一文詳解工業(yè)三相電壓系統(tǒng)

了解三相電壓安排，以更好地了解驅(qū)動(dòng)幾乎所有工業(yè)電機(jī)的系統(tǒng)以及為每個(gè)單相插座和照明系統(tǒng)供電的較小分支電路。

工業(yè)控制系統(tǒng)幾乎總是由三相主電壓服務(wù)供電。由于與高壓柜相關(guān)的危險(xiǎn)，這種三相電源通常不太了解。系統(tǒng)的一些基本知識(shí)可以幫助了解為什么存在某些設(shè)備，以及為什么會(huì)遇到某些故障。

幾乎所有工業(yè)設(shè)施以及許多小商店甚至車庫的主要電源都是常見的三相電壓電源。許多電壓水平可能非常危險(xiǎn)，因此大多數(shù)關(guān)鍵組件都通過嚴(yán)格的弧閃控制固定在機(jī)柜內(nèi)。由于這個(gè)概念已經(jīng)有些令人困惑，當(dāng)隱藏在外殼后面時(shí)，三相電壓的奧秘似乎更加深?yuàn)W。

無論如何，了解這些系統(tǒng)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈凃?qū)動(dòng)幾乎所有工業(yè)電機(jī)，并且較小的分支電路為每個(gè)單相插座和照明系統(tǒng)供電。

三相電力安排

有幾種不同的安排可以讓三相電進(jìn)入設(shè)施服務(wù)。最常見的是，這是一個(gè)采用 Wye 排列的 480V 系統(tǒng)。由于每個(gè)系統(tǒng)的線圈的特征排列，Wye 一詞與 Delta 形成對(duì)比。

圖 2. 基本 Y 形 （Y） 排列。

小型設(shè)施（例如家庭商店或商業(yè)建筑）的典型三相服務(wù)是 208V Wye 布置系統(tǒng)。

另一種安排是Delta系統(tǒng)。

圖 3. 基本 Delta （Δ） 排列。

兩個(gè)系統(tǒng)之間的一個(gè)特征差異是典型的 Delta 不包括中性線（除了一些更罕見的系統(tǒng)），因此相間的電壓不是自然的單相源。

另一方面，四線星形系統(tǒng)包括一根中性線，因此從每相到中性線的電壓提供了一個(gè)較低電壓的單相電源。這實(shí)際上是配備 208V Wye 系統(tǒng)的設(shè)施中 120V 分支電路的來源。

3-Phase Even 是什么意思？

無論系統(tǒng)是直流還是交流，電壓只是電路中兩個(gè)充電點(diǎn)之間的勢(shì)能。在電源中，這是在 + 和 - 端子之間驅(qū)動(dòng)能量的潛力，而在負(fù)載設(shè)備中，這是在 + 和 - 端子之間驅(qū)動(dòng)電流所需的能量。

在直流系統(tǒng)中，電壓固定在恒定的直流水平。然而，在交流電中，交替是電壓的快速循環(huán)變化。由于它是一個(gè)循環(huán)，因此術(shù)語“相位”用于指代相對(duì)于中性線不斷變化的線路。

在單相或三相交流系統(tǒng)中，能量差將驅(qū)動(dòng)電流從線路到零線或從零線到線路，每秒切換 60 次（60 Hz，有時(shí) 50 Hz）。在三相系統(tǒng)中，有三根線，只有一根中性線。每條線 （L） 將交替地向和從中性線 （N） 推拉電流，但不是同時(shí)。

每個(gè) L 電壓的時(shí)間正好是從其之前的 L 延遲的完整周期的 1/3，這被稱為正好 120° 的“相位差”。雖然一根 L 線可能正試圖將電流驅(qū)動(dòng)到 N 端，但另外兩根 L 線可能正朝著相反的方向驅(qū)動(dòng)。這一事實(shí)的主要內(nèi)容是，在任何給定時(shí)間，至少兩根電線總會(huì)有一個(gè)（非零）電壓，并且總會(huì)有至少一個(gè)正向電壓和一個(gè)反向電壓。

圖 4. 三相電力流的動(dòng)畫。圖片由比爾 C提供。［ CC BY-SA 3.0 ］

與該系統(tǒng)相比，單相電壓每個(gè)周期總是有兩次零伏點(diǎn)。這導(dǎo)致電機(jī)的不平衡開關(guān)驅(qū)動(dòng)。另一個(gè)缺點(diǎn)是，根據(jù)電機(jī)“開啟”的時(shí)間，它可能會(huì)開始向任一方向驅(qū)動(dòng)，除非人為插入相位延遲。三相自然提供了這種延遲。非常適合電機(jī)。

為什么三相是電機(jī)的理想選擇？

至少使用三相非常適合電機(jī)。轉(zhuǎn)子周圍的線圈布置允許每個(gè)相位首先以正極性驅(qū)動(dòng)，然后以負(fù)極性驅(qū)動(dòng)，以吸引和排斥轉(zhuǎn)子內(nèi)的磁鐵。在三相相互偏移的情況下，當(dāng)一條線路電流達(dá)到其峰值時(shí)，下一條線路達(dá)到峰值可能是順時(shí)針方向的 1/3，也可能是前一個(gè)線圈逆時(shí)針方向的 1/3。

以這種方式，可以非常小心地控制旋轉(zhuǎn)方向。如果我們希望反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向，則可以互換后兩組線路導(dǎo)線，并且峰值電流的順序?qū)⒎崔D(zhuǎn)。

在單相系統(tǒng)中，只有一個(gè)電流存在，盡管它在轉(zhuǎn)子的兩側(cè)均等分配。當(dāng)電機(jī)打開時(shí)，電流的確切幅度以及最后一次停止時(shí)的轉(zhuǎn)子位置都將決定旋轉(zhuǎn)方向。為了使其成為可預(yù)測(cè)的操作，啟動(dòng)電容器用于確定初始旋轉(zhuǎn)方向，然后在達(dá)到一定速度時(shí)用離心開關(guān)關(guān)閉。

如果存在兩相系統(tǒng)，它不會(huì)比一相具有任何優(yōu)勢(shì)，除了兩相將具有相等但相反的極性。在沒有外部相移分量的情況下，電機(jī)方向仍會(huì)受到隨機(jī)方向的拉動(dòng)。

那么為什么不是五相或更多呢？

如果使用這樣的東西，五相電壓可能比三相電壓更具優(yōu)勢(shì)。通過每一相傳遞的電流會(huì)稍微小一些，施加到驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的電機(jī)上的電流會(huì)提供更平滑的性能。

但是，每個(gè)額外階段的后續(xù)收益都小于之前的收益。也就是說，增加基礎(chǔ)設(shè)施以再提供兩條相線將花費(fèi)額外的大量資金。但是接下來的兩個(gè)階段的額外好處將遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于從一相到三相系統(tǒng)的原始兩個(gè)階段。通常認(rèn)為三相是多相的好處與最低的合理基礎(chǔ)設(shè)施成本之間的最佳平衡。