淺談阻尼繞組對(duì)齒諧波電勢(shì)的影響

通常同步電機(jī)的主極表面布置有阻尼繞組，阻尼繞組隨同轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，空載時(shí)，氣隙磁場(chǎng)僅由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，如果定子表面是光滑的，那么阻尼繞組不切割轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，阻尼條中是沒(méi)有感應(yīng)電流的，因此阻尼繞組對(duì)空載反電勢(shì)波形沒(méi)有影響。但當(dāng)定子開槽時(shí)，由于齒槽導(dǎo)致的磁導(dǎo)波對(duì)氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)制作用，使得氣隙磁場(chǎng)中產(chǎn)生了一系列的附加磁場(chǎng)，這些附加磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可在阻尼繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)定子齒距，阻尼繞組中的感應(yīng)電勢(shì)就交變一次，因此阻尼繞組中的感應(yīng)電勢(shì)頻率與轉(zhuǎn)子每秒轉(zhuǎn)過(guò)的定子齒數(shù)相等，即阻尼繞組中的感應(yīng)電勢(shì)頻率為齒頻，因此也稱阻尼繞組中感應(yīng)出齒頻電勢(shì)，由于阻尼繞組兩端通過(guò)阻尼環(huán)短路，因此阻尼繞組中就會(huì)感應(yīng)出齒頻電流。阻尼繞組中的齒頻電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將會(huì)抵消因定子開槽引起的附加磁場(chǎng)，從這個(gè)意義上來(lái)講，阻尼繞組有削弱定子開槽影響的作用，這是有利的。但從另一方面講，該齒頻電流產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)也將會(huì)在定子繞組中產(chǎn)生齒諧波電勢(shì)，引起空載反電勢(shì)波形畸變。實(shí)踐表明，當(dāng)阻尼繞組的節(jié)距設(shè)計(jì)得當(dāng)時(shí)，能夠得到較好的反電勢(shì)波形；設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)(如阻尼繞組節(jié)距與定子齒距相等或非常接近時(shí))，齒諧波電勢(shì)會(huì)急劇增大。對(duì)此我們公司曾經(jīng)吃過(guò)大虧，因阻尼繞組設(shè)計(jì)不當(dāng)造成了三臺(tái)大功率發(fā)電機(jī)報(bào)廢，教訓(xùn)極其慘痛。接下來(lái)我們就從理論上定性地分析阻尼繞組對(duì)齒諧波電勢(shì)的影響。

1 阻尼繞組節(jié)距與定子齒距相等時(shí)的情況

設(shè)阻尼條節(jié)距為t2，定子齒距為t1。如圖1(a)所示，為一臺(tái)每極有五根阻尼條的凸極同步發(fā)電機(jī)，其阻尼條節(jié)距t2=t1，定子為整數(shù)槽繞組。

? 此時(shí)，當(dāng)一個(gè)極下的阻尼條都對(duì)著齒的中心線時(shí)，另一極下的阻尼條也對(duì)著齒的中心線。圖1(b)畫出了主極磁場(chǎng)波形和定子槽開口引起的磁場(chǎng)交變分量。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該交變磁場(chǎng)在阻尼條中感生頻率為f2=2mqf1的齒頻電勢(shì)。由于t2=t1，所有N極下5根阻尼條的感應(yīng)電勢(shì)同相位，此瞬間各阻尼條中的電勢(shì)方向如圖1(c)所示，而在S極下的那些阻尼條中的感應(yīng)電勢(shì)與N極下各阻尼條中電勢(shì)的相位相反。此時(shí)，齒頻電流通過(guò)阻尼繞組的極間連接線流通，這相當(dāng)于該瞬間所有N極下的阻尼繞組電流與所有S極下的阻尼繞組電流方向相反，且阻尼繞組中的電流以齒頻f2交變，從而產(chǎn)生一個(gè)極對(duì)數(shù)與主極極對(duì)數(shù)相等的齒頻脈振磁場(chǎng)。圖1(c)畫出了齒頻電流產(chǎn)生的脈振磁勢(shì)及其基波分量。該脈振磁場(chǎng)可分解為沿正、反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的速度為：

n=±60f2/p=±2mq?(60f1/p)=±2mq?n1?⑴

順著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)在相對(duì)定子的轉(zhuǎn)速為(2mq+1)n1，它與主波磁場(chǎng)極數(shù)相同，但轉(zhuǎn)速卻比主波磁場(chǎng)高(2mq+1)倍，因而它在定子繞組中感生(2mq+1)f1的齒諧波電勢(shì)；另一個(gè)逆著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，相對(duì)定子的轉(zhuǎn)速為(2mq-1)n1，將在定子繞組中感生(2mq-1)f1頻率的齒諧波電勢(shì)。

