空载电压波形是发电机的重要电气性能参数之一。波形的好坏直接影响电能的质量。波形畸变，使得用电设备损耗增大，出力和效率降低。同时，波形中所包含的各种谐波，不仅使电力网络测量保护系统产生误差，而且，其中高次谐波分量使电力线对邻近的电话通讯回路产生干扰。随着电力网的扩大，发电机单机容量的不断增大，对波形的要求越来越严格。国际电工委员会（IEC）和各国电机的基本标准，对同步电机的空载电压波形都有明确的要求。一般是包括以下两项要求： （1）“波形正弦性畸变率”，（2）“电话谐波因数”。

　　以往我国国家标准GB755―65仅规定第一项“电压波形正弦性畸变率”。1981年国家修订《电机基本技术要求》、即GB755―81，首次对电话谐波因数作出规定。这是国家标准向IEC标准靠拢的结果。也标志着电机制造技术的提高和我国电力系统供电质量的提高。

　　1“GB755― 81”对电压波形的要求GB755―81第九章第30条作了以下规定：30条第1款（3011）同步发电机和同步调相机的线电压波形正弦性畸变率不超过如下数值：额定功率在300kVA以上者5% ，额定功率在10～300kVA者10%.

　　30条第2款（3012）连接于电网运行的300kVA及以上的同步发电机和同步调相机，为了降低输电线与邻近回路间的干扰，其线电压的电话谐波因数（TH F）应不超过如下数值：额定功率在5000kVA以上者115% ，额定功率> 1000～5000kVA者3% ，额定功率在300～1000kVA者5%.

　　国标GB755―81、30条第2款的内容与IEC34―1、28条的规定是一致的。1987年国家重新修订的GB755―87《旋转电机基本技术要求》中上述内容与GB755―81一样。电压波形正弦性畸变率是指电压波形中，除基波以外，其余各次谐波的有效值平方和的平方根与基波有效值之比的百分数。可用下式表示。

　　K U = 100 U 1∑i= 1 U 2 i（% ）（1）电话谐波因数TH F（ TEL EPHON E HARMON IC FACTOR ）指的是电压波形中各次谐波的有效值，与TH F权衡系数乘积的平方和的平方根，与电压有效值之比的百分数，用下式表示。TH F = 100 U∑i= 1 U 2 iΚ2 i（% ）（2）

　　2TH F及其权衡系数电力线上的谐波通过空间耦合在邻近通讯线上产生静电感应和电磁感应，两种杂音电压谐波的干扰效果与人耳的生理特性以及电声设备特性有关。就是说，人耳―电话系统对幅值相同频率不同的杂音电压，反应灵敏度是不一样的。在本世纪初美国首先研究这个问题，通过实验的方法找出这种“灵敏度”与杂音频率的关系曲线，称之为“杂音电压频率响应特性”。表示为R f = F（f） ，P f数值称为频率衡量系数。

　　电力谐波对通讯线路干扰的另一个必需考虑的因素，就是耦合关系。显然，以电磁感应为主的耦合关系，感生电压的大小正比于频率f。

　　杂音电压频响特性和耦合关系的合并作用，就是电力谐波对电话系统的干扰相对程度。因此某一频率的谐波对电话干扰的计权值正比于频响特性P f和谐波频率f的乘积，即P ff。

　　由于人的听觉对800～1200Hz的声音最敏感，通常以800Hz为基准，即取P 800 = 1.其他频率谐波对电话系统干扰的相对程度可以表示为Κ= P f？

　　f P 800×800 = P f×f 800（3）式中Κ――谐波干扰权衡系数f 800――耦合系数1959年IEC第二技术委员会（TC2）提出报告，以国际电报电话咨询委员会（CC ITT ） 1951年提出的频率衡量系数P f，乘以耦合系数f 800作为计算TH F的权衡系数Κ。这就是现在IEC34―1及GB755―81中的Κ值。

