很多人都知道,火线和零线之间的电压是220V,这就是单相电压,大多家用电都是单相电。所谓单相电,简单来说就是只用了单根火线(相线),并与零线构成回路,如下图的两户人家,一户用了A相火线,一户用了B相火线,它们都是单相用户。
单相用户的入户电压都是220V,家里的用电器也是220V的。然而,在低压用电中,除了220V的单相电外,还有380V的三相电,三相电常用于商用电或工业用电。当然,如果你家里有三相的用电设备,也可以接三相电。
所谓三相电,顾名思义,就是用了三根火线,一般来说,三相电入户时也接有零线(即三相四线),因为照明用电基本是220V的单相电,所以三根火线中任取一根火线和零线构成回路就能给单相设备供电。
三相电的电压为380V,是指三根火线中任意两根火线间的电压都是380V,这就是线电压,同理,任意一根火线与零线之间的电压称为相电压,而380与220之间仅仅是一个根号3的关系,即380=220√3。
那么,380与220之间的这个√3是怎么来的呢?在回答这个问题之前,我们有必要先了解一下“相量”的含义。
说到相量,可能很多人都没听过,但问题不大,只要你听过矢量或向量就行。相量和矢量、向量一样,都是有大小和方向的量,矢量更多地是应用于物理分析中,如力、速度、位移、力矩等,而向量更多地是应用于数学分析中。相量是独特的,它仅用于正弦交流电路中,用于表示电压、电流、电动势以及磁通等正弦量。
相量、矢量和向量在坐标系中,都是用带箭头的有向线段表示,如下图所示,虽然表示方法一样,但它们的本质是不同的。
相量的大小就是线段的长度,方向就是箭头的指向,这个指向用一个角度表示,类似于极坐标的角度。大小比较容易理解,主要是角度,在这里我简单解释一下。
如上图所示,以直角坐标系为参考,如果相量线段的箭头水平向右,就表示这个相量的角度为0°,然后在此基础上,逆加顺减,换言之,相量线段逆时针旋转时角度增大(超前),顺时针旋转时角度变小(滞后),而比0小的数就是负数。显然,当箭头水平向右时,相量的角度就为±180°,具体是正还是负由转向确定。
简单了解相量的表示后,我们再来了解相量的相减。啥?你问我为什么是相减?这是因为线电压是由两个相电压相减得到的,如线电压uAB就是等于uA-uB。(注:这里的u用小写,A、B是下标)
前文说到,相量与矢量、向量的表示方法相同,其实,它们的加减方法也是相同的,为了便于理解,我这里就用矢量“位移”来类比运算一下给大家看看。
上图所示为位移矢量图,以N(O)为起点,A、B、C为三个终点,三个终点距起点都是220米,且三个终点的方向夹角均为120°。简单来说,就好比有3个人,他们同时从N点出发,分别沿A、B、C三个方向同时前进220米,而终的问题是:A、B、C三个终点之间的位移(距离)分别为多少?
显然,我们直接把A、B、C三点直线相连,得到的线段长度就是它们之间的距离,即AB间、BC间以及CA间,通过计算,可以得出它们间的距离都是380米。同理,在相量图中,220V相电压和380V线电压的关系也是通过以上的计算方式得出。
如上图所示,三个相电压的大小都是220V,角度互差120°,用相量表示就是三根长度相同、角度互差120°的带箭头线段。求线电压UAB,就相当于求三角形ANB的底边长AB。
三角形ANB是一个等腰三角形,所以三角形的高就是其角平分线和底线中点,120°角∠ANB平分,就可以得到∠NBA为30°,算出底边的半边长为220×cos30°=220×(√3)/2,2个半边即为整条边,所以底边长AB就为2×220×(√3)/2=220√3≈380,这就是线电压的大小。
交流电路的四则计算,从来都不是简单的加减乘除,用相量来表示就可以把复杂的函数运算转换成相对简单的线段计算,结合简单三角函数,就能快速得出结果。