Электродвигатели с фазным ротором подъемные
Электродвигатели с фазным ротором подъемные: устройство, принцип работы и сферы применения
Электродвигатели с фазным ротором (двигатели с контактными кольцами, асинхронные двигатели с фазным ротором) представляют собой специальный класс асинхронных машин, в которых обмотка ротора выполнена не в виде «беличьей клетки», а является трехфазной, аналогичной статорной. Концы этой обмотки выведены на контактные кольца, что позволяет вводить в цепь ротора дополнительное сопротивление. Именно эта ключевая особенность определила их доминирующее применение в ответственных механизмах подъема и перемещения грузов – кранах, подъемниках, лебедках.
Конструктивные особенности и устройство
Конструктивно подъемный двигатель с фазным ротором состоит из следующих основных узлов:
- Статор: Собирается из листов электротехнической стали, имеет трехфазную обмотку, уложенную в пазы. Подключается непосредственно к сети переменного тока (обычно 380В, 50 Гц). Корпус статора имеет повышенную механическую прочность, часто в фланцевом исполнении (IM3001, IM3003).
- Ротор: Сердечник ротора также шихтованный, с уложенной в его пазах трехфазной обмотрой. Фазы обмотки ротора соединены, как правило, «звездой».
- Контактные кольца (токосъемное устройство): Три изолированных медных или стальных кольца, жестко закрепленных на валу ротора. К ним подключены начала фаз обмотки ротора.
- Щеточный аппарат: Неподвижные щетки (графитовые или медно-графитовые), прижимаемые к контактным кольцам с помощью пружин. Щетки установлены в щеткодержателях и через них цепь ротора соединяется с внешними резисторами.
- Коробка выводов: Включает в себя клеммы для подключения силовых кабелей статора и, часто, отдельную клеммную колодку для проводов, идущих от щеточного аппарата.
- Тормозной электромагнит: Важнейший узел для подъемных механизмов. Обычно это колодочный тормоз постоянного тока (например, на 24В, 110В, 220В), механически связанный с двигателем и управляемый через контакторы в системе управления. Обеспечивает остановку и удержание груза.
- Пуск: В момент пуска в цепь ротора вводится максимальное сопротивление. Это ограничивает пусковой ток (обычно в 1.5-2.2 раза превышает номинальный, против 5-7 у короткозамкнутых) и одновременно увеличивает пусковой момент. Двигатель плавно трогается с места. По мере разгона сопротивление ступенчато выводится (с помощью контакторов ускорения в контроллере), пока обмотка ротора не замыкается накоротко. Двигатель выходит на естественную механическую характеристику.
- Регулирование скорости: Вводя сопротивление обратно в цепь ротора, можно снижать скорость вращения при постоянной нагрузке. Однако этот способ является неэкономичным, так как приводит к большим потерям в резисторах (скольжение S > 0, значительная часть мощности рассеивается в виде тепла). Регулирование используется mainly на пониженных скоростях для точного позиционирования груза.
- Механические характеристики: Семейство характеристик M = f(n) при различном Rдоб представлено на графике. С увеличением сопротивления характеристика становится «мягче», а максимальный момент смещается в зону больших скольжений.
- Номинальная мощность (Pн, кВт): Определяется статической мощностью на валу при подъеме номинального груза с номинальной скоростью.
- Продолжительность включения (ПВ, %): Критически важный параметр для крановых двигателей. Определяет, какую нагрузку двигатель может нести в повторно-кратковременном режиме. Стандартные значения: 15%, 25%, 40%, 60%, 100%. Двигатель для ПВ 25% рассчитан на работу в цикле 10 минут: 2.5 минуты под нагрузкой, 7.5 минут паузы.
- Кратность пускового момента (Mп/Mн): Обычно 2.5 – 3.2.
- Кратность максимального момента (Mmax/Mн): Обычно 2.7 – 3.5.
- Класс изоляции: Не ниже F, часто H, что обеспечивает стойкость к тепловым перегрузкам.
- Степень защиты: Обычно IP44 (защита от брызг и твердых частиц >1мм) или IP54 (пылезащищенные).
- Износ или подгорание контактных колец и щеток из-за плохого обслуживания.
- Перегрев обмоток из-за работы на пониженной скорости с длительно введенными резисторами (нарушение ПВ).
- Механические повреждения из-за вибраций, перекоса муфт.
- Пробой изоляции обмотки статора или ротора из-за влаги, агрессивной среды или старения.
- Неисправность тормозного электромагнита, ведущая к проскальзыванию и перегреву тормозной обмотки.
Принцип работы и пуско-регулировочные характеристики
При подаче напряжения на статор создается вращающееся магнитное поле, которое, пересекая обмотку ротора, наводит в ней ЭДС. Так как обмотка ротора замкнута через щетки и внешние резисторы, в ней возникает ток, взаимодействующий с полем статора, – создается вращающий момент.
Ключевое отличие от двигателя с короткозамкнутым ротором – возможность управления моментом и скоростью путем изменения активного сопротивления в цепи ротора (Rдоб).