　　对于三相电力系统， 6 n + 1次谐波构成正序系统， 6 n - 1次谐波构成负序系统， 6 n - 3次谐波构成零序系统。正序和负序都属于平衡对称系统，各相电压、电流谐波对电话线路的干扰作用有相互抵消的趋势，因而影响较小。而零序系统谐波、相位相同，对电话线路的干扰特别严重。因此，美国标准规定的电压干扰系数T IF（ TEL EPHON E IN FLU ENCE FACTOR ）分为平衡分量和剩余分量两种。平衡的T IF是在线电压上测得的，剩余分量T IF是在开口三角形上测得的，而线至中性点的T IF则为两种分量的合成。即T IF =（B T IF）2 + （R T IF）2式中B T IF――平衡的电话干扰系数R T IE――剩余的电话干扰系数IEC34―1、GB755―81规定TH F在线电压测得。也就是说TH F仅对谐波的平衡分量作出规定。通常TH F在其限值内，T IF的剩余分量也就不大了，不必重复规定。但是对于以特殊方式接于电网的电机，例如，中性点接地，与网路直连的低压发电机，零序谐波将被送到系统中，产生较大的电话干扰。因此，在这种情况下，对电机空载电压波形的要求，需要特殊规定。这一点IEC34―1、GB755―81均有说明。

　　3凸极电机空载电压谐波与TH F值关系水轮发电机多为凸极式同步发电机，由于以下两个结构上的原因，在电压中必然包含有谐波的成份。

　　311转子极弧形状的近似性产生奇次谐波凸级电机转子的极靴通常做成一段与定子内圆不同心的圆弧，它与定子内圆构成不均匀的气隙，在极弧中心，气隙最小，两侧逐渐变大。这种形状的极靴，产生的磁场分布曲线为一略呈平顶状的、近似正弦曲线。写成傅立叶级数形式B = 2 B r Cos rΗ（4）r = 1， 3， 5，……2 K + 1这一系列的磁密波在定子绕组中感生电势为一系列不同频率的电势谐波，其解析式如下e = 2 E r Cos rΞt（5）r = 1， 3， 5……2 K + 1这是假设定子是光滑的，其波形如所示。

　　312定子齿槽效应产生的谐波电机定子开槽引起气隙磁导不均匀，对转子磁势起调制作用，从而使基波磁密幅值产生脉振。工程上一般仅考虑一阶磁导率对转子磁势基波的调制作用，产生的一阶齿谐波。

　　B z = F（Η） ？Κ1 Cos Z PΗ= B Z Cos（Z P + 1）Η+ B Z Cos（Z P - 1）Η（6）从而在定子上感生出齿谐波电压e Z = E Z Cos（Z P + 1）Ξt + E Z Cos（Z P - 1）Ξt（7）式中Z――定子的槽数P――电机的极对数波形。

　　产生谐波的原因除上述两方面外，尚有其他次要的因素。例如转子阻尼绕组开槽。槽开口很小（半闭口槽） ，影响极小，一般不予考虑。

　　谐波电压振幅的相对值由下式决定E 3 r = E r E 1 = B r B 1

　　K dp r K dp 1Νr×100%（8）式中K dP r，K dP 1―― r次谐波与基波的绕组系数Νr――考虑定子开槽对r次谐波电动势增大或削弱的系数由傅立叶级数的收敛性可知，极弧近似性产生奇次谐波磁密，随着谐波次数的增大，幅值减小。电压谐波幅值也是基本按此规律收敛。计算表明，当谐波次数大于7时，谐波幅值收敛更快。

　　可以看出，频率< 1000Hz的区间内，TH F权衡系数Κ以较大的速率递增，当650Hz<频率< 4150Hz时，权衡系数Κ较大，在016以上。对7次以下的谐波，f≤350Hz，权衡系数Κ值很小，Κ350 = 01165.

　　可见，对于转子极弧近似性产生的奇次谐波，低次、频率低，幅值大，计权系数小；高次、频率高，幅值小，计权系数大。因此它对TH F值的影响较小。对TH F值影响最严重的是齿谐波。

　　齿谐波的频率为（Z P±1）×f = 50 （6 q±1）。

　　q为每极每相槽数。正常电机q的取值为3～6，即齿谐波的频率为850～1750Hz为权衡系数较大的区域，而且齿谐波的幅值也比相同阶次的磁密非正弦分布造成的谐波幅值大10～20倍。一般气隙磁场齿谐波幅值可达到基波10%.

