Three-Phase Systems, Wye vs. Delta Configurations

三相電壓與交流電源選擇：全面指南

Brian Chiu

Manager, R&D Dept.

三相電壓是現代電力系統的重要基石，無論是在工業機械、可再生能源裝置、商用建築或電動車充電站中，都扮演著關鍵角色。與主要用於住宅負載的單相系統不同，三相系統利用三個相位彼此相差 120° 的交流電波形來提供更高效且穩定的電力供應。

導言

三相電壓是現代電力系統的重要基石，無論是在工業機械、可再生能源裝置、商用建築或電動車充電站中，都扮演著關鍵角色。與主要用於住宅負載的單相系統不同，三相系統利用三個相位彼此相差 120° 的交流電波形來提供更高效且穩定的電力供應。本文深入探討三相電壓的基本概念，並與單相電力進行比較；同時，介紹測量技術、星形（Wye）與三角形（Delta）接法的差異，以及 IEC 60038、NFPA 70（NEC）及 IEEE 141 等國際標準與規範對安全與效率運作的重要性。對於測試設備（如太陽能逆變器或電動車充電器）的工程師與業界專業人士來說，選擇合適的交流電源至關重要。先進的產品，例如 RPS‑5000，能夠靈活而精確地模擬實際電網狀況，助您實現最佳測試效果。無論您是電機工程師、設施管理者或技術檢查員，瞭解這些概念都將有助於確保您的電力系統安全、高效並具備未來擴展性。

1. 何謂三相電壓

1.1 定義與基本原理

三相電壓指的是一個交流電系統，其中產生三個獨立的電壓波形，每個波形之間相位相差 120°。在完全平衡的系統中，三個相線的瞬時電流總和為零，確保每個週期內輸出功率保持恆定。這種恆定功率的特性對於運轉大型工業負載、大型馬達及高功率設備至關重要，因其能避免單相系統中常見的電力脈衝現象。

主要重點：

恆定功率供應： 由於各相波形互相疊加，即使某一相電壓下降，其它相仍可維持高電壓，從而提供連續的能量流。
平衡負載： 平衡的三相系統中（若有中性線），中性線所承載的電流極低，可使中性線的尺寸與成本降低。
高效能： 同等電流容量下，三相系統能夠輸出約三倍於單相系統的功率，同時使用的導體材料更少。

1.2 數學關係：√3 因子

在三相星形（Wye）系統中，線間電壓（Vₗₗ）與相對中性線電壓（Vₗₙ）之間有一個重要關係：

Vₗₗ = √3 × Vₗₙ

例如，若相電壓為 230 V（歐洲常見值），則線間電壓約為 400 V；而在北美常見的 120/208 V 系統中，120 V 為相電壓，208 V（約等於 120 V × 1.732）則為線間電壓。這個 √3 關係是設計和測試計算的核心，使工程師能夠精確配置設備和電纜以達到高效電力輸送。

1.3 歷史沿革與發展

三相電力概念於 19 世紀末由伽利略·費拉拉斯（Galileo Ferraris）、尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）和米哈伊爾·多利沃-多布羅沃爾斯基（Mikhail Dolivo-Dobrovolsky）等多位先驅共同發展。他們的工作為現代電力分配奠定了基礎。早期的三相系統使得長距離電力傳輸變得經濟且高效，同時能以更平穩的方式驅動工業馬達。隨著電網的演進，三相系統成為高功率應用的標準。現今，幾乎所有公用電網皆採用三相電力來進行發電與分配，而住宅用單相電力則由此衍生而來。

2. 單相與三相系統的比較

2.1 單相系統

單相交流系統僅使用一個電壓波形（通常由一根“火線”和一根中性線供電）。在這類系統中，電壓呈正弦波變化，每個週期中有兩次下降至零點，導致電力輸出呈脈衝狀。雖然單相電力適用於照明、取暖及家用電器等低功率應用，但其缺乏連續性，無法滿足大型負載或工業設備的需求。