綜上所述，當(dāng)t2=t1時(shí)，由于一個(gè)極下所有阻尼條中電流的相位全部相同，它們共同產(chǎn)生的脈振磁場(chǎng)很強(qiáng)，引起的齒諧波電勢(shì)很大，因此當(dāng)t2=t1時(shí)，阻尼繞組的存在將大大增強(qiáng)了電勢(shì)齒諧波，嚴(yán)重惡化空載反電勢(shì)的波形，因此在設(shè)計(jì)同步電機(jī)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格避免阻尼繞組節(jié)距與定子齒距相等或接近。

2 阻尼繞組節(jié)距等于1/2定子齒距的情況

若阻尼繞組節(jié)距等于1/2定子齒距，即t2=(1/2)t1，此時(shí)相當(dāng)于在上述電機(jī)中，每極裝有9根阻尼條，如圖1(d)所示。則第1、3、5、7、9號(hào)阻尼條中的電流都同相位，產(chǎn)生的脈振磁勢(shì)如圖1(e)；而第2、4、6、8號(hào)阻尼條中的電流，恰與1、3、5、7、9號(hào)阻尼條中的電流相位相反，產(chǎn)生的脈振磁勢(shì)如圖1(f)，兩者產(chǎn)生的脈振磁勢(shì)基波互相抵消，因而阻尼繞組中的齒頻電流對(duì)電壓波形的不利影響大為削弱。

由此可見(jiàn)，當(dāng)阻尼繞組的節(jié)距小于定子齒距時(shí)，可削弱齒頻電流對(duì)齒諧波的惡化。同理，當(dāng)阻尼繞組的節(jié)距大于定子齒距時(shí)，也會(huì)削弱齒頻電流產(chǎn)生的齒諧波電勢(shì)，但二者相比，t2＜t1時(shí)的削弱效果會(huì)更好一些，在此不再贅述。

總之，在同步電機(jī)的阻尼繞組設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格避免阻尼繞組節(jié)距等于或接近定子齒距，要么小于定子齒距，要么大于定子齒距，并應(yīng)盡量遠(yuǎn)離定子齒距，大于定子齒距時(shí)不能是定子齒距的整數(shù)倍。當(dāng)然，這是從減小齒諧波電勢(shì)角度考慮得出的結(jié)論，選擇較小的阻尼條節(jié)距固然可以得到較好的電壓波形，但從附加損耗角度考慮，阻尼條節(jié)距過(guò)小又會(huì)引起阻尼繞組損耗增大，這是不利的，電機(jī)設(shè)計(jì)就是要權(quán)衡各種矛盾，以達(dá)到綜合性能優(yōu)越?？紤]到各方面綜合性能，許多電機(jī)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)中通常推薦的阻尼條節(jié)距必須滿足：

t2=(0.7～0.9)t1

或????????????????????????????????????? ⑵

t2=(1.1～1.2)t1

3 空載反電勢(shì)波形仿真時(shí)的注意事項(xiàng)

空載反電勢(shì)波形的仿真計(jì)算是同步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)重要的內(nèi)容。許多沒(méi)有吃過(guò)虧的人錯(cuò)誤地認(rèn)為：根據(jù)楞次定律，阻尼繞組中的電流對(duì)定子開槽引起的氣隙磁密波動(dòng)有削弱作用，對(duì)削弱齒諧波是有利的，只是阻尼槽對(duì)齒諧波有惡化作用，因此仿真建模時(shí)只需考慮阻尼槽的作用，不用考慮阻尼繞組中電流的作用，而將阻尼繞組設(shè)為空氣，認(rèn)為這樣建模是反電勢(shì)波形最惡劣的工況，只要這樣仿真結(jié)果是合格的，那么阻尼繞組電流起作用時(shí)，波形必然會(huì)更好。前述說(shuō)的我們公司在此問(wèn)題上吃的大虧，就是犯了這個(gè)想當(dāng)然的錯(cuò)誤！教訓(xùn)??！通過(guò)前面的分析可知，如果阻尼繞組節(jié)距設(shè)計(jì)得當(dāng)，的確阻尼繞組中的電流會(huì)削弱定子開槽的影響，對(duì)削弱齒諧波有利，如果阻尼繞組節(jié)距設(shè)計(jì)不當(dāng)，不僅不會(huì)削弱齒諧波，還會(huì)嚴(yán)重惡化齒諧波。因此在進(jìn)行空載反電勢(shì)波形仿真時(shí)，必須要按阻尼繞組實(shí)際的物理模型進(jìn)行建模，將阻尼繞組設(shè)置成實(shí)際的材料（銅或鋁），并將阻尼條通過(guò)兩端阻尼環(huán)短接，這樣才能較準(zhǔn)確地仿真出反電勢(shì)波形。切記！切記！

以上定性分析了阻尼繞組節(jié)距對(duì)齒諧波的影響。至此，通過(guò)幾期的瞎想，我們分析了交流繞組感應(yīng)電勢(shì)，重點(diǎn)分析了感應(yīng)電勢(shì)諧波的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素。

編輯：黃飛