Characteristics of and Control over Resonance in the Electromotive Force of Electromagnetic Induction

The principles of electromagnetic induction are applied in many devices and systems, including induction cookers, transformers and wireless energy transfer;however, few data are available on resonance in the electromotive force (EMF) of electromagnetic induction. We studied electromagnetic induction between two circular coils of wire: one is the source coil and the other is the pickup (or induction) coil. The measured EMF versus frequency graphs reveals the existence of a resonance/anti-resonance in the EMF of electromagnetic induction through free space. We found that it is possible to control the system’s resonance and anti-resonance frequencies. In some devices, a desired resonance or antiresonance frequency is achieved by varying the size of the resonator. Here, by contrast, our experimental results show that the system’s resonance and anti-resonance frequencies can be adjusted by varying the distance between the two coils or the number of turns of the induction coil.

Electromotive Force Calculation of Fifteen-phase Induction Motors With Non-sinusoidal Supply

非正弦供电十五相感应电机基波磁动势正幅值与3次谐波磁动势负幅值不在同一位置时的叠加磁动势波形称为常规磁动势波形,此种情况下感应电动势的计算是该种电机电磁性能分析与优化设计的前提。与正弦磁动势或理想叠加磁动势不同,常规磁动势下电机的感应电动势与激磁电流相位因磁路饱和不再相差/2,为此提出把感应电动势作为激磁电流流控电压源的处理方法。鉴于电机每半个极下气隙磁密波形不再相同的情况,提出基于电机1个极距区域的拓展分布磁路法计算气隙磁密,进而求出基波感应电动势与3次谐波感应电动势。非正弦供电十五相感应电机样机的感应电动势计算值与实测值相互吻合,说明了拓展分布磁路法计算感应电动势有效且具有较高的准确度。

基于谐响应的大型异步电机电磁振动分析

大型异步电机的电磁振动是电机振动的主要构成部分,对电机振动等级的评估需要进行准确的电磁振动分析,本文以一台10 kV兆瓦级大型异步电机为对象进行电磁振动分析。首先对完整的电机模型进行模态分析,求解固有频率及对应振型,并实验测量了电机实际运行时的固有频率;然后将电磁场二维有限元计算得到的径向电磁力作为载荷,对该电机进行谐响应分析,最后与实验测得的振动速率对比。结果表明,基于电机整机模型的模态分析和谐响应分析可以较为准确地分析大型异步电机电磁振动,能够为电机的优化设计或电磁振动抑制提供理论依据。

基于最优阈值参考的瞬变电磁法小波降噪效果研究

瞬变电磁法野外数据采集容易受各种随机干扰影响而出现跳变现象,小波去噪通过对信号的多尺度分解、阈值设置和重构,实现对数据的降噪。为进一步提高小波去噪后的瞬变电磁法数据质量,对该过程中的阈值选择方法进行改进,提出了基于最优阈值参考的小波去噪方法;结合瞬变电磁法探测岩层富水性工程应用,对比分析不同阈值条件下的数据降噪结果,提出的算法的瞬变电磁数据实际应用效果。结果显示:提出的方法能够进一步降低感应电动势曲线在1~4 ms范围内的数值跳变现象,使数据全期衰减特性更明显。对降噪后数据的烟圈反演结果进行分析,重点解释了3处电性差异相对较大的位置,结合已知资料验证了基于最优阈值参考的小波去噪数据反演结果相对更准确。

熔渣中组元活度测定方法

熔渣在金属冶炼过程中起到吸收或分离杂质、富集有用金属氧化物及精炼金属的作用,并能隔绝空气保护金属不受环境的污染及保温来减少金属的热损失。熔渣的上述作用都是通过控制熔渣的化学成分及其物化性能来实现的。活度是冶金物理化学中的重要参数,准确的组元活度值是分析冶金反应热力学的前提,也是确定反应动力学方程中界面浓度的基础,对钢种质量控制、渣系设计、耐火材料开发及现场生产实践均具有重要的理论和应用意义。本文介绍了熔渣组元活度的测定方法,分别有化学平衡法、电动势法、蒸汽压法、计算法等,并对文献中熔渣组元活度测定方法进行归纳与总结。

Path Integral Approach to Faraday's Law of Induction

We derive a general form of the induced electromotive force due to a time-varying magnetic field. It is shown that the integral form of Faraday's law of induction is more conveniently written in the covering space. Thus the differential form is shown to relate the induced electric field in the nth winding number to the (n+1)th time-derivative of the magnetic field.

