Электродвигатели трёхфазные асинхронные с фазным ротором

Электродвигатели трёхфазные асинхронные с фазным ротором: устройство, принцип действия, характеристики и применение

Трёхфазный асинхронный двигатель с фазным ротором (АДФР) представляет собой разновидность асинхронной машины, у которой обмотка ротора выполнена не в виде «беличьей клетки», а является трёхфазной, аналогичной статорной. Концы этой обмотки выведены на контактные кольца, что позволяет вводить в цепь ротора дополнительное сопротивление или источник ЭДС. Это ключевое отличие определяет уникальные пусковые и регулировочные характеристики, делающие АДФР незаменимым в ряде промышленных применений, несмотря на более сложную конструкцию и высокую стоимость по сравнению с двигателями с короткозамкнутым ротором (АДКЗ).

Конструктивное устройство

Конструкция АДФР включает два основных компонента: неподвижный статор и вращающийся ротор, разделённые воздушным зазором.

Статор

Статор идентичен статору АДКЗ. Он состоит из:

• Корпуса (чугунного, алюминиевого или стального), обеспечивающего механическую прочность и отвод тепла.
• Сердечника статора, набранного из изолированных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазы сердечника уложена трёхфазная обмотка, питаемая от сети переменного тока.
• Подшипниковых щитов с установленными подшипниками качения или скольжения для вращения ротора.

Ротор

Ротор АДФР имеет принципиально иную конструкцию:

• Сердечник ротора также шихтованный, насажен на вал.
• Фазная обмотка ротора — трёхфазная, обычно соединённая в «звезду». Число полюсов обмотки ротора всегда равно числу полюсов обмотки статора.
• Контактые кольца (токосъёмные кольца), изолированные друг от друга и от вала. К ним присоединены начала фаз обмотки ротора.
• Щёточный аппарат с графитовыми или медно-графитовыми щётками, скользящими по кольцам. Через щётки обмотка ротора соединяется с внешней цепью — пускорегулирующим реостатом или другими устройствами.

Принцип действия и основные соотношения

При подаче трёхфазного напряжения на обмотку статора создаётся вращающееся магнитное поле. Это поле пересекает проводники обмотки ротора, наводя в них ЭДС. Поскольку обмотка ротора замкнута через щёточно-контактный узел на внешнюю цепь, под действием ЭДС в ней возникает ток. Взаимодействие тока ротора с магнитным полем статора создаёт электромагнитную силу, приводящую ротор во вращение. Частота вращения ротора (n) всегда меньше синхронной скорости поля статора (n₁), то есть имеет место скольжение (s).

Ключевые соотношения:

• Синхронная частота вращения: n₁ = 60f / p, где f — частота сети, p — число пар полюсов.
• Скольжение: s = (n₁ — n) / n₁.
• ЭДС в обмотке ротора: E₂ = s
• E₂₀, где E₂₀ — ЭДС при неподвижном роторе (s=1).
• Частота тока в роторе: f₂ = s
• f₁.
• Сопротивление фазы ротора: R₂ = R_2р + R_2доб, где R_2р — собственное сопротивление обмотки, R_2доб — добавочное сопротивление, введённое в цепь.

Возможность изменения R_2доб является основой для управления пусковыми и рабочими характеристиками двигателя.

Пусковые характеристики и методы пуска

Основное преимущество АДФР — улучшенные пусковые свойства. При прямом пуске АДКЗ пусковой ток в 5-8 раз превышает номинальный, а пусковой момент недостаточен для тяжёлых условий пуска. В АДФР в цепь ротора на время пуска вводится ступенчатый пусковой реостат (реостатный пуск).

Принцип: увеличение активного сопротивления в цепи ротора (R_2доб) на начальном этапе приводит к увеличению пускового момента (при определённом значении достигается максимум) и одновременному снижению пускового тока. По мере разгона двигателя сопротивление реостата плавно или ступенчато уменьшают, чтобы поддерживать высокий момент, и в конце пуска полностью выводят, замыкая обмотку ротора накоротко.

Сравнение методов пуска асинхронных двигателей

Параметр	АДКЗ (прямой пуск)	АДФР (с реостатом)	АДКЗ (со звезды на треугольник)
Пусковой ток (Iп/Iном)	5-8	1.5-2.5	1.7-2.3 (относительно прямого пуска)
Пусковой момент (Mп/Mном)	1.0-1.8	2.0-2.5 (максимальный)	0.3-0.5 (относительно прямого пуска)
Плавность разгона	Низкая	Высокая (при достаточном числе ступеней)	Низкая
Стоимость и сложность	Низкие	Высокие	Средние

Регулирование частоты вращения

АДФР позволяет осуществлять регулирование скорости вниз от номинальной. Основные методы:

1. Реостатное регулирование: Введение активного сопротивления в цепь ротора. При увеличении R_2доб механическая характеристика становится более «мягкой», и при том же моменте нагрузки скольжение увеличивается, а скорость падает. Метод прост, но неэкономичен из-за больших потерь в реостате (P_потерь = s
2. P_эм). Регулирование ступенчатое, используется для двигателей кратковременного и повторно-кратковременного режимов работы (краны, лебёдки).
3. Каскадные схемы: На контактные кольца подаётся дополнительная ЭДС от другого источника (например, от другого двигателя или преобразователя частоты). Это позволяет более эффективно регулировать скорость и возвращать часть энергии скольжения в сеть. Наиболее известны схемы электромашинного каскада (двигатель Добровольского) и статического каскада с тиристорным преобразователем.

