摘要：介紹了國內外實現單相電源應用三相電機的途徑，相數轉換器的構造原理、輸出特性以及三相電機改造的具體實施方法，對只有單相電源的城鄉用戶應用三相電機提供了十分有益的參考。
關鍵詞：三相電機,單相電源,相數轉換器

1  前言
        電力工業盡管發展很快，但尚做不到每家每戶甚至每個負荷點都接有三相電源，即使能做到也不一定必要，而且很不經濟，尤其在我國廣大農村只有單相電源的用戶、負荷點還是大多數。現實用電過程中，不少用戶卻面臨擁有三相異步電機而沒有三相電源的尷尬局面。眾所周知，三相電機運轉時產生的是圓形磁場，產生的運轉力矩均勻；而單相電機運轉時感生的卻是橢圓形磁場，產生的運轉力矩自然不夠均勻。因此三相電機具有運行效率高、穩定可靠、單位造價低等優點，用戶自然愿意選用。如何解決只有單相電源而又需應用三相電機的無奈便成為許多廠家、電力工作者都在探討的課題。為此許多人提出不少三相電機在單相電源下應用的解決辦法，且各有優劣、各有特色。但綜觀其原理都離不開兩種途徑：不是改變電源的相數，使電源適應電機的需要；就是改三相電機為單相電機，使電機滿足電源的要求。而這兩種方法其實是一個問題的兩個方面，目的都是設法使單相電源能應用三相電機。
        關于改變電源相數，即將單相電源經專門的設備措施轉換為三相電源。美國早在上個世紀60年代就出現一種叫做相數轉換器（Phase Coverter）的裝置。將轉換器和負荷電機一起并接到單相電源上，再由轉換器引出一根人造相線，該人造相與單相電源的兩根電源線一起就形成了三相電源，從而解決了單相電源接帶三相電機的問題。該設備容量由幾個kW到幾十個kW都有，非常適合單相電源用戶接帶三相電機應用，在美國已形成上千萬kW的市場，有的已工作長達30多年。
        相數轉換器分為靜止型和旋轉型兩大類，一般旋轉型轉換器性能優于靜止型轉換器。但靜止型轉換器也有結構簡單、損耗小、噪聲低等優點。近年來由于電力電子技術的飛快發展，一些新的性能更為優越的全電子型相數轉換裝置已逐漸面世，并有取代傳統的靜止型和旋轉型相數轉換器的趨勢，成為相數轉換器發展的新方向。
        上面這些相數轉換器裝置總的來說都是采用電容器或電抗器作為移相元件，而隨著可控硅（SCR)技術的發展，相繼出現了許多單／三相電源變換方案。如我國學者提出的基于矩陣電源變換的直接交一交單／三相電源變換方案，具有對電網輸入電壓波動與畸變的自動補償功能，可以外接變壓器實現整個范圍內輸出頻率連續可調，這種電源變換具有一般矩陣式電源變換的優點，如保護電路簡單，主電路無儲能元件，便于集成等，是一種比較有前途的電子型單／三相電源變換方案。但到目前為止，我國尚沒有商業化的相數轉換器開發方面的報道。
        正如前面所講，除了采用專門設備改變電源相數使其適應電機需要外，也可以采用簡單的措施，通過增加少量裂相元件及改變電機接線使三相電機改變為單相電機，以滿足電源的要求。這種辦法也不失為一種簡單而實用的選擇，尤其對我國廣大農村、鄉鎮用戶，采用此種辦法可以在不改變電機任何結構和參數的情況下，使三相電機得以應用在單相電源上，從而使眾多分散小用戶的實際困難得到解決。上述方法有并入電容裂相法和拆開繞組電容裂相法，該法簡便易行，隨處可用。但電機輸出功率只相當于額定容量的70%-80%，但對一些缺少三相電源的用戶也是一種實用選擇。
        下面分別就單相電源應用三相電機的具體技術原理和實際做法加以介紹。
2  相數轉換器原理及特性
        相數轉換器的結構并不復雜，每臺轉換器需要兩根有效電源線（L1, L2)，將轉換器和電機一起并聯到單相電源上，然后由轉換器引出第三線一人造相線，共同形成三相電源。轉換器的功能在于產生足夠的三相電壓，以便使電機形成有效的啟動和運轉力矩，同時對每一相產生一組平衡負荷電流。相數轉換器一般分成靜止型和旋轉型兩種類型，而靜止型又分為電容器型和自藕變壓器型．至于新的全電子相數轉換器則在積極開發中。
2.1 靜止型相數轉換器
2.1.1 電容器型
        電容器型靜止相數轉換器系應用電容器的移相作用建立人造相電壓，這一電壓對于引入的線電壓位移90^。，這種不同相位的電壓加在感應電機線圈上，其形成的磁場和系統電源線在相鄰線圈上產生的磁場相互作用，結果就產生了電機的啟動和運轉力矩。轉換器具有兩個電容：一個為電解型供電機啟動用，容量一般為工作電容的3-6倍，當電機達到正常轉速后應將啟動電容切除，以防電機過熱；另一個是充油型電容供電機正常運轉用。啟動電容由時間繼電器控制通斷，即電機啟動期間使電容接入，當電機轉速升高達到正常轉速，人造相電壓上升，繼電器對反應電機轉速的反饋電壓作出反應，即斷開啟動電容電路。反之電機轉速下降低于正常轉速，繼電器則作出接入啟動電容的反應。電容器型靜止轉換器的原理接線如圖1所示。
 

