Электродвигатели с фазным ротором 15 кВт

Электродвигатели с фазным ротором мощностью 15 кВт: конструкция, принцип действия и области применения

Электродвигатели с фазным ротором (АДФР – асинхронный двигатель с фазным ротором) мощностью 15 кВт представляют собой класс электрических машин, ключевой особенностью которых является наличие обмотки на роторе, выведенной на контактные кольца. Данная конструкция, в сравнении с распространенными двигателями с короткозамкнутым ротором (АДКЗ), предоставляет возможность активного воздействия на пусковые и рабочие характеристики путем введения в цепь ротора дополнительных сопротивлений или источников ЭДС. Мощность 15 кВт является значимым рубежом, на котором преимущества фазного ротора становятся технически и экономически оправданными для решения специфических задач.

Конструктивные особенности

Конструкция двигателя с фазным ротором на 15 кВт включает в себя следующие основные узлы:

• Статор. Не отличается принципиально от статора АДКЗ. Состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и трехфазной обмотки, уложенной в пазы. При подключении к сети статор создает вращающееся магнитное поле.
• Ротор (фазный). Сердечник ротора набирается из листовой стали и имеет пазы, в которые уложена трехфазная обмотка, обычно соединенная по схеме «звезда». Количество полюсов обмотки ротора равно количеству полюсов обмотки статора. Концы фаз обмотки ротора присоединены к трем медным контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала.
• Щеточный аппарат. Состоит из комплекта графитовых или медно-графитовых щеток, установленных в щеткодержателях, и контактных колец. Щетки скользят по кольцам и обеспечивают электрическое соединение между вращающейся обмоткой ротора и внешней неподвижной цепью.
• Коробка выводов. Содержит клеммы для подключения питающего кабеля к обмотке статора. Отдельно, как правило, на корпусе расположен кожух, закрывающий щеточный аппарат и клеммы роторной цепи (на контактных кольцах).
• Система вентиляции. Двигатели 15 кВт чаще всего выполняются по защищенному исполнению (IP23, IP54) с самовентиляцией (крыльчатка на валу) или независимой вентиляцией для продолжительного режима работы S1.

Принцип действия и пуск двигателя

При подаче трехфазного напряжения на статор возникает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая проводники обмотки ротора, наводит в них ЭДС. Поскольку обмотка ротора замкнута через щеточный аппарат на внешнюю цепь, под действием этой ЭДС в ней возникает ток. Взаимодействие тока в обмотке ротора с магнитным полем статора создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение.

Ключевое преимущество АДФР проявляется при пуске. В цепь обмотки ротора через щетки и кольца включается пусковой реостат (добавочное активное сопротивление). Это приводит к:

• Увеличению полного сопротивления цепи ротора.
• Снижению пускового тока как со стороны статора, так и со стороны ротора.
• Увеличению пускового момента (при определенном значении сопротивления момент достигает максимума, близкого к критическому).

Процесс пуска осуществляется ступенчато. Сначала в цепь ротора введено полное сопротивление реостата. По мере разгона двигателя сопротивление постепенно уменьшают, чтобы поддерживать высокий разгонный момент. После выхода на рабочую скорость близкую к номинальной, обмотку ротора замыкают накоротко (иногда щетки при этом приподнимают, чтобы избежать износа колец), и двигатель работает аналогично АДКЗ, но с несколько худшим КПД из-за потерь в щеточном контакте.

Основные характеристики и параметры для двигателей 15 кВт

Типовые параметры асинхронного двигателя с фазным ротором на 15 кВт для напряжения 380В, 50 Гц:

Параметр	Значение / Диапазон	Примечание
Номинальная мощность, Pн	15 кВт	На валу в продолжительном режиме S1
Синхронная частота вращения	1000 об/мин (6 полюсов), 1500 об/мин (4 полюса)	Зависит от числа пар полюсов
Номинальная частота вращения, nн	~960 об/мин (для 1000 об/мин), ~1460 об/мин (для 1500 об/мин)	Определяется скольжением (2-4%)
Номинальный ток статора, Iн	~30-32 А (для 380В)	Зависит от КПД и cos φ
Номинальный ток ротора, I2н	~35-45 А	Указывается в паспорте, важен для выбора реостатов и резисторов
Напряжение ротора, U2	~180-250 В	Напряжение между кольцами при разомкнутой обмотке ротора и неподвижном состоянии
Пусковой момент, Mп/Mн	0.8 – 1.5	Может быть доведен до 2.5-3.0 с помощью реостата
Максимальный момент, Mmax/Mн	2.2 – 3.0
Коэффициент мощности, cos φ	0.82 – 0.87	Несколько ниже, чем у АДКЗ аналогичной мощности
КПД, η	88% – 91%	Снижается на 1-2% из-за потерь в щеточном контакте
Класс изоляции	F или H	С запасом по температуре для надежности
Степень защиты	IP23, IP54, IP55	Зависит от условий эксплуатации
Способ монтажа	IM 1001, IM 1002, IM 3001	На лапах, комбинированный

Схемы управления и регулирования

Для управления двигателями с фазным ротором 15 кВт применяются специфические схемы.

• Реостатный пуск. Используется ступенчатый металлический или жидкостный реостат, включенный в цепь ротора. Переключение ступеней осуществляется контакторами, управляемыми реле времени или контроллером по току/скорости.
• Регулирование скорости. Введение активного сопротивления в цепь ротора позволяет изменять скорость вращения вниз от номинальной. Однако данный способ неэкономичен из-за больших потерь в реостате (скольжение превращается в тепло). Для глубокого и экономичного регулирования используются каскадные схемы, где энергия скольжения возвращается в сеть или преобразуется (машино-вентильные каскады, системы с двойным питанием).
• Частотное регулирование. Современным и эффективным, хотя и более дорогим, решением является питание статора двигателя от частотного преобразователя (ЧП). При этом обмотка ротора замыкается накоротко. Это позволяет плавно регулировать скорость в широком диапазоне без потерь в реостатах, сохраняя высокий КПД.

