三相負(fù)載聯(lián)接實(shí)驗(yàn)儀的研究與設(shè)計(jì)

王東起

（中國(guó)石油大學(xué) 勝利學(xué)院，山東 東營(yíng) 257000）

目前許多理工科高校開(kāi)設(shè)的《電工學(xué)》課程里有一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，即三相負(fù)載聯(lián)接的研究實(shí)驗(yàn)，主要內(nèi)容是研究負(fù)載的在星型聯(lián)接和三角型聯(lián)接時(shí)，各參量之間的關(guān)系，即相電壓和線電壓之間的關(guān)系以及相電流和線電流之間的關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)還能驗(yàn)證中線在供電系統(tǒng)中的作用。

三相負(fù)載聯(lián)接實(shí)驗(yàn)儀是完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)所必需的一套儀器設(shè)備。傳統(tǒng)的三相負(fù)載聯(lián)接實(shí)驗(yàn)儀所用的電源，有的直接采用380 V動(dòng)力電，有的采用自耦變壓器降壓，這兩種供電方法都存在弊端。如果采用380 V的電源作為試驗(yàn)儀的電源，線電壓比較高，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中做三相負(fù)載不對(duì)稱中線斷實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于沒(méi)有中線，負(fù)載相對(duì)較輕的那一相的相電壓就會(huì)升高，甚至超過(guò)電器的額定電壓，這樣極易使實(shí)驗(yàn)所用負(fù)載遭到過(guò)壓而損壞；采用的是自耦變壓器降壓，雖然負(fù)載的相電壓降下來(lái)了，但是這種變壓器屬于無(wú)電氣隔離變壓器，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)人員很容易觸電，發(fā)生人身傷亡的事故。針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺點(diǎn)，本課題所設(shè)計(jì)出一種基于三相降壓變壓器的三相負(fù)載聯(lián)接實(shí)驗(yàn)儀，很好的解決了上述問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)儀各項(xiàng)參數(shù)、指標(biāo)完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。

1 三相心式變壓器的設(shè)計(jì)

本課題研制的三相負(fù)載聯(lián)接實(shí)驗(yàn)儀擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀所不具有的優(yōu)勢(shì)。它采用了具有電氣隔離作用的三相心式變壓器，能夠有效地避免自耦變壓器初、次級(jí)沒(méi)有電氣隔離引發(fā)的觸電危險(xiǎn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)變壓器次級(jí)輸出電壓，能夠避免在中線斷開(kāi)、負(fù)載不對(duì)稱時(shí)某一相電壓升高而損壞負(fù)載設(shè)備的情況發(fā)生。

傳統(tǒng)的三相負(fù)載聯(lián)接實(shí)驗(yàn)儀很多采用自耦變壓器進(jìn)行降壓。自耦變壓器的初、次級(jí)只有一個(gè)繞組，是一種無(wú)電氣隔離的變壓器，當(dāng)作為降壓變壓器使用時(shí)，二次繞組是從一次繞組中選取的，這樣初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間是沒(méi)有電氣隔離的，輸出電壓和輸入電壓的對(duì)地電壓一樣高。采用這種變壓器做實(shí)驗(yàn)，一旦操作人員不小心碰到實(shí)驗(yàn)儀器的金屬部分，容易發(fā)生觸電事故，造成人身傷亡。

制作電源的變壓器種類(lèi)很多，經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比和實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀采用三相心式變壓器。這種變壓器繞組是套在鐵芯柱上，各相的磁通都經(jīng)過(guò)中間的鐵心，如果三相負(fù)載對(duì)稱，則三相磁通的幅值相等，各相相位差是120°。由于三相心式變壓器它的體積小，成本低，效率高，因此在電力系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛[1]。

采用心式變壓器，由于初、次級(jí)具有電氣隔離的特點(diǎn)，因此能夠有效地避免因漏電引發(fā)的觸電危險(xiǎn)；副邊采用三相220 V供電，由于電壓低，因此能夠避免過(guò)電壓使負(fù)載遭受損壞的現(xiàn)象發(fā)生。

本實(shí)驗(yàn)儀三相變壓器設(shè)計(jì)功率為500 VA，用來(lái)帶動(dòng)9個(gè)40 W的白熾燈，原、副邊線電壓比K設(shè)計(jì)成380/220V，并且采用Y/Y0-12連接，副邊線電壓為220 V/127 V供電[2]。

