Электродвигатели с фазным ротором 715 об/мин

Электродвигатели с фазным ротором на 715 об/мин: устройство, принцип действия и сфера применения

Электродвигатели с фазным ротором (АДФР – асинхронный двигатель с фазным ротором) на синхронную скорость вращения 750 об/мин (номинальная скорость при нагрузке – примерно 715 об/мин) представляют собой класс электрических машин, предназначенных для тяжелых условий пуска и регулирования скорости в начальный период развития. Данные двигатели конструктивно отличаются от более распространенных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором наличием обмотки на роторе, выведенной на контактные кольца. Номинальная скорость вращения 715 об/мин соответствует двигателям с числом пар полюсов p = 4 (синхронная частота вращения при 50 Гц: n = 60f/p = 6050/4 = 750 об/мин).

Конструктивные особенности и принцип действия

Конструкция АДФР включает в себя две основные части: неподвижный статор и вращающийся ротор.

• Статор: Состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и трехфазной обмотки. 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, практически аналогичная обмотке статора. Концы фаз этой обмотки соединены в звезду, а начала выведены на три медных контактных кольца, изолированных друг от друга и от вала. Посредством щеточного аппарата (графитовых или медно-графитовых щеток) в цепь ротора можно вводить дополнительное сопротивление или другие устройства управления.

Принцип действия основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с током, наведенным в обмотке ротора. В отличие от двигателя с короткозамкнутым ротором, где сопротивление роторной цепи фиксировано и мало, в АДФР имеется возможность увеличить активное сопротивление цепи ротора на этапе пуска. Это позволяет добиться двух ключевых преимуществ:

• Снижение пускового тока: В 1.5-2 раза по сравнению с прямым пуском короткозамкнутого аналога той же мощности.
• Увеличение пускового момента: Пусковой момент может достигать максимального (критического) значения уже в момент трогания с места.

Схемы управления и пуска

Типовая схема пуска АДФР включает в себя:

• Автоматический выключатель (QF) для защиты от токов КЗ и перегрузки.
• Линейный контактор (KM1) для подачи напряжения на статор.
• Пускорегулирующий реостат (добавочные резисторы R_доб), подключенный к роторной цепи через щеточный аппарат и контакторы ускорения (KM2, KM3…).

Процесс пуска состоит из нескольких ступеней. В начальный момент в цепь ротора введено максимальное сопротивление. По мере разгона двигателя и снижения частоты тока в роторе (скольжение уменьшается) сопротивление поэтапно выводится контакторами ускорения, пока обмотка ротора не будет замкнута накоротко. На рабочих скоростях, близких к номинальной (около 715 об/мин), двигатель работает аналогично короткозамкнутому, но с постоянными потерями в щеточном аппарате.

Основные технические характеристики и параметры

Для двигателей серий 4АН, 5АН, МТН, МТКН и других, рассчитанных на скорость 715 об/мин, характерны следующие параметры:

Параметр	Типичное значение / Диапазон	Примечание
Номинальная мощность (Pн)	От 55 кВт до 630 кВт и выше	Мощность на валу при номинальной нагрузке
Номинальное напряжение статора (Uн)	380 В, 660 В, 6000 В, 10000 В	Зависит от мощности и исполнения
Номинальный ток статора (Iн)	Определяется по мощности и напряжению	Указывается на шильде двигателя
Номинальная частота вращения (nн)	~715-735 об/мин	При номинальной нагрузке и частоте 50 Гц
Синхронная частота вращения (nс)	750 об/мин	Для 4-полюсных двигателей (p=2)
КПД (η)	91% — 95%	Снижается на 0.5-1.5% из-за потерь в щетках
Коэффициент мощности (cos φ)	0.82 — 0.88	Зависит от нагрузки и конструкции
Кратность пускового момента (Mп/Mн)	0.7 — 1.2 (может быть выше с реостатом)	С реостатом достигает 2.0-2.5
Кратность пускового тока (Iп/Iн)	4 — 6.5	При реостатном пуске снижается до 2-3
Кратность максимального момента (Mmax/Mн)	2.2 — 3.0	Характеризует перегрузочную способность
Класс изоляции	F, H	Допускает нагрев до 155°C (F) или 180°C (H)

Области применения двигателей 715 об/мин

Двигатели с фазным ротором на 715 об/мин находят применение в приводах механизмов с тяжелыми условиями пуска и требующих ограничения пусковых токов:

• Крановое и подъемно-транспортное оборудование: Мостовые, козловые, башенные краны. Позволяют осуществлять плавный пуск и регулирование скорости в широких пределах.
• Приводы мельниц, дробилок, шаровых барабанов:
• Цементная промышленность: Приводы вращающихся печей, дробилок, мельниц.
• Насосы и вентиляторы большой мощности: Для плавного пуска и ограничения пускового тока в сетях с ограниченной мощностью.
• Приводы конвейеров большой длины и мощности: Особенно с прямым пуском под нагрузкой.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокий пусковой момент при минимальном пусковом токе.
• Возможность плавного разгона и ступенчатого регулирования скорости вниз от номинальной (за счет изменения сопротивления в роторной цепи).
• Лучшая управляемость в сравнении с двигателями с короткозамкнутым ротором при использовании простых средств.
• Большая перегрузочная способность.

