定子繞組匝間電壓分布特性分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u4359定子繞組匝間電壓分布特性分析概述 139011.1匝間電壓分布時域理論分析 124401.2匝間電壓分布特性 3269601.3上升沿時間對匝間電壓幅值分布的影響 655461.4輸入電壓幅值對匝間電壓幅值分布的影響 91.1匝間電壓分布時域理論分析當(dāng)脈沖進(jìn)入繞組時，電流分別經(jīng)繞組導(dǎo)線、匝間電容、繞組各點的對地電容流過，因此繞組各部分導(dǎo)線中的電流分布不同。同時，繞組各部分還存在互感，繞組中的電磁聯(lián)系非常復(fù)雜。為簡化計算過程，略去繞組的損耗和各部分的互感和互容，bing假設(shè)各參數(shù)均勻分布，得到簡化等效電路如圖3-1所示。圖SEQ圖表\*ARABIC3-1圖3-1中,分別為繞組單位長度的電感和對地電容，u為繞組內(nèi)距離接地端x處的電壓值，處的電壓為。在不考慮繞組損耗的條件下，脈沖電壓在繞組上的電壓分布可以堪稱脈沖電壓在無損傳輸線上的傳播。根據(jù)無損傳輸線理論，可以得到以下方程組:將式子（3-1）對x求一次導(dǎo)數(shù)，然后將式（3-2）代入，可以得到：（3-3）同理，將式子（3-2）對x求一次導(dǎo)數(shù)，將式（3-1）代入，可以求得：（3-4）將式子（3-3）改寫為運算微積分形式：,,其中p為算子，得到：（3-5）式中：。方程（3-5）的通解為：（3-6）其中，A,B為待定系數(shù)，由初始條件或邊界條件確定?，F(xiàn)在假定作用于電機(jī)繞組首端的電壓為幅值等于的長直角波，電機(jī)單相繞組長為，分繞組末端接地（電感接地）與末端開路（電容接地）兩種情況進(jìn)行分析。繞組末端（中性點）接地時，其邊界條件為：代入式（3-6）可以得到：,，（3-7）繞組末端開路（中性點絕緣）時邊界條件為：代入式（3-7）及其導(dǎo)數(shù)式可以得到：,，（3-8）應(yīng)用展開定理，將式（3-7）和（3-8）進(jìn)行反變換得到原函數(shù)，即可得到振蕩過程中，繞組各點電位的時域表達(dá)式。對于末端接地的繞組：（3-9）式中：，，(k=1,2,3,…)。對于末端不接地的繞組：(3-10)式中：，，(k=1,2,3,…)。以上各式中為振蕩角頻率；為空間諧波角頻率；為空間諧波幅值。從式（3-10）可知，繞組內(nèi)各點電壓與時間、各點位置以及分布參數(shù)有關(guān)。繞組的振蕩過程與作用在繞組上的沖擊電壓波形有關(guān)。上升沿時間越小，振蕩愈劇烈；上升沿時間越大，由于電感分流的影響，起始分布與穩(wěn)態(tài)分布愈接近，振蕩就會愈緩和，因而繞組各點的對地電位最大值也將降低。以上的電壓分布時域分析是建立在均勻分布參數(shù)條件下的，但是根據(jù)對電機(jī)定子槽內(nèi)電磁場分析可知，繞組各匝的分布參數(shù)是不相等的，這樣可能在繞組局部發(fā)生電壓反射和疊加。1.2匝間電壓分布特性由于本文主要研究在脈沖方波陡上升沿附近的暫態(tài)電壓分布特性，故采用上升沿時間可調(diào)的脈沖階躍電壓信號代替重復(fù)方波脈沖信號作為電壓源。考慮到所研究的JL2100型變頻電機(jī)的實際受電電壓幅值為10kV，故仿真電路模型中輸入電壓信號幅值取10kV，如圖3-2所示。圖3-2基于MATLAB軟件搭建的定子繞組單槽線圈高頻等效電路模型，分析電機(jī)定子繞組首端線圈13匝的匝間電壓分布特性。選取輸入電壓上升沿時間為100ns，研究各匝匝間電壓分布特性，得到匝間電壓總體傳播趨勢如圖3-3所示。