Электродвигатели с фазным ротором IM1001

Электродвигатели с фазным ротором серии IM1001: конструкция, принцип действия и сферы применения

Электродвигатели с фазным ротором (двигатели с контактными кольцами) серии IM1001 представляют собой асинхронные машины, ключевой особенностью которых является наличие обмотки на роторе, выведенной на контактные кольца. Данная конструкция, в отличие от двигателей с короткозамкнутым ротором, позволяет вводить в цепь ротора дополнительные резисторы или преобразователи частоты, обеспечивая высокий пусковой момент и плавное регулирование скорости в широком диапазоне. Серия IM1001 традиционно применяется для привода механизмов с тяжелыми условиями пуска и требующих регулировки скорости.

Конструктивные особенности двигателей IM1001

Конструкция двигателя IM1001 включает в себя все основные узлы асинхронной машины, но с существенными отличиями в исполнении ротора и системы токосъема.

• Статор: Состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и трехфазной обмотки. Конструкция статора аналогична статору двигателей с короткозамкнутым ротором. Обмотка статора подключается непосредственно к сети переменного тока.
• Ротор (фазный): Сердечник ротора набран из листовой электротехнической стали и имеет пазы, в которые уложена трехфазная обмотка. Обычно обмотка ротора выполняется по схеме «звезда». Начала фаз этой обмотки соединены с тремя контактными кольцами, изготовленными из меди или стали и изолированными друг от друга и от вала.
• Система токосъема (щеточный аппарат): Включает в себя контактные кольца, щетки, щеткодержатели и устройство для подъема и короткого замыкания колец (короткозамыкающее устройство). Щетки, обычно графитовые или медно-графитовые, устанавливаются в щеткодержатели с регулируемым нажатием и обеспечивают скользящий электрический контакт с кольцами. Через щетки и кольца цепь ротора соединяется с внешними резисторами или преобразовательной техникой.
• Короткозамыкающее устройство: После завершения пуска и вывода резисторов, для снижения износа щеток и колец, ротор замыкается накоротко с помощью специального механического устройства (короткозамыкателя), которое одновременно приподнимает щетки. В рабочем режиме двигатель работает как короткозамкнутый, что повышает надежность и КПД.
• Корпус и система охлаждения: Выполняются в различных исполнениях (IP23, IP44, IP54 и др.) с самовентиляцией (IC01, IC06) или независимым охлаждением (IC416).

Принцип действия и пусковые характеристики

При подаче напряжения на статор создается вращающееся магнитное поле, которое, пересекая обмотку фазного ротора, наводит в ней ЭДС. Частота этой ЭДС в момент пуска равна частоте сети. Так как цепь ротора замкнута через щетки и внешние резисторы, в обмотке ротора протекает ток, взаимодействующий с магнитным полем статора и создающий электромагнитный момент.

Ключевая роль пускового реостата (реостата в цепи ротора):

• В момент пуска в цепь ротора вводится максимальное сопротивление. Это ограничивает ток ротора (и, соответственно, ток статора), одновременно увеличивая активную составляющую тока ротора, что приводит к росту пускового момента.
• По мере разгона двигателя сопротивление реостата плавно уменьшают, поддерживая высокий момент.
• После вывода всего сопротивления ротор замыкается накоротко, и двигатель выходит на естественную механическую характеристику.

Такое управление позволяет добиться пускового момента, близкого к максимальному (критическому) моменту двигателя, при минимальном пусковом токе (обычно не более 1.5-2.5 от номинального). Это главное преимущество двигателей с фазным ротором IM1001 перед короткозамкнутыми двигателями, у которых пусковой ток может достигать 5-7 Iн при относительно низком пусковом моменте.

