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三相發(fā)電機繞組接線方法圖解 |
摘要：發(fā)電機的基本工作原理是原動機拖動轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n勻速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子磁場切割定子三相繞組，在三相繞組中感應出交變電動勢。由于定子三相繞組在空間位置上互差120°電角度，所以三相電動勢在時間上互差120°電角度。三相發(fā)電機線路接法是指將三相電源與三相發(fā)電機連接起來的方式，其繞組連接方式分為并聯(lián)、星形和三角形、串聯(lián)四種。根據(jù)發(fā)電機的不同應用場景和功率需求，有不同的線路接法可供選擇。本文將從串聯(lián)接法、并聯(lián)接法和星形接法、三角形接法等角度介紹三相發(fā)電機線路接法的原理和特點。
一、繞組分類
1、按相數(shù)分
（1）單相
單相發(fā)電機只需要一條電源線和一個開關，安裝成本較低。單相發(fā)電機啟動時不需要外部啟動器，啟動容易，運行穩(wěn)定。
（3）三相
由于三相發(fā)電機的電源是三相交流電，電流波形比單相發(fā)電機更平穩(wěn)，因此轉(zhuǎn)速更穩(wěn)定，噪音更小，振動更小。三相發(fā)電機的效率比單相發(fā)電機高，可以達到90%以上，而且功率密度大，適用于高負載情況。三相發(fā)電機的使用壽命長，維護保養(yǎng)簡單，維修成本低。
2、按每極每相槽數(shù)分
整數(shù)槽和分數(shù)槽是通過每極每相槽數(shù)來區(qū)分的：
q=Q/2pm
Q是發(fā)電機槽數(shù)，p極對數(shù)，m是相數(shù)。計算出來q是分數(shù)就稱為分數(shù)槽發(fā)電機，是整數(shù)就是整數(shù)槽發(fā)電機。
（1）整數(shù)槽
整數(shù)槽即發(fā)電機定子槽數(shù)能被極數(shù)和三相除盡得 1，2，3......換言之，即每極每相分得的槽數(shù)是1，2，3......整數(shù)，就是整數(shù)槽。
（2）分數(shù)槽
如圖1所示。分數(shù)槽繞組的每極每相槽數(shù)q為分數(shù)，意味著每個極下每相的槽數(shù)不是整數(shù)，但這其實是不可能的，因為槽數(shù)只能是整數(shù)，不可能出現(xiàn)半個槽，更不可能出現(xiàn)幾分之幾個槽，因此這個分數(shù)q只不過是整個發(fā)電機總槽數(shù)分到每極每相下的平均值而已。
3、按槽內(nèi)層數(shù)分
（1）單層線圈
每個定子槽內(nèi)只嵌置一個線圈有效邊的繞組，線圈總數(shù)是發(fā)電機總槽數(shù)一半。其優(yōu)點是繞組線圈少工藝比較簡單；沒有層間絕緣故槽的利用率高；單層結(jié)構不會發(fā)生相間擊穿故障。
① 同心式
同心式繞組的特點是在q個線圈中，線圈的節(jié)距不等，有大小線圈之分，大線圈總是套在小線圈的外面，線圈的軸線重合，所以稱為同心式。
② 交叉式
單層交叉式繞組由線圈數(shù)和節(jié)距不相同的兩種線圈組構成，同一組線圈的形狀、幾何尺寸和節(jié)距均相同，各線圈組的端部互相交叉。
③ 鏈式
由具有相同形狀和寬度的單層線圈元件所組成，特點是繞組線圈一環(huán)套一環(huán)，形如長鏈。主要用于每極每相槽數(shù)的小型發(fā)電機中。優(yōu)點是線圈大小相同，制造方便，線圈可采用短距，端部較短。
（2）雙層線圈
雙層繞組的主要優(yōu)點是可以選擇最有利的節(jié)距，并同時采用分布繞組，以改善電動勢和磁動勢的波形，如圖2所示；所有線圈具有同樣的尺寸，便于制造;端部形狀排列整齊，有利于散熱和增強機械強度。
① 疊繞
發(fā)電機的雙層疊繞式繞組通常由多個線圈組成。在這些線圈中，每個線圈的匝數(shù)會影響發(fā)電機的性能特征。因此，需要選擇適當?shù)脑褦?shù)，以確保發(fā)電機正常運行。
② 波繞
波繞組是合成節(jié)距等于整數(shù)的一種繞組。在繞制這種繞組時，每個元件的兩個出線端所接的兩個換向片相隔較遠，兩元件串聯(lián)形成波浪形，故稱為波繞組。
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圖1 分數(shù)槽集中繞組永磁發(fā)電機結(jié)構 |
圖2 三相發(fā)電機雙層線圈繞組波形 |
二、繞組的常用術語
1、元件
繞組線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝，如圖3發(fā)電機內(nèi)部剖切圖。一個元件由兩條元件邊和端接線組成，元件邊放在槽內(nèi)，能切割磁力線而產(chǎn)生感應電動勢，叫“有效邊”，端接線放在槽外，不切割磁力線，僅作為連接線用。每個元件的一個元件邊放在某一個槽的上層，另一個元件邊則放在另一槽的下層(雙層繞組)。
2、元件的首末端
每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。每一個元件的兩個端點分別接在不同的換向片上，每個換向片接兩個不同的線圈端頭。如圖4所示，定子繞組首末端連接至匯流銅環(huán)。
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圖3 發(fā)電機內(nèi)部剖面圖 |
圖4 發(fā)電機電樞繞組首末端接線 |
3、實槽與虛槽
發(fā)電機繞組實槽與虛槽結(jié)構和布置分別如圖5、圖6所示。
（1）實槽：發(fā)電機電樞上實際開出的槽叫實槽。實槽數(shù)用Q表示。
（2）虛槽：即單元槽(每層元件邊的數(shù)量等于虛槽數(shù))，每個虛槽的上、下層各有一個元件邊。虛槽數(shù)用Qμ表示。設槽內(nèi)每層有μ個虛槽，若實槽數(shù)為Q，虛槽數(shù)為Qμ，則Qμ=μQ。
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圖5 發(fā)電機繞組實槽與虛槽 |
圖6 發(fā)電機繞組元件在槽內(nèi)的放置 |
4、極距
如圖7所示，相鄰兩個磁極軸線沿電樞表面主之間的距離，用τ表示為（距離）。
若用虛槽數(shù)表示為（槽數(shù)）
當實槽數(shù)等于虛槽數(shù)時，Qμ一般用Q代替。
式中，D——電樞外徑(m)；
P——磁極對數(shù)。
5、節(jié)距
如圖8所示，線圈兩邊所跨定子圓周上的槽數(shù)，用y1表示，y1應接近發(fā)電機的極距τ（兩端合成的電動勢最大）。
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圖7 發(fā)電機磁極距示意圖 |
圖8 發(fā)電機節(jié)距示例圖 |
