（电力系统及其自动化专业论文）基于电机结构的整流装置谐波抑制方法.pdf

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载端的畸变功率特性，可以获得电压电流波形均品质优良的电力谐波过滤方法。 本文的研究具有重大的理论意义和工程应用价值，具有广阔的推广应用前景。可用 于变频调速、新能源并网、直流输电等场合。 关键词：整流谐波运动磁场绕组系数电压调整相间电磁耦合 垒! 兰! ! 竺! 一 _ - _ _ 一一 h a r m o n i cs u p p r e s s i o nm e t h o d o fr e c t i f i e r b a s e do ne l e c t r i c a lm a c h i n es t r u c t u r e a b s t r a c t t o d a y , p o w e rc o n v e r s i o n a n dm a s sc o n s u m p t i o n o fd cp o w e rb e c o m ean e w c h a r a c t e r is _ t i c so fp o w e rs y s t e m i nt h i sn e ws i t u a t i o n , t h ep o w e re l e c t r o n i cr e c t i f i e rd e v i c e s p l a y 锄i m p o r t a n t r o l e h o w e v e r , t h ee x t e n s i v eu s eo f r e c t i f i e rd e v i c e sl e dt ot h ed e t e r i o r a t i o n o ft h ep e r f o r m a n c ei n d e xo fp o w e rg r i d ，i ti st h em a i n h a r m o n i c ss o u r c eo fp o w e rs y s t e m t h e e x i s t e n c eo fh 踟l o n i c sw i l lb r i n ga d v e r s ee f f e c t st ot h ep o w e rs y s t e ms t a b i l i t y , s e c u r i t ya n d t h ee c o n o m yp e r f o r m a n c e c o n v e n t i o n a la cm a c h i n e s a r ed e s i g n e dt oh a v es i n u s o i d a lv o l t a g ea n dc u r r e n t w a v e f o m st or e d u c ep o w e r 西dh a r m o n i c s t h i sp a p e ra i m st os t u d yt h ep o s s i b i l i t yh o w c 锄 t h i sf i n ee l e c t r i c a lm a c h i n eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sb ea p p l i e dt ot h ef i e l do fp o w e rs y s t e m b a r m o i l i c ss u p p r e s s i o n t h i sp a p e ri sd e r i v e dt h et h e o r yh o w t of o r mam o v e m e n tm a g n e t i c f i e l di ne l e c t r i c a lm a c h i n es t r u c t u r es p a c e ，a n dd i s c u s st h ep o s s i b i l i t yo fu s i n gt h i sp r i n c i p l e a n dt h e o r yo fa cm o t o rw i n d i n g ，f o r m i n gan e wp o w e rh a r m o n i cs u p p r e s s i o nm e m o d a c c o r d i n gt ot h ed e r i v