Глава 7

Резисторы, реостаты, контроллеры.

7-1. РЕЗИСТОРЫ И БЛОКИ РЕЗИСТОРОВ

Резистор —самостоятельный элемент или узел электрического аппарата, предназначенный для поглощения электрической энергии путем превращения ее в тепловую, а также для ограничения тока в цепи. Выполняется из материала с высоким удельным сопротивлением.

В виде самостоятельных элементов резисторы могут изготовляться бескаркасными, на теплоемком каркасе, рамочными, чугунными литыми и стальными (или из другого материала) штампованными.

Несколько резисторов, электрически соединенных по заданной схеме и снабженных контактными зажимами для присоединения к электрической цепи, называются блоком резисторов.

Блоки резисторов предназначены для работы в качестве балластных, нагревательных, добавочных пусковых и пускорегулирующих, тормозных, разрядных и тому подобных сопротивлений и выполняются для работы в цепях переменного тока частотой 50и 60Гц на напряжение до 660Вив цепях постоянного тока на напряжение до 440В. Как сопротивление для заземления нейтрали синхронных генераторов и трансформаторов, а также как тормозные к синхронным двигателям они изготовляются на напряжение до 11кВ относительно земли.

Резистор на теплоемком каркасев виде цилиндра или трубки из нагревостойкого материала с достаточной диэлектрической прочностью (фарфор, стеатит, шамот и др.),а. Намотка на цилиндре обеспечивает жесткость конструкции и повышает общую теплоемкость элемента за счет теплоемкости цилиндра.

Цилиндр имеет винтообразный желобок, глубина и шаг его зависят от диаметра укладываемой проволоки. Применяется проволока диаметром 0,3—2мм. Выводы от ступеней сопротивления выполняются при помощи хомутиков. Осевое отверстие служит для крепления в ящиках —цилиндр надевается на стержень. По условиям технологии цилиндры изготовляются небольших размеров, на малые мощности.

Для проволок малых диаметров применяются цилиндры без желобков. Для улучшения теплоотдачи и предохранения проволоки от сползания резисторы покрываются сверху слоем эмали или стекла. Они изготовляются на мощности 5—150Вт и сопротивления 1Ом — 50кОм, с гибкими и жесткими выводами, нерегулируемые и регулируемые.

Рамочные резисторыпоказаны на рис. 7-1.Они состоят из стальной пластины1(рама, каркас), на боковых ребрах которой укреплены фарфоровые или стеатитовые изоляторы 2(наездники). Изоляторы имеют углубления, в которые укладывается проволока или лента сопротивления 4.Лента укладывается либо плашмя (константан), либо на ребро (фехраль). Выводы ступеней сопротивления выполняются в виде хомутиков 3или припаянных медных наконечников 5.Пластина имеет вырезы для крепления. Сборка в ящики осуществляется на изолированных стержнях. Нужные характеристики (сопротивление, ток) получаются соответствующим соединением отдельных элементов в параллельно-последовательные группы. Резисторы из константана выполняются на токи до 35А (350Вт), а из фехраля -на большие токи. Ящики из фехралевых резисторов изготовляются на большие мощности (для двигателей -от трех до нескольких тысяч киловатт).

Резисторы чугунные литые и стальные штампованныевыполняются зигзагообразной формы (рис. 7-3)с ушками для крепления. Тонким пластинам придается жесткость при помощи изолированных ребер или путем изгибания краев пластины. Резисторы собираются в блоки (рис. 7-3,д)в виде пакетов на изолированных стержнях. Необходимая схема соединений получается соответствующим расположением изоляционных и металлических дистанционных шайб. Отдельные резисторы изготовляются на токи до 250—300А, а ящики -на токи до 1000А и более.

Материалы, применяемые для изготовления резисторов, должны обладать высоким электрическим сопротивлением, высокой температурой плавления, механической прочностью и коррозионной стойкостью, хорошей обрабатываемостью и малой стоимостью. Во многих случаях требуется, чтобы материал имел возможно меньший температурный коэффициент.

