（电力系统及其自动化专业论文）三相多绕组磁场的空间运动特性分析及应用.pdf

以不消耗有功功率的方式改善电能质量的感应耦合传递，成为感应耦 合功率传输中一项新技术。 本文利用磁场作为中介研究针对整流系统进行谐波抑制的装置， 该装置还可以推广到其它地方。如在配电技术方面，该谐波过滤和波 形矫正原理是利用多绕组的波形矫正的特性，可适用于不同的波形畸 变场合，使变压器能向负荷提供正弦工频电压，又将负荷的畸变电流 隔离在输电网之外，从而在技术上解决非正弦周期电流对电力系统不 良影响的问题。研究的进一步工程应用还可以构成一种新型的供配电 模式一直流供电系统。因此，该技术理论具有重要的科学意义和工 程应用价值。 关键词：谐波整流绕组谐波抑制变压器 c h a r a c t e l u s t i ca n a l y s i so fm a g n e t i c f i e l d o ft h r e e p h a s ew l n d i n g sa n di t sp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , n o n l i n e a r e l e c t r o n i cd e v i c e sa r e 、丽d e l yu s e di nt h r e e - p h a s ee l e c t r i c i t ys u p p l y n e t w o r k s i ti sl e a d i n gt od e t e r i o r a t i o no fe l e c t r i c a le l e m e n t s a m o n g t h e s e ，h a r m o n i cp o l l u t i o na n di n c r e a s i n go fr e a c t i v ep o w e ra g on o t i c e a b l e i ta n a l y z e dt h ee f f e c to fp o w e r s y s t e mh a r m o n i ca n de s t a b l i s h e dt h ei d e a o fr e s e a r c hm e t h o da c c o r d i n ga sr e c t i f i e rs y s t e mi st h em a i ns o u r c eo f h a r m o n i c a c c o r d i n gt ot h ei d e ai m i t a t eo fr o t a t i n gm o t o r ) e l e c t r o m a g n e t i c p r i n c i p l e so fm o t o ro p e r a t i n g ，t h ep r i n c i p l eo f w a v er e c t i f i c a t i o ni nm o t o r w i n d i n ga n de l e c t r i cp o w e rc o n c e p t , t h er e v o l v i n ga l t e r n a t i n gc u r r e n t m a c h i n er e s u l t a n tm o t i o nm a g n e t i cf i e l da f f e c t st ot h eh a r m o n i cf i l t r a t i o n i s a n a l y z e d t h ew i n d i n gm a g n e t i cf i e l dh a ss p a c e - t i m ed u a l i t y w e a n a l y z et h ei m p a c to fw i n d i n gm a g n e t i cf i e l do nt i m eh a r m o n i c ，a n d c o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a ti tc a l lf i l t e rt h et i m e h a r m o n i co fc u r r e n t m a g n e t i cf i e l db yt h es t r u c t u r eo fw i n d i n g ，a n da c h i e v e dt h a tr e c t i f i e rt h e c u r r e n tw i t h o u tc o n s u m i n ga c t i v ep o w e r t h eb a s i cp r i n c i p l eo fs t a t i c e l e c t r i c i t yc o n v e r s i o n 、肮mw a v e f o r mc o r r e c t i o n f i l