毕业论文-三相交流电路中的功率毕业论文设计.doc

内蒙古民族大学本科毕业论文编号：069050241016本 科 毕 业 论 文题 目：三项交流电中的功率 学 院：物理与电子信息学院 专 业：电子信息技术与科学 年 级：06电子一班 姓 名：王国庆 指导老师：赵连成 完成日期：2010.5.22 目 录中文摘要2英文摘要3引言4二. 三相电路4 2.1三相交流电路的定义4 2.2三相交流电的应用5 2.3三相交流电特点及产生6 2.4三相交流发电机7三. 三相电路的变量7 3.1 三相电源7 3.2 三相电源的星形联接11 3.3 三相电源的三角形联接12 3.4 三相负载星形联接的三相电路14 3.5 三相负载三角形联接的三相电路15四. 三相电路的功率15 4.1 概念15 4.2 表达式16 4.3 基本特性17五. 三相电路功率的计算17 5.1 三相电路的二项计算17 5.2 二表法测三相三线制电路功率19结束语20参考文献21致谢22个人简历23摘 要三相交流电路是电工技术课程的基本教学内容，几乎所有的教材都采用功率的概念来分析三相交流电路的特性。长期以来，电工技术课程长期以教学。离不开三相交流电路环节构成。发电、输电、配电几乎都采用三相交流电的生产工具，在生产生活中应用最为广泛。本文通过对负载星形联接的三相电路及负载三角形联接的三相电路的分析，应用电路的基本定律找出电压与电流之间的关系，明确了电压与电流的关系，再求出三相功率。关键词：三相交流；负载；电压；电流；功率Abstract三相交流电路是电工技术课程的基本教学内容，几乎所有的教材都采用功率的概念来分析三相交流电路的特性。 Three-phase AC electrical circuit is the basic technical courses teaching content, almost all of the materials have adopted the concept of power to analyze the three-phase AC circuit characteristics. 长期以来，电工技术课程长期以教学。 For a long time, Electrical technology course a long time to teaching. 离不开三相交流电路环节构成。 Constitute a part of three-phase AC circuit can not be separated. 发电、输电、配电几乎都采用三相交流电的生产工具，在生产生活中应用最为广泛。 Power generation, transmission, distribution almost all three-phase AC of the production tools used in the production life of the most widely used. 本文通过对负载星形联接的三相电路及负载三角形联接的三相电路的分析，应用电路的基本定律找出电压与电流之间的关系，明确了电压与电流的 In this paper, star-connected three-phase load circuit and load triangle connected three-phase circuit analysis, the application of the basic law of the circuit to find the relationship between voltage and current, clearly the relationship between voltage and current, and then find the three-phase power. 关键词：三相交流；负载；电压；电流；功率Key words: three-phase AC; load; voltage; current; power 引 言案例 电能可以有水能（水力发电）、热能（火力发电）、核能（核能发电）、化学能（电池）、太阳能（太阳能电站）等转换而得。