Вплив гармонік на машини, що обертаються

Втрати електроенергії.Гармоніки напруги і струму приводять до додаткових втрат вобмотках статора, в колах ротора, а також всталі статора і ротора. Втрати в провідниках статора і ротора при цьому більші, ніж визначені омічним опором, через вихрові струми і поверхневий ефект. Струми витоку, що викликаються гармоніками в торцевих зонах статора і ротора, приводять до додатковим втрат.

У разі асинхронного двигуна з ротором зі скошеними пазами і пульсуючими магнітними потоками в статорі і роторі вищі гармоніки викликають додаткові втрати в сталі. Значення цих втрат залежить від кута скосу пазів і характеристик магнітопровода Так, наприклад, додаткові втрати активної потужності в асинхронному двигуні, які обумовлені несинусоїдністю напруги, можна визначити за формулою

,

де і – відповідно активний опір статора і приведений активний опір ротора на частоті ν-ї гармоніки. При підвищених частотах в обмотках статора і ротора в суттєво проявляється поверхневий ефект, тому

; .

Для асинхронних двигунів високої напруги можна вважати, що .

.

.

Вплив форми кривої напруги на втрати в асинхронному двигуні показаний на прикладі двигуна потужністю 16 кВт, що працює з повним завантаженням при частоті мережі 60 Гц і номінальній напрузі. При синусоїдальній формі кривої напруги повні втрати склали 1,303 кВт, а при квазіпрямокутній формі 1,6 кВт. Середній розподіл втрат від вищих гармонік в двигуні постійного струму, що живиться від випрямляча, складає : обмотки статора 14,2 %, кола ротора 41,2 %; торцеві зони 18,8 %; потоки в пазах 25,8 %.

За винятком останньої складової втрат, їх розподіл в синхронних машинах приблизно аналогічний. Слід зазначити, що сусідні непарні гармоніки в статорі синхронної машини викликають в роторі гармоніку однакової частоти. Наприклад, 5-та і 7-ма гармоніки в статорі викликають в роторі гармоніки струму 6-го порядку, що обертаються в різні боки. Дчя лінійних систем середня щільність втрат на поверхні ротора пропорційна ( ), проте через різний напрямок обертання щільність втрат в деяких точках пропорційна .

Додаткові втрати - найбільш серйозний ефект, що викликається гармоніками в машинах, які обертаються. Вони приводять до підвищення загальної температури машини і до місцевих перегрівів, найбільш вірогідних в роторі. Двигуни з ротором типу "біляча клітка" допускають вищі втрати і температуру, якщо це не приводить донадмірної температури статора; тому двигуни з фазним ротором являються чутливішими. Деяке технічне керівництво обмежує допустимий рівень струму зворотної послідовності в генераторі 10 %, а рівень напруги зворотної послідовності на вводах асинхронних двигунів 2%. Допустимість гармонік визначають по тому, які рівні напруги і струмів зворотної послідовності вони створюють.

Моменти обертання, що створюються гармоніками.Струм гармоніки в статорі асинхронного двигуна викликає рушійну силу, що приводить до появи на валу моментів, які обертаються, у напрямі обертання магнітного поля гармоніки. Тому моменти що обертаються, які створюються гармоніками що створюють пряму послідовність, співпадають з напрямом обертання ротора, а які створюють зворотню послідовність направлені протилежно.

Оскільки значення ковзання для струмів всіх гармонік практично однакове, відносні моменти, що обертаються, вельми малі, до того ж вони частково компенсуються внаслідок різного напряму. Тому вплив їх на середній момент нехтуємо. Разом з тим вони можуть привести до значної вібрації валу.

Як приклад розглянемо випадок, коли коефіцієнт спотворення напруги складає 4 % і приводить до струмів в обмотках, що становлять 0,03 і 0,02 в. од. для 5-ої і 7-ої гармонік відповідно. Якщо обидві гармоніки співпадають по фазі, то в машині з номінальною частотою 50 Гц, включеною на номінальну напругу, в момент обертання виникне складова з частотою 300 Гц і амплітудою 0,01 в. од. При найбільш несприятливому фазовому співвідношенні амплітуда складе 0,05 в. од.