a t e dt h e o r y , w em a k e a nn e w t y p ep o w e rt r a n s f o r m e rw i t he l e c m c 砒 m a c 】 l i n e 姗c n e s ，a n dv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fr e c t i f i e rc u r r e n th a r m o n i c ss u p p r e s sw i t ht h i s n e wt r a n s f o r m e r 1 1 1t l l ec o u r s eo ft h es t u d y , f o u n di nt h ee l e c t r i c a lm a c h i n es t r u c t u r et r a n s f o r m e r , t h e u s e o ft h r e e p h a s ea l t e r n a t i n ge l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n gp r i n c i p l e ，b yw a yo fa d j u s t i n gv o l t a g e w a v e f o n nc 锄r e c e i v et h es i n u s o i d a li n p u tc u r r e n to fr e c t i f i e r t h r o u g ha v a r i e t yo fn o n l i n e a r h a 订n o i l i cl o a d se x p e r i m e n tw i t ht h i st r a n s f o r m e r , t e s tr e s u l ts h o w t h a ti tt a i lw e l lr e d u c et h e r e c t i f i e ri n p u tc u r r e n th 枷o n i c s i ti sas i m p l e ，r e l i a b l ea n de f f e c t i v ep o w e rt r a n s f e rm e t h o d i n a d d i t i o n ，i fu s i n gs h u l l tc a p a c i t o r st oc h a n g et h ed i s t o r t i o np o w e r c h a r a c t e r i s t i c so ft h el o a d ，i t w i l lg a i nan e wp o w e rh a r m o n i c ss u p p r e s s i o nm e t h o dw h i c hb o t hv o l t a g e a n dc u r r e n t w a v e f o r m sh a v eg o o dq u a l i t y t i f f ss t u d yh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e ，a n d h a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s c o u l db eu s e df o ra d j u s t a b l es p e e dd r i v e s ，t h ec o n n e c t i o no f n e w e n e r g yp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m sa n dp o w e rg r i d ，h v d c ，a n d s oo n k e y w o r d s ：r e c t i f i e r ；h a r m o n i c ；m o v e m e n tm a g n e t i c f i e l d ；w i n d i n gc o e f f i c i e n t ； v o l t a g ea d j u s t m e n t ；e l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n g i i 广西大掌硕士论文基于电机结构的整流装置谐波抑制方 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 电源端变化。