5．1．1 三相交流电的产生
1．三相交流电路的定义
电能是现代化生产、管理及生活的主要能源，电能的生产、传输、分配和使用等许多环节构成一个完整的系统，这个系统叫做电力系统。电力系统目前普遍采用三相交流电源供电，由三相交流电源供电的电路称为三相交流电路。所谓三相交流电路是指由三个频率相同、最大值（或有效值）相等、在相位上互差120°电角的单相交流电动势组成的电路，这三个电动势称为三相对称电动势。
2．三相交流电的特点
三相交流电与单相交流电相比具有如下优点：
（1）三相交流发电机比功率相同的单相交流发电机体积小、重量轻、成本低；
（2）电能输送，当输送功率相等、电压相同、输电距离一样，线路损耗也相同时，用三相制输电比单相制输电可大大节省输电线有色金属的消耗量，即输电成本较低，三相输电的用铜量仅为单相输电用铜量的75%；
（3）目前获得广泛应用的三相异步电动机，是以三相交流电作为电源，它与单相电动机或其它电动机相比，具有结构简单、价格低廉、性能良好和使用维护方便等优点。
因此在现代电力系统中，三相交流电路获得广泛应用。
3．三相交流电的产生
三相交流电的产生就是指三相交流电动势的产生。三相交流电动势由三相交流发电机产生，它是在单相交流发电机的基础上发展而来的，如图5.1所示，在发电机定子（固定不动的部分）上嵌放了三相结构完全相同的线圈U1U2、V1V2、W1W2（通称绕组），这三相绕组在空间位置上各相差120°电角度，分别称为U相、V相和W相。U1、V1、W1三端称为首端，U2、V2、W2则称为末端。工厂或企业配电站或厂房内的三相电源线（用裸铜排时）一般用黄、绿、红分别代表U、V、W三相。
磁极放在转子上，一般均由直流电通过励磁绕组产生一个很强的恒定磁场。当转子由原动机拖动作匀速转动时，三相定子绕组即切割转子磁场而感应出三相交流电动势。由于三相绕组在空间各相差120°电角度，因此三相绕组中感应出的三个交流电动势在时间上也相差三分之一周期（也就是120°角）。这三个电动势的三角函数表达式为
（5．1）
三相交流电动势在任一瞬间其三个电动势的代数和为零。我们用上面的三个式子也可以证明出这一结论。即
（5．2）
在图5-2（b）中还可看出三相正弦交流电动势的相量和也等于零，即
（5．3）
我们把它们称做三相对称电动势，规定每相电动势的正方向是从线圈的末端指向首端(或由低电位指向高电位)。
5．1．2三相电源与负载的连接
我们知道，三相交流发电机实际有三个绕组，六个接线端，如果这三相电源分别用输电线向负载供电，则需六根输电线（每相用两根输电线），这样很不经济，我们目前采用的是将这三相交流电按照一定的方式，连接成一个整体向外送电的。连接的方法通常为星形和三角形。
电力系统的负载，从它们的使用方法来看，可以分成两类。一类是象电灯这样有两根出线的，叫做单相负载，电风扇、收音机、电烙铁、单相电动机等都是单相负载。另一类是象三相电动机的这样的有三个接线端的负载，叫做三相负载。
在三相负载中，如每相负载的电阻均相等，电抗也相等（且均为容抗或均为感抗），则称为三相对称负载。如果各相负载不同，就是不对称的三相负载，如三相照明电路中的负载。
任何电气设备都设计在某一规定的电压下使用（称额定电压），若加在电气设备上的电压高于此额定电压，则设备的使用寿命就会降低；若低于额定电压，则不能正常工作。因此，使用任何电气设备时都要注意负载本身的额定电压与电源电压一致。负载也和电源一样可以采用两种不同的连接方法，即星形联结和三角形联结。
1．三相电源的星形联结（Y接）
（1）基本概念
1）星形联结：将电源的三相绕组末端U2、V2、W2连在一起，首端U1、V1、W1分别与负载相连，这种方式就叫做星形联结。
2）中点、中性线、相线：三相绕组末端相连的一点称中点或零点，一般用“N”表示。从中点引出的线叫中性线（简称中线），由于中线一般与大地相连，通常又称为地线（或零线）。从首端U1、V1、W1引出的三根导线称相线（或端线）。由于它与大地之间有一定的电位差，一般通称火线。
3）输电方式：由三根火线和一根地线所组成的输电方式称三相四线制（通常在低压配电系统中采用）。只由三根火线所组成的输电方式称三相三线制（在高压输电时采用较多）。
（2）三相电源星形联结时的电压关系
三相绕组联结成星形时，可以得到两种电压：
-
相电压
即每个绕组的首端与末端之间的电压。相电压的有效值用
表示； -
线电压
即各绕组首端与首端之间的电压，即任意两根相线之间的电压叫做线电压，其有效值分别用
表示。
相电压与线电压的参考方向是这样规定的：相电压的正方向是由首端指向中点N，例如电压
是由首端U1指向中点N；线电压的方向，如电压
是由首端U1指向首端V1。如图5.3所示。
