研究与交流 船用高压发电机谐波的抑制和削弱 陈 帅 中船重工电机科技股份有限公司（０３００２７） Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｏｎ Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｍａｒｉｎｅ－ｔｙｐｅ Ｈｉｇｈ・ｖｏｌｔａｇｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ＣＨＥＮ Ｓｈｕａｉ ＣＳＩＣ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｓｉｃｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．．Ｌｔｄ． 摘 要：简述了谐波的危害，介绍了带线性或非线性 影响。主要表现在： 负载的高压发电机谐波产生的原因和削弱措施，分析了 （１）发电机本身的附加损耗增加，温升增 可控硅控制对发电机谐波的影响，提出了抑制谐波的具 高，效率下降。 体方法。 关键词：发电机非线性负载谐波可控硅抑 （２）污染电网，殃及同一电网上的其它用电 制措施 设备。如电网上的异步电动机将产生有害的附加 中图分类号：ＴＭ３１４文献标识码：Ａ 转矩和损耗，使电动机运行性能变坏；变压器也 ＤＯＩ编码：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎｌ００６－２８０７．２０１６．０５．０１２ 会由于低频谐波而发热，影响额定输出。 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈａｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ （３）对临近的通信线路产生干扰，严重时会 ｂｒｉｅｆ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｒｅａｓｏｎ ａｎｄ ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｓ 导致通信中断，从而使系统瘫痪。 ｏｎ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｂｙ ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｌｉｎｅａｒ ｏｒ ｎｏ．１ｉｎｅａｒ ｌｏａｄｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ （４）可能引起输电线路或用电设备的电感和 ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｒｅｃｔｉｉｆｅｒｓ ｗａｓ 电容发生谐振，产生过电压。 ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． ２ 带线性负载的发电机谐波 Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｎＯ—ｌｉｎｅａｒ ｌｏａｄｓ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ２．１因磁场非正弦分布引起的谐波 发电机感生电势一般都要求有很好的正弦 船用高压发电机带非线性负载会导致谐波 波形，但实际上，磁极磁场除正弦基波外，往往 干扰增大。要增强它的带非线性负载的能力，就 还包含有一系列高次谐波。这些高次谐波磁场在 必须进一步削弱高次谐波。只有降低谐波干扰， 定子线圈里感应出相应的高次谐波电势，从而使 抑制电压中的高次谐波含量，才能满足船用高压 发电机感生电势和输出电压呈不完全正弦波形 发电机的实际使用要求，提高电压品质并延长发 （图１）。 电机的使用寿命。 １ 谐波的危害 。 ＼／ “ — 发电机输出线路中不能含有过多的高次谐 图１ 呈不完全正弦波的磁场波形 波，因为它会使电压波形变坏，造成一系列不良 ・４２・２０１６年第５期《电机技术》 从傅里叶级数分析可知，谐波次数越高，其幅 值越小，它对磁场的波形影响也越小。实践也证 明影响磁场波形的主要是３、５、７和９次谐波。所 以，电机设计时主要考虑削弱或消除这些次数的 谐波。 在设计时通常使用以下三种方法削弱磁场 非正弦分布引起的谐波电势： （１）主机尽量采用隐极式转子，励磁绕组分 散布置，让主机磁场波形比较接近正弦形。分散 绕组使磁场波接近梯形。表达式为： ４Ｆｍ（７ｃ ６ｃ ｓｉｎａｓｉｎｃｏｔ＋￣２ ｓｉｎ３ ｓｉｎ３∞什 ｓｉｎ５ａｓｉｎ５ｃｏｔ＋－．．） 当 ＝÷时，表达式为： ｃｓｉｎｏ） ３∞升 ｓｉｎ５ｃｏ ｓｉｎ７ｃｏｔ＋．．．， ７ｃ ｊ ） ／ （２）主机定子三相绕组连接成Ｙ形，消除发 电机线路中存在的３次和３的倍数奇次谐波。 （３）主机定子采用短距分布绕组以削弱５次 和７次谐波。 正常情况下，削弱５次和７次谐波电势应使节 距 １＝ ｒ，这时５次和７次谐波电势都被削弱到原 来的１／４。 