè)備的使用壽命就會(huì)降低；若低于額定電壓，則不能正常工作。因此，使用任何電氣設(shè)備時(shí)都要注意負(fù)載本身的額定電壓與電源電壓一致。負(fù)載也和電源一樣可以采用兩種不同的連接方法，即星形聯(lián)結(jié)和三角形聯(lián)結(jié)。
1．三相電源的星形聯(lián)結(jié)（Y接）
（1）基本概念
1）星形聯(lián)結(jié)：將電源的三相繞組末端U2、V2、W2連在一起，首端U1、V1、W1分別與負(fù)載相連，這種方式就叫做星形聯(lián)結(jié)。
2）中點(diǎn)、中性線、相線：三相繞組末端相連的一點(diǎn)稱中點(diǎn)或零點(diǎn)，一般用“N”表示。從中點(diǎn)引出的線叫中性線（簡(jiǎn)稱中線），由于中線一般與大地相連，通常又稱為地線（或零線）。從首端U1、V1、W1引出的三根導(dǎo)線稱相線（或端線）。由于它與大地之間有一定的電位差，一般通稱火線。
3）輸電方式：由三根火線和一根地線所組成的輸電方式稱三相四線制（通常在低壓配電系統(tǒng)中采用）。只由三根火線所組成的輸電方式稱三相三線制（在高壓輸電時(shí)采用較多）。
（2）三相電源星形聯(lián)結(jié)時(shí)的電壓關(guān)系
三相繞組聯(lián)結(jié)成星形時(shí)，可以得到兩種電壓：
-
相電壓
即每個(gè)繞組的首端與末端之間的電壓。相電壓的有效值用
表示； -
線電壓
即各繞組首端與首端之間的電壓，即任意兩根相線之間的電壓叫做線電壓，其有效值分別用
表示。
相電壓與線電壓的參考方向是這樣規(guī)定的：相電壓的正方向是由首端指向中點(diǎn)N，例如電壓
是由首端U1指向中點(diǎn)N；線電壓的方向，如電壓
是由首端U1指向首端V1。如圖5.3所示。
（3）線電壓UL與相電壓UP的關(guān)系 根據(jù)以上定義，可以畫出三相電源Y形聯(lián)結(jié)時(shí)的電壓相量圖，如圖5．4所示。三個(gè)相電壓大小相等，在空間各相差120°電角度。由于U相繞組的末端U2并不是和V相繞組的首端V1相連，而是和V相繞組的末端V2相連，故兩端線U和V之間的線電壓應(yīng)該是兩個(gè)相應(yīng)的相電壓之差，即
(5．4)
線電壓大小利用幾何關(guān)系可求得為：
同理可得：
所以我們可得出結(jié)論：三相電路中線電壓的大小是相電壓的
倍，其公式為
因此平常講的電源電壓為220V，即是指相電壓（亦即火線與地線之間的電壓）；講電源電壓為380V，即是指線電壓（兩根火線之間的電壓）。由此可見：三相四線制的供電方式可以給負(fù)載提供兩種電壓，即線電壓380V和相電壓220V，因而在實(shí)際中獲得了廣泛的應(yīng)用。
2．三相電源的三角形聯(lián)結(jié)（Δ接）
（1）基本概念
三角形聯(lián)結(jié)：如圖5．5所示，將電源一相繞組的末端與另一相繞組的首端依次相連（接成一個(gè)三角形），再?gòu)氖锥薝1、V1、W1分別引出端線，這種連接方式就叫三角形聯(lián)結(jié)。
（2）三相電源三角形聯(lián)結(jié)時(shí)的電壓關(guān)系
(5．6)
所以我們知道，三相電源三角形聯(lián)結(jié)時(shí)，電路中線電壓的大小與相電壓的大小相等，即：
(5．7)
相量圖如圖5．6所示，由相量圖可看出，三個(gè)線電壓之和為零，即：
(5．8)
同理可得，在電源的三相繞組內(nèi)部三個(gè)電動(dòng)勢(shì)的相量和也為零，即
(5．9)
因此當(dāng)電源的三相繞組采用三角形聯(lián)結(jié)時(shí)在繞組內(nèi)部是不會(huì)產(chǎn)生環(huán)路電流（環(huán)流）的。但如果不慎將某一相繞組接反（例如圖5．5中的W相接反）則三個(gè)電動(dòng)勢(shì)之和為
由于電源內(nèi)阻很小，因此在電源內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很大的環(huán)流，導(dǎo)致電源的繞組燒毀。所以在采用三角形聯(lián)結(jié)時(shí)，必須首先判斷出每相繞組的首末端，再按正確的方法接線，絕對(duì)不允許接反。
3．三相負(fù)載的星形聯(lián)結(jié)
（1）接線特點(diǎn)
