三相负载联接实验仪的研究与设计

王东起

（中国石油大学 胜利学院，山东 东营 257000）

目前许多理工科高校开设的《电工学》课程里有一个重要的实验项目，即三相负载联接的研究实验，主要内容是研究负载的在星型联接和三角型联接时，各参量之间的关系，即相电压和线电压之间的关系以及相电流和线电流之间的关系，通过实验还能验证中线在供电系统中的作用。

三相负载联接实验仪是完成这个实验所必需的一套仪器设备。传统的三相负载联接实验仪所用的电源，有的直接采用380 V动力电，有的采用自耦变压器降压，这两种供电方法都存在弊端。如果采用380 V的电源作为试验仪的电源，线电压比较高，学生在实验过程中做三相负载不对称中线断实验时，由于没有中线，负载相对较轻的那一相的相电压就会升高，甚至超过电器的额定电压，这样极易使实验所用负载遭到过压而损坏；采用的是自耦变压器降压，虽然负载的相电压降下来了，但是这种变压器属于无电气隔离变压器，在实验过程中，实验人员很容易触电，发生人身伤亡的事故。针对上述实验设备的缺点，本课题所设计出一种基于三相降压变压器的三相负载联接实验仪，很好的解决了上述问题，实验仪各项参数、指标完全满足实验要求。

1 三相心式变压器的设计

本课题研制的三相负载联接实验仪拥有传统实验仪所不具有的优势。它采用了具有电气隔离作用的三相心式变压器，能够有效地避免自耦变压器初、次级没有电气隔离引发的触电危险，通过合理设计变压器次级输出电压，能够避免在中线断开、负载不对称时某一相电压升高而损坏负载设备的情况发生。

传统的三相负载联接实验仪很多采用自耦变压器进行降压。自耦变压器的初、次级只有一个绕组，是一种无电气隔离的变压器，当作为降压变压器使用时，二次绕组是从一次绕组中选取的，这样初级绕组和次级绕组之间是没有电气隔离的，输出电压和输入电压的对地电压一样高。采用这种变压器做实验，一旦操作人员不小心碰到实验仪器的金属部分，容易发生触电事故，造成人身伤亡。

制作电源的变压器种类很多，经过反复对比和实验，改进后的实验仪采用三相心式变压器。这种变压器绕组是套在铁芯柱上，各相的磁通都经过中间的铁心，如果三相负载对称，则三相磁通的幅值相等，各相相位差是120°。由于三相心式变压器它的体积小，成本低，效率高，因此在电力系统应用十分广泛[1]。

采用心式变压器，由于初、次级具有电气隔离的特点，因此能够有效地避免因漏电引发的触电危险；副边采用三相220 V供电，由于电压低，因此能够避免过电压使负载遭受损坏的现象发生。

本实验仪三相变压器设计功率为500 VA，用来带动9个40 W的白炽灯，原、副边线电压比K设计成380/220V，并且采用Y/Y0-12连接，副边线电压为220 V/127 V供电[2]。

2 三相负载联接实验仪设计

通过广泛研究现有资料，并结合实际，设计出 “三相负载的联接实验仪”，具体原理图见图1。

图1 三相负载试验仪原理图Fig.1 The principle diagram of the Three-phase Load connection experimental instrument

实验仪负载连接方式的转换，实际上是通过转换开关SA实现的，通过转动SA能够很容易的使负载在星形联接与三角形联接之间切换，实验过程非常安全和简便。

该实验仪的工作原理成如下。380 V三相电源通过空气断路器QF接到三相心式变压器T，将380 V电压降为220 V。负载的三角形---星形转换是用开关SA实现的。开关拨到“△”位置，负载是三角形接法，开关拨到“Y”位置，负载是星形接法。三相负载联接实验仪的负载采用常见的220 V白炽灯，一共9盏，SW1-SW9是控制负载接入和断开的开关，开关K用来接通和断开中线。Ia，Ib，Ic是3个电流插孔，用来测量三相负载的相电流，Iab，Ibc，Ica是用来测量三相电源的线电流，In用来测量中线电流。

