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1、第二讲： 交流电机的谐波问题,1 肖湘宇主编，电能质量分析与控制，中国电力出版社，2004 书生 2George J. Wakileh著，徐政译，电力系统谐波基本原理、分析方法和滤波器设计，机械工业出版社，2003 电子版 3 许实章著，新型电机绕组理论与设计，机械工业出版社，2001 超星 4 李发海，朱东起编著，电机学（第三版），科学出版社，2002 超星 5 汤蕴璆，史乃编著，电机学，机械工业出版社，2001 教材 6 汤蕴璆，张亦黄，范瑜编著，交流电机动态分析，机械工业出版社，2005 A区新馆二楼“自然科学图书阅览室” 7 朱耀忠等，电机与电力拖动，北京航空航天大学出版社，2005
2、书生 8 李永东主编，交流电机数字控制系统，机械工业出版社，2002 电子版,参考书籍,1 谐波的基本概念（1: p164-201, 2: p435） A。基波与谐波的定义，谐波计算方法，谐波评价指标 2 变压器中的谐波 B。铁心饱和时单相变压器的励磁电流（4: p15-16） 三相变压器空载运行的电动势 （4: p54-56） 3 电机中的谐波 由于电机自身磁势、磁路以及与电机相连的电源和负载的非线性特性，实际电机中总会存在各种各样的谐波。这些谐波会影响电机的正常运行，有必要对它们产生的机理、特点及其对电机影响的情况进行介绍。,阅读参考书籍后的作业,3.1 电机中的空间谐波 电机的空间谐波是
3、由于电机内部磁势和磁阻在空间上分布不均匀/非正弦而引起的谐波磁场，例如：凸极同步电机的主极磁场、齿谐波磁场等都含有丰富的空间谐波。电机的空间谐波磁场具有相同的机械角频率但极距却各不相同。 C。凸极同步电机的主极磁场（5: p124-125） 电机中的齿谐波磁场（5: p125-126） 3.2 电机中的时间谐波 电机的时间谐波是由连接于电机绕组的电压或负载中的非线性特性在电机内部产生的谐波电压和电流，例如：变频器供电的感应电动机或通过HVDC输送电力的同步发电机中就含有丰富的时间谐波。由时间谐波电压或电流产生的电机磁场具有相同的极距与极对数但频率却各不相同。 D。时间谐波源（2: p37-65
4、） 变频器供电的感应电动机（6: p229-249）,阅读参考书籍后的作业,4 电机谐波的抑制与利用 4.1 电机谐波的危害 E。 “空间高次谐波对异步电动机的影响”,(7: p191-192 ) F。 “非正弦电源对异步电机的影响”(7: p211-214 ) 4.2 电机谐波的抑制 G。 “消弱电机空间谐波的方法”, (5: p127-129 ) H。 “电力系统时间谐波的抑制”(2: p87-114, 1: p204-219 ) 4.3 电机谐波的利用 I。 “利用谐波起动感应电机”, (3: p25-86 ) J。 “利用齿谐波辨识电机转速”(8: p250-251 ),阅读参考书籍后
5、的作业,2.1 谐波电动势 2.2 谐波磁动势,谐波问题 （p134 ，142） 谐波电动势和磁动势,2.1.1 普通谐波电动势 2.1.2 齿谐波电动势,2.1.1.1 谐波磁场及其特点(谐波电动势产生原因) 2.1.1.2 谐波磁场产生的电动势 2.1.1.3 谐波电动势的危害 2.1.1.4 削弱办法,2.1.1 普通谐波电动势,2.1.1.1 谐波磁场及其特点,气隙磁密,1/4,2.1.1.1 谐波磁场及其特点,气隙磁密的分解,2/4,2.1.1.1 谐波磁场及其特点,谐波磁密,3/4,2.1.1.1 谐波磁场及其特点,谐波磁密的特点！,4/4,2.1.1.2 谐波磁场产生的电动势,谐