t r a t i o nf u n c t i o ni s e s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s i nt h ep r o c e s so fe x p e r i m e n tw ed i s c o v e ra n o t h e rk i n do fe f f e c t s m e c h a n i s mt h a ti tc a ni n p u ts i n u s o i d a lc u n n tt ot h et h r e e - p h a s er e c t i f i e r w i t ht h ea f f e c to fw i n d i n g sm a g n e t i cf i e l d a n dw ea n a l y z e di t sp r i n c i p l e t h e o r e t i c a l a n a l y s i sc o m b i n e d , w e c a r r i e dr e l e v a n tp r i n c i p l e e x p e r i m e n t s an e wh a r m o n i cf i l t r a t i o nw a yi nt h e e l e c t r i c a le n e r g y i n d u c t i o nt r a n s m i s s i o ni sr e s e a r c h e d - - t h ei m p r o v e m e n to fe l e c t r i c a l m e n e r g yi n d u c t i o nc o u p l i n gt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ew i t h o u tc o n s u m i n g t h ea c t i v ep o w e r a si n d u c t i v e l yc o u p l e dp o w e rt r a n s m i s s i o n , i ti san e w t e c h n i q u eo ft h er e s o n a n tp o w e r t h i se q u i p m e mm a ya l s op r o m o t et o o t h e rp l a c e ，f o re x a m p l e ，i tc a nb eu s e di nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k i np o w e r d i s t r i b u t i o nt e c h n o l o g ya s p e c t , t h i sp r i n c i p l eo fh a r m o n i cf i l t r a t i o na n d w a v er e c t i f i c a t i o ni sac h a r a c t e r i s t i co fm a c h i n e r yw i n d i n gi nw a v e r e c t i f i c a t i o n ，m a yb ea p p l i e dt od i f f e r e n tw a v e f o r md i s t o r t i o na n dv a r i o u s w o r k i n go c c a s i o n t h i sm a k e s at r a n s f o r m e rp r o v i d e1 0 a dw i t hs i n el a b o r f r e q u e n c yv o l t a g e ，a n di s o l a t ed i s t o r t e dl o a de l e c t r i cc u r r e n to u t s i d et h e p o w e r t r a n s m i s s i o n i tm a yr e s o l v et h en o n - s i n ep m o de l e c t r i cc u r r e n t p r o b l e m t oe l e c t r i cs y s t e mh a r m f u le f f e c t so nt h et e c h n o l o g y s ot h i sh a s n ni m p o r t a n ts c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c ea n dv a l u eo f p r o j e c t s k e y w o r d s ：h a r m o n i c ；r e c t i f i e r ；, w m d i n g ；h a r m o n i cf i l t r a t i o n ； 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：荔盹钧乞舷 学位论文使用授权说明 2 0 0 9 7 只lb 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囱即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：巍良九导师签名：技哆毒2 0 0 9 年7 月日 盖相多嗣臣瞄为r 的童情i 运嗣问曩。