熊一权
摘要：介绍了国内外实现单相电源应用三相电机的途径，相数转换器的构造原理、输出特性以及三相电机改造的具体实施方法，对只有单相电源的城乡用户应用三相电机提供了十分有益的参考。
关键词：三相电机,单相电源,相数转换器
1前言
电力工业尽管发展很快，但尚做不到每家每户甚至每个负荷点都接有三相电源，即使能做到也不一定必要，而且很不经济，尤其在我国广大农村只有单相电源的用户、负荷点还是大多数。现实用电过程中，不少用户却面临拥有三相异步电机而没有三相电源的尴尬局面。众所周知，三相电机运转时产生的是圆形磁场，产生的运转力矩均匀；而单相电机运转时感生的却是椭圆形磁场，产生的运转力矩自然不够均匀。因此三相电机具有运行效率高、稳定可靠、单位造价低等优点，用户自然愿意选用。如何解决只有单相电源而又需应用三相电机的无奈便成为许多厂家、电力工作者都在探讨的课题。为此许多人提出不少三相电机在单相电源下应用的解决办法，且各有优劣、各有特色。但综观其原理都离不开两种途径：不是改变电源的相数，使电源适应电机的需要；就是改三相电机为单相电机，使电机满足电源的要求。而这两种方法其实是一个问题的两个方面，目的都是设法使单相电源能应用三相电机。
关于改变电源相数，即将单相电源经专门的设备措施转换为三相电源。美国早在上个世纪60年代就出现一种叫做相数转换器（PhaseCoverter）的装置。将转换器和负荷电机一起并接到单相电源上，再由转换器引出一根人造相线，该人造相与单相电源的两根电源线一起就形成了三相电源，从而解决了单相电源接带三相电机的问题。该设备容量由几个kW到几十个kW都有，非常适合单相电源用户接带三相电机应用，在美国已形成上千万kW的市场，有的已工作长达30多年。
相数转换器分为静止型和旋转型两大类，一般旋转型转换器性能优于静止型转换器。但静止型转换器也有结构简单、损耗小、噪声低等优点。近年来由于电力电子技术的飞快发展，一些新的性能更为优越的全电子型相数转换装置已逐渐面世，并有取代传统的静止型和旋转型相数转换器的趋势，成为相数转换器发展的新方向。
上面这些相数转换器装置总的来说都是采用电容器或电抗器作为移相元件，而随着可控硅（SCR)技术的发展，相继出现了许多单／三相电源变换方案。如我国学者提出的基于矩阵电源变换的直接交一交单／三相电源变换方案，具有对电网输入电压波动与畸变的自动补偿功能，可以外接变压器实现整个范围内输出频率连续可调，这种电源变换具有一般矩阵式电源变换的优点，如保护电路简单，主电路无储能元件，便于集成等，是一种比较有前途的电子型单／三相电源变换方案。但到目前为止，我国尚没有商业化的相数转换器开发方面的报道。
正如前面所讲，除了采用专门设备改变电源相数使其适应电机需要外，也可以采用简单的措施，通过增加少量裂相元件及改变电机接线使三相电机改变为单相电机，以满足电源的要求。这种办法也不失为一种简单而实用的选择，尤其对我国广大农村、乡镇用户，采用此种办法可以在不改变电机任何结构和参数的情况下，使三相电机得以应用在单相电源上，从而使众多分散小用户的实际困难得到解决。上述方法有并入电容裂相法和拆开绕组电容裂相法，该法简便易行，随处可用。但电机输出功率只相当于额定容量的70%~80%，但对一些缺少三相电源的用户也是一种实用选择。
下面分别就单相电源应用三相电机的具体技术原理和实际做法加以介绍。
2相数转换器原理及特性
相数转换器的结构并不复杂，每台转换器需要两根有效电源线（L1,L2），将转换器和电机一起并联到单相电源上，然后由转换器引出第三线一人造相线，共同形成三相电源。转换器的功能在于产生足够的三相电压，以便使电机形成有效的启动和运转力矩，同时对每一相产生一组平衡负荷电流。相数转换器一般分成静止型和旋转型两种类型，而静止型又分为电容器型和自耦变压器型，至于新的全电子相数转换器则在积极开发中。
2.1静止型相数转换器
2.1.1电容器型