圖3-3由圖3-3可知，在具有陡上升沿的脈沖電壓作用下各匝導(dǎo)體生成的匝間電壓，并且產(chǎn)生尖峰過電壓，該過電壓波形進(jìn)行振蕩衰減傳播，并最終趨于穩(wěn)定，而產(chǎn)生的過電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于達(dá)到穩(wěn)定時的匝間電壓，說明脈沖上升沿在匝間所能產(chǎn)生的絕緣破壞是極為嚴(yán)重的。1-7匝匝間電壓分布局部放大圖（b）7-13匝匝間電壓分布局部放大圖圖3-SEQ圖表\*ARABIC4匝間電壓分布局部放大圖圖3-4為首端線圈各匝匝間電壓分布特性。上升沿時間設(shè)定為100ns，上升幅值為10kV，從上升沿信號開始上升，仿真開始，經(jīng)過一段時間線圈各匝之間開始出現(xiàn)電壓峰值，且峰值出現(xiàn)在上升沿時間之前。在浪涌電壓的影響下，最高的匝間電壓出現(xiàn)在第一匝第二匝之間，從仿真開始后86.4ns的時間，最高幅值達(dá)到3.725kV，是輸入脈沖電壓幅值的37.25%，而對于第二第三匝之間的最高匝間電壓則產(chǎn)生在仿真開始后115.9ns時，最高幅值達(dá)到2.690kV，是輸入脈沖電壓幅值的26.90%。由圖3-4可知，最高匝間電壓出現(xiàn)在第一匝與第二匝之間，且出現(xiàn)最早，而之后各匝的匝間電壓幅值依次逐漸降低，出現(xiàn)時間也越晚，這是因為輸入脈沖電壓上升沿時間段，大部分電流依次經(jīng)過各匝對地電容向地流動，所以前幾匝承受的壓降最大，而向后依次遞減，使得后面的匝間電壓逐漸減小，而到末尾幾匝又會增大，這是由于匝內(nèi)脈沖波在末尾反射所導(dǎo)致的。1.3上升沿時間對匝間電壓幅值分布的影響繞組電壓分布不均的主要原因之一便是浪涌電壓的陡上升沿，所以研究上升沿時間對匝間電壓幅值分布特性的影響是十分必要的。本文針對首端線圈各匝匝間電壓，更改上升沿時間分別設(shè)置為100ns、200ns、500ns來研究上升沿時間對匝間電壓幅值分布的影響，仿真結(jié)果如圖3-5，圖3-6所示。1-7匝200ns匝間電壓分布局部放大圖（b）7-13匝200ns匝間電壓分布局部放大圖圖3-5200ns匝間電壓分布局部放大圖(a)1-7匝500ns匝間電壓分布局部放大圖（b）7-13匝500ns匝間電壓分布局部放大圖圖3-6500ns匝間電壓分布局部放大圖從圖中可以明顯看出，隨著上升沿時間增加，各匝匝間電壓幅值都有所降低，整體的趨勢也變得平緩許多，仿真結(jié)果可以表明匝間電壓幅值在高頻率的開關(guān)器件影響下，上升沿時間極短，這會在匝間產(chǎn)生極大的過電壓，在過電壓反復(fù)沖擊之下，對匝間絕緣造成破壞，產(chǎn)生局部放電，使得變頻電機(jī)的可靠性難以得到保障。圖3-7匝間電壓幅值分布受上升沿時間變化影響分布圖1.4輸入電壓幅值對匝間電壓幅值分布的影響實際的開關(guān)器件，除了開關(guān)頻率極快、上升沿時間短以外，還會輸出具有尖峰的過電壓，因此研究電壓幅值對匝間電壓幅值分布的影響也有他的必要性。由于JL2100型變頻電機(jī)的額定電壓為10kV，因此我們選擇12.5kV與7.5kV跟10kV在上升沿時間為100ns時的運行工況做對照，研究浪涌電壓幅值對匝間電壓幅值分布的影響，仿真結(jié)果如圖3-8，圖3-9所示。(a)1-7匝12.5kV匝間電壓分布局部放大圖（b）7-13匝12.5kV匝間電壓分布局部放大圖圖3-812.5kV匝間電壓分布局部放大圖(a)1-7匝7.5kV匝間電壓分布局部放大圖（b）7-13匝7.5kV匝間電壓分布局部放大圖圖3-97.5kV匝間電壓分布局部放大圖從圖中可以看出，隨著輸入浪涌電壓電壓幅值增加，各匝匝間電壓幅值都有所增加，但是整體的變化趨勢并沒有改變，并