而各种电站、发电厂，其能量的转换由三项发电机来完成。如：三峡电站，三相水轮发电机将水能转换为电能;火电站，三相气轮发电机将燃烧煤炭产生的热能转换为电能。三相交流电是如何产生？有何特点？二 三相电路2.1三相交流电路的定义三相交流电就是有三个相差120度电角度的正弦波电压。三相交流发电机内有有三个相差120度电角度的线圈，转动时就能产生三相交流电了。三相交流电是三个交流电的组合，频率相同，只是相位彼此相差120发电机的转子为一磁铁，当它以匀角速度旋转时，每一个定子线圈都会产生交变电动势。三个线圈产生的交变电动势的幅值和频率都相同，位相彼此差120。因三相交流发电机A、B、C三相绕组是在空间上相间120o的完全相同的线圈，当转子磁场等速旋转依次切割定子三相电枢时，在定子A、B、C三相绕组都会产生按正弦规律变化的感应电动势，这三个正弦感应电动势有如下特点： a、相绕组的感应电动势振幅完全相等，即；b、转子磁场是按等速旋转的，所以三相绕组的感应电动势的角频率相同，均为； c、相绕组在空间上相间120o，所以三相绕组的感应电动势的相位差为120o。实际工作中，习惯用A-B-C表示三相电动势的相序。相序就是指相位的顺序，即A相比B相超前120o，B相比C相超前120o，C相比A相超前120o。以eA为参考正弦相， 对称三相正弦量表示如下： 其波形图如图（1-2）所示：3/4 2/3 Em Em 0 图(1-2) Figure 1-2 可见，三相对称电动势在任一瞬间的代数和等于0。 A、B、C三相交流电以相量图表示如图（1-3）（a）所示。将三个电动势相量相加，构成了一个闭合的三角形，如图（1-3）（b），可见三相对称电动势相量和等于0，即：EA+EB+EC=0。 图1-3 相量图Fig1-32.2三相交流电的应用由三个频率相同、振幅相等、相位依次互差120的交流电势组成的电源。 三相交流电较单相交流电有很多优点，它在发电、输配电以及电能转换为机械能方面都有明显的优越性。例如：制造三相发电机、变压器都较制造单相发电机、变压器省材料，而且构造简单、性能优良。又如，用同样材料所制造的三相电机，其容量比单相电机大50%；在输送同样功率的情况下，三相输电线较单相输电线，可节省有色金属25%，而且电能损耗较单相输电时少。由于三相交流电具有上述优点，所以获得了广泛应用。在实际电源工作中，有许多地方需要对三相电源的相序进行判别，例如：具有触发器电路的相控整流器、三相开关电源、电动机的正反转等。假如相序不正确，将造成设备不能正常工作。2.3三相交流电的特点三相交流电获得广泛应用是因为有如下优点：（1）在发电方面，发出相同功率的电能时，三相交流发电机比单相交流发电机体积小、重量轻、成本低；（2）在输电方面，在输电距离、输送功率、功率因数、电压损失和功率损失相同条件下，三相制输电比单相制输电可大大节省输电线有色金属的消耗量，即输电成本较低，三相输电的用铜量仅为单相输电用铜量的75%； （3）在用电方面，三相交流电动机性能比单相电动机性能好。单相负载也可按一定方式接入三相电源。（4）目前获得广泛应用的三相异步电动机，是以三相交流电作为电源，它与单相电动机或其他电动机相比，具有结构简单、价格低廉、性能良好和使用维护方便等优点。因此在现代电力系统中，三相交流电路获得广泛应用。三相交流电的产生: 三相交流电的产生就是指三相交流电动势的产生。三相交流电动势由三相交流发电机产生，它是在单相交流发电机的基础发展而来的，如图1.4所示。 （a）原理示意图 （b）一相绕组（a）cloneeztmpcr cloning kit （b）A are winding （c）三相绕组（c）three phase winding2.4三相交流发电机 磁极放在转子上，一般均有直流电通过励磁绕组产生一个很强的恒定磁场。当转子由原电动机拖动作匀速转动时，三相定子绕组即切割转子磁场而感应出三相交流电动势。这三个电动势的三角函数表达式为 三、三相电路的变量3.1三相电源3.1.1波形由三相交流发电机供电时，由于其工艺结构使得产生的三相电源具有频率相同，大小相等相位互差120o的特点。