扩析蕊宣 第1 章绪论 1 1 供电质量 随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，电力电子产品广泛的应用于 工业控制领域，用户对电能质量的要求也越来越高，其中最为突出的是电压质 量和谐波的问题，因此，如何提高电压质量、治理谐波就成为输配电技术中最 为迫切的问题之一。所以，面对我国目前电网结构薄弱和输配电技术普遍存的 技术手段落后、自动化水平低的现状，针对电压质量和谐波问题，研究电网谐 波治理和无功补偿技术及新设备，具有十分重要的理论和现实意义i l j 。 电压质量问题包含两个方面：一方面是电压幅值不符合电能质量要求，即 电压偏高或偏低，这主要是无功调节不力的原因，电网在小负荷水平下因无功 过剩的影响，电网电压普遍上扬，需断开一些输电距离长又近似空载的运行线 路或安装电抗器来抑制系统电压的过分偏高；而负荷水平上升时，电网电压普 遍降低，相当一部分站点电压甚至会超越电压允许偏差的下限，造成这种现象 的主要原因是电网无功补偿不足。要提高电压合格率，改善电能质量，降低网 络损耗，就必须既能在低负荷水平时可以吸收一定的无功功率，又可以在高负 荷水平下发出足够的无功功率；另一方面是三相电压不平衡，这主要是由三相 问负荷分布不均匀引起的。电网中各种不平衡工业负荷尤其是用于铁路系统的 单相馈线等，都会导致电压不对称，这样会造成中性点的位移和负荷端点上难 以预知的电压，而过高的中性线电流导致目前变压器普遍运行在违反运行规程 的状况下。有必要通过先进的输配电技术对负序进行补偿，以解决三相不平衡 的问题。 谐波是指电压、电流波形发生畸变，这主要是负荷的非线性造成的，随着 电力电子装置的广泛应用以及计算机和空调等电器的普及，电网中的谐波含量 也不断上升，谐波污染对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，给 周围电气环境带来极大的影响，被公认为电网的一大危害。谐波的污染与危害 主要表现在对电力与信号的干扰和影响上，可以概括为： ( 1 ) 在电力危害方面：消耗电力系统的无功储备；增加输电损耗；增加了旋 转电机等( 换流变压器过载) 附加谐波损耗，使其发热，缩短使用寿命；谐波谐振 三相多啊巨砑瞄季的空阀运嗣m o 扩析反窟用 过电压，造成电气元件及设备的故障与损坏，运行安全性下降；使电能测量产 生较大误差。 ( 2 ) 在信号干扰方面：对通信系统产生电磁干扰，使电话和网络通讯质量下 降；造成重要的和敏感的自动控制和保护装置工作紊乱、误动和拒动的现象增 加，导致可靠性下降；影响功率处理器的正常运行。 。 同时，随着现代工业技术的不断发展和计算机技术的广泛应用，用电设备 对电能质量更加敏感，特别是通信系统、微机保护和计量及控制装置对电网中 的干扰和异常更敏感，甚至几分之一秒的不正常就会引起制造系统混乱，低劣 的供电质量将导致低劣的产品质量。因此，广大用户对电能提出了比以往更为 严格的要求。 1 2 电力系统谐波问题的研究现状与发展 1 2 1 谐波问题的研究 谐波问题研究的历史可追溯到十九世纪末，当交流电刚刚以一种新兴的动 力形式出现，人们就发现了电力系统中电压、电流波形畸变的问题，并同时对 波形畸变的原因及消除方法开始了研究。2 0 世纪3 0 年代，在德国由于使用汞弧 变流器造成波形畸变，并开始引起重视。1 9 4 5 年，r e a djc 发表的有关变流器谐 波的论文是早期有关谐波研究的经典论文 2 1 。5 0 6 0 年代，由于高压直流输电技 术的发展，对换流器谐波问题的研究有大量的文章发表7 0 年代以后，电力电 子技术迅速发展，谐波问题日趋严重，引起世界各国的高度重视。7 0 9 代以后， 国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，i e c 和国际大电网会议( c i g r e ) 都 相继成立了专门工作组对谐波及其标准的研究，1 9 7 9 年英国电气委员会总工程 师会议制定的工程技术导则g 5 3 成为世界各组织进行谐波研究和管理的典范 1 9 8 4 年开始的电力系统谐波国际会议( i c h p s ) 极大地推动了谐波领域的研究和 交流，很多国家和国际学术组织都制定了电力系统谐波及用电设备谐波的标准 和规定，同时对谐波治理问题的研究也蓬勃发展起来。 + 。 我国对谐波问题的研究起步较晚，大约始于2 0 世纪8 0 年代。