Регулирование скорости

Изменение скорости вращения двигателя с фазным ротором в серии IM1001 может осуществляться двумя основными способами:

1. Реостатное регулирование: Введение дополнительного активного сопротивления в цепь ротора. Увеличивая сопротивление, мы «смягчаем» механическую характеристику, снижая скорость вращения при постоянном моменте нагрузки. Данный метод прост, но неэкономичен, так как приводит к значительным потерям в реостате (скольжение выделяется в нем в виде тепла). Регулирование возможно только в сторону снижения от номинальной скорости.
2. Регулирование с помощью преобразовательной техники (инвертора в цепи ротора): Более современный и экономичный способ. Через выпрямитель и инвертор, подключенные к контактным кольцам, осуществляется отбор или подвод энергии скольжения. Это позволяет регулировать скорость как ниже, так и выше синхронной с высоким КПД. Такие системы называются каскадными или системами двойного питания.

Основные технические параметры и характеристики (типовые для серии IM1001)

Параметры двигателей серии IM1001 варьируются в зависимости от конкретного типоразмера, но общие характеристики приведены в таблице ниже.

Таблица 1. Типовые технические характеристики двигателей с фазным ротором серии IM1001

Параметр	Диапазон значений / Описание
Номинальная мощность (Pн)	От 55 кВт до 2000 кВт и более
Номинальное напряжение статора (Uн)	380 В, 660 В, 6000 В, 10000 В (наиболее распространены 6 и 10 кВ для мощных приводов)
Номинальная частота	50 Гц (60 Гц по заказу)
Количество полюсов	4, 6, 8, 10, 12 (синхронная скорость 1500, 1000, 750, 600, 500 об/мин при 50 Гц)
Степень защиты (IP)	IP23 (защита от твердых тел >12.5 мм и капель воды до 60°), IP44 (от твердых тел >1 мм и брызг), IP54 (пылезащищенное)
Способ охлаждения (IC)	IC01 (с естественным охлаждением), IC06 (с самовентиляцией), IC416 (с независимым вентилятором)
КПД (η)	92-96% для двигателей средней и большой мощности
Коэффициент мощности (cos φ)	0.82-0.88
Пусковой момент (Mп/Mн)	0.7 — 1.2 (может быть увеличен до 1.8-2.0 за счет реостата)
Максимальный момент (Mmax/Mн)	2.0 — 2.8
Пусковой ток (Iп/Iн)	1.5 — 2.5 (при использовании пускового реостата)
Напряжение ротора (между кольцами при разомкнутой обмотке)	От десятков до тысяч вольт, зависит от мощности и конструкции
Ток ротора	Определяется мощностью двигателя и напряжением ротора

Области применения двигателей IM1001

Двигатели с фазным ротором применяются там, где необходимы:

• Тяжелый пуск: Приводы подъемно-транспортного оборудования (краны, экскаваторы, лифты большой грузоподъемности), где требуется высокий момент при трогании с места.
• Регулирование скорости: Приводы вентиляторов и насосов большой мощности, где требуется регулировка производительности (в последнее время часто вытесняются частотно-регулируемыми приводами на базе короткозамкнутых двигателей).
• Механизмы с инерционными нагрузками: Приводы дробилок, шаровых мельниц, мешалок, центрифуг.
• Ограничение пусковых токов: В электрических сетях с ограниченной мощностью, где прямой пуск короткозамкнутого двигателя аналогичной мощности привел бы к недопустимому падению напряжения.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Высокий пусковой момент при низком пусковом токе.
• Возможность плавного пуска и ступенчатого регулирования скорости вниз от номинальной.
• Относительная простота и надежность системы пуска (по сравнению с частотными преобразователями для высоковольтных двигателей).
• Лучшая перегрузочная способность по сравнению с некоторыми типами короткозамкнутых двигателей.

Недостатки:

• Более высокая стоимость и масса по сравнению с короткозамкнутым двигателем той же мощности.
• Наличие изнашиваемых элементов (щетки, кольца), требующих технического обслуживания (замена щеток, чистка и шлифовка колец).
• Сниженный КПД и cos φ из-за потерь в добавочных сопротивлениях при регулировании.
• Как правило, большие габаритные размеры.
• Искрение на коллекторе, что ограничивает применение во взрывоопасных зонах без специального исполнения.

