Электродвигатели с фазным ротором

Электродвигатели с фазным ротором: устройство, принцип действия и области применения

Электродвигатель 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 в виде трехфазной обмотки, аналогичной обмотке статора. Концы этой обмотки выведены на контактные кольца, что позволяет вводить в цепь ротора дополнительные элементы управления: пускорегулирующие резисторы, индуктивности или источники дополнительной ЭДС. Это ключевое конструктивное отличие определяет все уникальные характеристики, преимущества и сферы применения данного типа электродвигателей.

Конструктивное устройство

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

Статор: Конструктивно идентичен статору обычного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Он представляет собой полый цилиндр, набранный из изолированных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазы статора уложена трехфазная обмотка, которая при подключении к сети переменного тока создает вращающееся магнитное поле.

Ротор: Сердечник ротора также шихтован из листовой стали и имеет пазы, в которые уложена трехфазная обмотка. Обычно она соединена «звездой». Начала (или концы) фаз этой обмотки соединены с тремя (реже — с четырьмя) медными или латунными контактными кольцами, изолированными друг от друга и от вала. К кольцам прижаты щетки из графита или медно-графитовой композиции, установленные в щеткодержателях. Щетки через клеммную коробку соединяются с внешней цепью.

Система щеточного аппарата: Включает в себя контактные кольца, щетки, щеткодержатели с пружинами и механизм подъема и короткого замыкания колец (короткозамыкающее и щеткоподъемное устройство). После завершения пуска и вывода всех сопротивлений, роторную обмотку, как правило, замыкают накоротко, а щетки поднимают, чтобы минимизировать их износ и механические потери.

Принцип действия и пусковые характеристики

При подаче трехфазного напряжения на обмотку статора возникает вращающееся магнитное поле, которое пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них электродвижущую силу (ЭДС). Частота этой ЭДС в момент пуска равна частоте сети (f₂ = f₁). Так как обмотка ротора замкнута через щетки и пусковой реостат, в ней возникает ток. Взаимодействие тока ротора с магнитным полем статора создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение.

Ключевая особенность пуска достигается за счет введения в цепь ротора активного сопротивления — пускового реостата. Это позволяет решить главные проблемы прямого пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором:

Снижение пускового тока (I_п): Добавление сопротивления в цепь ротора ограничивает ток как в самой роторной обмотке, так и, благодаря трансформаторной связи, в обмотке статора. Пусковой ток может быть снижен до значений I_п = (1.5…2.5)I_ном, в отличие от (5…7)I_ном у короткозамкнутых двигателей.
Увеличение пускового момента (M_п): При правильном выборе сопротивления реостата можно добиться того, что пусковой момент будет равен максимальному моменту двигателя (M_п = M_max). Это позволяет запускать двигатель под значительной нагрузкой.

Процесс пуска осуществляется ступенчато. Сначала в цепь ротора введено полное сопротивление реостата. По мере разгона двигателя и снижения частоты тока в роторе, сопротивление поэтапно выводится (закорачивается), поддерживая высокий момент. После полного вывода сопротивлений обмотка ротора замыкается накоротко, и двигатель переходит на естественную механическую характеристику, работая аналогично двигателю с короткозамкнутым ротором, но с несколько худшими энергетическими показателями из-за более высокого активного сопротивления роторной обмотки.

Механические характеристики и регулирование скорости

Механическая характеристика двигателя с фазным ротором — зависимость момента от скольжения M = f(s) — может быть изменена путем введения в цепь ротора дополнительного активного сопротивления R_доб.

Основные эффекты от добавления сопротивления:

Максимальный момент двигателя M_max остается постоянным и не зависит от R_доб.
Критическое скольжение s_кр, при котором достигается M_max, увеличивается пропорционально полному сопротивлению цепи ротора: s_кр ~ (R₂‘ + R_доб‘).
Начальный пусковой момент увеличивается при добавлении сопротивления вплоть до R_доб ≈ X_к, после чего начинает уменьшаться.
Жесткость характеристики (степень падения скорости с ростом нагрузки) снижается. Характеристики становятся более «мягкими».

Это свойство позволяет не только улучшить пусковые качества, но и осуществлять ступенчатое регулирование частоты вращения вниз от номинальной (n < n_ном). Однако такой способ регулирования является неэкономичным, так как приводит к большим потерям в пусковом реостате (ΔP = 3I₂²R_доб). Эти потери пропорциональны скольжению, поэтому регулирование скорости на 50% (s=0.5) означает, что 50% подводимой мощности рассеивается в реостате в виде тепла. Коэффициент полезного действия при этом падает.

