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三相發(fā)電機繞組接線(xiàn)方法圖解 |
摘要：發(fā)電機的基本工作原理是原動(dòng)機拖動(dòng)轉子以轉速n勻速旋轉時(shí)，轉子磁場(chǎng)切割定子三相繞組，在三相繞組中感應出交變電動(dòng)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(dòng)勢在時(shí)間上互差120°電角度。三相發(fā)電機線(xiàn)路接法是指將三相電源與三相發(fā)電機連接起來(lái)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。根據發(fā)電機的不同應用場(chǎng)景和功率需求，有不同的線(xiàn)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(xiàn)路接法的原理和特點(diǎn)。
一、繞組分類(lèi)
1、按相數分
（1）單相
單相發(fā)電機只需要一條電源線(xiàn)和一個(gè)開(kāi)關(guān)，安裝成本較低。單相發(fā)電機啟動(dòng)時(shí)不需要外部啟動(dòng)器，啟動(dòng)容易，運行穩定。
（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，因此轉速更穩定，噪音更小，振動(dòng)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(cháng)，維護保養簡(jiǎn)單，維修成本低。
2、按每極每相槽數分
整數槽和分數槽是通過(guò)每極每相槽數來(lái)區分的：
q=Q/2pm
Q是發(fā)電機槽數，p極對數，m是相數。計算出來(lái)q是分數就稱(chēng)為分數槽發(fā)電機，是整數就是整數槽發(fā)電機。
（1）整數槽
整數槽即發(fā)電機定子槽數能被極數和三相除盡得 1，2，3......換言之，即每極每相分得的槽數是1，2，3......整數，就是整數槽。
（2）分數槽
如圖1所示。分數槽繞組的每極每相槽數q為分數，意味著(zhù)每個(gè)極下每相的槽數不是整數，但這其實(shí)是不可能的，因為槽數只能是整數，不可能出現半個(gè)槽，更不可能出現幾分之幾個(gè)槽，因此這個(gè)分數q只不過(guò)是整個(gè)發(fā)電機總槽數分到每極每相下的平均值而已。
3、按槽內層數分
（1）單層線(xiàn)圈
每個(gè)定子槽內只嵌置一個(gè)線(xiàn)圈有效邊的繞組，線(xiàn)圈總數是發(fā)電機總槽數一半。其優(yōu)點(diǎn)是繞組線(xiàn)圈少工藝比較簡(jiǎn)單；沒(méi)有層間絕緣故槽的利用率高；單層結構不會(huì )發(fā)生相間擊穿故障。
① 同心式
同心式繞組的特點(diǎn)是在q個(gè)線(xiàn)圈中，線(xiàn)圈的節距不等，有大小線(xiàn)圈之分，大線(xiàn)圈總是套在小線(xiàn)圈的外面，線(xiàn)圈的軸線(xiàn)重合，所以稱(chēng)為同心式。
② 交叉式
單層交叉式繞組由線(xiàn)圈數和節距不相同的兩種線(xiàn)圈組構成，同一組線(xiàn)圈的形狀、幾何尺寸和節距均相同，各線(xiàn)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(xiàn)圈元件所組成，特點(diǎn)是繞組線(xiàn)圈一環(huán)套一環(huán)，形如長(cháng)鏈。主要用于每極每相槽數的小型發(fā)電機中。優(yōu)點(diǎn)是線(xiàn)圈大小相同，制造方便，線(xiàn)圈可采用短距，端部較短。
（2）雙層線(xiàn)圈
雙層繞組的主要優(yōu)點(diǎn)是可以選擇最有利的節距，并同時(shí)采用分布繞組，以改善電動(dòng)勢和磁動(dòng)勢的波形，如圖2所示；所有線(xiàn)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(gè)線(xiàn)圈組成。在這些線(xiàn)圈中，每個(gè)線(xiàn)圈的匝數會(huì )影響發(fā)電機的性能特征。因此，需要選擇適當的匝數，以確保發(fā)電機正常運行。
② 波繞
波繞組是合成節距等于整數的一種繞組。在繞制這種繞組時(shí)，每個(gè)元件的兩個(gè)出線(xiàn)端所接的兩個(gè)換向片相隔較遠，兩元件串聯(lián)形成波浪形，故稱(chēng)為波繞組。
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圖1 分數槽集中繞組永磁發(fā)電機結構 |
圖2 三相發(fā)電機雙層線(xiàn)圈繞組波形 |
二、繞組的常用術(shù)語(yǔ)
1、元件
繞組線(xiàn)圈稱(chēng)為繞組元件，分單匝和多匝，如圖3發(fā)電機內部剖切圖。一個(gè)元件由兩條元件邊和端接線(xiàn)組成，元件邊放在槽內，能切割磁力線(xiàn)而產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，叫“有效邊”，端接線(xiàn)放在槽外，不切割磁力線(xiàn)，僅作為連接線(xiàn)用。每個(gè)元件的一個(gè)元件邊放在某一個(gè)槽的上層，另一個(gè)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(gè)元件均引出兩根線(xiàn)與換向片相連，其中一根稱(chēng)為首端，另一根稱(chēng)為末端。每一個(gè)元件的兩個(gè)端點(diǎn)分別接在不同的換向片上，每個(gè)換向片接兩個(gè)不同的線(xiàn)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)電機內部剖面圖 |
圖4 發(fā)電機電樞繞組首末端接線(xiàn) |
3、實(shí)槽與虛槽
發(fā)電機繞組實(shí)槽與虛槽結構和布置分別如圖5、圖6所示。
（1）實(shí)槽：發(fā)電機電樞上實(shí)際開(kāi)出的槽叫實(shí)槽。實(shí)槽數用Q表示。
（2）虛槽：即單元槽(每層元件邊的數量等于虛槽數)，每個(gè)虛槽的上、下層各有一個(gè)元件邊。虛槽數用Qμ表示。設槽內每層有μ個(gè)虛槽，若實(shí)槽數為Q，虛槽數為Qμ，則Qμ=μQ。
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圖5 發(fā)電機繞組實(shí)槽與虛槽 |
圖6 發(fā)電機繞組元件在槽內的放置 |
4、極距
如圖7所示，相鄰兩個(gè)磁極軸線(xiàn)沿電樞表面主之間的距離，用τ表示為（距離）。
若用虛槽數表示為（槽數）
當實(shí)槽數等于虛槽數時(shí)，Qμ一般用Q代替。
式中，D——電樞外徑(m)；
P——磁極對數。
5、節距
如圖8所示，線(xiàn)圈兩邊所跨定子圓周上的槽數，用y1表示，y1應接近發(fā)電機的極距τ（兩端合成的電動(dòng)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(gè)角度稱(chēng)為機械角度。在發(fā)電機中磁場(chǎng)變化一個(gè)周期，即經(jīng)過(guò)N、S一對磁極就稱(chēng)為360°電角度。若發(fā)電機有p對極，整個(gè)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