1 9 8 4 年电力 系统谐波暂行规定的颁布标志着我国电力系统谐波研究和管理进入了一个崭 新的时代 3 1 。1 9 8 8 年，吴竞昌等人出版的电力系统谐波一书是我国有关谐波 问题较有影响的著作1 4 j 。夏道止等1 9 9 4 年出版的 高压直流输电系统的谐波分析 2 三相多绕组磁场的空闰运动静佳分析及应用 及滤波是9 0 年代的的代表性著作 5 1 。9 0 年代以后，国内的谐波研究有了长足的 发展，与国外的研究水平的差距正在不断减小。近些年来，国内期刊和有关会 议发表的谐波相关问题的研究论文也非常多，谐波问题已经成了研究的热点【6 j 。 谐波问题的研究主要分为以下四个方面1 7 - 1 0 j ： ( i ) 关于谐波标准的研究： ( 2 ) 与谐波有关的功率理论的研究； ( 3 ) 谐波的检测和分析； ( 4 ) 谐波治理。 1 2 2 谐波的危害 电力系统中产生谐波的主要原因有各种电力电子变流装置、非线性不平衡 电路、具有饱和特性的装置，以及系统不对称运行或不对称故障等等。在电力 电子装置广泛应用以前，由于电力系统谐波未对生产和生活产生严重的影响和 危害，因此只把供电频率和电压幅值的稳定程度及其与额定值间的差异作为衡 量电能质量的标准。 随着而电力电子技术的发展，供电系统增加了大量的非线性负载，特别是 以开关方式工作的静止变流器，从低压小容量家用电器到高压大容量的工业交、 直流变换装置都有着广泛的应用，它是一种非线性时变拓扑负荷，不可避免的 产生非正弦波形，向电网注入谐波，已成为电网中的搿公害 。供电系统中还 有电弧炉、电焊机、变压器、旋转电机等其他非线性负载，都会在电网中产生 不同频率和幅值的谐波，甚至像电视机、荧光灯、电池充电器等装置也会产生 谐波、虽然单个装置的容量不大，但由于数量很多，因为它们给供电系统注入 的谐波分量也不容忽视。谐波不仅会消耗无功功率储备，其危害还主要表现在 以下几个方面： ( 1 ) 电力电容器引起的谐波放大。 ( 2 ) 增加旋转电机的损耗。 ( 3 ) 增加电线的损耗，缩短输电线寿命。 ( 4 ) 增加变压器的损耗。 ( 5 ) 造成继电保护、自动装置工作紊乱。 ( 6 ) 引起电力测量的误差。 ( 7 ) 干扰通信系统。 3 三相多嗣h 毒的童叫日运司h ，口汾析及皇t 用 ( 8 ) 延缓电弧熄灭。 ( 9 ) 对其他设备的影响： 1 ) 导致功率开关器件故障而损坏； 2 ) 导致功率开关器件控制装置误动作； 3 ) 使日光灯的镇流器及补偿用电容器过热或损坏： 4 _ ) 对计算机产生干扰： 5 ) 影响互感器的测量精度； 6 ) 使熔断器在没有超过整定值时就熔断； n 影响功率处理器的正常工作： 8 ) 影响电视机的画面质量； 铆影响电子显微镜的清晰度； 1 0 ) 影响其它换流设备或其他任何由电压过零所控制的设备的同步。 随着计算机和半导体的发展，开关器件的处理能力有了很大的提高，电力 电子装置的作用领域在不断的扩大。随着功率变换装置容量的不断增大、使用 数量的迅速上升和控制方式的多样性等，电力电子装置的潜在负作用将日益突 出。同时，家用电气、精密仪器设备发展迅猛，越来越多的电气用户对取用的 电能形态和功率流动的控制与处理提出了新的要求。这样，越来越严重的谐波 污染与越来越高的电能质量要求形成了一堆日趋尖锐的矛盾。 综上，对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，谐波已 成为电能质量的另一个重要指标。因此，无论是从保障电力系统安全、稳定、 经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度，有效的治理 谐波，将其限制在允许范围之内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电 网一，已经迫在眉睫【1 1 1 2 1 。我国谐波治理水平还比较低，对电力工作者来说， 谐波治理问题的研究具有十分重大的理论意义和现实意义。 1 2 3 治理谐波的主要措施 针对谐波产生的特点，谐波治理的措施主要有以下3 种形式1 3 】； ( 1 ) 主动治理，即从谐波源的角度考虑，设计使用不产生谐波或低谐波的用 电设备； ( 2 ) 受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统角度考虑，提高它们的抗谐 波干扰能力； 4 三相多嗣叫臣鼍t 场的置蛹i 运动砷性分析盈直 ( 3 ) 被动治理，即外加滤波装置，阻止谐波源产生的谐波注入电网，或者阻 止电力系统的谐波流入负载端。 1 主动治理谐波的主要措施 ( 1 ) 改变谐波源的配置或工作方式。 ( 2 ) 采用多重化技术。 ( 3 ) 设计或采用高功率因数变流器。 ( 4 ) 采用p w m 技术。 ( 5 ) 串联电抗器。 ( 6 ) 增加变流装置的相数或脉冲数。 2 受端治理谐波的主要措施 ( 1 ) 选择合理的供电方式。 ( 2 ) 避免电容器对谐波的放大。 ( 3 ) 提高设备抗谐波干扰能力。 3 被动治理谐波的主要措施 被动治理的主要方式是外加滤波装置，目前主要方式为无源滤波器和有源 滤波器，以阻止电力系统的谐波流入负载端，或者阻止谐波源产生的谐波注入 电网【1 4 1 7 1 。 