Электродвигатели с фазным ротором 5,5 кВт

Электродвигатели с фазным ротором на 5,5 кВт: конструкция, принцип действия и сферы применения

Электродвигатели с фазным ротором (АДФР) на 5,5 кВт представляют собой класс асинхронных машин, в которых как статор, так и ротор имеют многофазные (обычно трехфазные) обмотки. Роторная обмотка выведена на контактные кольца, что позволяет вводить в цепь ротора дополнительные элементы управления. Мощность 5,5 кВт является распространенным номиналом для приводов средней мощности, требующих регулировки пусковых и рабочих характеристик.

Конструктивные особенности

Конструктивно двигатель 5,5 кВт состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.

• Статор: Сердечник статора набран из изолированных листов электротехнической стали для снижения вихревых токов. В пазы уложена трехфазная обмотка, подключенная к сети переменного тока. Конструкция статора идентична статору двигателя с короткозамкнутым ротором.
• Ротор: Сердечник ротора также шихтованный. В его пазах размещена трехфазная обмотка (обычно соединенная в звезду). Фазы этой обмотки выведены на три медных контактных кольца, изолированных друг от друга и от вала. По кольцам скользят графитовые или медно-графитовые щетки, подключенные к пускорегулирующей аппаратуре.
• Корпус и подшипниковые щиты: Корпус, как правило, чугунный (серии 4М, 5МН и др.), обеспечивает жесткость конструкции. Подшипниковые узлы чаще всего используют шарикоподшипники качения, смазываемые консистентной смазкой.

Принцип действия и пуск двигателя

При подаче трехфазного напряжения на обмотку статора создается вращающееся магнитное поле. Это поле индуцирует ЭДС в обмотке фазного ротора. Так как обмотка ротора замкнута через щетки и внешние резисторы, в ней возникают токи. Взаимодействие токов ротора с магнитным полем статора создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение.

Ключевое отличие от короткозамкнутого двигателя — возможность введения в цепь ротора на этапе пуска пускового реостата. Этот реостат увеличивает полное сопротивление цепи ротора, что приводит к:

• Снижению пускового тока (в 1,5-2,5 раза по сравнению с прямым пуском).
• Увеличению пускового момента (может достигать максимального момента двигателя).

По мере разгона двигателя сопротивление реостата плавно уменьшают, а при достижении номинальной скорости вращения обмотку ротора замыкают накоротко (иногда щетки при этом приподнимают, а кольца замыкаются специальным устройством). В рабочем режиме двигатель функционирует аналогично асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором.

Способы управления и регулирования

Для двигателей 5,5 кВт с фазным ротором применяются несколько схем управления.

• Пуск с помощью ступенчатого реостата: Наиболее распространенный метод. Реостат имеет несколько фиксированных ступеней, которые поочередно выводятся из цепи вручную или автоматически (контакторами, управляемыми реле времени или тока).
• Регулирование частоты вращения: Изменяя активное сопротивление в цепи ротора, можно регулировать скольжение двигателя, а значит, и его скорость. Однако этот метод неэкономичен, так как приводит к большим потерям в реостате (P_потерь = s
• P_эл). Для 5,5 кВт двигателей применяется редко, только для кратковременных режимов.
• Введение индуктивности или ЭДС в цепь ротора: Более сложные системы, позволяющие улучшить характеристики рекуперативного торможения или работы в синхронном режиме (двигатель двойного питания).

Основные технические характеристики и параметры для двигателей 5,5 кВт

Типовые параметры для двигателей серии 4М, 5МН с фазным ротором на 5,5 кВт при напряжении 380 В, 50 Гц.