1 1 1 2 电网变化。2 1 1 3 用户端变化。2 1 2 谐波问题概述3 1 2 1 电力系统的谐波3 1 2 2 谐波的影响3 1 2 3 整流装置的谐波抑制4 1 3 本文的研究目标和研究意义7 1 3 1 本文的研究目标7 1 3 2 本文的研究意义8 1 4 本文的主要内容8 第2 章利用交流电机理论进行谐波过滤的基本原理1 0 2 1 在展开电机空间结构上产生运动磁势的原理；1 0 2 1 1 单相集中绕组的时间脉动磁势的空间分布特性：1 0 2 1 2 三相对称绕组流过三相对称电流时的合成磁势11 2 2 绕组系数对谐波削弱的原理1 5 2 2 1 绕组系数对磁势谐波削弱的原理1 5 2 2 2 绕组系数对谐波电势削弱的原理16 2 3 本章小结1 9 第3 章装置设计与实验分析2 0 3 1 装置的设计2 0 3 2 实验验证2 2 3 3 电气运动的磁场空间谐波与电势时间谐波的关系2 5 3 4 本章小结2 8 第4 章基于电压波形调整的电流谐波过滤方法2 9 i i i 基于电机结构的整流装置i 1 1 波抑制方法 4 1 电流波形正弦化原理2 9 4 2 电压波形调整的方式3 0 4 3 装置运行特性分析3 4 4 3 1 滤波效果的比较3 4 4 3 2 直流侧并联电容滤波效果实验3 7 4 3 3 整流变压器同时带整流负载和普通负载实验3 9 4 3 4 整流桥交流侧并联电容实验4 1 4 4 本章小结4 3 第5 章总结与展望4 4 5 1 本文工作总结4 4 5 2 进一步研究的展望4 5 参考文献4 6 致谢4 9 在学期间发表的学术论文和科技成果5 0 i v 第1 章绪论 1 1 研究背景 电能在生产、输送、分配、控制和使用方面的优点，及其转换为其他形式的能 源的便利性，使其成为了现代社会所不可或缺的一种优质的二次能源。各种电气设 备的使用提高了各个工业生产领域的自动化水平，推动了技术进步，同时也提高了 人民的生活水平。现代生产和生活对电力的依赖程度日益加重【l 】。 经济的快速发展和人民对生活水平提高的要求，使得现代社会对电能的需求急 剧增加。电力需求的增长，一方面导致了常规能源的枯竭，另一方面也使得环境日 益恶化。与此同时，能源问题和环境问题已经成为当今人类生存和发展所要迫切解 决的问题。 为解决日益严重的能源和环境问题，人们开始追求新的能源供给以及高效的供 电设备和节能的用电方式。随着电力电子技术的发展和成熟，电力系统的发展呈现 了一些新的特点和变化。无论在电能的产生方式、输配电过程中，还是在电能的转 换消费过程中，电力系统都发生了深刻的变化。这些变化在电源侧体现为新能源发 电方式或其他高效率的常规能源发电方式，在电网中则体现为灵活的电网控制 f a c t s 装置技术的研究和实现，而在负载端则以高效能的电力电子用电设备的广泛 流行为标志。电力系统的这些变化使得整流装置成为了电力系统的主要谐波源。 1 1 1 电源端变化 由于煤炭、石油、天然气等常规能源的日益枯竭和人类对全球环境问题的关注， 人们将目光转向了清洁无污染的可再生新能源或高效率的发电形式，如风能、太阳 能、燃料电池发电、磁流体发电和小型燃气轮机发电等。这些新能源发电形式和高 效的常规能源发电方式构成了所谓的分布式发电系统。大多数分布式发电系统都是 以非额定频率或非正弦形式( 通常为直流形式) 提供电能。这些分布式发电技术使电力 系统呈现出能源利用形式和发电模式多样化的特点 2 - 4 。 传统公用电网是以工频正弦的标称运行方式来设计的。如何使得这种非额定频 率或非正弦形式的电能生产方式能适应传统电网的运行方式，或者说如何使传统电 网能够适应这种新的电源的发展，已经成为当今电力系统所亟待解决的一个重要问 题。为解决这个问题，具有电能调节和变换功能的电力电子装置越来越多地引入电 力系统的发电端。通过电力电子装置，可将非恒定频率和电压的电能变换为工频正 广西大掌硕 - a ：r 论文 基于电机结构的整流装置谐波抑制方法 弦交流电能。电力电子新技术的引入在很大程度上改善了功率控制困难以及并网后 的安全稳定问题，提高了电源的质量。 1 1 2 电网变化 电网是电能输送和分配的重要环节，其稳定安全经济运行，直接关系到国民经 济生产和社会的安定。电力系统的有功功率平衡和无功功率的充裕程度很大程度上 影响着电力系统的稳定和经济运行。此外，分布式电力系统与传统电力系统的连接， 会给传统电力系统带来安全稳定问题。对于输送电能的灵活调节和控制将成为解决 电力系统稳定和经济运行的一个着重关注点。 