為什麼是三相電而不是兩相？

09-08

為什麼是三相電而不是兩相？

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三相交流電是與輸電技術的發展緊密相連的。

1873年維也納國際博覽會法國弗泰內，使用2km的導線，把一台用瓦斯發動機拖動的格蘭姆直流發電機，和一台轉動水泵的電動機連接起來。

1874年，俄國皮羅茨基建立了輸送功率為4.5kW的直流輸電線路，輸送距離一開始是50m，後來增加到1km。然後就開始向高壓輸電發展了。

一開始是直流輸電，但想要傳輸更遠的距離，就必須再提高電壓。在當時的條件下，直流輸電沒條件了：發電機電壓受限制、直流沒有變壓器等等。後來還發生過一場交流、直流輸電之爭。

可見，從交流輸電一開始，並不是三相的。

1832年，人們就發明了單相交流發電機。1876年、1884年、1885年，單相變壓器得到了發展。問題在於應用交流電驅動工作機械。

交流感應電動機的出現，與「旋轉磁場」這個研究緊密相連。1825年，1879年，1883年都是旋轉磁場發展的節點，1885年，弗拉利斯製成了第一台兩相感應電動機；1888年他又提出了「利用交流電來產生電動旋轉」這一經典論文。

1888年俄國多布羅斯基發明了三相交流制和效率很高的三相非同步電動機，交流輸電的優越性體現出來了。1891年8月25日，第一條三相交流高壓輸電線投運，總長175km。發電機是230kVA，95V，變壓器是200kVA、95/15200，線路末端是兩座13800/112V降壓變電所。

說到優點：與單相、兩相系統比，三相輸電系統效率比較高、用銅節省；三相電機的性能、效率和材料利用比單相、兩相的好。

三相交流電相位互差120°，任意兩相之間的線壓相同，使其較之單相交流電有很多優點，它在發電、輸配電以及電能轉換為機械能方面都有明顯的優越性。

例如：製造三相發電機、變壓器都較製造單相發電機、變壓器省材料，而且構造簡單、性能優良。又如，用同樣材料所製造的三相電機，其容量比單相電機大50%，三相旋轉電機的瞬時功率是恆定的，其瞬時轉矩也是恆定的，運轉就比較平穩；在輸送同樣功率的情況下，三相輸電線較單相輸電線，可節省有色金屬25%，而且電能損耗較單相輸電時少。

使用更多相時會使發電、輸配電及用電環節變得複雜，輸電線路根數要增加，發電機、變壓器、電動機等設備也趨於複雜化，增加製造成本；當然大容量設備假定使用四相交流電單從設備製造上也許會更合理，但電網就不同了。

另外三相不平衡已經引起很多問題了，相數多了會不會更困難？

結論：交流電為什麼不是四相、五相和六相的？

因為三相的出現後，就把市場霸佔了……各種理論全圍繞它進行。沒人搞多相的了。就是這個原因。

相數越多，就越複雜，從上面能看出來，之所以人們最終選擇三相交流電，最主要的原因是應用
劉半仙
https://www.zhihu.com/question/34958386/answer/60534382

不是我們都知道，而是很多人未必知道。

單相交流，19世紀末照明使用，很多時候都是高頻率100HZ或者133HZ。

下圖是最最古老的西門子小型單相交流發電機

三相輸電節能的原因大致有

【1】發電

這可能需要一點電氣知識，不同相的電流產生的磁場會形成旋轉磁場，而三相對稱的電流形成標準的圓形旋轉磁勢，並且存在磁耦合（任意一相產生的磁場會穿過另一相的線圈，形成電磁的相互聯繫）而對稱的旋轉磁場可以使你發出的電穩定，電力系統我們講同步，簡單來說發電機系統運行的頻率，電壓和相序一致，如果偏差較大造成失步，或者電網崩潰等，而三相對稱運行對於維持它的穩定性是很有好處的。這和節能看起來沒關係，不過不對稱會造成電力系統的震蕩，諧波等，不提運行維護，但輸電都是節能的。

