探究三相交流电的发电与供电方式

1.三相交流电的产生

目前应用的电能绝大多数是由三相发电机产生的，三相发电机与单相发电机的区别在于，三相发电机可以同时产生并输出三组电源，而单相发电机只能输出一组电源，因此三相发电机的效率较单相发电机更高。

三相交流发电机的结构示意图如图1-31所示。

从图1-31中可以看出，三相交流发电机主要是由互成120°且固定不动的U、V、W三组线圈和一块旋转磁铁组成。当磁铁旋转时，磁铁产生的磁场切割这三组线圈，这样就会在U、V、W三组线圈中分别产生交流电动势，各线圈两端就分别输出交流电压U_U、U_V、U_W，这三组线圈输出的三组交流电压就称为三相交流电压。一些常见的三相交流发电机每相交流电压的大小约为220V。

不管磁铁旋转到哪个位置，穿过三组绕圈的磁力线都会不同，所以三组线圈产生的交流电压也就不同。三相交流发电机产生的三相交流电的波形如图1-32所示。

图1-31 三相交流发电机的结构示意图

图1-32 三相交流电的波形

从图1-32中可以看出，U_U、U_V、U_W三相交流电压的相位都不相同，在三个电压上取性质相同且相近的A、B、C三个点，三个点之间相差的角度都是120°，即这三个交流电压相位差都是120°，它们在任意时刻的电压值可分别用下面的表达式来求：U_U=U_msinωt U_V=U_msin（ωt-120°）U_W=U_msin（ωt-240°）

2.三相交流电的三种供电方式

三相交流发电机能产生三相交流电压，将这三相交流电压供给用户可采用三种方式：直接连接供电、星形联结供电和三角形联结供电。

（1）直接连接供电方式

直接连接供电方式如图1-33所示。

直接连接供电方式是将发电机三组线圈输出的每相交流电压分别用两根导线向用户供电，这种方式共需用到六根供电导线，如果在长距离供电时采用这种供电方式会使成本很高。

（2）星形联结供电方式

星形联结供电方式如图1-34所示。(www.xing528.com)

图1-33 直接连接供电方式

图1-34 星形联结供电方式

星形联结是将发电机的三组线圈末端都连接在一起，并接出一根线，称为中性线N，三组线圈的首端各引出一根线，称为相线，这三根相线分别称为U相线、V相线和W相线。三根相线分别连接到单独的用户，而中性线则在用户端一分为三，同时连接三个用户，这样发电机三组线圈上的电压就分别提供给各自的用户。在这种供电方式中，发电机三组线圈连接呈星形，并且采用四根线来传送三相电压，故称为三相四线制星形联结供电方式。

任意一根相线与中性线之间的电压都称为相电压U_P，该电压实际上是任意一组线圈两端的电压；任意两根相线之间的电压称为线电压U_L。从图1-34可以看出，线电压实际上是两组线圈上相电压叠加得到的，但线电压U_L的值并不是相电压U_P的2倍，因为任意两组线圈上的相电压相位都不相同，不能简单地乘以2来求得。根据理论推导可知，在星形联结时，线电压是相电压的倍，即

如果相电压U_P=220V，根据上式可计算出线电压约为380V。在图1-34中，三相交流电动机的三根线分别与发电机的三根相线连接，若发电机的相电压为220V，那么电动机三根线中的任意两根之间的电压就为380V。

（3）三角形联结供电方式

三角形联结供电方式如图1-35所示。

三角形联结是将发电机的三组线圈首末端依次连接在一起，连接方式呈三角形，在三个连接点各接出一根线，分别称为U相线、V相线和W相线。将三根相线按图1-35所示的方式与用户连接，三组线圈上的电压就分别提供给各自的用户。在这种供电方式中，发电机三组线圈连接呈三角形，并且采用三根线来传送三相电压，故称为三相三线制三角形联结供电方式。

图1-35 三角形联结供电方式

三角形联结方式中，相电压U_P（每组线圈上的电压）和线电压U_L（两根相线之间的电压）是相等的，即

U_L=U_P在图1-35中，如果相电压为220V，那么电动机三根线中的任意两根之间的电压也为220V。