三相电力系统

什么是分相电力系统？

分相电力系统实现其高导体效率和 通过将总电压分成较小的部分并以较低的电压为多个负载供电，同时以全电压系统的典型水平汲取电流，从而降低安全风险。

顺便说一下，这种技术对于直流电源系统和单相交流系统的效果一样好。此类系统通常称为三线 系统而不是分阶段 因为“相位”是一个仅限于交流的概念。

但是我们从矢量和复数的经验中知道，交流电压并不总是像我们认为的那样，如果它们彼此异相。

将该原理应用于电力系统，可以使电力系统比分相系统具有更高的导体效率和更低的电击危险。

示例

两个 120° 异相电压源

假设我们有两个交流电压源串联连接，就像我们之前看到的分相系统一样，除了每个电压源与另一个电压源相差 120°：（下图）

一对 120 Vac 源，相位 120°，类似于分相。

由于每个电压源都是 120 伏，并且每个负载电阻都直接与其各自的电源并联，因此每个负载两端的电压必须 也是120伏。给定 83.33 安培的负载电流，每个负载仍必须消耗 10 千瓦的功率。

但是，两条“热”线之间的电压不是 240 伏（120 ∠ 0° - 120 ∠ 180°），因为两个电源之间的相位差不是 180°。相反，电压为：

名义上，我们说“热”导体之间的电压是 208 伏（四舍五入），因此电力系统电压被指定为 120/208。

如果我们计算通过“中性”导体的电流，我们发现它不是 零，即使负载电阻平衡。基尔霍夫电流定律告诉我们两个负载之间进出节点的电流必须为零：（下图）

中性线在一对120°相源的情况下承载电流。

发现和结论

因此，我们发现“中性”线承载了完整的 83.33 安培，就像每根“热”线一样。

请注意，我们仍在向两个负载传输 20 kW 的总功率，每个负载的“热”线和以前一样承载 83.33 安培。

当通过每根“热”线的电流量相同时，我们必须使用相同规格的铜导体，因此与分相 120/240 系统相比，我们并未降低系统成本。

然而，我们已经实现了安全性的提升，因为两个“热”导体之间的总电压比分相系统中的电压低 32 伏（208 伏而不是 240 伏）。

三个 120° 异相电压源

中性线承载 83.33 安培电流的事实提出了一个有趣的可能性：既然它无论如何都承载电流，为什么不将第三条线用作另一条“热”导体，用具有相角的第三个 120 伏电源为另一个负载电阻供电240°？

这样，我们可以传输更多 功率（另外 10 kW）而无需添加更多导体。让我们看看这会是什么样子：（下图）

当第三个负载与另外两个负载成 120° 相位时，电流与两个负载相同。

三相系统的SPICE计算

对该电路中所有电压和电流的完整数学分析需要使用网络定理，最简单的是叠加定理。

我将为您省去冗长的计算，因为您应该能够直观地理解三个不同相角的三个电压源将分别向负载电阻器的平衡三元组提供 120 伏的电压。

为了证明这一点，我们可以使用 SPICE 为我们做数学运算：（下图，SPICE 列表：120/208 多相电力系统）

SPICE 电路：三个 3-Φ 负载 120° 相位。

120/208 多相电力系统 v1 1 0 ac 120 0 sin v2 2 0 ac 120 120 sin v3 3 0 ac 120 240 sin r1 1 4 1.44 r2 2 4 1.44 r3 4 . 1 6 lin 6 打印ac v(1,4) v(2,4) v(3,4) .print ac v(1,2) v(2,3) v(3,1) .print ac i(v1) i(v2) ) i(v3) .end 

每个负载频率上的电压 v(1,4) v(2,4) v(3,4) 6.000E+01 1.200E+02 1.200E+02 1.200E+02 “热”导体之间的电压频率 v (1,2) v(2,3) v(3,1) 6.000E+01 2.078E+02 2.078E+02 2.078E+02 通过每个电压源的电流频率 i(v1) i(v2) i(v3 ) 6.000E+01 8.333E+01 8.333E+01 8.333E+01

果然，我们在每个负载电阻上得到了 120 伏的电压，任意两个“热”导体之间的电压（大约）为 208 伏，导体电流等于 83.33 安培。 （下图）

在该电流和电压下，每个负载将消耗 10 kW 的功率。

请注意，该电路没有“中性”导体以确保所有负载断开时的电压稳定。

我们这里的情况类似于我们没有“中性”导体的分相电源电路：如果一个负载发生故障打开，其余负载的电压降将发生变化。

为确保在另一个负载断开时负载电压的稳定性，我们需要一条中性线将源节点和负载节点连接在一起：

带有仿真结果注释的 SPICE 电路：三个 3-Φ 负载相位为 120°。

只要负载保持平衡（相等的电阻，相等的电流），中性线就不必承载任何电流。以防万一一个或多个负载电阻打开失败（或通过隔离开关关闭）。

多相电路

我们一直在用三个电压源分析的这个电路称为多相 电路。前缀“poly”仅表示“多个”，如“poly 有神论”（信仰不止一个神），“poly gon”（由多条线段组成的几何形状：例如，pentagon 和六边形 ) 和“poly atomic”（由多种原子组成的物质）。