Сравнительная таблица: Двигатель с фазным ротором vs. Двигатель с короткозамкнутым ротором в подъемных механизмах
| Критерий | Двигатель с фазным ротором (АДФР) | Двигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) |
|---|---|---|
| Пусковой момент | Высокий, регулируемый (до Mпуск = Mmax) | Ограниченный (обычно 1.2-1.8 Mном) |
| Пусковой ток | Низкий (1.5-2.5 Iном) | Очень высокий (5-7 Iном) |
| Регулирование скорости | Возможно, но экономически нецелесообразно на длительном режиме | Только частотным преобразователем |
| Надежность ротора | Ниже (наличие щеточного узла, требующего обслуживания) | Высокая (ротор не имеет электрических контактов) |
| Стоимость и сложность | Выше (двигатель + резисторы + контроллер) | Ниже (двигатель + ПЧ, если нужно регулирование) |
| Типовое применение в подъемниках | Основные механизмы подъема и передвижения кранов, тяжелые лебедки | Вспомогательные механизмы, механизмы с ЧРП, малые тали |
Номенклатура, маркировка и выбор двигателей
В России и странах СНГ наиболее распространены двигатели серий МТН, МТКН, 4MTН, ДМ. Маркировка, например, МТН 512-6, расшифровывается: М – модернизированный, Т – с фазным ротором, Н – защищенного исполнения, 5 – габарит, 12 – длина сердечника, 6 – число полюсов (синхронная скорость 1000 об/мин).
Основные параметры для выбора:
Система управления и внешние резисторы
Управление двигателем осуществляется через силовой контроллер (кулачковый, командоконтроллер) или систему на тиристорных контакторах. Контроллер коммутирует цепи статора (реверс) и ступени резисторов в цепи ротора. Резисторы – металлические, чаще всего из константановой или нихромовой ленты, намотанной на изоляционные каркасы. Их расчет и правильный подбор определяют плавность пуска и рабочие характеристики.
Области применения и тенденции развития
Основная сфера применения – грузоподъемные машины циклического действия: мостовые, козловые, башенные краны; шахтные подъемные машины; лебедки различного назначения. Двигатели с фазным ротором незаменимы там, где требуются частые пуски/остановки, реверсы, работа под нагрузкой с переменным моментом.
Современные тенденции показывают постепенное вытеснение классических АДФР с резисторами системами на основе асинхронных или синхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, управляемых через частотные преобразователи (ЧРП). ЧРП обеспечивает лучшие характеристики регулирования, высокий КПД и отсутствие щеточного узла. Однако, для очень тяжелых условий пуска, в взрывоопасных средах или при необходимости высокой ремонтопригодности в полевых условиях, двигатели с фазным ротором остаются оптимальным и надежным решением.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем обусловлена необходимость использования именно двигателя с фазным ротором в подъемных механизмах, а не более простого «короткозамкнутого»?
Основные причины: необходимость получения высокого пускового момента при ограниченном пусковом токе от сетевого питания крана. Частые пуски, реверсы и работа с переменной нагрузкой требуют управляемых характеристик, которые легко обеспечиваются вводом резисторов в цепь ротора. Прямой пуск АДКЗ в таких условиях привел бы к просадкам напряжения, чрезмерным динамическим нагрузкам на механику и не соответствовал бы требованиям Правил устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов (ПБ 10-382-00).
Как часто требуется обслуживать щеточный узел и контактные кольца?
Периодичность ТО щеточного узла регламентируется инструкцией завода-изготовителя и ПТЭ. В среднем, требуется ежеквартальная проверка: очистка от пыли, проверка степени износа щеток (остаток не менее 60% от первоначальной высоты), проверка давления пружин (обычно 15-25 кПа), осмотр состояния контактных колец. При наличии борозд или биения колец более 0.05-0.1 мм требуется проточка и шлифовка. Неравномерный износ щеток указывает на неотрегулированные щеткодержатели.
Можно ли закоротить контактные кольца на корпус двигателя после разгона для упрощения схемы?
Нет, это грубая ошибка. После выхода на рабочую скорость обмотка ротора замыкается накоротко не на корпус, а специальным аппаратом – контактором ускорения, который закорачивает выводы ротора между собой (обычно по схеме «звезда»). Заземление или замыкание на корпус приведет к нарушению симметрии фаз, появлению токов утечки и срабатыванию защит.
Что такое «многоскоростной крановый двигатель» и как он устроен?
Это двигатель, имеющий на статоре две (реже три) независимые обмотки с разным числом полюсов (например, 4/16, 6/24). Переключение между обмотками изменяет синхронную скорость (например, 1500/375 об/мин). Часто одна из обмоток (на высокую скорость) выполняется как «короткозамкнутая», а вторая (на низкую) – как «фазная». Это позволяет иметь две четко фиксированные скорости подъема: пониженную для точного монтажа и повышенную для транспортировки.
Как рассчитать сопротивление пускового реостата для конкретного двигателя?
Расчет ведется по каталожным данным двигателя: номинальному напряжению ротора U2н (при разомкнутых кольцах и неподвижном роторе), номинальному току ротора I2н и требуемой кратности пускового момента. Сопротивление одной фазы Rдоб = (U2н / (√3 I2н)) ( (Mн/Mп) — 1 ). На практике используют таблицы и рекомендации производителей резисторов (например, серии ЯС, НФ).