Недостатки:

• Более высокая стоимость и масса из-за сложной конструкции ротора и наличия щеточного аппарата.
• Требуется регулярное техническое обслуживание (замена щеток, чистка контактных колец, подтяжка щеткодержателей).
• Наличие подвижного контакта (щетки-кольца) – источник искрения, повышенного износа и потенциального отказа.
• Сниженный КПД из-за потерь в добавочных сопротивлениях (на этапе пуска) и в щеточном контакте (на постоянной работе).
• Более низкий коэффициент мощности по сравнению с аналогичным двигателем с короткозамкнутым ротором.

Современные альтернативы и модернизация

С развитием силовой полупроводниковой техники традиционные АДФР часто заменяются или модернизируются:

• Частотно-регулируемый привод (ЧРП) + асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором: Обеспечивает плавный пуск, широкое регулирование скорости и высокий КПД. Однако для очень тяжелых условий пуска начальная стоимость решения может быть выше.
• Устройства плавного пуска (УПП): Ограничивают пусковой ток, но не позволяют регулировать скорость в рабочем режиме.
• Системы «бесконтактного» фазного ротора: Применение вращающихся выпрямителей и инверторов на валу двигателя для передачи энергии скольжения обратно в сеть (каскадные схемы).
• Синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ): Обладают высоким КПД и коэффициентом мощности, но требуют применения преобразователя частоты.

Решение о применении АДФР или современного привода принимается на основе технико-экономического расчета, учитывающего стоимость оборудования, эксплуатационные расходы, требования к надежности и наличие обслуживающего персонала.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем обусловлена именно скорость 715 об/мин, а не 750?

Скорость 750 об/мин – это синхронная скорость вращения магнитного поля для 4-полюсного двигателя при частоте 50 Гц. Фактическая скорость вращения ротора (n) всегда меньше синхронной (n_с) на величину скольжения (s): n = n_с (1 — s). При номинальной нагрузке скольжение для АДФР обычно составляет 2-5%. Таким образом, n = 750 (1 — 0.03) ≈ 728 об/мин. Указание 715 об/мин часто соответствует работе двигателя при нагрузке, близкой к номинальной, с учетом конкретных конструктивных особенностей.

Можно ли регулировать скорость такого двигателя в рабочем режиме?

Да, но с существенными ограничениями. Регулирование скорости возможно только в сторону уменьшения от номинальной (вниз) путем увеличения активного сопротивления в цепи ротора. Однако этот метод крайне неэкономичен, так как приводит к значительным потерям мощности в реостате (потери скольжения) и резкому снижению КПД. Поэтому для постоянного регулирования скорости в современных условиях применяют частотные преобразователи.

Как часто требуется обслуживать щеточный аппарат?

Периодичность обслуживания зависит от режима работы (числа пусков, запыленности). Стандартный интервал – каждые 2000-4000 рабочих часов. Обслуживание включает: визуальный контроль степени износа щеток (остаток не менее 30% от первоначальной высоты), проверку давления пружин, очистку контактных колец от графитовой пыли и полировку их поверхности, проверку отсутствия подпятников на кольцах.

Что будет, если замкнуть контактные кольца накоротко во время работы?

Если замкнуть кольца накоротко (например, с помощью специального короткозамыкающего устройства после разгона), двигатель перейдет в режим работы, идентичный двигателю с короткозамкнутым ротором: щетки будут обесточены, исчезнут потери в щеточном контакте, немного повысится КПД. Это штатный режим работы после завершения пуска для многих приводов, не требующих регулирования скорости.

Какие основные причины выхода из строя АДФР?

• Износ щеток и контактных колец: Наиболее частая причина. Приводит к плохому контакту, искрению, перегреву и выгоранию колец.
• Загрязнение изоляции графитовой пылью: Может вызвать межвитковое замыкание или пробой на корпус в обмотке ротора.
• Неисправность пускорегулирующего реостата: Подгорание контактов, обрыв или изменение номинала сопротивлений.
• Механические неисправности: Износ подшипников, нарушение центровки.
• Перегрузка по току статора или ротора: Приводит к перегреву обмоток и разрушению изоляции.

Экономически оправдано ли сегодня использовать АДФР вместо частотного привода?

Оправданность зависит от конкретной задачи. АДФР может быть экономически выгодным решением в следующих случаях:

• Для привода механизмов с редкими пусками, но тяжелыми условиями пуска (например, дробилка 1-2 раза в смену).
• При наличии уже установленного и исправного парка АДФР с рабочей системой управления.
• В условиях, где простота и ремонтопригодность критичны, а квалификация персонала невысока.
• При жестких ограничениях по первоначальным капитальным затратам.

Для механизмов с постоянными пусками/остановами, требующих точного регулирования скорости или работающих в продолжительном режиме с пониженной скоростью, частотный привод, как правило, оказывается более выгодным в долгосрочной перспективе за счет экономии электроэнергии.