Электродвигатели асинхронные с фазным ротором: устройство, принцип действия и области применения
Асинхронный электродвигатель с фазным ротором (АДФР) представляет собой разновидность асинхронной машины, у которой обмотка ротора выполнена не в виде «беличьей клетки», а в виде трехфазной обмотки, аналогичной обмотке статора. Эта обмотка выведена на контактные кольца, что позволяет вводить в цепь ротора дополнительные элементы управления. Конструктивная особенность определяет уникальные пусковые и регулировочные характеристики, делающие АДФР незаменимым в ряде ответственных промышленных применений.
Конструктивное устройство
АДФР состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором.
- Статор. Конструкция статора идентична статору двигателя с короткозамкнутым ротором. Он представляет собой шихтованный магнитопровод из изолированных листов электротехнической стали, в пазах которого уложена трехфазная обмотка. При подключении к сети трехфазного напряжения обмотка статора создает вращающееся магнитное поле.
- Ротор. Ротор также имеет шихтованный магнитопровод. В его пазах размещена трехфазная обмотка, обычно соединенная в звезду. Начала фаз этой обмотки соединены с тремя медными контактными кольцами, насаженными на вал и изолированными как от вала, так и друг от друга. На кольцах установлены щетки, позволяющие подключать к обмотке ротора внешнюю электрическую цепь.
- Щеточный аппарат. Состоит из щеткодержателей, графитовых или медно-графитовых щеток и контактных колец. Является узлом, требующим периодического обслуживания (замена щеток, очистка колец). Современные двигатели могут комплектоваться системами подъема щеток и короткозамыкания колец после пуска для снижения износа.
- E2, где E2 – ЭДС ротора при неподвижном состоянии. Сопротивление же самой обмотки ротора R2 постоянно. Добавление внешнего активного сопротивления Rдоб в цепь ротора позволяет напрямую влиять на ток ротора и, следовательно, на электромагнитный момент двигателя.
- Увеличение пускового момента до максимального значения (критического момента). При определенном соотношении R2+Rдоб момент может быть максимальным уже при пуске.
- Снижение пускового тока в 2-4 раза относительно прямого пуска короткозамкнутого аналога, так как увеличение полного сопротивления цепи ротора ограничивает ток.
- Плавный разгон двигателя за счет ступенчатого вывода сопротивлений реостата.
- Регулирование скорости вниз от номинала. Изменяя активное сопротивление в цепи ротора Rдоб, можно изменять наклон механической характеристики двигателя. Чем больше Rдоб, тем «мягче» характеристика и ниже скорость при том же нагрузочном моменте. Данный метод неэкономичен, так как приводит к большим потерям в реостате (потери скольжения), и используется преимущественно для кратковременных режимов (например, в крановых установках).
- Регулирование момента. Введение сопротивления позволяет ограничить ток и момент двигателя, что используется в системах с активным моментом сопротивления (например, для создания натяжения в лебедках).
- Краново-транспортное оборудование: мостовые, козловые, башенные краны; лифты большой грузоподъемности.
- Приводы тяжелого оборудования: дробилки, мельницы, шаровые мельницы, мощные центрифуги, компрессоры с большим моментом инерции.
- Приводы конвейеров и экскаваторов, особенно длинных и нагруженных, где требуется плавный пуск и ограничение динамических нагрузок.
- Ветрогенераторы с двойным питанием, где фазный ротор используется для подключения к преобразователю частоты и обеспечения работы на переменных оборотах.
- Высокий пусковой момент при сравнительно низком пусковом токе.
- Возможность плавного пуска под нагрузкой.
- Лучшая перегрузочная способность на этапе разгона.
- Возможность простого (реостатного) регулирования скорости и момента в ограниченном диапазоне.
- Меньшая чувствительность к «просадкам» напряжения в сети при пуске.
- Более высокая стоимость и масса по сравнению с двигателем с КЗ ротором той же мощности.
- Наличие изнашиваемого щеточного аппарата, требующего обслуживания и создающего искрение (неприменимо во взрывоопасных средах без специального исполнения).
- Более низкий КПД и cos φ из-за дополнительных потерь в цепи ротора и щеточном контакте.
- Сложность конструкции и меньшая надежность.
- Реостатное регулирование скорости неэкономично (большие потери в реостате).
- Частотные преобразователи (ЧП) для короткозамкнутых двигателей. Обеспечивают плавный пуск, широкое регулирование скорости с высоким КПД, но имеют высокую стоимость и требуют квалифицированного обслуживания.
- Устройства плавного пуска (УПП). Ограничивают пусковой ток и обеспечивают плавный разгон, но не дают такого высокого начального момента, как АДФР.
- Системы «двойного питания» на основе АДФР с инвертором в цепи ротора для синхронных режимов и генераторов в ветроэнергетике.
- Индуктивности (дроссели) для ограничения тока и создания «мягкой» характеристики.
- Дополнительные источники ЭДС (в системах вентильного каскада, двойного питания) для ввода или вывода активной мощности из цепи ротора, что позволяет регулировать скорость и реактивную мощность.
- Тормозные резисторы для перевода двигателя в генераторный режим с рассеянием энергии на сопротивлении при торможении.
- Износ щеток и подгар контактных колец. Требуется регулярная проверка, замена щеток, шлифовка и очистка колец.
- Неравномерный износ щеток. Проверяется давление пружин щеткодержателей, свободный ход щеток в обойме.
- Перегрев ротора или реостата. Проверяется правильность подбора ступеней реостата, время выдержки на ступенях, контакт в соединениях.
- Вибрация. Может быть вызвана износом подшипников, нарушением балансировки ротора, ослаблением креплений.