Параметр	Значение / Диапазон	Примечание
Номинальная мощность, Pн	5,5 кВт	На валу в продолжительном режиме S1
Синхронная частота вращения	1000 об/мин (6 полюсов), 1500 об/мин (4 полюса)	Наиболее распространенные варианты
Номинальное скольжение, sн	2,5% — 4,5%	Зависит от конструкции и числа полюсов
КПД, η	85% — 88%	Несколько ниже, чем у АДКЗ из-за потерь на щетках
cos φ	0,78 — 0,82
Кратность пускового момента (с реостатом)	1,2 — 1,8	Может достигать Mmax
Кратность пускового тока (с реостатом)	2,0 — 3,0	Без реостата аналогична АДКЗ (5-7)
Кратность максимального момента	2,2 — 2,8
Напряжение на кольцах ротора, U2	150 — 280 В	Важно для выбора пускового реостата
Ток ротора, I2	20 — 25 А
Степень защиты (IP)	IP54, IP55	Защита от пыли и водяных струй
Класс изоляции	F, H	Допускает нагрев до 155°C (F) или 180°C (H)

Области применения двигателей 5,5 кВт с фазным ротором

Данные двигатели применяются там, где необходимы тяжелые условия пуска или ограничение пусковых токов, а использование частотных преобразователей экономически нецелесообразно или технически затруднено.

• Приводы крановых механизмов: Мостовые, козловые, башенные краны. Цикл «пуск-реверс-торможение» требует высокого момента и регулировки скорости.
• Приводы лифтов и подъемников: Особенно в схемах с реостатным пуском и торможением.
• Приводы дробилок, мельниц, смесителей: Механизмы с высокой инерцией и моментом сопротивления.
• Приводы насосов и вентиляторов: Для плавного пуска с ограничением тока, когда не требуется регулировка скорости в рабочем режиме.
• Оборудование деревообрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности: Привода подач, где требуется простое регулирование скорости.

Сравнение с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) и преимущества частотных преобразователей

Для мощности 5,5 кВт актуален выбор между АДФР, АДКЗ с устройством плавного пуска (УПП) и АДКЗ с частотным преобразователем (ЧП).

Критерий	АДФР с реостатом	АДКЗ с УПП	АДКЗ с ЧП
Стоимость привода	Средняя	Низкая-Средняя	Высокая
Пусковой момент	Высокий, регулируемый	Снижается пропорционально току	Высокий, регулируемый
Ограничение пускового тока	Эффективное	Эффективное	Наиболее эффективное
Регулирование скорости в процессе работы	Возможно, но неэкономично	Невозможно	Широкий диапазон, экономично
Надежность	Ниже (наличие щеточного узла)	Высокая	Высокая (зависит от качества ЧП)
Требования к обслуживанию	Высокие (замена щеток, чистка колец)	Минимальные	Минимальные

Таким образом, АДФР сохраняет актуальность в специфических областях, где требуется высокая перегрузочная способность и надежность в тяжелых пусковых условиях при минимальных капитальных затратах на систему управления.

Эксплуатация и техническое обслуживание

Эксплуатация двигателей 5,5 кВт с фазным ротором требует повышенного внимания к узлу контактных колец и щеток.

• Щеточный узел: Необходимо регулярно проверять степень износа щеток, их свободное движение в обойме и давление на кольца. Искрение под щетками сверх допустимого (2-3 степень по ГОСТ) указывает на необходимость обслуживания.
• Контактные кольца: Поверхность колец должна быть чистой и гладкой. При появлении шероховатости, борозд или эллипсности требуется проточка и шлифовка колец на станке без выемки ротора (при наличии оборудования).
• Изоляция: Контроль сопротивления изоляции обмоток статора и ротора мегомметром на 1000 В. Допустимое значение не менее 1 МОм для ротора и согласно ГОСТ для статора (обычно > 0,5 МОм на 1 кВ номинального напряжения).
• Подшипниковые узлы: Через 3000-5000 часов работы рекомендуется провести регламентную замену смазки. Использовать смазку, указанную в паспорте двигателя (например, Литол-24).
• Пускорегулирующие реостаты: Проверка целостности и величины сопротивлений ступеней, надежности контактов.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем обоснован выбор двигателя с фазным ротором на 5,5 кВт вместо двигателя с короткозамкнутым ротором с частотным преобразователем?

