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性能特点和作用说明

发电机三相绕组的原理、接线及优缺点

 

摘要：同步三相交流发电机的绕组设计目的是实现“电生磁、磁生电”的高效能量转换，为了在经济性和实用性上，获得比单相或两相电源更优越的电力输出。简单来说，它在结构上由空间互隔120°的三个独立绕组构成，通过通入对称交流电来产生旋转磁场，确保柴油发电机组产生的三相电动势幅值相等、频率相同、相位互差120°，为用户提供平衡的电源。

 

一、三相绕组设计的目的

 

1、产生旋转磁场，实现高效机电能量转换

      三相绕组在空间上互差120度电角度，当通入对称的三相交流电时，能在定子内腔合成一个恒速旋转的圆形磁场。这是同步发电机（由原动机拖动转子磁场旋转）正常工作的基础，原理如图1所示，绕组展开后如图2所示。旋转磁场比脉动磁场（单相）能量转换效率更高，转矩更平稳。

 

图1  三相交流发电机绕组原理图

图2  发电机绕组展开图

 

2、获得恒定瞬时功率，消除转矩脉动

（1）单相或两相电源的瞬时功率是脉动的（随时间起伏），会导致电机振动和噪声。

（2）三相系统的总瞬时功率P(t)=u_ai_a+u_bi_b+u_ci_c，在对称负载下是恒定值（等于3UIcosϕ）。这使得原动机（如柴油机）的驱动转矩平稳，发电机运行更安静，机械寿命更长。

3、提高材料利用率，降低成本

（1）铜线节省：输送相同功率时，三相变压器或电机的用铜量比单相节省约25%。

（2）铁心利用率高：三相绕组可使定子铁心的内圆空间被充分利用，不像单相或两相那样有闲置槽位。

（3）功率密度大：相同体积下，三相发电机能输出的功率显著高于单相发电机。

4、提供多种电压等级与灵活连接方式

（1）三相绕组可接成星形(Y)，如图3所示；也可以采用三角形接法(Δ)，如图4所示。星形接法可同时提供线电压（用于工业大功率设备）和相电压（用于照明、控制等），一机多用，适应不同负载。

（2）星形接法的中性点可接地或引出，实现三相四线制供电，同时满足动力（380V）和单相照明（220V）需求，这是现代低压配电网的标准。

 

图3  同步交流发电机星形接线法

图4  同步交流发电机三角形接线法

 

5、简化启动和运行性能（针对电动机负载）

      虽然问题问的是发电机，但发电机最终为电动机供电。三相异步电动机结构简单、成本低、运行可靠，而单相电动机需要附加启动电容或启动绕组。因此，设计三相发电机也是因为三相电力系统是工业标准。

6、减小谐波影响，改善波形

      通过合理设计每极每相槽数、采用短距或分布绕组，三相绕组可以有效削弱5次、7次等主要谐波磁动势，使得发电机输出的电压波形更接近正弦波，减少对精密电子设备的干扰。

 

二、三相绕组的结构与原理

 

1、三相绕组的结构

      结构设计的目标是在定子内圆空间里，布置出三个在电气和空间上都互差120°的独立绕组，发电机基本外观如图5所示，物理模型如图6所示。

（1）基本组成

① 定子铁心：内圆开有均匀分布的槽，用于放置绕组。常用硅钢片叠成以减少涡流损耗。

② 三相绕组：标记为U相（A相）、V相（B相）、W相（C相）。每相绕组由多个线圈按一定规律连接而成。

③ 线圈：一匝或多匝导线绕制而成，嵌放在定子槽中。线圈两个有效边间的距离称为节距。

（2）关键结构概念

① 极对数（p）：转子磁场的磁极对数（N-S为一对），其作用是决定发电机转速。

② 每极每相槽数（q）：每个磁极下，每相所占的槽数。其中，q为整数是整数槽绕组，q为分数是分数槽绕组。

③ 60°相带：每个磁极的圆周（180°电角度）按60°分为三个相带，依次分配给U、V、W三相。其作用是保证三相绕组在空间上对称互差120°电角度。

④ 短距绕组：线圈节距<极距（一个磁极所占的槽数）。其作用是主要削弱5次、7次谐波，改善电动势波形。

⑤ 分布绕组：每相绕组的线圈不是集中在一个槽，而是分布在多个槽中。其作用是让电动势波形更接近正弦波，并提高铁心利用率。

 

