三相交流电路实验

实验5 三相交流电路

一、实验目的

1．学习三相负载的正确联接方法。

2．掌握三相电路中线电压、相电压、线电流、相电流的关系，了解三相四线制低压配电系统中中线的作用。

3．学习用二瓦特计法测三相负载的功率。

4．学习根据实验内容的要求选择仪表和量程，自拟实验电路及数据表格。 二、实验原理

1．工业及民用的交流电源，几乎都是由三相电源供给的，单相交流电源也是由三相电源的一相提供的。三相电源一般来自发电机或变压器二次侧的三个绕组。三个绕组的始端为A 、B 、C 、末端为X 、Y 、Z ，若将三个绕组的末端连在一起，便形成星形（Y 型）联结。三个绕组的连接点成为一个公共端，称为中点，从公共端引出的导线称为中线（或零线），并用字母N 表示，有时中线与大地直接相连称为地线。从三个绕组始端引出的三条输电线称为端线或相线（俗称火线）。这时电源有四条输电线，称为三相四线制电源。

端线（A 、B 、C ）与中线之间的电压，就是一相绕组的电压，称为相电压，用U P 表示。相电压有三个，即U A 、U B 、U C ，三个相电压是一组对称的电压，它们的相量表示式为

0U P A ∠=U

120-P

B

∠=U U

120P C +∠=U U

任意两根端线（火线）之间的电压，称为三相电源的线电压，用l U 表示。三个线电压与相电压之间的关系为

B A AB -U U U =

C B BC -U U U = A C CA U -U U =

根据它们之间的几何关系，可得

303P

AB

∠=U U

90-3P BC ∠=U U

1503P AC +∠=U U

三个线电压也是一组对称的电压，线电压的大小是相电压的3倍，在相位上超前相应的相电

压

30。如果三相四线制电源的线电压380V l =U ，则此电源的相电压220V 3

380P ==

U 。

2．三相交流电路中负载有星形和三角形两种联结方法，如图4.5.1。采用哪种联结方法取决于电源电压与负载的额定电压。目前我国低压配电大多数为380V ，三相四线制系统，通常电灯（单相负载）的额定电压为220V ，因此要接在相线与中线之间，并尽可能使电源各相负载均匀、对称，所以总体看负载联结成星形。由于有中线，可以保证在负载不对称时，负载各相电压仍是对称的。三相异步电动机、三相电炉等为三相对称负载（指各相负载阻抗的

模与阻抗角完全相等，即C B A Z Z Z ==），所以当星形联结时，由于中线电流I N 等于零，可以采用三相三线制（即去除中线）。本实验用白炽灯来模拟三相负载。

B

A

C

I A

B C

)(a )

(b 图4..5.1三相电路中负载的联接

（a ）负载星形联结

（b ）负载三角形联结

3．三相对称负载不论是星形还是三角形联结，三相电路的有功功率

??cos I U co I U P P l l 3s 33P P P ===

式中P P 为其中一相的功率，I P 及I l 为相电流及线电流，?为相电压和相电流的相位差。

三相电路有功功率的测量，在三相四线制供电系统中，可采用一瓦特计法（负载对称）和三瓦特计法（负载不对称）。对三相三线制供电系统，不论负载对称与否，亦不论负载是星形还是三角形联接，一般都采用二瓦特计法。

A B C

图4.5.2二瓦特计法测量三相功率

本实验采用二瓦特计法测量三相功率，测量的原理电路如图4.5.2所示。三相电路的总功率等于两个功率表读数的代数和，即P ＝P 1±P 2。当负载的功率因数0.5

时（例如电动机空载或轻载运行），测量时会出现一个功率表指针反偏现象，无法读数，此时可拨动面板上的极性开关（有些功率表无此开关，可调换电流线圈的两个接线端），使指针正偏，但读数应取负值。本次实验为电阻性电灯负载，不会出现负值，测量的总功率就为P ＝P 1＋P 2。 三、实验仪器和设备

电流插座、插头（各1 ）、灯板（配4个220V 、100V 白炽灯泡）、交流电压表（0～250～500V ）、交流电流表（0～1～2A 及0～0.5～1A 各1 ）、功率表（0～0.5～1A 、0～75～150～300～600V ）。

