图 3..20 同步电机直接带负载时的 A 相电流主要谐波含量
图3..21 同步电机直接带负载时的 A 相电压波形39
图 3..22 同步电机直接带负载时的 A 相电压主要谐波含量
对比同步发电机直接带负载和经不控整流带负载的电压和电流谐波含量可知，同步发电机经过不控整流后，电流和电压的波形变差了，特别是电压。直接带负载时，电流谐波含量为 0.72%，而经过不控整流后的电流谐波含量为 7.24%； 相电压
谐波含量见表 3..3 所示。
表 3.3 不同带载情况下的相电压谐波含量
从表 3.3 可以看出，永磁风力发电机经过不控整流带负载的方式会给电机电压造成比较严重的畸变，而直接带负载时的电机相电压谐波含量不仅比不控整流时的少得多，而且也比空载时的少。从这三种情况的谐波具体含量来看，不控整流把空载时的相电压谐波含量放大了，例如，空载时的相电压 5 次和 7 次谐波含量分别为 0.66%和0.10%（相对于基波），而经过不控整流的变流后，这两种谐波的含量增大至 11%和8%，虽然三次谐波含量从 11.57%减小到 7.5%，但不控整流带来了大量的偶次谐波，所以整体上的谐波含量比控制的大很多。而直接带三相对称的负载时，相电压的谐波含量得到了削减，其中三次谐波含量为 5.3%，而 5 次和 7 次谐波没有被削减，但总的谐波含量比空载时的小。可见，对于理想的正弦电压源来说，采用不控整流方式如图 3.23（电源侧的每相电压都为正弦电压源，相位差为 1200，三相中都含有相等的电阻和电感），其相电压如图 3.24，谐波含量如图 3.25。可以看出，采用不控整流方式时的相电压发生了很大的畸变。因此，不控整流方式除了产生一系列新的电压谐波外，还会增大空间谐波的影响，恶化电机的电压和电流波形。
图 3.23 理想正弦电压源的不控整流
图 3.24 A 相电压 图 3.25 A 相电压谐波含量
3.2 不控整流时的谐波影响分析
气隙磁场是由永磁体磁动势和定子绕组电流产生的磁动势共同建立的，当电机运
行在同步转速时，永磁体磁动势的转速是恒定的，而对称的三相定子绕组电流产生的
在气隙中合成的磁动势也是按照同步速在旋转的，上述两个磁动势的转速是一样的，
方向是先经过 A 相轴线，然后经过 B 相轴线，再经过 C 相轴线。从相绕组磁动势的
傅里叶展开式可以看出，相绕组磁动势不仅含有基波分量，还含有 3,5,7，等奇次的空
间谐波。但是三相的合成磁动势并没有三次及 3 的倍数次谐波。这些谐波分为正向旋41
转谐波和反向旋转谐波（相对于基波的转向），例如，5 次谐波的合成磁动势为反向旋
转的，7 次谐波的合成磁动势为正向旋转的。 (1) 振动分析
谐波磁场会使电机定、转子铁心受到的作用力中，一般情况下最主要的是径向分
量。
① 由定子绕组电流产生的谐波磁场对定子铁心的振动作用
在电磁场中，要分析某个物体的受力情况，就应分析这个物体自身产生的磁场之
间的相互作用或者是分析自身产生的磁场与其他物体产生的磁场之间的相互作用。下
面分析定子绕组电流产生的各种径向磁场之间的相互作用而使定子发生的振动情况。
假设由定子绕组电流产生的气隙磁场磁密波为
xt
B ，它可分解为一系列的旋转波， 即每个旋转波都是空间和时间的函数：
式中，ν—谐波磁场的极对数； Bv —该谐波磁场的磁密波幅值；
x —沿气隙圆周的空间坐标变量（机械弧度）； t —时间变量；
“ ± ”号取 “+”号—反转波； “ ± ”号取 “–”号—顺转波；
fv—该谐波磁场感应于定子绕组中的电势频率。
这个作用力包括6种振动力波，其中4个是顺转力波，节点对数分别为：80,160,560,640；2个是反转力波，节点对数分别为：160和80。45上一小节的分析中指出，由定子绕组电流产生的谐波磁场中对定子铁心产生较大的振动作用的是 5 次谐波磁场，它产生的力波节点数为5 p ? p= 160，永磁体三次谐波磁动势产生的磁场谐波对定子铁心产生的振动力波的节点数最低为80，而它的振幅又比前者大许多，因而会使定子铁心产生很大的振动。因此，可以说永磁体的磁场谐波会使定子铁心产生很大的振动。
(2) 电磁转矩分析
综合分析图 3.26 至图 3.31 可以发现，直接带三相平衡负载时的气隙磁场和经过不控整流带负载时的气隙磁场谐波含量差异不大，总的谐波含量分别为 26.83%和29.43%，各次谐波含量值也很接近。然而，这两种带载情况下的电磁转矩波动却相差很大，不控整流时的电磁转矩波动范围是直接带负载时的两倍，其波动周期也是直接带平衡负载时的两倍。
图 3.26 不控整流时一对极下的气隙磁场
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