交-交变频交流励磁电机谐波的解析分析

交-交变频交流励磁电机谐波的解析分析

吴志敢贺益康

摘要研究交-交变频器供电励磁的发电、电动系统的谐波问题，给出多种结构和工作模式交-交变频器输出谐波的解析表达；根据交流励磁电机谐波正序、负序电路模型，导出交流励磁电机空载及并网运行时电网谐波和电机谐波转矩的分析方法。通过计算实例分析和比较了几种系统的谐波特性。

关键词：交-交变频器交流励磁谐波

An Analytical Study of the Harmonics in the AC Excited Machines

fed by the Cycloconverter

Wu Zhigan He Yikang

(Zhejiang University 310027 China)

Abstract The harmonic issue in the AC excited machines (ACEM)fed by the cycloconverter was studied.Based on the firstly presented analytical expressions of outputs generated by the various type cycloconverters operated in different modes and the positive,negative sequence harmonic equivalent circuits of ACEM,the analysis method of harmonic voltage,current as well as torque in the no load or networked ACEM was derived.The harmonic nature of various schemes were also analyzed and compared.

Keywords:Cycloconverter AC excitation Harmonics

1 引言

交流励磁电机结构上是一台绕线式异步电机，转子绕组采用三相低频交流电励磁［1，2］。改变励磁电压的幅值、频率和相位即可实现对电机运行的有效调节，用作发电机可实现变速恒频发电，独立调节有功和无功功率；用作电动机可实现变频起动和功率因数控制。此项技术对于抽水蓄能发电和变落差、多泥沙水系变速发电及大中型异步电机进相运行等场合意义重大，应用前景十分广阔。但由于中大型交流励磁电机转子一般外接交-交变频器，其输出电压富含谐波，将在发电机定子侧产生大量空载谐波电压，导致并网困难，并网后大量的谐波电流污染电网；也增加电机损耗，产生各类脉振转矩，导致电机产生噪声与振动。因此研究交流励磁电机的电力谐波问题是此项新型发电技术实用化的关键。

交流励磁电机输出电力谐波问题已引起国内研究的注意，文献［3］对此作了很好的分析，但是仅讨论6脉波交-交变频器供电励磁情况，对谐波转矩的计

算也较粗略。实际上变频器的主电路结构及控制方式对交流励磁电机电力谐波特性影响显著，故本文将对6脉波、12脉波交-交变频器有环流与无环流工作模式下输出谐波进行分析，导出交流励磁电机的谐波电压、电流和转矩的解析表达，并通过实例分析和比较几种励磁方案下系统的电力谐波特性，为优化这种电机的输出特性，实现谐波抑制奠定分析基础。

2 交流励磁电机的谐波等效电路模型

交流励磁电机转子电压含有滑差频率的基波和大量谐波的正、负序及零序分量。由于零序电压在无中线电机中不产生零序电流，在有中线电机中产生零序电流，但过气隙的磁通为零，可不予讨论。在非正弦供电条件下电机铁心饱和程度将有所增加，转子集肤效应加剧，但分析中可忽略铁心非线性饱和，将磁化曲线过工作点作线性化处理；忽略集肤效应对漏感的影响，仅计对电阻的修正。这样可把交-交变频器输出的基波和各次正、负序谐波电压看作一系列独立作用在电机基波或谐波等效电路转子侧的电源，据此计算各电压分量所产生的电流、转矩及其功率和损耗。

设定、转子基波频率分别为f

1、f

2

，频率为f

2k+

的正序转子电压谐波在定子

侧产生频率为f

1k+=f

2k+

+(1-s)f

1

的电势和电流，相应滑差为s

k+

=f

2k+

/f

1k+

；负序分量

f

2k-

对应定子侧有

f 1k-=f

2k-

-(1-s)f

1

,s

k-

=f

2k-

/f

1k-

采用折算到定子侧的电机等效电路，在满足f

2k ＞f

1

,f

1k

＞f

1

的条件下，考虑到电

机参数间的数量关系，交流励磁电机的正、负序谐波等效电路如图1所示。其中

x s 为电网基波等效电抗；k

1+

=f

1k+-

/f

1

,k

1-

=f

1k--

/f

1

；U

2k+

、U

2k-

为转子谐波电压；

k e =W

1

k

W1

/W

2

k

W

2为电机绕组折算系数。可见，电机的正、负序谐波等效阻抗与电机

负载或转速无关，只决定于电机谐波漏抗及电网谐波电抗之和，表现出纯感抗性质。

图1 简化谐波等效电路

Fig.1 Simplified harmonic equivalent circuit