三相电压的相序为三相电压依次出现波峰（零值或波谷）的顺序，工程上规定：ABC为顺序（正序）而ACB这样的相序成为逆序（反序）。 各相电压其中，为工程上常常用到的单位相量算子：。相量图见上图。3.1.2几个概念1)中点（零点）：三相电压源的末端连接在一起，形成的连接点，一般用该点作为计算的参考点2)中线（零线）：由中点引出的导线3)线：由每一相的三相电压源的始端引出的导线4)相电压：每一相电压源的始端到末端的电压，即火线与中线之间的电压5)线电压：任意两相电压源的始端之间的电压，即两根火线之间的电压3.1.3相电压与线电压的关系1相线关系各相电压为：，所以：可见，每一个线电压与相应相电压的关系是：线电压的大小为相电压大小的倍，即，且超前相应相电压。相量图如下：此时，当时，2电源的几种特殊情况的分析三相四线制1）短相以A相短接为例：各相电压为：，所以：也就是说，此时相电压有一相为零，其余两相的电压大小不变；而两根火线间的电压只有一个是正常的380V，其余两个等于相电压大小220V。2）断相以A相断路为例：各相电压为：，所以：也就是说，此时相电压有一相为零，其余两相的电压大小不变；而两根火线间的电压只有一个是正常的380V，其余两个等于零。三相三线制1）短相以A相短接为例：各相电压为：，所以：也就是说，此时相电压有一相为零，其余两相的电压大小不变；而两根火线间的电压只有一个是正常的380V，其余两个等于相电压大小220V。2）断相以A相断路为例：各相电压为：，所以：也就是说，此时相电压有一相为零，其余两相的电压大小不变；而两根火线间的电压只有一个是正常的380V，其余两个等于零。3.1.4三相电路的负载连接一、单相负载如电灯、电炉、单相电动机对于总线路而言，一般单相负载应该尽量均匀分布在各相上。至于连接在火线与零线之间还是连接在两根火线之间，取决于负载的额定电压要求。二、三相负载如三相电动机、三相变压器等三相负载的三个接线端总与三根火线相连，对于三相电动机而言，负载的连接形式由内部结构决三相电源的连接： 三相交流发电机实际有三个绕组，六个接线端，我们目前采用的是将这三相交流电按照一定的方式，连接成一个整体向外送电的。连线的方法通常为星形和三角形。三相负载与三相负载的连接: 根据使用方法的不同，电力系统的负载，可以分成两类。一类是像电灯这样两根出线的，叫做单相负载，电风扇、收音机、电烙铁、单相电动机等都是单相负载。另一类是三相负载，在三相负载中，如果每相负载的电阻均相等，电抗也相等（且均为容抗或均为感抗），则称为三相对称负载。如各相负载不同，就是不对称的三相负载，如三相照明电路中的负载。连线的方法通常为星形和三角形。本章着重于三相负载的连接。3.2三相电源的星形联接 1将电源的三相绕组末端U2、V2、W2连在一起，首端U1、V1、W1、分别与负载连接，这种方式就叫做星形联接。（1）中点、中性线、相线：三相绕组末端相连的一点称中点或零点，一般用“N”表示。从中点引出的线叫中性线（简称中线），由于中线一般与大地相连，通常又称为地线（或零线）。从首端U1、V1、W1引出的三根导线称相线（或端线）。由于它与大地之间有一定的电位差，一般通称火线。（2）输电方式：由三根火线和一根地线所组成的输电方式称三相四线制（通常在低压配电系统中采用）。只由三根火线所组成的输电方式称三相三线制（在高压输电时采用较多）。2三相电源星形联接时电压关系1） 相电压即每个绕组的首端与末端之间的电压。相电压的有效值用、表示；1）线电压 即各绕组首端与首端之间的电压，即任意两根相线之间的电压叫做线电压，其有效值分别用、表示。 相电压与线电压参考方向的规定：相电压的正方向是由首端指向中点N，例如电压是由首端U1指向中点N；线电压的方向，如电压是由首端U1指向首端V1。星形联接接法如图3.1所示 图3-1 星形联接电路Figure 3-11） 线电压与相电压的关系 三相电源Y形联接的电压相量图，如图3.2所示。三个相电压大小相等，在空间各相差120度电角度。图3-2 Y形联接相量图Figure3-2三相电源作Y形连接时，可以得到线电压和相电压两种电压，对用户较为方便。