面对电力系统功率平衡要求的不断提高，电力电子技术设备在电力系统中得到 了广泛的使用。这些高性能的电力调节和控制手段对电力的安全、高效、经济输送 产生了积极的作用。这些电力电子装置包括：高压直流输电( h v d c ) 技术中使用的换 流器，用于电网无功功率补偿的静态无功补偿器( s v c ) 、静止同步补偿器( s t a t c o m ) 、 静止同步发生器r ( s s g ) ，用于提高电网输送容量和系统稳定性的可控串联补偿装置 ( t c s c ) ，用于电网潮流控制的统一潮流控制器( u p f c ) 等柔性输电系统( f a c t s ) 以及 配电系统的用户电力技术中使用的电力电子设备等。此外，新能源电力和分布式系 统中电能的输送以及它们与传统电网的连接，需要使用大量的电力电子装置，如变 频装置和储能装置等。以上这些电力电子装置中，整流装置占相当大的比例【1 】。 1 1 3 用户端变化 用电负荷将电能转化为其他形式的能量而消耗掉。对环保的重视和节能减排目 标的实现，很大程度上改变了电能的使用方式。在很多场合中，电能的转换使用代 表着电能的高效利用。 通常，用电设备并非工作在电网的固定频率、固定电压下特性最好、效率最高。 当用电负载发生变化时，用电设备应能对用电过程进行调节，对电功率的形式和数 量进行控制，才能使用电设备工作在性能最佳、效率最高的状态。这样的负荷才满 足当今节能型社会的要求【5 1 。 事实上，变频调速技术、电力牵引技术、不间断电源、感应加热、使用电子镇 流器的绿色照明技术等都是在用电设备中实现对电能的变换和控制的代表性应用。 对于这些设备来说，电力系统提供的工频5 0 h z 的正弦交流电源并不是最优的电源。 为了能使电网主动适应负荷的变化，需要在电网和负载之间加入接口装置。a c d c 装置为以上这些新型负荷所广泛采用。 2 基于电机结构的整流装置谐波抑制方法 综上所述，新技术和新设备的使用，给电力系统的发展注入了新的活力。这是 由于电力电子技术的出现而引起的变化的一部分。其中的一个重要特征就是电能的 变换使用、直流电能的大量消耗。其结果是：电力系统无论在发电、输配电和用电 设备上都发生了很大的变化。在这种变化中，整流设备无论在发电端、电网或是在 用户侧都扮演着重要角色。工作在正弦电源电压下的整流装置会引起电流波形的畸 变，整流装置在电力系统中的广泛使用，导致电力系统的谐波问题日益严重。而整 流装置也成为了现代电力系统的主要谐波源。 大量使用整流装置的新的发电、输电和用电技术给电网的发展注入了新的活力， 但也给电网带来了新的问题。在大多数设备都对电能质量很敏感的今天，谐波的存 在不但严重影响着电力系统的安全稳定和经济运行，也可能给电力用户带了不可估 量的损害。如何降低作为电力系统主要谐波源的整流装置的谐波含量成为现代电力 系统所迫切需要解决的一个问题。因此，对整流装置的谐波抑制成为了电工学科的 一个研究热门。本文的研究就是在这样的背景下进行的。 1 2 谐波问题概述 1 2 1 电力系统的谐波 谐波问题在电力系统是与生俱来的【6 】。从交流电的使用开始，降低电压电流波形 的畸变水平就是工程师们的努力解决的一个问题。这其中，电力系统中的主要电源 同步发电机就是一个谐波电压源。在上世纪2 0 年代和3 0 年代，在研究汞弧整 流器时，电力系统中的谐波问题才真正引起了人们的注意。自上世纪5 0 、6 0 年代以 来，电力电子装置在电力系统的应用，使得电力系统的非线性负载产生谐波的问题 成为了电工学科的一个热门研究领域，许多学者和工程师对电力系统谐波进行了大 量研究。研究的内容主要集中在谐波分析方法、谐波治理方法以及谐波环境下的功 率定义问题等内容。 当今电力系统中，谐波问题日益严重。为避免谐波对电力系统及用户的损害， 很多国家和国际组织都着力于制定电力系统电压谐波限制标准及用电设备电流谐波 限制标准【7 】【8 1 。 1 2 2 谐波的影响 谐波的产生原因主要有电机磁场分布的非正弦、电压电流的非线性、开关电路 的通断和电磁设备的饱和。从电能产生的源头来看，同步发电机向电力系统提供基 基于电机结构的- 1 e 流装置谐波抑制方法 波功率，但由于负荷的不同特性影响，产生了谐波电流，即负荷产生的谐波电流是 同步发电机供给的。谐波电流在电网的传播，引起了系统的电压波形畸变。谐波在 电力系统中的存在危害了电网的安全稳定经济运行和用户设备的安全【9 1 【10 1 。 首先，在发电机和变压器等电网主要电磁设备中，谐波将引起绕组回路及铁芯 中发热增加，损耗增加，降低电机的使用寿命。