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磁场非正弦分布引起的谐波电动势的削弱方法

2020-8-23 19:32| 发布者: admin| 查看: 581| 评论: 0|原作者: 佚名|来自: 网络

摘要:   发电机电动势中如果存在高次谐波,将使电动势波形变坏,产生许多不良影响:(1)发电机本身的附加损耗增加,效率下降,温升增高;(2)可能引起输电线路的电感和电容发生谐振,产生过电压;(3)对邻近的通讯线 ...

  发电机电动势中如果存在高次谐波,将使电动势波形变坏,产生许多不良影响:(1)发电机本身的附加损耗增加,效率下降,温升增高;(2)可能引起输电线路的电感和电容发生谐振,产生过电压;(3)对邻近的通讯线路产生干扰;(4)使感应电动机产生有害的附加转矩和损耗,造成电动机运行性能变坏。因此,设计电机时,要尽可能削弱或消除电动势中的高次谐波。

  一般谐波次数愈高,其幅值愈小,对电动势波形的影响也愈小,因此,影响电动势波形的主要是3、5、7、9等次谐波。所以,设计交流绕组时,主要考虑削弱或者消除3、5、7、9等次谐波电动势。常用的方法有:

  1.凸极同步电机的励磁绕组为集中绕组,气息磁场的分布取决于磁极的极靴外形,所以对凸极同步电机而言,可以通过改善磁极的极靴外形,力求磁极场沿电枢表面的分布为正弦波;而隐极同步电机通过励磁绕组的分布范围来获得正弦分布的磁场,改善励磁绕组的分布范围,可以使磁极场沿电枢表面的分布更接近于正弦波。

  在凸极同步电机中,采用非均气隙,一般取最大气隙与最小气隙之比在1.5~2.0范围内,极靴宽度bp与极之比在0.70~0.75范围内。对于稳极汽轮发电机,气隙是均匀的,把每极范围内安放励磁绕组部分与极距之比设计在0.70~0.80范围内。实践表明,当采取上述措施后,同步电机磁极场波形就比较接近于正弦形。

  2.在对称的三相绕组中,三相绕组的连接消除了线电动势中的3次及其倍数次奇次谐波。和变压器一样,三相绕组可以连接成Y联接或形联接,由于三相电动势中的3次及其倍数次奇次谐波彼此相差3×120°=360°,即大小相等、相位相同。当三相绕组采用Y联接时,由于三相电动势中的3次及其倍数次奇次谐波在相位上彼此相差360°,即是同相位的,而且大小相等,线电动势,即线电动势中的3次谐波电动势互相抵消,所以发电机输出的线电动势中不存在3次谐波,同理也不存在3的倍数奇次谐波。当三相绕组采用△连接时(图1b),由于三相的3次谐波电动势同相位、同大小,即,在闭合的三角形回路内产生环流,根据电路定律,在闭合三角形回路内有:,这样,3次谐波电动势正好等于3次谐波环流所引起阻抗压降,所以线电压中不会出现3次谐波。同理,也不会出现3的倍数次谐波。

a)Y形联接                       b)△形联接

图1 三相绕组采用Y形或△形联接

  从上述可见,无论三相绕组采用Y形或△形联接,线电压中都不存3和3的倍数次谐波,这是三相绕组在电动势方面的优点。但当采用△连接时,由于闭合回路中的3次谐波环流引起附加损耗,使电机效率降低、温升增加,所以现代同步发电机一般采用Y形连接。

  3.采用短距绕组削弱高次谐波电动势

  图2表示采用短距消除5次谐波电动势方法。图中实线表示整距情况,这时5次谐波磁场在线圈两个有效边内感应电动势的瞬时值大小相等、方向相反,沿回路内正好相加。如果把节距y1缩短,如图中虚线所示,则两个有效边内的5次谐波电动势也大小相等,但方向相同,沿回路内正好互相抵消,故5次谐波合成电动势等于零。一般说来,节距缩短v次谐波的一个极距(即缩短),就能消除v次谐波电动势。

图 2 采用短距绕组消除5次谐波电动势

  实际上,由于三相绕组采用Y形或△形连接,线电压中已经消除了3次及3的倍数次谐波,所以选择绕组节距时主要考虑同时消弱5、7次谐波电动势,因此,通常采用,这时5次和7次谐波电动势差不多都削弱到只有原来的1/4。表1列出了不同节距时基波和部分谐波的短距的系数。

表1 基波和部分高次谐波的短距系数

v

1

8/9

5/6

4/5

7/9

2/3

1

3

5

7

1.0000

-1.0000

1.0000

1.0000

0.9848

-0.8660

0.6428

-0.3420

0.9659

-0.7071

0.2588

0.2588

0.9511

-0.5878

0

0.5878

0.9397

-0.5000

-0.1736

0.7660

0.8660

0

-0.8660

0.8660

  4.采用分布绕组削弱高次谐波电动势

  表2和图3表示每极每相槽数q不同时基波和各次谐波的分布系数的变化情况。从表可见,当q增加时基波的分布系数减小不多,但谐波的分布系数显著减小,因此,采用分布绕组可以削弱高次谐波电动势。但是,随着q的增大,电枢槽数Z也增多,这将引起冲剪工时和绝缘材料消耗量增加,从而使电机成本提高。事实上,当q>6时,高次谐波分布系数的下降已不太显著,因此除二极汽轮发电机采用q=6-12以外,一般交流电机的q均在2-6范围内。

表 2 三相绕组基波和部分高次谐波的分布系数的绝对值

v

q

2

3

4

5

6

7

8

9

1

0.9659

0.9598

0.9577

0.9567

0.9561

0.9558

0.9556

0.9555

3

0.7071

0.6667

0.6533

0.6472

0.6440

0.6420

0.6407

0.6399

5

0.2588

0.2176

0.2053

0.2000

0.1972

0.1955

0.1944

0.1937

7

0.2588

0.1774

0.1576

0.1494

0.1453

0.1429

0.1413

0.1403

9

0.7071

0.3333

0.2706

0.2472

0.2357

0.2291

0.2250

0.2222

11

0.9659

0.1774

0.1261

0.1095

0.1017

0.0974

0.0948

0.0930

13

0.9659

0.2176

0.1261

0.1022

0.0919

0.0865

0.0831

0.0810

15

0.7071

0.6667

0.2706

0.2000

0.1725

0.1586

0.1503

0.1450

图3 基波和各次谐波的分布系数(绝对值)和q的关系

  例 一台三相同步发电机,f=50Hz,nN=1500r/min定子采用双层短距分布绕组,定子槽数Z=36,,每个线圈匝数Nc=9,并联支路数a=1,Y连接,每极磁通量,求相电动势和线电动势E。

  解 求解时,基波和各次谐波的绕组系数的计算较为繁琐,可以借助Malab工具,较为方便计算相电动势和线电动势E。计算结果为;线电动势E=405.04V。下面为Malab源程序:


路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋

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