Области применения двигателей 15 кВт с фазным ротором

Данные двигатели применяются там, где требуется тяжелый пуск или регулирование скорости в ограниченном диапазоне:

• Приводы механизмов с высоким моментом инерции: шаровые, стержневые, угольные мельницы.
• Подъемно-транспортное оборудование: краны (мостовые, козловые), лифты грузоподъемностью 3-5 тонн, лебедки.
• Приводы конвейеров большой длины, особенно наклонных, где необходим повышенный пусковой момент для трогания с места под нагрузкой.
• Насосы и вентиляторы с тяжелыми условиями пуска, где необходимо ограничить пусковой ток.
• Оборудование деревообрабатывающей и бумажной промышленности (приводы лесопильных рам, сушильных барабанов).

Сравнение с двигателями с короткозамкнутым ротором

Критерий	Двигатель с фазным ротором (АДФР) 15 кВт	Двигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) 15 кВт
Пусковой ток, Iп/Iн	1.5 – 2.5	5 – 7
Пусковой момент	Регулируемый, до Mmax	Фиксированный, 1.2 – 2.0 Mн
Регулирование скорости	Возможно, но с потерями	Только с частотным преобразователем
Надежность	Ниже (наличие изнашиваемого щеточного аппарата)	Выше (простая и надежная конструкция «беличьей клетки»)
Стоимость	Выше на 30-60%	Ниже
Требования к обслуживанию	Регулярная проверка и замена щеток, чистка колец	Минимальные
КПД и cos φ	Немного ниже	Немного выше

Эксплуатация и техническое обслуживание

Основное внимание при обслуживании АДФР 15 кВт уделяется щеточному аппарату и контактным кольцам:

• Контроль и замена щеток. Необходимо следить за равномерным прилеганием щеток, их длиной (минимально допустимый остаток обычно 1/3 от новой). Износ щеток ускоряется при повышенной вибрации или запыленности.
• Состояние контактных колец. Кольца должны быть чистыми, без глубоких борозд и подгаров. При необходимости производится шлифовка или проточка колец на станке.
• Проверка изоляции. Регулярный замер сопротивления изоляции обмоток статора и ротора относительно корпуса и между фазами мегаомметром на 1000 В.
• Подшипниковые узлы. Контроль температуры и уровня шума подшипников, регулярная замена смазки согласно регламенту.
• Вентиляционные каналы. Очистка от пыли и грязи для обеспечения нормального теплоотвода.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем главное преимущество двигателя с фазным ротором на 15 кВт перед обычным асинхронным двигателем?

Главное преимущество – возможность значительного снижения пускового тока (в 2-3 раза) и одновременного увеличения пускового момента за счет введения активных сопротивлений в цепь ротора. Это позволяет запускать двигатель под тяжелой нагрузкой без чрезмерного воздействия на питающую сеть.

Можно ли использовать частотный преобразователь с двигателем 15 кВт с фазным ротором?

Да, это современная и эффективная практика. При этом обмотка ротора замыкается накоротко на кольцах (щетки можно не снимать, но желательно закоротить кольца). ЧП подключается к обмотке статора. Преимущество – плавный пуск и широкое регулирование скорости. Недостаток – более высокая стоимость системы по сравнению с использованием АДКЗ, так как конструкция АДФР изначально дороже.

Как выбрать сопротивление пускового реостата для такого двигателя?

Расчет ведется исходя из номинальных данных ротора: напряжения U_2н и тока I_2н. Сопротивление одной фазы реостата, необходимое для получения максимального момента в начале пуска, приближенно равно R_доб = U_2н / (√3

• I_2н). Точный расчет учитывает активное сопротивление самой обмотки ротора и требуемую характеристику. Мощность резисторов выбирается исходя из работы в повторно-кратковременном режиме (чаще всего).

Что будет, если во время работы не поднять щетки и не закоротить ротор после разгона?

Это приведет к ряду негативных последствий: повышенный износ щеток и колец из-за бесполезного протекания тока, дополнительные потери мощности и снижение КПД двигателя на 1-3%, перегрев щеточного узла. Длительная работа в таком режиме не рекомендуется.

Какие существуют альтернативы двигателю с фазным ротором 15 кВт для тяжелого пуска?

Основные альтернативы:

1. АДКЗ со специальной формой ротора (глубокопазный, двойная «беличья клетка») – дает улучшенные, но нерегулируемые пусковые характеристики.
2. АДКЗ с устройством плавного пуска (УПП) – ограничивает ток, но снижает момент.
3. АДКЗ с частотным преобразователем – оптимальное, но дорогое решение для плавного пуска и регулирования.
4. Синхронный двигатель – для специфических применений с постоянной скоростью и компенсацией реактивной мощности.

Выбор зависит от требуемых параметров пуска, бюджета и задач регулирования.

Как определить неисправность в цепи ротора?

Типичные признаки: неравномерный разгон, рывки, снижение момента, повышенное искрение под щетками. Для диагностики необходимо:

• Проверить сопротивление изоляции обмотки ротора.
• Измерить омическое сопротивление каждой фазы обмотки ротора между кольцами (разности не должны превышать 2%).
• Проверить качество контакта щеток, состояние колец и целостность соединений от колец к обмотке.