主要特性：

配置： 通常由一根火線、一根中性線以及保護接地線構成。
應用： 住宅、辦公室及小型工業負載。
效率： 由於電力輸出呈脈衝狀，難以滿足高功率需求。

2.2 三相系統

三相系統使用三根導線（在星形接法中可附加一根中性線）來供電，每一相彼此相差 120°。這使得總電力輸出近乎恆定，非常適合用於工業應用、大型馬達及重載設備。

主要特性：

配置： 可為三線或四線系統（如有中性線）。
優勢： 高效率、恆定電力輸出、運轉平穩，且相較於單相系統使用較少導體材料。
應用： 工廠、大型設備、可再生能源系統及電動車充電站。

2.3 比較表

項目	單相系統	三相系統
導線數量	1 相 + 中性線（另加接地線）	3 相（如星形接法則可加中性線與接地線）
電壓輸出	脈衝式（每週期下降至零點）	幾乎恆定（波形互補）
效率	適用於低負載，高負載效率較低	高效 – 同等條件下可輸出約 3 倍功率
典型應用	住宅、家用電器	工業設備、商用系統、電動車充電
成本與材料	高功率時需較大導線	較少導體材料即可輸送相同功率

從上表可以看出，雖然單相系統結構簡單且適用於小負載，但三相系統在高功率應用上更具效率與經濟性。

3. 三相電力的優勢

3.1 恆定與平穩的電力輸出

三相系統最主要的優勢在於恆定的電力輸出。由於各相相位彼此互補，總電力始終保持穩定，從而減少了機械震動和負載波動。對於需要高度可靠運作的工業設備來說，恆定的電力可降低維護成本並延長設備壽命。

3.2 提升效率及降低損耗

三相系統能夠在同等導線尺寸下輸出更多功率：

電流分布均勻： 各相分擔電流，減少了單根導線的負荷。
降低導體損耗： 使用較細導線即可滿足功率要求，從而減少銅或鋁材料的使用。
改善功率因數： 提高電壓調節能力，降低能量浪費。

3.3 電壓層級的彈性

在星形（Wye）接法中，同時提供：

相對中性線電壓（Vₗₙ）： 適用於大部分單相負載。
線間電壓（Vₗₗ）： 適用於高功率設備。

這種彈性使得三相系統能同時供應住宅與工業負載。

3.4 改善馬達性能

三相馬達具有自啟動特性，並能產生更平穩的轉矩，運轉時震動小、噪音低。這對於 HVAC 系統、工業泵浦及壓縮機等關鍵設備尤為重要。

3.5 降低導體材料成本

由於三相系統能夠以較小導體傳輸更多功率，從而降低安裝與長期維護成本，這在大型設施與公共電網中尤為顯著。

4. 三相電壓的測量

準確測量三相電壓對於設備測試、系統維護及安全至關重要。以下介紹關鍵測量技術與注意事項。

4.1 測量類型

線間電壓（Vₗₗ）： 測量任兩相導線之間的電壓；在平衡星形系統中，Vₗₗ 為 Vₗₙ 的 √3 倍。
相對中性線電壓（Vₗₙ）： 測量任一相導線與中性線之間的電壓，是大多數設備設計所依據的參考電壓。
相序檢測： 確定正確的相序對於馬達正確運轉十分重要，可使用相序儀來確保各相順序正確。

4.2 測量儀器

數位多用電表/伏特計： 用於基本電壓測量，需確保儀表額定值大於系統最高電壓。
電能品質分析儀： 可提供詳細的諧波、頻率及電壓波動分析。
示波器： 用於捕捉及分析波形細節，適用於故障排除及暫態測試。

4.3 安全注意事項

使用符合額定電壓的儀器。
嚴格遵守鎖定/標示（Lockout/Tagout）程序。
配戴個人防護裝備（PPE），並遵循相關安全規範（例如 NFPA 70E）。
確認儀器校正無誤、連接牢固。