圖1    電容器型靜止轉換器原理圖

        由于電容器型相數轉換器沒有調節輸出電壓的手段，所以總存在不平衡電流，面對這一情況唯一的辦法是降低電機容量。事實上電容型轉換器所帶電機僅可達到額定容量的70％一85％，因此這種轉換器一般只用在小型電機上。
 2.1.2自藕變壓器型
        常用的靜止型相數轉換器多為自藕變壓器型。這種轉換器除需要啟動和運轉電容外，還需一組自藕變壓器，由自藕變壓器調節進線電壓，然后通過電容器將電壓加到負荷電機上，其原理接線如圖2。由于自藕變壓器具有調壓機構，可調節人造相電壓，從而可產生最佳電流、電壓平衡。這一特點使自藕變壓器型轉換器所帶的電機能達到銘牌功率輸出，因此自藕變壓器型轉換器得到了廣泛的應用．各種具有三相電機的風機和泵等都可通過這種轉換器而接到單相電源上，而且這種轉換器具有良好的啟動和運轉力矩。

圖2 自藕變壓器型靜止轉換器原理圖

         所有靜止型轉換器都是采用高電容啟動、低電容運轉，電容器系按啟動和運轉負荷設計的，所以1臺靜止型轉換器在同一時間內僅能接帶1臺三相電機。
2.2 旋轉型相數轉換器
2.2.1構造原理
        旋轉型轉換器是一種由單相電源供電而產生的理想的三相輸出的感應電機，它可供給任何三相滿載負荷的需要，如電機、電阻、整流器等，轉換器的輸出是一種真實而可測量的正弦波，這一點和上面介紹的靜止型轉換器根本不同，其原理接線如圖3。那么可不可以認為旋轉型相數轉換器是一種機械連接的電動一發電機組呢？其實不然，旋轉型轉換器是一種與三相感應電機相似的單極裝置，它具有對稱的三相定子繞組和一個經過改型的鼠籠式轉子，輸出線和人造相線間跨接有電容，轉換器通電后供給繞組一單相電壓，這樣就產生一正比所加電壓的內磁場，而電容器產生的位移電壓則產生另一磁場，當轉子旋轉時通過感應而獲得同實用電源一模一樣的電源。轉子電流在旋轉時產生一自身磁場，而通過每個定子線圈時，單相轉子磁場在另外兩個線圈上被復制，由于相位差120^。，結果就產生了一個理想的正弦波輸出。
        上述過程類似于變壓器的電磁轉換過程，在這里轉子就好比裝在旋轉軸上的二次繞組，而定子線圈則可視作一次繞組。事實上，旋轉型轉換器有時就被稱作旋轉變壓器，只是變壓器的變比為1:1而已。這種轉換器不管任何單相輸入，其輸出都是三相正弦波，但輸出為三相三角形，不能產生四線星形，如果需要四線星形則必須采用Y/△變壓器變換方可得到。
 

圖 3  旋轉型相數轉換器原理圖

2.2.2  輸出特性
        同靜止型轉換器一樣，旋轉型轉換器3根相線中有2根來自系統電源，因此其輸出特性是與系統電源有關的人造相電壓的變化特點相適應。人造相電壓又與負載有關，空載時人造相電壓較進線電壓高出約20%--25%，而負載增加則電壓下降，滿載時三相電壓接近平衡。當接帶的負載超過轉換器容量時，人造相電壓迅速下降，甚至不能維持額定運轉力矩。然而旋轉型轉換器也同時具有一種“達標”效應，即當電機達到額定轉速后，轉換器可繼續接帶比啟動時高出多倍（2-4倍）的多臺電機負荷，但只允許其中1臺電機等于轉換器的額定容量，其它電機必須小于轉換器銘牌額定容量，例如1臺25kW的旋轉型轉換器可接帶75kW的電機負荷，但只能其中1臺電機可以為25kW，其余負荷只能由小于25kW的電機組成。
        旋轉型轉換器保護簡單，采用熔絲即可，安裝控制都很方便，手動自動都可，并可實行遠程操作。
2.3  轉換器特性比較
        靜止型和旋轉型兩種轉換器的特性差別主要表現在對負荷變化的適應能力方面。靜止型僅在額定負荷點平衡，即只對一種恒定負荷產生平衡輸出，若負荷變化大，則電機運轉就要受到不平衡電流的影響，這是靜止型轉換器的主要缺點；而旋轉型轉換器在0--100％負荷范圍內都能保持電流平衡，即可以較好地適應負荷的變化，這也就是為什么靜止型轉換器在同一時間內只能帶1臺電機，而旋轉型轉換器卻不受此限制，只要不同時啟動即可。這樣對于啟動頻繁變化范圍大的負荷應用旋轉型轉換器就顯得更方便而適用。靜止型和旋轉型兩種轉換器輸出特性曲線見圖4。
 