三相負(fù)載星形聯(lián)結(jié)電路圖，它的接線原則與電源的星形聯(lián)結(jié)相似，即將每相負(fù)載末端連成一點(diǎn)N（中性點(diǎn)N），首端U、V、W分別接到電源線上。
（2）電壓、電流關(guān)系
為討論問題方便，先作如下說明：
線電壓
：三相負(fù)載的線電壓就是電源的線電壓，也就是兩根相線（火線）之間的電壓；
相電壓
：每相負(fù)載兩端的電壓稱作負(fù)載的相電壓，在忽略輸電線上的電壓降時(shí)，負(fù)載的相電壓就等于電源的相電壓，因此
；
線電流
：流過每根相線上的電流叫線電流；
相電流
：流過每相負(fù)載的電流叫相電流；
中線電流
：流過中線的電流叫中線電流。
對(duì)于三相電路中的每一相而言，可以看成一個(gè)單相電路，所以各相電流與電壓間的相位關(guān)系及數(shù)量關(guān)系都可用討論單相電路的方法來討論。
若三相負(fù)載對(duì)稱， 則在三相對(duì)稱電壓的作用下，流過三相對(duì)稱負(fù)載中每相負(fù)載的電流應(yīng)相等，即
接線方式只有三根相線，而沒有中性線的電路，即三相三線制，三相四線制除供電給三相負(fù)載外，還可供電給單相負(fù)載，故凡有照明、單相電動(dòng)機(jī)、電扇、各種家用電器的場(chǎng)合，也就是說一般低壓用電場(chǎng)所，大多采用三相四線制。
（3）三相四線制的特點(diǎn)是：
當(dāng)三相電路中的負(fù)載完全對(duì)稱時(shí)，在任意一個(gè)瞬間，三個(gè)相電流中，總有一相電流與其余兩相電流之和大小相等，方向相反，正好互相抵消。所以，流過中性線的電流等于零。從圖5．9中的三相電流變化的曲線中也可清楚地看出。
因此，在三相對(duì)稱電路中，當(dāng)負(fù)載采用星形聯(lián)結(jié)時(shí)，由于流過中性線的電流為零，取消中性線也不會(huì)影響到各相負(fù)載的正常工作，這樣三相四線制就可以變成三相三線制供電，如三相異步電動(dòng)機(jī)及三相電爐等負(fù)載，當(dāng)采用星形聯(lián)結(jié)時(shí)，電源對(duì)該類負(fù)載就不需接中性線。通常在高壓輸電時(shí)，由于三相負(fù)載都是對(duì)稱的三相變壓器，所以都采用三相三線制供電。
若三相負(fù)載不對(duì)稱，則中性線電流
，中性線不能省略。因?yàn)楫?dāng)有中性線存在時(shí)，它能使星形聯(lián)結(jié)的各相負(fù)載，即使在不對(duì)稱的情況下，也均有對(duì)稱的電源相電壓，從而保證了各相負(fù)載能正常工作。如果中性線斷開變成三相三線制供電，則將導(dǎo)致各相負(fù)載的相電壓分配不均勻，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大的差別，造成有的相電壓超過額定相電壓而使用電設(shè)備不能正常工作。故三相四線制供電時(shí)中性線決不允許斷開。因此在中性線上不能安裝開關(guān)、熔斷器，而且中性線本身強(qiáng)度要好，接頭處應(yīng)連接牢固。
另外，接在三相四線制電網(wǎng)上的單相負(fù)載，例如照明電路、單相電動(dòng)機(jī)、小型電熱設(shè)備、各種家用電器、電焊機(jī)等，在設(shè)計(jì)安裝供電線路時(shí)也盡量做到把各單相負(fù)載均勻地分配給三相電源，以保證供電電壓的對(duì)稱和減少流過中性線的電流。
4．三相負(fù)載的三角形聯(lián)結(jié)
（1）接線特點(diǎn)
將三相負(fù)載分別接在三相電源的每?jī)筛嗑€之間的接法，稱為三相負(fù)載的三角形聯(lián)結(jié)。
（2）電壓、電流關(guān)系
對(duì)于三角形聯(lián)結(jié)的每相負(fù)載來說，也是單相交流電路，所以各相電流、電壓和阻抗三者的關(guān)系仍與單相電路相同。由于三角形聯(lián)結(jié)的各相負(fù)載是接在兩根相線之間，因此負(fù)載的相電壓就是線電壓。
假設(shè)三相電源及負(fù)載均對(duì)稱，則三相電流大小均相等，為
通過幾何關(guān)系不難證明
。即當(dāng)三相對(duì)稱負(fù)載采用三角形聯(lián)結(jié)時(shí)，線