正確的測量不僅能確保設備在規定範圍內運作，也提供故障診斷與系統優化的重要數據。

5. 接法配置：星形 (Wye) 與三角形 (Delta)

三相系統常見的接法有星形與三角形，各有其獨特優點，依據不同應用需求選擇最適合的接法。

5.1 星形 (Wye) 接法

在星形系統中，每根相線的一端連接到共同的中性點。其特點包括：

雙電壓層級： 可同時提供相對中性線電壓與線間電壓。例如，230/400 V 系統中，從相到中性為 230 V，從線間則為 400 V。
彈性： 適用於既需要供應單相負載（如照明與插座）又需供應三相負載的場合。
易於平衡： 中性線的存在有助於平衡不均負載。

5.2 三角形 (Delta) 接法

在三角形系統中，各繞組依序首尾相連形成閉合環路：

結構簡單： 僅需三根導線，無中性線。
高功率應用： 適用於大型馬達及重負載，且不需要中性線。
容錯性： 若一台變壓器失效，閉三角形系統有時能以開三角形（V 形）方式運作，雖容量降低但可維持供電。

5.3 應用考量

選擇星形或三角形接法時，需考慮：

負載類型： 若系統需同時供應單相與三相負載，星形系統較佳。
接地與保護： 星形系統因中性線接地更為安全。
設備相容性： 確認馬達、變壓器等設備是否專為特定接法設計。

6. 國際標準與法規遵循

6.1 IEC 60038：標準電壓

IEC 60038 是國際標準，規範交流電供電系統的建議額定電壓。例如，在歐洲，三相系統建議使用 230 V（相對中性線）和 400 V（線間電壓）。此標準促使全球市場統一，使得在不同地區設計的設備能夠可靠運作。

6.2 NFPA 70（NEC）：安全與安裝指南

NFPA 70（即國家電氣代碼，NEC）是美國的安全標準，涵蓋電線電纜、保護接地、線路安裝等要求。儘管 NEC 本身不是聯邦法律，但大部分美國州與市均採用此標準，以確保安全電氣裝置。

6.3 IEEE 141：工業電力分配推薦實務

IEEE 141（又稱《紅皮書》）提供工業電力分配的設計、建設及維護建議。遵循 IEEE 141 能夠確保系統設計具備安全性、可靠性與高效性，並獲得業界廣泛認可。

遵守這些標準不僅能保證設備技術指標符合規範，更確保安全與跨國互通性。

7. 三相系統的應用

7.1 工業與商用應用

三相系統是工業電力分配的主要架構，廣泛應用於：

大型馬達與驅動器： 如製造廠、HVAC 系統、傳送帶系統。
重型機械設備： 需要穩定高功率供應的工業設備。
商用建築： 融合照明、電梯、空調等多系統電力供應。

穩定高效的三相電力能降低運行成本，並縮短設備停機時間。

7.2 可再生能源與微電網

隨著可再生能源的普及，模擬與測試電網條件變得日益重要。三相電源對於：

太陽能與風能逆變器： 測試並模擬電網狀況，確保逆變器運行符合 IEC 60038 與 IEEE 1547 標準。
微電網系統： 程式化交流電源可模擬各種電網狀況，包括電壓跌落、相不平衡及暫態事件。
儲能系統： 電池與逆變器間常以三相方式連接，精確測試能確保系統穩定運作。

先進的程式化 AC 電源，如 RPS‑5000，能在實驗室內重現現代電網狀況。

7.3 電動車充電與交通運輸

電動車充電器（特別是快速充電器）通常依賴三相電力：

高功率密度： 三相系統可提供高功率輸出，滿足電動車充電的需求。
高效運作： 穩定供電及低損耗確保充電器效能穩定。
測試需求： 模擬電壓跌落、電壓飆升及相間不平衡，確保充電設備符合安全標準。