2 三相負(fù)載聯(lián)接實(shí)驗(yàn)儀設(shè)計(jì)

通過(guò)廣泛研究現(xiàn)有資料，并結(jié)合實(shí)際，設(shè)計(jì)出 “三相負(fù)載的聯(lián)接實(shí)驗(yàn)儀”，具體原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 三相負(fù)載試驗(yàn)儀原理圖Fig.1 The principle diagram of the Three-phase Load connection experimental instrument

實(shí)驗(yàn)儀負(fù)載連接方式的轉(zhuǎn)換，實(shí)際上是通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)SA能夠很容易的使負(fù)載在星形聯(lián)接與三角形聯(lián)接之間切換，實(shí)驗(yàn)過(guò)程非常安全和簡(jiǎn)便。

該實(shí)驗(yàn)儀的工作原理成如下。380 V三相電源通過(guò)空氣斷路器QF接到三相心式變壓器T，將380 V電壓降為220 V。負(fù)載的三角形---星形轉(zhuǎn)換是用開(kāi)關(guān)SA實(shí)現(xiàn)的。開(kāi)關(guān)撥到“△”位置，負(fù)載是三角形接法，開(kāi)關(guān)撥到“Y”位置，負(fù)載是星形接法。三相負(fù)載聯(lián)接實(shí)驗(yàn)儀的負(fù)載采用常見(jiàn)的220 V白熾燈，一共9盞，SW1-SW9是控制負(fù)載接入和斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)K用來(lái)接通和斷開(kāi)中線。Ia，Ib，Ic是3個(gè)電流插孔，用來(lái)測(cè)量三相負(fù)載的相電流，Iab，Ibc，Ica是用來(lái)測(cè)量三相電源的線電流，In用來(lái)測(cè)量中線電流。

圖2是實(shí)驗(yàn)儀面板布局設(shè)計(jì)。

圖2中，面板左下角是三相電進(jìn)線開(kāi)關(guān)，采用小型三相空氣開(kāi)關(guān)，型號(hào)為DZ20，380V/30A；面板下部中間位置是組合開(kāi)關(guān)，用于星形-三角形負(fù)載轉(zhuǎn)換，開(kāi)關(guān)型號(hào)為HZ5-20/4M07，20A/4KW；右下角為三相心式變壓器；面板左上角L1-L9是負(fù)載燈泡，我們所選用的是白熾燈，220V/40W共計(jì)9盞；SW1-SW9是負(fù)載控制開(kāi)關(guān)，采用普通開(kāi)關(guān)，規(guī)格220V/1A，一共9個(gè)。Iab、Ibc、Ica是3個(gè)電流插孔，分別用于測(cè)量AB、BC、CA 三相的線電流，In 為中線電流測(cè)試插孔；Ia、Ib、Ic三個(gè)電流插孔是測(cè)量A、B、C三相的相電流的。電流插孔全部采用6.35mm的音頻插座，配合相應(yīng)的插頭，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)串入電流表的作用。VaVn、VbVn、VcVn為電壓插孔。分別測(cè)Uan、Ubn、Ucn 三相的相電壓，VaVb、VbVc、VcVa 分別用于測(cè) Uab、Ubc、Uca三相的線電壓。

本三相負(fù)載聯(lián)接實(shí)驗(yàn)儀由于采用了220V隔離電源，從而保證了不對(duì)稱三相負(fù)載作星形聯(lián)接和三角形聯(lián)接時(shí)實(shí)驗(yàn)器材的安全。

圖2 三線負(fù)載聯(lián)接實(shí)驗(yàn)儀布置圖Fig.2 Arrangement diagram of the Three-phase Load connection experimental instrument

供電系統(tǒng)中不對(duì)稱三相負(fù)載作星形聯(lián)接時(shí)，必須采用三相四線制即“Y0”接法，要求中性線必須可靠聯(lián)接，只有這樣才能保證三相不對(duì)稱負(fù)載的各相電壓等于電源的相電壓。如果中線接觸不良或者是開(kāi)路，會(huì)導(dǎo)致三相負(fù)載電壓的不對(duì)稱，負(fù)載輕的那一相的相電壓升高，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致負(fù)載因過(guò)壓而燒毀，負(fù)載比較重的那一相電壓很有可能比較低，達(dá)不到負(fù)載的額定電壓，致使設(shè)備不能正常工作[3]。