四、实验内容和步骤

1．本实验采用线电压为220V的三相电源，用四个220V、100W的白炽灯泡接成三相负载。

2．灯泡负载接成星形

（1）测量对称负载有中线及无中线两种情况下的各线电压、相电压、线电流，有中线时的中线电流和无中线时电源中点与负载中点之间的电压

N

N'

U。将测得数据记入自拟表格。

（2）测量不对称负载（A相负载中并接一个白炽灯泡），有中线及无中线两种情况下与实验内容2（1）中所测相同内容的各数据，记入自拟表格。

3．灯泡负载接成三角形

（1）测量负载对称与不对称（AB相负载上并接一个白炽灯泡）两种情况下的各线电压、线电流及AB相的相电流，将测得数据记入自拟表格。

（2）用二瓦计法测量对称情况下三相灯泡负载的总功率，将两功率表的数据记入自拟表格。

五、预习要求

1．将图4.5.3中白炽灯泡负载画成星形联结和三相电流插座及电源开关相连。要求一次接线能完成实验内容2中各项要求。分析图（c）中S1、S2起什么作用。

2．将图4.5.3中白炽灯泡负载画成三角形联结的三相对称负载，并在AB相中串联一个测量相电流的电流表。

（a）(b) (c)

图4.5.3三相交流实验中所用电源板、电流插座及灯板的示意图

（a）电源的开关板(b)电流插座(c) 灯板

3．根据实验内容1、2、3，自拟相应的数据表格和选择仪表量程。

4．按实验内容3（2）的要求，画出用二瓦特计法测量三相功率的接线图。

六、实验总结报告

1．根据实验内容2的结果，说明中线的作用，以及在星形联结时P

l

3U

U 的条件。

2．画实验内容2（2）中不对称负载星形联接有中线情况下的电流相量图（以A U为参考相量）。

3．画出实验内容3（1）不对称负载情况下的各线电流和AB相电流的相量图（以AB

U为参考量）。

实验6 单相变压器及单相异步电动机的使用

一、实验目的

1．了解变压器的构造和铭牌数据的意义。 2．学会判定变压器绕组极性的方法。 3．学习测定变压器外特性及电压调整率。 4．学习正确使用单相自耦调压器。

5．学习单相电容运转异步电动机起动和反转的操作方法。 二、实验原理

1．变压器是一种静止的电器，具有变换电压、电流和变换阻抗的作用，应用较广泛。由于应用的领域不同，变压器种类繁多，但其工作原理都是以电磁感应原理为基础的，它们的基本结构主要由铁心和线圈（又称变压器的绕组）两部分组成。通常将接到交流电源的绕组称为一次绕组（又称原绕组、初级），而将接到负载的绕组称为二次绕组（又称副绕组、次级）。变压器的一次二次绕组之间有磁耦合，当一次绕组外加交流电压后，由于电磁感应作用，使二次绕组产生交流电压，而原一次二次绕组之间在电路上没有连接，是相互隔离的。

变压器的变压比（简称变比）规定为变压器二次侧开路（即空载）时，变压器的一次绕组与二次绕组电压之比，用字母来表示

2

12O 1N N

U U k ==

式中1U 为一次侧所加的电压，2O U 为二次侧的开路电压，1N 、2N 分别为一次、二次绕组的匝数。变压比k 是变压器的一个重要参数。

当变压器一次侧接通电源，二次侧接通负载后，电路中就会产生电流，变压器成为负载

运行状态。此时变压器一次、二次电流有效值的关系为221211

I k

I N N I ==。

变压器的铭牌数据主要是额定电压、额定电流和额定容量，它指导用户安全、合理地使用。变压器的额定电压是指变压器空载时，各绕组的电压；额定电流是以其额定容量除以额定电压计算得出；额定容量又称额定视在功率，其值等于变压器额定电压与额定电流的乘积。

2．有些变压器的一次、二次绕组不止一个，当需要将它们串联或并联使用时，要特别注意绕组的正确联接，为此须判定它们的相对极性。本实验采用交流法判定绕组相对极性，如图4.6.1所示。先将两绕组任一端点（如点2与4）相联，在点1、2两端加一个比较低的便于测量的交流电压12U ，再用电压表分别测量点1与3之间的电压13U 和两绕组的电压12U 及34U ，若其有效值之间的关系为341213U U U +=，则点1与4是同极性端（或同名端）标有“＊”号；若341213-U U U =，则点1与3是同极性端。用同样的方法可判定多绕组变压器各绕组的相对极性。