Чистые металлы имеют, как правило, низкое удельное сопротивление и для изготовления резисторов используются редко. Обычно применяют медно-никелевые, марганцово-медные, хромоникелевые, железохромовые сплавы, а также литой чугун и сталь. Графит, нефтяной кокс, карборунд и другие подобные материалы идут для изготовления специальных резисторов.

Резисторы могут выполняться для продолжительного (регулировочные, нагрузочные), повторно-кратковременного (пусковые, тормозные и т. п.) и кратковременного (разрядные, пусковые, тормозные и т. п.) режимов работы. Нагрузочная способность резисторов определяется в соответствии с режимом работы на основании тепловых расчетов.

Таблица 7-1

Элементы резисторов	Кт, Вт/(см^2·К)	Поверхность теплоотдачи F
Спирали из константановой, реотановой проволоки или ленты либо из проволоки или ленты другого медно-никелевого сплава при вертикальном расположении. Трубчатые эмалированные. Фарфоровые цилиндры с обмоткой из константановой или нихромовой проволоки, уложенной в желобки. Рамочные с обмоткой из константановой или нихромовой проволоки или ленты. Чугунные спирали.	0,002 0,0021 0,023 0,001-0,0014 0,001-0,0013	Общая поверхность проволоки или ленты Наружная поверхность трубки Наружная поверхность трубки Полная поверхность проволоки Полная поверхность элемента

Нагрузочная способность резисторов при длительном режиме может быть определена из уравнения

(7-1)

Значения коэффициента теплоотдачи fcrдля некоторых резисторов приведены в табл. 7-1 [II].

Допустимую нагрузку проволоки или ленты сопротивления удобнее оценивать по допустимому току или плотности тока.

Для проволоки

(7-2) (7-3)

Так как здесь I -в метрах,d -в миллиметрах, а F —в квадратных сантиметрах, то появился множитель 10.Подставив значенияРи Fв уравнение (17-1), получим

(17-4)

(7-5)

Рис. 7-1. Рамочные резисторы.

Рис. 7-2. Блок резисторов, чугунные и стальные резисторы: а, в — чугунные; б, г — стальные с ребрами жесткости и толстые 1 — стойка; 2 — резисторы; 3 — изоляционные или металлические шайбы; 4 — присоединительные шины; 5 — изолятор, изолированный стержень.

Для ленты

(7-6) (7-7)

Последнее допущение возможно ввиду того, что толщина ленты Ьмала по сравнению с ее ширинойh.Аналогично предыдущему получим

(7-8) (7-9)

При определении нагрузочной способности для повторно-кратковременных и кратковременных режимов следует учитывать теплоемкость каркасов. Постоянная времени нагрева для элементов на теплоемком каркасе

(7-10)

где с_к, О_к, —удельная теплоемкость и масса каркаса; С_о,G_o —удельная темплоемкость и масса проволоки (обмотки); β_к, -коэффициент, учитывающий участие каркаса в теплоотводе от проволоки (β_к =0,3... 0,4при кратковременном режиме и β_к = 0,8...0,9 -при длительном).

7-2.РЕОСТАТЫ

Реостатом называется аппарат, состоящий из набора резисторов и устройства, с помощью которого можно регулировать сопротивление включенных резисторов.

В зависимости от назначения различают следующие основные виды реостатов:

пусковые —для пуска электродвигателей постоянного или переменного тока;

пускорегулирующие —для пуска и регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока;

реостаты возбуждения —для регулирования тока в обмотках возбуждения электрических машин постоянного и переменного тока;

нагрузочные или балластные —для поглощения электроэнергии регулирования нагрузки генераторов при испытании самих генераторов или их первичных двигателей.

Одним из основных элементов, определяющих общее конструктивное выполнение реостата, является материал, из которого изготовлены его резисторы. В зависимости от этого различают реостаты металлические, жидкостные, угольные и керамические. В резисторах электрическая энергия превращается в теплоту, которая должна от них отводиться. Различают реостаты с воздушным и жидкостным (масляным или водяным) охлаждением. Воздушное охлаждение может применяться для всех конструкций реостатов. Масляное и водяное охлаждение используется для металлических реостатов, резисторы могут либо погружаться в жидкость, либо обтекаться ею. При этом следует иметь в виду, что охлаждающая жидкость должна и может охлаждаться как воздухом, так и жидкостью.

