实验五 三相负载电压、电流功率的测量

一．实验目的

1．熟悉三相交流电路中三相负载的星形联结、三角形联结方法，加深理解三相交流电路中线电压与相电压，线电流与相电流之间的关系。

2．用实验的方法研究、体会三相四线制电路中中线的作用。 

3．掌握三相星形电路有功功率的测量方法。掌握用二瓦特表法测量三相三线制供电系统的有功功率。

4．熟练掌握功率表的接线和使用方法。

二．实验原理概述及说明

1．三相电源

电力系统采用三相三线制和三相四线制的供电方式。其三相电源的电动势相互对称，即三相电动势幅值相等，频率相等，相位互差120°。

2．三相电源的连接

三相电源的联结方式分为星形联结和三角形联结两种。

（1）三相电源的星形联结：从三相绕组的首端A、B、C引出三根导线，称为相线，把三相绕组的末端连接在一起称为中性点，从中性点引出的导线称为中线。

三相电源的星形联结时，线电压是相电压的倍，三相电源的线电压在相位上超前于相电压30º。

（2）三相电源的三角形联结：把三相绕组的首端和末端依次相连，形成一个回路，从首端A、B、C引出三根端线，这种方式称为三相电源的三角形联结。

三相电源的三角形联结时，线电压与对应的相电压有效值相等，即，相位相同。

低压供电系统多采用三相四线制的供电方式。

3.三相负载及其联结

 三相负载可分为对称三相负载和不对称三相负载。三相电源向负载供电时，三相负载可以接成星形（又称‘Ｙ’形）或三角形（又称‘Δ’形）两种形式。连接方式如图13-1所示。在星形联结中又包括有中线（三相四线制）和无中线(三相三线制）两种情况。

              (a)星形联结                     (b)三角形联结

                      图13-1   三相负载的两种联结方式

 4．三相负载星形联结

（1）三相负载对称  

当三相对称负载作星形联结时，线电压的有效值是相电压有效值的倍，线电流等于相电流，即： ，流过中线的电流ＩN＝O，负载中点N´的电位与电源中点N的电位相等，即UNNˊ=0，所以就对称负载而言，中线不起作用，可以去掉中线，采用三相三线制。

（2）三相负载不对称

三相不对称负载星形联接时，必须采用‘Ｙ0’（即三相四线制），此时负载中点N´的电位与电源中点N的电位不相等，即UNNˊ0，中线必须联接牢固，以保证三相不对称负载的每相电压保持对称。若中线断开，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，使负载遭受损坏，负载重的一相相电压又过低，使负载不能正常工作。

5. 测量三相星形负载的有功功率

在电力系统中，需要对系统中的用电设备消耗的有功功率和无功功率进行测量。由于绝大多数的用电设备多采用三相电源供电，因此对三相功率的测量就显得非常重要。

由于三相电路连接方式、负载对称情况不同，三相负载有功功率可以采用一瓦特表法、两瓦特表法和三瓦特表法来测量。

(1) 三相四线制供电系统，测量负载星形联接（即Ｙ0接法）的三相有功功率

①一瓦特表法

对于三相四线制供电的星接三相对称负载（即Yo接法），显然有，若用一个单相功率表测量A相的功率为，则三相总功率等于单相有功功率的3倍，即

这种测量方法称为一瓦特表法。         图13-2    一瓦特表测量三相有功功率

②三瓦特表法

电路如图13-2所示。对于三相四线制供电的星接三相不对称负载，可用三只瓦特表分别测量各相负载的有功功率PA、PB、PC，则三相负载的总有功功率值为三只瓦特表读数之和，即

                                            图13-3 三瓦特表测量三相有功功率

  这种测量方法称为三瓦特表法。

(2) 三相三线制供电系统，测量负载星形联接的三相有功功率

三相三线制供电系统中，不论三相负载是否对称，也不论负载是‘Ｙ’接法还是‘Δ’接法，都可按图13-3所示的电路采用两只瓦特表测量三相负载的总有功功率。这种测量方法称为二瓦特表法。若两个功率表的读数为、，可以证明，三相电路负载总有功功率P等于两只瓦特表读数P1和P2的代数和，即。

三．实验仪器设备

1．三相自耦调压器

2．交流电压表、电流表、功率表

3．三相灯组负载（25W白炽灯9只）

四．实验内容及实验步骤

1．三相负载星形联接电压、电流的测量

按图13-4接线，三相对称电源经自耦调压器接到三相灯组负载，首先检查三相调压器的旋柄是否置于输出为0V的位置（即逆时针旋到底的位置）。经指导教师检查接线正确后，方可合上三相电源开关。                  

