交流電機(jī)有兩種基本類型：單相和三相。一般來說，單相交流電機(jī)通常用于家用電器等住宅應(yīng)用，而三相交流電機(jī)則用于工業(yè)應(yīng)用。這主要是因為大多數(shù)家庭使用單相電源，而大多數(shù)工業(yè)場所使用三相電源。
鑒于這兩種不同的電源方案，哪些電機(jī)可以在什么場合使用？如果電機(jī)使用錯誤或有故障的電源，會發(fā)生什么情況？本文將探討其中的一些選項。
單相電源與三相電源
在討論電機(jī)本身之前，了解“單相”和“三相”電源的含義非常重要。單相電源是許多家庭常用的電源，是一種有三根電線的標(biāo)準(zhǔn)接線方式：兩根火線（或一根火線和一根零線）組成電路并在正常情況下傳輸電流，一根地線僅在發(fā)生故障時將電流傳輸?shù)降孛嬉源_保安全。在美國，這些接線方案之間的電壓分別為 240 V 或 120 V RMS，振蕩頻率均為 60 Hz。
三相電源可以有四根或五根電線，具體取決于配置。有三條相線，有時有一條中性線，幾乎總是有一條地線（地線通常不作為其中一條電線安裝，因此可能為“3 線……”或“帶地線的 4 線”）。三條相線各自充當(dāng)火線，但它們的相位彼此相差 120 度。
圖 1.三相電源序列圖。圖片由Wikipedia Commons提供
三相電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
三相交流電機(jī)具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢。具體來說，可以通過使用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 的變頻驅(qū)動器 (VFD) 嚴(yán)格控制速度，而大多數(shù)單相電機(jī)只有幾個抽頭，只能實(shí)現(xiàn)幾個固定速度。除了速度控制之外，三相交流電機(jī)可以更高效地運(yùn)行，提供更高、更穩(wěn)定的功率，并且可以在更高的電壓下運(yùn)行以消耗更少的電流。
單相電動機(jī)可以使用三相電運(yùn)行嗎？
如果三相系統(tǒng)配有中性線，例如星形配置的 208 伏電源，其中線到地的電壓為 120 伏，那么它實(shí)際上是真正的單相電源，并且我們對該電機(jī)沒有任何問題！這里要解決的問題是，如果電源沒有中性線，單相電機(jī)是否可以連接到三相電源線？
雖然不是理想的，但只要線間電壓不超過電機(jī)的額定值，單相電機(jī)就可以與三相電源系統(tǒng)一起工作。然而，必須避免一個常見的誤解。人們很容易將電機(jī)連接到三相系統(tǒng)的單相上。這種配置的問題在于三相不平衡。
理論上可以將三臺單相電機(jī)連接到三相系統(tǒng)的每個相上，只要它們足夠相似，以盡量減少三相之間的負(fù)載差異。這被稱為“三相電機(jī)組”，它用于一些暖通空調(diào)、機(jī)器人和材料運(yùn)輸類型的任務(wù)。考慮一條裝配線，其中多個電機(jī)可能以相同的速度轉(zhuǎn)動，負(fù)載一致，非極端。在這種情況下，三相電機(jī)組可以相對容易地平衡。
由于單相電機(jī)通常設(shè)計為 120 V/60 Hz 電源，因此確保電機(jī)能夠處理VFD 提供的任何頻率控制非常重要，但大多數(shù)電機(jī)無法處理。三相之間的單獨(dú)速度控制，以保持這種平衡也很棘手。此外，不均勻的磨損或負(fù)載會增加相之間的不平衡，既影響電機(jī)的使用壽命，又降低系統(tǒng)的效率。總之，在大多數(shù)情況下，使用一臺三相電機(jī)要比嘗試使用三臺單相電機(jī)好得多（也更便宜）。
三相電機(jī)接線錯誤
三相電源的一個潛在問題是，其中一相或多相可能會發(fā)生故障。一相發(fā)生故障，不再供電，這是完全有可能的。如果三相電機(jī)只在兩相線路上運(yùn)行（無論是由于故障，還是由于電機(jī)在單相電源上運(yùn)行），那么使用三相電機(jī)的所有優(yōu)勢都會消失。
速度控制要困難得多，因為至少有一個相位缺失，這意味著剩余相位必須彌補(bǔ)差異。變頻器必須調(diào)整缺失的相位；如果它可以通過速度傳感器進(jìn)行調(diào)整，它可能只會增加剩余相位的電流消耗、物理和熱過載以及一系列相關(guān)問題。如果變頻器僅用作輸出端，它不會準(zhǔn)確地將電機(jī)調(diào)到適當(dāng)?shù)乃俣取４送猓词闺娏飨妮^高，電機(jī)也會以較低的扭矩運(yùn)行，這意味著整體效率降低，并且可能難以啟動或運(yùn)行。
此外，電機(jī)不再處于電氣或磁性平衡狀態(tài)，從而會產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。其中一些信號會被底盤抑制，但 EMI 可能會影響附近的儀器。不平衡不僅是電氣上的，也是機(jī)械上的，電機(jī)負(fù)載上會檢測到振動。
總體而言，如果三相電機(jī)的相數(shù)接線錯誤，會導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生電氣噪聲、不平衡，并且性能和效率會降低。電機(jī)更容易過載，使用壽命可能會縮短。
值得注意的是，VFD 可以做很多事情，因此它可以用來模擬三相系統(tǒng)。通過適當(dāng)調(diào)整 VFD，可以減少不平衡和振動，同時扭矩和速度可以接近三相運(yùn)行時的扭矩和速度。
還有另一種布線方案，即在端子之間放置一個大電容器，以使信號移相。適當(dāng)?shù)碾娙萜鞒叽纾ㄒ约斑m當(dāng)?shù)臅r間常數(shù)）可以引起足夠的相移來模擬三相。
頻率：60 Hz 對 50 Hz
雖然美國的標(biāo)準(zhǔn)是 60 Hz，但世界上大部分地區(qū)都使用 50 Hz 電源。假設(shè)一家公司想在海外建立一個與美國現(xiàn)有工廠相匹配的雙制造廠。如果使用相同的電機(jī)，則使用 50 Hz 的電機(jī)運(yùn)行速度會稍慢一些，消耗的電流更大，扭矩也會低于預(yù)期。
電機(jī)會運(yùn)轉(zhuǎn)，但這并不是需要考慮的因素。通常，電機(jī)的冷卻風(fēng)扇與電機(jī)連接在同一根軸上。如果電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速也會變慢，冷卻效果也會降低。冷卻能力的降低與電流消耗的增加相結(jié)合，熱過載的可能性就會大大增加。電機(jī)設(shè)計為以特定的工作頻率運(yùn)行，因此很容易為合適的電源系統(tǒng)找到合適的電機(jī)。 |