Выбор обоснован в случаях, где основная задача — тяжелый, но редкий пуск, а регулировка скорости в процессе работы не требуется. АДФР с реостатом имеет более низкую начальную стоимость системы «двигатель+пускатель» по сравнению с системой «АДКЗ+ЧП», более устойчив к перегрузкам и перепадам напряжения в сети, а также к неблагоприятным условиям окружающей среды (высокие температуры, вибрация) при правильном исполнении.

Как правильно рассчитать и выбрать пусковой реостат для двигателя 5,5 кВт?

Расчет основывается на паспортных данных двигателя: напряжении на кольцах ротора (U₂), номинальном токе ротора (I_2н) и допустимой кратности пускового момента. Сопротивление одной фазы реостата (R_доб) для получения максимального момента при пуске (s=1) приближенно рассчитывается: R_доб ≈ (U₂ / (√3

• I_2н)) — R₂, где R₂ — активное сопротивление фазы обмотки ротора. На практике используют типовые реостаты (например, серии РТ) или ящики сопротивлений, выбираемые по каталогам в соответствии с I_2н и продолжительностью включения.

Можно ли закоротить кольца ротора на постоянной основе, превратив двигатель в короткозамкнутый?

Да, технически это возможно (установкой перемычек на кольцах). Однако характеристики двигателя изменятся: пусковой ток резко возрастет (до 5-7 I_н), а пусковой момент снизится. Это может привести к невозможности пуска под нагрузкой и срабатыванию защит по току. Такой режим допустим только для испытаний или в аварийной ситуации, если подтверждено, что механизм не требует высокого момента при пуске, а сеть допускает высокие пусковые токи.

Каковы основные причины повышенного искрения на контактных кольцах?

• Загрязнение или повреждение поверхности колец (борозды, эллипсность).
• Износ щеток ниже допустимого предела или их заклинивание в обойме.
• Неравномерное давление пружин щеткодержателей.
• Несоответствие марки щеток условиям работы.
• Вибрация ротора или смещение колец на валу.
• Несимметричное сопротивление фаз пускового реостата или обмотки ротора.

Существуют ли современные аналоги систем реостатного пуска для АДФР?

Да, традиционные металлические реостаты активно заменяются на жидкостные роторные контроллеры (с электролитом) и тиристорные системы управления в цепи ротора. Жидкостные контроллеры обеспечивают более плавный пуск за счет изменения расстояния между электродами в электролите. Тиристорные системы (внешние регуляторы или устройства, устанавливаемые на вал) позволяют осуществлять бесконтактное регулирование сопротивления в цепи ротора, повышая надежность и устраняя необходимость обслуживания щеточного узла, но существенно увеличивая стоимость системы.

Как определить, что подшипниковый узел двигателя 5,5 кВт требует замены?

Основные признаки: повышенный шум (гул, скрежет) при работе, нагрев подшипникового щита выше 80-90°C (при температуре окружающей среды +40°C), люфт или заедание вала при проворачивании вручную (при отключенном питании). Перед заменой необходимо провести диагностику (виброметрию, акустический анализ) для точного определения состояния подшипников.

Заключение

Электродвигатели с фазным ротором на 5,5 кВт остаются востребованным техническим решением для специфических промышленных приводов, несмотря на развитие частотно-регулируемых систем. Их ключевые преимущества — высокая перегрузочная способность, управляемость пусковых характеристик и надежность в тяжелых условиях — обеспечивают им устойчивую нишу. Правильный выбор, расчет пусковой аппаратуры и систематическое техническое обслуживание, особенно щеточнокольцевого узла, являются залогом длительной и безотказной работы этих электродвигателей в крановых, подъемных и других ответственных механизмах.