Электродвигатели с фазным ротором 7,5 кВт

Электродвигатели с фазным ротором на 7,5 кВт: конструкция, принцип действия и сферы применения

Электродвигатели с фазным ротором (АДФР) на 7,5 кВт представляют собой класс асинхронных машин, ключевой особенностью которых является наличие обмотки на роторе, выведенной на контактные кольца. Данная мощность (7,5 кВт) является одной из наиболее востребованных в промышленности, находясь на стыке применений, где требуются значительный пусковой момент и возможность регулирования скорости, но использование двигателей постоянного тока или частотных преобразователей экономически или технически нецелесообразно. Мощность 7,5 кВт соответствует типоразмеру, часто используемому в приводах подъемно-транспортного оборудования, насосов, вентиляторов, дробилок и других механизмов с тяжелыми условиями пуска.

Конструктивные особенности двигателя с фазным ротором на 7,5 кВт

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

• Статор: Сердечник статора набирается из изолированных листов электротехнической стали для снижения потерь на вихревые токи. В его пазы укладывается трехфазная обмотка, подключаемая непосредственно к сети переменного тока (напряжением, как правило, 380/660 В). Конструкция статора АДФР на 7,5 кВт аналогична статору двигателя с короткозамкнутым ротором.
• Ротор (фазный): Сердечник ротора также шихтованный. В его пазах размещается трехфазная обмотка, обычно соединенная в звезду. Выводы обмотки ротора присоединены к трем медным контактным кольцам, изолированным от вала и друг друга. К кольцам посредством щеточного аппарата (графитовых или медно-графитовых щеток) подключается внешняя электрическая цепь – пускорегулирующий реостат или комплекс устройств.
• Щеточный аппарат: Состоит из щеткодержателей со щетками, скользящими по поверхности контактных колец. Для двигателя 7,5 кВт щеточный аппарат должен быть рассчитан на рабочий ток ротора, который может достигать значительных величин при пуске.
• Корпус и система охлаждения: Корпус обычно выполняется из чугуна (серии АК, 4АК). Для двигателя 7,5 кВт характерно закрытое обдуваемое исполнение (IP54, IP55), так как они часто работают в условиях запыленности. Охлаждение – самостоятельное вентиляторное (IC 0141).

Принцип действия и пусковые характеристики

При подаче трехфазного напряжения на обмотку статора создается вращающееся магнитное поле. Это поле индуцирует ЭДС в обмотке фазного ротора. Поскольку обмотка ротора замкнута на внешнее сопротивление (пусковой реостат), в ней протекает ток. Взаимодействие тока ротора с магнитным полем статора создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение.

Ключевое преимущество АДФР проявляется на этапе пуска. Введение активного сопротивления в цепь ротора через контактные кольца позволяет:

• Увеличить пусковой момент (М_пуск) до значения, близкого к максимальному моменту двигателя.
• Значительно снизить пусковой ток (I_пуск) со стандартных 5.5-7 I_ном для короткозамкнутых двигателей до 1.5-2.5 I_ном.
• Обеспечить более плавный и управляемый разгон привода.

По мере разгона двигателя сопротивление в цепи ротора ступенчато уменьшают (выводят из цепи реостата), и в конце пуска обмотка ротора замыкается накоротко, двигатель переходит в режим, близкий к характеристикам двигателя с короткозамкнутым ротором.

Сравнительные характеристики пуска АД 7,5 кВт с разным типом ротора

Параметр	Двигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) 7,5 кВт	Двигатель с фазным ротором (АДФР) 7,5 кВт
Кратность пускового тока (Iп/Iном)	5.5 – 7.0	1.5 – 2.5
Кратность пускового момента (Мп/Мном)	1.2 – 1.8	1.8 – 2.5 (регулируемая)
Плавность пуска	Низкая, прямой пуск	Высокая, ступенчатая
Возможность регулировки скорости	Только с использованием ЧП	Ограниченная, путем изменения сопротивления в цепи ротора
Стоимость и сложность	Ниже, проще	Выше на 30-50%, сложнее из-за колец, щеток, реостата
Требования к обслуживанию	Минимальные	Регулярная проверка и замена щеток, очистка колец, обслуживание реостата

Схемы управления и подключения

Для управления двигателем 7,5 кВт с фазным ротором применяются схемы с использованием пусковых реостатов (металлических или жидкостных). Наиболее распространена трехступенчатая схема пуска.

• Цепь статора: Подключается через линейный контактор (КМ) и защитные аппараты (автомат QF, тепловое реле KK).
• Цепь ротора: Подключается к пусковому реостату, состоящему из трех ступеней активных сопротивлений (R1, R2, R3). В процессе пуска контакторы ускорения (KY1, KY2, KY3) поочередно замыкают секции реостата, выводя их из цепи. В рабочем режиме обмотка ротора замыкается накоротко контактором КЗ.

Для регулирования скорости в небольших пределах может использоваться схема с постоянно включенным реостатом в цепи ротора, однако это приводит к значительным потерям энергии и снижению КПД.

