前言：

單相電用來(lái)為民用和辦公電器供電，而三相交流系統則廣泛用于配電及直接為功率更高的設備提供電力本文介紹了三相系統的基本原理以及可能的不同測量連接之間的差異。

三相電由頻率相同、幅度類(lèi)似的三個(gè)AC電壓組成。每個(gè)ac電壓“相位”與另一個(gè)ac電壓相隔120°（圖1）。這可以通過(guò)圖形方式，使用波形和矢量圖（圖2）進(jìn)行表示。

 

圖1. 三相電壓波形

 

圖2. 三相電壓矢量

使用三相系統的原因有兩個(gè)：

1. 可以使用三個(gè)矢量間隔的電壓，在馬達中產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)。從而可以在不需要額外繞組的情況下啟動(dòng)馬達。

2. 三相系統可以連接到負載上，要求的銅纜連接數量（傳輸損耗）是其它方式的一半。

我們看看三個(gè)單相系統，每個(gè)系統為一個(gè)負載提供100W的功率（圖3）?？傌撦d是3 x 100W = 300W.為提供電力，1安培電流流經(jīng)6根線(xiàn)，因此有6個(gè)單位的損耗。也可以把三個(gè)電源連接到一個(gè)公共回程上，如（圖4）所示。當每個(gè)相位中的負載電流相同時(shí)，負載被認為是均衡的。在負載均衡、且三個(gè)電流相位彼此位移120°的情況下，任何時(shí)點(diǎn)上的電流之和都為零，回程線(xiàn)路中沒(méi)有電流。

 

圖3. 三個(gè)單相電源 - 6個(gè)單位損耗

 

圖4. 三相電源，均衡負載 - 3個(gè)單位損耗

 

Y形接法或星形接法

在三相120°系統中，要求3根線(xiàn)傳送功率，而在其它方式下則要求6根線(xiàn)。要求的銅纜數量減少了一半，導線(xiàn)傳輸損耗也將減半。

擁有公共連接的三相系統通常如（圖5）的示意圖所示，稱(chēng)為“Y形或星形”接法。

公共點(diǎn)稱(chēng)為中性點(diǎn)。為安全起見(jiàn)，這個(gè)點(diǎn)通常在電源上接地。在實(shí)踐中，負載并不是完美均衡的，要使用第四條“中性”線(xiàn)傳送得到的電流。如果本地法規和標準允許，中性導體可能會(huì )比三條主導體小得多。

 

圖5. Y形接法或星形接法 - 三相四線(xiàn)

Y形接法或星形接法

上面討論的三個(gè)單相電源也可以串聯(lián)起來(lái)。在任何時(shí)點(diǎn)上，三個(gè)120°相移電壓之和都是零。如果和為零，那么兩個(gè)端點(diǎn)都處在相同的電位，可以聯(lián)接在一起。這種接法如（圖7）中的示意圖所示，使用希臘字母Δ表示，稱(chēng)為三角形接法。

 

圖6. 任意時(shí)間的瞬時(shí)電壓之和為零

 

圖7. 三角形接法 - 三相三線(xiàn)

Y形接法和三角形接法比較

Y形接法用來(lái)為家庭和辦公中使用的日常單相設備供電。單相負載連接到線(xiàn)路和中性線(xiàn)之間Y形的一條腿上。每個(gè)相位的總負載盡可能多地共享，以便為主三相電源提供均衡負載。

Y形接法還可以為更高電壓上更高的功率負載提供單相或三相電。單相電壓是相位到中性電壓。另外還提供較高相間電壓，如（圖8）中的黑色矢量所示。

 

圖8. V phase-phase = √3 x V phase-neutral

三角形接法最常用的情況是為功率較高的三相工業(yè)負載供電。然而，通過(guò)沿著(zhù)變壓器線(xiàn)圈進(jìn)行連接或“分接”,可以從三相三角形電源中獲得不同的電壓組合。例如，在美國，240V三角形系統可以有分相或中心分接線(xiàn)圈，提供兩個(gè)120V電源（圖9）。為安全起見(jiàn)，中心分接點(diǎn)可以在變壓器上接地。在中心分接點(diǎn)和三角形接法的第三條“高腳”之間，還提供了208V電壓。

 

圖9. 三角形接法，采用“分相”或“中心分接”線(xiàn)圈

 