- Снижение пускового момента. Частая причина – ухудшение контакта в цепи ротора (щетки, кольца, реостат) или ошибки в расчете сопротивления реостата.
Принцип действия и основные соотношения
При подаче трехфазного напряжения на статор возникает вращающееся магнитное поле, скорость которого (синхронная скорость n1) определяется частотой сети f1 и числом пар полюсов p: n1 = 60f1 / p об/мин. Это поле пересекает проводники обмотки ротора, наводя в них ЭДС. Так как обмотка ротора замкнута через внешнюю цепь, под действием этой ЭДС в ней возникает ток. Взаимодействие тока в роторе с магнитным полем статора создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение.
Ключевым параметром является скольжение s, которое характеризует отставание ротора от поля статора: s = (n1 — n2) / n1, где n2 – фактическая скорость ротора. При s=1 (ротор неподвижен) ЭДС и частота тока в роторе f2 максимальны и равны f1. При выходе на номинальную скорость (s = 0.01…0.08) частота тока в роторе составляет всего 0.5-4 Гц при частоте сети 50 Гц.
Важнейшее отличие АДФР от двигателя с короткозамкнутым ротором заключается в возможности введения в цепь ротора дополнительных резисторов или других устройств. ЭДС, наводимая в роторе, пропорциональна скольжению: E2s = s
Пусковые характеристики и управление пуском
Основное историческое преимущество АДФР – превосходные пусковые свойства. Пусковой ток короткозамкнутого двигателя в 5-7 раз превышает номинальный, а пусковой момент при этом невысок. В АДФР, путем введения в цепь ротора на этапе пуска ступенчатого пускового реостата, достигаются следующие цели:
Процесс пуска: в начальный момент в цепь ротора введено полное сопротивление пускового реостата. По мере разгона двигателя и снижения скольжения, ЭДС и ток в роторе падают. Ступени реостата поочередно шунтируются, поддерживая высокий момент. В конце разгона обмотка ротора замыкается накоротко, и двигатель переходит на естественную механическую характеристику.
| Параметр | АД с КЗ ротором (прямой пуск) | АД с фазным ротором (с реостатом) |
|---|---|---|
| Кратность пускового тока (Iп/Iн) | 5 – 7 | 1.5 – 2.5 |
| Кратность пускового момента (Мп/Мн) | 1.0 – 1.5 | 1.5 – 2.5 (макс. до 2.8) |
| Плавность пуска | Рывок | Плавный, ступенчатый |
| Влияние на сеть | Значительное падение напряжения | Незначительное |
Регулирование скорости и момента
АДФР позволяют осуществлять регулирование скорости и момента в ограниченном диапазоне.
Современные системы частотного регулирования, применимые и к короткозамкнутым двигателям, вытеснили АДФР из многих областей регулируемого привода. Однако для пуска особо тяжелых механизмов АДФР остается актуальным.
Области применения
АДФР применяются там, где требуются высокий пусковой момент и плавный разгон при ограниченной мощности питающей сети, а также в ряде специализированных регулируемых приводов.
Преимущества и недостатки
Преимущества:
Недостатки:
Современные тенденции и альтернативы
Широкое распространение полупроводниковой преобразовательной техники привело к появлению эффективных альтернатив АДФР для пуска и регулирования:
Таким образом, АДФР сохраняет свои позиции в нише приводов очень тяжелых механизмов с частыми пусками/остановами под нагрузкой, где стоимость и надежность реостатного пускателя ниже, чем у частотного преобразователя соответствуюной мощности, а требования к точности регулирования скорости невысоки.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем принципиально отличается фазный ротор от короткозамкнутого?
Короткозамкнутый ротор имеет обмотку в виде неизолированных стержней, замкнутых с торцов кольцами («беличья клетка»), и не имеет выводов. Фазный ротор имеет трехфазную изолированную обмотку, аналогичную статорной, концы которой выведены на контактные кольца для подключения внешних цепей.
Можно ли закоротить контактные кольца и работать как двигатель с КЗ ротором?
Да, после окончания пуска обмотку ротора, как правило, замыкают накоротко через кольца (или с помощью специального устройства подъема щеток и замыкания колец). Двигатель при этом работает на естественной характеристике. Однако его параметры (КПД, cos φ) будут несколько хуже, чем у оптимизированного двигателя с «беличьей клеткой» той же мощности, из-за конструктивных особенностей обмотки.
Какие устройства подключают в цепь ротора кроме пускового реостата?
Помимо активного реостата, в цепь ротора могут включаться:
Как выбирается мощность и тип двигателя с фазным ротором для привода мельницы?
Выбор основывается на расчете статического и динамического моментов. Ключевые факторы: момент инерции маховика мельницы, требуемое время разгона, частота пусков. Для таких механизмов выбирают АДФР с таким расчетом, чтобы критический момент с введенным пусковым реостатом превышал момент сопротивления в течение всего процесса разгона. Мощность часто выбирается с запасом 15-25% относительно расчетной установившейся нагрузки. Обязательно анализируется возможность пуска от существующей электросети по току.
Каковы основные проблемы при эксплуатации АДФР и как их устранять?
Есть ли будущее у двигателей с фазным ротором с развитием частотных преобразователей?
В нише высокомоментных пусковых приводов единичной большой мощности (свыше 1-2 МВт) для тяжелонагруженных механизмов с редкими пусками АДФР с реостатным пуском остается экономически и технически обоснованным решением. Однако в области регулируемых приводов средней и малой мощности, а также приводов, требующих точного и экономичного регулирования скорости, ЧП для короткозамкнутых двигателей практически полностью вытеснили АДФР. Перспективным направлением остается схема двойного питания для специализированных применений.