Электродвигатели с фазным ротором 380 В

Электродвигатели с фазным ротором на напряжение 380 В: устройство, принцип действия и сферы применения

Электродвигатели с фазным ротором (АДФР – асинхронный двигатель с фазным ротором) на напряжение 380 В представляют собой класс электрических машин переменного тока, ключевой особенностью которых является наличие обмотки на роторе, выведенной на контактные кольца. Это конструктивное решение кардинально отличает их от более распространенных двигателей с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) и предоставляет уникальные возможности управления пусковыми и рабочими характеристиками. Данные двигатели традиционно применяются в условиях тяжелого пуска и для приводов механизмов, требующих глубокого и плавного регулирования скорости в относительно небольших пределах.

Конструктивное устройство АДФР 380 В

Конструкция двигателя с фазным ротором включает в себя две основные части: неподвижный статор и вращающийся ротор.

• Статор: Выполнен аналогично статору АДКЗ. Состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали с пазами, в которые уложена трехфазная обмотка. Обмотка статора подключается непосредственно к сети трехфазного переменного тока напряжением 380 В (схема «звезда» или «треугольник» в зависимости от исполнения).
• Ротор: Сердечник ротора также набран из листов электротехнической стали и имеет пазы, в которые уложена трехфазная обмотка. Фазы этой обмотки, как правило, соединяются по схеме «звезда». Свободные концы фаз обмотки ротора присоединены к трем медным контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала двигателя.
• Щеточный аппарат: На корпусе двигателя установлена щеточная траверса с щеткодержателями, в которых размещены графитовые или медно-графитовые щетки. Щетки прижимаются к контактным кольцам и обеспечивают электрическое соединение между вращающейся обмоткой ротора и внешней неподвижной цепью.
• Пускорегулирующий реостат (ПР): Внешнее устройство, являющееся неотъемлемой частью пусковой схемы АДФР. Представляет собой набор омических сопротивлений (резисторов), соединенных в трехфазную цепь «звездой». Выходы этой звезды через щетки и кольца подключаются к обмотке ротора.

Принцип действия и пуск двигателя

При подаче напряжения 380 В на обмотку статора создается вращающееся магнитное поле. Это поле пересекает проводники обмотки ротора, наводя в них ЭДС. Поскольку обмотка ротора замкнута через пусковой реостат, в ней возникает ток. Взаимодействие тока ротора с магнитным полем статора создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение.

Ключевая роль пускового реостата заключается в увеличении активного сопротивления цепи ротора на момент пуска. Это позволяет:

• Увеличить пусковой момент (М_п): Максимальный момент достигается при таком сопротивлении реостата, когда активное и индуктивное сопротивления цепи ротора сравниваются.
• Снизить пусковой ток (I_п): Ток в цепи ротора и, как следствие, ток статора ограничиваются добавочным сопротивлением. Пусковой ток АДФР может быть всего в 1.5-2 раза выше номинального, в отличие от АДКЗ, где I_п/I_н = 5-7.
• Обеспечить плавный разгон: По мере роста частоты вращения ротора сопротивление реостата ступенчато уменьшают (выводят из цепи), поддерживая высокий разгонный момент. В конце пуска реостат полностью замыкается накоротко, и двигатель переходит на естественную механическую характеристику, работая аналогично АДКЗ.

Механические характеристики и регулирование скорости

Введение добавочного активного сопротивления (R_д) в цепь ротора изменяет форму механической характеристики двигателя.

• Максимальный момент (критический момент) не изменяется по величине, но достигается при большем скольжении.
• Пусковой момент увеличивается с ростом R_д.
• Жесткость характеристики падает: при одной и той же нагрузке на валу двигатель работает с большим скольжением (меньшей частотой вращения).

Это свойство используется не только для пуска, но и для ограниченного регулирования частоты вращения в сторону уменьшения от номинальной. Изменяя величину сопротивления в цепи ротора, можно получить семейство механических характеристик. Однако такой способ регулирования неэкономичен, так как потери мощности в реостате пропорциональны скольжению (P_потерь = s

• P_эм). Регулирование используется на пониженных скоростях и кратковременно.

Сравнительная таблица характеристик асинхронных двигателей 380 В

Параметр	Двигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ)	Двигатель с фазным ротором (АДФР)
Пусковой ток (Iп/Iн)	5 – 7	1.5 – 2.5
Пусковой момент (Мп/Мн)	1.0 – 1.5	1.5 – 2.5 (регулируемый)
Регулирование скорости	Сложно, требует частотного преобразователя	Простое, но ступенчатое и неэкономичное за счет введения сопротивления в цепь ротора
Надежность	Высокая (нет подвижных контактов)	Пониженная (наличие щеточного аппарата и контактных колец)
Стоимость и сложность	Ниже и проще	Выше и сложнее (требуется ПР, щеточный аппарат)
КПД	Высокий	Немного ниже из-за потерь в щеточном контакте и реостате (при регулировании)

Основные сферы применения

Двигатели АДФР на 380 В применяются там, где преимущества в управлении пусковыми характеристиками перевешивают недостатки в сложности и стоимости.

• Приводы механизмов с тяжелыми условиями пуска: Краны, экскаваторы, лифты, мельницы, дробилки, мешалки с высокой вязкостью среды. Механизмы, запускающиеся под нагрузкой.
• Приводы с требованиями к плавному разгону и ограничению пускового тока: Насосы и вентиляторы большой мощности, где прямой пуск может вызвать недопустимый провал напряжения в сети.
• Приводы, требующие ограниченного регулирования скорости на пониженных оборотах: Некоторые типы конвейеров, подъемно-транспортные механизмы, технологические линии, где скорость необходимо подстраивать под процесс.