ｓＩ‘ｎ—ｖｑａｌ —ｋｑｖ＝＿ ｑｓｌｎ ２．２齿谐波电势 由于定子槽开口，造成了气隙磁导不均匀， 导致气隙磁场增加了一种齿谐波分量。齿谐波在 定子绕组中会感应较高的齿谐波电势，致使电势 波形出现严重的锯齿形。所以必须采用合理的方 法来消除这种齿谐波电势。 在设计时使用以下两种方法削弱齿谐波电 势。 （１）减小定子槽开口。齿谐波电势是齿谐波 磁势通过气隙的磁导谐波引起的，气隙磁导沿 圆周的变化可表示为（取定子齿中心点为坐标原 研究与交流 点）： ６ ０＋舌 ｋ ｃｏｓｋｚｚａ 削弱磁导谐波幅值 ｋ能有效削弱齿谐波电ｚ 势，特别是一阶齿谐波电势。为此，在气隙一定 的情况下，减小定子槽开口，采用小电机中常用的 半闭口槽或磁性槽楔，可最大限度地降低低阶磁 导谐波幅值。 （２）采用斜槽的方法削除齿谐波电势。定子 齿斜一个齿距，斜槽以后，同一根导体内各点所 感应的齿谐波电势相位不同，大部分可以互相抵 消，从而使导体总电势中的齿谐波大为削弱。 ３ 可控硅控制对发电机谐波的影响 可控硅通过控制其导通角０达到控制输出电 压的目的。可控硅的导通角越大，输出电压幅值 越高，反之越小。 可控硅的输出电压中也有大量的谐波分量 存在，且谐波分量与０有关。一般来说，０在接近 ９０。时，谐波最多，幅值最大。谐波电流分量通过 发电机线圈的电抗产生相应的谐波电压。该谐波 电压叠加在发电机的输出电压上，造成输出电压 的畸变。 ４ 带非线性负载的发电机谐波 带非线性负载的船用高压发电机，要实现在 负载情况下将电压波形畸变控制在一定的范围 之内，就必须在带线性负载发电机谐波削弱措施 的基础上采取进一步的有效措施。 一般通过绝缘结构设计和调整电枢绕组及 其电磁参数的设计来抑制谐波的危害。 ４．１绝缘结构设计 由于非线性负载谐波含量较大，特别是带变 频器负载的情况下，高的电压突变值会对电机的 绝缘形成很大的冲击，因此绝缘结构必须做专门 的设计，否则绝缘寿命会很低。 通过选用特殊的绝缘材料和加工工艺，并对 绝缘材料进行耐高频脉冲电老化寿命试验，根据 《电ｊＩｌ技术》２０１６年第５期・４３・ 研究与交流 试验结果得到最优的绝缘结构。 共选用３种不同的绝缘材料，进行耐高频脉 ③耐高频脉冲电老化寿命。 （２）主绝缘试验 （ａ）试样： 冲电老化寿命试验，试验结果见表１和表２。 表１补强材料耐高频脉冲电老化寿命试验值 材料名称 试验电压 ／Ｖ ①在进口ＣＲ薄膜云母绕包铜扁线上，问隔 半叠包玻璃布云母带和进口Ｃ Ｒ薄膜云母带，共 包７层； 上升时间 击穿时间 （平均值）／ｎｓ （平均值）／ｈ 普通聚酰亚胺薄膜 ２ ０００ ４００ ２３ ②在国产ＣＲ薄膜云母绕包铜扁线上，间隔 半叠包玻璃布云母带和国产ＣＲ薄膜云母带，共 包７层； 国产ＣＲ薄膜 进口ＣＲ薄膜 ２ ０００ ２ ０００ ４００ ４００ １３６ １７８ 表２主绝缘材料耐高频脉冲电老化寿命试验 试验电压 试验频率 上升时间 击穿时间 试验温度 材料 ／ｖ ，ｋＨｚ ③在国产Ｃ Ｒ薄膜云母绕包线上，半叠包７层 双面玻璃布补强云母带。 （ｂ）测试内容： ①线棒对地绝缘工频耐电压和线棒对地绝 ９０ （平均值） （平均值） ／ｎｓ 加ｌｎ ／￣Ｃ 进口ｃＲ三合一薄膜 国产ｃＲ三合一薄膜 ２ ９００ ２ ９００ ２０ ２０ ２０ ３７５ ３７５ ３７５ １ ２９２ １ ２９３ ４２９．５ 缘耐冲击电压（工频电压试验或冲击电压试验任 选一项）； 普通聚酰亚胺三合一薄膜 ２ ９００ ②瞬时工频击穿电压和击穿场强； 由表１可知，进口ＣＲ薄膜的耐高频脉冲电老 化寿命最长，国产Ｃ Ｒ薄膜次之，二者均能达到 相关参考标准的要求，而普通聚酰亚胺薄膜则不 能满足要求。 由表２可知，作为主绝缘的进口ＣＲ薄膜的耐 高频脉冲电老化寿命最长，国产Ｃ Ｒ薄膜次之， ③常态介质损耗角正切ｔａｎ趿其增量△ｔａｎ＆ （室温）； ④热态介质损耗角正切ｔａｎ＆（１８０℃）； ⑤耐高频脉冲电老化寿命。 从经济性、工艺性和绝缘性能方面综合考 虑，决定采用国产ＣＲ膜作为发电机主绝缘，以降 低谐波电压对绝缘的冲击，并提高发电机的实际 使用寿命。 ４．２调整电枢绕组及其电磁参数 二者差别不明显，而普通聚酰亚胺薄膜耐高频脉 冲电老化寿命最短。 表１和表２的数据是通过两种试验获取的， 具体如下： （１）匝间绝缘试验 （ａ）试样： 通过采用特殊的电枢绕组，使其能兼顾空载 电压波形和负载电压波形的畸变率；此外，还可 通过适当调整阻尼绕组和主机的电磁参数、适当 增加电机磁路的饱和程度、调整瞬态电抗参数和 适当增加电机设计容量等措施来削弱谐波。 参 考 文 献 ①进ＨＣＲ薄膜云母绕包线； ②国产ＣＲ薄膜云母绕包线。 （ｂ）测试内容： ①常态介质损耗角正切ｔａｎ趿其增量Ａ ｔａｎ＆ （室温，试验电压３ ０００Ｖ）； ［１］许实章．电机学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０００． （收稿日期：２０１６．０６．１６） 作者简介：陈帅，男，１９８１年４月生，本科，机械专业，工程师，现从 事电机设计工作 ②热态介质损耗角正切ｔａｎ＆（１８０℃，试验电 压３ ０００ Ｖ）： 《电机技术》一欢迎各界・刊物交流・技术咨询・ ・４４・２０１６年第５期《电机技术》