【2】輸電，這裡就是損耗的問題了三及其三的倍數次諧波都會在三相對稱的變壓器中被抵消，不僅防止了磁場畸變，在線路中，已經解決了很大一部分諧波電流造成的損耗。

【3】材料，這和輸電關係不大，主要是由於線路對稱，而使電力設備如發電機等，發出同等功率，所需要的材料就少多了，至少對電網建設是天大的好處不是嗎~

有人糾結為什麼不是四相五相。官方說法是三相是形成穩定磁場的最小相數，多了肯定耗材料啊。

兩相系統在19世紀末曾經流行過一段時間，特斯拉對於兩相系統有貢獻，西屋是兩相發電機的主要廠家，基本都是25HZ，通過斯科特變壓器接入三相電網。

自己補課Two-phase electric power

西屋兩相發電機，當然圖上看不出相數。

三相系統，多利沃-多布羅沃利斯基完成了三相電力的所有理論計算、發明的星形和三角接法、主持建造世界第一個三相高壓輸電系統（Lauffen到法蘭克福，1891），建立現代電力系統。

下圖Lauffen水電站的發電機、控制屏、升壓變壓器

六相和12相發電機有過生產，在發電機型號命名法里有相應代號（交流發電機及電動機，丁舜年編譯 1947版第二章），這種主要為了給整流系統使用，可以配合水銀整流器使用。

六相旋轉變流機的6個滑環，輸入六相電來整流。

三相系統的好處就是，滿足使用的前提下，輸電線，最省。

首先，要在不使用使用輔助設備的情況下產生旋轉磁場必須至少三相供電，三相交流電在交流電機定子繞組中可以產生旋轉磁場，而且這個磁場是穩定的具有固定旋轉方向的旋轉磁場，4、5、6...能產生更穩定的旋轉磁場，但是那樣會增加變電設備和動力的成本。而正交排列的兩相系統也能構成旋轉磁場，但是不具有固定的旋轉方向（是不是這樣，回去後好好研究下），這會造成電機極距下線圈無法均布，從而不但降低了電機容量，還會產生主磁場的嚴重崎變。

此外，三相供電系統具有很多優點，為各國廣泛採用。在發電方面，相同尺寸的三相發電機比單相發電機的功率大，在三相負載相同的情況下，發電機轉矩恆定，有利於發電機的工作；在傳輸方面，三相系統比單相系統節省傳輸線，三相變壓器比單相變壓器經濟；在用電方面，三相電容易產生旋轉磁場使三相電動機平穩轉動。

為什麼交流電源是正弦波呢？因為切割磁感線的導線圈的有效面積的變化率符合正弦曲線，這就決定了交流電源是正弦波，這個和彈簧陣子的規律是一樣的。

為什麼我國採用50Hz交流電？50Hz或60Hz（美國、日本等國家採用）也是在考慮綜合成本的情況下確定的，頻率太低，電力轉換成動力的效率就會太低，頻率太高，變壓設備的損耗會增加以及遠程輸電的功率因數會下降。50赫的兩極發電機的同步轉速是3000轉/分，而如果頻率上升一倍達到100赫，那麼同步轉速將會是6000轉/分。如此高的速度將會給發電機的製造帶來很多問題，特別是轉子表面的線速度太高，必將大大限制容量的增加。另外，從使用角度看，頻率過高，使得電抗增加，電磁損耗大，加劇了無功的數量。譬如以三相電機為例，其電流大大下降，輸出功率及轉矩也大大下降，實在沒有益處。另外，如果採用較低的頻率譬如30赫，變壓效率低，那麼將不利於交流電的變壓和傳輸。交流電在中國以220V 50HZ接入送電，他的50HZ頻率，可以使用普通的工頻變壓器（則一般的變壓器）進行變壓，比較方便，而直流電想變壓，則需要用開關電源，而開關電源相當貴，所以對於電網公司來說，投入太大了。