Металлические реостаты.Металлические реостаты с воздушным охлаждением получили наибольшее распространение. Их легче всего приспособить к различным условиям работы как в отношении электрических и тепловых характеристик, так и в отношении различных Конструктивных параметров. Реостаты могут выполняться снепрерывнымили соступенчатымизменением сопротивления.

Переключатель ступеней в реостатах выполняется плоским.

В плоском переключателе подвижный контакт скользит по неподвижным контактам, перемещаясь при этом в одной плоскости. Неподвижные контакты выполняются в виде болтов с плоскими цилиндрическими или полусферическими головками, пластин или шин, располагаемых по дуге окружности в один или два ряда. Подвижный скользящий контакт, называемый обычно щеткой, может выполняться мостикового или рычажного типа, самоустанавливающимся или несамоустанавли-вающимся.

Несамоустанавливающийся подвижный контакт проще по конструкции, но ненадежен в эксплуатации ввиду частого нарушения контакта. При самоустанавливающемся подвижном контакте всегда обеспечиваются требуемое контактное нажатие и высокая надежность в эксплуатации. Эти контакты получили преимущественное распространение.

Достоинствами плоского переключателя ступеней являются относительная простота конструкции, сравнительно небольшие габариты при большом числе ступеней, малая стоимость, возможность установки на плите переключателя контакторов и реле для отключения и защиты управляемых цепей. Недостатки —сравнительно малая мощность переключения и небольшая разрывная мощность, большой износ щетки вследствие трения скольжения и оплавления, затруднительность применения для сложных схем соединения.

Металлические реостаты с масляным охлаждениемобеспечивают увеличение теплоемкости и постоянной времени нагрева за счет большой теплоемкости и хорошей теплопроводности масла. Это позволяет при кратковременных режимах резко увеличивать нагрузку на резисторы, а следовательно, сократить расход резистивного материала и габариты реостата. Погружаемые в масло элементы должны иметь как можно большую поверхность, чтобы обеспечить хорошую теплоотдачу. Закрытые резисторы погружать в масло нецелесообразно. Погружение в масло защищает резисторы и контакты от вредного воздействия окружающей среды в химических и других производствах. Погружать в маслоJможно только резисторы или резисторы иi контакты.

Рис. 7-3. Реостат с непрерывным изменением сопротивления.

Отключающая способность контактов , в масле повышается, что является достоинством этих реостатов. Переходное сопротивление контактов в масле возрастает, но одновременно улучшаются условия охлаждения. Кроме того, за счет смазки можно допустить большие контактные нажатия. Наличие смазки обеспечивает малый механический износ.

Для длительных и повторно-кратковременных режимов работы реостаты с масляным охлаждением непригодны ввиду малой теплоотдачи с поверхности бака и большой постоянной времени охлаждения. Они применяются в качестве пусковых реостатов для асинхронных электродвигателей с фазным ротором мощностью до 1000кВт при редких пусках.

Наличие масла создает и ряд недостатков; загрязнение помещения, повышение пожарной опасности.

Пример реостата с практически непрерывным изменением сопротивленияприведен на рис. 7-3.На каркасе 3из нагревостойкого изоляционного материала (стеатит, фарфор) намотана проволока резистора 2.Для изоляции витков друг от друга проволоку оксидируют. По резистору и направляющему токоведущему стержню или кольцу 6скользит пружинящий контакт 5,соединенный с подвижным контактом 4и перемещаемый при помощи изолированного стержня 8,на конец которого надевается изолированная рукоятка (на рисунке рукоятка снята). Корпус1служит для сборки всех деталей и крепления реостата, а пластины 7 —для внешнего присоединения.

Реостаты могут включаться в схему как переменный резистор (рис. 7-3,а) или как потенциометр (рис. 7-3,б).Они обеспечивают плавное регулирование сопротивления, а следовательно, и тока или напряжения в цепи и находят широкое применение в лабораторных условиях в схемах автоматического управления.

