電廠發電機的諧波危害分析與測試

張雁軍

摘 要：非線性負載會導致電網中電壓與電流產生諧波分量，進而使得電壓與電流波形產生畸變。電壓與電流波形的畸變不僅會對電廠發電機的安全穩定運行產生不良的影響還會對電網中的用電設備產生不良的影響。對諧波對電廠發電機諧波所產生的危害進行了研究，建立了諧波影響下發電機等效電路模型，對發諧波影響下的發電機端電壓以及三相電流信號、電磁轉矩等參數進行了分析，并通過示波器對發電機端電壓、三相電流以及電磁轉矩和定子以及轉子的發熱進行檢測，實驗表明，在諧波的影響下發電機端電壓、三相電流波形產生了明顯的畸變，電機在電磁轉矩的影響下發生震動，定子以及轉子發熱嚴重。

關鍵詞：發電機 發電機諧波等效電路模型 危害 測試

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）06-0-01

引言

非線性負載是一種具有拓撲時變性的負載，非線性負載會導致畸變波形的產生，使得電網中的電壓、電流等信號帶有諧波分量，非線性負載是導致這種非線性畸變的關鍵，電網的電壓以及電流等信號中帶有諧波分量會對其中的用電設備產生十分不良的影響，因而電網諧波問題已經嚴重影響到電網供電的質量而廣泛的被人們所重視。諧波會對電網中的多種電網設備產生不良影響，比如電網中的繼電保護裝置、旋轉電機、電力網絡、通信裝置、電容器組等。在這些用電設備中對發電廠電機的影響是不可避免的，當發電機發出的電能帶有諧波分量的時候，這種諧波除了會對發電機本身產生不良的影響，同時也會對發電機所供電的用戶的用電設備產生不良的影響。因而對發電廠發電機諧波危害進行分析和測試，不僅對于發電廠發電機本身具有重要的意義，對于用戶的用電安全與穩定也具有十分重要的意義。

一、發電機諧波模型

建立發電機的諧波等效電路模型是分析諧波對發電機本身及其輸出電能影響的關鍵，因而本部分建立了諧波環境下的等效的電路模型。如果要建立發電機諧波影響的等效電路模型需要對繞組以及頻率等進行歸算。將轉子上的各種物理量歸算到定子身上，假設將定子一側參數的下標采用1標注，將轉子一側的參數下標采用2進行標注。具體的電流、電動勢以及阻抗和頻率的歸算可以按照如下方式進行：位定子一側繞組的匝數，定子一側的相數，定子一側繞組的因數，轉子一側繞組的匝數，轉子一側的相數，轉子一側繞組的因數，通過它們之間的關系可以推導出繞阻線組中電流的幅值與相位，然后根據轉子中電流與電流變化之比可以求出電流變化之比，再根據轉子一側的相數，定子一側的相數，繞阻的匝數之比，以及電流之間的關系可以計算出電流變化之比，根據為轉子中的電流，電流變化之比，可以將ki可以表示出來，根據極對數，電動勢的變化之比可以表示出來。根據電阻的阻抗變化之比，s為轉差率。通過上述的歸算可以將轉子與定子電路進行等效變換，對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與繞組中電流的實際頻率是相對應的，因而可以得到n次諧波環境下發電機的基本方程。電路基本模型中包括是勵磁支路的參數，比如第條勵磁支路的第n次的諧波所產生的等效的分量。

在發電機向具有諧波分量的電網進行供電的過程中，在諧波源的影響下會導致發電機一端的電壓產生畸變，對其進行分解，再結合發電機的諧波等效電路，發電機中的勵磁以及轉子和定子中的電流。因而可以知道發電機一側的三相電壓、電流以及轉子中的勵磁電流中都會產生諧波分量。

二、諧波電磁轉矩分析

可以將發電機的電磁轉矩公式中包括電磁功率，總的機械功率，轉子的角速度，同步角速度，可以得出其與轉子角速度之間的關系。同樣可以得出電磁轉矩中的電流諧波分量的表達式。在上述公式中包括位功率因數，可以得出在只有基波分量的情況下其表達式為，在上述公式中，包括電機的主磁通，最終可以得出轉動慣量的表達式。通過轉動慣量的表達式可以看到電廠發電機除了具有基波分量下的電磁轉矩，諧波分量下的穩定電磁轉矩，還存在另外一種轉矩，這種轉矩是由電廠發電機氣隙中的任意兩個磁場之間的相互作用而產生的，所以這種轉矩具有脈動的不穩定的特征，并且通過公式可以看出二者在一個脈動周期之上的積分結果為零，也就是平均值是不存在的。在發電機實際運行的過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生的磁場以及與基波電流所產生的磁場相互作用下而產生的脈動的電磁轉矩。其中各次脈動的電磁轉矩之和的表達式。

為了簡化整個分析的過程中可以將n取值為主要的諧波次數，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的幅值，發電機內部轉子的直徑，發電機軸向的有效的長度，氣隙磁導系數，發電機中有效的氣隙的長度，諧波電流所產生的磁場與5次的諧波電流磁場之間的初相位之差，基波所產生電磁場的旋轉角速度也就是同步的角頻率，轉率差。

三、測試

采用示波器對發電機一側的端線電壓以及三相電流進行了記錄，所產生的波形如下圖所示：

通過圖2可以知道，在發電機帶有整流負載的情況下，其端線電壓以及三相電流都會受到非線性負載的影響，其中發電機的端線電壓以及三相電流通過圖2可以看出都發生了較為明顯的畸變，說明其中含有大量的諧波分量，而且在實驗的過程中還伴隨著發電機震動的現象，這是因為發電機受到諧波電磁轉矩的影響，此外通過溫度傳感器對轉子以及定子的溫度監測可以發現定子以及轉子都存在著不同程度的發熱現象。

結語

通過對非線性負載所引發的電網諧波分量對電廠發電機的影響的研究與分析，并通過實驗發現，電網中的非線性負載所造成的諧波分量對發電機端電壓、三相電流、電磁轉矩以及定子和轉子都會產生不同程度的影響，在諧波分量的影響下發電機的端電壓以及三相電流產生了較為明顯的畸變，在諧波分量的影響下電磁轉矩會使得發電機在運行的過程中產生震動，同時也會使得發電機中的定子以及轉子發熱嚴重，因而必須采取措施來消除電網中的非線性負載對發電機的影響以及對電網供電質量的影響。

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