1 3 整流装置的谐波 1 3 1 整流装置是主要的谐波源 由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置已广泛应用日常生产生 活领域。整流器通常是一个由电力二极管或晶闸管组成的非线形电路，它们主 要存在以下缺点： ( 1 ) 网侧功率因数低； ( 2 ) 输入电流谐波含量高； ( 3 ) 交流侧电网电压波形畸变等。 电网无功降低了发电、输电及用电设备的利用率，增加了线路的损耗；无 功还使线路和变压器的电压降增大若无功是冲击性负载，会使电网电压产生剧 烈的波动，严重影响供电质量。 近四十年来，各种电力电子装置的迅速发展普及和应用使得公用电网的谐 5 暑相多囊巴j 曩b 瑚到目奄角m a 铲析反蛊用 波污染日趋严重。由谐波引起的各种事故也不断发生，谐波危害的严重性引起 了人们的高度重视。 据统计，由整流装置产生的谐波占电力系统所有谐波的近4 0 ，这是最大 的谐波源。整流装置对电网产生了严重的谐波污染，已成为电力公害。 1 3 2 整流装置谐波的治理思路 为了使整流装置的性能得到改善，抑制谐波、提高功率因数成为首要的任 务。抑制电力电子装置产生谐波的方法有两种：一种是被动式的，即装设谐波 补偿装置来补偿谐波；另一种方法是主动式的，即设计输入电流为正弦、谐波 含量低、功率因数高的高性能整流装置【姗。 。+ 目前整流装置的主要滤波方法： 整流系统谐波的抑制技术包括被动抑制类型和主动抑制类型两种类型方 式。 1 基于谐波补偿装置功能的谐波抑制方法： ( 1 ) 加装无源滤波器。 ( 2 ) 加装有源滤波器， 2 基于改造谐波源本身的谐波抑制方法： ( 1 ) 整流变压器采用y a 或腭接线该方法可抑制3 的整数倍的高次谐波【1 9 1 。 ( 2 ) 尽量选用高功率因数的整流器。 ( 3 阁e 小功率整流电路中，整流变压器二次侧采用多重移相结构刚。 ( 4 ) 整流电路的多重化。 3 采用多相整流谐波抑制技术口1 奶】。 1 4 本文的研究目标与研究思路 1 4 1 本文的研究目标 综上所述，对电能质量的评价已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价 了，谐波已成为电能质量的另一个重要指标冽。当前电力系统中整流装置是主 要的谐波源。针对整流装置，本文从三相电机中多绕组滤除磁势谐波的思路出 发，将多绕组引入静止装置，研究利用畸变电流本身的能量进行波形矫正的理 论及装置，实现不消耗有功功率的电流波形矫正，为现代电力系统波形畸变集 6 暑“阳多嗣u e 场的置叫嗣运动憎汾析a 龟用 中管理与隔离问题提供新的技术支撑。 1 4 2 本文的研究思路 根据上文介绍，抑制电力电子装置产生谐波的方法有两种，一种是被动式 的，即装设谐波补偿装置来补偿谐波；另一种方法是主动式的，即设计输入电 流为正弦、谐波含量低、功率因数高的高性能整流装置。本文从主动式方向入 手，通过对整流装置中变压器的绕组改造，实现输入电流为正弦，谐波含量低 的整流系统。 本文中依靠多绕组结构实现降低整流系统网侧谐波的两个工作思路： ( 1 ) 利用绕组磁场既有空间性又有时间性的特点，通过绕组的分布，利用空 间结构消除时间谐波。 ( 2 ) 利用三相多绕组相间耦合结构对整流桥工作方式的影响，形成整流桥输 入电流波形正弦化的高功率因数整流系统。 相对于其他有源及无源滤波设备，本课题思路下滤波装置的特点主要有： ( 1 ) 节约成本，不需要额外的设备，仅需改善整流变压器的绕组结构。 、 ( 2 ) 利用畸变电流本身的能量进行波形矫正，不需要消耗额外的有功功率。 1 5 本文的研究特点 1 5 1 本文的研究意义 本课题的研究，在学术上，是绕组理论在电能感应耦合传输应用中的拓展 和推进，通过应用于静止无气隙电能耦合传输装置( 变压器) ，利用磁场特性可形 成具有波形矫正功能的电能耦合传输理论。在工程上，本文针对整流系统研究， 装置的进一步研究还可推广到配电技术方面，该原理的谐波过滤和波形矫正的 性质可适用于不同的波形畸变和各种运行场合，装置能向负荷提供较高质量的 电能，同时又将负荷的畸变电流隔离在输电网之外。从而在技术上解决非正弦 周期电流对电力系统的不良影响的问题，也为电力设备自主创新提供有力的技 术支撑。 1 5 2 本文的研究特点 ( 1 ) 研究角度新：本文从多绕组电流的磁场既有时间性又有空间性的特点出 7 三相多绕组磁场的空闰避动静佳分析及应用 发，分析了空间结构对时间谐波的作用，对电机中多绕组消除空间谐波理论的 原理和应用进行了拓展，实现不消耗有功功率的电流波形矫正，进而构成了具 有谐波过滤功能的新型电力变压器。 ( 2 ) 研究思路新：针对电力系统中复杂的无功电源及谐波治理问题，本文是 将电力电子系统从当前的电力电子电路与l c 组合扩展到电力电子与电机的结 合，进而研究电磁电子型的整流与逆变装置，构成新型的电源形式。 ( 3 ) 有较大的工程应用价值：本文从磁场的角度出发针对整流装置研究具有 谐波过滤功能的变压器装置，该装置还可以进一步研究推广到配电变压器形式， 适用于分散式谐波的集中过滤，较好的解决了治理谐波过程中的适应性问题。 