摘要：介紹了國內(nèi)外實現(xiàn)單相電源應(yīng)用三相電機的途徑，相數(shù)轉(zhuǎn)換器的構(gòu)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(xiāng)用戶應(yīng)用三相電機提供了十分有益的參考。
關(guān)鍵詞：三相電機,單相電源,相數(shù)轉(zhuǎn)換器

1  前言
        電力工業(yè)盡管發(fā)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(jīng)濟，尤其在我國廣大農(nóng)村只有單相電源的用戶、負荷點還是大多數(shù)。現(xiàn)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(zhuǎn)時產(chǎn)生的是圓形磁場，產(chǎn)生的運轉(zhuǎn)力矩均勻；而單相電機運轉(zhuǎn)時感生的卻是橢圓形磁場，產(chǎn)生的運轉(zhuǎn)力矩自然不夠均勻。因此三相電機具有運行效率高、穩(wěn)定可靠、單位造價低等優(yōu)點，用戶自然愿意選用。如何解決只有單相電源而又需應(yīng)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(yīng)用的解決辦法，且各有優(yōu)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(shù)，使電源適應(yīng)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(shè)法使單相電源能應(yīng)用三相電機。
        關(guān)于改變電源相數(shù)，即將單相電源經(jīng)專門的設(shè)備措施轉(zhuǎn)換為三相電源。美國早在上個世紀60年代就出現(xiàn)一種叫做相數(shù)轉(zhuǎn)換器（Phase Coverter）的裝置。將轉(zhuǎn)換器和負荷電機一起并接到單相電源上，再由轉(zhuǎn)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(shè)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(yīng)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(shù)轉(zhuǎn)換器分為靜止型和旋轉(zhuǎn)型兩大類，一般旋轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)于靜止型轉(zhuǎn)換器。但靜止型轉(zhuǎn)換器也有結(jié)構(gòu)簡單、損耗小、噪聲低等優(yōu)點。近年來由于電力電子技術(shù)的飛快發(fā)展，一些新的性能更為優(yōu)越的全電子型相數(shù)轉(zhuǎn)換裝置已逐漸面世，并有取代傳統(tǒng)的靜止型和旋轉(zhuǎn)型相數(shù)轉(zhuǎn)換器的趨勢，成為相數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)展的新方向。
        上面這些相數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了許多單／三相電源變換方案。如我國學(xué)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(wǎng)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(xiàn)整個范圍內(nèi)輸出頻率連續(xù)可調(diào)，這種電源變換具有一般矩陣式電源變換的優(yōu)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(yè)化的相數(shù)轉(zhuǎn)換器開發(fā)方面的報道。
        正如前面所講，除了采用專門設(shè)備改變電源相數(shù)使其適應(yīng)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?yōu)閱蜗嚯姍C，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(nóng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)用戶，采用此種辦法可以在不改變電機任何結(jié)構(gòu)和參數(shù)的情況下，使三相電機得以應(yīng)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(dāng)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(yīng)用三相電機的具體技術(shù)原理和實際做法加以介紹。
2  相數(shù)轉(zhuǎn)換器原理及特性
        相數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，每臺轉(zhuǎn)換器需要兩根有效電源線（L1, L2)，將轉(zhuǎn)換器和電機一起并聯(lián)到單相電源上，然后由轉(zhuǎn)換器引出第三線一人造相線，共同形成三相電源。轉(zhuǎn)換器的功能在于產(chǎn)生足夠的三相電壓，以便使電機形成有效的啟動和運轉(zhuǎn)力矩，同時對每一相產(chǎn)生一組平衡負荷電流。相數(shù)轉(zhuǎn)換器一般分成靜止型和旋轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器則在積極開發(fā)中。
2.1 靜止型相數(shù)轉(zhuǎn)換器
2.1.1 電容器型
        電容器型靜止相數(shù)轉(zhuǎn)換器系應(yīng)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(yīng)電機線圈上，其形成的磁場和系統(tǒng)電源線在相鄰線圈上產(chǎn)生的磁場相互作用，結(jié)果就產(chǎn)生了電機的啟動和運轉(zhuǎn)力矩。轉(zhuǎn)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(dāng)電機達到正常轉(zhuǎn)速后應(yīng)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(zhuǎn)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(dāng)電機轉(zhuǎn)速升高達到正常轉(zhuǎn)速，人造相電壓上升，繼電器對反應(yīng)電機轉(zhuǎn)速的反饋電壓作出反應(yīng)，即斷開啟動電容電路。反之電機轉(zhuǎn)速下降低于正常轉(zhuǎn)速，繼電器則作出接入啟動電容的反應(yīng)。電容器型靜止轉(zhuǎn)換器的原理接線如圖1所示。
 