3．当变压器带负载后，由于一次、二次绕组存在电阻和漏磁抗，所以其输出电压2U 将随负载电流2I 增加而下降。当电源电压1U 和负载功率因数2cos ?为常数时，

2 U 和2I 的变化关系称为变压器的外特性曲线)(22I f U =。对于电阻性

或电感性负载，其外特性如图4.6.2所示。变压器从空载到 图4.6.1测定变压器绕组的相对极性 额定负载，二次绕组电压的变化程度用电压调整率ΔU 表示

U 34

3

4

（2020

2

20100%,-ΔU ?=

U U U U 为空载时的输出电压）。

2

I N

2U U U

U 0

I

图4.6.2变压器的外特性曲线 图4.6.3变压器的空载特性曲线

4．变压器的空载实验主要是为了测量空载电流0I 和空载损耗0P 。空载电流产生磁通，空载损耗主要是铁心损耗（包括磁滞和涡流损耗）。空载特性是空载电压0U 与空载电流0I 之间的关系，如图4.6.3所示。

~A

X

a

x

V 5

低压側

图4.6.4单相自耦调压器的电路符号 图4.6.5实验原理接线图

5．本实验中，在单相变压器前接有单相自耦调压器，以保证单相变压器一次绕组所要求的电压。自耦调压器的电路符号如图4.6.4所示，A －X 端接电源，a －x 端接负载 ，X －x 为公共端，接电源的中线。当一次侧电压为220V 时，二次侧电压在0～250V 范围内连续可调，它的一次侧与二次侧之间有直接电气联系。

单相自耦调压器的接线图及额定值均己在铭牌上给出，供使用参考。接通电源前应先用验电笔测试出电源的中线，将电源的中线与X 端相接，然后将自耦调压器的调压手柄逆时针旋到零位，以保证输出电压为零，接通电源后，再根据要求进行调压，使用完毕，应先将调压手柄逆时针旋到零，再断开电源。

本实验的原理接线图如图4.6.5所示。

6．单相异步电动机采用单相交流电源，其输出功率较小（1KW 以下），主要应用于电动工具，家用电器、医用器械和自动化仪表等设备中。

本实验采用在家用电器中广泛应用的单相电容运转异步电动机，其定子绕组为单相绕组，转子为笼型绕组。当定子绕组通入单相交流电后 ，在定子内会产生一个脉动磁场，其大小随时间按正弦规律变化，而空间位置沿定子绕组轴线方向不变。可以分析此时转子受到的转矩为零，电动机不能自行起动。

单相电容运转异步电动机采用分相法起动，使转子在起动时产生起动转矩，从而使电动机自行起动。这种电动机定子上装有两组绕组，一组为工作绕组W ，另一组为起动绕组S ，它们在空间位置相差90o ，起动绕组串接电容C 后与工作绕组并联接入电源，如图4.6.6所示。

在同一单相电源作用下，如果电容量选择适当，可使工作绕组和起动绕组的电流相位差接近90o ，这样就能产生旋转磁场，笼型转子在旋转磁场作用下产生电磁转矩而使电机旋转。电动机的旋转方向由旋转磁场的旋转方向决定。

C

图4.6.6单相电容运转异步电动机原理示意图

本实验选用单相电容运转异步电动机，手动控制模拟洗衣机的洗涤过程，即实现电动机的正转—停—反转－停的运转功能。 三、实验仪器和设备

单相变压器（500V A ，110／220V ，4.55/2.77A ）、单相自耦调压器（1kV A ，220／0～250V ）、交流电压表（0～300V ）、交流电流表（0～2.5~5A 及0~2.5~1A 各1）、低功率因数功率表（0～2.5~5A ，0~150~300V 0.2cos =?）、负载灯板（配220V ，100V 白炽灯泡5个）、验电笔、电流插座、插头、单相电容运转电动机、电容器、常开按钮（2个）、单刀钮子开关。 四、实验内容和步骤

