为什么要三相电源？为什么不增加相数？

除了历史原因之外，是否有理由使三相成为主要的相数？

我知道相对于一相和两相的优势，即减少了所需的导体数量，并且电机在失速（脉动较小）时可以提供扭矩。

这是否仅是由于收益递减而导致转矩施加的平滑度仅略微增加，却以复杂性增加（导线数量增加（尽管CSA较小））为代价。

要明确的是，所有相位都是均匀分布的，即五个相位相隔72度。

除了PlasmaHH的答案外，工业界几乎仅使用三相电源，因为感应电动机至少需要三相电源才能以已知方向启动和运行。单相感应电动机需要有损，不可靠且昂贵的技巧才能做到这一点（额外的绕组，有损绕组，对速度敏感的开关，电容器等）。

供应网格基于三个阶段，因为这在发电和交付方面是最有效的。例如，使用9相电网将需要为整个配电网铺设9根电线，这不符合成本效益。

提到的高阶电机不使用线路产生的相位。步进电机使用更多的相位以进行更好的控制。高阶多相整流器通常设计成具有更多的“相”以减少纹波，但这些相是通过以某种方式对线路输入进行相移而局部生成的，这些方法可以是直接LC移位，也可以是使用电动发电机组。

当您具有单相配电时，您需要一个相和一个回路，它们都承载相同的电流。

如果现在改为使用对称的三相电源，则可以使用三相电流承载能力的三分之一，并且可以摆脱零线。这只是节省了一些铜钱。如果现在添加更多的相，您将无法节省更多的铜，而只会增加复杂性。

如果您具有非对称的三相电源，则您无法摆脱零线，但它不需要能够处理所有三相的所有组合电流。再次节省了一些铜。虽然添加更多的相不会减少中性线所需的铜量。

因此，是的，最终，平均应用程序几乎没有收益，成本更高。因此，对于非常特殊的事情，您只会发现三个以上的阶段。

三相是在圆上等距分布的最小相数，可用于在给定方向上创建旋转磁场。

任何更多的相仅需要更多的导线和感应电动机中的更多绕组。

如果两相相距90度（“ 正交 ”），则可以建立旋转磁场。诸如运行电容器之类的正交生成技巧可用于以单相功率运行的感应电动机。

事实证明两相电源没有优势。电动机在三相上运行更平稳，而平衡的两相则需要四个导体，而三相仅需要三个导体。也就是说，我们可以使用三根导线将三相发电机与三相感应电动机连接起来。三线两相是可能的，但不会达到平衡。其中两个导体将承载相线，而第三个导体将充当中性线。这意味着一根导线必须承担更多的电流，因为它充当了另一根导线的回路。三相下的三个导体都承载相同的电流：它们是平衡的。

由于所有这些原因，三相代表了最佳状态。如果假设感应电动机使用电，则三相多是浪费的，而三相则少。

然而，已经使用了两相系统，以及诸如六相和十二相的高阶相系统，因为它们具有一些特殊的优点。

除了其他答案：

主要目的是至少具有三相，以使电动机按预期方向启动。对于单相感应电动机，一些解决方法是必要的（例如，在启动过程中使用电容器增加额外的接线）。在先前的答案中已正确解释。

为什么不更多呢？简单-不必要，它会产生成本。这不仅是电线的问题（因此使用铜，绝缘），而且还涉及建筑问题。您能想象有九个阶段的架空线塔吗？好吧，也许您可​​以-有时一个人可能会遇到容纳两条三相线路，甚至更多的铁塔：

（图片来自维基百科）

这里的主要问题是确保导体之间以及导体与地面（或塔架结构）之间的适当绝缘距离，这需要大量使用材料。

另外，如果您有更多阶段，则失败的可能性会更高。当然，在这种情况下（例如-导体断裂），总的不对称性会降低，但是必须切断整个线路的风险会更高。

为更多阶段构建发电机也很复杂。通常，速度较慢的水轮发电机确实有许多极对，因此可以不给出24个极对，而只给出一两个（例如12个相），但是对于热力发电机-涡轮单元来说却很复杂。通常有一对极点，有时是两个。这导致速度为3000 rpm（对于50 Hz网络）。定子有必要以尽可能低的风险从这种电机接收电力，因此，更少的相意味着更少的匝间短路机会。引入更多的相将需要更昂贵的定子构造。

还请注意，即使今天拥有电力电子变频器，相乘，整流等都没问题，但这只是30年前的问题，当然还有更多。然后人们决定使用三个阶段，现在无法切换。

为什么只有三个阶段？好吧，如果我们需要更多的相，我们可以使用接线的变压器轻松地将3相转换为6相/ 12相。更多相的主要应用是减少进入全桥整流电容器组的纹波电压。我从没见过人，但是在做电气工程时从大学的一位古老的讲师那里学到的。

还可以说我们有一个3匹配电阻连接到三相连接的增量配置。随着时间的推移，使用的功率将与直流电阻器相同，因为如果我没有记错的话，当一相为0％时，其他两相将为66.66％和33.33％。这种关系还意味着来自一个相的功率将返回另一相的功率。三相真棒！

综上所述，不需要其他阶段，因为您可以很轻松地将其转换为更多阶段。尽管3阶段已经很棒，但通常不会完成。

希望这可以帮助。

三相具有非常重要的属性：如果查看所有三相的功率（V ^ 2 / R）并将它们相加，则该功率在整个周期内都是恒定的。这意味着三相电动机可以以恒定的功率驱动，并且发电机可以承受恒定的负载。2阶段不足以获得这种关系。