對此類測試而言，能夠模擬標準與異常狀況的三相電源至關重要。

7.4 數據中心與關鍵設施

數據中心要求極高的供電穩定性與效率：

平衡負載： 三相電力能夠均衡供電，減少導體壓降。
冗餘備援： 三相系統通常作為冗餘電力架構的一部分，與 UPS 及備用發電機共同運作。
監控診斷： 內建測量功能可實時監控電能品質，有助於預防故障。

在數據中心設備測試中，使用三相電源有助於驗證系統在負載下的穩定性與可靠性。

7.5 航空與國防系統

部分專用應用需要特殊的三相系統：

400 Hz 系統： 飛機與部分軍事應用常用 400 Hz 電力以減輕設備重量。
暫態與故障模擬： 測試設備必須在極端條件下運作，包括快速電壓變化與暫態故障。
再生與雙向運作： 在制動或再生過程中，電力可能回流至電源，此時雙向（再生）功能必不可少。

這些應用要求精確模擬各種工況，先進的電源如 RPS‑5000 可滿足此需求。

8. 選擇合適的交流電源

選擇適合三相應用的交流電源需考慮多個因素，以下是主要評估標準：

8.1 相位配置與靈活性

根據測試或實際應用需求，決定是否需要：

專用三相輸出： 適用於工業負載或測試設備專為三相運作設計。
雙模式運作： 部分電源可在單相與三相之間切換，對於需同時供應兩種負載的場合十分實用。

例如，我們的 RPS‑5000 產品即具備單相及三相輸出能力，提供多種測試情境的彈性解決方案。

8.2 電壓與頻率範圍

電壓範圍： 確保電源能夠提供所需的相對中性線電壓與線間電壓（例如低壓測試通常在 0–300 V（相對中性線），線間電壓可達約 520 V）。
頻率範圍： 電源應覆蓋標準頻率（50 Hz 與 60 Hz），並能延伸至其他特殊頻率（如航空應用的 400 Hz）。頻率穩定性對測試準確性至關重要。

8.3 功率額定值與電流容量

功率額定值（kVA/kW）： 選擇能滿足最大負載需求的電源；工業或電動車充電測試可能需要數十 kVA 的設備。
電流容量： 確保各相電流能達到要求，並考慮瞬時浪湧、啟動電流及負載平衡能力。

8.4 再生（雙向）能力

對於可能存在回流電力（如馬達驅動或網絡逆變器測試）的應用，再生電源至關重要。具備再生功能的電源可：

吸收回流電力： 防止設備損壞。
提升效率： 回收電能降低能源損耗。
持續測試： 無需額外電能消耗設備，即可進行雙向測試。

例如，RPS‑5000 為四象限電源，可同時進行送出與吸收電力，適合現代雙向測試需求。

8.5 波形品質與控制

為確保精確測試與符合規範，電源需具備：

低諧波失真（THD）： 輸出純正正弦波（一般 THD 低於 0.3%），除非需要特意引入失真。
任意波形產生： 能模擬電壓跌落、電壓飆升、暫態現象與諧波失真。
相位角與不平衡控制： 模擬真實電網狀況，如負載不平衡或相缺失情況。

進階的程式化交流電源能夠設定複雜的測試序列，重現各種電網干擾與暫態現象，確保被測設備足夠健壯且符合標準。

8.6 易用性與整合性

考量實際應用因素：

使用介面： 清晰直覺的操作介面（觸控屏或軟體）能簡化程式設置與監控。
遠端控制能力： 支援 SCPI 命令、乙太網或 USB 等介面，便於自動化測試系統整合。
內建測量與數據記錄： 一些高階電源具備內建電壓、電流與功率監測功能，減少額外儀器需求。
軟韌體更新： 持續的技術支援與更新確保電源能應對不斷演變的標準與需求。