Эксплуатация и техническое обслуживание

Регулярное ТО двигателей IM1001 включает:

• Контроль и регулировка нажатия щеток, замена изношенных щеток на комплектные.
• Очистка, шлифовка и при необходимости проточка контактных колец.
• Проверка состояния изоляции обмоток статора и ротора (мегаомметром).
• Контроль вибрации и температуры подшипниковых узлов, замена смазки.
• Проверка работы короткозамыкающего и щеткоподъемного устройства.
• Контроль состояния внешних пусковых резисторов или преобразовательной аппаратуры.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается двигатель IM1001 от обычного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

Принципиальное отличие заключается в конструкции ротора и наличии системы токосъема. У IM1001 на роторе находится трехфазная обмотка, выведенная на контактные кольца, что позволяет подключать к ротору внешние цепи (резисторы, преобразователи) для управления пусковыми и рабочими характеристиками. У короткозамкнутого двигателя роторная обмотка представляет собой неизменяемую «беличью клетку».

Можно ли использовать двигатель с фазным ротором без пускового реостата?

Пуск напрямую, с закороченным через щетки ротором (без реостата), возможен, но при этом теряется главное преимущество двигателя: пусковой ток будет лишь ненамного меньше, чем у короткозамкнутого аналога, а пусковой момент окажется низким. Такой режим не рекомендуется и может привести к повреждению двигателя и сети.

Как выбрать сопротивление пускового реостата для двигателя IM1001?

Расчет сопротивления фаз пускового реостата (R_доб) ведется исходя из требуемого пускового момента и допустимого тока. Исходными данными являются паспортные параметры двигателя: номинальное напряжение ротора U_2н, номинальный ток ротора I_2н и критическое скольжение s_кр. Ориентировочно, для получения максимального момента в начале пуска (s=1) полное сопротивление фазы роторной цепи (собственное R₂ + добавочное R_доб) должно быть равно X₂ — индуктивному сопротивлению рассеяния ротора. Точный расчет требует использования схемы замещения двигателя.

Каковы основные причины повышенного искрения на контактных кольцах?

• Износ или неправильный подбор щеток (несоответствие марки, недопустимая плотность тока).
• Неудовлетворительное состояние поверхности колец (загрязнение, окисление, выработка, биение).
• Неправильное нажатие щеток (неравномерное или не соответствующее паспортному значению).
• Перегрузка двигателя по току ротора.
• Неисправность в цепи ротора (неравномерное сопротивление фаз реостата, плохой контакт).

Вытеснят ли частотно-регулируемые приводы (ЧРП) двигатели с фазным ротором?

Для новых проектов в диапазоне средних мощностей и напряжений до 690 В ЧРП на базе короткозамкнутых двигателей действительно часто являются более предпочтительным решением благодаря высокому КПД, широкому диапазону регулирования и отсутствию обслуживания щеточного узла. Однако для сверхмощных высоковольтных приводов (например, мельницы, дробилки, мощные насосы) и в условиях тяжелого пуска каскадные схемы с фазным ротором или традиционные реостатные пускатели остаются экономически и технически обоснованными. Также двигатели IM1001 широко используются там, где важна высокая надежность и ремонтопригодность в условиях, не всегда подходящих для сложной электроники ЧРП.

Как проверить обмотку ротора двигателя IM1001 на обрыв или межвитковое замыкание?

Для проверки необходимо:

1. Отсоединить выводы от контактных колец.
2. Измерить омметром сопротивление между каждой парой колец. Сопротивления всех трех фаз должны быть практически одинаковыми (расхождение не более 2-3%). Значительное отличие указывает на обрыв или плохой контакт в одной из фаз.
3. Проверить сопротивление изоляции обмотки ротора относительно корпуса (вала) мегаомметром на напряжение 1000 В. Оно должно быть не менее 1 МОм для холодной обмотки, а рекомендуемые значения обычно >10 МОм.
4. Выявление межвитковых замыканий требует более сложных измерений, например, сравнения токов холостого хода в фазах ротора при подаче пониженного напряжения на статор или использования метода падения напряжения.