Основные области применения двигателей 7,5 кВт с фазным ротором

• Подъемно-транспортное оборудование: Краны (мостовые, козловые, башенные), лебедки, элеваторы. Требуется высокий пусковой момент и регулирование скорости опускания/подъема.
• Приводы механизмов с тяжелыми условиями пуска: Дробилки, мельницы, шаровые мельницы, валковые прессы.
• Насосные и вентиляторные установки большой инерции, где необходимо ограничить пусковой ток из-за слабых сетей питания.
• Оборудование металлургической промышленности: Приводы рольгангов, подъемники.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокий пусковой момент при низком пусковом токе.
• Возможность плавного пуска под нагрузкой.
• Относительная (ограниченная) возможность регулирования скорости и момента.
• Большая перегрузочная способность.
• Меньшая чувствительность к «просадкам» напряжения в сети при пуске.

Недостатки:

• Более высокая стоимость и масса по сравнению с АДКЗ той же мощности.
• Наличие изнашиваемых элементов (щетки, кольца), требующих регулярного обслуживания.
• Сниженный КПД и cos φ из-за потерь в добавочных сопротивлениях.
• Сложность и громоздкость пускорегулирующей аппаратуры.
• Ограниченная возможность регулирования скорости (скольжение увеличивается с ростом сопротивления в цепи ротора, что ведет к росту потерь).

Тенденции развития и альтернативы

В современных условиях классические АДФР 7,5 кВт все чаще заменяются комбинацией асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и частотного преобразователя (ЧП). ЧП позволяет обеспечить плавный пуск с любым законом изменения скорости и момента, высокий КПД во всем диапазоне регулирования, а также исключает необходимость в обслуживании щеточного аппарата. Однако, для применений, требующих экстремально высокого пускового момента в условиях агрессивной среды или при жестких бюджетных ограничениях, АДФР остается актуальным и надежным решением.

Другой альтернативой являются двигатели с системой «бесконтактный фазный ротор», где коммутация сопротивлений осуществляется бесконтактно, с помощью силовой электроники, что повышает надежность.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается двигатель 7,5 кВт с фазным ротором от двигателя с короткозамкнутым ротором?

Принципиальное отличие заключается в конструкции ротора и возможности воздействия на цепь ротора извне. У АДФР ротор имеет трехфазную обмотку, выведенную на контактные кольца, что позволяет вводить в его цепь добавочные сопротивления для управления пусковыми и рабочими характеристиками. У АДКЗ ротор представляет собой «беличье колесо» и его параметры не изменяются в процессе работы.

Можно ли закоротить кольца у двигателя с фазным ротором и работать как с обычным асинхронным двигателем?

Да, это стандартный режим работы после завершения пуска. Обмотка ротора замыкается накоротко специальным контактором. Однако, рабочие характеристики (КПД, cos φ) АДФР в этом режиме будут несколько хуже, чем у специализированного АДКЗ той же мощности, из-за конструктивных особенностей обмотки ротора.

Как подобрать пусковой реостат для двигателя 7,5 кВт?

Подбор реостата осуществляется по каталогам производителей на основе:

• Номинального тока ротора двигателя (указывается на шильдике).
• Номинального напряжения ротора (ЭДС покоя).
• Требуемой кратности пускового момента.
• Количества ступеней пуска (обычно 2-3 для 7,5 кВт).

Неправильный подбор сопротивлений может привести к чрезмерно резкому или, наоборот, вялому пуску.

Как часто нужно обслуживать щеточный аппарат двигателя на 7,5 кВт?

Периодичность зависит от режима работы (количество пусков, запыленность). Стандартная рекомендация – проводить визуальный осмотр и очистку каждые 200-500 моточасов. Замена щеток требуется при их износе до минимально допустимой длины (обычно 1/3 от новой). Неравномерный износ щеток или появление искрения требует немедленной проверки давления в щеткодержателях и состояния поверхности контактных колец.

Что выгоднее сегодня: двигатель с фазным ротором 7,5 кВт с реостатом или короткозамкнутый двигатель с частотным преобразователем?

Ответ зависит от задачи. Для простого тяжелого пуска с последующей работой на постоянной скорости АДФР может быть экономически выгоднее из-за меньших капитальных затрат. Если же требуется точное и широкое регулирование скорости, реверс, программирование разгона/торможения, то решение на базе ЧП, несмотря на высокую первоначальную стоимость, окупится за счет экономии электроэнергии, гибкости управления и снижения затрат на обслуживание. Также необходимо учитывать надежность работы в конкретных условиях (запыленность, вибрация).

Каков типичный КПД и cos φ для двигателя с фазным ротором на 7,5 кВт?

Для двигателей серии 5АК или аналогичных, в номинальном режиме (при закороченных кольцах) значения примерно составляют:

• КПД (η): 86% — 89%.
• Коэффициент мощности (cos φ): 0.80 — 0.84.

Важно помнить, что при работе с введенным в цепь ротора сопротивлением (регулировочный режим) оба показателя существенно снижаются пропорционально скольжению.