但是，為什麼超高壓，比如遠距離送電，跨省的這些，都是直流輸送？因為直流輸送可以更加高效的利用導線的有效面積，主要是交流電存在感抗而影響效率的。但直流送電一般只用在遠距離，比如西電東送，這樣總體上看可以更加節約成本，但是兩端需要建設整流設備以及逆變設備將交流變為直流以及將直流變為交流併網。所以如果是短距離傳輸，則成本太高了。適合長距離傳輸或者作為非同步聯網背靠背直流輸

為什麼交流電採用三相而不是四相或五相？

答案很簡單，因為發電機是三相的。

歷史發展是這樣的：1832年，人們就發明了單相交流發電機，1885年，發明兩相交流電動機，很快，人們發現，三相才是王道。

那發電機為什麼是三相？那我們回到18xx年，如果讓我們來設計發電機，我們會考慮什麼？（假設大家都有基本的高中物理知識，知道發電機的核心原件就是一個矩形導體框切割磁力線從而產生電流，在一個圓周上放N個矩形框就是N相），我的考慮點有：

1.發電機中的空間利用率（N越大越好）

2.發電機中的同樣材料（都是金燦燦的銅啊！）的發電效率（N越大越好）

3.發電機中的每個相位之間的穩定性和波動性。（N越大越好）

4.輸電線所需要的材料。（N越小越好）

5.發電，輸電，用電等一系列環節的設備複雜程度。（N越小越好）

太大也好，太小也不好，怎麼辦？人類最終發現，三相就是最好的平衡點，類似C cup

三相四線制和三相三線制的區別？

一般實際應用只有三相四線制（不算地線，算上地線叫三相五線制），不會用三相三線制。

三相四線制除了三根火線之外，第四根叫中線（注意：單相才有零線的，三相的沒有），中線起到保證負載相電壓時稱不變的作用。

如果三相電路中的每一根所接的負載都相同，每一時刻流過中線的電流之和為零，把中線去掉，用三相三線制供電是可以的。但這是很理想的情況，實際上多個單相負載接到三相電路中構成的三相負載不可能完全對稱。在這種情況下中線顯得特別重要，不是可有可無。

若是在負載不對稱的情況下又沒有中線，就形成不對稱負載的三相三線制供電。由於負載阻抗的不對稱，相電流也不對稱，負載相電壓也自然不能對稱。有的相電壓可能超過負載的額定電壓，負載可能被損壞（該相的燈泡過亮燒毀）；有的相電壓可能低些，負載不能正常工作（燈泡暗淡無光）。隨著開燈、關燈等原因引起各相負載阻抗的變化。相電流和相電壓都隨之而變化，燈光忽暗忽亮，其他用電器也不能正常工作，甚至被損壞。所以必須有中線，也就是三相四線制。

開始是單相的，也有人做雙相的。

1888年俄國的多布羅斯基發明了三相交流制和效率很高的交流非同步電機，推出後發現這玩意兒效率高，成本低，功率大，構造簡單，穩定性好，大量減少了銅的用量，迅速佔領市場。賺錢多有木有！

3相是不使用輔助設備能產生穩定旋轉磁場的最小相數，如果用4、5、6也可以，360能整除的自然數都可以，當然越多越好，但多一相就得多根線，變壓器就要多套鐵芯，變電站就要多一套斷路器，調度就要多一套監控，貴啊！既然3相能產生旋轉穩定磁場，而且也已經普及了，而且效率還高，還便宜！那就都用吧。

同樣50Hz和60Hz的確定也是成本使然。

話說過來，正是相數的關係，使得直流輸電又重新回到了人們的視野（當然也有其他原因，相數無疑是最重要的一個）。

簡單來說，採用三相是和成本直接相關的，相數越多，電力生產和運輸的成本越高，但如果採用兩相的話，為保證兩相穩定運行的成本也很高，於是乎，現在實際使用中的「交流電」都是三相的。

至於三相三線還是三相四線，也是和成本相關的，在遠距離送電時，少一相的導線，節約的將是非常多的投資，所以，在高電壓等級（國內110kV及以上的電網）輸電時，採用的是三相送電，電網是結成「星形」，在輸、受電端的變電站主變處中心點接地，形成三相四線的星形接線方式。