圖a 靜止型和旋轉型轉換器輸出特性比較

        至于轉換器的效率，靜止型轉換器無轉動部件，損耗極低，而旋轉型轉換器最大負載損耗為5%。兩種轉換器對負荷性質的要求也不一樣，靜止型對高功率因數負荷不適用；而旋轉型則無此限制，對于無線電發射、激光設備、電阻電熱器等高功率因數負荷都可應用。總的來說，旋轉型轉換器在綜合性能上要優于靜止型轉換器。
3  電機的單相改造
        目前在我國專用的相數轉換設備開發基本尚處于空白，而廣大農村用戶又亟需解決三相電機在單相電源上應用的情況下，尋找一些簡單方便、經濟實用的改三相電機為單相電機的方法，以適應三相電機在單相電源上應用就成為現實的需求。下面就從改造電機入手，介紹一下三相電機在單相電源上應用的另一種途徑和方法。
        眾所周知，單相電機結構有兩個在空間上互差90^。電角度的繞組，而其產生的磁通的軸線在空間上也相差90^。電角度，當通以不同相位的電流時就可以產生二相旋轉磁場并產生力矩，使電機啟動運轉。若欲使三相電機在單相電源上應用，則可以通過簡單的改變外部接線，增加裂相元件就可達到三相改單相的目的。下面介紹兩種三相電機改為單相電機的方法。
3.1  并接電容法
        這種方法不需要改變電機的任何結構和參數，只需在三相電機任意兩個接線端子上并接適當容量的電容器，然后將單相電源一根線接在電容器的一端，而另一根線接在電機的第三個接線端即可。星形（Y）接線電機改造原理圖見圖5。同理若電機為三角形（△）接線，則不必改變電機接線，只需將電容并接在三相電機的任何兩個端子上，然后將電源接在電容器任一端和電機第三端即可。
并接電容器的容量視電機負載而定，負載大電容亦要大；負載小電容亦要小，電容耐壓水平應取1.7-1.8倍電機額定電壓，稍大些為好。

圖 5并接電容法改三相電機為單相電機

3.2 拆開繞組法
       這種方法需將兩個繞組拆開，使三相電機的任意兩個繞組串聯起來作為主繞組，另一繞組串聯一適當容量電容作為副繞組，然后將它們并接在單相電源上，星形（Y）接線電機的改造原理見圖6。若電機為三角形（△）接線，拆開接線方法與星形接線電機原理相同，但所接電容器承受電壓約為電源電壓的3倍，因此其工作電壓一般不應小于600V。

圖6拆開繞組法改三相電機為單相電機

       具體進行電機改造時，若電機的銘牌為380/220V，接線為Y/△接線，應按拆開星形（Y）法改造，接380V電源；若定子繞組為三角（△）接線電機，應按拆開三角（△）形法改造，接380V或220V皆可。
3.3　幾點說明
       (1)與應用相數轉換器不同，三相電機接線改造法系將三相電機改為單相電機應用，將使電機軸輸出功率下降，功率因數降低，且三相電流不平衡，因此該法僅適用于1. 0kW以下的小型電機。
       (2)為了增加電機的啟動力矩，一般應在工作電容上并接一個啟動電容，但該電容只在電機啟動時接入，當電機達到額定轉速時應將啟動電容切除，以防電機過熱。
       (3)三相電機改單相電機，電機效率降低，容量只有三相電機的70%--85%。

4  結束語
       三相電機在單相電源上的應用是生產生活中的現實需要，而具體選擇合適的實現途徑要因地因負荷制宜。選用相數轉換器當然方便（容量從幾個kW到幾十個kW)，而且具有結構簡單、安裝維護量小等優點，但是在我國尚屬待開發技術；改造三相電機為單相電機應用也不失為一種簡單方便、經濟實用的現實選擇，但其效率低、適用電機容量小，也使其應用范圍受到限制。
       隨著我國電力負荷的快速增長，三相電機應用于單相電源的市場必將相應擴大。除采用三相電機改造，解決一部分小容量三相電機在單相電源應用外，我國也應引進開發適合大容量電機需要的相數轉換器技術，從根本上解決城鄉廣大用戶的實際需要。尤其隨著電力電子技術的飛速發展，固態開關(SSR）和可控硅（SCR）的廣泛應用，一些性能優良、價格便宜的新型全電子型相數轉換器必將得到進一步的發展和普及，面對這一現實形勢，我國也應在此技術發展上有所作為。
參考文獻
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作者簡介：熊一權（1938一），男，高級工程師，主要從事電機、
能源與環保方面的研究。