本工程簡介介紹了應用於三相系統的單相故障。它強調了對馬達的潛在破壞性影響。它也擴展了這個概念，包括對三相感應馬達同樣有害的相位不平衡。最後建議透過將馬達起動器與適當調整的熱或固態過載繼電器結合來保護昂貴的馬達。
重點
- 缺相或相位平衡不良可能會損壞（過熱）三相感應馬達。
- 具有正確匹配的過載繼電器的馬達啟動器可以在繞組損壞發生之前自動斷開馬達。
- 缺相時已經運轉的馬達可能會根據負載扭力繼續運轉。馬達運轉直至燒壞的風險很高。
- 單相馬達中啟動電容器的損耗與三相馬達中的相損耗相似。在這兩種情況下，旋轉磁場都會消失。
什麼是三相系統？
美國電網就是三相系統的一個例子。大型發電機、開關設備和配電系統都是為了提供三相交流電而建造的。在三相系統中，每個波形與其他波形偏移 120 電角度。
有豐富的歷史描述了該系統在 20 世紀初期是如何開發的。故事圍繞著三相電機展開，它曾經是、現在仍然是最大的電力消耗者。三相系統仍然很流行，因為它在成本效益、效率和可靠性方面進行了最佳化。
圖 1：一台三相馬達旁邊是帶有熱過載保護器的換向馬達起動器。
作者感想（經驗）：商業建築缺相可不是好事。如果不及時處理，部分負載仍能正常運作，而其他負載則無法運作。最明顯的症狀是成片的頂燈不亮。
對於這些燈具來說，這只是造成不便（前提是它們沒有相間連接）。然而，這對三相馬達來說卻是災難性的。我見過很多電工因為這種情況而感到沮喪，因為他們通常需要更換燒毀的馬達。
什麼是單相故障？
單相故障是指三相系統中的一條相線斷開或遺失。乍一看，這個定義似乎不太準確，因為三相中還有兩相存在。然而，在三相馬達內部，情況並非如此。從馬達的角度來看，剩餘的兩相表現為單相：
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三相馬達運轉時：馬達定子中存在旋轉磁場。回想一下，這種旋轉磁場是19世紀電氣工程的巔峰成就之一，並在20世紀初廣泛應用。旋轉磁場是三相馬達所有優勢的基礎技術，這些優勢包括體積小、重量輕和效率高。
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缺少一相時：定子中的磁場不再「旋轉」。相反，磁場會在一個物理平面內膨脹和收縮。因此，三相馬達將作為單相馬達運轉。
技術提示：旋轉磁場概念也適用於單相馬達。例如，單相馬達最常見的故障模式之一是相移電容器損壞。出現此類故障的單相馬達將無法自啟動。這是一個常見的故障，因此許多馬達都被設計成可以讓使用者快速更換電容器，如圖 2 所示。
回想一下，該電容器是許多單相馬達中的關鍵組件，因為它會產生相移。從馬達的角度來看，這種相移表現為旋轉磁場。形象化這種情況的另一種方法是認識到電容器將單相馬達變成兩相（正交電流）馬達。
圖 2：舊單相馬達的照片，外殼已拆除，露出使用者可更換的相移（起動）電容器。
當輸入相喪失時，電機會發生什麼情況？
假設馬達直接連接到交流饋線且沒有保護措施，則可能出現三種不良後果：
起動失敗
三相馬達只有在三相電源都存在以產生旋轉磁場的情況下才能起動。如果沒有旋轉磁場，馬達將無法轉動，並很快燒毀。
重載運行中
如果馬達在故障發生時正在運行，則當缺少一相電源時，馬達很可能會停轉。如果沒有保護措施，馬達繞組將再次損壞。
輕載運行中
在這種情況下，馬達可能會繼續運轉。但是，長時間在這種狀態下運作可能會損壞繞組。
技術提示：請注意，無需完全斷開某一相。不平衡的三相系統也可能損壞馬達。如果您懷疑有問題，請務必安全地測量三相電源電壓和馬達電流。計算分為三個步驟。
- 第一步是計算平均值，例如平均電壓。
- 第二步是確定各相電壓與平均值的偏差。
- 最後一步是將最大偏差除以平均值。
電壓結果應小於 1%。請注意，輕微的電壓不平衡也可能導致較大的電流不平衡。
例如，考慮一個 208VAC 的系統，在馬達處測得的相間電壓分別為 203、202 和 210VAC。平均值為 205VAC。最大偏差為 5VAC。百分比偏差計算為 100 * (5/205) = 2.4%。該系統被認為不平衡，需要盡快維修。任何馬達在100%機械負載下運轉都可能縮短其使用壽命。
如何保護三相馬達免受缺相影響？
第一道防線是加裝馬達起動器。馬達起動器由接觸器和熱過載保護器兩部分組成。為了延長馬達壽命，過載保護器必須與馬達匹配並進行適當的調整。這是本文的核心內容，值得再次強調：
技術提示：為了延長馬達壽命，過載保護器的選擇和調整必須與馬達相符。
可以將馬達起動器過載保護器想像成一個能夠反映馬達繞組狀態的感應裝置。傳統的馬達起動器是一個熱力裝置，帶有加熱器和雙金屬片，它們會對馬達電流做出反應。在理想情況下，馬達繞組溫度與熱力過載保護器中的熱量一一對應。過載時，馬達線圈和熱力過載保護器都會發熱。如果這種情況持續過久，熱力過載保護器會跳閘，從而切斷馬達啟動器線圈的電源。線圈能量的損失會導致接觸器斷開，使馬達停止運轉。
馬達與馬達起動之間的關係十分微妙。起初，您可能認為 1% 的電壓偏差無關緊要。然而，如前文所述，微小的電壓不平衡會導致較大的電流不平衡，進而導致單一或一對馬達繞組過熱。馬達負載的變化會使情況更加複雜。
當馬達在不平衡系統中運作且負載過重時，情況會更加複雜。無需深入探討具體細節，只需記住，馬達在不平衡系統中運作時必須降額運作。降額後的機械輸出功率可以計算。但是，您或許應該改善饋線的狀況，以保持更好的相位平衡，避免諧波干擾。
結論
在所有情況下，正確選擇和配置的馬達起動器都能提供良好的第一道保護防線。馬達起動器能夠偵測馬達過載情況以及單相故障引起的過大電流偏差。
當然，系統的複雜程度應與馬達的成本相符。一台 1 馬力的電機，如果配備一個簡易的電機起動器並由其供電和保護，則是一個不錯的選擇。而一台 100 馬力的電機，則需要配備先進的監控和保護系統，以配合其高昂的資本投入。對三相饋線進行日常監控與維護，是保護三相設備投資的必要步驟。
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原文作者: Aaron Dahlen | MSEE | Senior Applications Engineer, DigiKey