图5  发电机定子和绕组结构图

图6  同步三相交流发电机物理模型

 

2、绕组的工作原理（从原动力到三相电）

（1）产生单个线圈的感应电动势（电磁感应定律）

      其原理是原动机带动转子旋转，运行流程如图7所示。转子上的励磁绕组通入直流电，产生一个恒定极性的旋转磁场（类似一个旋转的永久磁铁）。定子槽内的线圈导体切割转子磁场的磁力线→导体两端产生交变的感应电动势（大小和方向随位置变化）。

（2）组合成三相平衡的电压系统（绕组布置的艺术）

      在空间上，将三个线圈依次错开120°机械角（对应电角度120°）。

假设：转子磁场从U相线圈的起始零位开始旋转。

① 转子转过0°：U相线圈感应的电动势正好为零（切割边经过磁极中心，无切割）。

② 转子转过120°：V相线圈的感应电动势到达零值（与U相初始状态相同）。

③ 转子转过240°：W相线圈的感应电动势到达零值。

结果：三个线圈中的感应电动势（如图8所示）在时间上依次滞后120°，表达式为：

e_U（t）=E_msin（ωt）

e_V（t）=E_msin（ωt−120°）

e_W（t）=E_msin（ωt−240°）

      这样就得到了三相对称的交流电。

 

图7  三相交流发电机运行流程

图8  三相发电机线圈电动势示意图

 

三、绕组的分类与优缺点

 

      发电机绕组通常分为成型绕组和散嵌绕组，而成型绕组发电机比散嵌绕组发电机容易达到更好的机械性能和介电强度指标，但新材料和新工艺的采用大大缩小了这些差距，现在上述两项指标基本相当，但是成型绕组发电机比散嵌绕组发电机在电压波形质量、电机启动性能和短路性能方面表现较差。

1、发电机绕组类型

（1）成型绕组发电机的设计：成型绕组发电机与散嵌绕组发电机的设计不同之处在于成型绕组发电机定子的铜绕组是由铜棒而不是漆包铜线束组成。定子绕组由精确成型装入槽中的铜棒集合组成，另外绕组与槽的大小比较显示，对于相似的绕组大小，为了使铜棒更容易插入槽中，成型绕组的定子槽开口必须较大，这样相对来说，散嵌绕组的定子槽开口会较小，漏电抗较小，输出电压波形中的谐波失真也较低，这是散嵌绕组发电机与成型绕组发电机比较，最重要的性能优势。

（2）散嵌绕组的设计：发电机绕组通常是绕线机绕制的预制漆包铜线束，漆包铜线束再嵌入定子槽中。散嵌绕组设计的定子槽开口非常小，每个绕组由许多小截面积的漆包铜线组成。同时散嵌绕组间占用的绝缘空间比成型绕组更小。

2、性能差异

（1）一般来说，铜棒比漆包铜线束更加坚硬，因此成型绕组发电机比散嵌绕组发电机更容易提供坚固耐用的机械结构，但散嵌绕组中新材料、新工艺的使用以及设计改良也一样可以提供耐用的机械结构，所以不能说散嵌绕组发电机耐用性一定比成型绕组发电机差。例如，CGT所有大于250kVA的发电机均采用真空压力浸漆（VPI）工艺，这使得定子绕组绝缘漆填充充分，无气泡堆积，且比其他发电机生产商只采用普通浸漆设计具有更强的机械性能。因此，CGT散嵌绕组发电机能够应用于除油田钻机等极端非线性冲击负载应用之外的绝大多数应用。