圖1    電容器型靜止轉(zhuǎn)換器原理圖

        由于電容器型相數(shù)轉(zhuǎn)換器沒有調(diào)節(jié)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(zhuǎn)換器所帶電機僅可達到額定容量的70％一85％，因此這種轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器多為自藕變壓器型。這種轉(zhuǎn)換器除需要啟動和運轉(zhuǎn)電容外，還需一組自藕變壓器，由自藕變壓器調(diào)節(jié)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(diào)壓機構(gòu)，可調(diào)節(jié)人造相電壓，從而可產(chǎn)生最佳電流、電壓平衡。這一特點使自藕變壓器型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器得到了廣泛的應(yīng)用．各種具有三相電機的風(fēng)機和泵等都可通過這種轉(zhuǎn)換器而接到單相電源上，而且這種轉(zhuǎn)換器具有良好的啟動和運轉(zhuǎn)力矩。

圖2 自藕變壓器型靜止轉(zhuǎn)換器原理圖

         所有靜止型轉(zhuǎn)換器都是采用高電容啟動、低電容運轉(zhuǎn)，電容器系按啟動和運轉(zhuǎn)負荷設(shè)計的，所以1臺靜止型轉(zhuǎn)換器在同一時間內(nèi)僅能接帶1臺三相電機。
2.2 旋轉(zhuǎn)型相數(shù)轉(zhuǎn)換器
2.2.1構(gòu)造原理
        旋轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)換器是一種由單相電源供電而產(chǎn)生的理想的三相輸出的感應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器根本不同，其原理接線如圖3。那么可不可以認為旋轉(zhuǎn)型相數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種機械連接的電動一發(fā)電機組呢？其實不然，旋轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)換器是一種與三相感應(yīng)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(jīng)過改型的鼠籠式轉(zhuǎn)子，輸出線和人造相線間跨接有電容，轉(zhuǎn)換器通電后供給繞組一單相電壓，這樣就產(chǎn)生一正比所加電壓的內(nèi)磁場，而電容器產(chǎn)生的位移電壓則產(chǎn)生另一磁場，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時通過感應(yīng)而獲得同實用電源一模一樣的電源。轉(zhuǎn)子電流在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生一自身磁場，而通過每個定子線圈時，單相轉(zhuǎn)子磁場在另外兩個線圈上被復(fù)制，由于相位差120^。，結(jié)果就產(chǎn)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(zhuǎn)換過程，在這里轉(zhuǎn)子就好比裝在旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)型轉(zhuǎn)換器有時就被稱作旋轉(zhuǎn)變壓器，只是變壓器的變比為1:1而已。這種轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)型相數(shù)轉(zhuǎn)換器原理圖

2.2.2  輸出特性
        同靜止型轉(zhuǎn)換器一樣，旋轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)換器3根相線中有2根來自系統(tǒng)電源，因此其輸出特性是與系統(tǒng)電源有關(guān)的人造相電壓的變化特點相適應(yīng)。人造相電壓又與負載有關(guān)，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(dāng)接帶的負載超過轉(zhuǎn)換器容量時，人造相電壓迅速下降，甚至不能維持額定運轉(zhuǎn)力矩。然而旋轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)換器也同時具有一種“達標(biāo)”效應(yīng)，即當(dāng)電機達到額定轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)換器可繼續(xù)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(zhuǎn)換器的額定容量，其它電機必須小于轉(zhuǎn)換器銘牌額定容量，例如1臺25kW的旋轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器特性比較
        靜止型和旋轉(zhuǎn)型兩種轉(zhuǎn)換器的特性差別主要表現(xiàn)在對負荷變化的適應(yīng)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(chǎn)生平衡輸出，若負荷變化大，則電機運轉(zhuǎn)就要受到不平衡電流的影響，這是靜止型轉(zhuǎn)換器的主要缺點；而旋轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)換器在0--100％負荷范圍內(nèi)都能保持電流平衡，即可以較好地適應(yīng)負荷的變化，這也就是為什么靜止型轉(zhuǎn)換器在同一時間內(nèi)只能帶1臺電機，而旋轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)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(yīng)用旋轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)換器就顯得更方便而適用。靜止型和旋轉(zhuǎn)型兩種轉(zhuǎn)換器輸出特性曲線見圖4。
 