Схемы управления и коммутации

Типовая схема управления АДФР включает в себя:

• Линейный контактор (КЛ): Для подключения статора к сети 380 В.
• Контакторы ускорения (КУ1, КУ2, КУ3): Для ступенчатого вывода сопротивлений пускового реостата из цепи ротора.
• Реостат: Трехфазный, с ступенями, рассчитанными на работу в кратковременном (пусковом) режиме.
• Аппараты защиты: Автоматические выключатели или предохранители на стороне статора, реле максимального тока, реле контроля скорости (реле ускорения) для автоматического переключения ступеней реостата.

Пуск осуществляется в ручном или автоматическом режиме путем последовательного замыкания контакторов ускорения через заданные интервалы времени или по току (скорости).

Эксплуатационные особенности и обслуживание

Главным объектом повышенного внимания при эксплуатации АДФР является щеточный аппарат и контактные кольца.

• Износ щеток: Графитовые щетки подвержены механическому износу и требуют периодической проверки и замены.
• Состояние контактных колец: Кольца должны быть чистыми, гладкими, без глубоких рисок и подгаров. При необходимости производится их механическая обработка (проточка) и шлифовка.
• Щеточный контакт: Необходимо контролировать равномерность прижатия щеток и отсутствие их вибрации («дрожания»). Слабое прижатие приводит к искрению и подгару колец, чрезмерное – к перегреву и ускоренному износу.
• Изоляция: Требуется регулярный контроль сопротивления изоляции обмоток статора и ротора относительно корпуса и между фазами.
• Подшипниковые узлы: Обслуживание аналогично другим типам двигателей: контроль вибрации, температуры, периодическая замена смазки.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается фазный ротор от короткозамкнутого?

Короткозамкнутый ротор («беличья клетка») представляет собой набор проводников, накоротко замкнутых с торцов кольцами. Его электрические параметры (сопротивление, индуктивность) фиксированы и не могут быть изменены извне после изготовления двигателя. Фазный ротор имеет полноценную трехфазную обмотку, аналогичную обмотке статора, с выводами на контактные кольца. Это позволяет вводить в цепь ротора дополнительные элементы (резисторы, индуктивности, источники ЭДС), активно влияя на характеристики двигателя.

Можно ли запустить АДФР 380 В без реостата, замкнув обмотку ротора накоротко?

Запуск возможен, но он будет аналогичен пуску двигателя с короткозамкнутым ротором, имеющим высокое активное сопротивление обмотки (двигатель с повышенным скольжением). Пусковой момент будет небольшим (близким к номинальному), а пусковой ток останется высоким (хотя и несколько ниже, чем у стандартного АДКЗ). Таким образом, главные преимущества АДФР будут утрачены. Такой режим иногда используется как аварийный или для проверки механической части.

Каковы главные недостатки двигателей с фазным ротором?

• Повышенная стоимость и металлоемкость по сравнению с АДКЗ той же мощности.
• Наличие изнашивающегося щеточного аппарата, требующего регулярного обслуживания.
• Сниженная надежность из-за подвижного контакта (щетки-кольца), чувствительного к запыленности и влажности.
• Потери в щеточном контакте и добавочных сопротивлениях, ведущие к некоторому снижению КПД.
• Искрение на коллекторе, что ограничивает применение во взрывоопасных средах без специального исполнения.

Вытесняются ли АДФР современными частотными преобразователями (ЧП)?

В значительной степени, да. Частотный преобразователь, подключенный к стандартному АДКЗ, позволяет добиться еще более низких пусковых токов, плавного пуска и широкого, экономичного регулирования скорости. Поэтому во многих новых проектах предпочтение отдается схеме «ЧП+АДКЗ». Однако АДФР сохраняют свою актуальность в ряде случаев: в условиях очень тяжелого пуска с ударными нагрузками, в существующих установках (модернизация которых на ЧП может быть нецелесообразна), а также в отраслях, где требуется высокая перегрузочная способность и надежность при работе в условиях глубокого скольжения, что для частотного преобразователя может быть критично.

Как выбрать сопротивление и мощность пускового реостата?

Расчет реостата – задача проектировщика. Исходными данными являются каталожные параметры двигателя: номинальное напряжение ротора U_2н (при разомкнутых кольцах и неподвижном роторе), номинальный ток ротора I_2н, номинальное скольжение s_н, а также требуемые параметры пуска (начальный пусковой момент). Сопротивление одной фазы реостата R_д приближенно рассчитывается по формуле: R_д = (U_2н / (√3 I_2н)) ((М_кр/М_п) — 1), где М_кр – критический момент двигателя. Мощность резисторов выбирается исходя из работы в повторно-кратковременном режиме (ПВ 40-60%) с учетом тока I_2н и времени пуска. На практике часто используют типовые реостаты, рекомендованные заводом-изготовителем двигателя.

Какие существуют модификации АДФР?

Помимо базового исполнения, существуют:

• Двигатели с контактными кольцами в короткозамкнутом режиме: После пуска обмотка ротора замыкается накоротко специальным устройством (короткозамыкателем и щеткоподъемным механизмом), которое также поднимает щетки, минимизируя износ. Двигатель работает как АДКЗ.
• Двигатели с вентильным каскадом (асинхронно-вентильный каскад): В цепь ротора вместо реостата включается выпрямитель и инвертор, возвращающий энергию скольжения обратно в сеть. Позволяет экономично регулировать скорость.
• Двигатели двойного питания: Когда в цепь ротора подается напряжение от отдельного источника (например, преобразователя частоты). Это позволяет осуществлять глубокое и экономичное регулирование скорости в широком диапазоне.