不同转向的谐波磁场会使发电机中 存在脉动转矩，使电机发生机械振动，增加设备的运行噪音。使绕组变形甚至损坏。 谐波的存在也降低发电机和变压器的额定容量，增加设备端电压的畸变率。 其次，谐波电流在电网中的传输，会使电网设备工作失效或损坏，并降低电网 运行效率。例如：谐波会使阻抗继电器的动作特性发生变化甚至失效；消弧线圈对 于谐波电流电弧不起作用，会阻碍消弧线圈对电弧的熄灭；电容器对谐波的放大作 用会损坏自身甚至电网中的其他电气设备；谐波电流会阻碍高压输电系统接地电抗 器对潜供电流的熄灭过程，使得用于提高电力系统稳定性的单相自动重合闸延迟重 合或重合闸不成功；谐波电流的存在还会降低断路器、熔断器等的开断能力。 在用户端，谐波会使电视接受装置的画面出现畸变变形，引起荧光灯及紧凑型 灯具中镇流器或电容器的损坏，还可能对电压控制型的电力电子设备误动作、误开 通及谐振过电压。 对通信系统而言，谐波会通过电容耦合、电磁感应或电气接地传导等作用增加 通信线路的噪声，降低信号传输质量，严重情况会导致通信线路的停用。采用屏蔽 电缆可以降低谐波的干扰，但会增加系统的成本。电气传导在正常情况下是很弱的， 但可能会导致通信系统的过电压。 1 2 3 整流装置的谐波抑制 为避免谐波的危害，无论电力部门或者用户都对交流母线上的电能质量有严格 要求。这也促使着一些限制标准的产生。为应对严重的电能质量问题，对整流装置 输入电流谐波的抑制，成为电气工程学科的一个研究热门。 目前，整流装置谐波治理的主要有两种思路：1 、采用额外装置的电流补偿方法， 即人们所说的被动的治理方式；2 、设计制造波形畸变较低的整流装置，即通常所说 的主动的治理方式。 以第一种思路构成的整流装置谐波治理方法主要有无源滤波技术、有源滤波技 术、混合滤波器技术以及三次谐波注入技术等。 而第二种方法主要包括高功率因数p w m 整流装置、采用多脉波的移相叠加整 流技术等。 4 l 、被动方法的治理模式。 在这种模式中，各种谐波抑制技术均是在整流装置的主电路拓扑结构之外并联 额外的补偿支路，通过补偿支路注入的谐波电流，与负载谐波电流叠加，使得在整 流装置的电网输入侧电流呈现良好的正弦形状。 ( 1 ) 无源滤波器 在这些技术中，无源滤波器【1 1 。1 4 1 采用电容电感等无源器件，构成补偿支路，其 结构简单、运行功率大。且无源滤波器的设计应用已经有较长的历史，技术较成熟。 无源滤波器的设计需要知道谐波源的谐波特性，需要对电网阻抗频率特性进行准确 的模拟，计算要求较高。且装置元件参数的变化会使滤波器发生调谐偏移，影响滤 波效果。此外，无源滤波器工作在频域当中，其工作特性限制于某一特定频率或某 一频率范围，大大影响其工作效率。 ll j 一1 百 ( a ) 单调谐 澹波器 ( b ) 一阶高 透滤波器 上 00 ( c ) = 阶高 遇溏波器 ( d ) 三阶高 遵滤波器 图1 1 常用无源滤波器 f i g 1 - 1c o m m o np a s s i v ef i l t e r ( 2 ) 有源滤波器 相比来说，有源滤波器【1 5 。1 刀工作于时域当中，通过检测电路谐波分量，控制开 关器件的通断形成反相注入谐波电流，可以避免类似于无源滤波器谐波分量提取的 复杂处理过程，可应用于任何频率范围。但其装置成本较高，运行功率较无源滤波 器要小，并且有源滤波器注入电网中的电流流向不可控制，受负荷侧阻抗的影响1 1 8 】。 通过与无源滤波器的混合搭配，可以降低有源滤波器的额定功率，同时也可以改善 无源滤波器的工作性能。在功率器件的瓶颈问题还没解决之前，混合滤波技术成了 谐波治理的一个有效手段。 ( 3 ) 三次谐波注入滤波技术【1 9 。2 3 】 通过在整流装置输入侧注入三次谐波电流实现整流装置谐波治理技术的应用较 少。它是通过在整流桥直流侧用电容和电感形成三次谐波发生源，并通过开关器件 等设备控制三次谐波电流在整流桥交流输入侧的注入。通过选择适当的注入电流与 5 广西大掌硕士论文 基于电机结构的整流装置谐波抑制方法 负载电流的幅值比值、注入电流相对于注入电压的相位偏移角，可以得到最佳的谐 波抑制效果。但负载大小的改变会影响到滤波的效果。此外，对于晶闸管相控整流， 触发角的改变也会影响滤波效果。从众多的研究成果中，可以发现三次谐波注入方 式的滤波效果很难满足电网谐波标准中电流谐波低于5 的要求。 