第2节 三相电力系统 (修订中)
[TOC]
# 1. 什么是分相电力系统？
[分相电力系统](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating- (opens new window)
顺便说一下，这种技术对直流电源系统的效果与对单相交流系统的效果一样好。这种系统通常被称为_三线_系统而不是_分相_系统，因为“相位”是一个仅限于交流电的概念。
但是我们从向量和复数的经验中知道，交流电压并不总是像我们认为的那样相加，如果它们彼此异相。
应用于电力系统的这一原理可用于使电力系统具有比分相更高的导体效率和更低的电击危险。
# 2. 例子
# 2.1. 两个 120° 异相电压源
假设我们有两个交流电压源串联，就像我们之前看到的分相系统一样，除了每个电压源与另一个电压源相差 120°：（下图）
一对 120 Vac 电源相位为 120°，类似于分相。
由于每个电压源为 120 伏，并且每个负载电阻器直接与其各自的电源并联，因此每个负载上的电压也_必须_为 120 伏。假设负载电流为 83.33 安培，每个负载仍必须消耗 10 千瓦的功率。
但是，两条“热”线之间的电压不是 240 伏（120 ∠ 0° - 120 ∠ 180°），因为两个电源之间的相位差不是 180°。相反，电压是：
名义上，我们说“热”导体之间的电压为 208 伏（向上取整），因此电力系统电压指定为 120/208。
如果我们计算通过“中性”导体的电流，我们会发现它_不_为零，即使负载电阻平衡。基尔霍夫电流定律 (opens new window)告诉我们，进入和离开两个负载之间节点的电流必须为零：（下图）
在一对 120° 相控源的情况下，中性线承载电流。
# 2.2. 调查结果和结论
因此，我们发现“中性”线承载了整整 83.33 安培，就像每条“热”线一样。
请注意，我们仍在向两个负载输送 20 kW 的总功率，每个负载的“热”线与以前一样承载 83.33 安培。
在通过每条“热”线的相同电流量的情况下，我们必须使用相同规格的铜导体，因此与分相 120/240 系统相比，我们没有降低系统成本。
但是，我们已经实现了安全性的提高，因为两个“热”导体之间的总电压比分相系统中的低 32 伏（208 伏而不是 240 伏）。
# 2.3. 三个 120° 异相电压源
中性线承载 83.33 安培电流的事实提出了一个有趣的可能性：既然它无论如何都承载电流，为什么不使用第三根线作为另一个“热”导体，用第三个具有相位角的 120 伏电源为另一个负载电阻供电240°？
这样，我们可以传输_更多_功率（另外 10 kW），而无需添加更多导体。让我们看看它的外观：（下图）
第三个负载与其他两个负载成 120° 相位，电流与两个负载相同。
# 2.4. 三相系统的 SPICE 计算
对该电路中所有电压和电流 (opens new window)的完整数学分析将需要使用网络定理，最简单的是叠加定理。
我将省去您冗长的计算，因为您应该能够直观地理解三个不同相位角的三个电压源将分别向平衡的负载电阻器三组提供 120 伏的电压。
为了证明这一点，我们可以使用 SPICE 为我们做数学计算：（下图，SPICE 列表：120/208 多相电力系统）
SPICE 电路：三个 3-Φ 负载相位为 120°。
120/208 多相电力系统 v1 1 0 ac 120 0 sin v2 2 0 ac 120 120 sin v3 3 0 ac 120 240 sin r1 1 4 1.44 r2 2 4 1.44 r3 3 4 1.44 .ac lin 1 60 60 .print ac v( 1,4) v(2,4) v(3,4) .print ac v(1,2) v(2,3) v(3,1) .print ac i(v1) i(v2) i( v3) .end
每个负载频率上的电压 v(1,4) v(2,4) v(3,4) 6.000E+01 1.200E+02 1.200E+02 1.200E+02 “热”导体之间的电压频率 v(1, 2) v(2,3) v(3,1) 6.000E+01 2.078E+02 2.078E+02 2.078E+02 通过每个电压源的电流频率 i(v1) i(v2) i(v3) 6.000E +01 8.333E+01 8.333E+01 8.333E+01
果然，我们在每个负载电阻上得到 120 伏电压，任意两个“热”导体之间（大约）208 伏电压，导体电流等于 83.33 安培。（下图）
在该电流和电压下，每个负载将消耗 10 kW 的功率。
请注意，该电路没有“中性”导体，以确保所有负载的稳定电压（如果应该打开）。
