三相交流电路实验

136实验5三相交流电路一、实验目的1．学习三相负载的正确联接方法。2．掌握三相电路中线电压、相电压、线电流、相电流的关系，了解三相四线制低压配电系统中中线的作用。3．学习用二瓦特计法测三相负载的功率。4．学习根据实验内容的要求选择仪表和量程，自拟实验电路及数据表格。二、实验原理1．工业及民用的交流电源，几乎都是由三相电源供给的，单相交流电源也是由三相电源的一相提供的。三相电源一般来自发电机或变压器二次侧的三个绕组。三个绕组的始端为A、B、C、末端为X、Y、Z，若将三个绕组的末端连在一起，便形成星形（Y型）联结。三个绕组的连接点成为一个公共端，称为中点，从公共端引出的导线称为中线（或零线），并用字母N表示，有时中线与大地直接相连称为地线。从三个绕组始端引出的三条输电线称为端线或相线（俗称火线）。这时电源有四条输电线，称为三相四线制电源。端线（A、B、C）与中线之间的电压，就是一相绕组的电压，称为相电压，用UP表示。相电压有三个，即UA、UB、UC，三个相电压是一组对称的电压，它们的相量表示式为0UPAU120-PBUU120PCUU任意两根端线（火线）之间的电压，称为三相电源的线电压，用lU表示。三个线电压与相电压之间的关系为BAAB-UUUCBBC-UUUACCAU-UU根据它们之间的几何关系，可得303PABUU90-3PBCUU1503PACUU三个线电压也是一组对称的电压，线电压的大小是相电压的3倍，在相位上超前相应的相电压30。如果三相四线制电源的线电压380VlU，则此电源的相电压220V3380PU。2．三相交流电路中负载有星形和三角形两种联结方法，如图4.5.1。采用哪种联结方法取决于电源电压与负载的额定电压。目前我国低压配电大多数为380V，三相四线制系统，通常电灯（单相负载）的额定电压为220V，因此要接在相线与中线之间，并尽可能使电源各相负载均匀、对称，所以总体看负载联结成星形。由于有中线，可以保证在负载不对称时，负载各相电压仍是对称的。三相异步电动机、三相电炉等为三相对称负载（指各相负载阻抗的137模与阻抗角完全相等，即CBAZZZ），所以当星形联结时，由于中线电流IN等于零，可以采用三相三线制（即去除中线）。本实验用白炽灯来模拟三相负载。BCZAIBICICAZABZCAIABIBCIAIBINIAZBZCZCIAUBUCUABC)(a)(bNN图4..5.1三相电路中负载的联接（a）负载星形联结（b）负载三角形联结3．三相对称负载不论是星形还是三角形联结，三相电路的有功功率cosIUcoIUPPll3s33PPP式中PP为其中一相的功率，IP及Il为相电流及线电流，为相电压和相电流的相位差。三相电路有功功率的测量，在三相四线制供电系统中，可采用一瓦特计法（负载对称）和三瓦特计法（负载不对称）。对三相三线制供电系统，不论负载对称与否，亦不论负载是星形还是三角形联接，一般都采用二瓦特计法。载负相三W1W****ABC图4.5.2二瓦特计法测量三相功率本实验采用二瓦特计法测量三相功率，测量的原理电路如图4.5.2所示。三相电路的总功率等于两个功率表读数的代数和，即P＝P1±P2。当负载的功率因数0.5cos时（例如电动机空载或轻载运行），测量时会出现一个功率表指针反偏现象，无法读数，此时可拨动面板上的极性开关（有些功率表无此开关，可调换电流线圈的两个接线端），使指针正偏，但读数应取负值。本次实验为电阻性电灯负载，不会出现负值，测量的总功率就为P＝P1＋P2。三、实验仪器和设备电流插座、插头（各1）、灯板（配4个220V、100V白炽灯泡）、交流电压表（0～250～500V）、交流电流表（0～1～2A及0～0.5～1A各1）、功率表（0～0.5～1A、0～75～150～300～600V）。138四、实验内容和步骤1．