三相交流电路的测量.doc

第四章 电路分析基础实验
实验4.9 三相交流电路的测量
4.9.1实验目的
1．熟悉三相负载的联接方式，建立负载对称与不对称的概念。
2．验证三相对称负载的线电压与相电压、线电流与相电流的关系。
3．理解三相四线制供电系统中中性线的作用。
4．掌握三相功率的测量方法。
5．了解三相交流电相序测定的方法。
4.9.2实验任务
4.9.2.1基本实验
1．用若干个15W白炽灯组成星形联接（Y）电路，如图4-9-1所示，完成在有中性线和无中性线时的电路参数的测量。负载情况和功率表接线分别符合如下要求：
(1) 负载对称（每相45W,采用一瓦特表接线，电源线电压Ul=220V)。
(2) 负载不对称（U相15W、V相30W、W相45W，采用三瓦特表接线，电源线电压Ul=220V)。
图4-9-1 负载星形联接电路图
N

C
Z

Y
B

U*

U
A
X

PW
U*

U
I* I
W

PV
I* I
U*

U

W

PU
I* I
W

2．用若干个15W白炽灯组成三角形联接（Δ）电路，如图4-9-2所示，用两瓦特表完成电路参数的测量。负载情况和电源电压符合如下要求：
(1) 负载对称（每相45W，电源电压Ul=220V）。
(2) 负载不对称（U相15W、V相30W、W相45W，电源电压Ul=220V）。

I* I
U

W

U*
P1

P2

X
Y
Z

B
A
I* I
U*

U
W

图4-9-2 负载三角形联接电路图

C

4.9.2.2扩展实验
P

X
4.7uF
Y
4.7uF
Z
4.7uF

A
B
C
I* I
U

U*

W

1．用一瓦特表测试无功功率的方法，完成三相三线制对称负载的总无功功率测试。并记录三相电流与电压。电路如图4-9-3所示。

图4-9-3 三相三线制对称负载无功功率测试电路

2．如图4-9-4所示，完成由两个15W（或40W）白炽灯和一个1uF(或2.5uF)电容组成的星形联接相序判断电路的测试，记录在表4-9-1中。
图4-9-4 相序判断电路
N′
X
C
C
B
A
u1
u2
u3

Y,Z

表4-9-1相序测试
负载所在相 项目名称
U相
V相
W相
电流 /A

电压 /V

设电容所在相(√)

较亮的相(√)

较暗的相(√)

