Асинхронный двигатель с фазным ротором

Асинхронный двигатель с фазным ротором — это тип асинхронного электродвигателя, в котором ротор имеет трёхфазную обмотку, аналогичную статорной, и выведен на контактные кольца. В отличие от двигателя с короткозамкнутым ротором, фазный ротор позволяет включать в цепь ротора внешние резисторы или другие регулирующие устройства, что обеспечивает плавный пуск, регулирование частоты вращения и улучшение пусковых характеристик. Относится к классу машин переменного тока, широко применяется в промышленности, где требуются высокие пусковые моменты и регулировка скорости.

История

Первые асинхронные двигатели были разработаны в конце XIX века. В 1888 году Никола Тесла получил патенты на многофазные асинхронные машины, а в 1889 году Михаил Доливо-Добровольский создал первый практически пригодный трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Однако для задач, требующих регулирования скорости и высокого пускового момента, потребовалась конструкция с фазным ротором. В 1890-х годах Доливо-Добровольский и другие инженеры разработали двигатели с контактными кольцами и внешними сопротивлениями. В XX веке такие двигатели стали стандартом для крановых установок, экскаваторов, прокатных станов и другого тяжёлого оборудования. С развитием силовой электроники и частотных преобразователей сфера применения фазных двигателей сократилась, но они остаются востребованными в условиях высоких нагрузок и агрессивных сред, где электроника ненадёжна.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Асинхронный двигатель с фазным ротором состоит из двух основных частей: статора и ротора.

• Статор — неподвижная часть, представляющая собой цилиндрический магнитопровод из листовой электротехнической стали с пазами, в которые уложена трёхфазная обмотка. Обмотка статора подключается к сети переменного тока.
• Ротор — вращающаяся часть, также имеет магнитопровод с пазами, в которых размещена трёхфазная обмотка, соединённая — обычно в звезду. Выводы обмотки ротора присоединены к трём контактным кольцам, укреплённым на валу. Через щёточный аппарат кольца соединяются с внешними цепями — пусковыми или регулировочными резисторами, реостатами или другими устройствами.

Отличительной особенностью является наличие щёточно-контактного узла, который требует обслуживания и изнашивается, что является недостатком по сравнению с короткозамкнутым ротором.

Принцип работы

При подаче трёхфазного напряжения на обмотку статора в нём возникает вращающееся магнитное поле. Это поле индуцирует ЭДС в обмотке ротора. Поскольку цепь ротора замкнута (через внешние резисторы или накоротко), в ней протекает ток. Взаимодействие тока ротора с магнитным полем статора создаёт электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение. Скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения поля (отсюда название «асинхронный»). Разница между скоростями характеризуется скольжением.

Включение внешних резисторов в цепь ротора увеличивает активное сопротивление, что изменяет форму механической характеристики: увеличивается пусковой момент, снижается пусковой ток, появляется возможность регулирования скорости в определённом диапазоне.

Классификация

Асинхронные двигатели с фазным ротором классифицируются по нескольким признакам:

• По способу охлаждения: с естественным охлаждением, с принудительной вентиляцией (самовентиляцией или независимым обдувом), с водяным охлаждением.
• По степени защиты: открытые, защищённые, закрытые (IP23, IP44, IP54 и др.).
• По конструктивному исполнению: на лапах, с фланцем, комбинированные.
• По роду тока ротора: только переменного тока (трёхфазные).
• По назначению: общепромышленные, краново-металлургические, взрывозащищённые, для тяжёлых условий пуска.

Характеристики

Основные параметры асинхронного двигателя с фазным ротором:

• Номинальная мощность — от единиц киловатт до нескольких мегаватт.
• Номинальное напряжение — 220/380 В, 380/660 В, 6 кВ, 10 кВ и выше.
• Синхронная частота вращения — определяется числом пар полюсов (обычно 3000, 1500, 1000, 750 об/мин).
• Пусковой момент — может достигать 2–3 номинальных значений при введении внешних сопротивлений.
• Пусковой ток — снижается до 1,5–2,5 номинального при полном введении реостата (против 5–7 для короткозамкнутого ротора).
• Диапазон регулирования скорости — обычно 2:1 или 3:1 при реостатном регулировании, возможен и более широкий при использовании каскадных схем.
• КПД — 85–95% в зависимости от мощности и исполнения.
• Коэффициент мощности (cos φ) — 0,7–0,9.

