諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)影響

王運(yùn)英

鶴壁豐鶴發(fā)電有限責(zé)任公司，河南鶴壁 458000

異步電動(dòng)機(jī)的氣隙中除了存在基波磁場(chǎng)之外，還有一系列諧波磁場(chǎng)，這些諧波磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)有多方面的影響，比如，產(chǎn)生附加損耗和諧波轉(zhuǎn)矩，引起電機(jī)的振動(dòng)和噪聲等，本文主要討論高次空間諧波磁場(chǎng)的產(chǎn)生及由此產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩，又稱為附加轉(zhuǎn)矩或寄生轉(zhuǎn)矩，分析其對(duì)電機(jī)起動(dòng)的影響及削弱其影響所采取的相應(yīng)措施。

1 異步電機(jī)的高次空間諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的主要原因

1.1 繞組分布非正弦引起的諧波磁場(chǎng)

三相繞組對(duì)稱分布流入三相對(duì)稱電流，由于繞組磁動(dòng)勢(shì)為階梯波，而非正弦波分布，因此，合成磁動(dòng)勢(shì)除有基波分量，還有一系列高次空間諧波磁動(dòng)勢(shì)。其ν次諧波磁動(dòng)勢(shì)的振幅和轉(zhuǎn)速表達(dá)式如下：

諧波磁動(dòng)勢(shì)的振幅與諧波次數(shù)ν成反比與諧波的繞組因素KNν成正比。因此，次數(shù)較低的奇次諧波5次和7次諧波磁動(dòng)勢(shì)較強(qiáng)，而較高次諧波中2mqk±1次諧波也有較大磁動(dòng)勢(shì)，這是因?yàn)?mqk±1次諧波的繞組因數(shù)與基波繞組因數(shù)相同，比其它諧波的繞組因數(shù)大的多。

1.2 定、轉(zhuǎn)子齒槽存在引起磁導(dǎo)齒諧波

定子鐵芯內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子鐵芯外圓各有齒槽存在，引起氣隙磁導(dǎo)不均勻，面對(duì)齒部磁導(dǎo)較大，面對(duì)槽口磁導(dǎo)較小，在這種情況下，即使氣隙磁動(dòng)勢(shì)按正弦分布，由于齒槽磁導(dǎo)變化也會(huì)引起諧波磁場(chǎng)，為與繞組諧波相區(qū)別，稱由磁導(dǎo)變化引起的諧波為磁導(dǎo)齒諧波。

在分析磁導(dǎo)齒諧波時(shí)，為了簡(jiǎn)化通常假設(shè)定子內(nèi)圓或轉(zhuǎn)子外圓的表面僅其中一面存有齒槽，而另一面光滑，定子有齒槽，而轉(zhuǎn)子表面光滑，且由定子齒槽引起的磁導(dǎo)變化，只考慮了一階磁導(dǎo)波，可見在每對(duì)極基波極面下，磁導(dǎo)波變化了次，則氣隙磁導(dǎo)波可以表示為

可求得轉(zhuǎn)子齒諧波磁場(chǎng)，其一階齒諧波次數(shù)、極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速為

式中：“+”號(hào)表示相對(duì)于（n1-n）方向旋轉(zhuǎn)；“—”表示相對(duì)于（n1-n）反方向旋轉(zhuǎn)。

2 高次諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩及其對(duì)起動(dòng)的影響

由高次諧波磁場(chǎng)所產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩，按性質(zhì)可以分為附加轉(zhuǎn)矩和同步附加轉(zhuǎn)矩。

2.1 異步附加轉(zhuǎn)矩

定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與其磁場(chǎng)感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流共同產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)互相作用而形成的轉(zhuǎn)矩是異步轉(zhuǎn)矩，并且只有極對(duì)數(shù)數(shù)目一致的那些磁場(chǎng)才會(huì)出現(xiàn)異步轉(zhuǎn)矩。如定子基波磁場(chǎng)只與轉(zhuǎn)子基波磁場(chǎng)產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，而與轉(zhuǎn)子上感應(yīng)相應(yīng)的諧波電流而形成相應(yīng)諧波磁場(chǎng)，其中也只有次數(shù)相同的那些磁場(chǎng)才能產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，即異步附加轉(zhuǎn)矩。

用疊加原理將基波和各諧波的異步附加轉(zhuǎn)矩加起來(lái)得到總的轉(zhuǎn)矩，合成的曲線T=f（s），在n=-和n=周圍出現(xiàn)鮮明下凹陷的谷點(diǎn)，它是因異步附加轉(zhuǎn)矩而造成的，稱之為異步谷。在n=時(shí)的谷點(diǎn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)非常不利，若負(fù)載轉(zhuǎn)矩不小于其谷點(diǎn)左右轉(zhuǎn)矩，則使轉(zhuǎn)子在谷點(diǎn)附近低速“ 爬行”，而不能繼續(xù)加速到正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速。同樣，n=-處的谷點(diǎn)，對(duì)制動(dòng)區(qū)的正常運(yùn)行也是有害的。

2.2 同步附加轉(zhuǎn)矩

由獨(dú)立來(lái)源的極對(duì)數(shù)數(shù)目一致的兩個(gè)磁場(chǎng)，以同方向且同等轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)而形成的轉(zhuǎn)矩是同步附加轉(zhuǎn)矩。假若其非同步旋轉(zhuǎn)，則其平均轉(zhuǎn)矩為零。

在異步電機(jī)中，定子齒諧波和轉(zhuǎn)子齒諧波是兩個(gè)獨(dú)立來(lái)源的諧波磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)較強(qiáng)，如果定、轉(zhuǎn)子的槽數(shù)配合不當(dāng)，有可能使它們齒諧波磁場(chǎng)滿足極對(duì)數(shù)相同條件，在某一特定轉(zhuǎn)速時(shí)形成較強(qiáng)的同步轉(zhuǎn)矩。異步電動(dòng)機(jī)由于“異步谷”或“同步谷”的存在，使其起動(dòng)過(guò)程有一個(gè)轉(zhuǎn)矩的最小值，成為“最小轉(zhuǎn)矩”，它也是考核電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的一個(gè)指標(biāo)。

3 削弱和消除附加諧波轉(zhuǎn)矩的措施

1）繞組采用分布和適當(dāng)短距以減弱繞組諧波磁場(chǎng)，特別是對(duì)起動(dòng)影響較大的7次諧波和5次諧波，通常是；

2）轉(zhuǎn)子斜槽是削弱齒諧波作用的一個(gè)有效的方法。定子齒諧波磁場(chǎng)在同一轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中各部分感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互抵消，合成諧波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，感應(yīng)電流很小，從而消除由定子齒諧波產(chǎn)生的異步附加轉(zhuǎn)矩。如果不是轉(zhuǎn)子斜槽，而是定子斜槽，效果相同。斜槽后，電機(jī)的漏抗將稍有增加；

3）選擇合理的定、轉(zhuǎn)子槽配合后，可消除或削弱齒諧波轉(zhuǎn)矩；

4）減少氣隙磁導(dǎo)變化削弱磁導(dǎo)齒諧波，如定、轉(zhuǎn)子采用半閉口槽，小電機(jī)轉(zhuǎn)子用閉口槽等；

5）增大氣隙能有效地削弱高次諧波和齒諧波磁場(chǎng)，隨之減少附加轉(zhuǎn)矩，但是過(guò)大的氣隙使勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)下降，一般不宜采用這種方法。

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