三相交流 (AC) 电源通常用于将电力输送到数据中心以及容纳有耗电设备的商业和工业建筑。一个重要的原因是，与单相交流电源相比，三相电源能够以更高的效率提供更多的电力。单相交流电常用于大多数家庭和轻型商业应用，如照明和小型电器。在这篇文章中，我们将解释为什么会这样，以及单相和三相电源系统之间的主要区别。
为什么我们需要三相电
由于数据中心和服务器机房的密度不断提高，因此能提供不断增加的电力尤为重要。更强大的计算系统正不断安装至曾容纳服务器的同一空间中，而与当今的计算机和网络需求相比，这些服务器只消耗了其中所需的一小部分电力。
不久前，一个由 10 台服务器组成的单个 IT 机架会消耗总共 5 千瓦 (kW) 的功率。而今天，同一机架可以容纳数十台服务器，总共消耗 20 或 30 kW。为了应对这样的功率水平，您自然希望能提高效率，因为随着时间的推移，即使是些微的功耗改善也将节省大量的成本。
布线是另一个问题。考虑一个 15kW 的机架。使用 120 伏单相交流 (VAC) 电时，需要 125 安培才能为机架供电，这需要直径几乎为四分之一英寸 (AWG 4) 的电线，这种电线太粗了，根本无法方便地使用，更别提昂贵的价格了。由于三相电更高效，因此可以使用更细的布线提供相同的功率（甚至更高）。如果要使用三相电源来为 15 kW 的机架供电，需要三根能够负载 42 安培 (AWG 10) 的电线，这些电线的尺寸大大缩小，直径甚至不到十分之一英寸。
理解单相交流电源
那么三相电源到底是什么？ 我们应该把它用在何处？
在深入探讨这个问题之前，先了解单相交流电源将有所帮助。
单相交流电源使用三线传输系统，由一根“火”线、一根零线和一根地线组成。交流电源的电流或电压会定期改变，电流在从火线通向用电器以及从零线通向用电器之间变化。在 360 度的相变期间，会形成完整的功率周期，而电压每秒会改变 50 或 60 次，这取决于世界不同地区所使用的系统。在北美，它是 60 次，即 60 赫兹 (Hz)。
重要的是，两根带电线的相差为 180 度。为了直观地理解，请把电流想象成波形，严格来讲，它是一种有既定频率和振幅的正弦波。在每个周期中，每条线上的波会同时通过零振幅两次（见图 1）。此时不会向负载供电。
图 1
这些短暂的中断对住宅和办公环境等商业建筑应用没有影响，但对于为大型机械以及计算机和其他 IT 设备供电的电机可能具有重大影响。
深入了解三相电源
顾名思义，三相电源系统提供三个独立的电流，每个电流的间隔为完成完整周期所需时间的三分之一。但是，与单相电不同（带电线相差为 180 度），三相电的相位差为 120 度。
在下面的图 2 中，您可以看到当任何一条线处于峰值电流时，其他两条线并不是这样。例如，当相 1 处于正峰时，相 2 和相 3 均处于 -0.5。这意味着，与单相电流不同，不存在未将电流传输至负载的情况。事实上，在每个相中的六个不同位置上，总有一条线处于正峰或负峰位置。
实际上，这意味着所有三个电流提供的功率总量是恒定的，不会像单相电那样循环出现波峰和波谷。
在设计计算机和许多重型机械中使用的电机时都考虑到了这一点。它们可以稳定地消耗恒定的功率，而不必应对单相交流电源所固有的变化。因此，它们消耗的电量更少。
作为类比，想想单缸发动机与三缸发动机。两者均采用四冲程模式（吸气、压缩、做功、排气）。使用单缸发动机时，气缸每运行四个冲程，只有一个“做功”冲程，这样所做的功非常不平顺。相比之下，三冲程发动机将以三个交替的阶段（夹角为 120 度）来做功，从而获得更平滑、更恒定和更高效的动力。
图 2
三相电源的优势
三相电源带来的其中一个优势是，能够提供近乎两倍于单相系统的功率，而不需要两倍的电线量。它的功率不会是人们所期望的三倍，因为在实际中，人们通常取下一条火线，然后将其连接至另一条火线。
要了解三相如何提供更多的电力，必须进行数学运算。单相电流的计算公式为：功率 = 电压 (V) x 电流 (I) x 功率因数 (PF)。如果我们假设电路上的负载为纯阻性负载，则功率因数是整数 1，则该公式可以省略为 P = V x I。如果我们考虑电路电压为 120 伏，电流为 20 安培，则功率为 2,400 瓦。
三相电路电流的公式为：功率 = 电压 (V) x 电流 (I) x 功率因数 (PF) x 根号 3。如果我们假设电路上的负载为纯阻性负载，则功率因数是整数 1，则公式可以省略为 P = V x I x 根号 3。如果我们假设 3 相电路的电压为 120 伏，并且每相电流为 20 安培，则通过公式可计算出功率 = 120 伏 x 20 安培 x 1.732 = 4,157 瓦。这就是三相为什么可以提供近两倍于单相系统的功率。这是一个简化的例子，但它可以用来研究为了支持更高的电压（例如 208 或 480 伏）或电流（例如 30 安培或更高），电路能够提供多少额外的功率。
在为 IT 设备机架供电时，这种容量将派上用场。单相电源用于机架曾是常态，但随着 IT 机架密度的增加，单相电源变得不那么可行和实用。所有布线、导体和插座都变得更大、更昂贵，并且越来越难以使用。
直接向服务器机架提供三相电源，使您能够使用更经济的布线线缆和其他组件，同时提供更多的电力。然而，这确实需要注意每个电路上的负载，确保它们能够保持平衡并且不超过电路容量。
如需详细了解三相电源的工作原理及其带来的益处，请访问 https://www.vertiv.com/en-us/products-catalog/critical-power/uninterruptible-power-supplies-ups。