圖a 靜止型和旋轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)換器輸出特性比較

        至于轉(zhuǎn)換器的效率，靜止型轉(zhuǎn)換器無轉(zhuǎn)動部件，損耗極低，而旋轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)換器最大負載損耗為5%。兩種轉(zhuǎn)換器對負荷性質(zhì)的要求也不一樣，靜止型對高功率因數(shù)負荷不適用；而旋轉(zhuǎn)型則無此限制，對于無線電發(fā)射、激光設(shè)備、電阻電熱器等高功率因數(shù)負荷都可應(yīng)用。總的來說，旋轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)換器在綜合性能上要優(yōu)于靜止型轉(zhuǎn)換器。
3  電機的單相改造
        目前在我國專用的相數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備開發(fā)基本尚處于空白，而廣大農(nóng)村用戶又亟需解決三相電機在單相電源上應(yīng)用的情況下，尋找一些簡單方便、經(jīng)濟實用的改三相電機為單相電機的方法，以適應(yīng)三相電機在單相電源上應(yīng)用就成為現(xiàn)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(yīng)用的另一種途徑和方法。
        眾所周知，單相電機結(jié)構(gòu)有兩個在空間上互差90^。電角度的繞組，而其產(chǎn)生的磁通的軸線在空間上也相差90^。電角度，當(dāng)通以不同相位的電流時就可以產(chǎn)生二相旋轉(zhuǎn)磁場并產(chǎn)生力矩，使電機啟動運轉(zhuǎn)。若欲使三相電機在單相電源上應(yīng)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(jié)構(gòu)和參數(shù)，只需在三相電機任意兩個接線端子上并接適當(dāng)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(yīng)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(lián)起來作為主繞組，另一繞組串聯(lián)一適當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)按拆開三角（△）形法改造，接380V或220V皆可。
3.3　幾點說明
       (1)與應(yīng)用相數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)用，將使電機軸輸出功率下降，功率因數(shù)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(yīng)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(dāng)電機達到額定轉(zhuǎn)速時應(yīng)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(jié)束語
       三相電機在單相電源上的應(yīng)用是生產(chǎn)生活中的現(xiàn)實需要，而具體選擇合適的實現(xiàn)途徑要因地因負荷制宜。選用相數(shù)轉(zhuǎn)換器當(dāng)然方便（容量從幾個kW到幾十個kW)，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護量小等優(yōu)點，但是在我國尚屬待開發(fā)技術(shù)；改造三相電機為單相電機應(yīng)用也不失為一種簡單方便、經(jīng)濟實用的現(xiàn)實選擇，但其效率低、適用電機容量小，也使其應(yīng)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(yīng)用于單相電源的市場必將相應(yīng)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(yīng)用外，我國也應(yīng)引進開發(fā)適合大容量電機需要的相數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)，從根本上解決城鄉(xiāng)廣大用戶的實際需要。尤其隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，固態(tài)開關(guān)(SSR）和可控硅（SCR）的廣泛應(yīng)用，一些性能優(yōu)良、價格便宜的新型全電子型相數(shù)轉(zhuǎn)換器必將得到進一步的發(fā)展和普及，面對這一現(xiàn)實形勢，我國也應(yīng)在此技術(shù)發(fā)展上有所作為。
參考文獻
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作者簡介：熊一權(quán)（1938一），男，高級工程師，主要從事電機、
能源與環(huán)保方面的研究。