Design and Investigation of Energy Harvesting System from Noise

In order to survive in this modern world, electricity is an essential thing. Electricity allows us to power the technology we use every day. Without electricity, people can’t imagine their lives. As a developing country, Bangladesh still lacks electricity every day. The electricity supply to the rural areas is very poor. It is known that energy can be converted from one form to another form. As noise is the energy, it can also be converted into various forms of energy. Noise can be represented as a sound that is loud or unpleasant and causes disturbances such as street traffic sounds, construction sounds, airports, etc. Using a suitable transducer, noise (sound) energy can be transferred into a viable source of electricity generation. This can be accomplished by employing a transducer and converting noise-induced vibrations into electrical energy. Our main goal is getting enough energy, reducing the pressure of the main grid of electricity and decreasing fossil fuel imports. This paper presents the design and investigation of an energy harvesting system from noise. In this paper, an application is designed to get energy from noise by using a speaker as a transducer. Voltage has been stepped up by using a transformer, a diode which gives DC value which can be tapped into a battery and provide energy from the battery when it is needed. The embedded device was initially tested by clapping hands and tested further by using car horns. The vibrations created by car horns and other noises have been converted into electrical energy through the principle of electromagnetic induction. In total, the application produced optimal results of 0.5 - 1.0 volts which were stepped up using a transformer while maintaining the whole system being low cost and user-friendly.

电机模型中牵连运动及其动生电动势的数理表达

引入恰当的运动参考系可以简化交流电机模型推导和分析。一般地,运动参考系下空间矢量电压方程的推导分两步:(1)在“线圈固结坐标系”中运用法拉第电磁感应定律建立电压平衡式;(2)通过坐标变换的方式推导运动坐标系下的电压方程。该过程数学推导严谨,但是,对于记忆和理解运动坐标系下的电压方程的物理意义有难度。参考力学系统中“惯性参考系”的概念,根据法拉第电磁感应定律是否直接适用,引入所谓的“法拉第参考系”概念,对运动坐标系和线圈固结坐标系加以区分。对“非法拉第参考系”,借鉴“非惯性参考系”中引入“惯性力”的做法,引入附加“牵连运动电动势”,以此表征运动参考系引入的牵连运动效果。

熔融钕/镝铁硼中稀土元素活度的测定

在有关熔融Nd/Fe系统报道的Nd的测量活度(化学势)中观察到了相当大的差异。为了获得准确的结果,文中采用电动势法和特制的钕浓差电池测量熔融Nd-Fe-B合金中钕元素的活度。为了对比验证,同时还研究熔融Dy-Fe-B合金中镝的活度。熔融Nd-Fe-B合金中测得的Nd活度接近理想溶液中观察到的活度。结果表明:在所研究的浓度范围内,熔融合金中B的存在不会显著影响Nd的活度。在Dy-Fe-B合金中测定到镝的活度与在理想溶液中观察到的相似。获得的结果与最新的计算相图评估结果一致,说明电动势测定方法获取的稀土活度具有较高的可靠性和精确度。

飞机电动环控用高速电机全速域无位置控制稳定性分析

以飞机电动环控用高速永磁同步电机(High-speed permanent magnet synchronous motor,HSPMSM)控制系统为研究对象,考虑到HSPMSM无传感器控制的研究主要集中在算法实现和转子估计误差消除方面,本文提出了一种基于小信号分析的无传感器全速控制全局稳定性分析和参数设计方法。该方法在扩展反电动势法的基础上设计了位置估计环的参数,并建立了位置估计环和速度环的参数对系统稳定性的影响。其次,本文使用根轨迹来设计I/f控制能够运行的最高转速和扩展反电动势法能够运行的最低转速,以确定算法切换的稳定转速。同时分析了电机参数在高温下的灵敏度。最后,在45 kW、4000 r/min表贴式HSPMSM上进行了全速域电动环控实验。结果表明,本文设计的回路参数和切换转速具有更好的动态和稳态性能,参数的灵敏度与理论分析一致,为HSPMSM的全局参数设计和灵敏度分析提供了可行的思路。

直线电机式悬架参数对馈能特性影响分析

针对传统被动悬架无法将振动产生的能量充分利用的问题,提出了一种直线电机式馈能悬架,并探究了该悬架的馈能特性.建立1/4车动力学模型,以正弦路面作为输入激励推导出影响馈能的悬架系统参数;以感应电动势为指标,基于直线电机式馈能悬架模型,采用控制变量法对悬架系统参数进行仿真分析;通过搭建的1/4车悬架实验平台进行实验验证.结果表明,簧载质量、非簧载质量和弹簧刚度与直线电机产生的感应电动势呈负相关,轮胎刚度与直线电机产生的感应电动势呈正相关.

