Mathematical Model of Induction Motor with Series-Connected Stator and Rotor Windings

Abstract

To provide for the cost-effective use of resources and energy conservation it is vital to enhance unregulated electric drives of copious working mechanisms. The technical process of these mechanisms requires relatively longstanding speed reduction under low static loads. Moreover, another relevant issue is choosing control systems of electric drives in the mentioned systems in accordance with the economic and maintenance aspects. The authors suggest using the systems of impulse-vector control system with wound rotor induction motor that have one essential drawback – the shaft encoder installation. The replacement of the shaft encoder with sensorless impulse-vector control system is complicated due to the lack of proper mathematical description of the electromagnetic processes in schemes with non-traditional windings stator and rotor connection . To solve this problem the authors have developed a mathematical description of impulse-vector control system with wound rotor induction motor supposed to be multiphase and asymmetrical. Angular dependencies of inductances, flux linkages, voltages of engine windings, circuit current and electromagnetic torque relatively to rotor location are derived. In addition to that, the mathematical modeling and research of induction motor configuration with a series connected windings fed by AC voltage source are presented. Equating rotor position in impulse-vector control system with wound rotor induction motor is considered possible through angular dependencies of drop voltages on stator and rotor windings. С целью ресурсо- и энергосбережения необходимо модернизировать нерегулируемые электроприводы большого класса рабочих механизмов, у которых по условиям технологического процесса требуется относительно длительное снижение скорости при уменьшении статических нагрузок. Актуальным является вопрос выбора систем управления электроприводами рассматриваемых механизмов по экономическим и эксплуатационным критериям. Для регулирования скорости в них авторы предлагают использовать системы импульсно-векторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором (СИВУ АД с ФР), но существенным недостатком данных систем является наличие датчика положения на валу двигателя, обусловленное принципом работы. Замена механического датчика на систему косвенного определения положения ротора в СИВУ затруднена в связи с отсутствием соответствующего математического описания электромагнитных процессов в схемах с нетрадиционным подключением обмоток статора и ротора. Для решения данной проблемы авторами разработана математическая модель СИВУ АД с ФР как многофазной, несимметричной системы. Выведены зависимости индуктивностей, потокосцеплений, напряжений обмоток двигателя, тока цепи и электромагнитного момента от углового положения ротора. Приведены результаты математического моделирования и экспериментального исследования схемы с последовательно соединенными обмотками статора и ротора асинхронного двигателя при питании от источника синусоидального напряжения. Определена принципиальная возможность вычисления положения ротора в СИВУ АД с ФР по угловым зависимостям падений напряжений на обмотках статора и ротора.