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三相交流電源的應用：模擬三相不平衡

三相交流電源的應用：模擬三相不平衡

關鍵字：電壓不平衡(Voltage Unbalance)、解決三相不平衡的電源供應器(eliminates phase imbalance Power Supply)、三相不平衡＋逆相欠相監視繼電器(Monitors voltage asymmetry, phase sequence and phase loss Relay)、感應電動機(Induction Motor)、變頻器(VFD：Variable-frequency Driver)

理想的三相交流電力系統其三相電壓為同一振幅，相位角互差120度，而且是一個三相無限匯流排。但現實往往是殘酷的，三相系統存在三相不平衡的議題，本文將探討三相不平衡的定義，三相不平衡的危害以及如何應用三相交流電源模擬三相不平衡的測試環境，以利測試相關的應用，這些應用包含解決三相不平衡的電源供應器；三相不平衡＋逆相欠相監視繼電器；三相感應馬達及控制馬達之變頻器。

低壓三相電力配電系統的應用

以台灣為例，三相低壓配電系統包含3Ф3W (220V V-V接)及3Ф4W(220/380V)共佔整體用電負載的16.4%(見表一)，其中最多的應用是馬達，泵浦，風機，空壓機等應用。

用戶類型	用戶數	負載占比
特高壓 (161KV/69KV)	626	32.4%
高壓 (11.4/22.8KV)	25,453	28.8%
配電系統 1Ф3W (110/220V)	12,972,935	22.4%
配電系統 3Ф3W (220V V-V 接)	237,677	10.2%
配電系統 (220/380V)	835,493	6.2%
小計	14,072,184	100.00%

表一：台灣2022年用電用戶類型及負載結構(2022全年用電量約2794.5億度) ^參1

三相不平衡的定義

三相不平衡指的是三相系統中，線電壓的基本波有效值互不相等或線電壓之間的相位角互不相等。

三相電壓不平衡的定義，主要分為「真定義」(True Definition)、「NEMA^註解1 定義」及「IEEE ^註解2定義」三種。計算方法如表二。

範例：

以線電壓為380V，390V，370V為例，採用NEMA的定義公式計算，平均線電壓(Average Line Voltage)為380V，平均線電壓最大變異量(Max. deviation from average line voltage)為 380-380=0；390-380=10，380-370=10，取最大變異量10。

電壓不平衡率=10/380=2.63%

定義	公式
真定義	負序電壓 (Negative-Sequence Voltage) 正序電壓 (Positive-Sequence Voltage)
NEMA 定義
IEEE 定義

表二：三相電壓不平衡三種定義的公式^參1,2

圖一：不同線電壓下NEMA與真定義的關係 (以NEMA 2%、5%、10%及20%為例) ^參1,2

NEMA定義	真定義	趨近公式
%	%	%
2	2-2.3	2-2.3
5	5-5.8	5-5.8
10	10.3-11.6	10-11.6
20	21-23.8	20-23.2

表三：由圖一整理出NEMA定義與真定義間的近似公式^參1,2

「真定義」為負序電壓分量與正序電壓分量之比值(%VUF )，因其無法透過實測直接獲得，故實務上經常使用量測線電壓不平衡率(%LVUR)之「NEMA定義」或量測相電壓不平衡率(%PVUR)之「IEEE定義」來趨近「真定義」。美國標準ANSI C84.1_C.2建議電壓不平衡率在3%以下(空載)。

三相電壓不平衡產生原因

造成不平衡的主要原因：單相負載。單向大容量負載如電氣化鐵路、電弧爐、電焊機等在系統中容量與電氣位置分布不合理。

三相不平衡的危害

供電電壓不平衡將使電氣設備(如電動機)熱損耗增加、發生震動，根據Bryan Glenn^參3及Edvard Csanyi^參4的兩篇文獻指出：每產生1%的電壓不平衡，就會產生6%至10%的電流不平衡，並以5hp、1,725rpm、230V、3相60Hz感應馬達為例，提出不平衡電壓對馬達性能之影響如表四:

特性	性能
平均電壓	230	230	230
電壓不平衡率	0.3	2.3	5.4
電流不平衡率	0.4	17.7	40.0
溫升,℃	0	30	40

表四：電壓不平衡對3相感應馬達之影響

產品需具備承受三相不平衡的能力或提供預防或保護措施

美國標準ANSI建議電壓不平衡率在3%以下(空載)，這也意味著產品需具備承受此規格的能力。運用交流電源模擬三相不平衡電壓來測試待測物，測試場景包含研發階段的設計驗證與品保階段的老化測試。

亦可透過解決三相不平衡的電源供應器(eliminates phase imbalance Power Supply)、三相不平衡＋逆相欠相監視繼電器(Monitors voltage asymmetry, phase sequence and phase loss Relay)等產品進行預防或保護的措施。例如：OMROM公司的S8VK-WA及K8AK-PA^參4。

以上的應用都需要三相交流電源提供三相不平衡電壓；改變相位角；改變相序來進行測試。

圖二：固緯電子ASR-6000系列交流電源輸出不平衡三相電壓畫面(左)，示波器量測輸出波形(右)