Исследование асинхронного исполнительного двигателя с полным немагнитным ротором (стр. 2 из 6)

Рисунок 4 - Создание вращающегося магнитного поля двухфазным статором

вращается против часовой стрелки. Скорость вращения w1 или n1 результирующего поля статора определяется частотой питающей сети f1 и числом пар полюсов обмоток статора p:

(1)

Поле статора

создаёт поток, большая часть которого выходит из внешнего магнитопровода, пересекает воздушный зазор δ1- рисунок 1, затем стенку ротора δ3, воздушный зазор , проходит по внутреннему магнитопроводу, снова проходит воздушные зазоры и стенку ротора, входит уже с другой стороны диаметра во внешний магнитопровод и замыкается по нему. Данный поток именуется основным потоком обмоток статора. Меньшая часть поля статора сцепляется только с витками обмоток статора и называется потоком рассеивания статора, который определяет индуктивные сопротивления обмоток статора.

Основной поток статора, вращаясь, пересекает стенки стакана ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой в роторе начинают протекать значительные электрические токи, так как материал ротора токопроводящий с незначительным электрическим сопротивлением. Эти токи создают собственное магнитное поле, которое вызывает основной магнитный поток

ротора, сцеплённый с обмотками статора и ротора, а также поток рассеивания ротора - , значительно меньший основного и сцеплённый только с ротором. Данный поток определяет индуктивность ротора.

Таким образом, в магнитопроводе асинхронного исполнительного двигателя существуют два магнитных поля: вращающееся поле

неподвижного статора и поле ротора, также вращающееся. Определим его скорость относительно ротора, вращающегося со скоростью . Разность между скоростью вращения ротора и скоростью вращения поля статора называется частотой скольжения

; (2)

а отношение

(3)

называется скольжением. Чтобы в роторе наводилась ЭДС

, его скорость всегда должна быть меньше скорости поля статора. Чем больше разность скоростей, то есть чем больше , тем больше ЭДС и токи в роторе. Значит скольжение асинхронного двигателя, как и скорость вращения ротора зависят от нагрузки - с увеличением нагрузки ток ротора увеличиваеться, а скорость вращения уменьшаться. Из (3) и (1) имеем

. (4)

Частота ЭДС в роторе

равна

. (5)

Токи ротора, изменяясь с такой же частотой, создают поле ротора, которое вращается относительно ротора со скоростью

в ту же сторону, что и ротор :

. (6)

Скорость вращения поля ротора относительно статора

равна сумме скоростей ротора и скорости вращения поля относительно ротора :

. (7)

Значит, поле ротора неподвижно относительно статора и требование к работоспособности машины выполнено.

Поля

и складываются в магнитопроводе и образуют основное поле двигателя, которое, как и в трансформаторе, при изменении нагрузки (а значит и полей и ) от нуля до номинального значения остаётся практически неизменным и примерно равным полю холостого хода :

. (8)

5. Вращающий момент АИД

Взаимодействие магнитных полей статора и ротора приводит к появлению механического вращающего момента, приложенного как к статору, так и к ротору. Статор укреплён неподвижно и приложенный к нему момент компенсируется реакцией элементов крепления. Ротор установлен в шарикоподшипниках и начинает раскручиваться до некоторой установившейся скорости

, которая определяется условием равновесия твёрдого вращающегося тела: сумма механических моментов приложенных к телу должна быть равна нулю:

. (9)

Весь процесс преобразования поданной на двигатель электрической энергии в механическую энергию вращения ротора с нагрузкой отображается схемой преобразований, приведенной на рисунке 5.

На электрические цепи возбуждения и управления подаются напряжения соответственно возбуждения

и управления . Напряжение возбуждения неизменно и его можно считать питанием устройства, напряжение управления задается устройством управления. Поданные напряжения элементарными преобразователями ЭП1 и ЭП2 преобразуются в токи и .

Рисунок 5 - Схема преобразований сигнала в АИД

Это преобразование описывается условием равновесия электрической цепи: сумма ЭДС, разностей потенциалов и падений напряжений в электрической цепи равна нулю (иначе, интегральная форма материального уравнения или закона Ома для электрической цепи, второе правило Кирхгофа), которое

усл овно в ЭП1 и ЭП2 записано как . Токи, протекая по обмоткам, создают намагничивающие силы и – ЭП3 и ЭП4 (закон полного тока), действующие в магнитных цепях машины и складывающиеся во вращающееся поле . Следующее преобразование ЭП5 приводит к появлению магнитного потока и описывается условием равновесия магнитной цепи: сумма намагничивающих сил и падений магнитного напряжения в магнитной цепи равно нулю (второе правило Кирхгофа для магнитной цепи), что условно записано в ЭП5 как . Магнитный поток вращается, пересекает ротор и согласно закону электромагнитной индукции наводит в нём ЭДС – ЭП6. В роторе возникает электрический ток , что также описывается условием равновесия электрической цепи - ЭП7. Этот ток создаёт свою намагничивающую силу - ЭП8,которая действует в магнитопроводе машины и совместно с определяют F в ЭП5. Взаимодействие полей и согласно закона электромагнитного усилия создаёт механический вращающий момент , что отображено элементом ЭП9 и условной записью в нём . Вращающий момент и другие моменты, действующие на ротор – момент нагрузки , демпфирующий момент , динамический момент и момент трения , определяют скорость вращения ротора , что описывается уравнением равновесия твёрдого тела: - ЭП10. Скорость является выходным сигналом машины. Кроме того, совместно с Ф определяет величину ЭДС в роторе и поэтому подана на ЭП6. Цепи на ЭП5 и на ЭП6 показывают наличие в двигателе внутренних отрицательных обратных связей. На рисунке 5 не показаны падения электрического напряжения на активных сопротивлениях цепей управления, возбуждения и ротора, ЭДС, индуцированные в обмотках возбуждения и управления потоком Ф, падение магнитного напряжения в магнитном сопротивлении магнитопровода. Эти преобразования носят вспомогательный характер, однако о них следует помнить и понимать, что они тоже являются отрицательными обратными связями, обеспечивающими устойчивую работу двигателя.