Механические характеристики

Зависимость момента от скольжения M(s) или скорости M(n) для АДФР описывается тем же уравнением Клосса, что и для АДКЗ, но с учётом переменного сопротивления ротора R₂‘ (приведённого к статору).

M = (2

• M_к) / (s/s_к + s_к/s), где

• M_к — критический (максимальный) момент. Для АДФР он не зависит от активного сопротивления ротора (при U=const).
• s_к — критическое скольжение, пропорциональное полному сопротивлению цепи ротора: s_к ≈ R₂‘ / (X₁ + X₂‘).

Таким образом, увеличивая R_2доб, мы смещаем точку s_к вправо (к большим скольжениям), сохраняя величину M_к постоянной. Это позволяет получить максимальный момент уже в начале пуска (при s=1).

Области применения

АДФР применяются там, где требуются:

• Тяжёлый пуск под нагрузкой: мельницы, дробилки, компрессоры, шаровые мельницы, где момент сопротивления велик уже на старте.
• Регулирование скорости в ограниченном диапазоне: приводы подъёмно-транспортных машин (мостовые и башенные краны, лифты), экскаваторы, тяговые приводы.
• Ограничение пускового тока в сетях с недостаточной мощностью, где прямой пуск АДКЗ недопустим.

В современных условиях, с развитием частотных преобразователей, область применения АДФР сузилась, но для мощных приводов (свыше 1-2 МВт) с тяжёлыми условиями пуска они часто остаются технически и экономически более целесообразным решением.

Достоинства и недостатки

Сравнительный анализ АДФР

Достоинства	Недостатки
Высокий пусковой момент при малом пусковом токе. Возможность плавного разгона под нагрузкой. Возможность ступенчатого регулирования скорости в диапазоне 2:1, 3:1. Большая перегрузочная способность. Меньшая чувствительность к «просадкам» напряжения в сети при пуске.	Более высокая стоимость и масса по сравнению с АДКЗ той же мощности. Наличие изнашиваемого щёточно-контактного узла, требующего обслуживания. Пониженный КПД и cos φ из-за потерь в добавочных сопротивлениях и щётках. Сложность монтажа и эксплуатации. Регулирование скорости связано со значительными потерями энергии в реостате.

Эксплуатация и техническое обслуживание

Эксплуатация АДФР требует повышенного внимания к следующим узлам:

• Щёточно-контактный узел: Необходим регулярный осмотр, замена изношенных щёток, очистка и шлифовка контактных колец. Искрение под щётками сверх допустимого — признак неисправности.
• Пускорегулирующие реостаты: Проверка надёжности контактов, отсутствия обрывов и замыканий между витами сопротивления. Реостаты должны соответствовать мощности двигателя.
• Подшипниковые узлы: Контроль уровня шума, вибрации, температуры, регулярная замена смазки.
• Изоляция: Контроль сопротивления изоляции обмоток статора и ротора мегаомметром.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается фазный ротор от короткозамкнутого?

Фазный ротор имеет трёхфазную обмотку, выведенную на контактные кольца, что позволяет подключать к ней внешние цепи (реостаты, источники ЭДС). Короткозамкнутый ротор представляет собой набор проводников, накоротко замкнутых с торцов кольцами («беличья клетка»), и не имеет выводов.

Можно ли заменить АДФР на АДКЗ с частотным преобразователем (ЧП) для кранового привода?

Технически — да, и это часто делается при модернизации. Однако необходимо провести технико-экономический расчёт. Для мощных кранов (свыше 100 кВт) первоначальные затраты на ЧП соответствующей мощности могут значительно превысить стоимость эксплуатации имеющегося АДФР с реостатным контроллером. Также ЧП требует квалифицированного обслуживания и может создавать гармонические искажения в сети.

Почему при реостатном регулировании падает КПД двигателя?

Потому что мощность скольжения (P_ск = s

• P_эм) выделяется в виде тепла не только в обмотке ротора, но и в добавочном реостате. Чем больше введённое сопротивление (и, соответственно, скольжение s), тем большая часть электромагнитной мощности преобразуется в тепло в реостате, не совершая полезной механической работы. Поэтому такой способ регулирования неэкономичен для длительного режима работы.

Что будет, если после разгона не вывести пусковой реостат и оставить его в цепи ротора?

Двигатель будет работать с повышенным скольжением, то есть на пониженной скорости. Обмотка ротора и реостат будут перегреваться из-за больших потерь. Может сработать тепловая защита, либо произойти повреждение изоляции обмотки ротора или реостата. Кроме того, механическая характеристика будет «мягкой», и двигатель будет иметь плохую перегрузочную способность.

Каковы основные неисправности АДФР и их признаки?

• Сильное искрение под всеми щётками — износ щёток, загрязнение или биение контактных колец.
• Искрение под одной-двумя щётками — возможен обрыв в фазах ротора или неравномерный контакт.
• Неравномерный нагрев фаз ротора — нарушение симметрии цепи ротора (обрыв, плохой контакт в реостате).
• Повышенная вибрация — износ подшипников, нарушение центровки, дисбаланс ротора.
• Двигатель не развивает номинальную скорость — неполное выведение сопротивления пускового реостата, ошибка в схеме управления.

Существуют ли бесконтактные АДФР?

Да, существуют конструкции с бесконтактным вводом добавочного сопротивления в ротор, например, с использованием вращающихся трансформаторов и выпрямителей. Однако они имеют более сложную конструкцию и применяются в специальных случаях. Традиционная схема с контактными кольцами остаётся наиболее распространённой.