1．判定一次、二次绕组的相对极性

按图4.6.5接线，使单相变压器二次侧（高压侧）开路（即断开开关S 1～S 5），将自耦调压器输出端a 、b 调 到30V ，即使单相变压器的一次绕组电压U 1＝30V 。按实验原理2中介绍的交流法，判定一次、二次绕组的相对极性。

注意：使用自耦调压器时，按实验原理5介绍的方法，一次侧、二次侧不能接错，并应先将输出电压调到零；升压时须用电表监测输出电压，手柄指示的刻度盘电压仅作参考。 2．测变压器的变比

图4.6.5中，单相变压器二次侧开路，将自耦调压器手柄先转动到使其输出电压为零的位置 ，然后调节手柄，使变压器一次侧（低压侧）电压为额定值（110V 1N =U ），测二次侧电压2U ，一次侧电流1I ，记录于自拟表格中。

注意：待接通电源后，再将电流表接入变压器器一次侧电路。 3．测定变压器的外特性

图4.6.5中，用自耦调压器维持单相变压器一次侧电压1U 始终为额定值（即1U ＝110V ），

分五次增加变压器的负载直到额定值（逐次合上开关S 1～S 5）测量121,,

I U U 和2I ，并记录于自拟表格中。

注意：每次增加负载后，须复测1U ，务必使1U 保持额定值110V ；变压器从空载到负载，须注意电流表的量程。

4．测定变压器的空载特性

图4.6.5中，将变压器二次侧（高压侧）开路，调节自耦调压器使其为1.2倍的变压器一次侧（低压侧）额定电压，即110V)(1.21N 1N =U U 。从1N 1.2U 开始至0.21U ，分七次至九次分别测量相应的空载电压1U （即o U ），空载电流O I 和当电源电压为110V 时的空载损耗P o ，记录于自拟表格中。（变压器空载时功率因数为0.2左右，所以测功率时用低功率因数功率表较好）。

5．单相异步电动机的使用

图4.6.7中，AX 、BY 为电动机相同的两个绕组，电容C 为4μF ，SB 1、SB 2为两个常开按钮，S 为单刀钮子开关。

（1）观察不接电容时电动机的起动情况。断开开关S ，合上电源开关Q ，并按动开关SB 1，观察不接电容时，电动机的起动情况，若此时用手拔一下电动机的转轴，观察起动情况。

（2）单相电容运转异步电动机的起动及正、反转，模拟洗衣机的洗涤过程。

合上开关S ，按下按钮SB 1，观察电动机的起动及转动方向，当手松开时，电动机停转，按下SB 2电动机转向改变，当手松开时，电动机停转，记录实验结果。 五、预习要求