而在配電網架中，考慮的是用戶用電的穩定與可靠，因此在完成輸電任務後，中性點就消失了，成為了三相三角形接線，這樣的接線方式，能保證電源的非正常情況運行時，依然可以向用戶供電，為了保證用戶用電的電壓不會因為短路、斷路等情況下中斷，所以在0.4kV的配電變壓器側又把中性點給引出來了，形成三相四線的結構。

至於三相五線，實際只是在用戶末端再一次將中性點接地，以避免用戶電壓，特別是中性點電壓由於長距離輸送導致的電壓偏移，避免人身觸電的發生。

為什麼交流電採用三相而不是四相或五相

我們知道，電做功是因為電流流過了電器設備，而電流是需要形成迴路的。也就是說電流是從電源一端流出經過電器後回到電源側的。

最早的電能是直流電的，電流從電源的正極流出，經過用電器後流回電源的負極。輸電線路是兩根導線，一根正極，一根負極。兩根導線只輸送了一個電流。

到了兩相交流電也同樣是這樣，電流從一根導線流過去，從另一根導線流回來。兩根導線輸送一個電流。

到了三相交流電卻不同了。因為三相交流電之間相位差為120度，對稱的三相交流電合成為零。這樣三根導線就可以輸送三個電流，而不用考慮它流回電源的問題。所以三相交流電是運行成本最低的相數。交流電最初的目的就是為了驅動電機。三相電已經能夠比較平穩地驅動交流電動機了。　1、要在不使用使用輔助設備的情況下產生旋轉磁場必須至少三相供電，三相交流電在交流電機定子繞組中可以產生旋轉磁場，而且這個磁場是穩定的具有固定旋轉方向的旋轉磁場，4、5、6...能產生更穩定的旋轉磁場，但是那樣會增加變電設備和動力的成本。

　　2。在發電方面，相同尺寸的三相發電機比單相發電機的功率大，在三相負載相同的情況下，發電機轉矩恆定，有利於發電機的工作。

　　3、在傳輸方面，三相系統比單相系統節省傳輸線，三相變壓器比單相變壓器經濟。

　　4、在用電方面，三相電容易產生旋轉磁場使三相電動機平穩轉動。它能夠直接產生「方向確定，有啟動力矩」的旋轉磁場的最少相數。目前最常見的三相非同步電機，以結構簡單，功率強大著稱，就是得益於三相的的應用。220V電壓是相電壓，也就是相線與中性線之間的電壓，其載流的大小是由負載所需功率所決定的，功率越大，電流相對就會越大，但是電流越大發熱就會越嚴重，所要求的線纜的電阻就要相對越小，根據公式R=P*L/S*K

R：導體電阻

P：電阻率

L：長度

S：截面

K：絞入率係數

可以看出電阻值是跟電纜的截面成反比的，也就是說電阻越小，導線截面積就要越大，可是根據現有的生產水平，電纜線徑不可能無限制放大，所以就會使用三相交流電源來作為大功率用電設備的電源，它可以把大功率所需的大電流分為三相均衡負擔，可以有效降低導線的截面積，換句話說就是可以用三根相同截面的導線承載更大功率的負載電流。再有即便是三相380V的電纜它的載流量也是有限的，當用電設備的功率達到一定程度，電流也會相當大，要是無限制的增加導線截面積一個會導致成本的巨大增加，另外也會很佔地方啊~~一般設備恐怕都沒有很大的空間防止這些粗電纜吧~~~另外發熱等問題都會接二連三的出現，維護起來相當困難的~~所以就會使用高壓電源代替，因為使用高壓電源後就會使電流非常小，具體生產製作時只要保證絕緣強度達到要求就行，線纜並不要很粗就可以承載大功率輸出的要求，製作工藝上很好實現