6、電角度與機械角度
發(fā)電機圓周在幾何上為360°，這個角度稱為機械角度。在發(fā)電機中磁場變化一個周期，即經(jīng)過N、S一對磁極就稱為360°電角度。若發(fā)電機有p對極，整個圓周就是p×360°電角度。電角度=P×機械角度。
7、槽距角
相鄰槽之間的電角度α
式中Q——定子槽數(shù)
8、每極每相槽數(shù)
式中，m——相數(shù)；
P——極對數(shù) 。
9、極軸線
磁極的中心線。
10、幾何中性線
指主磁極N極和S極的機械分界線。
11、物理中性線
把N極與S極磁場為零處的分界線稱為物理中性線。
三、交流繞組的構成原則
1、均勻原則：
每個極域內(nèi)的槽數(shù)（線圈數(shù)）要相等，各相繞組在每個極域內(nèi)所占的槽數(shù)應相等；
2、對稱原則：
三相繞組的結(jié)構完全一樣，但在發(fā)電機的圓周空間互相錯開120電角度。 如槽距角為α，則相鄰兩相錯開的槽數(shù)為120/α。
3、電勢相加原則：
線圈兩個圈邊的感應電勢應該相加；線圈與線圈之間的連接也應符合這一原則。 如線圈的一個邊在N極下，另一個應在S極下。
四、發(fā)電機繞組展開圖
所謂展開圖，就是將發(fā)電機定子鐵心帶繞組用刀切開并攤平，按發(fā)電機繞組在定子鐵心上的布置，畫出的一種繞組展開圖。
1、導體的感應電動勢
如圖9所示，一臺兩極交流發(fā)電機，轉(zhuǎn)子是直流勵磁形成的主磁極（簡稱主極）定子上放有一根導體，轉(zhuǎn)子由原動機拖動以后，形成一旋轉(zhuǎn)磁場。定子導體切割該旋轉(zhuǎn)磁場感應電動勢。
2、槽電動勢星形圖（以4極3相36槽發(fā)電機為例）
如圖10所示，當把各槽內(nèi)導體感應的電動勢分別用矢量表示時，這些矢量構成一個輻射星形，稱為槽電動勢星形圖。若氣隙中有一正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁場，則槽內(nèi)導體的感應電動勢大小相等，相位依次相差一個槽距角。
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圖9 發(fā)電機電動勢展開圖 |
圖10 發(fā)電機槽電動勢星形圖 |
3、相帶的劃分（以4極3相36槽發(fā)電機為例）
每極下每相繞組占有的范圍稱為相帶，一般用電角度表示。發(fā)電機的相帶是指每極下同一相繞組所連續(xù)占據(jù)的定子槽數(shù)即相帶。
（1）120°相帶（如圖9所示）：
每對極（360°電角度）三相均分；每對極每相槽數(shù)2qα=120°。
（2）60°相帶（如圖10所示）：
每極（180°電角度）三相均分；每極每相槽數(shù) qα=60°。
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圖9 發(fā)電機120°相帶的劃分 |
圖10 發(fā)電機60°相帶的劃分 |
（3）60°相帶的劃分（以4極3相36槽發(fā)電機為例）：
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A：
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1
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2
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3
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19
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20
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21
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X：
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10
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11
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12
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28
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29
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30
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B：
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7
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8
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9
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25
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26
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27
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Y：
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16
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17
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18
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38
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35
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36
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C：
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13
