電廠發(fā)電機(jī)的諧波危害分析與測(cè)試

張雁軍

摘 要：非線性負(fù)載會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)中電壓與電流產(chǎn)生諧波分量，進(jìn)而使得電壓與電流波形產(chǎn)生畸變。電壓與電流波形的畸變不僅會(huì)對(duì)電廠發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不良的影響還會(huì)對(duì)電網(wǎng)中的用電設(shè)備產(chǎn)生不良的影響。對(duì)諧波對(duì)電廠發(fā)電機(jī)諧波所產(chǎn)生的危害進(jìn)行了研究，建立了諧波影響下發(fā)電機(jī)等效電路模型，對(duì)發(fā)諧波影響下的發(fā)電機(jī)端電壓以及三相電流信號(hào)、電磁轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行了分析，并通過(guò)示波器對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓、三相電流以及電磁轉(zhuǎn)矩和定子以及轉(zhuǎn)子的發(fā)熱進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)表明，在諧波的影響下發(fā)電機(jī)端電壓、三相電流波形產(chǎn)生了明顯的畸變，電機(jī)在電磁轉(zhuǎn)矩的影響下發(fā)生震動(dòng)，定子以及轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī) 發(fā)電機(jī)諧波等效電路模型 危害 測(cè)試

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2018）06-0-01

引言

非線性負(fù)載是一種具有拓?fù)鋾r(shí)變性的負(fù)載，非線性負(fù)載會(huì)導(dǎo)致畸變波形的產(chǎn)生，使得電網(wǎng)中的電壓、電流等信號(hào)帶有諧波分量，非線性負(fù)載是導(dǎo)致這種非線性畸變的關(guān)鍵，電網(wǎng)的電壓以及電流等信號(hào)中帶有諧波分量會(huì)對(duì)其中的用電設(shè)備產(chǎn)生十分不良的影響，因而電網(wǎng)諧波問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響到電網(wǎng)供電的質(zhì)量而廣泛的被人們所重視。諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)中的多種電網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生不良影響，比如電網(wǎng)中的繼電保護(hù)裝置、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、電力網(wǎng)絡(luò)、通信裝置、電容器組等。在這些用電設(shè)備中對(duì)發(fā)電廠電機(jī)的影響是不可避免的，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能帶有諧波分量的時(shí)候，這種諧波除了會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)本身產(chǎn)生不良的影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)所供電的用戶的用電設(shè)備產(chǎn)生不良的影響。因而對(duì)發(fā)電廠發(fā)電機(jī)諧波危害進(jìn)行分析和測(cè)試，不僅對(duì)于發(fā)電廠發(fā)電機(jī)本身具有重要的意義，對(duì)于用戶的用電安全與穩(wěn)定也具有十分重要的意義。

一、發(fā)電機(jī)諧波模型

建立發(fā)電機(jī)的諧波等效電路模型是分析諧波對(duì)發(fā)電機(jī)本身及其輸出電能影響的關(guān)鍵，因而本部分建立了諧波環(huán)境下的等效的電路模型。如果要建立發(fā)電機(jī)諧波影響的等效電路模型需要對(duì)繞組以及頻率等進(jìn)行歸算。將轉(zhuǎn)子上的各種物理量歸算到定子身上，假設(shè)將定子一側(cè)參數(shù)的下標(biāo)采用1標(biāo)注，將轉(zhuǎn)子一側(cè)的參數(shù)下標(biāo)采用2進(jìn)行標(biāo)注。具體的電流、電動(dòng)勢(shì)以及阻抗和頻率的歸算可以按照如下方式進(jìn)行：位定子一側(cè)繞組的匝數(shù)，定子一側(cè)的相數(shù)，定子一側(cè)繞組的因數(shù)，轉(zhuǎn)子一側(cè)繞組的匝數(shù)，轉(zhuǎn)子一側(cè)的相數(shù)，轉(zhuǎn)子一側(cè)繞組的因數(shù)，通過(guò)它們之間的關(guān)系可以推導(dǎo)出繞阻線組中電流的幅值與相位，然后根據(jù)轉(zhuǎn)子中電流與電流變化之比可以求出電流變化之比，再根據(jù)轉(zhuǎn)子一側(cè)的相數(shù)，定子一側(cè)的相數(shù)，繞阻的匝數(shù)之比，以及電流之間的關(guān)系可以計(jì)算出電流變化之比，根據(jù)為轉(zhuǎn)子中的電流，電流變化之比，可以將ki可以表示出來(lái)，根據(jù)極對(duì)數(shù)，電動(dòng)勢(shì)的變化之比可以表示出來(lái)。根據(jù)電阻的阻抗變化之比，s為轉(zhuǎn)差率。通過(guò)上述的歸算可以將轉(zhuǎn)子與定子電路進(jìn)行等效變換，對(duì)于任意一次諧波都可以建立如下圖所示的等效電路模型：