例如Y形连接电源相电压为220V时，线电压为 220V=380V，给用户提供了220V、380V两种电压，将380V的电压供动力负载用，而220V的电压供照明或其它负载用。结论：三相电路中线电压的大小是相电压的倍。3.3三相电源的形连接图3-3（a）为三相电源作形连接的电路图，简称形电源。即把三相电压源依次首尾相接连成一个闭合回路，如A与Z连接、B与X连接、C与Y连接，再从端子A、B、C引出三根端线。从概念上讲，三角形连接的电源，其线电压、相电压、线电流的概念与星形连接的电源相同，但三角形电源没有中线，故只能构成三相三相制供电系统。Power with a three wire resistance meet A are winding图3-3三相电源的三角形联接从图3-3（a）可看出，电源作形连接时，两两端线都是由各相绕组的两端引出的，因此，线电压等于各相电压，即由于三相电源的相电压对称，所以三个线电压也对称。实际三相电源作形连接时，如果接法正确，电源回路中没有电流。但是如果有一相绕组接反，例如C相接反，把Z错误的与Y连接，如图3-3（b）所示，则当A、C还未连接时，有开口电压即开口处的电压有效值是每相电源电压的两倍，而各相电源绕组的阻抗均很小，当一相接反时，电源回路中就会产生很大的环流而烧坏电源绕组。因此，实际三相电源作三角形连接时，为确保连接无误，可以先把三个绕组接成开口三角形，再经过一个量限大于两倍电源相电压的电压表闭合起来。电压表的阻抗很大，无论三相绕组的连接是否正确，电源回路中的电流都很小，不会损坏绕组。如果电压表的读数为零，就可以断定绕组接线正确。线电压与相电压的关系当发电机绕组接成三角形时，由于每相绕组直接跨接在两相线之间，所以线电压等于相电压，即这种供电系统与星形联接相比，只有一种电压输出，由于发电机三相绕组对称，每相电压数值相等，相位差为2/3，任意两相电压的相量和第三相电压大小相等、方向相反。所以有相量图如图4-4所示图 3-4 图3-5 三相负载的星形联接Figure 3-4 Figure3-5 With a three wire was connected 3.4三相负载星形联接的三相电路 同三相电源绕组接法一样，将三相负载尾端U2、V2、W2连成一点，接到三相电源的中性线上，把首端U1、V1、W1分别与三相电源的相线连接，这样的方式称为三相负载的星形联接（Y联接）如图3.5所示从图上可以看出，由于输电线路电阻很小，在输电线路电阻可以忽略不计时。负载的相电压就是电源的相电压，负载的线电压就是电源的线电压，所以星形联接的负载上仍有 ,如果三相负载对称，在对称三相电压下，通过各相负载的电流也是对称的，即 显然，三相电流之间的相位差仍为2/3。根据基尔霍夫定律，通过中性线的电流为三相负载电流的相量和，即 图3-6所示为星形联接对称负载电流相量图，可看出三相电流相量和为零，即 当负载按三相四线制供电时，三相交流电的每一相就是一个单相电路。各项电压与电流的数量和相位关系可用单相交流电路的方法处理。所以图3.5可见，每相负载都是串联在对应的一条相线上，相线和负载通过的是同一电流，所以 可见，在三相负载的星形联接中，线电流等 图3-6Figure 3-63.5三相负载的三角形联接将三相负载的首尾端依次相连构成闭合回路，然后将三个节点分别接在三相电源的三根相线上，这种接法称为三相负载的三角形联接.如图3.7所示。在三角形联接中，各相负载接在两根电源相线之间，负载两端的电压（相电压）就是电源电压，即 在三相负载对称的情况下，则各相负载相电流相等，各相电流的相位差仍为2/3。理论和实践证明，对称负载作三角形联接时，输电线路的线电流IL为负载相电流的倍，即 （a）原理图 （b）实际接线示意图diagram The wiring diagram 图3-7 三相负载的三角形联接四、功率 案例 在建筑工地上，4个起重机匀速起吊建筑材料，下表给出材料的重量，起吊高度，和所用的时间。请问：这4个起重机做功的快慢如何比较？回答后请4个小组分别计算并完成空格的填写。