电厂发电机的谐波危害分析与测试

张雁军

摘 要：非线性负载会导致电网中电压与电流产生谐波分量，进而使得电压与电流波形产生畸变。电压与电流波形的畸变不仅会对电厂发电机的安全稳定运行产生不良的影响还会对电网中的用电设备产生不良的影响。对谐波对电厂发电机谐波所产生的危害进行了研究，建立了谐波影响下发电机等效电路模型，对发谐波影响下的发电机端电压以及三相电流信号、电磁转矩等参数进行了分析，并通过示波器对发电机端电压、三相电流以及电磁转矩和定子以及转子的发热进行检测，实验表明，在谐波的影响下发电机端电压、三相电流波形产生了明显的畸变，电机在电磁转矩的影响下发生震动，定子以及转子发热严重。

关键词：发电机 发电机谐波等效电路模型 危害 测试

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）06-0-01

引言

非线性负载是一种具有拓扑时变性的负载，非线性负载会导致畸变波形的产生，使得电网中的电压、电流等信号带有谐波分量，非线性负载是导致这种非线性畸变的关键，电网的电压以及电流等信号中带有谐波分量会对其中的用电设备产生十分不良的影响，因而电网谐波问题已经严重影响到电网供电的质量而广泛的被人们所重视。谐波会对电网中的多种电网设备产生不良影响，比如电网中的继电保护装置、旋转电机、电力网络、通信装置、电容器组等。在这些用电设备中对发电厂电机的影响是不可避免的，当发电机发出的电能带有谐波分量的时候，这种谐波除了会对发电机本身产生不良的影响，同时也会对发电机所供电的用户的用电设备产生不良的影响。因而对发电厂发电机谐波危害进行分析和测试，不仅对于发电厂发电机本身具有重要的意义，对于用户的用电安全与稳定也具有十分重要的意义。

一、发电机谐波模型

建立发电机的谐波等效电路模型是分析谐波对发电机本身及其输出电能影响的关键，因而本部分建立了谐波环境下的等效的电路模型。如果要建立发电机谐波影响的等效电路模型需要对绕组以及频率等进行归算。将转子上的各种物理量归算到定子身上，假设将定子一侧参数的下标采用1标注，将转子一侧的参数下标采用2进行标注。具体的电流、电动势以及阻抗和频率的归算可以按照如下方式进行：位定子一侧绕组的匝数，定子一侧的相数，定子一侧绕组的因数，转子一侧绕组的匝数，转子一侧的相数，转子一侧绕组的因数，通过它们之间的关系可以推导出绕阻线组中电流的幅值与相位，然后根据转子中电流与电流变化之比可以求出电流变化之比，再根据转子一侧的相数，定子一侧的相数，绕阻的匝数之比，以及电流之间的关系可以计算出电流变化之比，根据为转子中的电流，电流变化之比，可以将ki可以表示出来，根据极对数，电动势的变化之比可以表示出来。根据电阻的阻抗变化之比，s为转差率。通过上述的归算可以将转子与定子电路进行等效变换，对于任意一次谐波都可以建立如下图所示的等效电路模型：

在上图中等效电路中的各种参数与绕组中电流的实际频率是相对应的，因而可以得到n次谐波环境下发电机的基本方程。电路基本模型中包括是励磁支路的参数，比如第条励磁支路的第n次的谐波所产生的等效的分量。

在发电机向具有谐波分量的电网进行供电的过程中，在谐波源的影响下会导致发电机一端的电压产生畸变，对其进行分解，再结合发电机的谐波等效电路，发电机中的励磁以及转子和定子中的电流。因而可以知道发电机一侧的三相电压、电流以及转子中的励磁电流中都会产生谐波分量。

二、谐波电磁转矩分析

可以将发电机的电磁转矩公式中包括电磁功率，总的机械功率，转子的角速度，同步角速度，可以得出其与转子角速度之间的关系。同样可以得出电磁转矩中的电流谐波分量的表达式。在上述公式中包括位功率因数，可以得出在只有基波分量的情况下其表达式为，在上述公式中，包括电机的主磁通，最终可以得出转动惯量的表达式。通过转动惯量的表达式可以看到电厂发电机除了具有基波分量下的电磁转矩，谐波分量下的稳定电磁转矩，还存在另外一种转矩，这种转矩是由电厂发电机气隙中的任意两个磁场之间的相互作用而产生的，所以这种转矩具有脉动的不稳定的特征，并且通过公式可以看出二者在一个脉动周期之上的积分结果为零，也就是平均值是不存在的。在发电机实际运行的过程中需要考虑的幅值较大的第5次、第7次以及第11次和第13次谐波作用下谐波电流所产生的磁场以及与基波电流所产生的磁场相互作用下而产生的脉动的电磁转矩。其中各次脉动的电磁转矩之和的表达式。

为了简化整个分析的过程中可以将n取值为主要的谐波次数，比如n的取值可以为5，7，9，11，13，........等，公式中包括基波分量的幅值以及谐波磁场的幅值，发电机内部转子的直径，发电机轴向的有效的长度，气隙磁导系数，发电机中有效的气隙的长度，谐波电流所产生的磁场与5次的谐波电流磁场之间的初相位之差，基波所产生电磁场的旋转角速度也就是同步的角频率，转率差。

三、测试

采用示波器对发电机一侧的端线电压以及三相电流进行了记录，所产生的波形如下图所示：

通过图2可以知道，在发电机带有整流负载的情况下，其端线电压以及三相电流都会受到非线性负载的影响，其中发电机的端线电压以及三相电流通过图2可以看出都发生了较为明显的畸变，说明其中含有大量的谐波分量，而且在实验的过程中还伴随着发电机震动的现象，这是因为发电机受到谐波电磁转矩的影响，此外通过温度传感器对转子以及定子的温度监测可以发现定子以及转子都存在着不同程度的发热现象。

结语

通过对非线性负载所引发的电网谐波分量对电厂发电机的影响的研究与分析，并通过实验发现，电网中的非线性负载所造成的谐波分量对发电机端电压、三相电流、电磁转矩以及定子和转子都会产生不同程度的影响，在谐波分量的影响下发电机的端电压以及三相电流产生了较为明显的畸变，在谐波分量的影响下電磁转矩会使得发电机在运行的过程中产生震动，同时也会使得发电机中的定子以及转子发热严重，因而必须采取措施来消除电网中的非线性负载对发电机的影响以及对电网供电质量的影响。

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