諧波轉矩對三相異步電動機的起動影響

王運英

鶴壁豐鶴發電有限責任公司，河南鶴壁 458000

異步電動機的氣隙中除了存在基波磁場之外，還有一系列諧波磁場，這些諧波磁場對電機有多方面的影響，比如，產生附加損耗和諧波轉矩，引起電機的振動和噪聲等，本文主要討論高次空間諧波磁場的產生及由此產生的諧波轉矩，又稱為附加轉矩或寄生轉矩，分析其對電機起動的影響及削弱其影響所采取的相應措施。

1 異步電機的高次空間諧波磁場產生的主要原因

1.1 繞組分布非正弦引起的諧波磁場

三相繞組對稱分布流入三相對稱電流，由于繞組磁動勢為階梯波，而非正弦波分布，因此，合成磁動勢除有基波分量，還有一系列高次空間諧波磁動勢。其ν次諧波磁動勢的振幅和轉速表達式如下：

諧波磁動勢的振幅與諧波次數ν成反比與諧波的繞組因素KNν成正比。因此，次數較低的奇次諧波5次和7次諧波磁動勢較強，而較高次諧波中2mqk±1次諧波也有較大磁動勢，這是因為2mqk±1次諧波的繞組因數與基波繞組因數相同，比其它諧波的繞組因數大的多。

1.2 定、轉子齒槽存在引起磁導齒諧波

定子鐵芯內圓和轉子鐵芯外圓各有齒槽存在，引起氣隙磁導不均勻，面對齒部磁導較大，面對槽口磁導較小，在這種情況下，即使氣隙磁動勢按正弦分布，由于齒槽磁導變化也會引起諧波磁場，為與繞組諧波相區別，稱由磁導變化引起的諧波為磁導齒諧波。

在分析磁導齒諧波時，為了簡化通常假設定子內圓或轉子外圓的表面僅其中一面存有齒槽，而另一面光滑，定子有齒槽，而轉子表面光滑，且由定子齒槽引起的磁導變化，只考慮了一階磁導波，可見在每對極基波極面下，磁導波變化了次，則氣隙磁導波可以表示為

可求得轉子齒諧波磁場，其一階齒諧波次數、極對數和轉速為

式中：“+”號表示相對于（n1-n）方向旋轉；“—”表示相對于（n1-n）反方向旋轉。

2 高次諧波磁場產生的諧波轉矩及其對起動的影響

由高次諧波磁場所產生的諧波轉矩，按性質可以分為附加轉矩和同步附加轉矩。

2.1 異步附加轉矩

定子旋轉磁場與其磁場感應的轉子電流共同產生的轉子磁場互相作用而形成的轉矩是異步轉矩，并且只有極對數數目一致的那些磁場才會出現異步轉矩。如定子基波磁場只與轉子基波磁場產生異步轉矩，而與轉子上感應相應的諧波電流而形成相應諧波磁場，其中也只有次數相同的那些磁場才能產生平均轉矩，即異步附加轉矩。

用疊加原理將基波和各諧波的異步附加轉矩加起來得到總的轉矩，合成的曲線T=f（s），在n=-和n=周圍出現鮮明下凹陷的谷點，它是因異步附加轉矩而造成的，稱之為異步谷。在n=時的谷點，對電動機的起動非常不利，若負載轉矩不小于其谷點左右轉矩，則使轉子在谷點附近低速“ 爬行”，而不能繼續加速到正常運行轉速。同樣，n=-處的谷點，對制動區的正常運行也是有害的。

2.2 同步附加轉矩

由獨立來源的極對數數目一致的兩個磁場，以同方向且同等轉速旋轉而形成的轉矩是同步附加轉矩。假若其非同步旋轉，則其平均轉矩為零。

在異步電機中，定子齒諧波和轉子齒諧波是兩個獨立來源的諧波磁場，且磁場較強，如果定、轉子的槽數配合不當，有可能使它們齒諧波磁場滿足極對數相同條件，在某一特定轉速時形成較強的同步轉矩。異步電動機由于“異步谷”或“同步谷”的存在，使其起動過程有一個轉矩的最小值，成為“最小轉矩”，它也是考核電動機起動性能的一個指標。

3 削弱和消除附加諧波轉矩的措施

1）繞組采用分布和適當短距以減弱繞組諧波磁場，特別是對起動影響較大的7次諧波和5次諧波，通常是；

2）轉子斜槽是削弱齒諧波作用的一個有效的方法。定子齒諧波磁場在同一轉子導條中各部分感應電動勢相互抵消，合成諧波感應電動勢為零，感應電流很小，從而消除由定子齒諧波產生的異步附加轉矩。如果不是轉子斜槽，而是定子斜槽，效果相同。斜槽后，電機的漏抗將稍有增加；

3）選擇合理的定、轉子槽配合后，可消除或削弱齒諧波轉矩；

4）減少氣隙磁導變化削弱磁導齒諧波，如定、轉子采用半閉口槽，小電機轉子用閉口槽等；

5）增大氣隙能有效地削弱高次諧波和齒諧波磁場，隨之減少附加轉矩，但是過大的氣隙使勵磁電流增加，功率因數下降，一般不宜采用這種方法。

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