哈工大 三相电路的测量.docx
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哈工大三相电路的测量
电路实验
实验三三相电路的测量
—基于三相电能及功率质量分析仪测量
一、实验目的
1.验证三相电路的星形连接与三角形连接电路的线电压、相电压及线电流、相电流之间的关系
2.了解负载中性点位移的概念、中线的作用和一相电源断线后对负载的影响。
3.掌握三相负载星形联接的三相三线制、三相四线制接法和三角形联接的接法。
4.掌握三相电路电压、电流、有功功率、无功功率和视在功率的测量方法。
5.掌握三相电能及功率质量分析仪的使用方法。
二、简述实验原理
1.三相电源和负载可接成星形（又称“Ｙ”接）或三角形（又称"△"接）。
当三相对称负载作Y形联接时，线电压是相电压的倍。
线电流等于相电流，即
三相四线制接法中，流过中性线的电流，这种情况下可以省去中性线，变成三相三线制接法。
当对称三相负载作△形联接时，有
2.不对称三相负载作Y联接时，应采用三相四线制接法，而且中性线必须牢固联接，以保证三相不对称负载的每相电压维持对称。
倘若中性线断开，会导致三相负载电压的不对称。
致使负载轻的那一相的相电压过高，使负载容易遭受损坏；负载重的那一相的相电压过低，使负载不能正常工作，这对三相照明负载表现得尤为明显。
3.当不对称负载作△联接时，，但只要电源的线电压对称，加在三相负载上的电压仍是对称的，对各相负载工作没有影响。
4．FLUKE434-Ⅱ三相电能质量分析仪提供了广泛且强大的测量功能，利用434三相电能质量分析仪可以测量有效值和峰峰值电压和电流、频率、功耗、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、高达50次的谐波等；并具有示波器波形和示波器相量功能，可随时显示所测电压及电流的波形及相量。
5.电压/电流/频率的测量需要在分析仪的面板菜单选项中选择“电压//电流//频率”。
进入测量界面后，即可读出相电压、线电压和电流的有效值，测量界面中显示的数字是当前值，这些值会持续更新。
当测量启动时，就马上开始记录这些值相对于时间所发生的变化。
6.功率和电能的测量要选择分析仪面板菜单选项中的“功率和电能”一项。
其所能进行的功率测量如下：
有功功率（W），视在功率（VA），无功功率（var），谐波功率（VA），不平衡无功功率（VAUnb），基波有效功率（Wfund），基波视在功率（VAfund）。
功率因数（PF），位移功率因数（DPF或cosφ，基波有效功率与基波视在功率之间的比率）。
有功能量（Wh），视在能量（VAh），无功能量（varh），正向能量（Wh，kWhforw），反向能量（Wh，kWhrev）。
7.若要观察示波器波形和相量图，可以按“Scope”键进入示波器模式，该模式可以与其他正在进行的测量结合使用，而无需中断记录读数。
三、实验用仪器名称及型号
FLUKE434-Ⅱ三相电能质量分析仪，FLUKE15B型万用表，HIT-601交流功率测量综合实验箱，导线
四、实验任务
1．三相电源与三相实验箱
注意事项：
本次实验是强电实验，电压较高，切记保证不带电作业。
即：
在接线、查线、改线、拆线时要切断电源。
并严格遵守“先接线后通电”，“先断电后拆线”的操作顺序，确保人身安全和仪器仪表的安全。
本次实验电源开关如图1所示，输出端黄、绿、红三个接线柱为A相、B相和C相（相序可假设）输出端，右边黑色接线柱为零线。
三相电源输出线电压为220V。
空气开关使用时应扳至上方，如发生短路则自动跳下断开电源，当电路连接正确后，空气开关才能合上。
图1电源开关图2
图3
交流功率测量综合实验箱面板示意图如图2所示，其中A相各负载的电路示意图如图3所示，白炽灯、电容、电感都是不连通的，例如欲将两盏白炽灯并联，应分别连接和。
2．负载星形联结的电压、电流及功率测量
（1）熟悉三相电能及功率质量分析仪的基本使用方法，参考分析仪使用说明，设置三相电能及功率质量分析仪电压、频率、电流测量范围，选择合适的接线方式。
记录设置结果：
（2）实验电路如图4所示，采用三相四线制负载星形联结，测量各线电压、相电压、线电流，数据记入表1。
记录不对称负载、一根端线断路时电压电流相量图。
根据记录的相量图分析电路的特点。
（提示：
将A、B、C其中任意一相的电流钳夹接到中线即可测量IN）
图4
表1三相四线制负载星形联结的电压、电流测量
线电压/V
相电压/V
线电流/mA
对称负载（各相接一盏灯）
223.8
223.1
224.9
129.6
129.1
129.6
83
84
82
8
不对称负载（两相接灯泡，一相接4μF电容）
223.3
222.4
225.1
129.1
128.9
129.7
83
84
216
230
C端线断线（对称负载）
224.0
115.3
113.8
129.6
129.4
40.5
83
84
0
83
不对称负载电压电流相量图一根端线断路电压电流相量图
电压相量图
电流相量图
不对称
负载
一根端
线断路
实验结果分析：
当三相负载完全对称时，负载中性线中电流为0；负载不对称时，或某相断开时，将会使中性线中产生电流，中性线保证了负载相电压和电源相电压相等和对称，如果此时没有中线，将使各相负载电压不等。
（3）测量三相四线制对称负载、不对称负载、C端线断线时各相负载的功率，包括有功功率、视在功率、无功功率，自拟表格记录。
