三相电原理与接法详解：与单相电的区别及功率测量方法
三相电原理与接法详解：与单相电的区别及功率测量方法
三相电是工业和商业领域中常见的供电方式，与单相电相比，它具有更高的效率和更好的性能。本文将详细介绍三相电的原理、接法以及功率测量方法，帮助读者更好地理解这一重要的电气工程概念。
三相电与单相电的基本概念
- 单相电：一根火线一根零线，是单相220伏。家用照明电大多采用此种输入接线方式。
- 单相380伏：两根火线，是单相380伏。BX系列焊机，电阻系列焊机以及现在的逆变直流双电源焊机，大多采用此种输入接线方式。
- 三相电：三根火线，是三相380伏。电动机以及大多数380V用电器，大多采用此种接线方式。
三相电由频率相同、幅度类似的三个AC电压组成。每个ac电压“相位”与另一个ac电压相隔120°（图1）。这可以通过图形方式，使用波形和矢量图（图2）进行表示。
图1. 三相电压波形
图2. 三相电压矢量
使用三相系统的原因有两个：
- 可以使用三个矢量间隔的电压，在马达中产生旋转磁场。从而可以在不需要额外绕组的情况下启动马达。
- 三相系统可以连接到负载上，要求的铜缆连接数量（传输损耗）是其它方式的一半。
三相电的接法
Y形接法或星形接法
在三相120°系统中，要求3根线传送功率，而在其它方式下则要求6根线。要求的铜缆数量减少了一半，导线传输损耗也将减半。拥有公共连接的三相系统通常如（图5）的示意图所示，称为“Y形或星形”接法。公共点称为中性点。为安全起见，这个点通常在电源上接地。在实践中，负载并不是完美均衡的，要使用第四条“中性”线传送得到的电流。如果本地法规和标准允许，中性导体可能会比三条主导体小得多。
图5. Y形接法或星形接法 - 三相四线
三角形接法
上面讨论的三个单相电源也可以串联起来。在任何时点上，三个120°相移电压之和都是零。如果和为零，那么两个端点都处在相同的电位，可以联接在一起。这种接法如（图7）中的示意图所示，使用希腊字母Δ表示，称为三角形接法。
三角形接法最常用的情况是为功率较高的三相工业负载供电。然而，通过沿着变压器线圈进行连接或“分接”,可以从三相三角形电源中获得不同的电压组合。例如，在美国，240V三角形系统可以有分相或中心分接线圈，提供两个120V电源（图9）。为安全起见，中心分接点可以在变压器上接地。在中心分接点和三角形接法的第三条“高脚”之间，还提供了208V电压。
图9. 三角形接法，采用“分相”或“中心分接”线圈
功率测量
在交流系统中，功率使用功率表测量。现代数字采样功率表，把多个电压和电流的瞬时样点乘在一起，计算瞬时功率，然后取一个周期中瞬时功率的平均值，表示有功功率。功率表将在广泛的波形、频率和功率因数范围上，准确测量有功功率、视在功率、无功负载、功率因数、谐波等等。为使功率分析仪提供良好的结果，必须能够正确识别布线配置，正确连接功率分析仪。
单相功率表连接
只要求一个功率表，如（图10）所示。系统与功率表电压端子和电流端子的连接简单明了。功率表的电压端子透过负载并连，电流通过与负载串联的电流端子输入。
单相三相连接
在这个系统中，如图11所示，从一个中心分接的变压器线圈中产生电压，所有电压都同相。这在北美住宅应用中十分常见，其中提供了一个240 V电源和两个120V电源，在每条腿线上可能有不同的负载。为测量总功率和其它数量，应如（图11）所示连接两个功率表。
布朗德尔定理：要求的功率表数量
- 在单相系统中，只有两根线。功率使用一个功率表测量。
- 在三线系统中，要求两个功率表，如（图12）所示。
- 一般来说，要求的功率表数量 = 线数-1
三相三线接法
在有三根线时，要求两个功率表测量总功率。根据图所示方法连接两相到功率表的电压端子。
尽管测量三线系统中的总功率只要求两个功率表，但有时可以方便地使用三个功率表。在如图所示的接法中，通过把所有三个功率表的电压低端子连接在一起，创建一个假中性线。
三相四线接法
测量四线系统中的总功率要求三个功率表。测得的电压是真实的相电压。通过使用矢量数学运算，可以从相电压的幅度和相位中准确地计算出相间电压。现代电源分析仪也使用基尔霍尔定律，计算流过中线的电流。
配置测量设备
在线数一定（N）时，要求N-1个功率表测量整体电能质量，如功率。必须确保拥有足够数量的通道，且正确连接。
现代多通道功率分析仪将使用相应的内置公式，直接计算整体电能质量，如瓦特、伏特、安培、伏安和功率因数。公式根据布线配置选择，因此设置布线对获得良好的总功率测量至关重要。拥有矢量功能的功率分析仪还将把相电压（或Y形）分量转换成线电压（或三角形）分量。只能使用因数√3,实现系统间转换，或对均衡线性系统上只有一个功率表的测量定标。
了解布线配置、正确进行连接对功率测量至关重要。熟悉常用的布线系统，记住布朗德尔定理，将帮助您获得相应的连接以及可以依赖的结果。