三相负载的连接方式分析与优化

实际工作生活中，使用最为广泛的交流电供电方式为三相四线制供电，这就存在着作为用电的负载，如何与三相四线制供电系统正确连接的问题，若连接不合适则可能造成设备的损坏或是不能正常工作。同时，负载连接到三相四线制供电系统后，还有电路参数的测量问题，通过这些电路参数，才能判断负载工作的正常与否以及功率消耗等问题。

三相电源与负载按一定方式连接起来就组成了三相电路。三相电路的负载由3部分组成，每一部分叫作一相负载。低压电器负载尽管种类繁多，但大致可以分为两类：一类是只需要单相电源即可工作，称为单相负载，如照明及家用电器等；另一类则需要三相电源才能工作，称为三相负载，如三相交流电动机。

1.三相负载的连接原则

（1）负载额定电压等于电源电压。为了使负载能够安全可靠地长期工作，必须按照电源电压等于负载额定电压的原则将用电设备接入三相电源。

（2）三相负载均衡、对称原则。由对称三相电源和对称三相负载所组成的电路叫作对称三相电路。对称三相电路可以使三相电源得到充分合理的利用。

1）单相负载的连接

日常生活中使用的照明灯具、家用电器及办公自动化设备的额定电压均为单相220 V。按照上述原则，应将家用电器接在低压三相交流电（380 V/220 V）的火线与中线之间。由于家用电器负载类型有较大的差异，如电暖气、电熨斗等是纯电阻负载，日光灯、空调、冰箱等是电感性负载。为了使三相负载均衡对称，当家用电器的数量较多时应使各相接入的家电类型和功率尽可能相等。

有的低压电器（如交流接触器、继电器）的控制线圈使用单相380 V额定电压，在使用时需要接在两条火线之间，如错接的话这些电器将无法正常工作。

2）三相负载的连接

三相负载的连接方式取决于负载要求的额定电压值。若负载的额定电压等于电源相电压（如220 V），则负载应做星形连接；若负载的额定电压为电源线电压（如380 V），则三相负载应做三角形（△）连接，此时电路为三相三线制。

2.三相电流电压计算

1）星形连接

负载星形连接的三相四线制电路如图2－70所示。

图2－70　负载星形连接的三相四线制电路

三相负载分别为ZA、ZB、ZC，流过每根火线的电流叫作线电流，用表示，其参考方向规定为由电源流向负载；而流过每相负载的电流叫作相电流，用表示，参考方向与线电流一致；流过中性线的电流叫作中线电流，用表示，参考方向规定为由负载中性点流向电源中性点。显然，由图2－70可以看出，在星形连接的电路中，线电流等于相电流，即

三相电路应该一相一相地计算，对于每相电路的计算与单相交流电的计算一样。

根据基尔霍夫电流定律，中线电流为：。

从图2－65中还可以看出，负载上的相电压等于电源的相电压，负载上的线电压等于电源的线电压。线电压与相电压的关系是

下面分负载对称与不对称两种情况进行讨论。

（1）负载对称时，对称负载（一般的三相电气设备大都是对称负载），即

设以为参考相量，则

图2－71　负载对称时的相量图

可见，3个相电流也对称。设φ＞0，相量图如图2－71所示。中线电流：

显然，此时中线完全可以省去。这样的三相电路称为三相对称电路。负载的中点N′与电源中点N等电位，电路的工作状态与有无中线无关。去掉中线的三相对称电路叫作三相三线制电路。

（2）负载不对称时，三相负载不完全相同，称为不对称负载。此时显然3个电流不再对称，且

中线不可省去，负载不对称而无中线的情况属于故障现象。

2）三角形连接

图2－72所示为三相负载三角形连接。电压与电流的参考方向如图2－72所示。从图2－72中可以看出，三相负载的电压即为电源的线电压，且无论负载对称与否，电压总是对称的或者说UL＝UP。

3个负载中的电流（相电流）与3条相线中的电流（线电流）间关系是：

（1）负载对称时的△连接。三相负载对称时，

则3个相电流为(www.xing528.com)

这3个相电流也是对称的，即相位互差120°。若以为参考，则其相量图如图2－72所示。从图2－72中可以看出，线电流比相应的相电流滞后30°，且。

图2－72　三相负载三角形连接

（2）负载不对称时的△连接。负载不对称时，尽管3个相电压对称，但3个相电流因阻抗不同而不再对称，只能逐相计算。

以上内容汇总如下，如表2－6和表2－7所示。

表2-6　星形连接

表2-7　三角形连接

一般的电气负荷都有额定电压这一重要标志。决定采用何种连接方式的依据是使每相负载承受的电压等于其额定电压。如三相电动机铭牌上常有“/△、380 V/220 V”这样的标识，即连接时接380 V线电压，△连接时接220 V线电压。事实上每相负载均工作在220 V相电压下，如图2－73所示。

【例2-37】　一星形连接的三相电路如图2－74所示，电源电压对称。设电源线电压为。负载为电灯组，若RA＝RB＝RC＝5 Ω，求线电流及中性线电流IN。若RA＝5 Ω，RB＝10 Ω，RC＝15 Ω，求线电流及中性线电流IN。

图2－73　三相异步电动机的接线图

图2－74　例2－37电路图

解：已知

（1）三相负载对称

线电流为

中性线电流为

（2）三相负载不对称（RA＝5 Ω，RB＝10 Ω，RC＝15 Ω）。

分别计算各线电流

中性线电流为

【例2-38】　如图2－75（a）所示的三相四线制电路，每相负载阻抗Z＝（3＋j4）Ω，外加电压UL＝380 V，试求负载的相电压和相电流。

解：由于该电路是对称电路，故可以归结到一相来计算，其相电压为

相电流为

图2－75　例2－38电路图

相电压与相电流的相位差为

选为参考相量，则有

相电压和相电流的相量图如图2－75（b）所示。

【例2-39】　如图2－76（a）所示的三相四线制电路，电源电压为380 V，试求各相负载电流及中性线电流并画出相量图。

图2－76　例2－39电路图

解：由题已知，相电压为200 V，线电压为380 V。选U为相量，则

各相负载电流可分别计算，得

中性线电流为

各负载电流及中性线电流的相量图如图2－76（b）所示。