（2）成型绕组发电机线圈之间比散嵌绕组发电机具有更多的绝缘间隙，中压/高压发电机导体之间的电压差更大，需要更多的绝缘材料。

（3）成型绕组发电机采用了更多的绝缘材料，使得发电机的冷却难度加大，这就需要更多的铜棒材料（减少铜耗发热）来达到相同的温升等级。

（4）一般情况下，更大的空气间隙和定子槽开口会导致更大的固有电压波形谐波失真（特别是在较高频率下），所以在机械性能相差不多的情况下，成型绕组发电机比散嵌绕组发电机电压波形质量较差。

（5）由于散嵌绕组发电机的定子槽开口较小，定子与转子之间的磁路磁阻较低，而且成型绕组往往比散嵌绕组的端部长，上述两个因素导致在采用了相似材料情况下，散嵌绕组总体性能比成型绕组好。通常情况下，散嵌绕组的电抗比同容量的成型绕组发电机低，因此成型绕组需要较多的铜和钢，以达到与散嵌绕组相同的短路水平和电机启动能力。

（6）除了上述材料利用率的差异，成型绕组发电机比散嵌绕组发电机组装工艺复杂。这些因素导致成型绕组发电机单位容量的制造成本较高，零部件更换较困难。

3、绕组应用

      根据两种类型的电机物理特性和性能的不同，成型绕组在中压/高压和特别大容量的发电机中应用更加理想，这种结构使得发电机匝间绝缘更好，可靠性更高，并且成本相对较低。两种绕组各具优缺点，很多情况下两者均可使用，可根据性价比进行选型。总的来说，对于相似的机型，成型绕组发电机更适合中压/高压，以及非线性、冲击负载迫使交流发电机受到较大机械应力的应用；散嵌绕组发电机适用于在电动机启动能力要求高和对波形失真要求高的应用。

（1）成型绕组的应用：

      通常情况下，成型绕组的设计适合于需要较强的机械性能的主用电站应用，特别是存在非线性负载持续、重复地冲击的应用。冲击负载引起定子绕组特别是端部的电磁反应，容易使绕组变形甚至损坏。用刚性和加强固定设计，这些机械应力可以大幅度减小，从而提高发电机的可靠性，延长发电机的寿命。

      成型绕组发电机一般应用于存在持续的负载突加过程的油田钻井用柴油发电机组作业。

（2）散嵌绕组的应用：

      发电机散嵌绕组设计能够提供最好的电压波形质量、抗非线性负载谐波导致的波形畸变、短路电流性能（以便配电系统断路器能够进行选择性保护，及时切断故障点）和电动机启动性能。因此，散嵌绕组是在紧急/备用情况下柴油发电机组的最佳选择。

      散嵌绕组发电机非常适合于数据中心的不间断电源、水处理和污水净化等应用。这些应用主要是整流负载，不论使用市电还是发电机组供电，负载的加载过程都是渐进的，以尽量减少对电源的冲击，相应减少瞬间电压的骤降和骤升，这与油田钻井应用是不同的。例如，当市电发生故障，发电机组启动后，不间断电源（UPS）在维持后端负载不断电的同时，将输入电源由市电切换到发电机组供电，然后逐渐加大发电机组的负载（UPS后端负载电流和UPS配套蓄电池组充电电流），当UPS后端负载突然增大时，UPS配套蓄电池组将分担这部分冲击，以减少UPS后端负载突加负载对发电机组的瞬间冲击。这些发电机组承受的负载冲击比钻井应用中的大功率变频器频繁启动产生的冲击要小得多，相应地，对发电机绕组的机械应力也要小得多。因此，上述应用并不需要成型绕组发电机，散嵌绕组发电机效率高的优点更实用。

 

总结：

发电机采用三相绕组根本目的是以最低的材料成本，产生一个恒功率、恒速旋转磁场的稳定三相电源，从而满足现代工业、商业和居民对柴油发电机组效率、稳定性、经济性和灵活性的综合要求。而单相电源通常就是从三相系统中取一相和中性线得到的，相比单相电，三相电在发电时材料利用率高，输电时节省材料（约25%），且驱动电机时运转更平稳。

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