在上圖中等效電路中的各種參數(shù)與繞組中電流的實(shí)際頻率是相對(duì)應(yīng)的，因而可以得到n次諧波環(huán)境下發(fā)電機(jī)的基本方程。電路基本模型中包括是勵(lì)磁支路的參數(shù)，比如第條勵(lì)磁支路的第n次的諧波所產(chǎn)生的等效的分量。

在發(fā)電機(jī)向具有諧波分量的電網(wǎng)進(jìn)行供電的過(guò)程中，在諧波源的影響下會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)一端的電壓產(chǎn)生畸變，對(duì)其進(jìn)行分解，再結(jié)合發(fā)電機(jī)的諧波等效電路，發(fā)電機(jī)中的勵(lì)磁以及轉(zhuǎn)子和定子中的電流。因而可以知道發(fā)電機(jī)一側(cè)的三相電壓、電流以及轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流中都會(huì)產(chǎn)生諧波分量。

二、諧波電磁轉(zhuǎn)矩分析

可以將發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式中包括電磁功率，總的機(jī)械功率，轉(zhuǎn)子的角速度，同步角速度，可以得出其與轉(zhuǎn)子角速度之間的關(guān)系。同樣可以得出電磁轉(zhuǎn)矩中的電流諧波分量的表達(dá)式。在上述公式中包括位功率因數(shù)，可以得出在只有基波分量的情況下其表達(dá)式為，在上述公式中，包括電機(jī)的主磁通，最終可以得出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的表達(dá)式。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的表達(dá)式可以看到電廠發(fā)電機(jī)除了具有基波分量下的電磁轉(zhuǎn)矩，諧波分量下的穩(wěn)定電磁轉(zhuǎn)矩，還存在另外一種轉(zhuǎn)矩，這種轉(zhuǎn)矩是由電廠發(fā)電機(jī)氣隙中的任意兩個(gè)磁場(chǎng)之間的相互作用而產(chǎn)生的，所以這種轉(zhuǎn)矩具有脈動(dòng)的不穩(wěn)定的特征，并且通過(guò)公式可以看出二者在一個(gè)脈動(dòng)周期之上的積分結(jié)果為零，也就是平均值是不存在的。在發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中需要考慮的幅值較大的第5次、第7次以及第11次和第13次諧波作用下諧波電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及與基波電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用下而產(chǎn)生的脈動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩。其中各次脈動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩之和的表達(dá)式。

為了簡(jiǎn)化整個(gè)分析的過(guò)程中可以將n取值為主要的諧波次數(shù)，比如n的取值可以為5，7，9，11，13，........等，公式中包括基波分量的幅值以及諧波磁場(chǎng)的幅值，發(fā)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子的直徑，發(fā)電機(jī)軸向的有效的長(zhǎng)度，氣隙磁導(dǎo)系數(shù)，發(fā)電機(jī)中有效的氣隙的長(zhǎng)度，諧波電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與5次的諧波電流磁場(chǎng)之間的初相位之差，基波所產(chǎn)生電磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)角速度也就是同步的角頻率，轉(zhuǎn)率差。

三、測(cè)試

采用示波器對(duì)發(fā)電機(jī)一側(cè)的端線電壓以及三相電流進(jìn)行了記錄，所產(chǎn)生的波形如下圖所示：

通過(guò)圖2可以知道，在發(fā)電機(jī)帶有整流負(fù)載的情況下，其端線電壓以及三相電流都會(huì)受到非線性負(fù)載的影響，其中發(fā)電機(jī)的端線電壓以及三相電流通過(guò)圖2可以看出都發(fā)生了較為明顯的畸變，說(shuō)明其中含有大量的諧波分量，而且在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中還伴隨著發(fā)電機(jī)震動(dòng)的現(xiàn)象，這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)受到諧波電磁轉(zhuǎn)矩的影響，此外通過(guò)溫度傳感器對(duì)轉(zhuǎn)子以及定子的溫度監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)定子以及轉(zhuǎn)子都存在著不同程度的發(fā)熱現(xiàn)象。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)非線性負(fù)載所引發(fā)的電網(wǎng)諧波分量對(duì)電廠發(fā)電機(jī)的影響的研究與分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)中的非線性負(fù)載所造成的諧波分量對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓、三相電流、電磁轉(zhuǎn)矩以及定子和轉(zhuǎn)子都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，在諧波分量的影響下發(fā)電機(jī)的端電壓以及三相電流產(chǎn)生了較為明顯的畸變，在諧波分量的影響下電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)使得發(fā)電機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中產(chǎn)生震動(dòng)，同時(shí)也會(huì)使得發(fā)電機(jī)中的定子以及轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，因而必須采取措施來(lái)消除電網(wǎng)中的非線性負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)的影響以及對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響。

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