我們計(jì)算一下，在非對(duì)稱的情況下，如果去掉中線，實(shí)驗(yàn)儀采用傳統(tǒng)的380 V/220 V供電時(shí)的負(fù)載上的電壓。

用220 V/40 W的白熾燈作為模擬負(fù)載，將負(fù)載設(shè)成不對(duì)稱，假設(shè)各相負(fù)載功率之比為3:2:1，在實(shí)驗(yàn)儀的面板上將開(kāi)關(guān) SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW7 閉合，其余開(kāi)關(guān)斷開(kāi)[4]。

組合開(kāi)關(guān)打到Y(jié)時(shí)，負(fù)載連接方式為星形連接。此時(shí)等效電路圖如圖3所示。

圖3 負(fù)載星形連接等效電路圖Fig.3 The equivalent circuit of Star connected load

設(shè)U˙A=220∠0°V，

由公式

代入數(shù)據(jù)，解之得：

得

U˙AN′=168∠10.88°V

U˙BN′=229.01∠-43.90°V

U˙CN′=276.80∠-53.40°V

由上式可知，在輸出電壓為380 V/220 V供電的前提下，B、C兩相電壓都高于白熾燈的額定電壓，這樣在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，容易把白熾燈燒壞[5]，

采用本課題所設(shè)計(jì)的三相變壓器，輸出電壓為220 V/127 V，負(fù)載情況和上面一樣，還是采用220V/40W白熾燈，將開(kāi)關(guān) SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW7 閉合， 使負(fù)載不對(duì)稱，斷開(kāi)K，取消中線。由公式（1）和（2）計(jì)算出三相負(fù)載的相電壓分別為：

U˙AN′=97.01∠10.88°V

U˙BN′=132.22∠-43.90°V

U˙CN′=159.81∠-53.40°V

由以上數(shù)據(jù)可以看出，各相負(fù)載上的相電壓低于白熾燈的額定電壓，負(fù)載可以安全工作。

當(dāng)組合開(kāi)關(guān)打到△時(shí)，負(fù)載的連接方式為三角形連接。此時(shí)，不論負(fù)載對(duì)稱與否，各相負(fù)載的線電壓等于相電壓，即

UP=UL=220 V

此電壓正好是負(fù)載白熾燈的額定電壓，因此不會(huì)造成過(guò)壓將白熾燈燒毀。

為了準(zhǔn)確直觀的反映測(cè)量數(shù)據(jù)，負(fù)載星形聯(lián)接和三角形聯(lián)接時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格可按下表設(shè)計(jì)，如表1和表2所示[6]。

表1 負(fù)載星形聯(lián)接的電壓電流值Tab.1 The voltage and current of the load connected in star

表2 負(fù)載三角形聯(lián)接的電壓電流值Tab.2 The voltage and current of the load connected in Triangle

3 結(jié) 論

本課題所研制的三相負(fù)載聯(lián)接實(shí)驗(yàn)儀具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，它采用三相心式變壓器，能夠有效地避免采用自耦變壓器造成實(shí)驗(yàn)人員發(fā)生觸電的危險(xiǎn)；由于合理的設(shè)置電源電壓，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，即使三相負(fù)載不平衡，中線斷開(kāi)，也能使負(fù)載上的電壓不會(huì)超過(guò)用電器的額定電壓。本實(shí)驗(yàn)裝置能夠在確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備安全前提下，模擬各種負(fù)載環(huán)境的工作情況，具有較高的安全系數(shù)和豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。改進(jìn)的三相負(fù)載聯(lián)接實(shí)驗(yàn)儀在高校電工實(shí)驗(yàn)中擁有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]羊孝清，宋瑞田，聶東山.電工學(xué)教程[M].?？冢耗虾３霭嫔?，1995.

[2]秦曾煌.電工學(xué)簡(jiǎn)明教程[M].2版.北京:高等教育出版社，2007.

[3]鄒玲，姚齊國(guó).電路理論[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2006.

[4]成謝鋒主編.電工技術(shù)[M].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2004.

[5]楊淑敏.電路基礎(chǔ) 常見(jiàn)題型解析及模擬題[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[6]王九山.電工學(xué)[M].北京:高等教育出版社，1992.