8.7 國際標準遵循

確保您的交流電源符合相關標準：

IEC 60038： 保證輸出電壓符合國際標準（例如歐洲常用的 230/400 V 三相系統）。
NFPA 70（NEC）： 安裝與操作必須遵循安全規範。
IEEE 141： 工業應用中遵循該標準可確保電力分配安全與高效。

遵循這些標準不僅保證技術規格達標，同時也確保安全性、互通性與市場接受度。

8.8 成本、可靠性與未來擴展性

儘管先進的電源設備可能初期成本較高，但從長遠來看：

長期可靠性： 穩定且耐用的電源可減少停機與維護成本。
擴展性： 選擇可升級或擴展的系統，有助於應對未來測試需求的變化。
供應商支援： 廠商提供完善支援、校正服務與韌體更新，確保產品長期表現穩定。

9. 真實應用與案例分析

9.1 可再生能源測試

在可再生能源裝置中，如網絡逆變器和儲能系統，需要模擬真實電網條件：

模擬電網狀況： 包括電壓跌落、頻率變化與暫態擾動。
雙向電力流： 測試逆變器在回饋電網時的性能。
標準遵循： 確保設備符合 IEC 60038 及 IEEE 1547 等標準。

使用可程式化的交流電源（如 RPS‑5000）可在實驗室中精確模擬現代電網條件。

9.2 電動車充電測試

電動車充電器（特別是快速充電器）依賴三相電力：

高功率需求： 電源必須在三相中均勻輸出高功率，模擬實際充電條件。
暫態模擬： 模擬電壓跌落、飆升及相間不平衡情況，確保充電設備穩定運作。
再生功能： 測試車對網（V2G）系統時，電源必須處理回流電力。

準確模擬這些狀況有助於驗證充電器在各種工況下的安全性與可靠性。

9.3 工業馬達與驅動測試

大型馬達及變頻驅動器是工業電力的主力：

平穩運轉： 三相電力提供恆定轉矩，減少震動並延長設備壽命。
故障模擬： 模擬缺相、不平衡與暫態故障，評估保護機制效能。
能效測量： 利用內建測量工具精確記錄功率品質與能效參數。

在控制實驗室中使用高品質三相電源，可協助工程師優化馬達效能並確保符合安全標準。

9.4 數據中心與關鍵設施應用

數據中心需保持極高供電穩定性，以保障敏感設備：

平衡負載： 三相電力均衡分配負載，降低導體壓降。
冗餘備援： 三相系統通常作為冗餘電力架構的一部分，與 UPS 及備用發電機協同運作。
實時監控： 內建監測功能有助於及時發現與解決電能品質問題。

透過三相電源測試，可驗證數據中心設備在各種負載情況下的穩定性與可靠性。

9.5 航空與國防系統

部分專用應用需要特殊的三相條件：

高頻（400 Hz）系統： 飛機與部分軍用設備採用 400 Hz 電力以減輕設備重量。
暫態與故障容忍： 測試必須涵蓋極端條件，如迅速電壓變化與暫態故障。
雙向運作： 測試具備再生功能，確保設備在制動或回饋時能穩定運作。

這類應用需要精確模擬各種工況，先進的電源（如 RPS‑5000）正是為此而設計。

10. 結論與行動呼籲

三相電壓構成了現代電力系統的基石，其恆定、高效與穩定的供電特性使其在工業、商用及專用應用中不可或缺。本文探討了三相系統的基本原理、相較於單相電力的優勢、測量技術、星形與三角形接法的差異，以及 IEC 60038、NFPA 70（NEC）與 IEEE 141 等國際標準的重要性。

在選擇交流電源時，您需要考量：

所需的相位配置與電壓範圍，
功率額定值與電流容量，
是否需要再生能力與波形控制，
國際標準的符合性，
以及易用性與長期可靠性。

先進且具程式化功能的交流電源，例如 RPS‑5000，提供了模擬現實電網條件的靈活性與精確性，能滿足測試可再生能源系統、電動車充電器、工業馬達及數據中心等多種應用的嚴格要求。

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參考文獻

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