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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。
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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。
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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。
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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）。
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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。
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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°。
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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）：
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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。
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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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23
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24
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B：
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7
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8
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9
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10
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11
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12
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25
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26
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27
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28
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29
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30
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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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31
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32
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33
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34
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35
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36
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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。
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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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