為什麼我國的電源是採用50Hz的,而外國有的國家採用60Hz的電源?我國在制定此標準時是依據什麼呢?50Hz和60Hz電源的優點、缺點在哪裡？兩者對負載的功率有沒有影響？另外，機場和飛機上又為什麼採用400Hz的電源？其實50H和60HZ的區別不是很大，沒有實質性的問題。不過是發電機的轉速略有差別。選擇50HZ或60HZ，在一個國家裡，總得一致。應當引起人們關注的倒是，為什麼要採用50HZ或60HZ，而不是更高或更低。在電氣系統里，頻率是一個很重要的基本要素，並不是隨意確定的。這一個問題看起來簡單，實際上是一個比較複雜的問題，涉及的方面比較多，從原理上追朔，應當從麥克斯韋發現了經典電磁理論、赫茲為麥克斯韋的理論添上了至關重要的一筆、法拉第的法拉第電磁感應定律及其世界上第一台電磁感應發電機、英國工程師瓦特金首先制出了電動機，法國人皮克希製成了發電機、西門子發現了發電機的原理，發明了發電機，這是發電機領域的第一例實際應用等說起。此後人們發現總結出來的定理為，周期性地改變方向的電流叫做交流電，電流發生1個周期性變化的時間叫做周期，每秒電流發生變化的次數做頻率，單位是赫茲（為了紀念赫茲的貢獻）。交流電的頻率為50（60）赫，電流方向每秒鐘發生50（60）個周期性的變化，每秒改變的次數為100（120）次。電動機是根據通電線圈在磁場中轉動的基本原理製成的。如果將電動機線圈兩端加兩個銅製滑環及分別與滑環接觸的兩個電刷就成為交流發電機（原理）。發電機是實現將機械能轉化為電能的裝置，需要原動機拖動。頻率大小的確定與發電機、電動機及變壓器等的構造、材料等有關。 50赫的兩極發電機的同步轉速是3000轉/分，而如果頻率上升一倍達到100赫，那麼同步轉速將會是6000轉/分。如此高的速度將會給發電機的製造帶來很多問題，特別是轉子表面的線速度太高，必將大大限制容量的增加。另外，從使用角度看，頻率過高，使得電抗增加，電磁損耗大，加劇了無功的數量。譬如以三相電機為例，其電流大大下降，輸出功率及轉矩也大大下降，實在沒有益處。另外，如果採用較低的頻率譬如30赫，變壓效率低，那麼將不利於交流電的變壓和傳輸。現代電力系統的頻率即電力系統中的同步發電機產生的正弦基波電壓的頻率。頻率是整個電力系統統一的運行參數，一個電力系統只有一個頻率。我國和世界上大多數歐洲國家電力系統的額定頻率為50Hz。美洲地區多數是60Hz。大多數國家規定頻率偏差±0.1～0.3Hz之間。在我國，300萬kW以上的電力系統頻率偏差規定不得超過±0.2Hz；而300萬kW以下的小電力系統的頻率偏差規定不得超過±0.5Hz。由於大機組的運行對電力系統頻率偏差要求比較嚴格，因此有些國家對電力系統故障運行方式的頻率偏差也作了規定，一般規定在±0.5～±1Hz之間。超過允許的頻率偏差，大機組將跳閘，這不利於系統的安全穩定運行。在電力系統內，發電機發出的功率與用電設備及送電設備消耗的功率不平衡，將引起電力系統頻率變化。當系統負荷超過或低於發電廠的出力時，系統頻率就要降低或升高，發電廠出力的變化同樣也將引起系統頻率變化。另外，我國電網的頻率變化範圍是±1Hz。因為頻率調節慣量較大，範圍小容易引起電網振蕩，作過溫控或恆壓的人應該理解。在大網併網前，蘭州地區的電網頻率在50.5Hz以上，上海地區在49.5Hz左右。現在的大網併網有利於電網頻率及電壓穩定。載波頻率越高，正弦波型越好，電機繞組的諧波越少。但是輻射干擾能量提高，干擾周邊電氣設備。電網頻率的差異取決於人們的計算習慣，美洲的大規模發電較早，當時的計算工具主要是英制（12進位）計算尺，為便於計算，用60Hz，稍晚一點的規模電網都用10進位數據，50Hz更方便些。