一个人可以使用更高的相位数，但布线成本更高，并且在大多数情况下并不会真正提供任何其他优势。选择三相是因为它是具有良好特性的最少数量的电线。

许多其他答案错误地指出，您需要3相才能使电动机可靠地启动或朝特定方向旋转并使用恒定功率。实际上，这可以通过彼此错开90°的两个相位来完成。您仍然可以在一个周期内获得定义的方向和恒定功率消耗。

然而，这样的两相系统将需要最少三根电线，但是对于恒定功率负载，通过三根电线的电流将不是对称的。因此，如果您仍然需要三根电线，那么尽可能高效，灵活地使用这三根电线的最佳方法是什么？答案是我们实际使用的三相系统。您将拥有三条对称的热线，而不是一条公共的热线和两条“热”线异相90°，每条热线与其他两条异相120°。请注意，对于对称的三相系统，平均电压（平衡负载的电流）始终为0。对于两相系统，情况并非如此。

更多阶段不会为您提供任何其他理想的属性，因此只会增加复杂性和成本。

定义上，电压在两个导体之间。如果只有一根导体，则没有电压。没有电压，没有电源，什么也没有发生。不是很有用。

如果您有两根导体，那么您就有一对（2C2），它允许一个电压。我们称此为单相。现在我们实际上可以使事情发生，这比仅拥有一个指挥员有很大的优势。但是你只能使一件事发生。负载的连接方式没有任何变化。换句话说，电压只有一个维度：正值或负值。一个普遍的问题是，如果将单相电动机直接连接到交流线路，则无法保证它将以哪种方式旋转，或者根本无法旋转。

如果您有三根导体，则有三对（3C2），可允许三个电压。我们称这为三个阶段。现在我们可以使三件事在不同的时间发生。例如，您可以将三个电磁体排列成一个圆圈，然后依次打开它们。现在，我们可以保证电动机将以哪个方向旋转。与单相相比，这是一个很大的优势。换句话说，我们现在对电压有两个维度。它由二维空间中的向量表示。导体（（3-1）！）只有两种可能的不同布置，它们对应于两种可能的旋转方向。

如果将其扩展到四根导体，则有六对（4C2），因此下一步是六相电压。与三相相比，六相有什么优势？好吧，现在有（4-1）！=导体可能有6种不同的排列方式，这意味着，如果您试图使某物体在平面中旋转，则可能会以与该物体不一致的方式将其连接起来。因此，如果您使用的是六绕组感应电动机，则可以将其挂接起来，使其振动剧烈，并以正常速度的一半旋转，而不仅仅是选择一个方向或另一个方向。那不是一个加号。

但是，假设您的转子具有三个旋转自由度，而不是一个。使用六相并适当配置磁极，您可以在固定位置的浮动球形转子中引起旋转（滚动，俯仰和偏航）。由于据我所知不存在这种情况，因此这实际上不适合作为有用的应用程序。（也许是在零重力环境中，磁极在轨道上绕着某个物体运行？但是，如何将它们全部连接到同一条六相交流线路上呢？）当然，在一个四维空间中，我们可以这样的系统，并且仍将所有三个旋转方向转换为球形定子/转子装置之外的其他负载，这种装置可能很有用。

同时，在3 + 1空间中，我从事工业电力电子领域的工作，并且我已经看到使用相移变压器这种系统的其他答案。关于术语，我从未与之交谈过的人会描述使用相移变压器来产生三个以上的异相AC支路来产生“六相”。（根据我的数学计算，您将有十五相，但这仍然不是所用的语言。）当三相通过整流器进入电容器时，每个周期可获得六个电流脉冲。对于这种系统，您将获得十二个脉冲，因此该系统将被称为十二个脉冲。

（通常，十二脉冲整流器是两个六脉冲整流器。如果您有两个电动机驱动器，则可以将它们的直流母线直接连接在一起，并分别给每个三相母线供电。或者也可以将其独立一组整流器，并将其直流输入馈入其余驱动器。）

如果将负载相同的六脉冲整流器与十二脉冲整流器进行比较，则每个电流脉冲必须较小，以补偿有更多的脉冲驱动相同的负载。这使得出线的总电流看起来更像正弦波，这意味着谐波得以减少。瓶盖上的波纹也较低，但是我从来不知道有人会对此非常担心。

使用十八脉冲系统和三个整流器可以改善更大的谐波。（36相！）在更高的电压和功率下，甚至可能存在更多数量的并联整流器。该文档在中压VFD线路上引用了一个11 kV的54脉冲整流器！

TL; DR

三相功率为我们提供了一个旋转自由度，这是在三维空间中有用的极限。

另一个简单的原因：其他阶段将与现有阶段“两个相似”。换种说法：任何其他相位都只是存在的三根电线之间电压的线性组合-正弦和余弦跨越的向量空间只是二维的。

问题的另一方面是用于高压传输线的导体几何形状的问题。通过三条线，与存在额外多个导体的情况相比，电感和感应串扰电流的问题得以最小化，并且更容易过滤。与使用更多导体的收益相比，成本保持增长的速度更快。

Power Technologies，Inc.的创始人莱昂内尔·巴索德（Lionel Barthold）很好地解释了这一点：

“ 为什么要三相电源？为什么不要6或12？ ”

他说，尽管他已经设计了更高的相位系统，但是由于回报减少（如您所说），特别是对于变电站所需的所有更多变压器而言，它们并不实用。当相数增加一倍时，还必须将变电站的设备数增加一倍。