电源相序结论

4.9.3实验设备
1．三相自耦调压器 一套
2．白炽灯15W/220V 九个
3. 电流插座 六付
4. 粗导线电流插头 一付
5. 电容器组/500V 一套
6. 交流电压表(0~500V) 或数字万用表 一只
7. 交流电流表(0~5A) 一只
8. 单相智能型数字功率表 两只
9．粗导线 若干
4.9.4 实验原理
1．对称三相交流电源是由三个同频率、等幅值而相位依次相差120°的正弦电压源按星形(Y)或三角形(△)的联接方式联接的电路。它有三相三线制和三相四线制两种结构。我国三相系统电源频率f为50Hz,而日、美、欧洲等国电源频率f为60Hz。我国民用电供电都是三相四线制，进入居民家庭的电源电压大多数为220V，而日、美、欧洲等国居民用电电源电压为110V。电源电压用u1、u2、u3表示，负载上的电压用uu、uv、uw表示。
2．负载的联接方式为星形(Y)、三角形(△)两种方式。
(1) 在负载对称三相电路中，负载作星形联接(Y)时，其线电压Ul是相电压Up的倍，且线电压超前相电压30o，线电流Il等于相电流Ip。即Ul=Up，Il=Ip。流过中性线的电流IN=0。
(2) 在负载对称三相电路中，负载作三角形联接(△)时，其线电压Ul等于相电压Up，线电流Il是相电流Ip的倍，且线电流滞后相电流30o。即Il=Ip，Ul=Up。
(3) 中性线的作用。负载不对称的星形联接(Y)的低压三相电路一般都采用三相四线制。因为如果不接中线，则由于中性点的位移造成各相负载的额定电压得不到保证，会使负载不能正常工作，甚至遭受损坏。接中线可以保证各相负载获得额定电压且互不影响，因此中线不允许接保险丝。三相负载所吸收的总有功功率等于各相负载有功功率之和。
3．三相负载的总有功功率的测量。三相负载所吸收的总有功功率等于各相负载有功功率之和。
（1）三相四线制负载对称电路的功率测量。三相四线制负载对称的电路采用一瓦特表测量，如图4-9-1所示（不含PV、PW功率表）。用单相交流功率表（以下简称功率表）测出任一相的功率，乘以三即得三相负载的总功率，即P=3PU。
（2）三相四线制负载不对称电路的功率测量。三相四线制负载不对称电路采用三瓦特表测量，如图4-9-1所示（含PV、PW功率表）。三只功率表测出的各相功率相加即得三相负载的总功率，即P=PU+ PV+ PW。
（3）三相三线制电路的功率测量。三相三线制电路采用两瓦特表测量，如图4-9-2所示。两只功率表读数代数和等于三相负载的总功率，即P=P1+P2。两瓦特表的接线原则：功率表的电压、电流线圈的同名端相联后，将两只功率表的电流线圈分别串入任意两相线路中，电流线圈同名端接电源端，它的非同名端接负载端。两只功率表的电压线圈非同名端同时接到没有接入功率表电流线圈的第三条线路负载端。此图给出的是（IU、UUV）与（IW、UWV）联接法，还有另外两种联接法，即(IU、UUW）与（IV、UVW）以及(IVUVU）与（IW、UWU）联接法。若负载为感性或容性，且当相电压与相电流相位差|φ|＞60°时，线路中的一只功率表的读数为负值（或指针反偏), 这时应将反偏的功率表电流线圈的两个端子调换（不能调换电压线圈端子），而读数应记为负值。
在实际应用中，常用一个三相功率表（或称二元功率表）代替两个单相交流功率（4）对于三相三线制负载对称的电路，可用一瓦特表测得三相负载的总无功功率Q，如图4-9-3所示。设测得的功率表值为P,则实际三相负载的无功功率Q=P。此图给出的是（IU、UVW）联接法，还有另外两种联接法，即（IV、UUW）或（IW、UUV）。当负载为感性时，功率表读数为正值；当负载为容性时，功率表读数为负值。
4．三相电源的相序的判定。三相相序对于不可逆转的传动设备来说，如果相序错误，造成运行中的电机反转，将引起传动设备损坏。在电机安装工程的接线前首先要用专门的相序指示仪进行相序测定，或通过一个电容与两个白炽灯组成不对称三相三线星形联接的简易电路来进行三相电源的相序测定。当然相序保护器的接入对运行中相序的保护也是必不可少的。
图4-9-4所示就是电容和白炽灯组成的相序判断电路，电路参数尽可能地满足R灯=1/(ωC)，以使白炽灯有明显的明亮区别。由于电路为不对称负载，导致负载中性点发生位移，造成某两相负载工作电压较大地偏离额定电压。假设指定电容所在的电源相为u1相，则白炽灯较亮的电源相为u2相，白炽灯较暗的电源相为u3相。
4.9.5 预习提示
1．三相交流电源的特点是什么？
2．三相负载的两种联接方式各有什么特点？负载对称与不对称对电路有什么影响？理解中线的重要性。
3．对不同结构的三相交流电源，其负载的三相功率的测量方法有什么区别？
4．为什么通过一个电容与两个白炽灯组成电路可以测定三相电源的相序？
5．负载为三角形(△) 联接时，Il=Ip在什么条件下成立？
4.9.6 实验步骤
1.完成图4-9-1所示星形(Y)联接（负载对称和负载不对称）电路的测试。
（1）用万用表的二极管档，判断功率表的电流线圈中的熔断器的导通情况。
（2）有中性线联接。中性线N经测中性线电流的电流插座串入负载白炽灯末端Z。
1）负载对称星形联接（功率表采用一瓦特表接线）
按图4-9-1所示电路联接线路，其中功率表只接其中一只表（例如PU）。先将负载白炽灯按各相末端(X、Y、Z)相联的星形(Y)联接方式接线。
然后将功率表标有“I*”的电流线圈与标有“U*”电压线圈同名端短接，按照先串联回路联接，后并联回路联接的原则接线。（功率的概念及功率表的使用说明参见《实验4.6电感线圈参数测量》）。
将三相四线制某一相电源（u相）经功率表PU的电流线圈串联接于相应相的负载白炽灯始端A，另两相电源（v、w相）直接联接相应相的负载白炽灯始端B和始端C。将功率表PU的标有“U”电压线圈端与白炽灯末端Z相联。
通过操作开关，使得白炽灯处于对称负载 (每相45W亮3盏灯)状态工作。
按电工台“开机操作”程序进行操作。检查线路无误后，调节三相自耦调压器同轴旋钮，用万用表监测调压器输出的线电压UUV，当万用表的有效值示数UUV=220V时，停止调压。测试此时相关数据并记录于表4-9-2第一行中。
表4-9-2三相电路星形(Y)联接的参数测试
中线情况
负载功率
负载线电压/V
负载相
电压/V
负载线(相)
电流/mA
中线
电流/mA
负载
三相功率
/W
U相
V相
W相
UUV
UVW
UWU
UU
UV
UW
IU
IV
IW
IN
PU
PV
PW
P
有中线
45W
45W
45W