有功功率（W）/W
视在功率（VA）/W
无功功率（var）/W
A
B
C
A
B
C
A
B
C
负载对称
10.5
10.5
10.3
10.5
10.5
10.4
0.3
0.4
0.3
负载不对称
10.4
10.5
0
10.4
10.5
26.9
0.3
0.4
26.9
C端线断线
10.5
10.5
0
10.5
10.5
0
0.3
0.4
0
根据功率测量结果计算电路的总有功功率，并对实验结果进行分析总结。
总有功功率在负载对称时、负载不对称时、C端线断线时分别为31.3W、20.9W、21W。
分析总结：
当某一相负载为电容时，该相只有无功功率，不产生有功功率；总有功功率为各相有功功率之和，总无功功率为各相无功功率之和；每相视在功率为该相无功功率与有功功率平方和的开方；总视在功率不是各相视在功率的直接相加。
同时，由于中性线平衡负载的作用，上述情况下每项的有功功率基本不变。
（4）采用三相三线制负载星形联结，测量各线电压、相电压、线电流，数据记入表2。
记录不对称负载电压、电流相量图，一根端线断路电压、电流相量图，一相负载短路电压、电流相量图。
根据记录的相量图分析电路的特点。
表2三相三线制负载星形联结的电压、电流测量
线电压/V
相电压/V
线电流/mA
对称负载（各相接一盏灯）
219.2
220.8
218.3
125.1
126.9
128.5
83
83
81
不对称负载（两相接灯泡，一相接4μF电容）
219.7
221.3
218.3
243.3
141.8
105.3
114
87
171
C端线断线（对称负载）
219.3
109.3
110.5
110.5
109.6
0
78
78
0
C相负载短路（对称负载）
220.8
222.0
218.9
218.7
222.0
0
108
108
186
不对称负载电压电流相量图一根端线断路电压电流相量图一相负载短路电压、电流相量图
电压相量图
电流相量图
不对称
负载
一根端
线断路
一相负
载短路
实验结果分析：
与三相四线制负载星形联结相比，三相三线制负载星形联结少了中性线。
当三相负载完全对称时，负载中性线中电流为0，因此中性线可以没有；当对于负载不对称，或某相断开或短路时，没有中线，将使各相负载电压不等，从而使得某些设备电压超过额定电压。
（5）测量三相三线制对称负载、不对称负载、C端线断线、C相短路时各相负载的功率，包括有功功率、视在功率、无功功率，自拟表格记录。
有功功率（W）/W
视在功率（VA）/W
无功功率（var）/W
A
B
C
A
B
C
A
B
C
负载对称
10.4
10.5
10.5
10.4
10.5
10.5
0.3
0.3
0.2
负载不对称
27.7
12.3
0
27.7
12.3
18.0
1.1
0.4
18.0
C端线断线
8.6
8.5
0
8.6
8.5
0
0.3
0.3
0
C相短路
23.6
24.0
0
23.6
24.0
0
0.9
1
0
根据功率测量结果计算电路的总有功功率，并对实验结果进行分析总结。
总有功功率在负载对称时、负载不对称时、C端线断线时、C相短路时分别为31.4W、30.0W、17.1W、47.6W。
分析总结：
当某一相负载为电容时，该相只有无功功率，不产生有功功率；总有功功率为各相有功功率之和，总无功功率为各相无功功率之和；每相视在功率为该相无功功率与有功功率平方和的开方；总视在功率不是各相视在功率的直接相加。
同时，由于没有中性线的平衡负载作用，各相在上述各情况下有功功率并不相等。
3．负载三角形联结的电流测量
（1）三相电能及功率质量分析仪设置、接线方式与星形联结相同。
（2）实验电路如图5所示，负载三角形联结，测量各线电流和相电流，数据记入表3中。
记录不对称负载电压、电流相量图，一根端线断路电压、电流相量图，一相负载断路路电压、电流相量图。
图5
表3负载三角形联结的电流测量
线电流/mA
相电流/mA
对称负载
（各相接一盏灯）
187
188
188
108
109
108
不对称负载（两相接灯泡，一相接2μF电容）
261
188
93
109
109
162
相负载断路
（对称负载）
106
109
186
0
109
106
一根端线断路
（对称负载）
186
185
0
109
77
77
线电流相量图
相电流相量图
电压相量图
不对称
负载
一相负
载断路
一根端
线断路
（3）根据实验测量结果，总结负载三角形联结时相电流和线电流之间的关系。
当对称三相负载作△形联接时，线电流为相电流的倍；当负载不对称时，如一项负载为电容，因有相位的关系，需要带入相量进行具体分析，一般不为倍。
4、拓展实验：
将三相对称负载的一相换为电感性负载或电感与电容并联负载，重新进行上述测量，并对实验结果进行分析总结。
五、思考题
1．三相四线制系统，中性线上可以安装开关和保险吗？
为什么？
答：
不能安装熔断器。
因为在三相四线制不对称星形负载中，中性线电流乘以中性线阻抗就等于中性点位移电压。
若中性线上安装了熔断器，一旦发生断路，会使中性线阻抗变为无穷大，产生严重的中性点位移，使三相电压严重不对称。
因此在实际工作中，除了要求中性线不准断开（如中性线上不准装开关、熔断器等）
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