图1 2 并联有源滤波器的原理图 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r 图1 - 3 三次谐波注入滤波技术的电路原理图 f i g 1 - 3t h ec i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a mo ft h i r d h a r m o n i ci n j e c t e df i l t e r i n gt e c h n i q u e s 2 、主动的治理模式 主动方式的治理模式主要是对整流装置本身的拓扑结构和相关的控制方法进行 改造和升级，降低装置运行时产生的电流谐波含量。高功率因数p w m 整流装置和 多脉波的移相叠加整流技术是主动治理模式的代表。 ( 1 ) p w m 整流装置 p w m 整流装置【2 4 五6 1 通过对整流电路的各种电气量进行检测提取，然后通过数字 信号处理器进行对开关器件导通的p w m 控制，可以实现电源侧电流正弦化，并且 可以实现单位功率因数状态运行。p w m 整流装置的主要部件包括电力电子开关器 件、传感检测装置和数字信号处理器。控制和检测技术是p w m 整流装置的核心， 6 广西大掌硕士论文 基于电机结构的整流装置谐波抑制方法 检测和控制技术的好坏直接影响到整流器的输入谐波含量。高功率因数p w m 整流 器的控制复杂、开关器件的价格昂贵。这制约了它的广泛工程应用。目前，p w m 整 流器已经开始应用于小功率的电力电子电源中。 ( 2 ) 多脉波的移相叠加整流技术 多脉波的移相叠加整流技术【2 7 。3 0 1 是按一定的规律将两个或更多个( 通常为偶数 个) 变流器进行组合，通过移相装置对电网电压进行移相，使得各个整流桥输入电 压存在一定的相位差，从而获得整流负载电流之间的相位差，不同相位差的整流负 载电流在电网侧的叠加，可以使某些次谐波相互削弱或抵消，从而实现整流电路电 网侧电流的正弦化矫正。 多脉波整流技术所需的电压移相由曲折变压器、移相电抗器或自耦变压器等设 备产生。通过不同接法的变压器绕组的移相只能为3 0 。的整数倍，而通过移相电抗 器可以实现任意角度的移相。 现在，新的结构可以使多脉波整流技术的脉波数达到一个很高的值，但同时这 种做法也增加了系统部件的成本和结构的复杂性。因此，设计者在设计时必须注意 脉波数和电能质量要求、经济性、可靠性等的平衡考虑。即多脉波整流方式的脉波 数决定于负载的功率等级、成本、效率和电能质量的要求。多脉波整流方式的一个 优点是，通过增加脉波数，可以消除某些次谐波并使更高次谐波有所降低，而阶梯 数越多则电流波形更接近于正弦电流。且多脉波整流电路中不存在储能元件，实现 了高效的谐波消除，是一种高性价比的谐波治理技术，是大功率直流电源供电的首 选。此外，多脉波整流方式没有像p w m 整流方式中的开关损耗。目前，多脉波整 流技术已经广泛应用于工程实践，如：电化学工业中，高压直流输电工程。 1 3 本文的研究目标和研究意义 1 3 1 本文的研究目标 电气工程领域无论从电源、电网亦或是负载的形式都发生了深刻的变化。这些 变化的一个重要结果是使整流装置成为电力系统的主要谐波产生源。针对整流装置 的谐波治理，从整流电路主拓扑结构的改造出发，根据交流电机的运行理论，设计 具有电机结构的新型电力变压器，利用电机结构中的电磁耦合关系，实现整流电路 输入电流波形的正弦化矫正。 7 基于电机结构的整流装置谐波抑制方法 1 3 2 本文的研究意义 针对整流装置是电网主要谐波源的特点，为解决电力系统中整流装置畸变电流 波形正弦化的问题，以主动适应电力系统非线性负载和非正弦电流的新型电源的发 展，本文提出了根据旋转电机理论，将交流电机设计方法应用于新型变压器的制作， 通过新型变压器与整流装置的结合，构成一种新颖的整流装置谐波抑制技术。 本文为相关具有谐波过滤功能的变压器的设计、制造和运行提供理论指导和依 据。主要包括几个方面：1 、通过研究推导，得出利用具有电机结构的变压器中形成 电气运动磁场的理论；2 、通过将电机运行理论应用到变压器中，以形成集电能传输 及谐波过滤功能于一身的新型变压器；3 、对具有电机结构的电力变压器进行运行特 性分析，探索其运行特性与规律。 利用新型电力变压器构成的三相整流电路谐波过滤装置，结构简单、滤波效果 好、经济性能优良、可靠性高。它开创了一种新的谐波抑制技术，促进了整流装置 谐波消除技术的发展，并对改善电能质量、提高电能生产、输送和使用的效率发挥 了积极的作用。这项研究的成果将具有较大的应用前景，其应用范围将包括：变频 调速装置、高压直流输电工程以及新能源发电等双向功率接口的并网。 1 4 本文的主要内容 本文的第一章就电力系统从电源端、输电网到电力用户端所出现的新形势进行 叙述，说明了本文的研究背景，指出整流装置是电网的主要谐波源。接着介绍了电 力系统谐波问题、总结了谐波的治理方法。