6、波相电动势有效值,1/5,基波,谐波,2.1.1.2 谐波磁场产生的电动势,谐波短距系数,2/5,基波,谐波,2.1.1.2 谐波磁场产生的电动势,谐波分布系数,3/5,基波,谐波,2.1.1.2 谐波磁场产生的电动势,谐波电动势频率！,4/5,基波,谐波,2.1.1.2 谐波磁场产生的电动势,谐波每极磁通量,5/5,基波,谐波,2.1.1.3 谐波电动势的危害,考虑谐波后的相电动势,1/5,2.1.1.3 谐波电动势的危害,考虑谐波后的线电动势有效值,2/5,Y联结,D联结,2.1.1.3 谐波电动势的危害,D联结时的三次及其倍数谐波环流,3/5,2.1.1.3 谐波电动势的危害,谐波电动势
7、的危害,4/5,使发电机电动势波形变坏，降低供电质量，影响用电设备的运行性能； 使发电机本身的杂散损耗增大，效率下降，温升增加； 输电线中的高次谐波所产生的电磁场，会对附近的通信线路产生干扰；,2.1.1.3 谐波电动势的危害,谐波电动势的危害（续）,5/5,可能引起输电线路中的电容和电感发生谐振，产生过电压； 使感应电动机产生有害的附加转矩和损耗，降低其运行性能。,2.1.1.4 普通谐波电动势的削弱方法,主要方法 !,1/12,使气隙磁场的分布波形尽可能接近正弦波 采用对称三相绕组 采用短距绕组 采用分布绕组,2.1.1.4 普通谐波电动势的削弱方法,使气隙磁场的分布接近正弦波（凸极机）,
8、2/12,2.1.1.4 普通谐波电动势的削弱方法,使气隙磁场的分布接近正弦波（隐极机）,3/12,2.1.1.4 普通谐波电动势的削弱方法,采用三相对称绕组,4/12,采用三相对称绕组时，无论是Y联结还是D联结，其线电动势中都不存在3次以及3的奇数倍次谐波。 当采用D联结时，3次谐波环流引起附加损耗，降低效率，增加发热，所以同步发电机一般用Y联结。,2.1.1.4 普通谐波电动势的削弱方法,采用短距绕组（削弱原理！）,5/12,适当选择绕组元件的节距，使某次谐波的短距系数等于或接近于0 ，便可达到消除或削弱该次谐波的目的。,2.1.1.4 普通谐波电动势的削弱方法,采用短距绕组（削弱条件）,
9、6/12,2.1.1.4 普通谐波电动势的削弱方法,采用短距绕组（短距对基波电势的影响）,7/12,以削弱5次谐波为例,说明y1应该尽可能取得接近整距,2.1.1.4 普通谐波电动势的削弱方法,采用短距绕组（节距的选择方法）,8/12,应选择尽可能接近于整距的短节距 p136 式4-31,！,2.1.1.4 普通谐波电动势的削弱方法,采用短距绕组（实际节距的选择）,9/12,y1/=5/6,kpv,0,0.5,1.0,1,0.9,0.8,0.7,v =7,v =5,v =1,可以兼顾削弱5、7次谐波,2.1.1.4 普通谐波电动势的削弱方法,采用短距绕组（消除谐波的物理解释）,10/12,以削
10、弱5次谐波为例,2.1.1.4 普通谐波电动势的削弱方法,采用分布绕组（削弱谐波示意图）,11/12,每极每相槽数q q个线圈分布,2.1.1.4 普通谐波电动势的削弱方法,采用分布绕组（q值对分布系数的影响）,12/12,q 越大则各次谐波分布系数越小；但q增多也意味着总槽数的增多，使冲剪工时和材料消耗增多，槽有效面积减少，增加成本。一般2 q 6，二极汽轮机6 q 12 。,2.1.2.1 齿谐波电动势及其产生原因 2.1.2.2 齿谐波电动势的削弱方法,2.1.2 齿谐波电动势,2.1.2.1 齿谐波电动势及其产生原因,齿谐波电动势的产生原因 p135 T4-15,1/5,电枢铁心表面开
11、有槽，尤其大型电机几乎都是开口槽，使得气隙磁通的波形会受到电枢齿槽的影响（齿下气隙较小，磁导大；而槽口处气隙较大，磁导小），从而影响电枢绕组感应电动势波形，产生较强的齿谐波。,2.1.2.1 齿谐波电动势及其产生原因,齿谐波电动势,2/5,对同步发电机的空载电势波形进行分析，发现在q为整数的时候，存在着较强的次数为(Q/p)1=2mq1的高次谐波(一阶齿谐波)；对气隙较小的小型同步发电机，这种谐波更加突出。这就是所谓的“齿谐波”电动势。,2.1.2.1 齿谐波电动势及其产生原因,齿谐波电动势的短距系数,3/5,基波,说明：齿谐波与基波的的短距系数相等。 推导,2.1.2.1 齿谐波电动势及其产