本装置结构相对现有其他类型滤波装置结构简单，便于工程应用，便于谐波的 集中治理，对电力系统来说具有前瞻性意义。 1 6 本文的主要内容 本文绪论部分对谐波的发展现状及特点进行了分析，论述课题的研究背景， 并针对现代电力系统中整流装置是主要的谐波源的特点，确立针对整流装置的 谐波抑制方法的研究。 本文的工作思路在于利用空间绕组理论进行谐波的抑制，因此本文第二章 分析了三相交流电机中多绕组结构消除空间谐波，使空间磁势正弦化的基本原 理。 在第二章分析的基础上，我们得到了多绕组磁场时空二重性的特点，针对 本文的研究思路，本文在第三章中理论分析了几种空间绕组结构下谐波电流的 合成磁场的运动特性，得出了可以利用空间结构消除时间谐波的结论。并针对 理论分析做了原理性实验，得到很好的实验结果，验证了理论分析的正确性及 思路的可行性，为进一步研究打下基础。 第四章中本文通过含相间耦合的变压器模型，理论上分析了本文的另一滤 波思路即通过相间的耦合作用实现整流桥电流的正弦输入的工作方式，并根据 分析做了原理性实验，并得到很好的实验结果，验证了理论分析的正确性，为 进一步研究打下基础。 最后第五章对本文的工作做了总结及展望。 8 三相多嗣已| 臣t 场的曼u q 葺t 动特曙铲析及宣i 第2 章三相交流电机多绕组结构滤除谐波的基本理论 本课题研究思路受三相电机多绕组结构消弱高次谐波的方式的启发，因此 本章首先分析电机中多绕组结构滤除谐波的基本原理，并作为后面研究分析的 基础。 2 1 磁势谐波的降低 2 1 1 绕组的磁势分析 2 5 - - 2 7 1 单匝绕组 设有匝数为w 的单个线圈嵌于相距仇的两个槽中，如图2 1 ( a ) 所示，为了作 图方便把气隙圆周展成直线，将坐标原点取在上图左侧的槽上，让横坐标表示 沿气隙圆周方向的空间距离，用电角度口表示，气隙均匀的情况下，磁势沿气 隙均匀分布，在气隙的空间分布是一个矩形波如图2 1 ( b ) 所示。 冈因 卜生一 ( a ) 图2 - 1 单个线圈分布及磁势分布分析图 f i g 2 - 1c h a r to f o n ep i t c hw i n d i n gs p a t i a lm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o na n a l y s i s 线圈流过交流电流：扛豇c 0 s ( 耐+ 矿) ( 2 1 ) 则交流电流在线圈产生的磁势兀缸) 的空间分布为： 9 三相多曩已j 臣瞄毒的空闰鼍司纠汾析及应用 2 相绕组 在多对极时，对于一个相绕组，每对极下都有一个线圈，如图2 - 2 ( a ) 。如果 取一对极来看，与只有一对极绕组的磁势是一样的。在对称结构下，即每个线 圈跨的电角度为刀时，不论极对数多少，相绕组磁势都是i 1 ，矿例如，两对极 情况如图2 2 。 五 ( a ) 厂。 l 色j 手历 图2 - 2 多极电机线圈的磁势分布 f i g 2 - 2c h a r to f m o t o rw i n d i n g s 删m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o na n a l y s i s 磁势波在气隙的分布成矩形波，而且是周期性变化的。 波形特点：波形对横轴是对称的，波形对纵轴也是对称的。用f o m i e r 级数分 解该波形可表示为： 厂 ) = 4c o s 口4 - 鸣c o s 3 a + a 5 c o s 5 口+ =4cos附(2-3) 式中口表示电角度的空间距离，它与用长度x 表示空间距离的关系为： 口= 竺x ( 2 r 表示每对极在电枢表面的长度) ( 2 - 4 ) f o u r i e r 分解的系数4 为： ， 彳，= r ，兀( 口) c o s v a d 口 = 厶if 伽煅d 口一= 2 r o sv a d 口+ 最s 煅d 口i ( 2 5 ) = 厶吾 s 洒懈i 一虹n 煅l 雾+ s 妯煅i 缓 4 ， 石 2 i 一龇洲i 于是式( 2 3 ) 可以写为：八叻2 j 曼；4f s i n y 2 s 煅 1 0 暑。啊多嗣u 嘲l i 蚴的量“胃葺i 动静曙铲析刀u 龟用 从式( 2 5 ) 中可以看出，基波磁势的振幅为! 厶，是矩形波的! 倍，三次谐 霄冗 波的振幅是基波的；五次谐波的振幅是基波的：y 次谐波的振幅是基波的一1 。 j)y j 。i 基波 j 7、矩形波 , l l ， n 鲕扒。八 u ) v y vw r 口 一 三次波 图2 - 3 磁势的谐波分量 f i g 2 - 3h a r m o n i ca n a l y s i so f m a g n e t i cf i e l d 从图2 3 中可以看出，基波的波长与原矩形波一样；三次谐波的波长是基波 的寻；五次谐波的波长是基波的昙；y 次谐波的波长是基波的! 。即，单相集中 绕组所产生的磁势沿气隙空间分布是矩形波，f o u r i e r 分解成一系列的空间谐波 后，每次谐波各是空间电角度口的不同函数，所有谐波，都随时间f 以相同的频 率厂脉振。