科学瞎想系列之一三三 电机绕组(10)
上期讲了齿谐波电势的特点及齿槽对齿谐波的影响，本期讲阻尼绕组对齿谐波电势的影响。
通常同步电机的主极表面布置有阻尼绕组，阻尼绕组随同转子同步旋转，空载时，气隙磁场仅由转子励磁，如果定子表面是光滑的，那么阻尼绕组不切割转子磁场，阻尼条中是没有感应电流的，因此阻尼绕组对空载反电势波形没有影响。但当定子开槽时，由于齿槽导致的磁导波对气隙磁场产生调制作用，使得气隙磁场中产生了一系列的附加磁场，这些附加磁场与转子有相对运动，可在阻尼绕组中产生感应电势，转子每转过一个定子齿距，阻尼绕组中的感应电势就交变一次，因此阻尼绕组中的感应电势频率与转子每秒转过的定子齿数相等，即阻尼绕组中的感应电势频率为齿频，因此也称阻尼绕组中感应出齿频电势，由于阻尼绕组两端通过阻尼环短路，因此阻尼绕组中就会感应出齿频电流。阻尼绕组中的齿频电流产生的磁场将会抵消因定子开槽引起的附加磁场，从这个意义上来讲，阻尼绕组有削弱定子开槽影响的作用，这是有利的。但从另一方面讲，该齿频电流产生的附加磁场也将会在定子绕组中产生齿谐波电势，引起空载反电势波形畸变。实践表明，当阻尼绕组的节距设计得当时，能够得到较好的反电势波形；设计不当时(如阻尼绕组节距与定子齿距相等或非常接近时)，齿谐波电势会急剧增大。对此我们公司曾经吃过大亏，因阻尼绕组设计不当造成了三台大功率发电机报废，教训极其惨痛。接下来我们就从理论上定性地分析阻尼绕组对齿谐波电势的影响。
1 阻尼绕组节距与定子齿距相等时的情况
设阻尼条节距为t2，定子齿距为t1。如图1(a)所示，为一台每极有五根阻尼条的凸极同步发电机，其阻尼条节距t2=t1，定子为整数槽绕组。
此时，当一个极下的阻尼条都对着齿的中心线时，另一极下的阻尼条也对着齿的中心线。图1(b)画出了主极磁场波形和定子槽开口引起的磁场交变分量。当转子转动时，该交变磁场在阻尼条中感生频率为f2=2mqf1的齿频电势。由于t2=t1，所有N极下5根阻尼条的感应电势同相位，此瞬间各阻尼条中的电势方向如图1(c)所示，而在S极下的那些阻尼条中的感应电势与N极下各阻尼条中电势的相位相反。此时，齿频电流通过阻尼绕组的极间连接线流通，这相当于该瞬间所有N极下的阻尼绕组电流与所有S极下的阻尼绕组电流方向相反，且阻尼绕组中的电流以齿频f2交变，从而产生一个极对数与主极极对数相等的齿频脉振磁场。图1(c)画出了齿频电流产生的脉振磁势及其基波分量。该脉振磁场可分解为沿正、反两个方向旋转的旋转磁场，两个旋转磁场相对于转子的速度为：
n=±60f2/p=±2mq·(60f1/p)=±2mq·n1 ⑴
顺着转子转动方向旋转的磁场在相对定子的转速为(2mq+1)n1，它与主波磁场极数相同，但转速却比主波磁场高(2mq+1)倍，因而它在定子绕组中感生(2mq+1)f1的齿谐波电势；另一个逆着转子转动方向旋转的磁场，相对定子的转速为(2mq-1)n1，将在定子绕组中感生(2mq-1)f1频率的齿谐波电势。
综上所述，当t2=t1时，由于一个极下所有阻尼条中电流的相位全部相同，它们共同产生的脉振磁场很强，引起的齿谐波电势很大，因此当t2=t1时，阻尼绕组的存在将大大增强了电势齿谐波，严重恶化空载反电势的波形，因此在设计同步电机时应严格避免阻尼绕组节距与定子齿距相等或接近。
2 阻尼绕组节距等于1/2定子齿距的情况
若阻尼绕组节距等于1/2定子齿距，即t2=(1/2)t1，此时相当于在上述电机中，每极装有9根阻尼条，如图1(d)所示。则第1、3、5、7、9号阻尼条中的电流都同相位，产生的脉振磁势如图1(e)；而第2、4、6、8号阻尼条中的电流，恰与1、3、5、7、9号阻尼条中的电流相位相反，产生的脉振磁势如图1(f)，两者产生的脉振磁势基波互相抵消，因而阻尼绕组中的齿频电流对电压波形的不利影响大为削弱。
由此可见，当阻尼绕组的节距小于定子齿距时，可削弱齿频电流对齿谐波的恶化。同理，当阻尼绕组的节距大于定子齿距时，也会削弱齿频电流产生的齿谐波电势，但二者相比，t2＜t1时的削弱效果会更好一些，在此不再赘述。
总之，在同步电机的阻尼绕组设计时，应严格避免阻尼绕组节距等于或接近定子齿距，要么小于定子齿距，要么大于定子齿距，并应尽量远离定子齿距，大于定子齿距时不能是定子齿距的整数倍。当然，这是从减小齿谐波电势角度考虑得出的结论，选择较小的阻尼条节距固然可以得到较好的电压波形，但从附加损耗角度考虑，阻尼条节距过小又会引起阻尼绕组损耗增大，这是不利的，电机设计就是要权衡各种矛盾，以达到综合性能优越。考虑到各方面综合性能，许多电机设计文献和设计手册中通常推荐的阻尼条节距必须满足：
t2=(0.7～0.9)t1
或 ⑵
t2=(1.1～1.2)t1
3 空载反电势波形仿真时的注意事项
空载反电势波形的仿真计算是同步电机电磁设计重要的内容。许多没有吃过亏的人错误地认为：根据楞次定律，阻尼绕组中的电流对定子开槽引起的气隙磁密波动有削弱作用，对削弱齿谐波是有利的，只是阻尼槽对齿谐波有恶化作用，因此仿真建模时只需考虑阻尼槽的作用，不用考虑阻尼绕组中电流的作用，而将阻尼绕组设为空气，认为这样建模是反电势波形最恶劣的工况，只要这样仿真结果是合格的，那么阻尼绕组电流起作用时，波形必然会更好。前述说的我们公司在此问题上吃的大亏，就是犯了这个想当然的错误！教训啊！通过前面的分析可知，如果阻尼绕组节距设计得当，的确阻尼绕组中的电流会削弱定子开槽的影响，对削弱齿谐波有利，如果阻尼绕组节距设计不当，不仅不会削弱齿谐波，还会严重恶化齿谐波。因此在进行空载反电势波形仿真时，必须要按阻尼绕组实际的物理模型进行建模，将阻尼绕组设置成实际的材料（铜或铝），并将阻尼条通过两端阻尼环短接，这样才能较准确地仿真出反电势波形。切记！切记！
以上定性分析了阻尼绕组节距对齿谐波的影响。至此，通过几期的瞎想，我们分析了交流绕组感应电势，重点分析了感应电势谐波的产生机理和影响因素。分析这些的目的是为了削弱谐波电势，下期我们讲解削弱感应电势高次谐波的方法，敬请期待！
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