重量G/N高度h/m时间t/起重机做功W/J每秒钟做功/Js-1110005.565s550084.625001.51min5s75011.539006.570s585083.641500205min50s30008.6通过比较，得出结论：物体（或力）做功有快慢之分，为描述做功的快慢，我们这节课来学习能表示这一意义的物理量-功率。4.1功率的概念（1）定义：功W跟完成这些功所用时间t的比值叫做功率。即功率是表示做功快慢的物理量功率越大转速越高，汽车的最高速度也越高，常用最大功率来描述汽车的动力性能。最大功率一般用马力 (PS)或千瓦(kw)来表示，1马力等于0.735千瓦。 功率的各种称谓：物理学里功率P功W/时间t，单位是瓦w，我们在媒体上常常看见的功率单位有kw、ps、hp、bhp、whp等，还有意大利以前用的cv，在这里边千瓦kw是国际标准单位，1kw1000w，用1秒做完1000焦耳的功，其功率就是1kw。日常生活中，我们常常把功率俗称为马力，单位是匹，就像将扭矩称为扭力一样。在汽车上边，最大的做功机器就是引擎，引擎的功率是由扭矩计算出来的，而计算的公式相当简单：功率(w)2扭矩(Nm)转速(rpm)/60，简化计算后成为：功率(kw)=扭矩(Nm) 转速(rpm)/9549。然而功率kw要如何转换成大家常见的多少匹马力的呢？由于英制与公制的不同，对马力的定义基本上就不一样。英制的马力(hp)定义为：一匹马于一分钟内将200磅(lb)重的物体拉动165英呎(ft)，相乘之后等于33,000lb-ft/min；而公制的马力(ps)定义则为一匹马于一分钟内将75kg的物体拉动60米，相乘之后等于4500kgm/min。经过单位换算，(1lb=0.454kg;1ft=0.3048m)竟然发现1hp=4566kgm/min，与公制的1ps=4500kgm/min有些许差异，而如果以瓦作单位(1w=1Nm/sec=9.8kgm/sec)来换算的话，可得1hp=746w;1ps=735w，两项不一样的结果，相差1.5%左右。到底世界上为什么会有英制与公制的分别，就好像为什么有的汽车是右舵，有的却是左舵一样，是人类永远难以协调的差异点。若以大家比较熟悉的几个测试标准来看，德国的DIN与欧洲共同体的新标准EEC有日本的JIS是以公制的ps为马力单位，而SAE使用的是英制的hp为单位，但由于世界一体化经济的来临和为了避免复杂换算，越来越多的原厂数据已改提供毫无争议的国际标准单位千瓦kw作为引擎输出的功率数值。 4.2功率的种类：平均功率：物体做变速运动时，力在不同的时间段内做功快慢不同，平均功率可表示力在某段时间内做功的平均快慢程度。瞬时功率：物体做变速运动时，力在某时刻做功的快慢。说明：平均功率常用式计算，若用式计算v为平均速度瞬时功率常用式计算，若用式计算则为匀速运动4.3公式的应用及测量方法公式的应用：车、船等P为输出功率，F为牵引力P一定时，Fv，所以汽车上坡时司机用换挡的方法减小速度来增大牵引力。v一定时，所以汽车上坡时若要保持速度不变，须加大油门，增大输出功率来得到较大的牵引力。一定时，起重机在竖直方向上匀速吊起一重物，保持不变，发动机输出功率越大，起吊的速度越大功率的测量有四种方法：（1）二极管检测功率法；（2）等效热功耗检测法；（3）真有效值/直流（TRMS/DC）转换检测功率法；（4）对数放大检测功率法。五.三相电路的功率计算5.1 三相电路的功率 由前面介绍的内容可知，单相正弦交流电路中有功功率P=UI，无功功率，视在功率。三相交流电路可以看成是三个单相交流电路的组合。因此，三相交流电路的有功功率、无功功率和视在功率均可用下式来计算 当三相负载对称时，无论负载是星形联接还是三角形联接，各相功率都是相等的，因此三相功率是每相功率的3倍，即 式中为相电压，为线电压；为相电流，为线电流。三相电路的瞬时功率为各相负载瞬时功率之和。当电路对称时，三相瞬时功率之和是一个常量，其值等于三相电路的平均功率，即 习惯上常把这一性能称为瞬时功率平衡。正是这种性能，使三相电动机的稳定性高于单相电动机。例题： 一台三相异步电动机，铭牌上额定电压是220/380V，接线是/Y，额定电流是11.2/6.48A， 。试分别求出电源线电压为380V和220V时，输入电动机的电功率。