由于电压源都处于不同的相角（在这种情况下，三个不同的相角），这是一个“poly 相”电路。

更具体地说，它是一个三相电路 ，主要用于大型配电系统。

三相系统与单相系统

单相系统

让我们来看看三相电力系统相对于同等负载电压和功率容量的单相系统的优势。三个负载直接并联的单相系统将具有非常高的总电流（83.33 乘以 3，即 250 安培。（下图）

相比之下，120 Vac 系统上的三个 10 Kw 负载消耗 250 A。

这将需要 3/0 规格的铜线（非常 大！），每千英尺约 510 磅，并附有可观的价格标签。如果从电源到负载的距离是 1000 英尺，我们将需要超过半吨的铜线来完成这项工作。

分相系统

另一方面，我们可以构建一个带有两个 15 kW、120 伏负载的分相系统。 （下图）

与 120 Vac 系统相比，分相系统在 240 Vac 时消耗的电流仅为 125 A 的一半。

我们的电流是简单并联电路的一半，这是一个很大的改进。

我们可以避免使用总质量约为 600 磅的 2 号铜线，计算每千英尺约 200 磅，在源和负载之间各走 3 条 1000 英尺。但是，我们还必须考虑系统中存在 240 伏电压会增加安全隐患，即使每个负载仅接收 120 伏电压。

总体而言，发生危险电击的可能性更大。

三相系统

当我们将这两个示例与我们的三相系统（上图）进行对比时，优势非常明显。

首先，导体电流要小得多（83.33 安培对 125 或 250 安培），允许使用更细更轻的电线。对于我们的示例电路，我们可以使用每千英尺约 125 磅的 4 号线，总计 500 磅（四次，每行 1000 英尺）。

与分相系统相比，这代表了显着的成本节约，另外的好处是系统中的最大电压更低（208 对 240）。

还有一个问题有待回答：我们究竟如何得到三个相角正好相距 120° 的交流电压源？

显然，我们不能像在分相系统中那样对变压器或交流发电机绕组进行中心抽头，因为这只能为我们提供同相或 180° 异相的电压波形。

也许我们可以想出一些方法来使用电容器和电感器来产生 120° 的相移，但是这些相移也将取决于我们负载阻抗的相角（用电容或电感负载代替电阻负载会改变一切！）。

获得我们正在寻找的相移的最佳方法是在源头产生它：构建交流发电机（交流发电机）以这样一种方式提供电力，即旋转磁场通过三组线绕组，每组如下图所示围绕机器圆周间隔 120°。

(a) 单相交流发电机，(b) 三相交流发电机。

三相交流发电机的六个“极”绕组连接在一起构成三个绕组对，每对产生的交流电压与其他两个绕组对中的任何一个相角相差 120°。

为简单起见，三相交流发电机图中省略了绕组对之间的互连（如单相交流发电机所示：绕组 1a 和 1b 之间的跳线）。

在我们的示例电路中，我们展示了以“Y”配置（有时称为“星形”配置）连接在一起的三个电压源，每个电源的一根引线连接到一个公共点（我们连接“中性”的节点）指挥）。

描述这种连接方案的常用方法是将绕组绘制成“Y”形，如下图所示。

交流发电机“Y”配置。

“Y”配置并不是唯一对我们开放的选项，但它可能是最容易理解的。本章稍后将详细介绍这个主题。

评论：

• 单相 电力系统是只有一个交流电压源（一种电源电压波形）的系统。
• 一个分裂阶段 电力系统是一种有两个电压源，彼此相移 180°，为两个串联连接的负载供电的系统。这样做的优点是能够在出于安全原因保持低负载电压的同时具有更低的导体电流。
• 一个多相 电力系统使用彼此不同相位角的多个电压源（工作中的电压波形的许多“相位”）。与单相或分相系统相比，多相电力系统可以使用更小的导线以更低的电压提供更多的电力。
• 多相电力系统所需的相移电压源是在具有多组绕组线的交流发电机中创建的。这些绕组组以所需角度围绕转子旋转的圆周间隔开。

相关工作表：

• 多相电力系统工作表