1．根据实验内容2、3、4的要求，自拟数据表格，并选择仪表的量程范围。

2．变压器负载运行时，当二次侧电流2

I 增大，一次侧电流1I 为什么随着增大？ 3．若自耦调压器的一次侧、二次侧接错，将出现什么事故？自耦调压器用完后为什么应将手柄调到零位？

图4.6.7 单相异步电动机实验电路 六、实验总结报告

1．根据测量数据计算变压器空载时的电压比和满载时的电流比，并与理论值对比。

2．根据测量数据，在坐标纸上绘出变压器在电阻性负载时的外特性曲线，计算变压器的电压调整率。

3．根据测量数据，在坐标纸上绘出变压器的空载特性，并简单讨论基本变化趋势是否与理论相符。

4．为什么单相电容运转异步电动机能实现转向的改变？

实验7 三相异步电动机的继电接触器控制

一、实验目的

1．了解交流接触器、热继电器、时间继电器、行程开关和按钮的结构及其在控制电路中的应用。

2．学习异步电动机基本控制电路的联接。

3．学习用万用表检查控制电路的方法，初步培养分析和排除故障的能力。 4．学习根据生产机械的工艺要求，设计主电路和和控制电路。 二、实验原理及设计要求

继电接触器控制大量应用于对电动机的起动、停转、正反转、调速、制动等控制，从而使生产机械按既定的要求动作；同时也能对电动机和生产机械进行保护。

交流接触器有一个铁心线圈吸引衔铁动作，还有三个主触点和若干辅助触点。主触点接在主电路中，对电动机起接通或断开电源的作用，线圈和辅助触点接在控制电路中，可按自

2

~零线

FU

锁或联锁的要求来联接，亦可起接通或断开控制电路某分支的作用。接触器还可起欠压保护作用。选用接触器时，应注意它的额定电流、线圈电压及触点数量。

热继电器主要由发热元件、感受元件和触点组成。发热元件接在主电路中，触点接在控制电路中。当电动机长期过载时，主电路中的发热元件通过感受元件使接在控制电路中的动断（常闭）触点断开，因而接触器线圈断电，使电动机主电路断开，起到过载保护作用。选用热继电器时，应使其整定电流与电动机的额定电流基本一致。

在自动控制系统中，有时需按时间控制原则换接电路，采用时间继电器可以达到上述要求。时间继电器种类很多，按其基本功能有通电延时和断电延时两类，它们的延时时间可按要求事先整定。本实验选用通电延时的晶体管式时间继电器，它有一个延时断开的动断（常闭）触点，一个延时闭合动合（常开）触点，这种时间继电器延时范围大。

在生产中有时需要控制生产机械的行程和位置，采用装有限位开关的控制电路可解决此类问题。限位开关又称行程开关，一般具有一对动合（常开）触点和一对动断（常闭）触点。其操作机构有直杆式、单臂滚轮式、双臂滚轮式等，它是由装在运动部件上的档块来撞动的，具有瞬时换接触点，大部分品种具有自动复位的特点。

控制电路原理图中所有电器的触点都处于静态位置，即电器没有任何动作的位置。例如：对于继电器接触器，是指其线圈没有电流时的位置；按钮是指没有受到压力时的位置 。 1．三相异步电动机直接起动和正反转控制的原理，图4.7.1是异步电动机直接起动的控制电路。先接通电源开关Q 1，为电动机起动作好准备，当接通控制电路电源的开关Q 2，并按下起动按钮SB ST 时，交流接触器线圈KM 通电，其主触点闭合，使电动机M 起动。KM 动合（常开）辅助触点起自锁作用，以保证松开按钮SB ST 时，电动机仍能继续运转。若需电动机停转，可按停止按钮SB STP 。图中熔断器FU 1和FU 2起短路保护作用，热继电器KH 起过载保护作用。

图4.7.2是异步电动机正反转控制电路，其中KM F 和KM R 分别是用作正反转控制的两个交流接触器。为防止接触器同时工作，而使电源通过它们的主触点发生短路，所以在控制电路中，正转接触器KM F 的一个动断（常闭）辅助触点串接在反转接触器KM R 的线圈电路中；反转触器KM R 的一个动断（常闭）辅助触点串接在正转接触器KM F 的线圈电路中，这两个动断（常闭）辅助触点起联锁作用。在图4.7.2中，如果在正转过程中要求反转，必须先按停止按钮SB STP ，使联锁触点KM F 闭合后，按反转起动按

钮SB STR ，电动机才能反转。 图4.7.1异步电动机直接起动的控制电路

V

380~

V

220~

V

380~KM R

KM V

220

~R

图4.7.2异步电动机正反转控制电路 2．故障分析方法

（1）在图4.7.1中，接通电源以后，按起动按钮SB ST ，若接触器动作，而电动机不转，说明主电路中有故障；如果电动机伴有嗡嗡声，则有可能有一相电源断开。检查主电路的保险丝，主触点KM 是否良好，热继电器KH 是否正常，联接导线有无断开等。

（2）接通电源后，按SB ST 若接触器不动作，说明控制电路有故障。检查控制电路的保

险丝，热继电器复位按钮是否正常，停止按钮SB STP 接触是否良好，线圈及导线是否断线等。

3．三相异步电动机时间控制与行程控制的设计要求：

本实验要求根据下述生产机械的要求，设计主电路和控制电路，并通过实验验证所设计的电路是否满足控制要求。

某工作台工作时要求：

（1）用按钮操作使用工作台前进（电动机正转）。

（2）当前进到预定位置时，由行程开关ST 1（见图4.7.3工作台动作示意图）控制停车，经延时后，工作台自动后退（电动机反转），当后退至预定位置时，工作台又自动前进。用按钮操作使工作台停止运动。

