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新闻主题	三相发电机绕组接线方法图解

 

摘要：发电机的基本工作原理是原动机拖动转子以转速n匀速旋转时，转子磁场切割定子三相绕组，在三相绕组中感应出交变电动势。由于定子三相绕组在空间位置上互差120°电角度，所以三相电动势在时间上互差120°电角度。三相发电机线路接法是指将三相电源与三相发电机连接起来的方式，其绕组连接方式分为并联、星形和三角形、串联四种。根据发电机的不同应用场景和功率需求，有不同的线路接法可供选择。本文将从串联接法、并联接法和星形接法、三角形接法等角度介绍三相发电机线路接法的原理和特点。

 

一、绕组分类

 

1、按相数分

（1）单相

      单相发电机只需要一条电源线和一个开关，安装成本较低。单相发电机启动时不需要外部启动器，启动容易，运行稳定。

（3）三相

      由于三相发电机的电源是三相交流电，电流波形比单相发电机更平稳，因此转速更稳定，噪音更小，振动更小。三相发电机的效率比单相发电机高，可以达到90%以上，而且功率密度大，适用于高负载情况。三相发电机的使用寿命长，维护保养简单，维修成本低。

2、按每极每相槽数分

      整数槽和分数槽是通过每极每相槽数来区分的：

q=Q/2pm

 

      Q是发电机槽数，p极对数，m是相数。计算出来q是分数就称为分数槽发电机，是整数就是整数槽发电机。

（1）整数槽

      整数槽即发电机定子槽数能被极数和三相除尽得 1，2，3......换言之，即每极每相分得的槽数是1，2，3......整数，就是整数槽。

（2）分数槽

       如图1所示。分数槽绕组的每极每相槽数q为分数，意味着每个极下每相的槽数不是整数，但这其实是不可能的，因为槽数只能是整数，不可能出现半个槽，更不可能出现几分之几个槽，因此这个分数q只不过是整个发电机总槽数分到每极每相下的平均值而已。

3、按槽内层数分

（1）单层线圈

      每个定子槽内只嵌置一个线圈有效边的绕组，线圈总数是发电机总槽数一半。其优点是绕组线圈少工艺比较简单；没有层间绝缘故槽的利用率高；单层结构不会发生相间击穿故障。

① 同心式

      同心式绕组的特点是在q个线圈中，线圈的节距不等，有大小线圈之分，大线圈总是套在小线圈的外面，线圈的轴线重合，所以称为同心式。

② 交叉式

       单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成，同一组线圈的形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组的端部互相交叉。

③ 链式

      由具有相同形状和宽度的单层线圈元件所组成，特点是绕组线圈一环套一环，形如长链。主要用于每极每相槽数的小型发电机中。优点是线圈大小相同，制造方便，线圈可采用短距，端部较短。

（2）双层线圈

      双层绕组的主要优点是可以选择最有利的节距，并同时采用分布绕组，以改善电动势和磁动势的波形，如图2所示；所有线圈具有同样的尺寸，便于制造;端部形状排列整齐，有利于散热和增强机械强度。      

① 叠绕

      发电机的双层叠绕式绕组通常由多个线圈组成。在这些线圈中，每个线圈的匝数会影响发电机的性能特征。因此，需要选择适当的匝数，以确保发电机正常运行。

② 波绕

      波绕组是合成节距等于整数的一种绕组。在绕制这种绕组时，每个元件的两个出线端所接的两个换向片相隔较远，两元件串联形成波浪形，故称为波绕组。

 

图1  分数槽集中绕组永磁发电机结构

图2  三相发电机双层线圈绕组波形

 

 

二、绕组的常用术语

 

1、元件

      绕组线圈称为绕组元件，分单匝和多匝，如图3发电机内部剖切图。一个元件由两条元件边和端接线组成，元件边放在槽内，能切割磁力线而产生感应电动势，叫“有效边”，端接线放在槽外，不切割磁力线，仅作为连接线用。每个元件的一个元件边放在某一个槽的上层，另一个元件边则放在另一槽的下层(双层绕组)。

2、元件的首末端

      每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。每一个元件的两个端点分别接在不同的换向片上，每个换向片接两个不同的线圈端头。如图4所示，定子绕组首末端连接至汇流铜环。

 

图3  发电机内部剖面图

图4  发电机电枢绕组首末端接线

 

 

 

3、实槽与虚槽

      发电机绕组实槽与虚槽结构和布置分别如图5、图6所示。

（1）实槽：发电机电枢上实际开出的槽叫实槽。实槽数用Q表示。

（2）虚槽：即单元槽(每层元件边的数量等于虚槽数)，每个虚槽的上、下层各有一个元件边。虚槽数用Qμ表示。设槽内每层有μ个虚槽，若实槽数为Q，虚槽数为Qμ，则Qμ=μQ。

 

图5 发电机绕组实槽与虚槽

图6 发电机绕组元件在槽内的放置

 

4、极距

      如图7所示，相邻两个磁极轴线沿电枢表面主之间的距离，用τ表示为（距离）。

 

 

 

      若用虚槽数表示为（槽数）

 

 

 

当实槽数等于虚槽数时，Qμ一般用Q代替。

式中，D——电枢外径(m)；

P——磁极对数。

5、节距

      如图8所示，线圈两边所跨定子圆周上的槽数，用y1表示，y1应接近发电机的极距τ（两端合成的电动势最大）。

 

