Электродвигатели трехфазные с фазным ротором

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

Трехфазный асинхронный электродвигатель с фазным ротором (двигатель с контактными кольцами) — это тип асинхронной машины, у которой как статор, так и ротор имеют многофазные (обычно трехфазные) обмотки. Обмотка ротора выведена на контактные кольца, что позволяет вводить в цепь ротора дополнительные резисторы или другие устройства управления. Это ключевое конструктивное отличие от более распространенных двигателей с короткозамкнутым ротором («беличья клетка») определяет уникальные эксплуатационные характеристики и специфическую нишу применения данных машин.

Конструктивное устройство

Двигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором.

Статор

Конструкция статора идентична статору любого трехфазного асинхронного двигателя. Он представляет собой полый цилиндр, набранный из изолированных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазах статора уложена трехфазная обмотка, подключенная к сети переменного тока. При включении обмотка создает вращающееся магнитное поле.

Ротор (фазный)

Это основной отличительный узел. Ротор также набирается из листовой стали и имеет пазы, в которые уложена трехфазная обмотка. Обычно обмотка ротора выполняется на то же число полюсов, что и обмотка статора. Концы каждой фазы обмотки ротора присоединены к трем изолированным друг от друга медным или латунным контактным кольцам, насаженным на вал двигателя. По кольцам скользят графитовые или медно-графитовые щетки, установленные в щеткодержателях. Через щетки и кольца обмотка ротора соединяется с внешней цепью — пускорегулирующим реостатом или другими устройствами.

Система щеток и контактных колец

Узел колец и щеток является наиболее уязвимым местом конструкции, требующим регулярного обслуживания. Он включает:

• Контактные кольца: Изготавливаются из стали или бронзы, часто с профилированной поверхностью для улучшения контакта.
• Щетки: Угольно-графитовые, обеспечивающие скользящий электрический контакт.
• Щеткодержатели: С пружинами для поддержания постоянного давления на щетки.
• Механизм подъема щеток и закорачивания ротора: Во многих конструкциях после запуска двигателя предусмотрено устройство для подъема щеток (чтобы избежать их износа) и одновременного замыкания обмотки ротора накоротко специальным контактором. Это снижает потери и износ колец.

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 ЭДС. Поскольку обмотка ротора замкнута через щетки на внешние резисторы, в ней протекает ток. Взаимодействие этого тока с магнитным полем статора создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение.

Ключевая особенность — возможность управления пусковыми и рабочими характеристиками путем изменения активного сопротивления в цепи ротора (R_доб).

• Пуск: В момент пуска в цепь каждой фазы ротора вводится максимальное сопротивление пускового реостата. Это позволяет значительно увеличить пусковой момент (M_п) при одновременном снижении пускового тока (I_п) в 1.5-2 раза по сравнению с прямым пуском двигателя с короткозамкнутым ротором. По мере разгона двигателя сопротивление реостата плавно уменьшают до нуля.
• Регулирование скорости: Изменяя сопротивление в цепи ротора, можно в небольших пределах регулировать скорость вращения двигателя в сторону уменьшения относительно синхронной. Однако этот способ неэкономичен из-за больших потерь энергии в резисторах (скольжение выделяется в них в виде тепла).

Сравнительная таблица характеристик

Сравнение с двигателем с короткозамкнутым ротором (КЗР) аналогичной мощности.

Параметр	Двигатель с фазным ротором (ФР)	Двигатель с короткозамкнутым ротором (КЗР)
Конструкция ротора	Сложная. Наличие обмотки, контактных колец, щеточного аппарата.	Простая и надежная. «Беличья клетка», не требует обслуживания.
Пусковой момент (Mп/Mном)	Высокий, регулируемый. До 2.0-2.5 от номинального.	Ограниченный. Обычно 1.2-2.0, при прямом пуске не регулируется.
Пусковой ток (Iп/Iном)	Сниженный. 1.5-2.5 от номинального.	Высокий. 5-7 (и более) от номинального.
Регулировка скорости	Возможна, но неэкономична (потери в реостате).	Без преобразователя частоты практически невозможна.
КПД и cos φ	Немного ниже из-за потерь в добавочных сопротивлениях и щеточном контакте.	Выше, особенно при работе в номинальном режиме.
Стоимость и обслуживание	Выше стоимость, требует регулярного обслуживания щеток и колец.	Ниже стоимость, минимальное обслуживание.
Устойчивость к тяжелым условиям	Чувствителен к пыли, влаге, вибрациям из-за щеточного узла.	Более устойчив, возможны исполнения для агрессивных сред.