15W
30W
45W

无中线
45W
45W
45W

15W
30W
45W

2）负载不对称星形联接（建议功率表采用一瓦特表仿照三瓦特表操作）
如果装置上没有三个功率表，仍然可利用前面的一瓦特表接线电路。通过操作开关，控制各相白炽灯亮灯的瓦数使得接功率表的u相分别处于15W(亮一盏灯)、30W(亮两盏灯)、45W(亮三盏灯)的不同亮灯状态，即每次保持三相负载各相始终处于15W、30W、45W的不对称分布工作状态，其等同于三瓦特表的测量。将相关数据记录于表4-9-2第二行中。
如果装置上有三个功率表，按图4-9-1所示电路联接线路，将PV、PW功率表接入电路，接线方法与PU接法相同。此法需重新接线。操作步骤与负载对称星形联接步骤1）相同。将相关数据记录于表4-9-2第二行中。
3）将三相自耦调压器调至零，并按下红色“停止”按钮，红灯亮，绿灯灭。保持电路不变。完成三相四线制负载星形联接有中性线的电路的测量，验证电路线电压与相电压线电流与相电流的关系。
（3）无中性线联接。将中性线N与测中性线电流的电流插座之间的联线拆除。
1）负载对称星形联接（功率表采用一瓦特表接线）
通过操作开关，使得白炽灯处于对称负载(每相45W亮3盏灯)状态工作。
按电工台“开机操作”程序进行操作。检查线路无误后，调节三相自耦调压器同轴旋钮，用万用表监测调压器输出的线电压UUV，当万用表的有效值示数UUV=220V时，停止调压。将相关数据记录于表4-9-2第三行中。
2）负载不对称星形联接
利用一瓦特表线路。通过操作开关，控制各相白炽灯亮灯的瓦数，使得u相处于15W(亮一盏灯)、v相处于30W(亮两盏灯)、w相处于45W(亮三盏灯)的不对称分布工作状态。将相关数据记录于表4-9-2第四行中。（注：由于无中线，用一瓦特表接线方法将无法测量电路的三相功率。但可通过两瓦特表联接方法测得，详见步骤2）
3）将三相自耦调压器调至零，并按下红色“停止”按钮，红灯亮，绿灯灭。拆除线路。完成负载无中性线联接的电路的参数测量。验证电路线电压与相电压、线电流与相电流的关系。
2.完成图4-9-2所示三角形(△)联接（负载对称和负载不对称）电路的测试。
（1）用万用表的二极管档，判断功率表的电流线圈中的熔断器的导通情况。
（2）负载对称三角形联接（功率表采用两瓦特表接线）。
1）负载三角形联接。按图4-9-2所示电路联接线路。先将负载白炽灯按各相始、末端(A与Z、B与X、C与Y)相联的三角形(△)联接方式接线。然后将功率表标有“I*”的电流线圈与标有“U*”电压线圈同名端相短接，按照先串联回路联接，后并联回路联接的原则接线。
2) 两瓦特表联接（按图4-9-2给出的是（IU、UUV）与（IW、UWV）联接方法接线）。将三相三线制任两相电源(u相、w相)经两个功率表P1、P2的电流线圈端联接于测线电流IU、IW的电流插座一端，再通过IU、IW的电流插座另一端串接到相对应的两相负载白炽灯始端A和始端C。
将另一相接入功率表的电源v相 联接于测线电流IV的电流插座一端，再通过电流插座另一端串接到相对应相负载白炽灯始端B并将两个功率表标有“U”电压线圈端与该相电源v相相联。
3）对称负载状态。通过操作开关，使得白炽灯处于对称负载(每相45W亮3盏灯)状态工作。
4）按电工台“开机操作”程序进行操作。检查线路无误后，按下绿色“启动”按钮，绿灯亮，红灯灭。调节三相自耦调压器同轴旋钮，用万用表监测调压器输出的线电压UUV，当万用表的有效值示数UUV=220V时，停止调压。测试此时相关数据并记录于表4-9-3第一行中。完成三相三线制三角形(△)接线负载对称电路的测量。验证电路线电压与相电压、线电流与相电流的关系。