Сравнительная таблица характеристик

Параметр	Двигатель с фазным ротором (АДФР)	Двигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ)
Конструкция ротора	Трехфазная обмотка, контактные кольца, щетки	«Беличья клетка» (залитые алюминиевые или медные стержни)
Пусковой ток (I_п/I_ном)	1.5 – 2.5	5 – 7 (до 10-12 у мощных)
Пусковой момент (M_п/M_ном)	До 1.0 – 1.2 (может достигать M_max)	0.7 – 1.2 (у нормальных серий)
Регулирование скорости	Ступенчатое, вниз от номинальной, путем ввода сопротивления в цепь ротора (неэкономичное)	Практически не регулируется изменением напряжения или сопротивления. Требуется частотный преобразователь.
Надежность и обслуживание	Ниже. Требуется обслуживание щеточного узла, контактных колец, реостатов. Больше изнашиваемых частей.	Выше. Конструкция проще, нет скользящих контактов. Практически не требует обслуживания.
Стоимость	Выше на 20-50% из-за сложной конструкции ротора и щеточного аппарата	Ниже
КПД и cos φ	Немного ниже на номинальном режиме из-за потерь в щеточном контакте и более высокого активного сопротивления обмотки ротора	Выше
Типовые области применения	Крановые, тяговые, мельничные приводы; приводы с тяжелыми условиями пуска (дробилки, компрессоры)	Подавляющее большинство промышленных и бытовых приводов: насосы, вентиляторы, станки, конвейеры

Схемы управления и пуска

Типовая схема управления двигателем с фазным ротором включает в себя:

Линейный контактор (КМ): Для подключения статора к сети.
Трехфазный пусковой реостат: Выполненный в виде металлических (чаще нихромовых) резисторов, собранных в ступени.
Контакторы ускорения (КУ1, КУ2, КУ3): Последовательно шунтирующие ступени реостата по команде реле времени, токового реле или вручную.
Реле контроля фаз и защиты: Тепловые реле для защиты от перегрузки, максимальные реле для защиты от токов короткого замыкания.
Короткозамыкающее устройство (КЗУ): Автоматическое или ручное устройство для замыкания колец и подъема щеток после пуска.

Пуск осуществляется по следующему алгоритму: включение линейного контактора -> разгон на полном сопротивлении реостата -> по истечении заданного времени или при падении тока до определенного уровня срабатывает КУ1, шунтируя первую ступень -> далее последовательно выводятся остальные ступени -> после выхода на рабочую скорость срабатывает КЗУ.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

Высокий пусковой момент при относительно низком пусковом токе.
Возможность плавного пуска под нагрузкой и ступенчатого регулирования скорости в ограниченном диапазоне.
Лучшая управляемость в тяжелых пусковых режимах по сравнению с АДКЗ.
Меньшее влияние на питающую сеть в момент пуска.

Недостатки:

Более сложная и дорогая конструкция.
Наличие изнашиваемых элементов (щетки, кольца), требующих регулярного обслуживания и замены.
Пониженная надежность из-за скользящего контакта (искрение, возможен плохой контакт).
Пониженные КПД и cos φ из-за потерь в добавочных сопротивлениях и щеточном контакте.
Большие габариты и масса по сравнению с АДКЗ аналогичной мощности.
Регулирование скорости сопровождается значительными потерями энергии.

Области применения

Несмотря на недостатки, двигатели с фазным ротором остаются незаменимыми в ряде отраслей:

Подъемно-транспортное оборудование: Мостовые, козловые, башенные краны, тельферы. Цикл «пуск-торможение-реверс» и работа с переменной нагрузкой требуют высокого пускового момента и возможности регулирования.
Приводы мельниц, дробилок, шаровых барабанов: Механизмы с большой маховой массой и тяжелыми условиями пуска.
Приводы мощных компрессоров и насосов: Где необходимо ограничить пусковой ток из-за слабых сетей.
Оборудование металлургической промышленности: Приводы клетей прокатных станов, моталок.
Специальные установки: Где используется способность двигателя работать с повышенным скольжением длительное время (например, в схемах с противовключением для торможения).

В современных условиях для многих из этих задач все чаще применяются частотно-регулируемые приводы на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, которые обеспечивают более широкий и экономичный диапазон регулирования. Однако АДФР сохраняют свои позиции там, где требуется высокая надежность в тяжелых условиях (пыль, влага, вибрация) при относительно простой системе управления, а также при модернизации существующих установок, где замена всего привода экономически нецелесообразна.