Схемы управления и пуска

Типовая схема управления включает в себя:

• Линейный контактор в цепи статора.
• Трехфазный пускорегулирующий реостат (металлический или жидкостный), подключенный к цепи ротора через щетки и кольца.
• Контактор замыкания ротора (короткозамыкатель), который после вывода реостата замыкает обмотку ротора накоротко.
• Систему реле времени или тока для автоматического вывода ступеней реостата.

Процесс пуска: Вначале в цепь ротора введено полное сопротивление реостата. Подается напряжение на статор. Двигатель начинает разгон с высоким моментом и малым током. Постепенно, по мере разгона, ступени реостата шунтируются, снижая сопротивление. В конце пуска реостат полностью выводится, и обмотка ротора замыкается накоротко. Двигатель переходит на естественную механическую характеристику.

Основные области применения

Двигатели с фазным ротором применяются там, где их преимущества перевешивают недостатки в сложности и стоимости:

• Приводы механизмов с тяжелыми условиями пуска: Краны, экскаваторы, лифты, мельницы, дробилки, где требуется высокий пусковой момент при ограниченном пусковом токе от сети.
• Приводы с необходимостью плавного пуска и ограниченного регулирования скорости: Конвейеры, подъемные лебедки, где скорость спуска груза может регулироваться введением сопротивления в ротор.
• Устаревшие, но еще действующие мощные электроприводы в металлургии, горнодобывающей промышленности, где модернизация на частотные преобразователи экономически нецелесообразна.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокий пусковой момент при относительно низком пусковом токе.
• Возможность плавного пуска и разгона механизма.
• Возможность небольшого регулирования скорости вниз от номинала.
• Большая перегрузочная способность в процессе пуска.
• Меньшее влияние на сеть в момент пуска по сравнению с КЗ-двигателями.

Недостатки:

• Более высокая стоимость и большие габариты.
• Пониженные КПД и коэффициент мощности из-за потерь в добавочных сопротивлениях.
• Необходимость регулярного технического обслуживания (замена щеток, зачистка колец).
• Повышенная пожароопасность при искрении щеток во взрывоопасных средах.
• Меньшая надежность из-за наличия изнашиваемых элементов (щетки, кольца, подшипники щеточного узла).

Современные тенденции и альтернативы

С развитием силовой электроники традиционная ниша двигателей с фазным ротором сужается. Их функции успешно выполняют более современные и экономичные решения:

• Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором + частотный преобразователь (ЧП): Обеспечивают плавный пуск с максимальным моментом и минимальным током, широкое и экономичное регулирование скорости, высокий КПД.
• Асинхронные двигатели с КЗР + устройства плавного пуска (УПП): Обеспечивают ограничение пускового тока и плавный разгон без регулирования скорости в рабочем режиме.
• Синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов или инвертором: Для высокоэффективных приводов с точным регулированием.

Таким образом, применение новых двигателей с фазным ротором сегодня оправдано в основном в специальных или унаследованных проектах, где требуется высокая механическая перегрузочная способность при пуске, а стоимость и обслуживание электронных систем управления неприемлемы.

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 с двух сторон кольцами, и не имеет выводов.

Можно ли эксплуатировать двигатель с фазным ротором с закороченными кольцами без реостата?

Да, после пуска и замыкания обмотки ротора накоротко специальным контактором двигатель работает на естественной характеристике, аналогично двигателю с КЗР, но с несколько худшими показателями из-за более высокого активного сопротивления его обмотки.

Что будет, если во время работы вывести реостат в цепи ротора не полностью?

Это приведет к снижению скорости двигателя ниже номинала, повышенному скольжению, значительному выделению тепла в реостате (снижению КПД) и возможному перегреву как реостата, так и обмотки ротора из-за увеличения тока в ней.

Каковы основные неисправности двигателей с контактными кольцами?

• Износ и подгорание щеток, их застревание в держателях.
• Загрязнение, окисление или биение контактных колец.
• Ослабление давления пружин щеткодержателей.
• Обрыв или замыкание в обмотке ротора.
• Неравномерный зазор между щетками и кольцами, приводящий к искрению.

Почему эти двигатели реже применяются в новых проектах?

Основная причина — развитие и удешевление полупроводниковых систем управления (частотных преобразователей и УПП), которые в паре с более простыми, дешевыми и надежными двигателями с короткозамкнутым ротором обеспечивают лучшие пусковые и регулировочные характеристики при более высоком КПД и минимальном обслуживании.

Как правильно выбрать сопротивление пускового реостата?

Сопротивление реостата рассчитывается или выбирается по каталогам исходя из требуемого пускового момента и допустимого пускового тока. Обычно используют реостаты с несколькими ступенями (3-5), сопротивление которых уменьшается по мере разгона двигателя по заданному закону (например, для поддержания постоянного пускового момента).