　　因此，齿谐波是电话干扰的主要肇事者。GB755―81中关于TH F限值的规定，主要对齿谐波的限制。而关于波形正弦性畸变率限值的规定，主要是对较低次的谐波的限制。的齿谐波。

　　根据数值算出电压波形正弦性畸变率K u = 016286% ，其中磁密非正弦造成的谐波所产生的畸变为K u1 = 0134% ，齿谐波产生的畸变为K u2 = 0153%.TH F = 018956% ，其中磁密非正弦谐波因数为TH F = 01092% ，齿谐波因数为TH F = 01891%.齿谐波是电话干扰的主要肇事者。4电压波形的改善在电机的设计、制造中，可以采取以下几项措施改善电机的空载电压波形以保证电机合乎IEC34―1或GB755的要求。

　　411正确设计转子极弧的形状在凸极式电机设计中，采取不均匀气隙，一般最大气隙max与最小气隙m im之比在115～210的范围内，极靴宽度B p与极距Σ之比在0170～0175范围内，并据此得极弧半径，以求得较接近正弦曲线的磁密分布。

　　这方面进一步的工作要借助于工艺手段的提高。如果工艺上能实现非园曲线的加工，或者能有较好的仿形加工手段，则可以采用有限元法或模拟法，求出理想极弧曲线（理论证明它是一条非圆曲线） ，实现按正弦曲线分布气隙磁密。

　　412采用短距绕组削弱高次谐波电势从（8）式可知谐波电势与绕组系数K dp r成正比，绕组系数等于绕组短距系数与绕组分布系数的乘积。

　　K dp r = K d rK p r（9）r次谐波短距系数K p r = Sin （rΒΠ2）通常设计中着重考虑削弱5、7次谐波电势，取Β= 018～0186.

　　413采用分布绕组削弱高次谐波电势

　　不同时，基波和谐波分布系数的变化情况。从可见，当q增加时，基波分布系数减小不多，但谐波分布系数却显著减小。因此，采用分布绕组可以削弱谐波电势。但随着q的增大，电枢槽数z也增多。这将引起冲剪工时和绝缘材料消耗量的增加，从而使电机成本提高。事实上q > 5时，高次谐波分布系数下降已不显著。一般水轮发电机q = 2～6.

　　必须提出，齿谐波的绕组系数与基波绕组系数是相等的。因此不能靠2、3措施削弱齿谐波的相对值。也可以说2、3措施对控制TH F值贡献较小。

　　414放大气隙、削弱谐波放大气隙减小槽口与气隙的比值，从而减弱齿槽效应，削弱气隙磁密的齿谐波。这个办法可以说是一种“笨”办法。气隙增大将导致电机制造成本的急剧增加。在电机设计中，往往是按照短路比K和同步电抗X d的要求确定气隙长度的。这就给我们提出设计中短路比不宜定得太低，通常是不小于019.

　　415采用磁性槽楔或半开口槽，可以有效地减小气隙磁导的变化，从而削弱齿谐波这是一个有效的办法，但有它的极限性。半开口槽，由于绝缘结构上的限制，只能适用于小型低压发电机。磁性槽楔，目前已知的几种材料都有不足之处，主要是机械强度不足，径向磁导率不高，切向磁导率太大，导致电机槽漏抗增大，因此，目前仅在中小电机上有所应用。寄希望于材料部门研制出高机械强度，高径向磁导率，而低切向磁导率的磁性槽楔。这种材料的诞生，将使电机的电压波形大为改观。

　　416采用斜槽削弱齿谐波电势把电机定子铁心做成斜槽或者把转子做成斜极，使同一槽内的导体沿轴向各点所感应的齿谐波电势相位不同，从而削弱齿谐波电势。这种方法是有效的，它多用于中小型异步电机和小型同步电机，对于大中型水轮发电机应用较少，往往是作为一种非常的手段使用。这是由于斜槽给铁心迭压、线圈成型带来工艺上的困难，斜极也增加工艺上的难度。

　　417采用分数槽绕组削弱谐波这是一种很有效的方法，它在水轮发电机设计制造中得到广泛的应用。

　　对前面提及的SF13210 3000发电机，取每极每相槽数q = 5 1 5，其他结构参数不变，各次谐波的相对值。 3012， 3212为齿谐波。比较数值可以看出，采用分数槽，尽管气隙磁密分布不变（B r B 1不变） ，但是绝大多数的谐波电势E 3 r被削弱了。削弱最多的是齿谐波，被抑小7～8倍。

　　根据数值计算波形的正弦性畸变率K u = 01342% ，电话谐波因数TH F = 01142%.与q = 5的方案比较，畸变率K u相对抑低4516% ，TH F相对抑低84%.可见，采用分数槽对削弱齿谐波，抑低TH F和K u，改善电压波形是十分有效的。

　　418合理设计阻尼绕组阻尼绕组对各次谐波均有削弱或减小的影响，合理选择阻尼绕组节距t 2，对6 q + 1次的齿谐波电势有明显的抑制效果。顺便提及，采用实心磁极有良好的阻尼效果，对任何次谐波均能起抑制作用。