（3）线电压UL与相电压UP的关系 根据以上定义，可以画出三相电源Y形联结时的电压相量图，如图5．4所示。三个相电压大小相等，在空间各相差120°电角度。由于U相绕组的末端U2并不是和V相绕组的首端V1相连，而是和V相绕组的末端V2相连，故两端线U和V之间的线电压应该是两个相应的相电压之差，即
(5．4)
线电压大小利用几何关系可求得为：
同理可得：
所以我们可得出结论：三相电路中线电压的大小是相电压的
倍，其公式为
因此平常讲的电源电压为220V，即是指相电压（亦即火线与地线之间的电压）；讲电源电压为380V，即是指线电压（两根火线之间的电压）。由此可见：三相四线制的供电方式可以给负载提供两种电压，即线电压380V和相电压220V，因而在实际中获得了广泛的应用。
2．三相电源的三角形联结（Δ接）
（1）基本概念
三角形联结：如图5．5所示，将电源一相绕组的末端与另一相绕组的首端依次相连（接成一个三角形），再从首端U1、V1、W1分别引出端线，这种连接方式就叫三角形联结。
（2）三相电源三角形联结时的电压关系
(5．6)
所以我们知道，三相电源三角形联结时，电路中线电压的大小与相电压的大小相等，即：
(5．7)
相量图如图5．6所示，由相量图可看出，三个线电压之和为零，即：
(5．8)
同理可得，在电源的三相绕组内部三个电动势的相量和也为零，即
(5．9)
因此当电源的三相绕组采用三角形联结时在绕组内部是不会产生环路电流（环流）的。但如果不慎将某一相绕组接反（例如图5．5中的W相接反）则三个电动势之和为
由于电源内阻很小，因此在电源内部会产生很大的环流，导致电源的绕组烧毁。所以在采用三角形联结时，必须首先判断出每相绕组的首末端，再按正确的方法接线，绝对不允许接反。
3．三相负载的星形联结
（1）接线特点
三相负载星形联结电路图，它的接线原则与电源的星形联结相似，即将每相负载末端连成一点N（中性点N），首端U、V、W分别接到电源线上。
（2）电压、电流关系
为讨论问题方便，先作如下说明：
线电压
：三相负载的线电压就是电源的线电压，也就是两根相线（火线）之间的电压；
相电压
：每相负载两端的电压称作负载的相电压，在忽略输电线上的电压降时，负载的相电压就等于电源的相电压，因此
；
线电流
：流过每根相线上的电流叫线电流；
相电流
：流过每相负载的电流叫相电流；
中线电流
：流过中线的电流叫中线电流。
对于三相电路中的每一相而言，可以看成一个单相电路，所以各相电流与电压间的相位关系及数量关系都可用讨论单相电路的方法来讨论。
若三相负载对称， 则在三相对称电压的作用下，流过三相对称负载中每相负载的电流应相等，即
接线方式只有三根相线，而没有中性线的电路，即三相三线制，三相四线制除供电给三相负载外，还可供电给单相负载，故凡有照明、单相电动机、电扇、各种家用电器的场合，也就是说一般低压用电场所，大多采用三相四线制。
（3）三相四线制的特点是：
当三相电路中的负载完全对称时，在任意一个瞬间，三个相电流中，总有一相电流与其余两相电流之和大小相等，方向相反，正好互相抵消。所以，流过中性线的电流等于零。从图5．9中的三相电流变化的曲线中也可清楚地看出。
因此，在三相对称电路中，当负载采用星形联结时，由于流过中性线的电流为零，取消中性线也不会影响到各相负载的正常工作，这样三相四线制就可以变成三相三线制供电，如三相异步电动机及三相电炉等负载，当采用星形联结时，电源对该类负载就不需接中性线。通常在高压输电时，由于三相负载都是对称的三相变压器，所以都采用三相三线制供电。
若三相负载不对称，则中性线电流
，中性线不能省略。因为当有中性线存在时，它能使星形联结的各相负载，即使在不对称的情况下，也均有对称的电源相电压，从而保证了各相负载能正常工作。如果中性线断开变成三相三线制供电，则将导致各相负载的相电压分配不均匀，有时会出现很大的差别，造成有的相电压超过额定相电压而使用电设备不能正常工作。故三相四线制供电时中性线决不允许断开。因此在中性线上不能安装开关、熔断器，而且中性线本身强度要好，接头处应连接牢固。
另外，接在三相四线制电网上的单相负载，例如照明电路、单相电动机、小型电热设备、各种家用电器、电焊机等，在设计安装供电线路时也尽量做到把各单相负载均匀地分配给三相电源，以保证供电电压的对称和减少流过中性线的电流。
4．三相负载的三角形联结
（1）接线特点
将三相负载分别接在三相电源的每两根相线之间的接法，称为三相负载的三角形联结。
（2）电压、电流关系
对于三角形联结的每相负载来说，也是单相交流电路，所以各相电流、电压和阻抗三者的关系仍与单相电路相同。由于三角形联结的各相负载是接在两根相线之间，因此负载的相电压就是线电压。
假设三相电源及负载均对称，则三相电流大小均相等，为
通过几何关系不难证明
。即当三相对称负载采用三角形联结时，线
