单相和三相汽油发电机组设计

目前，我军装备的仪器设备普遍采用单相和三相电混合使用的模式。普通的单相或三相交流发电机组无法很好地满足需求，单台发电机组无法为三相设备供电。三相发电机组的单相负载能力差，在三相负载严重不平衡的情况下，三相电压也极不平衡，严重威胁着电器设备和发电机组的安全使用。为了满足军队的特殊需求，我们设计了配备汽油发电机组的单相和三相汽油发电机，满足了军队单相和三相混合使用的要求，并最大限度地减小了三相电压的不平衡，使所有电器都能安全可靠地使用。下面介绍通过技术鉴定的8kW单相和三相发电机组的各项性能指标设计。

工作原理基于单相和三相交流同步发电机的特殊需求。我们采用高性能、结构简单的电抗分流励磁方法，如图所示的电气原理图。

单相和三相交流同步发电机电气原理图。发电机定子嵌有主绕组和辅助绕组各一组。主绕组输出三相交流能量和单相交流能量。各相绕组的尾端接至三相分流电抗器的中间抽头M，首端为输出端。辅助绕组的首端接至电抗器各相的d端，尾端接至三相整流桥。电抗器各相绕组的另一端d2汇集为中点，并同步向外。当转速达到额定值时，由于转子剩磁，在辅助绕组中感应出电压，为转子励磁绕组提供励磁电流4（电压分量），以增强磁通。如此继续下去，电机便能自励并迅速建立起空载电压。带负载时，依靠电抗器的负载电流分流作用，一部分电流成为分流至励磁绕组的励磁电流//i（电流分量），补偿了发电机负载的去磁和压降作用，使转子励磁电流随负载的变化而自动调整，达到恒定端电压的效果。

单相和三相交流同步发电机的设计计算与柔性交流同步发电机的设计计算相同，但应注意单相和三相参数的协调以及性能指标的平衡。因此，需要注意以下几点。

鉴于该电机主要与遮蔽罩配合使用，对其体积、重量等指标有严格要求。因此，电机定子绕组设计必须在有限的空间内进行合理布置，以最大限度地发挥电机输出。同时，减小相间互感系数，以降低运行时的三相电压不平衡。最简单直接的方法是将单相绕组和三相绕组都设计成独立的绕组组，但这必然会增加电机的体积和重量，并且运行时的操作也更加复杂，无法实现单相和三相的混合使用。

理想的解决方案是基于三相发电机设计一个单相绕组，使其单相输出功率相同，允许该相承受单相负载。这不仅节省了材料，也符合实际使用情况。

选项 1：参见发电机绕组系统。定子线圈配备两组局部相绕组，一组连接为三相绕组，另一组串联连接为单相和三相绕组中匝数较少的相。

这是一个常规的绕组布置。经过试制和相关测试，发现了两个缺点。首先，由于单相绕组中的某些线圈在空间上与其他两相同相，导致电机运行时相间互感系数较高；其次，嵌线工艺复杂，部分槽内嵌有四种绕组。表1表明了U相、V相、W相一次侧的匝数分别为584858，负侧匝数为196153196。表2显示了优良的电气/机械稳态一致性三杯的测量标准。方案二：参见发电机绕组系统。定子线圈仅配备一套三相绕组，其中一相绕组的绕组数是其他两相的两倍，作为单相绕组。这样，绕组布置相对整齐规则。由于单相绕组与其他两相在空间上同相，相间互感系数较小。发电机在不平衡状态下运行时，三相电压不平衡度减小。除一相绕组数量较多外，其余与三相交流同步发电机完全相同。嵌线工艺简单，绝缘易于处理。与方案一相比，可节省约15%的铜材，并降低部分槽的槽满率约10%。该方案经实验验证为理想方案。

本发电机采用电抗分流励磁方式，结构简单，性能优良。但电机单相运行时和三相运行时，其桥组整流系数和电枢反应是不同的，例如完全跟随。

三相设计导致单相运行时励磁功率不足；如果完全按单相系统设计，当三相系统等待运行时，电阻负载电压过高，必须采取协调平衡措施。我们采用的方法是将电抗器设计成不平衡电抗器，电抗器两侧绕组参数设计为三相电机，中间相绕组设计为单相电机。这不仅满足了单相和三相发电机的要求，还降低了电机不平衡运行时电压不平衡的情况。具体数据见表1。为了增强电机工艺的适应性，提高电机电压调节精度，减小电机冷热态电压偏差，我们在励磁系统中增加了一台自动电压调节器。由于该电机需要单相和三相运行，测量信号只能取单相相电压，其谐波（包括次谐波）含量较高，尤其是在单相运行时，导致调节器电压调节精度较低，一般只能达到7%至10%，无法满足技术要求。因此，必须增加补偿装置。然而，由于单相和三相运行时的电流变化很大，使用负载电流作为反馈信号不合适。只能使用电机励磁电压作为反馈信号。在单相电压调节器的测量电路中，我们增加了一个反映励磁电压大小的反馈信号，该信号通过光耦合器隔离，满足要求。具体电路如图所示。

该样机已通过寒冷、炎热地区、可靠性及军用等试验，并经国家内燃机动力站质量监督检验中心检验，各项性能指标均达到设计要求。具体指标及质量等级见表2。单相和三相汽油发电机组可单独或同时输出单相和三相交流电。单相和三相用电设备混合使用，不仅在军队，在施工现场等民用场所也普遍存在。它的成功研制填补了国内空白，具有广泛的推广价值。目前已配套500余辆工程车及其他产品。其独特的功能极大地满足了军用需求，深受部队欢迎。