1

ST 2

ST

图4.7.3工作台动作示意图

（3）工作台前进和后退要求有电气联锁，防止发生电源短路。 （4）有过载和短路保护。

（5）可以用按钮操作，直接使用工作台后退。

4．设计简单控制电路的方法和步骤如下：

（1）弄清控制要求、动作顺序及保护要求，确定必要的电器元件。

（2）根据控制要求及动作顺序逐步画出主电路和控制电路原理图，力求简单、可靠。

（3）要电路图中加上必要的保护环节。

（4）根据所用电源电压及控制对象的负荷大小，选择电气元件的线圈额定电压及触点的额定工作电流，确定电器型号。（由于本实验己给定电器元件，所以不能自行选择）。

三、实验仪器和设备

三相异步电动机、交流接触器（2个，线圈电压220V）、热继电器、行程开关、交流时间继电器、按钮3个、万用表。

四、实验内容和步骤

1．三相异步电动机的直接起动和正反转控制

（1）在实验桌上找到交流接触器、热继电器和按钮等控制电器，了解其结构及动作原理。

（2）在断开电源的情况下，用万用表判断上述各种电器的动合（常开）、动断（常闭）触点和线圈等对应的接线柱，并将线圈的电阻值记入表4.7.1。检查接触器的动合（常开）和动断（常闭）触点时，可用手将其动铁心反复按下和松开，若触点接触器良好，则无接触电阻。

表4.7.1

（3）异步电动机直接起动的控制

按图4.7.1接线，接好线后，可进行下列试验：

①检查控制电路，在电源开关Q1、Q2断开的情况下按下起动按钮SB ST，用万用表电阻档测量控制电路两端的电阻值，若测得的阻值接近接触器线圈阻值时，则说明控制电路无短路或断路，可以准备通电（注意：切勿带电检查）。

②检查主电路接线无误后，接通电源开关Q1、Q2，按下起动按钮SB ST，观察电动机起动情况，若正常，可按停止按钮SB STP，并断开Q1、Q2，电动机停转。

（4）异步电动机的正反转控制

①按图4.7.2接线，参考实验内容（3）①介绍的方法检查控制电路。

②检查主电路接线无误后，接通电源开关Q1和Q2，按下起动按钮SB STF，观察电动机转动情况，若正常，可按下停止按钮SB STP，观察电动机转向；再按下SB STR，电动机应该改换转向，若正常，按SB STP并断开电源开关Q1和Q2。

2．三相异步电动机的顺序起动控制

①在实验桌上找到时间继电器和行程开关，了解其结构和工作原理，在断开电源的情况下，用万用表判断它们线圈和触点对应接线柱的位置，记录所测线圈的电阻值，并检查其工作情况是否正常。

② 两台电动机顺序起动的控制电路按图4.7.4接线。参照实验内容（3）①介绍的方法检查控制电路。（此时测得的电阻值为KM 1和KT 两个线圈并联后的阻值）然后合上Q 2，观察控制电路接触器、结电器动作情况，若控制电路动作正常，主电路接线正确，则可接通电源开关Q 1，观察一台电动机先起动，同时时间继电器线圈通电，延时一段时间后，时间继电器动作，另一台电动机随之起动。

V

380~1

KM 2

KM

V

220~2

KM

图4.7.4两台电动机顺序起动的控制电路

3．根据预习要求自行设计的主电路和控制电路接线和操作。 注意：接线必须经指导教师认可后，才能接线。 五、预习要求

1．读懂异步电动机直接起动和正反转控制电路的工作原理，说明哪些辅助触点起自锁或联锁作用。

2．如何用万用表判断交流接触器的线圈、动合（常开）触点及动断（常闭）触点？ 3．交流接触器线圈的额定电压为220V ，若将两个接触器的线圈串联后接到交流220V 电源上，会产生什么后果，为什么？

4．读懂两台电动机顺序起动控制电路的工作原理。

5．根据实验原理和设计要求3、4中生产机械的要求和控制电路的设计方法，自行设计主电路和控制电路。 六、实验总结报告

1．通过实验，总结用万用表检查控制电路的方法。

2．画出经实验验证后的图4.7.4工作台运动的主电路和控制电路。 3．实验过程中有无出现故障？是什么性质的故障？你是如何检查和排除的?