改善凸极同步发电机空载电压波形的措施

改善凸极同步发电机空载电压波形的措施哈尔滨电工学院哈尔滨电机厂我国国标一规定,对千伏安以上的同步发电机,在空载额定电压时,线电压的正弦波畸变率不得超过。改善发电机的电压波形,使其畸变限制在国标所规定的范围之内,是整数槽绕组凸极同步发电机设计和研究工作中的一个重要课题。本文着重从理论分析和实验结果对改善波形的一些主要措施加以讨论。当然,这些方法并不对每台电机都适用,采用任何一种措施都会带来相应的工艺、结构和性能方面的问题因此应该根据具体情况适当选用。一、综述改善凸极同步发电机空载电压波形的措施大致可归纳为以下儿个方面定子绕组方面定子绕组方面可采取下列措施。定子斜槽定子斜槽不但能削弱主极磁场的空间谐波所引起的电压波形畸变,而且能削弱由于定子槽开口引起的附加磁场所感应的谐波电势,对削弱齿谐波电势尤其有效。对国内两台同类型的万千伏安的整数槽绕组大型水轮发电机进行空载电压波形实测,结果表明,直槽时,电压波形畸变率为另一完全相同的机组采用斜槽斜过云,,空载电压波形畸变率。实验结果〔文献〕完全证实了采用斜槽的效果。采用分数榴绕组采用分数槽绕组的好处在于,分数槽绕组的低阶齿谐波次数为无士,人分数的分母的次数是分数或偶数,主极磁场中不包含这些谐波,从而避免了这些低阶齿谐波电势出现于电压波形中。采用分数槽绕组可得较好的电压波形已为国内、外电机制造的实践所证实。但是,值得注意的是,对波形要求特别高的正弦波发电机却往往不用分数槽绕组这是因为主极磁场中次数靠近一阶齿谐波的奇次谐波引起的高次谐波电势会由于定子开槽效应增大很多,可能满足不了正弦波发电机对波形的严格要求。选用较多的每极每相槽数采用较多的相当于提高齿谐波的次数。一般来讲,次数愈高,谐波磁场的含量就愈小,因而选用较大的可以减小电压波形的畸变。选用合理的线圈节距这种方法主要用来削弱线电压中的五次和七次谐波,对齿谐波则没有效果。这点在理论上早有结论,并已为〔文献〕的实验所证实。减小槽脉动由于槽开口的影响,定子绕组中的各次谐波电势会产生一定的变化。槽开口影响的程度取决于槽开口系数乙扩”一卜乞势‘尤、一尸本研究工作得到丰满发电一、古田发电厂和大津发电设备厂的大力支持,谨他们表示感谢。一一式中入‘为定子槽开口引起的气隙磁导交变分量中乞次谐波的幅值入。为平均气隙磁导。入‘的,,,一”灿、,、。,,入,,、,,一,,,、、大小与梦和华有关。气隙愈小,。、,云,时,入愈大,即槽开口的影响愈大。因此,占‘”几’“、“’小‘’,’“一’一’一上一”一止‘。、’一目’曰砂“夕“‘。“、口目增大气隙、减小槽开口的宽度或采用磁性槽楔可以减小槽脉动的影响。磁机形状方面这里仅仅列举磁极形状方面可采取的几项措施,详细分析在下节进行。选择合理的极靴形状移动极靴的位置。,采用特殊形状的极靴。主要是合理地选”。和普值。阻尼系统方面阻尼系统可采取的措施有选择合理的阻尼绕组节距。阻尼绕组中心线对磁极中心线作相对偏移。采用实心磁极。这些措施将在第三节中分析。应当指出,影响凸极同步电机空载电压波形的因素是很复杂的,例如原动机转速的脉动,励磁电流中的交流分量,磁极位置的偏差小型电机中磁极螺钉的下凹,安装不准引起的气隙不均匀等等。此外,由于饱和引起的主极磁场波形畸变,定子铁心的磁滞效应引起的主极磁场波形歪扭等也会对电压波形有较小的影响。上述因素都应给以适当注意。二、磁极形状的分析极靴外型的设计原贝合理地设计极靴的外型尺一寸,使主极磁场更加按近于一配弦分布,可减小磁场中的高次空间谐波和齿谐波分址的幅值,达到改善电势波形的目的。极靴夕卜型的设计可归结为“和一含的选择。,占·一声称尹普一般选为‘·一‘·。对整数槽绕组的凸极同步发电机,电势中常含有较大的一阶齿谐波次数汀二,、。、。一一。,、、,,,,,一。、。,、卜二,,,」达一、谓独电势足田土饭币以物甲阴二下士伏全同不旨撅分重脚引起岁一、卜,。一后,,,、,、‘。、,。,,曰,,,一,系纵‘又电为,坷二十和几厂一伏谓数,‘匀很人附小回。