同步发电机三次谐波的产生.doc

同步发电机三次谐波的产生旋转磁极式同步发电机，当转子励磁绕组通入励磁电流时，气隙中的磁场称为主磁场。空载时，由空载励磁电流Io产生的空载励磁磁势Fo。负载时，由于电枢反应，由电枢电流If产生的电枢反应磁势Ffo，因此，发电机运行时实际磁势应是两磁势的合成，即F=Fo+Ffo。 由空载励磁电流Io产生的空载励磁磁势Fo为梯形波，由Fo产生空载磁通为o，o在转子磁极表面沿气隙分布的磁感应强度Bo也近似按梯形规律分布。由于凸极式发电机的气隙不均匀，气隙的磁阻也不均匀，磁极中心线处磁阻最小，两级间磁阻最大，因此，Bo分布是平顶波，如图1所示。 图1 旋转磁极式气隙的磁感应强度Bo的分布 根据富氏级数分析可分解为 4Bm 1 1 B0= （sinasinwt+sin3asinwt+sin5asin5wt+ ） 9 25 即Bo分解为正弦基波Bo1和三次谐波分量Bo3、五次谐波分量Bo5等，谐波分量中三次谐波振幅最大，如图2中BO3曲线所示。它的极距3为基波极距r1的1/3.。 图2 凸极式同步发电机转子的主磁场 由此可知，空载励磁电流Io1产生的磁感应强度Bo中含有三次谐波BO3分量，而且当Io1增大时，Bo增大，Bo3也增大。 当发电机接负载时，将产生电枢反应，其电枢反应磁势Ff所产生的磁感应强度的谐波分量从波形分析可知，由于转子磁极表面气隙磁阻的不均匀，因此，磁通f在转子表面沿气隙分布的磁感应强度Bfo将是非正弦的。 前面第二节已述电枢反应可分为纵轴和横轴电枢反应。电枢电流If可分为纵轴和横轴分量Ifd、Ifq。纵轴分量Ifd产生纵轴电枢反应磁势Ffd，由Ffd产生的磁感应强度Bfd，它与空载时Bo方向相反，起去磁作用，由于气隙磁阻分别不均匀，磁极中心线磁阻最小，两极磁阻最大，因此，Bfd在磁极中心线处最大，而两极间则最小，故呈尖顶波。根据富氏级数分析，可分解为基波Bfd1、三次谐波分量Bfd3及高次谐波分量。而且当If增大时，其Ifd也增大，Bfd3也增强，当功率因数COS下降时，Ifd增大，Bfd3也增强，因此，随负载增加或COS减小，电枢反应结果是，发电机去磁作用增大，端电压降下降。 对于If的横轴分量Ifq，由它产生横轴电枢反应磁势Ffq，由Ffq产生磁感应强度Bfq。由于横轴电枢反应为交轴，故Ffq则超前于Ffq90。同样，由于磁极中心线磁阻最小，两极间磁阻最大，故磁极中心线Bfq最小，而两极间Bfq较大，故Bfq呈凹形波，按富氏级数分析，Bfq可分解为基波Bfq1和三次谐波Bfq3及高次谐波分量。当If增大时，Ifq增大，Bfq3也增大；当功率因数COS减小时，则Ifq减小，Bfq3也减小。 从上面分析可知，在发电机气隙空间存在三次谐波的磁感应强度Bo3，各三次谐波分量的相位关系为Bfd与BO3同相位，而Bfq3超前Bo390。 由于同步发电机运行时，在气隙中存在三次谐波磁感应强度Bo3，因此，就产生三次谐波电势，即E3=VLBO3 式中 V导体切割磁力线速度； L导体的长度； Bo3气隙中三次谐波磁感应强度。 三次谐波励磁的同步发电机就是利用气隙磁场中的三次谐波，把它的能量引导出来作发电机的励磁电源。 为了引导三次谐波能量作发电机励磁电源，在定子上必须另嵌设一套三次谐波绕组。这样在发电机定子中有主绕组，通常采用10级，180槽双层叠绕组结构，三次谐波绕组的极距应为主绕组极距的三分之一，在每对磁极距范围内，三次谐波绕组相应对称布置，也就是说在每隔三分之一极距的位置上均有一根电流方向相同的导线边，如图3（a）所示。 图3 三次谐波绕组及电势向量图 图3（b）中为a、b、c导线边感应的基波电势Ea1、Eb1、Ec1，三次谐波电势Ea3、Eb3、Ec3和五次谐波电势Ea5、Eb5、Ec5的向量图。假设所有导线边感应的正方向均指向上方，这样三个导线边的合成电势为 Ex1X2=Ea-Eb+Ec 由图可见，在谐波绕组中基波的合成电势E1=0，五次谐波的合成电势E5=0.而三次谐波的合成电势E3=3Ea3，