Современные тенденции и модернизация

Развитие силовой электроники привело к появлению систем, комбинирующих преимущества АДФР и современных методов управления:

Тиристорные пускатели: Вместо ступенчатых реостатов используются тиристорные ключи, которые позволяют плавно уменьшать эффективное сопротивление в цепи ротора, обеспечивая бесступенчатый и более плавный пуск.
Системы рекуперативного пуска и регулирования: В цепь ротора вместо резисторов включается выпрямитель и инвертор, возвращающий энергию скольжения обратно в сеть. Это позволяет экономить энергию при регулировании скорости (системы типа «ДуоПресс», «ЭнерджиСейвер»).
Асинхронные вентильные каскады (АВК): Установки, в которых в цепь ротора введен выпрямитель, а затем через инвертор энергия скольжения возвращается в сеть. Позволяют плавно регулировать скорость в диапазоне до 30-50% ниже синхронной с высоким КПД.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается фазный ротор от короткозамкнутого?

Фазный ротор имеет трехфазную изолированную обмотку, выведенную на контактные кольца для подключения внешних цепей. Короткозамкнутый ротор представляет собой набор проводников (стержней), замкнутых накоротко с торцов кольцами, и не имеет выводов. Это фундаментальное отличие определяет все различия в управляемости, пусковых характеристиках и конструкции.

Почему после пуска рекомендуется замыкать обмотку ротора накоротко и поднимать щетки?

Замыкание обмотки накоротко переводит двигатель на естественную характеристику, близкую к характеристике АДКЗ, с максимально возможным для данной конструкции КПД. Подъем щеток устраняет трение и электрический контакт на кольцах, что снижает механические потери, износ щеток и колец, а также минимизирует переходное сопротивление в цепи ротора, что положительно сказывается на рабочих характеристиках двигателя.

Можно ли регулировать скорость двигателя с фазным ротором вверх от номинальной (n > n_ном)?

Классическим способом — вводом сопротивления в цепь ротора — нельзя. Этот способ позволяет только увеличивать скольжение, то есть снижать скорость. Для регулирования скорости вверх от номинальной требуется увеличение частоты питающего напряжения, что реализуется только с помощью частотного преобразователя. При этом двигатель с фазным ротором может использоваться в таком приводе, но его щеточный узел будет избыточным, а характеристики, как правило, хуже, чем у специализированных двигателей для частотного регулирования.

Каковы основные неисправности двигателей с фазным ротором?

Износ и подгорание контактных колец и щеток: Наиболее частая проблема. Проявляется в искрении, неравномерном износе щеток, локальном перегреве колец.
Нарушение контакта в щеточном аппарате: Ослабление нажатия пружин, заедание щеток в держателях.
Обрыв или замыкание в обмотке ротора: Может происходить из-за перегрузок, вибрации, старения изоляции.
Неисправность короткозамыкающего устройства: Неполное замыкание колец приводит к протеканию тока через щетки в рабочем режиме и их ускоренному износу.
Перегрев и выход из строя ступеней пускового реостата: При затянутом пуске или частых пусках.

Вытесняются ли двигатели с фазным ротором частотно-регулируемыми приводами?

Да, наблюдается устойчивая тенденция к замещению в новых проектах. Частотно-регулируемый привод (ЧРП) на базе АДКЗ предлагает более широкий, плавный и экономичный диапазон регулирования скорости, лучшие энергетические показатели и отсутствие обслуживания щеточного узла. Однако АДФР сохраняют актуальность в условиях агрессивных сред (где электроника ЧРП требует дорогой защиты), при модернизации старых установок, а также в областях, где достаточно простого улучшения пусковых характеристик без сложного регулирования. Стоимость мощного ЧРП также может быть выше, чем традиционной реостатной системы пуска для АДФР.

Как выбрать между двигателем с фазным ротором и двигателем с короткозамкнутым ротором с устройством плавного пуска (УПП)?

Выбор зависит от требований к пусковому моменту. УПП ограничивает пусковой ток за счет снижения напряжения на статоре, но при этом пусковой момент падает квадратично (M ~ U²). Если для запуска механизма требуется высокий момент (близкий к номинальному) при ограниченном токе, АДФР с реостатом остается предпочтительным или даже единственным вариантом. Если же механизм допускает пуск с пониженным моментом (например, вентилятор, насос), то комбинация АДКЗ + УПП будет более современным, надежным и не требующим обслуживания решением.

Электродвигатели с фазным ротором