针对电磁感应测速系统的有限元模拟

在冲击加载实验中,飞片速度是确定样品动态压缩性的重要参量。电磁感应测速系统是针对超高速运动状态的速度测量系统。基于有限元方法和ANSYS Electromagnetics Suite三维建模,模拟了飞片的测速过程,并验证了模拟结果的可靠性。结合实验结果,证实相同条件下模拟信号的感应电动势误差为1.1%,低于系统误差(2.0%)。模拟信号的测速误差小于0.4%,低于系统测速误差(0.9%)。分析了Al、Cu、Ta、W、93W飞片在不同飞片厚度、半径、倾斜角度、运动速度以及线圈孔径条件下检测线圈中感应电动势的变化规律。模拟结果为在冲击实验中更好地测量飞片速度提供了参考。

基于定子反电势衰减暂态的感应电机转子时间常数辨识方法

感应电机转子磁链定向控制的动态性能十分依赖转子时间常数的准确性。针对感应电机断电过程中的定子绕组反电势衰减暂态现象,提出一种利用曲线拟合和差分进化算法进行转子时间常数辨识的方法,通过测量定子电压和电流即可完成辨识。在定子反电势衰减过程分析的基础上,推导了不同负载情况、零序分量以及变频供电条件对辨识过程的影响,并对比分析了所提出的两种辨识方法的特点和应用场景。最后以一台22 kW感应电动机为实验对象,开展了定子反电动势波形测量实验,获得了不同工况下的转子时间常数辨识结果。通过与电机参数设计值进行比较验证了定子反电势衰减模型及辨识结果的准确性。研究成果可为感应电机矢量控制中的转子磁链准确定向奠定基础。

短初级六相直线感应电机感应电势计算方法及不对称规律研究

针对电磁发射领域短初级直线感应电机(short primary linear induction motor,SPLIM)的纵向端部效应引起的感应电势不对称现象,首先基于一维场理论分别对正序和负序电流激励条件下的SPLIM气隙电磁场进行推导及计算分析,得到气隙电磁场解析表达式,并将其计算与有限元计算值比较,结果表明,解析计算值与有限元结果精度相当。然后给出基于气隙磁密和绕组分布函数的感应电势计算方法,同时给出对称电压激励条件下初级绕组感应电势的计算流程,并通过有限元和试验进行验证。在以上分析基础上,将气隙磁密分解为基本行波磁密、入端正向行波磁密、出端反向行波磁密3部分,深入分析感应电势不对称机理以及感应电势不对称随系统设计变量变化规律。提出的基于磁密分解和绕组函数计算感应电势的方法,可为此类电机的设计、分析、控制提供一种新的思路。

地铁牵引供电系统电网回路中磁感应电压仿真分析

地铁牵引供电系统与周边电网回路存在磁感应现象,由此产生的感应电流可能导致变压器发生直流偏磁。为定量分析地铁牵引供电系统在电网回路中产生的磁感应电压大小,文章首先基于磁感应电压产生机理,计算对比地铁牵引供电系统电网回路中磁感应电压的计算值和仿真值,继而利用傅里叶分析磁感应电压的特点,得出以下结论:磁感应电压为极低频交流电压;当列车未驶入或已驶离与电网回路并行区间时,二者之间的误差以感生电动势为主,当列车行驶进入与电网回路形成并行区间时,误差为感生电势与动生电势的累加。

电机法向力对两种磁浮车辆动力学的影响

中低速磁浮列车采用直线感应电机进行牵引,电机在产生牵引力的同时也会产生法向力,电机法向吸力会对悬浮模块产生垂向激扰,增加悬浮系统的负担。本文利用有限元法对比分析不同气隙下电机牵引力、法向力随速度的变化;建立两种中低速磁浮车辆-轨道耦合动力学模型,分析忽略电机法向力及车体和悬浮架分别在1 kN、3 kN、5 kN冲击力下两种磁浮车辆-轨道耦合系统的垂向动力学响应。结果表明:磁浮车辆在运行速度5 km/h时车辆-轨道耦合共振严重;在法向冲击力小于5 kN时,桥梁动力学响应均符合要求,车体平稳性均为优秀,但当法向冲击力越大时,控制电流越大,因此为减轻悬浮系统负担、提高中低速磁浮车辆-轨道耦合系统的动力学性能,电机法向力应尽可能小。