然后，说明了本文的主要研究目标、研 究意义并简要介绍了本文的主要内容。 第二章根据电机学与电磁场的知识，推导出了利用三相对称绕组在展开电机结 构空间中形成电气运动磁场的原理，并分析了非正弦周期电流流过三相对称绕组时， 所形成空间电气运动磁场的特性。在第二章的第二节中，回顾了在电机结构中，绕 组系数对谐波进行削弱的应用。通过对两节内容的结合，形成了本文利用电机结构 和电机理论实现整流装置谐波抑制设想的理论基础。 在第三章中，依据第二章的理论分析，研究制作了具有电机结构的新型电力变 压器，对利用绕组系数实现整流装置谐波抑制的设想进行了实验验证。并对电气运 动磁场中，空间谐波与感应电势谐波以及感应谐波电势与绕组系数的关系进行了理 论分析。 第四章中，主要介绍基于整流负载功率特性恒定的基础上，利用了电机结构变 8 压器 波的 9 广西大学硕士论文基于电机结构的整流装置谐波抑制方法 第2 章利用交流电机理论进行谐波过滤的基本原理 在电机学的学习中，我们知道交流电机都是约定成俗地按正弦电压和电流波形 进行设计的，以降低电压电流中的谐波含量。在电机结构中，对于圆周运动的非正 弦分布的磁场所感应的电势，采用绕组系数可以削弱感应电势中的谐波分量；对于 磁场的空间谐波，也可以用绕组系数进行削弱。本文旨在研究能否将电机的这种优 良特性推广到电力系统的其他领域应用，尤其是电力系统的谐波抑制。为此，本章 将推导在展开电机空间结构上形成运动磁势的原理，并讨论该原理与电机绕组理论 的结合，形成一种新的电力谐波抑制方法的可行性。 2 1 在展开电机空间结构上产生运动磁势的原理 2 1 1 单相集中绕组的时间脉动磁势的空间分布特性 在如图2 - 1 ( a ) 的展开为直线的电机结构空间上，设横坐标为圆周对应的空间位 置，纵坐标为交流磁势的大小，其正负表示磁势波的极性。当绕组通过电流后，将 产生空间矩形磁势波 3 1 - 3 4 】，如图2 - 1 ( b ) 所示。 困冈 卜卫叫 f ( a )( b ) 图2 1 单个线圈及磁势分布图 f i g 2 1c h a r to fo n ew i n d i n ga n dm a g n e t i cp o t e n t i a ld i s t r i b u t i o n 令线圈中通过电流表达式为：待i 。c o s t 则在匝数为w 的单个线圈中产生的磁势波的表达式为： l ( x ) = 专订。c o s ( 2 1 ) 上 可见，对于随时间按正弦变化的电流，该电流产生的磁势波形的幅值也随时间 按正弦变化，而在空间上仍然保持矩形分布，电机学上称这种磁势波形为脉振磁势 波形。 对此空间矩形分布的脉振磁动势进行谐波分析，由于该磁势波形具有偶对称和 半波对称的特性，其分解后的傅里叶级数表达式中不含有正弦项以及偶次余弦项， l o 基于电机结构的整流装置谐波抑制方法 于是可得磁势波形的谐波表达式为：。 厂( x ) ：i 1w lc o s 甜 c o s x + 昙c o s 3 x + 昙c 。s 5 x + 昙c 。s 7 x + 】( 2 - 2 ) 可见，该脉振磁动势波在空间上含有大量的奇次谐波。分解后各次谐波磁势在 空间的分布如图2 2 所示。其中三次谐波磁势的幅值为基波磁势幅值的 ，五次谐波 磁势的幅值为基波磁势幅值的三，v 次谐波磁势的幅值为基波磁势幅值的吾。 j 1 。 少、 彳 冬厂彦叔5 1 以卜 v 斟 ，r x 图2 - 2 磁势的谐波分析 f i g 2 2h a r m o n i ca n a l y s i so fm a g n e t i cp o t e n t i a l 2 1 2 三相对称绕组流过三相对称电流时的合成磁势 图2 3 三相对称绕组 f i g 2 - 3t h r e e p h a s ew i n d i n g 对于电力系统而言，三相对称运行方式是电能传输中电磁耦合的基本形式之一， 是最基本的运行方式。因此必须详细研究对称三相电流流过对称三相绕组时产生的 合成磁势。 设a b c 三相绕组相互空间位移为孕，如图2 3 所示。设三相对称电流表达式 j 为： 广西大掌硕士论文基于电机结构的整流装置谐波抑制：6 - 法 z a 2 l m c o s o ) t f b = i m c o s ( o ) t 一等) ( 2 - 3 ) i c = i m c o s ( 姗等) 则经傅里叶分解后的三相磁势表达式为： 伽) 2 圭枷点1 s 耐 厶( x ) = 圭l w 。煮i 1c 。