目前,我国发电厂和电力网生产、输送和分配的交流电都是三相交流电。这是因为三相交流电具有许多单相交流电无可比拟的优越性。在发电设备方面,三相交流发电机比同样体积的单相交流发电机输出功率大;在输电方面,输送同样功率的电能,采用三相交流电输电比单相交流电输电节约材料,同时又减少了线路上的电能损耗;在用电方面,三相电气设备(如三相交流电动机和变压器等)的机械性能和电气性能都比单相电气设备好,而且制作简单、成本低、使用和维修方便。另外,三相交流电对用户供电可以采用三相四线制方式,从而给用户提供380 V和220 V两种电压,三相设备和单相设备可灵活使用。
简单地说,三相交流电是3个单相交流电的组合,这3个单相交流电具有以下特点:同频率、同幅度、相位相差120°。
三相交流电的产生过程与单相交流电基本相似,图1-11(a)是三相交流发电机示意图。发电机的定子线圈分为3组,每一组线圈(俗称绕组)称为一相,并把它产生的感应电压(或称感应电动势)称为相电压。3组线圈在空间位置上彼此相差120°,对称地嵌放在定子铁心内侧的线槽内。A、B、C和X、Y、Z分别为3组线圈的首端和末端。转子为一个永磁体,N、S为它的两个磁极。当转子以均匀速度逆时针方向旋转时,由于3组线圈在铁心中放置的位置彼此相隔120°,一旦磁极转到正对A-X线圈时,则该组线圈感应电压达到最大值Um,而B-Y线圈需要等转子磁极转1/3周(即120°)后,其中的感应电压才达到最大值,也就是A-X线圈的感应电压超前B-Y线圈感应电压120°。同理,B-Y线圈感应电压超前C-Z线圈感应电压120°。不难推知,C-Z线圈的感应电压又超前于A-X线圈感应电压120°。显然,3个感应电压的频率相同,最大值相等,只是达到最大值的时刻不同。3个感应电压的这种区别,在技术上称初相角不同,如图1-11(b)所示。若A-X、B-Y、C-Z线圈的感应电压分别以UA、UB、UC表示,并以UA的初相角为基准(即为0°),则UB的初相角为-120°,UC的初相角为-120°-120°=-240°,用三角函数式表示为
UA＝Umsinωt
UB＝Umsin(ωt-120°)
UC＝Umsin(ωt-240°)=Umsin(ωt+120°)
(a)三相交流发电机的结构
(b)三相交流电的波形
图1-11 三相交流电的产生及其波形