張祥鳳 張雯雯

摘? ?要：生活中絕大多數(shù)電路采用三相制供電或運行，三相四線與五線制更是隨處可見。文章主要對三相電路，包括三相發(fā)電機與三相負載進行簡單的學術(shù)性介紹。

關鍵詞：三相發(fā)電;生活應用;三相負載

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）11-0010-3

1? ? 什么是三相電路

如果在交流電路中作用著兩個或兩個以上頻率相同、但在相位上相差一定角度的交變電動勢，那么這種電路稱為多相電路。三相電路即為頻率相同、相位上相差120°的交流電路。

2? ? 三相發(fā)電的基本原理及介紹

三相發(fā)電機的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在定子上裝了三個獨立而相同的繞組，稱為三相繞組。繞組的始端一般用A、B、C表示，末端則用X、Y、Z表示。簡單來說，三相電路可以看作是三個正弦交流電的疊加。

由于每個繞組除了相位相差120°，其余特征完全一樣，因此，三相電動勢可用以下三角函數(shù)式表達（規(guī)定電動勢的正方向從末端指向始端）：

eA=Emsinωt（1）

eB=Emsin（ωt-120°）（2）

eC=Emsin（ωt-240°）=Emsin（ωt+120°）（3）

因此，如果把三相電動勢的向量加起來，可以發(fā)現(xiàn)eA+eB+eC=（-eC）+eC=0，由此得出一個重要結(jié)論，即任何對稱三相正弦量在任一瞬間的和都為零。

一般而言，對于一個三相繞組，其A相可以隨意指定，但是A相確定后，比A相滯后120°的就是B相，超前120°的就是C相，不可混淆，原因會在后文中討論。通常會在三根引出線上涂上黃、綠、紅三種顏色，分別用來標記A、B、C三相。

發(fā)電機每相繞組的始端與末端之間的電壓，即每根端線之間的電壓稱為相電壓，用uA、uB、uC表示（正方向從始端到末端）;而端線與端線之間的電壓則稱為線電壓，用uAB、uBC、uCA表示。

3? ? 三相發(fā)電機的連接與應用

一般情況下，無論是電源還是負載，都有著兩種連接方式，即星形（Y）連接與三角形（△）連接，如圖2和圖3所示。

三相電源的星形連接中，三個末端連接在一起的一點N，稱為中性點或零點。從中性點引出的導線稱為中性線（或零線），從三相繞組的三個始端引出的導線稱為端線（相線或火線）。這種三相供電叫做三相四線制;一些三相電機由于負載對稱（下文討論），不需要這根零線，則稱為三相三線制;而一些家用電路為了安全考慮，會再添加一根地線，則稱為三相五線制。

在三相電源的星形連接中，我們可以得到如下關系：

uAB=uA-uB（4）

uBC=uB-uC（5）

uCA=uC-uA（6）

同理，用U表示電壓的有效值，可以得到類似的結(jié)論。從圖4的向量圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，三相電源的線電壓比與之對應的相電壓要超前30°相位，且線電壓有效值是相電壓有效值的倍。

目前，我國的低壓三相四線制供電系統(tǒng)能夠提供220 V（照明等生活用電）與380 V（三相電動機用電）兩種電壓，其中380 V即線電壓，220 V即相電壓。如果不加說明，三相電路中提到的電壓均指相電壓。

至于三相發(fā)電機的三角形連接，其每相的電動勢也是對稱的，即其瞬時值的代數(shù)和或有效值的向量和為0，因此當發(fā)電機尚未與負載連接時，三角形回路中不會有回路電流。但如果連接不正確，將某一繞組接反了，那么回路中的電動勢就是2E（E為單個繞組電動勢的有效值），很可能將發(fā)動機組燒毀。而且，實際生活中三相發(fā)電機產(chǎn)生的電動勢只能是近似的正弦量，即使連接正確，回路中也會有微弱的電流引起電能損耗，因此三相發(fā)電機通常不作三角形連接。

4? ? 三相負載的連接

實際生活中，電路中的負載（非電機）一般不會是簡單的電阻，還包括了電容和電感，需要考慮其電抗、無功功率以及其引起的相位改變。本文中所有負載均看作理想電阻，認為電路視在功率等于電阻的有效功率，且相位等于供電裝置相位。

