Электродвигатели переменного тока с фазным ротором

Электродвигатели переменного тока с фазным ротором: устройство, принцип действия, характеристики и применение

Электродвигатель переменного тока с фазным ротором (двигатель с контактными кольцами, асинхронный двигатель с фазным ротором) — это разновидность асинхронной машины, у которой обмотка ротора выполнена не в виде «беличьей клетки», а как трехфазная обмотка (аналогичная статорной), концы которой выведены на контактные кольца. Эта конструктивная особенность кардинально меняет пусковые и регулировочные характеристики двигателя, делая его незаменимым для решения специфических задач в промышленной энергетике и электроприводе.

Устройство и конструктивные особенности

Конструктивно двигатель с фазным ротором состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.

• Статор: Представляет собой сердечник из электротехнической стали с пазами, в которые уложена трехфазная обмотка. При подключении к сети переменного тока обмотка статора создает вращающееся магнитное поле.
• Ротор: Сердечник ротора также набран из листов стали и имеет пазы, в которые уложена трехфазная обмотка. Фазы этой обмотки, как правило, соединяются «звездой», а их начала подключены к трем медным или латунным контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала.
• Щеточный аппарат: На щеткодержателях установлены графитовые или медно-графитовые щетки, которые прижимаются к контактным кольцам. Через этот узел осуществляется электрическое соединение вращающейся обмотки ротора с внешней цепью — пускорегулирующим реостатом или другими устройствами.
• Корпус, подшипниковые щиты, вентиляция: Конструкция аналогична другим типам асинхронных двигателей, но часто имеет усиленное исполнение из-за применения в тяжелых условиях пуска и работы.

Принцип действия и основные соотношения

Принцип действия основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами, наведенными в обмотке ротора. При подаче напряжения на статор вращающееся поле пересекает проводники обмотки ротора, индуцируя в них ЭДС. Частота этой ЭДС (f₂) прямо пропорциональна скольжению (s): f₂ = s

• f₁, где f₁ — частота сети. Так как обмотка ротора изначально замкнута через внешние сопротивления, по ней протекают токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение.

Ключевое отличие от двигателя с короткозамкнутым ротором — возможность введения в цепь ротора дополнительных активных сопротивлений (R_доб) через щеточный аппарат. Это позволяет управлять механической характеристикой двигателя.

Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором имеет вид:

M = (3 U₁² R’₂ / s) / [ω₀

• ((R₁ + R’₂/s)² + (X₁ + X’₂)²)]

где M — электромагнитный момент, U₁ — фазное напряжение статора, ω₀ — синхронная угловая скорость, R₁, X₁ — активное и индуктивное сопротивления фазы статора, R’₂, X’₂ — приведенные активное и индуктивное сопротивления фазы ротора, s — скольжение.

Введение добавочного сопротивления (R’_доб) увеличивает полное сопротивление цепи ротора (R’₂_полн = R’₂ + R’_доб), что позволяет изменять характеристику.

Пуск двигателя с фазным ротором

Основное преимущество данного типа двигателей — улучшенные пусковые свойства. Введение сопротивления в цепь ротора на время пуска позволяет:

• Увеличить пусковой момент (при определенном значении R_доб момент достигает максимума, равного критическому моменту M_кр).
• Значительно снизить пусковой ток (в 1.5-2.5 раза по сравнению с прямым пуском короткозамкнутого аналога).
• Обеспечить более плавный и управляемый разгон привода.

Типовая схема пуска включает в себя ступенчатый пусковой реостат или современный жидкостный реостат (роторастат). По мере разгона двигателя сопротивление реостата плавно или ступенчато уменьшают, и в момент выхода на рабочую характеристику обмотку ротора замыкают накоротко, а щетки часто приподнимают для уменьшения износа.

Сравнение пусковых характеристик асинхронных двигателей

Параметр	Двигатель с КЗ ротором (прямой пуск)	Двигатель с фазным ротором (с реостатом)
Кратность пускового тока (Iп/Iном)	5 – 7	2 – 2.5
Кратность пускового момента (Mп/Mном)	1.0 – 1.5	1.5 – 2.5 (может достигать Mmax)
Плавность пуска	Низкая (рывок)	Высокая
Влияние на сеть	Значительное падение напряжения	Минимальное

Регулирование скорости вращения

Двигатели с фазным ротором позволяют регулировать частоту вращения вниз от номинальной (n < n_ном). Основные методы:

• Регулирование введением сопротивления в цепь ротора: Наиболее распространенный и простой, но неэкономичный способ. Увеличение R_доб увеличивает скольжение, снижая скорость. Недостатки: механическая характеристика становится более мягкой, КПД падает, так как потери мощности пропорциональны скольжению (P_эл2 = s
• P_эм) и выделяются в реостате. Применяется для кратковременных или периодических режимов (краны, лебедки).
• Каскадные схемы: Энергия скольжения ротора не рассеивается в виде тепла, а возвращается в сеть или используется для работы дополнительной машины (электромашинный каскад) или преобразуется статическим преобразователем (статический каскад Тюри-Леонарда). Позволяет экономить энергию при глубоком регулировании.
• Двухдвигательный привод («тандем»): Используется на прокатных станах, когда валы двух двигателей (синхронного и асинхронного с фазным ротором) механически соединены.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Высокий пусковой момент при низком пусковом токе.
• Управляемость пускового процесса и возможность плавного разгона.
• Возможность регулирования скорости в ограниченном диапазоне.
• Меньшая чувствительность к колебаниям напряжения сети в момент пуска.
• Высокая перегрузочная способность.