功率測量

在交流系統中，功率使用功率表測量?，F代數字采樣功率表，把多個(gè)電壓和電流的瞬時(shí)樣點(diǎn)乘在一起，計算瞬時(shí)功率，然后取一個(gè)周期中瞬時(shí)功率的平均值，表示有功功率。功率表將在廣泛的波形、頻率和功率因數范圍上，準確測量有功功率、視在功率、無(wú)功負載、功率因數、諧波等等。為使功率分析儀提供良好的結果，必須能夠正確識別布線(xiàn)配置，正確連接功率分析儀。

 

單相功率表連接

只要求一個(gè)功率表，如（圖10）所示。系統與功率表電壓端子和電流端子的連接簡(jiǎn)單明了。功率表的電壓端子透過(guò)負載并連，電流通過(guò)與負載串聯(lián)的電流端子輸入。

 

圖10. 單相雙線(xiàn)和DC測量

 

單相三相連接

在這個(gè)系統中，如圖11所示，從一個(gè)中心分接的變壓器線(xiàn)圈中產(chǎn)生電壓，所有電壓都同相。這在北美住宅應用中十分常見(jiàn)，其中提供了一個(gè)240 V電源和兩個(gè)120V電源，在每條腿線(xiàn)上可能有不同的負載。為測量總功率和其它數量，應如（圖11）所示連接兩個(gè)功率表。

 

圖11.單相三線(xiàn)

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在單相系統中，只有兩根線(xiàn)。功率使用一個(gè)功率表測量。在三線(xiàn)系統中，要求兩個(gè)功率表，如（圖12）所示。

一般來(lái)說(shuō)，要求的功率表數量 = 線(xiàn)數-1

圖12. 三線(xiàn)Y形系統

 

驗證三相Y形系統

功率表測量的瞬時(shí)功率是瞬時(shí)電壓和電流樣點(diǎn)之積。

功率表1讀數 = i1 （v1 - v3）

功率表2讀數 = i2 （v2 - v3）

讀數之和W1 + W2 = i1v1 - i1v3 + i2v2 - i2v3

= i1v1 + i2v2 - （i1 + i2） v3

（根據基爾霍夫定律，i1 + i2 + i3 = 0, so i1 + i2 = -i3）

2個(gè)讀數W1 + W2 = i1v1 + i2v2 + i3v3 = 總瞬時(shí)功率。

 

三相三線(xiàn)接法 - 兩個(gè)功率表方法

在有三根線(xiàn)時(shí)，要求兩個(gè)功率表測量總功率。根據圖所示方法連接兩相到功率表的電壓端子。

 

圖13. 三相三線(xiàn)、兩個(gè)功率表方法

 

三相三線(xiàn)接法 - 三個(gè)功率表方法

如前所述，盡管測量三線(xiàn)系統中的總功率只要求兩個(gè)功率表，但有時(shí)可以方便地使用三個(gè)功率表。在如圖所示的接法中，通過(guò)把所有三個(gè)功率表的電壓低端子連接在一起，創(chuàng )建一個(gè)假中性線(xiàn)。

 

圖14. 三相三線(xiàn)（三個(gè)功率表方法，把分析儀設置成三相四線(xiàn)模式）

三線(xiàn)三個(gè)功率表的接法的優(yōu)勢在于，它指明每一個(gè)相的功率（這在兩個(gè)功率表的接法中是不可能的）以及相到中線(xiàn)電壓。

 

三相四線(xiàn)接法

測量四線(xiàn)系統中的總功率要求三個(gè)功率表。測得的電壓是真實(shí)的相電壓。通過(guò)使用矢量數學(xué)運算，可以從相電壓的幅度和相位中準確地計算出相間電壓?，F代電源分析儀也使用基爾霍爾定律，計算流過(guò)中線(xiàn)的電流。

 

圖15. 三相四線(xiàn)（三個(gè)功率表方法）

 

配置測量設備

在線(xiàn)數一定（N）時(shí)，要求N-1個(gè)功率表測量整體電能質(zhì)量，如功率。必須確保擁有足夠數量的通道，且正確連接。

現代多通道功率分析儀將使用相應的內置公式，直接計算整體電能質(zhì)量，如瓦特、伏特、安培、伏安和功率因數。公式根據布線(xiàn)配置選擇，因此設置布線(xiàn)對獲得良好的總功率測量至關(guān)重要。擁有矢量功能的功率分析儀還將把相電壓（或Y形）分量轉換成線(xiàn)電壓（或三角形）分量。只能使用因數√3,實(shí)現系統間轉換，或對均衡線(xiàn)性系統上只有一個(gè)功率表的測量定標。