我们这里的情况类似于没有“中性”导体的分相电源电路：如果一个负载发生故障断开，其余负载上的电压降将发生变化。
为了确保在另一个负载开路时负载电压稳定，我们需要一根中性线将源节点和负载节点连接在一起：
用仿真结果注释的 SPICE 电路：三个 3-Φ 负载相位为 120°。
只要负载保持平衡（相等的电阻，相等的电流），中性线根本不需要承载任何电流。以防一个或多个负载电阻发生故障打开（或通过断路开关关闭）。
# 2.5. 多相电路
我们一直在用三个电压源分析的这个电路称为_多相_电路。前缀“poly”仅表示“不止一个”，如“ polytheism”（信仰不止一个神）、“ poly gon”（由__多_条线段组成的几何形状：例如_五边形_和_六边形），和“_多_原子”（由多种原子组成的物质）。
由于电压源都处于不同的相位角（在这种情况下，三个不同的相位角），这是一个“多相”电路。
更具体地说，它是一种_三相电路_，主要用于大型配电系统。
# 2.6. 三相系统与单相系统
# 2.6.1. 单相系统
让我们来看看三相电力系统相对于等效负载电压和功率容量的单相系统的优势。具有三个直接并联负载的单相系统将具有非常高的总电流（83.33 乘以 3，或 250 安培。（下图）
作为比较，120 Vac 系统上的三个 10 Kw 负载消耗 250 A。
这需要 3/0 规格的铜线（_非常_大！），每千英尺约 510 磅，并附有相当大的价格标签。如果从源到负载的距离是 1000 英尺，我们将需要超过半吨的铜线来完成这项工作。
# 2.6.2. 分相系统
另一方面，我们可以构建具有两个 15 kW、120 伏负载的分相系统。（下图）
与 120 Vac 系统相比，分相系统在 240 Vac 下消耗 125 A 电流的一半。
我们的电流是简单并联电路的一半，这是一个很大的改进。
我们可以使用总质量约为 600 磅的 2 号规格铜线，计算出每千英尺约 200 磅，源和负载之间各有 1000 英尺的三个运行。然而，我们还必须考虑系统中存在 240 伏电压的安全隐患，即使每个负载仅接收 120 伏电压。
总体而言，发生危险电击的可能性更大。
# 2.6.3. 三相系统
当我们将这两个示例与我们的三相系统（上图）进行对比时，优势非常明显。
首先，导体电流要小得多（83.33 安培与 125 或 250 安培相比），允许使用更细更轻的导线。我们可以使用每千英尺约 125 磅的 4 号线规，对于我们的示例电路，总计 500 磅（每条 1000 英尺的四条线路）。
与分相系统相比，这代表了显著的成本节约，另外还有一个好处是系统中的最大电压较低（208 对 240）。
还有一个问题有待回答：我们究竟如何获得三个相位角正好相差 120° 的交流电压源？
显然，我们不能像在分相系统中那样对变压器或交流发电机绕组进行中心抽头，因为这只能给我们提供同相或异相 180° 的电压波形。
也许我们可以想出一些方法来使用电容器和电感器来产生 120° 的相移，但是这些相移也将取决于我们的负载阻抗的相角（用容性或感性负载代替电阻性负载会改变一切！）。
获得我们正在寻找的相移的最佳方法是在源头产生它：构建交流发电机（交流发电机）以使旋转磁场通过三组绕组，每组如下图所示，围绕机器圆周间隔 120°。
(a) 单相交流发电机，(b) 三相交流发电机。
三相交流发电机的六个“极”绕组一起连接成三个绕组对，每对产生的交流电压 (opens new window)与其他两个绕组对中的任何一个相角偏移 120°。
为简单起见，三相交流发电机图中省略了绕组对之间的互连（如单相交流发电机所示：绕组 1a 和 1b 之间的跨接线）。
在我们的示例电路中，我们展示了三个电压源以“Y”配置（有时称为“星形”配置）连接在一起，每个电源的一根引线连接到一个公共点（我们连接“中性”的节点导体）。
描述这种连接方案的常用方法是将绕组绘制成“Y”形，如下图所示。
交流发电机“Y”配置。
“Y”配置并不是我们唯一可以选择的选项，但一开始它可能是最容易理解的。本章稍后将对此主题进行更多介绍。
# 3. 总结
- _单相_电力系统是只有一个交流电压源（一个源电压波形）的系统。
- _分相_电力系统是一个有两个电压源，彼此相移 180°，为两个串联负载供电的电力系统。这样做的优点是能够具有较低的导体电流，同时出于安全原因保持低负载电压。
- _多相_电力系统使用彼此不同相位角的多个电压源（工作电压波形的许多“相位”）。与单相或分相系统相比，多相电力系统可以使用更小规格的导体以更低的电压提供更多的电力。
- 多相电力系统所需的相移电压源是在具有多组绕组的交流发电机中产生的。这些绕组组以所需角度围绕转子旋转的圆周间隔开。
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