Недостатки:

• Более сложная, дорогая и менее надежная конструкция из-за наличия контактных колец, щеточного аппарата и реостата.
• Требует регулярного обслуживания (замена щеток, зачистка колец, регулировка нажатия).
• Пониженный КПД и cos φ по сравнению с двигателем с КЗ ротором той же мощности из-за потерь в добавочных сопротивлениях и щеточном контакте.
• Большие массогабаритные показатели.
• Регулирование скорости сопряжено со значительными потерями энергии.

Области применения

Несмотря на широкое распространение частотно-регулируемых приводов на базе двигателей с короткозамкнутым ротором, двигатели с фазным ротором остаются востребованными в следующих областях:

• Краново-транспортное оборудование: Мостовые, козловые, башенные краны, лифты большой грузоподъемности. Цикл «пуск-торможение-реверс» и необходимость плавного перемещения грузов идеально соответствуют возможностям данного привода.
• Приводы тяжелого оборудования: Дробилки, мельницы, шаровые мельницы, смесители, где требуется высокий момент трогания с места под нагрузкой.
• Приводы насосов и вентиляторов большой мощности: Для снижения пускового тока и уменьшения воздействия на сеть, особенно в условиях слабых электрических сетей.
• Оборудование для горнодобывающей промышленности: Подъемные машины (скиповые и клетьевые), конвейеры длинного транспорта.
• Приводы экструдеров, каландров, бумагоделательных машин — где используется каскадное соединение для регулирования скорости.

Тенденции и современные модификации

Современные разработки направлены на устранение традиционных недостатков:

• Бесконтактные двигатели с фазным ротором: Вместо щеточного аппарата используются вращающиеся трансформаторы или бесконтактные системы передачи энергии на ротор, что повышает надежность.
• Гибридные системы: Использование статических преобразователей частоты, подключаемых к цепи ротора (подвид каскадной схемы). Это позволяет не только улучшить пусковые характеристики, но и осуществлять эффективное регулирование скорости с рекуперацией энергии в сеть.
• Совершенствование систем управления: Замена ступенчатых металлических реостатов на жидкостные (роторастаты) с плавным регулированием или на полупроводниковые системы (тиристорные регуляторы в цепи ротора).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается фазный ротор от короткозамкнутого?

Короткозамкнутый ротор имеет обмотку в виде неизолированных стержней, замкнутых накоротко торцевыми 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 заменить двигатель с фазным ротором на частотно-регулируемый привод с асинхронным двигателем с КЗ ротором?

Да, во многих случаях это технически возможно и часто экономически оправдано для новых проектов. ЧРП обеспечивает более широкий и экономичный диапазон регулирования скорости. Однако, для существующих установок с тяжелыми условиями пуска (высокий момент инерции, пуск под нагрузкой) и в условиях жестких ограничений по пусковому току, модернизация может быть нецелесообразна или слишком дорога. Двигатель с фазным ротором часто остается более надежным и простым решением для чисто пусковых задач.

Что происходит, если после пуска не поднять щетки и не замкнуть кольца накоротко?

Это приведет к ряду негативных последствий: 1) Повышенный износ щеток и контактных колец. 2) Снижение КПД из-за потерь на переходном сопротивлении щеточного контакта. 3) Возможный перегрев реостата, если он останется в цепи. 4) «Мягкая» механическая характеристика, не позволяющая двигателю развить номинальную мощность и скорость при нагрузке.

Как выбирается число ступеней пускового реостата?

Число ступеней выбирается исходя из требований к плавности пуска и ограничения пускового тока. Большее число ступеней обеспечивает более плавный разгон и меньшие броски тока при переключении ступеней, но усложняет конструкцию реостата и систему управления. На практике для большинства приводов используется 2-5 ступеней. Расчет ведется по механическим характеристикам, обеспечивая необходимый средний пусковой момент при ограничении максимального тока.

Каковы основные причины неисправностей в двигателях с контактными кольцами?

• Износ щеток и подгорание контактных колец: При неправильном давлении, использовании некачественных щеток или отсутствии обслуживания.
• Загрязнение изоляции колец графитовой пылью: Может привести к межвитковому замыканию или пробою на вал.
• Неравномерный контакт щеток: Вызывает перегрев отдельных колец и искрение.
• Ослабление креплений выводов обмотки ротора к кольцам.
• Выход из строя пускового реостата: Обрыв или подгорание контактов, перегрев резистивных элементов.

Существуют ли способы рекуперации энергии при регулировании скорости таким двигателем?

Да, для этого применяются каскадные схемы, в частности, статический каскад или синхронный вентильный каскад (СВК). В них энергия скольжения с помощью выпрямителя и инвертора преобразуется и возвращается в сеть. Это позволяет регулировать скорость с высоким КПД в диапазоне, например, от синхронной скорости до 50% от нее. Такие системы конкурируют с ЧРП для двигателей очень большой мощности (свыше 1-2 МВт).