12、生原因,齿谐波电动势的分布系数,4/5,说明：齿谐波与基波的的分布系数也相等,综上说明：齿谐波与基波的的绕组系数相等.! 推导,2.1.2.1 齿谐波电动势及其产生原因,高阶齿谐波电动势,5/5,k =1称为一阶齿谐波，k =2称为二阶齿谐波，余类推。阶次越高，其影响就越小。,2.1.2.2 齿谐波电动势的削弱方法,1.增加每极每相槽数q,1/11,增大q值，使齿谐波次数增高，其影响就较小。汽轮发电机由于极数少，q值大，所以齿谐波影响不大；水轮发电机q值小，又不易增大，需采用其他措施。,2.1.2.2 齿谐波电动势的削弱方法,2.减小槽口气隙磁导的变化,2/11,在小型发电机中采用半闭口槽，以
13、减小由于槽口气隙磁导变化过大引起的齿谐波；中型电机采用磁性槽楔以减小齿谐波。 若有可能，也可加大气隙长度，使得因槽开口而引起的气隙磁导的变化减弱。,2.1.2.2 齿谐波电动势的削弱方法,3.采用斜槽或斜磁极 p137,3/11,“斜槽”是将电枢齿槽沿轴向扭斜一定的距离，使每根导体各部分感应的齿谐波电动势相位不同，相互抵消一部分，从而大大削弱齿谐波电动势；当然也会影响基波和其他谐波成分。 斜槽常用于中小型感应电机和小型同步电机中，大型电机斜槽工艺困难。凸极机也可用斜极或将极靴分段错开,2.1.2.2 齿谐波电动势的削弱方法,3.采用斜槽（斜槽系数的推导方法）,4/11,2.1.2.2 齿谐波电
14、动势的削弱方法,3.采用斜槽（斜槽系数的推导方法）,4/11,将槽内导体看作是由无穷多（n）短直导体串联构成，每两根相邻短直导体的电动势之间有一个极小的相位差（0），再依照绕组分布系数的推导方法可得斜槽系数的表达式。,整根导体扭斜的电角度,用导体扭斜的距离表示,2.1.2.2 齿谐波电动势的削弱方法,3.采用斜槽（基波斜槽系数）,5/11,整根导体扭斜的电角度,用导体扭斜的距离表示,2.1.2.2 齿谐波电动势的削弱方法,3.采用斜槽（ v次谐波斜槽系数）,6/11,2.1.2.2 齿谐波电动势的削弱方法,3.采用斜槽（消除v次谐波的条件）p137,7/11,且,2.1.2.2 齿谐波电动势的
15、削弱方法,3.采用斜槽（斜槽距离的确定）,8/11,消除(2mq+1)次齿谐波,消除(2mq-1)次齿谐波,同时削弱两种齿谐波,通常，斜槽斜一个齿距！,2.1.2.2 齿谐波电动势的削弱方法,3.采用斜槽（斜一个齿距后对齿谐波的影响）,9/11,2.1.2.2 齿谐波电动势的削弱方法,4.采用分数槽绕组,10/11,在大容量低转速电机中，q不可能太大，通常采用分数槽绕组来削弱谐波。 由于q为分数，则齿谐波的次数一般都是分数或偶数，而主极磁场中仅含有奇次谐波，从而避免了出现齿谐波电动势。 分析表明，分数槽绕组对其他高次谐波也有较好的抑制作用，大大改善电动势波形。,2.1.2.2 齿谐波电动势的削
16、弱方法,4.采用分数槽绕组（示例）(通过选择Q来实现),11/11,分数槽绕组的分布系数,2mq1,2.2.1 空间谐波磁动势 2.2.2 时间谐波磁动势 2.2.3 谐波磁动势的影响,2.2 谐波磁动势,2.2.1.1 空间谐波磁动势的表达式 2.2.1.2 三次谐波磁动势的特点 2.2.1.3 五次谐波磁动势的特点 2.2.1.4 七次谐波磁动势的特点,2.2.1 空间谐波磁动势,2.2.1.1 空间谐波磁动势的表达式（p148）,整距线圈的磁动势,1/7,2.2.1.1 空间谐波磁动势的表达式,矩形波磁动势分解示意图,2/7,2.2.1.1 空间谐波磁动势的表达式,一相绕组的磁动势,3/7,2.2.1.1 空间谐波磁动势的表达式,对称三相绕组通对称电流的谐波磁动势（A相）,4/7,2.2.1.1 空间谐波磁动势的表达式,对称三相绕组通对称电流的谐波磁动势（B相）,5/7,2.2