本实验采用线电压为220V的三相电源，用四个220V、100W的白炽灯泡接成三相负载。2．灯泡负载接成星形（1）测量对称负载有中线及无中线两种情况下的各线电压、相电压、线电流，有中线时的中线电流和无中线时电源中点与负载中点之间的电压NN'U。将测得数据记入自拟表格。（2）测量不对称负载（A相负载中并接一个白炽灯泡），有中线及无中线两种情况下与实验内容2（1）中所测相同内容的各数据，记入自拟表格。3．灯泡负载接成三角形（1）测量负载对称与不对称（AB相负载上并接一个白炽灯泡）两种情况下的各线电压、线电流及AB相的相电流，将测得数据记入自拟表格。（2）用二瓦计法测量对称情况下三相灯泡负载的总功率，将两功率表的数据记入自拟表格。五、预习要求1．将图4.5.3中白炽灯泡负载画成星形联结和三相电流插座及电源开关相连。要求一次接线能完成实验内容2中各项要求。分析图（c）中S1、S2起什么作用。2．将图4.5.3中白炽灯泡负载画成三角形联结的三相对称负载，并在AB相中串联一个测量相电流的电流表。V220~ABC1S2SN（a）(b)(c)图4.5.3三相交流实验中所用电源板、电流插座及灯板的示意图（a）电源的开关板(b)电流插座(c)灯板3．根据实验内容1、2、3，自拟相应的数据表格和选择仪表量程。4．按实验内容3（2）的要求，画出用二瓦特计法测量三相功率的接线图。六、实验总结报告1．根据实验内容2的结果，说明中线的作用，以及在星形联结时Pl3UU的条件。2．画实验内容2（2）中不对称负载星形联接有中线情况下的电流相量图（以AU为参考相量）。3．画出实验内容3（1）不对称负载情况下的各线电流和AB相电流的相量图（以ABU为参考量）。实验6单相变压器及单相异步电动机的使用一、实验目的1391．了解变压器的构造和铭牌数据的意义。2．学会判定变压器绕组极性的方法。3．学习测定变压器外特性及电压调整率。4．学习正确使用单相自耦调压器。5．学习单相电容运转异步电动机起动和反转的操作方法。二、实验原理1．变压器是一种静止的电器，具有变换电压、电流和变换阻抗的作用，应用较广泛。由于应用的领域不同，变压器种类繁多，但其工作原理都是以电磁感应原理为基础的，它们的基本结构主要由铁心和线圈（又称变压器的绕组）两部分组成。通常将接到交流电源的绕组称为一次绕组（又称原绕组、初级），而将接到负载的绕组称为二次绕组（又称副绕组、次级）。变压器的一次二次绕组之间有磁耦合，当一次绕组外加交流电压后，由于电磁感应作用，使二次绕组产生交流电压，而原一次二次绕组之间在电路上没有连接，是相互隔离的。变压器的变压比（简称变比）规定为变压器二次侧开路（即空载）时，变压器的一次绕组与二次绕组电压之比，用字母来表示212O1NNUUk式中1U为一次侧所加的电压，2OU为二次侧的开路电压，1N、2N分别为一次、二次绕组的匝数。变压比k是变压器的一个重要参数。当变压器一次侧接通电源，二次侧接通负载后，电路中就会产生电流，变压器成为负载运行状态。此时变压器一次、二次电流有效值的关系为221211IkINNI。变压器的铭牌数据主要是额定电压、额定电流和额定容量，它指导用户安全、合理地使用。变压器的额定电压是指变压器空载时，各绕组的电压；额定电流是以其额定容量除以额定电压计算得出；额定容量又称额定视在功率，其值等于变压器额定电压与额定电流的乘积。2．有些变压器的一次、二次绕组不止一个，当需要将它们串联或并联使用时，要特别注意绕组的正确联接，为此须判定它们的相对极性。本实验采用交流法判定绕组相对极性，如图4.6.1所示。先将两绕组任一端点（如点2与4）相联，在点1、2两端加一个比较低的便于测量的交流电压12U，再用电压表分别测量点1与3之间的电压13U和两绕组的电压12U及34U，若其有效值之间的关系为341213UUU，则点1与4是同极性端（或同名端）标有“＊”号；若341213-UUU，则点1与3是同极性端。