8、每極每相槽數
式中，m——相數；
P——極對數 。
9、極軸線(xiàn)
磁極的中心線(xiàn)。
10、幾何中性線(xiàn)
指主磁極N極和S極的機械分界線(xiàn)。
11、物理中性線(xiàn)
把N極與S極磁場(chǎng)為零處的分界線(xiàn)稱(chēng)為物理中性線(xiàn)。
三、交流繞組的構成原則
1、均勻原則：
每個(gè)極域內的槽數（線(xiàn)圈數）要相等，各相繞組在每個(gè)極域內所占的槽數應相等；
2、對稱(chēng)原則：
三相繞組的結構完全一樣，但在發(fā)電機的圓周空間互相錯開(kāi)120電角度。 如槽距角為α，則相鄰兩相錯開(kāi)的槽數為120/α。
3、電勢相加原則：
線(xiàn)圈兩個(gè)圈邊的感應電勢應該相加；線(xiàn)圈與線(xiàn)圈之間的連接也應符合這一原則。 如線(xiàn)圈的一個(gè)邊在N極下，另一個(gè)應在S極下。
四、發(fā)電機繞組展開(kāi)圖
所謂展開(kāi)圖，就是將發(fā)電機定子鐵心帶繞組用刀切開(kāi)并攤平，按發(fā)電機繞組在定子鐵心上的布置，畫(huà)出的一種繞組展開(kāi)圖。
1、導體的感應電動(dòng)勢
如圖9所示，一臺兩極交流發(fā)電機，轉子是直流勵磁形成的主磁極（簡(jiǎn)稱(chēng)主極）定子上放有一根導體，轉子由原動(dòng)機拖動(dòng)以后，形成一旋轉磁場(chǎng)。定子導體切割該旋轉磁場(chǎng)感應電動(dòng)勢。
2、槽電動(dòng)勢星形圖（以4極3相36槽發(fā)電機為例）
如圖10所示，當把各槽內導體感應的電動(dòng)勢分別用矢量表示時(shí)，這些矢量構成一個(gè)輻射星形，稱(chēng)為槽電動(dòng)勢星形圖。若氣隙中有一正弦分布的旋轉磁場(chǎng)，則槽內導體的感應電動(dòng)勢大小相等，相位依次相差一個(gè)槽距角。
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圖9 發(fā)電機電動(dòng)勢展開(kāi)圖 |
圖10 發(fā)電機槽電動(dòng)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(chēng)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占據的定子槽數即相帶。
（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 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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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(dòng)勢較60度相帶合成電動(dòng)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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B：
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7
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8
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9
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12
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26
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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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18
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32
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五、發(fā)電機接線(xiàn)方法
1、星形連接
星形接法也叫“Y形接法”，接線(xiàn)電路如圖11所示。把發(fā)電機繞組的3個(gè)末端連接在一起作為公共端，由3個(gè)首端引出3條火線(xiàn)的連接方式。負載每相線(xiàn)圈承受的電壓是相電壓220伏，即火線(xiàn)與零線(xiàn)間的電壓是220伏。星形接法的特點(diǎn)是發(fā)電機的繞組電流較小，而線(xiàn)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(dòng)電流要求不高、但運行平穩性要求較高的場(chǎng)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(xiàn)電壓380伏，即火線(xiàn)與火線(xiàn)間的電壓為380伏。三角形接法的特點(diǎn)是發(fā)電機的繞組電流較大，而線(xiàn)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(dòng)電流要求較高的場(chǎng)合。
3、并聯(lián)連接
把三個(gè)繞組用三根導線(xiàn)直接相互連接，兩個(gè)繞組之間用母線(xiàn)相連，形成一個(gè)大環(huán)路，這種連接方式又稱(chēng)為“普通連接”。并聯(lián)接法的特點(diǎn)是發(fā)電機的繞組電流相等，而線(xiàn)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(dòng)電流要求較高的場(chǎng)合。
4、串聯(lián)接法
串聯(lián)接法是將三相發(fā)電機的線(xiàn)圈依次串聯(lián)連接，使得電流在三個(gè)線(xiàn)圈之間依次流動(dòng)。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(diǎn)是發(fā)電機的繞組電流相等，而線(xiàn)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(dòng)電流要求不高的場(chǎng)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：
三相發(fā)電機線(xiàn)路接法根據發(fā)電機的不同特點(diǎn)和應用場(chǎng)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(diǎn)和適用范圍，在實(shí)際應用中需要根據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(xiàn)路接法，可以提高發(fā)電機的效率和可靠性，實(shí)現更好的工作效果。
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