解：（1）电源线电压为380V，按铭牌规定电动机绕组应联接成星形，输入功率 （2）电源线电压为220V，按铭牌规定电动机绕组应联接成三角形，输入功率 通过此例可知，只要按照铭牌的规定去接线，电动机的输入电功率是一样的。 三相电路的功率测量时，分别有下面几种情况：（1）对于0的电阻性负载，两功率表读数相等，三相有功功率；（2）对于的感性和容性负载，cos0.5，两功率表中有一只表的读数为零，则三相有功功率或；（3）对于时的负载，cos0.5，两表中有一只表读数为负值，即功率表反偏转。为了得到读数，应将此功率表的电流线圈两个接头调换一下则可。此时三相有功功率等于两表读数之差，即。因此三相电路的总功率等于这两个功率表读数的代数和。显然，在两瓦特计法中，单独一个功率表的读数是没有意义的。对于三相四线制，除对称运行外，不能用两瓦特计法来测量三相功率。5.2二表法测三相三线制电路功率对三相三线制电路，还可采用图的接线方式。这种方法称为两瓦计法。 两瓦计法中若 W1 的读数为 P1 , W2 的读数为 P2 ，可以证明三相总功率为：证明： 设负载是 Y 连接，根据功率表的工作原理，有： 所以： 因为代入上式有： 所以两个功率表的读数的代数和就是三相总功率。由于联接负载可以变为 Y 型联接，故结论仍成立。注意：1） 只有在三相三线制条件下，才能用二瓦计法，且不论负载对称与否； 2） 两块表读数的代数和为三相总功率，每块表单独的读数无意义； 3） 按正确极性接线时，二表中可能有一个表的读数为负，此时功率表指针反转，将其电流线圈极性反接后，指针指向正数，但此时读数应记为负值； 结 束 语经过这次毕业设计，我觉得自己学到很多东西。归纳起来主要有以下几点：（1）了解到三相电的广泛应用。毕业设计能够从理论设计和工程实践相结合、巩固基础知识与培养创新意识相结合等方面全面的培养全面的素质。我经过这次系统的毕业设计，熟悉了对一项课题进行分析设计和实验的过程。这些在我将来的工作和学习当中都会有很大帮助。（2）这次毕业设计还使我对以前学过的理论知识起到了回顾作用，并对其加以进一步的消化与巩固。此设计能够顺利的完成，也归功于赵连成老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成。 参考文献1方厚辉,谢胜曙. 电工技术（电工学I）北京邮电大学出版社，2004ISBN 978-7-5635-0831-0 9 787563 508310 2电路分析基础（第四版）M.高等教育出版社，2001ISBN 978-7-04-018470-9 9 787040184709 3武汉水利电力学院.电工学基本教程M.高等教育出本社，1983ISBN 978-7-09-137680-4 9 787091376804 4电工测量（第二版）M.华南理工大学出版，2000.ISBN 978-7-5083-5040-0 9 787508350400 5. 秦曾煌. 电工学（第六版） 高等教育出版社.2004ISBN7-04-014520-0 7 040145200 致 谢 不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成。感谢我的导师赵连成教授，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。感谢我的所有老师，这片论文的每个实验细节和每个数据，都离不开你们的细心指导。而你们的认真和宽容的态度，帮助我能够很快的融入我们这个新的实验室。 感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。我们在一起的日子，我会记一辈子的。 在这份毕业论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！ 个人简历姓 名：王国庆 性 别：男 籍 贯：内蒙古赤峰市林西县 政治面貌：团员 毕业院校：内蒙古民族大学 专 业：电子信息科学与技术班 级：06级电子信息科学与技术电 话：15849550096电子邮箱：wgq5332665 25- -