用同样的方法可判定多绕组变压器各绕组的相对极性。3．当变压器带负载后，由于一次、二次绕组存在电阻和漏磁抗，所以其输出电压2U将随负载电流2I增加而下降。当电源电压1U和负载功率因数2cos为常数时，2U和2I的变化关系称为变压器的外特性曲线)(22IfU。对于电阻性或电感性负载，其外特性如图4.6.2所示。变压器从空载到图4.6.1测定变压器绕组的相对极性额定负载，二次绕组电压的变化程度用电压调整率ΔU表示*12U34U1234*140（2020220100%,-ΔUUUUU为空载时的输出电压）。02INI22U20U2U00U0I图4.6.2变压器的外特性曲线图4.6.3变压器的空载特性曲线4．变压器的空载实验主要是为了测量空载电流0I和空载损耗0P。空载电流产生磁通，空载损耗主要是铁心损耗（包括磁滞和涡流损耗）。空载特性是空载电压0U与空载电流0I之间的关系，如图4.6.3所示。V220~AXaxV250~0V220~1S2S3S4S5S2I2U1Uab自耦变压器单相变压器低压側高压側1I相线中线图4.6.4单相自耦调压器的电路符号图4.6.5实验原理接线图5．本实验中，在单相变压器前接有单相自耦调压器，以保证单相变压器一次绕组所要求的电压。自耦调压器的电路符号如图4.6.4所示，A－X端接电源，a－x端接负载，X－x为公共端，接电源的中线。当一次侧电压为220V时，二次侧电压在0～250V范围内连续可调，它的一次侧与二次侧之间有直接电气联系。单相自耦调压器的接线图及额定值均己在铭牌上给出，供使用参考。接通电源前应先用验电笔测试出电源的中线，将电源的中线与X端相接，然后将自耦调压器的调压手柄逆时针旋到零位，以保证输出电压为零，接通电源后，再根据要求进行调压，使用完毕，应先将调压手柄逆时针旋到零，再断开电源。本实验的原理接线图如图4.6.5所示。6．单相异步电动机采用单相交流电源，其输出功率较小（1KW以下），主要应用于电动工具，家用电器、医用器械和自动化仪表等设备中。本实验采用在家用电器中广泛应用的单相电容运转异步电动机，其定子绕组为单相绕组，转子为笼型绕组。当定子绕组通入单相交流电后，在定子内会产生一个脉动磁场，其大小随时间按正弦规律变化，而空间位置沿定子绕组轴线方向不变。可以分析此时转子受到的转矩为零，电动机不能自行起动。单相电容运转异步电动机采用分相法起动，使转子在起动时产生起动转矩，从而使电动机自行起动。这种电动机定子上装有两组绕组，一组为工作绕组W，另一组为起动绕组S，它们在空间位置相差90o，起动绕组串接电容C后与工作绕组并联接入电源，如图4.6.6所示。141在同一单相电源作用下，如果电容量选择适当，可使工作绕组和起动绕组的电流相位差接近90o，这样就能产生旋转磁场，笼型转子在旋转磁场作用下产生电磁转矩而使电机旋转。电动机的旋转方向由旋转磁场的旋转方向决定。MCWS图4.6.6单相电容运转异步电动机原理示意图本实验选用单相电容运转异步电动机，手动控制模拟洗衣机的洗涤过程，即实现电动机的正转—停—反转－停的运转功能。三、实验仪器和设备单相变压器（500VA，110／220V，4.55/2.77A）、单相自耦调压器（1kVA，220／0～250V）、交流电压表（0～300V）、交流电流表（0～2.5~5A及0~2.5~1A各1）、低功率因数功率表（0～2.5~5A，0~150~300V0.2cos）、负载灯板（配220V，100V白炽灯泡5个）、验电笔、电流插座、插头、单相电容运转电动机、电容器、常开按钮（2个）、单刀钮子开关。四、实验内容和步骤1．判定一次、二次绕组的相对极性按图4.6.5接线，使单相变压器二次侧（高压侧）开路（即断开开关S1～S5），将自耦调压器输出端a、b调到30V，即使单相变压器的一次绕组电压U1＝30V。按实验原理