电机相位接线错误导致的潜在问题

交流电机有两种基本类型：单相和三相。一般来说，单相交流电机通常用于家用电器等住宅应用，而三相交流电机则用于工业应用。这主要是因为大多数家庭使用单相电源，而大多数工业场所使用三相电源。

鉴于这两种不同的电源方案，哪些电机可以在什么场合使用？如果电机使用错误或有故障的电源，会发生什么情况？本文将探讨其中的一些选项。

单相电源与三相电源

在讨论电机本身之前，了解“单相”和“三相”电源的含义非常重要。单相电源是许多家庭常用的电源，是一种有三根电线的标准接线方式：两根火线（或一根火线和一根零线）组成电路并在正常情况下传输电流，一根地线仅在发生故障时将电流传输到地面以确保安全。在美国，这些接线方案之间的电压分别为 240 V 或 120 V RMS，振荡频率均为 60 Hz。

三相电源可以有四根或五根电线，具体取决于配置。有三条相线，有时有一条中性线，几乎总是有一条地线（地线通常不作为其中一条电线安装，因此可能为“3 线……”或“带地线的 4 线”）。三条相线各自充当火线，但它们的相位彼此相差 120 度。

图 1.三相电源序列图。图片由Wikipedia Commons提供

三相电机的优点

三相交流电机具有一些独特的优势。具体来说，可以通过使用脉冲宽度调制 (PWM) 的变频驱动器 (VFD) 严格控制速度，而大多数单相电机只有几个抽头，只能实现几个固定速度。除了速度控制之外，三相交流电机可以更高效地运行，提供更高、更稳定的功率，并且可以在更高的电压下运行以消耗更少的电流。

单相电动机可以使用三相电运行吗？

如果三相系统配有中性线，例如星形配置的 208 伏电源，其中线到地的电压为 120 伏，那么它实际上是真正的单相电源，并且我们对该电机没有任何问题！这里要解决的问题是，如果电源没有中性线，单相电机是否可以连接到三相电源线？

虽然不是理想的，但只要线间电压不超过电机的额定值，单相电机就可以与三相电源系统一起工作。然而，必须避免一个常见的误解。人们很容易将电机连接到三相系统的单相上。这种配置的问题在于三相不平衡。

理论上可以将三台单相电机连接到三相系统的每个相上，只要它们足够相似，以尽量减少三相之间的负载差异。这被称为“三相电机组”，它用于一些暖通空调、机器人和材料运输类型的任务。考虑一条装配线，其中多个电机可能以相同的速度转动，负载一致，非极端。在这种情况下，三相电机组可以相对容易地平衡。

由于单相电机通常设计为 120 V/60 Hz 电源，因此确保电机能够处理VFD 提供的任何频率控制非常重要，但大多数电机无法处理。三相之间的单独速度控制，以保持这种平衡也很棘手。此外，不均匀的磨损或负载会增加相之间的不平衡，既影响电机的使用寿命，又降低系统的效率。总之，在大多数情况下，使用一台三相电机要比尝试使用三台单相电机好得多（也更便宜）。

三相电机接线错误

三相电源的一个潜在问题是，其中一相或多相可能会发生故障。一相发生故障，不再供电，这是完全有可能的。如果三相电机只在两相线路上运行（无论是由于故障，还是由于电机在单相电源上运行），那么使用三相电机的所有优势都会消失。

速度控制要困难得多，因为至少有一个相位缺失，这意味着剩余相位必须弥补差异。变频器必须调整缺失的相位；如果它可以通过速度传感器进行调整，它可能只会增加剩余相位的电流消耗、物理和热过载以及一系列相关问题。如果变频器仅用作输出端，它不会准确地将电机调到适当的速度。此外，即使电流消耗较高，电机也会以较低的扭矩运行，这意味着整体效率降低，并且可能难以启动或运行。

此外，电机不再处于电气或磁性平衡状态，从而会产生电磁干扰 (EMI)。其中一些信号会被底盘抑制，但 EMI 可能会影响附近的仪器。不平衡不仅是电气上的，也是机械上的，电机负载上会检测到振动。

总体而言，如果三相电机的相数接线错误，会导致电机产生电气噪声、不平衡，并且性能和效率会降低。电机更容易过载，使用寿命可能会缩短。

值得注意的是，VFD 可以做很多事情，因此它可以用来模拟三相系统。通过适当调整 VFD，可以减少不平衡和振动，同时扭矩和速度可以接近三相运行时的扭矩和速度。

还有另一种布线方案，即在端子之间放置一个大电容器，以使信号移相。适当的电容器尺寸（以及适当的时间常数）可以引起足够的相移来模拟三相。

频率：60 Hz 对 50 Hz

虽然美国的标准是 60 Hz，但世界上大部分地区都使用 50 Hz 电源。假设一家公司想在海外建立一个与美国现有工厂相匹配的双制造厂。如果使用相同的电机，则使用 50 Hz 的电机运行速度会稍慢一些，消耗的电流更大，扭矩也会低于预期。

电机会运转，但这并不是需要考虑的因素。通常，电机的冷却风扇与电机连接在同一根轴上。如果电机转速变慢，风扇转速也会变慢，冷却效果也会降低。冷却能力的降低与电流消耗的增加相结合，热过载的可能性就会大大增加。电机设计为以特定的工作频率运行，因此很容易为合适的电源系统找到合适的电机。