少尹分析一阶齿谐波的开槽对前者,主极磁场合、‘次谐波分量所感应的电势和附加磁场所感应的电势是互相抵消的在乙的表达式中表现为两项相减,但对气隙较小、槽开口较大的电机乙数值上仍然可能大于而对后者,两种磁场感应的电势是互相叠加的。因此选择。时,应使主极磁场中的一几一次谐波分量最小。夕对或的整数槽绕组,合理的值在!,之间。对一大型电机,气隙相对地比较较小,应选用小的。值。移动极靴位置把极靴位置稍稍偏移,使其中心线之间司向距离分别为、二一图,可改善电压波形。图中虚线所示为移靴前的磁场波形,实线所示为移靴后的磁场波形当气隙较小,移动距离乙相对较小时,可认为侮极下的磁场波形没有改变,仅是它的位置随极靴的移动同时偏移了。这时主极磁场将以四个极为一个变化周期。一一一一、、厂厂若将移靴后的主极磁场表示为二。厂匹…二‘曰一,,,’“心尸了方二三,厂二十尤一几耐二,一一一几威劣一厂匕二万匹亿一血了伽滋了匹一二十而丁式中了灼表示未移靴时在一个极距范围内的磁场波形。当移动距离较小、气隙较小、极间散磁较小时,将式中的积分区间略加变动不会引起显著的误差于是「下,,、「。兀,、二,,、刁,力‘咫一刁。叼乙出八下气仍一”少一八下气工十下十。刊肌尸下一些二尤匹一兰一汀川二二二了了一兰生三、尤二乙乡一、匹二二乙公式中第一项代衷磁场中的奇次谐波分量第二项代表偶次谐波分量。有奇次谐波移靴后,今,各奇次谐波削弱了,削弱系数希为心尤二当乙时,磁场中只在削弱奇次谐波的同时,将出现一系列偶次谐波。山式可见,移靴对基波和次数较低的谐波磁场削弱甚小,对高次谐波磁场削弱则较大。为了充分地削弱一阶齿谐波电势,应使移动距离、此时一阶齿谐波磁场的削弱系数‘一’冷五一、,八、、二。吕气乙土兀‘认一二…雳石石,‘了表列出」’丫二的整数槽绕组电机在资时各次谐波的削弱系数生一一二表移靴时各次谐波的削弱系数二一一一一一一一一一一。一一一一。一。一一…一一仆一谐波次数削弱次数孟无一一一一一一」一滩一注,为一阶齿谐波据上分析可知对相带的整数槽绕组电机,移靴竿可大大削弱齿谐波电势住。移靴后引起的偶次谐波磁场感应的电势在互相反接的两个极相组中互相抵消,因此不会在相、线电压中出现实际上由于工艺原因,可能有少量残存的偶次谐波分量。对分母为的分数槽绕组电机,一阶齿谐波的次数士偶数,不移靴时电压波形中没有一阶齿谐波电势。对这种绕组,若采用移靴的办法来消除二阶齿谐波电势使。、粤,’一’‘’’一’“一’‘一“一,’,“一‘’一‘,”“”,‘一’一‘几’厂‘’一’’一’一、则电压波形中反而可能出现一阶齿谐波电势。因此对的分数槽绕组不宜采用移靴的办法。采用特殊形状的极靴可以采用斜极、菱形极图心、极靴交错偏移图沁和梳形磁极图。等办法来改善电压波形。本文简要地分析后二种情况。〔以吸图极靴交错偏移图乙所示的极靴交错偏移,其效果和斜极相类似。事实上,向左偏移极靴时主极磁场在线圈中感应的了次谐波电势与向右偏移时在线圈中感应的了次谐波电势大小相等、相位相差‘令“。故偏移后线圈中的次谐波电势将比未偏移时小,其削弱系数为无盖‘会“对整数槽绕组的电机,为消除一阶齿谐波电势,应使削弱极小。、兰这时云一。,。士,“O;而基波电势2.梳形极靴〔文献3〕试验了梳形磁极的效果。一台12千瓦的同步发电机改为梳形磁极后,波形、变率从9。%降到5·1%;进一步改为夸二1石的不均匀气隙,、变率降为4.1%。比较儿次实测结果可知,改为梳形极靴后,齿谐波显著降低。一4一对均匀气隙、气隙较小的情况,可用下法大致估计采用梳形极靴后各次谐波磁场的变化情况。设孺和殊,分别表示宽极靴和窄极靴的轴向长度,a;和a:为宽、窄两种极靴的极弧系数;采用梳形极靴后了次谐波的削弱系数为无笼、‘。“,D‘号+“。垃了警互面“,气杏加+公协少趾n一一二二一若(6)对气隙较大、极间散磁影响比较显著的情况,应标出大、小两种极靴下磁场的分布和合成磁场的分布,然后进行谐波分析,以得到较好的效果。