s 出一等) c o s 佃，一等) ( 2 - 4 ) 胁) = 扣羔- 1c o s m + 等) c o s m 等) 和磊一手m c o 洲t 扣童扣唧”等， 毒弘咧等， 则三相磁势的表达式为： 无( x ) _ 二1 - - 1 = w 芝v = l 35 n = 磊l35 ，壶s 蹦c o s v 耐 ，一y ， 肿) = 三枷，篇主= 1 3 c o s m 一等) c 0 s v 等) 二= l ，, 5 ，n = l 35 v f l jo 胁) = 扣。茎妻聊c 0 35洲x 专) c o s v 等) n = l3 5 厶 v = 1 ，一，y ，l j， ( 2 5 ) ( 2 6 ) ，【x ) 2 ，4 【x j + ，8 ( x ) + ，c ( z ， 2 吉l w ，；萎，。：磊壶o s 煅c o 叫 + c 。s 刀( x - 了2 7 t ) c o s ，( 卜了2 1 t ) + c o sz ( x 一等) c 。sv ( ，- 等) 】( 2 - 7 )3333 = l 叶i = w 州羔3 凡。壶扣咖叭酬1 + 2 c o s 半， + c o s ( v o ) t - n x ) 1 + 2 c o s 堑粤】) 将各次谐波电流的表达式代入式( 2 7 ) ，则可以得到各次谐波电流情况下的三相 合成磁势表扶式。下而将对各次谐、波申流通过= 相对称绕组的三相合成磁势进行分 1 2 基于电机结构的整流蓑置谐波抑制方法 析。 1 、基波电流情况下的三相合成磁势 在式( 2 7 ) 中，令v = l ，则三相合成磁势可以写为： 厂( x ) = ! 叶1 r o w 。，。，。1 = 玎 c o s ( c o t + n x ) 1 + 2 c o s2 ( n + j 1 ) 兀 ( 2 8 ) + c 。s ( c o t - n x ) 1 + 2c o s 半】) 将n 的值代入式( 2 8 ) ，可得到基波电流情况下三相合成磁势的完整表达式如下： 厂( x ) = 4 3 _ i 。c 。s ( 耐一x ) + c 。s ( 耐+ 5 x ) + 专c 。s ( 耐一7 x ) + 】 ( 2 9 ) 可见，通过基波电流的三相对称绕组所形成的三相合成磁势具有电气运动特性， 该三相合成磁势中基波磁势的运动方向为一x 方向。3 及3 的倍数次谐波磁势三相叠 加抵消，不存在3 及3 的倍数次谐波磁势。5 次等6 k - - 1 次谐波磁势的运动方向为+ x 方向，7 次等6 k + 1 次谐波磁势的运动方向为一x 方向。 要求电气运动磁势的速度，可令耐一x 为常数，然后求取变量x 对t 的导数，则 得到磁势的电气运动速度为。同理，其他空间磁势谐波的运动速度为竺。 2 、3 及3 的倍数次谐波电流情况下的三相合成磁势 以3 次谐波电流为例，在式( 2 7 ) 中，令v = 3 ，则三相合成磁势可以写为： m _ 1 唛1 , 3 , 5 1 c o s ( 3 c o t + + 2 c o s 2 ( n + 3 ) n 。2 加， + c o s ( 3 c o t - n x ) 1 + 2 c o s 2 ( _ n - - 3 ) 一冗】) 将n 的值代入式( 2 1 0 ) ，可得到3 次谐波电流情况下三相合成磁势的完整表达式 如下： ( x ) 2 j 1 i = w 1 c 。s ( 3 耐+ 3 x ) + j 1c 。s ( 3 甜一3 x ) + 万1c 。s ( 3 耐+ 9 x ) ( 2 1 1 ) + 去c o s ( 3 耐一9 x ) + 】 由式( 2 1 1 ) 可知，3 次谐波电流的三相合成磁势同样也表现出了电气运动特征。 该三相合成磁势中仅仅含有沿一x 和+ x 方向运动的3 及3 的奇数倍谐波磁势，不存 在基波磁势及其他各次谐波磁势。空间磁势谐波的运动速度为丝。 n 同理，3 的倍数次谐波电流所形成的合成空间磁势波形中只存在3 的奇数倍谐波 磁势，不形成基波磁势及其他各次谐波磁势。各次磁势谐波的运动速度为垫竺。 n 基于电机结构的整流装置谐波抑制方法 3 、6 k - - 1 次谐波电流情况下的三相合成磁势 以5 次谐波电流为例，在式( 2 7 ) 中，令v = 5 ，则三相合成磁势可以写为： m _ 1 _ 一1 , 3 5 l c o s ( 5 c o t 2c o s2 ( n + 5 ) n ( 2 m ) + c o s ( 5 0 ) t - n x ) 1 + 2 c o s 2 ( n - ，s ) n 将n 的值代入式( 2 1 2 ) ，可得到5 次谐波电流的三相合成磁势表达式如下： 厂( x ) = 3 4 z 。w 弓c 。s ( 5 c o t +