旋转三相调压器的旋柄，调节调压器的输出，使输出的三相线电压为220Ｖ。

2. 三相负载星形联接有功功率测量

（1）三相四线制供电系统

①一瓦特表法测定三相对称负载三相功率

实验电路如图13-2所示，线路中的电流表和电压表用以监视三相电流和电压，不要超过功率表电压和电流的量程。经指导教师检查线路接线无误后，接通三相电源开关，将调压器的输出由0调到220Ｖ（线电压），

（2）用三瓦特表法测定三相不对称负载三相功率。

实验电路如图13-3所示，步骤与（1）相同，将数据记入表13-2中。 

2．三相三线制供电系统

用二瓦特表法测量三相负载‘Ｙ’连接的三相功率，实验电路如图13-4所示。

三相灯组负载接成Y形接法。经指导教师检查后，接通三相电源，调节三相调压器的输出，使线电压为220Ｖ，按表10-3的内容进行测量计算，并将数据记入表中。

五．实验注意事项

1．本实验经三相自耦调压器调节，输出线电压为220V。实验时要注意人身安全，不可触及导电部件，防止意外事故发生。

2. 每次接线完毕，同组同学应自查一遍， 确认正确无误后由指导教师检查方可接通电源。实验中必须严格遵守“先接线、后通电”,“先断电、后拆线”的安全实验操作规则。

3.接通三相交流电源之前，三相调压器的旋转手柄必须在0V的位置，通电后缓慢地将调压器手柄沿顺时针方向旋转，调节输出电压至所需电压值。实验完毕时应注意先将调压器的旋转手柄转回0V的位置，再切断三相电源。

4．实验中若出现异常现象,应立即切断电源,找出故障原因,排除故障后方可继续实验.

六．实验预习与思考题

1．三相对称负载按星形连接、三角形联接，它们的线电压与相电压、线电流与相电流有何关系？当三相负载不对称时又有何关系？

2. 在三相四线制供电系统中中线的作用，中线上能安装保险丝吗？为什么？

3．复习二瓦特表法测量三相电路有功功率的原理。画出瓦特表另外两种联接方法的电路图。

 4．测量功率时为什么在线路中通常都接有电流表和电压表？ 

5．本实验经三相自耦调压器调节，输出线电压为220V。实验时要注意人身安全，不可触及导电部件，防止意外事故发生。

6. 每次接线完毕，同组同学应自查一遍， 确认正确无误后由指导教师检查方可接通电源。实验中必须严格遵守“先接线、后通电”,“先断电、后拆线”的安全实验操作规则。

7.接通三相交流电源之前，三相调压器的旋转手柄必须在0V的位置，通电后缓慢地将调压器手柄沿顺时针方向旋转，调节输出电压至所需电压值。实验完毕时应注意先将调压器的旋转手柄转回0V的位置，再切断三相电源。

8．实验中若出现异常现象,应立即切断电源,找出故障原因,排除故障后方可继续实验.

七．实验报告要求及结果分析

1．根据实验数据，在负载为星形联接时，在什么条件下成立？

 2．用实验数据和观察到的现象，总结三相四线制供电系统中中线的作用。

3.  总结一瓦特表法和二瓦特表法测量三相有功功率的适用场合。

4．总结三相负载星形联结时电路中电压、电流的特点以及有功功率的测量方法。

5．三相对称负载三角形连接，它们的线电压与相电压、线电流与相电流有何关系？当三相负载不对称时又有何关系？

6．分析二瓦特表法测量三相电路有功功率的原理。

八 综合实验（大型作业）                       

日光灯、白炽灯、节能灯的参数测试及技术经济比较：要求学生3至5人一组，查阅有关图书资料，以及进行上网查询，并进行市场调研，做到掌握日光灯、白炽灯、节能灯的工作原理；收集有关的技术数据；了解国家的相关；了解日光灯，白炽灯，节能灯的价格、电费（民用、单位、企业）。拟订从灯光寿命、亮度、光源效率和节约电能方面进行比较的方案，以及技术数据的实验测试方案（实验电路、选用仪器、记录表格、注意事项等设计）。实验设计完成后，提交指导教师检查认为可行（方案合理、实验设备需用实验室现有设备）且无安全隐患。在实验室开放时间进行实验。综合实验结果要求参照论文格式提交实验报告。

表13-1             负载星形联结实验数据