+ 基波分析：厶。= 4 f c o s c o t c o s 口 ，( 2 - 6 ) 利用三角公式：2 c o s a c o s b = c o s ( a b ) + c o s ( a + b ) ，将基波磁势分解为： 厶：粤c o s ( a 一耐) + 警c o s ( a + 饼) ：一。+ ( 2 - 7 )。 兀死 基波分解为两项：z 。和厶 一。：2 f s 缸一耐) ；一：三厶c o s + 饼) ；( 2 - 8 ) 刀 刀 从z 。和。表达式来看，这是两个行波的表达式。兰丛是其行波的波幅， 行波的移动速度国= 2 矿，括号内的正负表示了行波的运行方向，一个是+ 口方 向，一个是一口方向。也就是说脉振基波是由两个幅值为基波幅值一半，速度为 国的两个反方向行波合成。 3 三相绕组 2 9 - - 3 l l ( 1 ) 三相基波磁势 三相多嗣臣臼易的置润运鼋护侉堆e 分析反应用 以图( 2 4 ) 为例进行分析 图2 4 三相单层整距集中绕组 f i g 2 - - 4f u l l p i t c ht h r e e - p h a s ew i n d i n g _ ， 取三相对称电流： = 届e o s o 时l = 届州耐一- 万4 - ) l 屯= 扛c 0 啊一与 一( 2 9 ) 取y 次谐波的幅值为e ， 按照前面单个相绕组的分析取么相基波磁势表达式： 厶l = 只l c 疵傩口； 按照彳相的空间坐标和时间坐标可得曰相的基波表达式为： 厶= 瓦。c o s ( 硪警) c 0 啦一孕) ； jj 同理可得c 相的基波表达式为： 左。量民。c o s ( 反铷啦争； jj 将三个脉振驻波分解成六个绕圆周气隙的行波后可进行叠加： 厶+ 矗+ 无。 ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 上式中每括号内的后一项为三个相差1 2 0 。的正弦波，相加为零，故剩前三 项之和，得：石= 厶+ 矗+ 矗= 吾e 。c o s ( 口一研) ( 2 - 1 4 ) 由式( 2 1 4 ) f i j i l l ，三相基波合成磁势是一个沿气隙向+ 口旋转的一个行波。 -1 1-1 万一； 刀一； 锄一3幼一3 1_一 一 饼 耐 耐 + + + 留 货 口 ，-一，_， 嘁，似 似 鳓 鲫 只 兄 1 2 l 一2 1 2 + + + 甜 甜 研 一 一 一 弛 位 弛。 娟 义 文 o o o 删 l l一2一2 l 一2 p。l p。l p。l = + + 三相多绕组磁场的空闰运动静性分析及盔 振幅：f = 互3 f _ i _ 主0 9 w p k , , i = 1 3 5 w p k , , ， 频率为：国 ( 2 - 1 5 ) ( 2 ) 高次谐波的磁势： 1 ) - - 相的3 次谐波磁势 取前面基波的坐标，则各相三次谐波的表达式： f i 允= 一l 3 c o s ( o t c o s 3 a 厶，= 一c o s ( 烈一等) c 0 s 3 一争= 一冗，c o s ( 烈一2 3 n ) c 。s 轭 ( 2 1 6 ) 【f c 3 - - 一f 帕e o s ( a , t 一等赫s 3 一争= 一瓦，c o s ( 魂一等赫s 钯 由( 2 1 6 ) 式可以看出三相的3 次谐波磁势的空间分布都是按c o s 3 a 的规律变 化的，即其空间位置同相，因此将3 个磁势加起来，便可得到三相3 次磁势谐波 合成磁势六 j = l n 七l 蛾七 b ：一吒，c 0 蝴轭一瓦，c o s ( 磷警知s 轭一瓦，c o s ( 仞t 竽) c o s 妊 = 一e 舯十蚴+ 拟争二晒争 o j q 。7 = 0 ，由式( 2 1 7 ) 可知虽然3 次谐波在空间分布是相同的，但由于时间上互差1 2 0 。， 相互抵消掉了。同理还可以推论到3 的倍数磁谐波磁势上，它们的三相合成磁势 也等于零。 2 ) - - - 相5 次谐波磁势 仍取前面基波的坐标，各相5 次谐波磁势表达式为： f e e , o 哦o s s u 民c o 啦一等) c o s 5 留一亨) = c o s 缸警) c o 缸+ 亏2 力 ( 2 1 8 ) 珞c o s 缸- 争0 s 5 缸一争= c o 晰- 等删缸+ ；力 将每相的5 次磁势谐波分解为两个在圆周上的行波，便可进行叠加得到三相5 次磁势谐波的合成磁势： 1 3 三相多嗣臼曩瞄芳的曼u 目运霞纠= 铲析刀u 龟用 石= 厶c o s a x v , o s q a + c o 她一等) c 0 文缸+ 詈力+ 晒一j 4 万) c o s ( 缸+ 詈力 = 圭e ，洳s 溆- 硝) + c o s ( 缸+ o x ) + c o s ( s a 一耐+ 导力+ c o s ( 缸+ o x ) ， + c 0 s ( 缸一耐+ 专力+ c o s ( 缸+ 训 = s 陬+ 硝) = e c o s 敝+ 硼 ( 2 - 1 9 ) 由式( 2 1 9 ) 可见三相5 次磁势谐波的合成磁势是一个正弦分布、波幅恒定的 旋转磁势，它的旋转角速度为一譬，方向为一口方向。