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.
Двигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором.
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.
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.
Узел колец и щеток является наиболее уязвимым местом конструкции, требующим регулярного обслуживания. Он включает:
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 (Rдоб).
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. |
Типовая схема управления включает в себя:
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.
Двигатели с фазным ротором применяются там, где их преимущества перевешивают недостатки в сложности и стоимости:
Преимущества:
Недостатки:
С развитием силовой электроники традиционная ниша двигателей с фазным ротором сужается. Их функции успешно выполняют более современные и экономичные решения:
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.
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.
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.
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.
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.
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).