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14
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15
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31
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32
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33
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Z：
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4
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5
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6
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22
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23
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26
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（4）120°相帶的劃分（以4極3相36槽發(fā)電機為例）：
因120度相帶合成電動勢較60度相帶合成電動勢小，所以一般采用60度相帶繞組。
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A：
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1
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2
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3
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4
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5
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6
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19
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20
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21
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22
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B：
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7
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9
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C：
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13
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14
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15
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16
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17
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五、發(fā)電機接線方法
1、星形連接
星形接法也叫“Y形接法”，接線電路如圖11所示。把發(fā)電機繞組的3個末端連接在一起作為公共端，由3個首端引出3條火線的連接方式。負載每相線圈承受的電壓是相電壓220伏，即火線與零線間的電壓是220伏。星形接法的特點是發(fā)電機的繞組電流較小，而線圈電阻相加，使得發(fā)電機的總電阻較大。因此，星形接法適用于對發(fā)電機起動電流要求不高、但運行平穩(wěn)性要求較高的場合。
2、三角形連接
三角形接法（連接電路如圖12所示）是把發(fā)電機繞組的每一相的始末端依次相接的連接方式。每相負載承受的電壓是線電壓380伏，即火線與火線間的電壓為380伏。三角形接法的特點是發(fā)電機的繞組電流較大，而線圈電阻相并，使得發(fā)電機的總電阻較小。因此，三角形接法適用于對發(fā)電機啟動電流要求較高的場合。
3、并聯(lián)連接
把三個繞組用三根導線直接相互連接，兩個繞組之間用母線相連，形成一個大環(huán)路，這種連接方式又稱為“普通連接”。并聯(lián)接法的特點是發(fā)電機的繞組電流相等，而線圈電阻相并，使得發(fā)電機的總電阻較小。因此，并聯(lián)接法適用于對發(fā)電機啟動電流要求較高的場合。
4、串聯(lián)接法
串聯(lián)接法是將三相發(fā)電機的線圈依次串聯(lián)連接，使得電流在三個線圈之間依次流動。這種接法主要適用于功率較小的發(fā)電機。串聯(lián)接法的特點是發(fā)電機的繞組電流相等，而線圈電阻相加，使得發(fā)電機的總電阻較大。因此，串聯(lián)接法適用于對發(fā)電機啟動電流要求不高的場合。
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圖11 交流發(fā)電機星形接法示意圖 |
圖12 交流發(fā)電機三角形接法示意圖 |
總結(jié)：
三相發(fā)電機線路接法根據(jù)發(fā)電機的不同特點和應用場景，可以選擇串聯(lián)接法、并聯(lián)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點和適用范圍，在實際應用中需要根據(jù)具體情況選擇合適的接法。正確選擇和使用三相發(fā)電機線路接法，可以提高發(fā)電機的效率和可靠性，實現(xiàn)更好的工作效果。
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