感应电机反电动势频率与电源频率相等以及转差率的测量机制

1.感应电机感生电动势不会出现转差率分量的证明

首先是一些中间结论:

1.电机定子磁场逆时针旋转频率f1

2.转子的感生电流的频率因为转差率f2很小,刚好等于s*f1,同方向旋转。

3.转子感生电流产生的同方向旋转磁场频率f2+那个稍稍滞后的转子实际转速(f1-f2),回馈给定子线圈的最终感生电流的频率,刚好是:f2 + f1-f2 = f1

1. 定子旋转磁场与电源频率的关系

当定子绕组通入频率为 f1​ 的三相交流电时,会在电机气隙中产生一个旋转磁场,这个旋转磁场的转速被称为同步转速 n1​,其与电源频率 f1​ 和电机的极对数 p 有关,关系为:

​​ ,但产生的旋转磁场的角速度 ω1=2πf1。注意这个:旋转磁场的转速与极对数无关。

2. 转子感生电流频率f2 很小

电机运行时,转子的实际转速 n 低于同步转速 n1​,转差率 s=n1−n​ 。定子旋转磁场以转差速度 Δn=n1−n 切割转子绕组,从而在转子绕组中产生感应电动势和感生电流,转子感生电流的频率 f2=sf1​。由于正常运行时转差率 s 通常很小(一般在 0.01−0.05 之间),所以 f2​ 是一个远小于 f1​ 的频率。当工频50Hz时,电机额定功率时,转子感生电流的的最大频率不超过3Hz。

3. 转子磁场及其相对于定子的转速

转子感生电流f2的产生的旋转磁场速度与定子旋转磁场速度同向,旋转速度很慢仅仅等于s;同时------转子在以略低于定子旋转磁场的速度(1-s)同向旋转。转子感生电流切割定子线圈所产生的反电动势的频率,会是之前两个旋转速度的叠加。是转子感生电流电磁旋转速度s和实际转速(1-s)的叠加。所以------转子的反电动势与输入电流的频率精确一致。。。

所以,转子回路如何直接测量电流,都无法获取转速信息。

4.结论

理想电机转差率无法通过定子线圈的电流观测获得

2.非理想电机电流信号中可能出现转差率分量的机制

2.1 磁路饱和和非线性效应

  • 磁路饱和导致谐波产生:在交流电机中,电机的磁路存在饱和特性。当定子绕组通入交流电产生旋转磁场时,随着磁场强度的变化,磁路会进入饱和区域。磁路饱和使得磁通与电流之间呈现非线性关系,从而导致电流波形发生畸变,产生高次谐波。
  • 转差率对磁路饱和的影响:转差率的变化会影响电机的电磁转矩和转子电流大小。当转差率改变时,转子电流会相应变化,进而影响电机的磁动势和磁场分布。不同的转差率下,磁路的饱和程度不同,产生的高次谐波成分和含量也会有所不同。例如,转差率增大时,转子电流增大,磁路饱和程度可能加剧,高次谐波的含量可能会增加。

因为铁磁材料的非线性特性,会有一些能量泄露在比如3次谐波上。这是变压器,磁耦合时非常常见的一种现象。基频的耦合性因为之前的表述是完全一致的。但是考虑3倍频谱线,会出现不一样的情形:

2.1.1 高频谱线中携带的转差率信息

  1. 定子线圈的感生电流,三倍频谱线,精确=3*f1
  2. 转子的电流的主要成分是定子线圈电流,它的三倍频谱线主峰是s*3*f1
  3. 转子的转速是(1-s)*f1
  4. 所以转子回送的三倍频谱线的主峰频率是s*3*f1 + (1-s)*f1 = f1 + 2*sf1 = (1+2*s)*f1

所以,这个三倍频谱线,会在定子线圈,折叠到基频附近的外侧,形成一个频差为2倍转差率的小护峰。转差率有正负,如果s为负值,这些3倍频,5倍频,7倍频的谐波信号折叠之后,会形成一些基频信号的左右护峰。因为s本身很小,但是累加几次后就会超过基频信号,来到它的高频侧。

负载增大,电流增大,非线性效应增强,左右护峰的幅度更高。护峰谱线相应会向两侧延展。

2.2 转子槽谐波

  • 转子槽的影响:电机的转子通常具有一定数量的槽,这些槽会对气隙磁场产生调制作用。当定子旋转磁场切割转子槽时,会在气隙中产生齿谐波磁场。齿谐波磁场的频率与转子槽数、转差率以及电源频率有关。
  • 谐波频率与转差率的关系 :转子槽谐波的频率可以用公式 表示,其中 k 为正整数, 为转子槽数, p 为电机极对数, s 为转差率, f1 为电源频率。从这个公式可以看出,转子槽谐波的频率与转差率 s 相关。因此,通过分析定子电流中的转子槽谐波成分,可以获取转差率的信息。

这种机制可以用来进行校验。

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