图2是实验仪面板布局设计。

图2中，面板左下角是三相电进线开关，采用小型三相空气开关，型号为DZ20，380V/30A；面板下部中间位置是组合开关，用于星形-三角形负载转换，开关型号为HZ5-20/4M07，20A/4KW；右下角为三相心式变压器；面板左上角L1-L9是负载灯泡，我们所选用的是白炽灯，220V/40W共计9盏；SW1-SW9是负载控制开关，采用普通开关，规格220V/1A，一共9个。Iab、Ibc、Ica是3个电流插孔，分别用于测量AB、BC、CA 三相的线电流，In 为中线电流测试插孔；Ia、Ib、Ic三个电流插孔是测量A、B、C三相的相电流的。电流插孔全部采用6.35mm的音频插座，配合相应的插头，实现自动串入电流表的作用。VaVn、VbVn、VcVn为电压插孔。分别测Uan、Ubn、Ucn 三相的相电压，VaVb、VbVc、VcVa 分别用于测 Uab、Ubc、Uca三相的线电压。

本三相负载联接实验仪由于采用了220V隔离电源，从而保证了不对称三相负载作星形联接和三角形联接时实验器材的安全。

图2 三线负载联接实验仪布置图Fig.2 Arrangement diagram of the Three-phase Load connection experimental instrument

供电系统中不对称三相负载作星形联接时，必须采用三相四线制即“Y0”接法，要求中性线必须可靠联接，只有这样才能保证三相不对称负载的各相电压等于电源的相电压。如果中线接触不良或者是开路，会导致三相负载电压的不对称，负载轻的那一相的相电压升高，严重时导致负载因过压而烧毁，负载比较重的那一相电压很有可能比较低，达不到负载的额定电压，致使设备不能正常工作[3]。

我们计算一下，在非对称的情况下，如果去掉中线，实验仪采用传统的380 V/220 V供电时的负载上的电压。

用220 V/40 W的白炽灯作为模拟负载，将负载设成不对称，假设各相负载功率之比为3:2:1，在实验仪的面板上将开关 SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW7 闭合，其余开关断开[4]。

组合开关打到Y时，负载连接方式为星形连接。此时等效电路图如图3所示。

图3 负载星形连接等效电路图Fig.3 The equivalent circuit of Star connected load

设U˙A=220∠0°V，

由公式

代入数据，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，在输出电压为380 V/220 V供电的前提下，B、C两相电压都高于白炽灯的额定电压，这样在实验的过程中，容易把白炽灯烧坏[5]，

采用本课题所设计的三相变压器，输出电压为220 V/127 V，负载情况和上面一样，还是采用220V/40W白炽灯，将开关 SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW7 闭合， 使负载不对称，断开K，取消中线。由公式（1）和（2）计算出三相负载的相电压分别为：

U˙AN′=97.01∠10.88°V

U˙BN′=132.22∠-43.90°V

U˙CN′=159.81∠-53.40°V

由以上数据可以看出，各相负载上的相电压低于白炽灯的额定电压，负载可以安全工作。

当组合开关打到△时，负载的连接方式为三角形连接。此时，不论负载对称与否，各相负载的线电压等于相电压，即

UP=UL=220 V

此电压正好是负载白炽灯的额定电压，因此不会造成过压将白炽灯烧毁。

为了准确直观的反映测量数据，负载星形联接和三角形联接时实验数据记录表格可按下表设计，如表1和表2所示[6]。

表1 负载星形联接的电压电流值Tab.1 The voltage and current of the load connected in star

表2 负载三角形联接的电压电流值Tab.2 The voltage and current of the load connected in Triangle

3 结 论

本课题所研制的三相负载联接实验仪具有传统实验仪所没有的优势，它采用三相心式变压器，能够有效地避免采用自耦变压器造成实验人员发生触电的危险；由于合理的设置电源电压，因此在实验过程中，即使三相负载不平衡，中线断开，也能使负载上的电压不会超过用电器的额定电压。本实验装置能够在确保实验设备安全前提下，模拟各种负载环境的工作情况，具有较高的安全系数和丰富的实验内容。改进的三相负载联接实验仪在高校电工实验中拥有广阔的应用前景。

[1]羊孝清，宋瑞田，聂东山.电工学教程[M].海口：南海出版社，1995.

[2]秦曾煌.电工学简明教程[M].2版.北京:高等教育出版社，2007.

[3]邹玲，姚齐国.电路理论[M].武汉:华中科技大学出版社，2006.

[4]成谢锋主编.电工技术[M].东营：中国石油大学出版社，2004.

[5]杨淑敏.电路基础 常见题型解析及模拟题[M].西安:西北工业大学出版社，2004.

[6]王九山.电工学[M].北京:高等教育出版社，1992.