關於電壓等級，分為發電機和電動機兩個系列，我們常說的電壓是電動機電壓，是基本系列，220V為基礎，每乘1.414並圓整後為一個等級，變頻器電壓除外；發電機電壓為同等級的電動機電壓加5%並圓整。所以只有230V或400V的發電機而沒有220V或380V的發電機。機場的特殊情況是：機載發電機要求體積小重量輕，只有提高頻率才能滿足功率要求，所以相應的機載電氣設備用400Hz,與飛機相關的電源要400赫茲咯！軍用的更高的也有。航空器上的電源採用400Hz就是為了減小體積和重量，是一個複雜的系統工程。軍電和航電的400Hz主要取決於以下幾點：1、頻率高的發電機或電動機由於轉速高、轉矩小而體積、重量較小；2、飛機上發電機的動力取自航空發動機，轉速較高；3、直流用電設備較多，頻率高有利於減小整流紋波。在相同電壓的情況下，50hz與60hz及400hz電源在傳輸功率上、整流效率有什麼不同? 不用100Hz或120Hz是因為頻率太高，一方面傳輸困難，做變頻器的對線路感抗及容抗的理解應該是深刻的；另一方面，發電機和電動機的轉速太高或極數太多都不可取。400Hz的電不能遠距離傳輸，用戶在訂購400Hz發電機時要給定傳輸距離及方式，整流效率也差，但整流後紋波較小，紋波頻率較高，好處理. 如果50赫茲投入需要60赫茲的生產線, 交流電機速度降低，（電機速度與頻率成正比）電機發熱，長時間工作必燒無疑. 控制系統一般通過整流和開關電源，應該沒事。還要看一下對頻率敏感的器件.（大前題，電壓等級一致）如果要研究將50Hz電源直接供電給需要60Hz電源的生產線上使用,主要考慮電磁器件的電磁特性，如電動機、變壓器，其次是與電源頻率有關的採樣信號。對於前者，研究的方法可以找到這兩個器件的電磁表達式，分別將50Hz和60Hz帶進去，就可以發現一些問題。徐武安《電感器件設計與計算〉，四川科技出版社，1985.08，其中的103頁-106頁主要講高頻變壓器的設計計算，其中有些理論可以引申到電動機上去。後者不用說就知道了。對於非同步電機而言，將50Hz的電源供給60Hz的負載時，轉速降低是肯定的，電壓應按電機銘牌電壓降低1/6供應，此時電機可長期運行，且轉矩、電流不變，功率減小了1/6。若電壓不降低，會造成電機磁路飽和，空載電流和空載損耗增大很多。對於電感器，感抗減小1/6。對於60Hz專用的接觸器，改為50Hz，容易誤脫扣。但目前一般都是50/60Hz通用的。發達國家也有50HZ的，比如歐洲大多數國家。小國也有採用60HZ的，比如小日本。日本電源標準的起源，在網上見到以下敘述：「日本有兩個周波數，關東是50赫茲，關西是60赫茲！怎麼會有這種邪門事？很簡單，日本人向老外學發電時，關東人跟歐洲人學，買50赫茲的發電機，而關西人則跟美國人學，買60赫茲的發電機！」「關東指的是首都圈，也就是東京都23區和周圍的神奈川，琦玉等好幾個縣的一部分，而關西指京阪神（京都，大阪，神戶）及周圍地區。」「廣州最早的電廠年，英商旗昌洋行看中這塊風水寶地，開辦粵垣電燈公司，設有鍋爐及發電機四台，發電容量546千瓦（時）,後被官商合股收購，徵用附近街店鋪擴充廠房。1933年，電力增加至2.4萬千瓦。這是廣州最早的電廠。」英國的電源標準是 50HZ 單相230V,三相400V，和我國現行的標準接近，可能早期購入的設備就成為一個事實標準；動亂割據的舊中國，除寶島台灣由於受日本長期佔領和美國影響，電源標準是60HZ以外，尚能夠維持電源標準的統一（好像日偽滿時東北曾有110V的電源）. 解放前，我國多種電壓和頻率並存，主要與發電設備的生產國的制式有關，解放後，我國沿用蘇聯的制式，就成了現在的樣子。