Применение

Асинхронные двигатели с фазным ротором используются в тех случаях, когда требуется:

• Плавный пуск с большим пусковым моментом и ограниченным пусковым током. Например, в приводах шаровых мельниц, дробилок, цементных печей.
• Регулирование скорости в ограниченном диапазоне без использования частотных преобразователей. Применяются в крановых механизмах, лебёдках, экскаваторах, подъёмниках.
• Работа в тяжёлых условиях — высокая запылённость, вибрации, частые пуски и реверсы. Характерно для металлургической, горнодобывающей, угольной промышленности.
• Постоянная работа с большими перегрузками — в прокатных станах, бумагоделательных машинах, насосах и компрессорах большой мощности.

В России и странах бывшего СССР такие двигатели широко представлены сериями: 4АК, АК, АКН, ДАЗО, 5АНК, а также специализированными крановыми сериями (например, МТН, МТК — хотя последние часто имеют короткозамкнутый ротор, но существуют и фазные варианты).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокий пусковой момент (до 2,5–3 номинального) при малом пусковом токе (1,5–2,5 номинального).
• Возможность плавного пуска и регулирования скорости без сложной электроники.
• Устойчивость к перегрузкам и тяжёлым условиям эксплуатации.
• Простота ремонта и обслуживания в условиях отсутствия квалифицированного персонала.
• Низкая стоимость по сравнению с двигателями постоянного тока аналогичной мощности.

Недостатки

• Наличие щёточно-контактного узла, требующего периодического обслуживания и замены щёток и колец.
• Меньший КПД при реостатном регулировании из-за потерь в резисторах.
• Ограниченный диапазон регулирования скорости (обычно 2:1) при реостатном способе.
• Большие габариты и масса по сравнению с короткозамкнутыми двигателями той же мощности.
• Сложность автоматизации процесса регулирования.

Регулирование скорости

Существует несколько способов регулирования частоты вращения асинхронного двигателя с фазным ротором:

1. Реостатное регулирование — изменение сопротивления в цепи ротора. Наиболее простой и распространённый способ, но энергетически неэффективный (потери в резисторах). Позволяет регулировать скорость вниз от номинальной.
2. Каскадное регулирование — включение в цепь ротора дополнительной электрической машины (преобразователя частоты) или тиристорного преобразователя. Позволяет возвращать энергию скольжения в сеть (каскад с возвратом энергии) или преобразовывать её в механическую (асинхронно-вентильный каскад). Обеспечивает более широкий диапазон и высокий КПД.
3. Частотное регулирование — изменение частоты питающего напряжения на статоре. Применимо и для фазных роторов, но требует сложного преобразователя. В современных условиях часто заменяет реостатное регулирование.
4. Переключение числа пар полюсов — ступенчатое изменение скорости, возможно только для специальных двигателей с переключаемой обмоткой статора.

Сравнение с двигателем с короткозамкнутым ротором

Интересные факты

• В СССР и России для крановых установок широко применялись двигатели серии МТН (с фазным ротором) и МТК (с короткозамкнутым). Двигатели МТН имели встроенный тормоз и контактные кольца.
• Крупнейшие асинхронные двигатели с фазным ротором могут иметь мощность до 20 МВт и более, например, для привода шаровых мельниц на горно-обогатительных комбинатах.
• В некоторых старых конструкциях вместо резисторов использовались жидкостные реостаты (с электролитом), что позволяло плавно изменять сопротивление.
• С развитием частотных преобразователей доля фазных двигателей в новых установках снижается, но в ремонтном фонде и на предприятиях с изношенным оборудованием они остаются массовыми.

Источники

• Копылов И. П. «Электрические машины» — учебник для вузов, 5-е издание, 2004.
• Вольдек А. И. «Электрические машины» — учебник, 3-е издание, 1978.
• ГОСТ 16264.1-85 «Двигатели асинхронные. Общие технические условия».
• Каталоги и технические описания серий 4АК, АКН, ДАЗО, МТН (заводы-изготовители: «Электромашина», «Сибэлектромотор», «Уралэлектро»).
• Справочник по электрическим машинам под ред. И. П. Копылова, 1989.