 

 

 

图7  发电机磁极距示意图

图8  发电机节距示例图

 

 

6、电角度与机械角度

      发电机圆周在几何上为360°，这个角度称为机械角度。在发电机中磁场变化一个周期，即经过N、S一对磁极就称为360°电角度。若发电机有p对极，整个圆周就是p×360°电角度。电角度=P×机械角度。

7、槽距角

      相邻槽之间的电角度α

 

 

 

式中Q——定子槽数

8、每极每相槽数

 

 

 

式中，m——相数；    

P——极对数 。

9、极轴线

      磁极的中心线。

10、几何中性线

      指主磁极N极和S极的机械分界线。

11、物理中性线

      把N极与S极磁场为零处的分界线称为物理中性线。

 

三、交流绕组的构成原则

 

1、均匀原则：

      每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每个极域内所占的槽数应相等；

2、对称原则：

      三相绕组的结构完全一样，但在发电机的圆周空间互相错开120电角度。 如槽距角为α，则相邻两相错开的槽数为120/α。

3、电势相加原则：

      线圈两个圈边的感应电势应该相加；线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。 如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。

 

四、发电机绕组展开图

   

      所谓展开图，就是将发电机定子铁心带绕组用刀切开并摊平，按发电机绕组在定子铁心上的布置，画出的一种绕组展开图。

1、导体的感应电动势

      如图9所示，一台两极交流发电机，转子是直流励磁形成的主磁极（简称主极）定子上放有一根导体，转子由原动机拖动以后，形成一旋转磁场。定子导体切割该旋转磁场感应电动势。

2、槽电动势星形图（以4极3相36槽发电机为例）

      如图10所示，当把各槽内导体感应的电动势分别用矢量表示时，这些矢量构成一个辐射星形，称为槽电动势星形图。若气隙中有一正弦分布的旋转磁场，则槽内导体的感应电动势大小相等，相位依次相差一个槽距角。

 

图9  发电机电动势展开图

图10  发电机槽电动势星形图

 

3、相带的划分（以4极3相36槽发电机为例）

      每极下每相绕组占有的范围称为相带，一般用电角度表示。发电机的相带是指每极下同一相绕组所连续占据的定子槽数即相带。

（1）120°相带（如图9所示）：

      每对极（360°电角度）三相均分；每对极每相槽数2qα=120°。

（2）60°相带（如图10所示）：

      每极（180°电角度）三相均分；每极每相槽数  qα=60°。

 

图9 发电机120°相带的划分

图10 发电机60°相带的划分

 

（3）60°相带的划分（以4极3相36槽发电机为例）：

 

A：	1	2	3	19	20	21
X：	10	11	12	28	29	30
B：	7	8	9	25	26	27
Y：	16	17	18	38	35	36
C：	13	14	15	31	32	33
Z：	4	5	6	22	23	26

 

 （4）120°相带的划分（以4极3相36槽发电机为例）：

      因120度相带合成电动势较60度相带合成电动势小，所以一般采用60度相带绕组。

 

A：	1	2	3	4	5	6	19	20	21	22	23	24
B：	7	8	9	10	11	12	25	26	27	28	29	30
C：	13	14	15	16	17	18	31	32	33	34	35	36

 

五、发电机接线方法

 

1、星形连接

     星形接法也叫“Y形接法”，接线电路如图11所示。把发电机绕组的3个末端连接在一起作为公共端，由3个首端引出3条火线的连接方式。负载每相线圈承受的电压是相电压220伏，即火线与零线间的电压是220伏。星形接法的特点是发电机的绕组电流较小，而线圈电阻相加，使得发电机的总电阻较大。因此，星形接法适用于对发电机起动电流要求不高、但运行平稳性要求较高的场合。

2、三角形连接

      三角形接法（连接电路如图12所示）是把发电机绕组的每一相的始末端依次相接的连接方式。每相负载承受的电压是线电压380伏，即火线与火线间的电压为380伏。三角形接法的特点是发电机的绕组电流较大，而线圈电阻相并，使得发电机的总电阻较小。因此，三角形接法适用于对发电机启动电流要求较高的场合。

3、并联连接

      把三个绕组用三根导线直接相互连接，两个绕组之间用母线相连，形成一个大环路，这种连接方式又称为“普通连接”。并联接法的特点是发电机的绕组电流相等，而线圈电阻相并，使得发电机的总电阻较小。因此，并联接法适用于对发电机启动电流要求较高的场合。

4、串联接法

      串联接法是将三相发电机的线圈依次串联连接，使得电流在三个线圈之间依次流动。这种接法主要适用于功率较小的发电机。串联接法的特点是发电机的绕组电流相等，而线圈电阻相加，使得发电机的总电阻较大。因此，串联接法适用于对发电机启动电流要求不高的场合。

 

图11  交流发电机星形接法示意图

图12  交流发电机三角形接法示意图

 

 

总结：

      三相发电机线路接法根据发电机的不同特点和应用场景，可以选择串联接法、并联接法、星形接法和三角形接法等不同的接法。不同的接法具有不同的特点和适用范围，在实际应用中需要根据具体情况选择合适的接法。正确选择和使用三相发电机线路接法，可以提高发电机的效率和可靠性，实现更好的工作效果。

 

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