无刷三相同步发电机内源滤波绕组设计原理

无刷三相同步发电机内源滤波绕组设计原理

江西三波电机总厂（南昌市，330002）

林政安　黄秋华　袁学兰

　 　　摘  要　本文根据现代负载对无刷三相同步发电机电压波形需完美的正弦
形的需要，提出一种新型内源三相滤波绕组概念及其设计原理。通过按此原理设计的二种新产品实例，其总谐波含量分别为0．64 %和0．2 %均小于1 %，证明其设计原理是正确的，这种内源滤波效果是明显的。　　
    关键词　滤波　绕组　同步发电机　三相

1　引言
　　现代负载对无刷三相同步发电机的输出电压波形往往要求是理想的正弦形，例如希望电压波形中总的谐波含量不超过1 %，对一些现代负载 例如UPS电源，逆变器电源，开关电源、变频电源的使用才是安全的。
　　有实例表明，无刷同步发电机作开关电源设备的电源，工作时振荡或者直接毁坏开关电源设备；有的用作UPS电源时而无法工作，作逆变器电源设备的电源时会破坏逆变器，作变频器的电源时损坏变频器等等，事故不断发生。这些无刷发电机有的是引进技术进行设计生产的，有的是直接从发达国家引进的发电机，也有的是国内设 计生产的。因此可知，国内外现面市的无刷同步发电机作为现代负载的电源时，其适应性还不好，而这些发电机的电压波形尚不是完美的正弦波，大部分总谐波含量大于5 %。
　　国内某研究所的情报研究指出，少数发达强国的舰艇专用发电机的电压波形总谐波含量已做到小于1 %，但其技术未见报导。这种电机需特别设计，销售价非常昂贵。
　　根据这种情况，本文从设计原理上提出内源滤波绕组新概念，导出了设计公式，通过实例验证，已做到使无刷三相同步发电机的输出电压波形总谐波含量不超过1 %。这一独创，主要是设计技术创新，绕组结构创新，其工艺无特别要求，还可以节材节能，成本降低，故实用性很强，容易推广。
2　内源滤波绕组新概念
　　众所周知，电子电路中有电感、电容、电阻等元件组成的无源滤波单元，必要时还有有源滤波单元。有源滤波原理与无源滤波原理不一样，前者是设计一组谐波与所需滤掉的谐波大小相等、方向相反，而起消除电路中有害谐波的滤波单元，电子电路中的有源滤波技术是一门新技术。
　　发电机电枢绕组的输出电压波形并非理想的正弦波，而是含有多种有害谐波的，发电机外部加装无源滤波元件会增加体积、重量和价格，一般是不允许的，对发电机供出的电力进行有源滤波，由于费用太高，技术难度更大，也很少应用。
　　实际上，发电机内部磁场中总是固有包含多次谐波，利用这些固有谐波能化害为益，既节能又可能改善发电机的电气性能。事实也如此，经过理论分析和技术设计、试验，并应用于实际产品中，设计出一种三相对称的内源滤波绕组。所谓内源就是利用电机内部固有的多次谐波能源，使之成为一种有源的滤波绕组。滤波绕组中的多次谐波与发电机主绕组中的有害谐波其大小相等、方向相反，三相滤波绕组与三相主绕组迭加后互相抵消，起到了明显的滤波作用。这就是内源滤波绕组的新概念。　　
3　内源滤波绕组的结构型式
　　图1是一种三相中频无刷发电机的主绕组。 该发电机定子槽数Z＝36，极数2 P＝14，相数m＝3，频率f＝400Hz，转速n＝3428．6r／min，每极每相槽数q＝6／7。

　　图1是等匝不等距的分数槽绕组，且组成单、双层三相绕组，该绕组的实施图可按图1的规定 转化成一张表，图1和表1同时对照使用，即很清晰，不容易错。


　　从图1可知，每相绕组是等匝而不等距的。 所谓等匝是指每个线圈匝数是一样的。不等距实 3，有4个线圈（即图1中2－4，5－7，8－10，23－25这四个线圈），另一种节距为1～4，有6个线圈（即12－15，17－20，18－21，27－30，28－31，33－36这六个线圈），这十个线圈组成A相。同理B、C相类似构成。这种主绕组使无刷中频发电机的线电压波形畸变率水平在2 %左右，但总谐波含量往往大于5 %，其适应性受到限制。为了提高发电机对现代电气负载的适应性和对电子设备供电的品质，须对发电机电压波形中的总谐波含量控制在1 %以内，国内外都把这种高要求视为技术难点。
　　为了使该中频发电机总谐波含量控制在1 %以内，作者经多年的理论研究和样机试验，在该电机中另外设置了一套三相对称的辅助绕助，按其作用原理把它叫做三相对称内源滤波绕组。详见图2。

　　从图2可知a相有源滤绕组是由节距1～3的2个线圈、节距1～9的2个线圈共4个线圈组成的，且与图1有相对固定的位置。图2仅画出了a相绕组结构，并标出了b、c相的引出线，b、c相绕组与a相互差120度电角度，a、b、c是一种三相对称的滤波绕组。
　　主绕组和辅助绕组每线圈的匝比是2∶1，因此，此种发电机的定子槽内槽填充率的似相等，槽内分双层或三层结构，工艺传统，实现容易。　　
4　内源滤波绕组的滤波原理及接法　　
　　图1主绕组的绕组系数，容易从相应的电气矢量图（图3）中推算得出。



　　设主绕组每线圈匝数为m_A，辅助绕组每线圈匝数为m_a，且m_A＝2 m_a，则当主绕组与辅助绕组串联如图4对外工作时，滤波作用原理可由式（3）表达　

　　说明由于a相的滤波作用，使A相的三次谐波相消，使U相输出中三次谐波电压为零。同理，abc对ABC的滤波作用，使U、V、W、N对外输出的总谐波含量由大于5 %下降到1 %以内，达到了有源滤波的目的。　　
5　原理推广及实例
　　上述滤波原理是一种普遍原理，可在多种型号的中频、双频无刷发电机中应用，当然发电机的具体型式不同，式（1）、（2）、（3）应按不同的绕组型式得出。
　　现举例说明其普适性。在ZW－100kW－24 P（400Hz）无刷三相中频发电机中，对三相双层正弦绕组再设置三相内源滤波绕组，发电机输出电压波形中总谐波含量由2．5 %下降到0．64 %，该发电机已用于某国防重点工程。其线／相电压波形图分别如图4、图5。


　 6　结论
　　通过理论论证和新产品验证，说明本文提出的发电机内源滤波绕组新概念是能成立的；设计原理公式正确；连接方式和绕组型式符合传统工艺，实施容易；产品的输出电压波形总谐波含量均已达到小于1 %。发电机内源滤波绕组具有普遍推广的价值，它必将进一步提升发电机的电气品质，产生重大的社会意义和经济效益。
　　

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