电容器型静止相数转换器系应用电容器的移相作用建立人造相电压，这一电压对于引入的线电压位移90°，这种不同相位的电压加在感应电机线圈上，其形成的磁场和系统电源线在相邻线圈上产生的磁场相互作用，结果就产生了电机的启动和运转力矩。转换器具有两个电容：一个为电解型供电机启动用，容量一般为工作电容的3-6倍，当电机达到正常转速后应将启动电容切除，以防电机过热；另一个是充油型电容供电机正常运转用。启动电容由时间继电器控制通断，即电机启动期间使电容接入，当电机转速升高达到正常转速，人造相电压上升，继电器对反应电机转速的反馈电压作出反应，即断开启动电容电路。反之电机转速下降低于正常转速，继电器则作出接入启动电容的反应。电容器型静止转换器的原理接线如图1所示。
图1电容器型静止转换器原理图
由于电容器型相数转换器没有调节输出电压的手段，所以总存在不平衡电流，面对这一情况唯一的办法是降低电机容量。事实上电容型转换器所带电机仅可达到额定容量的70％一85％，因此这种转换器一般只用在小型电机上。
2.1.2自耦变压器型
常用的静止型相数转换器多为自耦变压器型。这种转换器除需要启动和运转电容外，还需一组自耦变压器，由自耦变压器调节进线电压，然后通过电容器将电压加到负荷电机上，其原理接线如图2。由于自耦变压器具有调压机构，可调节人造相电压，从而可产生最佳电流、电压平衡。这一特点使自耦变压器型转换器所带的电机能达到铭牌功率输出，因此自耦变压器型转换器得到了广泛的应用，各种具有三相电机的风机和泵等都可通过这种转换器而接到单相电源上，而且这种转换器具有良好的启动和运转力矩。
图2自耦变压器型静止转换器原理图
所有静止型转换器都是采用高电容启动、低电容运转，电容器系按启动和运转负荷设计的，所以1台静止型转换器在同一时间内仅能接带1台三相电机。
2.2旋转型相数转换器
2.2.1构造原理
旋转型转换器是一种由单相电源供电而产生的理想的三相输出的感应电机，它可供给任何三相满载负荷的需要，如电机、电阻、整流器等，转换器的输出是一种真实而可测量的正弦波，这一点和上面介绍的静止型转换器根本不同，其原理接线如图3。那么可不可以认为旋转型相数转换器是一种机械连接的电动一发电机组呢？其实不然，旋转型转换器是一种与三相感应电机相似的单极装置，它具有对称的三相定子绕组和一个经过改型的鼠笼式转子，输出线和人造相线间跨接有电容，转换器通电后供给绕组一单相电压，这样就产生一正比所加电压的内磁场，而电容器产生的位移电压则产生另一磁场，当转子旋转时通过感应而获得同实用电源一模一样的电源。转子电流在旋转时产生一自身磁场，而通过每个定子线圈时，单相转子磁场在另外两个线圈上被复制，由于相位差120°，结果就产生了一个理想的正弦波输出。
上述过程类似于变压器的电磁转换过程，在这里转子就好比装在旋转轴上的二次绕组，而定子线圈则可视作一次绕组。事实上，旋转型转换器有时就被称作旋转变压器，只是变压器的变比为1:1而已。这种转换器不管任何单相输入，其输出都是三相正弦波，但输出为三相三角形，不能产生四线星形，如果需要四线星形则必须采用Y/△变压器变换方可得到。
图3旋转型相数转换器原理图
2.2.2输出特性
同静止型转换器一样，旋转型转换器3根相线中有2根来自系统电源，因此其输出特性是与系统电源有关的人造相电压的变化特点相适应。人造相电压又与负载有关，空载时人造相电压较进线电压高出约20%-25%，而负载增加则电压下降，满载时三相电压接近平衡。当接带的负载超过转换器容量时，人造相电压迅速下降，甚至不能维持额定运转力矩。然而旋转型转换器也同时具有一种“达标”效应，即当电机达到额定转速后，转换器可继续接带比启动时高出多倍（2-4倍）的多台电机负荷，但只允许其中1台电机等于转换器的额定容量，其它电机必须小于转换器铭牌额定容量，例如1台25kW的旋转型转换器可接带75kW的电机负荷，但只能其中1台电机可以为25kW，其余负荷只能由小于25kW的电机组成。
旋转型转换器保护简单，采用熔丝即可，安装控制都很方便，手动自动都可，并可实行远程操作。
2.3转换器特性比较
静止型和旋转型两种转换器的特性差别主要表现在对负荷变化的适应能力方面。静止型仅在额定负荷点平衡，即只对一种恒定负荷产生平衡输出，若负荷变化大，则电机运转就要受到不平衡电流的影响，这是静止型转换器的主要缺点；而旋转型转换器在0-100％负荷范围内都能保持电流平衡，即可以较好地适应负荷的变化，这也就是为什么静止型转换器在同一时间内只能带1台电机，而旋转型转换器却不受此限制，只要不同时启动即可。这样对于启动频繁变化范围大的负荷应用旋转型转换器就显得更方便而适用。静止型和旋转型两种转换器输出特性曲线见图4。