表4-9-3三相电路三角形(△)联接的参数测试
负载功率
负载线(相)电压/V
负载线电流
/mA
负载相电流
/mA
负载三相功率
/W
U相
V相
W相
UUV
UVW
UWU
IU
IV
IW
IUV
IVW
IWU
P1
P2
P
负载对称

45W
45W
45W
负载不对称

15W
30W
45W
（3）负载不对称三角形联接（功率表仍然采用两瓦特表接线）。
1）不对称负载状态。通过操作开关，控制各相白炽灯亮灯的瓦数，使得u相处于15W(亮一盏灯)、v相处于30W(亮两盏灯)、w相处于45W(亮三盏灯)的不对称分布工作状态,将相关数据记录于表4-9-3第二行中。
2）将三相自耦调压器调至零，并按下红色“停止”按钮，红灯亮，绿灯灭。拆除线路。将钥匙式总开关置于“关”位置, 此时红色按钮灭。实验结束。完成三相三线制三角形(△)接线负载不对称电路的测量。验证电路线电压与相电压、线电流与相电流的关系。
3. 实验的注意事项：
（1）为了防止负载星形联接电路，在无中线时，由于某相负载电压过高造成白炽灯损坏，在实验时，应将电源线电压调至220V。
（2）测试负载相电压时，应将万用表表棒放置负载两端，不要放置供电电源端。
（3）本实验是强电实验，务必注意用电和人身安全。每一次实验电路测试完毕后，在三相自耦调压器调至零的前提下方可断开电源开关，然后进行拆线或接线。
4.9.7 报告要求
1. 画出实验电路与表格，简要写出电路原理。
2．完成任务1的星形(Y)联接（负载对称和负载不对称）电路的测试记录。验证电路线电压与相电压、线电流与相电流的关系。并根据表4-9-2的数据的测试结果，说出负载星形联无中线时，如果负载不对称，试判断所出现的现象。
3．完成任务2的三角形(△)联接（负载对称和负载不对称）电路的测试记录。验证电路线电压与相电压、线电流与相电流的关系。
4. 根据测试结果，得出负载星形(Y)和三角形(△)联接电路的特点。
5．根据4.9.2.2的扩展实验，用一瓦特表完成三相三线制对称负载的总无功功率测试，完成实验柜电源相序的判断。
6．完成思考题。
4.9.8 思考题
1．为什么中线上不允许接保险丝？说明三相四线制中线在电路中的作用。
2．白炽灯的额定工作电压为220V。在实验室做白炽灯星形联接的电路实验时，为什么要将电源线电压调至220V，使得白炽灯处于低于额定电压状态下工作？请说明原因。
3．三相四线制电路中，若将中性线与一根相线接反了将产生什么现象？
4．在做负载星形联接的实验时，如果其中一相负载(A-X)短路，而中性线又断开，会出现什么现象？
5．三相对称负载白炽灯作△联结,如果u相负载(A-X)断开, v相(B-Z)灯的亮度正常还是不正常？w相(C-Z)灯的亮度正常还是不正常？它们的线电流的大小与正常值的关系？
6.三相对称负载白炽灯作△联结,如果w相电源线断开,则w相(C-Z)灯亮度变化吗？v相(B-Z)灯亮度变化吗？u相(A-X)灯泡亮度变化吗？线电流IU和线电流IV变化吗？

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