交流電機有兩種基本類(lèi)型：?jiǎn)蜗嗪腿�相。一般�?lái)說(shuō)，單相交流電機通常用于家用電器等住宅應用，而三相交流電機則用于工業(yè)應用。這主要是因為大多數家庭使用單相電源，而大多數工業(yè)場(chǎng)所使用三相電源。

鑒于這兩種不同的電源方案，哪些電機可以在什么場(chǎng)合使用？如果電機使用錯誤或有故障的電源，會(huì )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(xiàn)的標準接線(xiàn)方式：兩根火線(xiàn)（或一根火線(xiàn)和一根零線(xiàn)）組成電路并在正常情況下傳輸電流，一根地線(xiàn)僅在發(fā)生故障時(shí)將電流傳輸到地面以確保安全。在美國，這些接線(xiàn)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(xiàn)，具體取決于配置。有三條相線(xiàn)，有時(shí)有一條中性線(xiàn)，幾乎總是有一條地線(xiàn)（地線(xiàn)通常不作為其中一條電線(xiàn)安裝，因此可能為“3 線(xiàn)……”或“帶地線(xiàn)的 4 線(xiàn)”）。三條相線(xiàn)各自充當火線(xiàn)，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

三相電機的優(yōu)點(diǎn)

三相交流電機具有一些獨特的優(yōu)勢。具體來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)使用脈沖寬度調制 (PWM) 的變頻驅動(dòng)器 (VFD) 嚴格控制速度，而大多數單相電機只有幾個(gè)抽頭，只能實(shí)現幾個(gè)固定速度。除了速度控制之外，三相交流電機可以更高效地運行，提供更高、更穩定的功率，并且可以在更高的電壓下運行以消耗更少的電流。

單相電動(dòng)機可以使用三相電運行嗎？

如果三相系統配有中性線(xiàn)，例如星形配置的 208 伏電源，其中線(xiàn)到地的電壓為 120 伏，那么它實(shí)際上是真正的單相電源，并且我們對該電機沒(méi)有任何問(wèn)題！這里要解決的問(wèn)題是，如果電源沒(méi)有中性線(xiàn)，單相電機是否可以連接到三相電源線(xiàn)？

雖然不是理想的，但只要線(xiàn)間電壓不超過(guò)電機的額定值，單相電機就可以與三相電源系統一起工作。然而，必須避免一個(gè)常見(jiàn)的誤解。人們很容易將電機連接到三相系統的單相上。這種配置的問(wèn)題在于三相不平衡。

理論上可以將三臺單相電機連接到三相系統的每個(gè)相上，只要它們足夠相似，以盡量減少三相之間的負載差異。這被稱(chēng)為“三相電機組”，它用于一些暖通空調、機器人和材料運輸類(lèi)型的任務(wù)�？紤]一條裝配線(xiàn)，其中多個(gè)電機可能以相同的速度轉動(dòng)，負載一致，非極端。在這種情況下，三相電機組可以相對容易地平衡。

由于單相電機通常設計為 120 V/60 Hz 電源，因此確保電機能夠處理VFD 提供的任何頻率控制非常重要，但大多數電機無(wú)法處理。三相之間的單獨速度控制，以保持這種平衡也很棘手。此外，不均勻的磨損或負載會(huì )增加相之間的不平衡，既影響電機的使用壽命，又降低系統的效率�？傊�，在大多數情況下，使用一臺三相電機要比嘗試使用三臺單相電機好得多（也更便宜）。

三相電機接線(xiàn)錯誤

三相電源的一個(gè)潛在問(wèn)題是，其中一相或多相可能會(huì )發(fā)生故障。一相發(fā)生故障，不再供電，這是完全有可能的。如果三相電機只在兩相線(xiàn)路上運行（無(wú)論是由于故障，還是由于電機在單相電源上運行），那么使用三相電機的所有優(yōu)勢都會(huì )消失。

速度控制要困難得多，因為至少有一個(gè)相位缺失，這意味著(zhù)剩余相位必須彌補差異。變頻器必須調整缺失的相位；如果它可以通過(guò)速度傳感器進(jìn)行調整，它可能只會(huì )增加剩余相位的電流消耗、物理和熱過(guò)載以及一系列相關(guān)問(wèn)題。如果變頻器僅用作輸出端，它不會(huì )準確地將電機調到適當的速度。此外，即使電流消耗較高，電機也會(huì )以較低的扭矩運行，這意味著(zhù)整體效率降低，并且可能難以啟動(dòng)或運行。

此外，電機不再處于電氣或磁性平衡狀態(tài)，從而會(huì )產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。其中一些信號會(huì )被底盤(pán)抑制，但 EMI 可能會(huì )影響附近的儀器。不平衡不僅是電氣上的，也是機械上的，電機負載上會(huì )檢測到振動(dòng)。

總體而言，如果三相電機的相數接線(xiàn)錯誤，會(huì )導致電機產(chǎn)生電氣噪聲、不平衡，并且性能和效率會(huì )降低。電機更容易過(guò)載，使用壽命可能會(huì )縮短。

值得注意的是，VFD 可以做很多事情，因此它可以用來(lái)模擬三相系統。通過(guò)適當調整 VFD，可以減少不平衡和振動(dòng)，同時(shí)扭矩和速度可以接近三相運行時(shí)的扭矩和速度。

還有另一種布線(xiàn)方案，即在端子之間放置一個(gè)大電容器，以使信號移相。適當的電容器尺寸（以及適當的時(shí)間常數）可以引起足夠的相移來(lái)模擬三相。

頻率：60 Hz 對 50 Hz

雖然美國的標準是 60 Hz，但世界上大部分地區都使用 50 Hz 電源。假設一家公司想在海外建立一個(gè)與美國現有工廠(chǎng)相匹配的雙制造廠(chǎng)。如果使用相同的電機，則使用 50 Hz 的電機運行速度會(huì )稍慢一些，消耗的電流更大，扭矩也會(huì )低于預期。

電機會(huì )運轉，但這并不是需要考慮的因素。通常，電機的冷卻風(fēng)扇與電機連接在同一根軸上。如果電機轉速變慢，風(fēng)扇轉速也會(huì )變慢，冷卻效果也會(huì )降低。冷卻能力的降低與電流消耗的增加相結合，熱過(guò)載的可能性就會(huì )大大增加。電機設計為以特定的工作頻率運行，因此很容易為合適的電源系統找到合適的電機。