Transient Characteristics and Quantitative Analysis of Electromotive Force for DFIG-based Wind Turbines during Grid Faults

For doubly-fed induction generator(DFIG)-based wind turbines(WTs),various advanced control schemes have been proposed to achieve the low voltage ride through(LVRT)capability,whose parameters design is significantly reliant on the rotor electromotive force(EMF)of DFIG-based WTs.However,the influence of the rotor current on EMF is usually ignored in existing studies,which cannot fully reflect the transient characteristics of EMF.To tackle with this issue,this study presents a comprehensive and quantitative analysis of EMF during grid faults considering various control modes.First,the DFIG model under grid faults is established.Subsequently,the transient characteristics of EMF are analyzed under different control modes(that is,rotor open-circuit and connected to converter).Furthermore,the EMF transient eigenvolumes(that is,accessorial resistance item,transient decay time constant,and frequency offset)are quantitatively analyzed with the typical parameters of MW-level DFIG-based WT.The analysis results contribute to the design of the LVRT control scheme.Finally,the analysis is validated by the hardware-in-the-loop experiments.

铁路10kV三相电力电缆接地短路电流对通信信号电缆的电磁影响

通过ATP-EMTP软件仿真计算和实验室模拟试验,研究铁路10 kV三相电力电缆短路电流对通信信号电缆的电磁影响。结果表明:电力电缆单相接地短路电流随着电力电缆长度的增加呈线性递增关系,而两相接地短路电流的大小与电缆屏蔽层接地电阻和供电变压器电源容量有关;电力电缆接地短路电流在通信信号电缆上产生感应电动势的大小取决于电力电缆和通信信号电缆平行铺设的长度、电缆间距、接地方式及电流的大小;电力电缆发生单相和两相接地短路故障时会在通信信号电缆上产生较大幅值的感应电动势,随着电缆间距的增大,感应电动势逐渐减小;通信信号电缆屏蔽层经综合地线接地比屏蔽层两端经接地装置接地时的感应电动势要大。根据仿真计算和实验室模拟结果,给出在电力电缆发生短路故障时,在屏蔽层不同接地方式、不同接地电阻、不同电缆间距时通信信号电缆最大铺设长度与电缆间距的关系。

基于反电动势滑模观测器的异步电机矢量控制

为提高异步电机无速度传感器控制参数鲁棒性,同时减小滑模抖振,研究了一种基于反电动势高阶滑模观测器的异步电机速度观测和矢量定向方案。在对异步电机数学模型变换的基础上,通过非奇异终端滑模观测器的设计,实现了对反电动势的准确观测。据此设计了转速适应率,实现了转速观测,并由反电动势和转子磁链之间的故有相位关系,实现了转子磁场的直接定向。该方案的突出优势在于其较强的参数鲁棒性:一方面,其矢量定向的准确性不受转子电阻这一易变参数的影响;另一方面,转子电阻的变化对速度观测精确度的影响较小。同时高阶滑模观测器的设计有效地抑制了滑模抖振,提高了观测精确度。仿真结果验证了该方案的有效性,展示了其较强的参数鲁棒性。

基于新型转子磁链观测器的异步电机转矩闭环矢量控制

在电动汽车等特殊应用领域,异步电机通常需要直接跟踪主控系统下发的转矩指令。扭矩传感器的安装不仅会增加成本,而且降低系统的可靠性。因此,对电磁转矩的准确观测至关重要。在设计滑模观测器实现异步电机反电动势准确观测的基础上,通过构造反电动势和转子磁链的状态方程,提出一种新型转子磁链滑模观测器。该观测器实现了对转子磁链的准确观测,继而实现了电磁转矩观测及转矩闭环控制。该方案的突出优势在于,转子磁链的观测对转子电阻、励磁电感等电机参数有着较强的鲁棒性。同时,基于此设计的转矩闭环控制系统具有较好的转矩跟踪控制能力。仿真及实验验证了该方案的可行性和有效性。