发电机交流绕组节距的定义和设计

发电机交流绕组节距的定义和设计
2/3节距交流发电机能抑制3次谐波电流在中性线流过，现代发电机四线配电系统（即配置中性线或零线的配电系统）基本上都采用2/3节距。5/6节距交流发电机在无中性线的三线配电系统中采用，包括大多数中压/高压系统。如果采取措施消除或减轻谐波电流在中性线中流动的风险，可以并联不同节距的交流发电机。
发电机节距示意图
绕组节距和谐波，当交流发电机空载或带线性负载运行时，产生的电压波形形状根据其工频基波频率和电压幅度，以及谐波的电压幅度及其频率来描述。因为所有交流发电机都表现出一定程度的谐波电压失真，因此上述描述是必要的，即使这些失真相对于可能由非线性负载引起的失真非常小，但在并联应用中，它们可能仍然相当可观。谐波电压与工频基波波形叠加，导致纯正弦波的工频基波形状有些失真。在任何时间点所得到的电压都将是工频基波和所有的谐波之和。
绕组节距是影响发电机输出电压波形谐波含量的几个因素之一。称为短距系数（kp）的参数定义了由于使用短节距（即小于全节距）绕组而导致谐波含量减少的比例。
kp＝cos［nx180（1～节距）/2］
式中 n为谐波次数；节距为分数（如2/3,5/6等）。
对于全距绕组（节距＝1τ，τ为极距），短距系数对所有谐波为1，即没有减少工频基波或任何谐波的电压幅值。
2/3和5/6节距交流发电机的主要优缺点见表3-3。
表3-3 2/3和5/6节距交流发电机的绕组短距系数
绕组短距系数/kp
2/3节距
5/6节距
工频基波
0.87
0.97
3次谐波
0
0.71
5次谐波
0.87
0.26
7次谐波
0.87
0.26
对于5/6和2/3节距的交流发电机，工频基波的短距系数分别为0.97和0.87。这意味着5/6节距交流发电机产生的基波电压等于相同的全距交流发电机以相同的励磁水平产生的基波电压的97％。对于2/3节距交流发电机，这一比例由97％下降到87％。这表明具有5/6节距定子线圈的交流发电机比在相同的励磁水平的2/3节距线圈能够产生更高的基波电压。
同一交流发电机，用5/6节距线圈能够比用2/3节距线圈输出更大的功率，即使用相同量的材料可以产生更大的kva输出，因此更有效地利用了铜和钢，这是5/6节距相比2/3节距交流发电机的主要优点。
从表3-3可以看出，2/3节距交流发电机的主要优点是它没有3次谐波含量，事实上，2/3节距的交流发电机不产生3次谐波。（术语3次谐波是指所有3次谐波的奇数倍，所以3，9.15和21次等属于3次谐波。）
重要的是尽量减少所有频率的谐波电压。总谐波失真（thd）为所有频率的谐波电压的总和与工频基波的百分比，是一个经常应用的交流发电机参数。好的交流发电机设计可以实现2/3或5/6节距交流发电机均具有类似的较小thd值。
降低所有频率的谐波电压均是同等重要，四线的低压电压配电系统需要特别考虑3次谐波。（注意，术语“低电压”在本文中是指其线电压低于1000v。因为不同的地区有不同的中高压定义，我们将使用术语“中压或高电压”或简称“mv/hv”表示线路电压超过1000v），其中原因是在四线系统中，三相的所有3次谐波电流（实际上所有3次谐波的3倍电流）直接流经中性线，这可以导致高水平的谐波失真和潜在中性线过热风险。单相负载特别是产生3次
谐波的单相整流或开关电源负载的电流总是需要流经中性线。
低压三相整流（非线性）负载也产生3次谐波电流。正是由于这些原因，绝大部分低压发电机组采用2/3节距。虽然5/6节距绕组能够消除更多的5和7次谐波，但2/3节距交流发电机能够消除低压系统中的3次谐波更胜一筹。
在中压或高压下，由于通常不使用中性线，所以较少考虑3次谐波的影响。对于mv/hv发电机组，通常使用变压器进行降压。为了给单相负载提供中性线，变压器的低压绕组一般采用星形（丫）联结。与发电机绕组直接连接变压器的高压绕组一般采用三角形（delta）（δ）联结。3次谐波电流将在三角形联结的高压绕组中循环，并保持在变压器的高压侧。虽然这些3次谐波电流也会产生涡流从而产生热量（如所有谐波电流一样），但远远不如直接流经中性线中的3次谐波电流产生的发热量那么大。
对于大多数中压和高压系统，当负载性质决定不需要中性线时，产生的3次谐波电压基本可以忽略。在这些应用中，只要保持较低的总谐波失真，并且注意减少或消除并联发电机组的中性点和接地点之间的环流，则通常适合使用5/6节距交流发电机。

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