三、阻尼系统方面的措施合理地选择阻尼绕组的节距瓦分析表明······……‘“1,阻尼绕组的节距对电机的空载电压波形有很大的影响。对整数槽绕组电机,通常要求阻尼绕组节距不等于定子槽距札今‘,,当t:=云;时波形畸变急剧增大。为了研究云:变化时波形畸变的规律,在一台改装的TZK140/20一18型、q二2的模拟电机和一台900千瓦、q=2的同步电动机上进行了一系列试验。为了模拟大型水轮发电机的情况,模拟电机的气隙由原3毫米增大到8.46毫米,并另做了三套磁极,使阻尼绕组的参数互不相同。模拟电机的基本数据如下:Zl=108;2刃云,=32.8毫米;占=吕.46毫米;=18;q=2;槽开口宽好占,__二李~=1.5;占一’一笋二=197.5毫米;二13.9毫米;“=0.704阻尼绕组共三套,分别为李=。.7,b1、=6;骨一”·66,临。=6;会=”·6,‘,、=,。在可能的条件下,表2还改变气隙进行了试验。实测结果如表2和图3所示。q=2的模拟电机空载线电压谐波实刹总崎变率0.52%0一79%0.6%1.13%1.27%3.9落15一8%厅省碌”0.070.19”0.26片值·||…对珊0.3俪Ž咖状相珊0.160.19溉0.37翼的|||纷啸0.470.410.370.910.726.7压||!勺5工b电即姗喊0.06愉姗姗0.l6.助0.380.130.440.690.321.6皆‘|……邢100100100100100100100;一”8.468.468.468.46灿。?一Ž口一灿7内幻6/665·一t,ltl0.6140.66??”Ž小,.除此项数据为900千瓦电机的实测给果外,其余均为模拟电机上的实测结果。从表2不难看出:-(1)当札/t,、0.6,0.7时,可得良好的电压波形。这时电压波形畸变率比无阻尼绕组时说明阻尼绕组有改善电压波形的作用。(2)比较5、6、7三项实验结果可知,在相近的气隙下,当会增大到接近于;时,电压波形畸变急剧增大。图4表示用〔文献1〕所提出的方法把实测结果都换算到气隙为8.46毫米时波形畸变率与阻尼绕组节距的关系。一5一犷犷犷犷犷犷犷////////////////////////////////////////////////(((((ZZZZZ代、、/‘‘‘‘名万斗3刁才C崎盛率气二O.’‘丈丫全炭岁.“‘气二~4月叼O月店夕二3解从图3图4阻尼绕组节距的选择可根据波形畸变率的计算公式导出。根据〔文献1〕,了次谐波电势的相对值为:、少7了.、K一.1叨一功了一尤k札一句nS吕i盗卷硷‘些‘卫三+2仍q瓮一,“一‘,K+12仍q(,、。一1)二2仍,斋一‘K+‘,杭一。1一20.澎*KE式中叽为一个极上阻尼条的根数,札,和无吐分别为基波和K-次谐波的绕组系数。对整数槽绕组的电机,电压波形畸变率通常主要由一阶齿谐波引起,因此选择云:时应使刀备K一2二。*,;最小。据此可推得‘,寺,2,且李应与1相差较大;:办1今二粤罕二,且二者相差较大。这就要求选‘劝’“扩曰护“‘切‘协「,一1、一‘’一才2一J“‘目~~/、”乙‘“l、饥q+1’一一‘只“目~~/、“~似.~,、~择稍小的阻尼绕组节距。分析表明,电压波形中也可能含有较强的接近于2二玲士1次的奇次谐波。应当选择适一,’一护、/,尹~一一护’~,‘~曰‘碑一‘一”,~一,一‘八一一v、户,一,材、’~一‘一一一”~当的线圈节距削弱这些谐波电势,若选择‘2使得2,q爹士1‘接近或等于偶数,i也可达到目的。阻尼绕组中心线偏移〔文献5〕的作者曾提出将阻尼绕组的位置稍稍偏移(图5),以得到较好的电压波形,并在q二2和q=4的同步发电机上进行了实验。当阻尼绕组中心线未偏移时波形畸变甚大,偏移粤后波形畸”’一-一万’一’--一一‘”一4尸~、“变很小。现对这种方法定性分析如下:当定子采用开口槽时,在阻尼条中将感应频率、,Z,,,,.。,_.、。、,、‘二。,_.‘、.为了fl的齿频电势,并产生齿频电流。对整数槽绕组的电机,当阻尼绕组中心线、未偏移时,N