三相電路中的電流，有相電流和線電流之分。每相負載中流過的電流稱為相電流，每根端線中流過的電流稱為線電流。規(guī)定相電流的正方向與相電壓的正方向一致，線電流的正方向從電源端到負載端，中性線中的電流則規(guī)定從負載中性點到電源中性點。

當負載為星形連接時，很明顯相電流等于線電流，其大小可以用歐姆定律進行計算;而在負載對稱的三相電路中，中性線中的電流（有效值）明顯為零（這點可以類比電橋進行考慮）。既然中性線中沒有電流通過，中性線也就不需要了，這也就是上文中所提到的三相三線制。三相三線制在工農(nóng)業(yè)中的用途極為廣泛，因為工農(nóng)業(yè)中的三相負載一般都是對稱的。當然，在一般的生活電路中是不會采用三相三線制的，這是因為平時生活電路中的負載都是不對稱的，如果采用三相三線制的話，中性點的電勢將不再為零，因此電源的相電壓將不再等于負載的相電壓，也就是說相電壓乃至功率不對稱了，這樣的話就會導致有的用電器功率過高以致于燒壞或者減少使用壽命，而有的用電器則因功率不足無法發(fā)揮應有的功效。

在三相負載的三角形連接中，我們可以很容易發(fā)現(xiàn)，無論負載是否對稱，其相電壓一定是對稱的。而在負載對稱的三相電路中，線電流的大小是相電流的 倍，其相位要比相電流滯后30°（推導過程參考上文三相電源線電壓與相電壓的關系推導，此處不再詳細討論），在負載不對稱的三相電路中則不存在以上關系。

5? ? 三相電路的功率與連接方式的關系

接下來對不同接法的負載功率進行討論，為了簡化討論，本文只考慮負載對稱時的功率變化，其余情況可參考此類情況進行詳解。

首先，設電路的線電壓（有效值，下同）和線電流為Ui、Ii，相電壓和相電流為Uφ、Iφ，φP為相電壓與相電流的相位差，于是有：

P=P1+P2+P3=3UφIφcosφP（7）

因為在負載的星形連接中，存在：

Ui= Uφ（8）

Ii=Iφ（9）

因此將（8）（9）式代入（7）式，得：

同理，在負載的三角形連接中，存在：

從（10）式我們可以看出，無論是星形連接還是三角形連接，在線電壓與線電流相等的情況下，其消耗功率都是一樣的。然而，這并不意味著我們可以任意切換連接方式。比如說，星形連接的負載，當切換成三角形連接之后，由于線電壓不變，相電壓便變成原來的■倍，同時負載阻抗不變，相電流也變成原來的 倍，進而線電流變?yōu)樵鹊?倍，功率也變?yōu)樵瓉淼?倍，很可能將負載燒壞。

6? ? 三相電路的優(yōu)缺點

優(yōu)勢：（1）相同條件下三相電路比單相電路更節(jié)約金屬用料;（2）三相電路供電瞬時功率為一個常數(shù)，電機運行穩(wěn)定;（3）三相發(fā)電機與變壓器設備簡單，易于制造，經(jīng)濟可靠;（4）一些需要正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)設備可通過改變供電相序來控制三相電動機的正反轉(zhuǎn)，操作簡單。

缺點：作為生活供電裝置，三線電源幾乎沒有缺點。唯一的缺點是難以用來制作穩(wěn)壓電源。三相電路的終端設備已經(jīng)發(fā)展得很完善，目前正在完善的是前端供電質(zhì)量，即三相電源的波形純凈度和功率因數(shù)等問題。

7? ? 結(jié)束語

作為生活中我們接觸最多的電路，絕大多數(shù)人對三相電路不甚了解，甚至認為我們的生活用電是單相正弦交流電，還有人只知三相之名，不明三相之理。本文對三相電路進行了研究、梳理和總結(jié)，意在對三相電路進行解讀，增進人們對生活中交流電的認識。

參考文獻：

[1]郭永年.電工基礎及儀表[M].北京：水利電力出版社，1983.

[2]李瀚蓀.簡明電路分析基礎[M].北京：高等教育出版社，2002.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）