Рис. 7-4. Пускорегулирующий реостат: б — схема включения R_пк - резистор, шунтирующий катушку контактора в отключенном положении реостата; R_огр — резистор, ограничивающий ток в катушке; Ш1, Ш2 — параллельная обмотка возбуждения; С/, С2 — последовательная обмотка возбуждения

Рис. 7-5. Реостат возбуждения: б — одна из схем включения R_пр - сопротивление предвключенное; OВ — обмотка возбуждения

Рис. 7-6. Маслонаполненный реостат серии РМ: а – общий вид; б – схема.

Реостаты со ступенчатым изменением сопротивления(рис. 7-4и 7-5)состоят из набора резисторов Iи ступенчатого переключающего устройства.

Переключающее устройство состоит из неподвижных контактов 2и 3,подвижного скользящего контакта 4и привода 5.В пускорегулирующем реостате (рис.7-4)к неподвижным контактам присоединены полюсЛ1и полюс якоря Я, отводы от элементов сопротивлений, пусковых Яд и регулировочных Яр, согласно разбивке по ступеням и другие управляемые реостатом цепи (контакторы 6;релеРМ}.Подвижный скользящий контакт производит замыкание и размыкание ступеней сопротивления, а также всех других управляемых реостатом цепей. Привод реостата может быть ручной (при помощи рукоятки) и двигательный.

Реостаты по типу приведенных на рис. 7-4и 7-5нашли широкое распространение. Их конструкции обладают, однако, некоторыми недостатками, в частности большим числом крепежных деталей и монтажных проводов, особенно в реостатах возбуждения, которые имеют большое число ступеней.

Маслонаполненный реостатсерии РМ, предназначенный для пуска асинхронных двигателей с фазным ротором, приведен на рис. 7-6.Напряжение в цепи ротора до 1200В, ток 750А. Коммутационная износостойкость 10000операций, механическая — 45 000.Реостат допускает 2—3пуска подряд.

Реостат состоит из встроенных в бак и погруженных в масло пакетов резисторов и переключающего устройства. Пакеты резисторов набираются из штампованных из электротехнической стали элементов и крепятся к крышке бака. Переключающее устройство —барабанного типа, представляет собой ось с закрепленными на ней сегментами цилиндрической поверхности, соединенными по определенной электрической схеме. На неподвижной рейке укреплены соединенные с резисторными элементами неподвижные контакты. При повороте оси барабана (маховиком или двигательным приводом) сегменты как подвижные скользящие контакты перемыкают те или иные неподвижные контакты и тем самым меняют значение сопротивления в цепи ротора.

7-3.КОНТРОЛЛЕРЫ

Контроллеры применяются для управления двигателями постоянного и переменного тока, в частности подъемно-транспортных установок. Получение различных схем соединений двигателя с сетью, резистором пусковым и регулировочным и тому подобными устройствами достигается поворотом рукоятки на определенный угол.

Конструктивно контроллер представляет собой многоступенчатое контактное переключающее устройство, не связанное в одно целое с резистором. Отделение переключающего устройства от резистора вызвано либо большими габаритами последнего, либо условиями эксплуатации и размещением оборудования. Например, контроллер располагается в кабине оператора, а резистор выносится за пределы этой кабины.

Контроллеры строятся трех типов: плоские, барабанные и кулачковые.

Плоские контроллерымогут выполняться на большее число ступеней по сравнению с барабанными и кулачковыми, но переключающая способность их меньше, чем у последних. Они применяются в случаях, когда требуется большое число ступеней, а также для одновременного управления и регулирования в нескольких цепях при малых токах и нечастых переключениях. Конструкция их выполняется по принципу переключающих устройств реостатов (см. рис. 7-4).

Барабанные контроллеры,конструкция которых аналогична устройству на рис.7-6,применяются для управления двигателями мощностью до 75кВт. Переключающая способность их невелика. Они допускают 120-240переключении в час.

Кулачковые контроллерыдопускают до 600переключении в час. Они могут выполняться на большие токи по сравнению с барабанными. Контактное устройство их работает аналогично контактному устройству контакторов, т. е. каждый коммутационный элемент имеет дугогасительную систему. Поэтому они обладают высокой отключающей способностью. Управление контактами осуществляется фигурными кулачками. Передача движения через вращающийся

52