图4静止型和旋转型转换器输出特性比较
至于转换器的效率，静止型转换器无转动部件，损耗极低，而旋转型转换器最大负载损耗为5%。两种转换器对负荷性质的要求也不一样，静止型对高功率因数负荷不适用；而旋转型则无此限制，对于无线电发射、激光设备、电阻电热器等高功率因数负荷都可应用。总的来说，旋转型转换器在综合性能上要优于静止型转换器。
3电机的单相改造
目前在我国专用的相数转换设备开发基本尚处于空白，而广大农村用户又亟需解决三相电机在单相电源上应用的情况下，寻找一些简单方便、经济实用的改三相电机为单相电机的方法，以适应三相电机在单相电源上应用就成为现实的需求。下面就从改造电机入手，介绍一下三相电机在单相电源上应用的另一种途径和方法。
众所周知，单相电机结构有两个在空间上互差90。电角度的绕组，而其产生的磁通的轴线在空间上也相差90°电角度，当通以不同相位的电流时就可以产生二相旋转磁场并产生力矩，使电机启动运转。若欲使三相电机在单相电源上应用，则可以通过简单的改变外部接线，增加裂相元件就可达到三相改单相的目的。下面介绍两种三相电机改为单相电机的方法。
3.1并接电容法
这种方法不需要改变电机的任何结构和参数，只需在三相电机任意两个接线端子上并接适当容量的电容器，然后将单相电源一根线接在电容器的一端，而另一根线接在电机的第三个接线端即可。星形（Y）接线电机改造原理图见图5。同理若电机为三角形（△）接线，则不必改变电机接线，只需将电容并接在三相电机的任何两个端子上，然后将电源接在电容器任一端和电机第三端即可。
并接电容器的容量视电机负载而定，负载大电容亦要大；负载小电容亦要小，电容耐压水平应取1.7-1.8倍电机额定电压，稍大些为好。
图5并接电容法改三相电机为单相电机
3.2拆开绕组法
这种方法需将两个绕组拆开，使三相电机的任意两个绕组串联起来作为主绕组，另一绕组串联一适当容量电容作为副绕组，然后将它们并接在单相电源上，星形（Y）接线电机的改造原理见图6。若电机为三角形（△）接线，拆开接线方法与星形接线电机原理相同，但所接电容器承受电压约为电源电压的3倍，因此其工作电压一般不应小于600V。
图6拆开绕组法改三相电机为单相电机
具体进行电机改造时，若电机的铭牌为380/220V，接线为Y/△接线，应按拆开星形（Y）法改造，接380V电源；若定子绕组为三角（△）接线电机，应按拆开三角（△）形法改造，接380V或220V皆可。
3.3几点说明
(1)与应用相数转换器不同，三相电机接线改造法系将三相电机改为单相电机应用，将使电机轴输出功率下降，功率因数降低，且三相电流不平衡，因此该法仅适用于1.0kW以下的小型电机。
(2)为了增加电机的启动力矩，一般应在工作电容上并接一个启动电容，但该电容只在电机启动时接入，当电机达到额定转速时应将启动电容切除，以防电机过热。
(3)三相电机改单相电机，电机效率降低，容量只有三相电机的70%-85%。
4结束语
三相电机在单相电源上的应用是生产生活中的现实需要，而具体选择合适的实现途径要因地因负荷制宜。选用相数转换器当然方便（容量从几个kW到几十个kW)，而且具有结构简单、安装维护量小等优点，但是在我国尚属待开发技术；改造三相电机为单相电机应用也不失为一种简单方便、经济实用的现实选择，但其效率低、适用电机容量小，也使其应用范围受到限制。
随着我国电力负荷的快速增长，三相电机应用于单相电源的市场必将相应扩大。除采用三相电机改造，解决一部分小容量三相电机在单相电源应用外，我国也应引进开发适合大容量电机需要的相数转换器技术，从根本上解决城乡广大用户的实际需要。尤其随着电力电子技术的飞速发展，固态开关(SSR）和可控硅（SCR）的广泛应用，一些性能优良、价格便宜的新型全电子型相数转换器必将得到进一步的发展和普及，面对这一现实形势，我国也应在此技术发展上有所作为。
参考文献
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杨喜军，等．单／三相“非方阵”矩阵式交交电源交换技术．电工技术，2001,(9).
熊一权．单相电源转换为三相电源的相位变换器．辽宁电力工程学报，1996,(7).