类似的可以推论到 y = ( 6 k 1 ) 次的三相合成谐波磁势，它们的合成磁势是旋转波，转速是三相合成 基波磁势的二。 l ， 3 ) z 相7 次谐波磁势 仍取前面基波的坐标，各相7 次谐波磁势表达式为： 一 。t c o s ( 0 t c o s i q 吨7 c o s ( o x 孙s 7 ( a 一争：- f 7 c o s ( o x 警灿( t a 一孕) ( 2 2 0 ) 3333 吨，c 0 取铷s 7 ( a 争：也，c o 拟冬) c 0 卿一习4 7 t 3333 同理，将每相的7 次磁势谐波分解为两个在圆周上的行波，便可进行叠加得 到三相7 次磁势谐波的合成磁势： 石：7 c 。姗o s 7 a 一瓦7 c 0 她跏s ( 7 a 一吾刀+ f t c o s ( , a 铷0 s ( 钇一争 3333 ：一昙巴，f c o s ( t a 翻r ) + c o s ( 刁a + 翻吩+ c a s ( 7 红一翻吩+ c o s ( 钇+ m r 一兰 zj + c o s ( 钇一耐) + c o s ( 5 口+ 研一警) 1 = 一丢吒7c o s f t a 一仞d - , - a ec o s f l a - 甜) ( 2 - 2 1 ) 从式( 2 - 2 1 ) 中可以看出，三相7 次磁势谐波的合成磁势是一个正弦分布、波 1 4 暑。陶多g 已j 臣砑瞄蠢的曼情l 运动特僧曙伊析a 龟用 幅恒定的旋转磁势，它的旋转角速度为詈，方向为+ 口方向。类似的可以推论到 y = ( 6 k + 1 ) 次的三相合成谐波磁势，它们的合成磁势是旋转波，转速是三相合成 1一 基波磁势的二。 y 至此，3 k 、6 k = l ：1 次的谐波已分析完毕，由于f o u t i e r 分解中不包含偶次谐 波，至此三相的高次谐波磁势全部分析完毕。 小结：通过上面的各次谐波表达式我们可以看出，绕组电流的磁场分布既 是一个空间函数，也是一个时间函数，绕组中的磁场与电路中的电流和电压仅 是时间函数的特性不同，它具有时空二重性，这是我们后面采用空间结构滤除 时间谐波的基础。 2 1 2 绕组的短距和分布对磁势的影响 。， 1 线圈分布的影响口5 1 在交流电机中，无论单层绕组或双层绕组，每相绕组都是由若干个线圈串联 或并联组成。就产生的磁势而言，都可等效的认为每个线圈由若干个节距相等、 匝数相同、依次沿定子圆周错开一个角度的线圈串联而成。 。 ，、 7 1 、 7 2 、 二 一 ，r h 岱化 ( a ) ( c ) 图2 - 5 多线圈的空间位置及线圈组的y 次磁势矢量 f i g 2 - 5t h ev r dh a r m o n i co f w i n d i n g s 图2 - 5 ( a ) 所示为三个线圈串联的线圈组，各线圈沿定子圆周依次移位一个 槽，对基波来说为强电角度，如图所示，则各线圈的y 次谐波依次在空间上位移 三相多膏已j 臣砑瞄旁的童谰遣鼋佳分析夏应用 v t ；i f n 电角度，空间矢量表示时，口个线圈的y 次谐波磁势矢量e ，依次有一个空间 相位差，如图2 - 5 ( b ) 所示。于是矢量相加可得该线圈组磁势的y 次谐波的幅 值，如图2 - 5 ( c ) 所示。 4 “ 显然， 识，。这一减小可用分布系数来体现。 a 令：，= 舞，则y = 识厶 q ( 2 2 2 ) 一 血坐堕 由矢量的几何关系可得：= _ i 2 i q s m ( 2 - 2 3 ) 咖盟 盏 当y = 1 时，= 。 (2-24) q s m - 当y 不太大时，七口，随y 的次数增加而明显衰减，因此，利用绕的分布排列可 有效的削弱空间谐波磁势，改善交流绕组的磁势波形。使之接近正弦波。 2 线圈短距的影响 线圈短距的影响可以从磁场分布来形象的描述： 现将一个时间周期分成o o o 一3 0 0 、3 0 0 一9 0 0 、0 1 5 0 0 、1 5 0 0 一2 1 0 0 、 2 1 0 2 7 0 0 、2 7 0 0 3 3 0 0 六个时间段分别分析，现在将整距绕组和短距绕组的 空间磁场分别分析如下： 5 三相对称整距绕组的空间磁场分布 ， 1 6 t = - 3 0 0 3 0 0t = 3 0 0 9 0 0t = 9 0 0 一1 5 0 0 l j 乙。 一 刈一 广。 i 7 厂。 il j ，r k 广1 一 jii 7 j 乙。 r u 广1。 i 一 广_ il j ，r 厂 li ，r k ，乙。 _ l j 7 f = 1 5 0 0 2 1 0 0t = 2 1 0 0 2 7 0 0t = 2 7 0 0 一3 3 0 0 图2 - 6 整距绕组的空间磁场分布分析图 f i g 2 - 6c h a r to ff u l l - p i t c hv n d m gs p 砸j l lm a g n e t i c 毹i dd i s t r i b u t i o na n a l y s i s 由图2 石分析可以看出，三相对称整距绕组合成磁势是三单位的方波