Глава 6 параметрические и бесконтактные приборы и устройства

6.1 Резисторы

Резисторы так же, как реакторы и конденсаторы, относят к параметрическим аппаратам.

Назначение резисторов — поглощать энергию и рассеивать ее в окружающее пространство. Мощность, поглощаемая резистором,

.

Эта мощность вызывает в резисторе тепловой процесс, который можно описать дифференциальным уравнением

, (6.1)

где С, с — соответственно теплоемкость и удельная теплоемкость резистора, m — масса резистора; В — теплорассеяние; — площадь поверхности ичиоотдачи; — коэффициент теплоотдачи; — превышение температуры ннд температурой окружающей среды.

Номинальная мощность резистора определяется его установившимся (неограниченным по времени) режимом работы, когда вся поглощаемая энергия полностью рассеивается, а превышение температуры соответствует допустимому . При таком режиме

Для других режимов уравнение (6.1) решается так

,

где — начальное превышение температуры резистора; const мощность, поглощаемая резистором и соответствующая I=const.

Обычно I const, тогда с некоторыми допущениями считают постоянным его эффективное значение

Постоянная времени теплового процесса

,

где — превышение температуры при установившемся режиме, соответствующем рассматриваемому процессу нагревания.

Для номинального режима постоянная времени

Если не учитывать начальное превышение температуры , предполагая, что температура резистора при включении соответствует температуре окружающей среды, то для и

Это экспонента, практически достигающая значения при

t > 3 . Для того же резистора изменение превышения установившейся температуры с до любого произойдет при:

и

где k — коэффициент кратности мощности относительно мощности .

Для любого режима постоянной мощности или тока уравнение нагревания без учета начального превышения температуры

.

Процесс нагревания аналогичен происходящему при номинальном режиме, но значения т в одни и те же моменты времени изменяются в k раз. Расчетные процессы нагревания не полностью соответствуют действительным, так как не учитывается влияние температурных коэффициентов, изменяющих сопротивление R одного и того же резистора при изменениях температуры, неравномерность охлаждения отдельных элементов и ряд других факторов.

Резисторы, применяемые на э. п. с, подразделяют на три группы: группа I — резисторы силовых цепей с элементами высокой мощности; группа II — преимущественно резисторы вспомогательных цепей и некоторых цепей управления с элементами средней мощности; группа III — маломощные резисторы цепей управления.

В качестве материала сопротивления для резисторов группы I преимущественно используют фехраль: сплав железа, хрома, алюминия марок Х13Ю4, Х15Ю5, имеющий удельное сопротивление (1,26 0,08) Ом м /м и температурный коэффициент 1,5 1/°C. Для фехралевых резисторов допущены местные максимальные превышения температуры до 800°С. По условиям пожарной безопасности и воздействия на элементы оборудования для ленточных резисторов группы I обычно допускают < 250 450°C.

Для изготовления резисторов группы II применяют проволоку из фехраля или нихрома. Нихром — сплав железа, хрома и никеля марки Х15Н60, удельное сопротивление 1,07—1,12 Ом м /м, температурный коэффициент 16 1/°С. Местные превышения температуры резисторов с нихромовой проволокой допускают до .

Для резисторов группы III, кроме нихромовой проволоки, чаще всего используют константан — медно-никелевый сплав, имеющий удельное сопротивление 0,45—0,52 Ом-м /м, температурный коэффициент; практически равный нулю; наибольшие местные превышения температуры не выше 350 °С.

Рис. 6.1. Элемент фехралевого ленточного резистора типа КФ (а) и блок peзисторов (б):

1 - коробчатый держатель; 2 - кордиарнтовые ребристые изоляторы: 3 - лента резистора; 4 - вывод промежуточный; 5 - вывод концевой; 6 - шпилька изолированная: 7 - каркас; 8 - слюдопластовые трубки; 9 - фарфоровые шайбы; 10 - соединительные шины; 11 - выводы

На отечественном э.п.с. наиболее широкое распространение получили ленточные резисторы группы I типа КФ.

Элементы резисторов КФ (рис. 6.1) имеют унифицированную конструкцию и подразделяются на четыре типоразмера, основные данные которых следующие:

Мощность при температуре 350 °С, Вт	2900	2150	1820	920
Расстояние по осям шпилек , мм	780	600	520	290
Пределы сопротивлений элемента. Ом	0,265-1,05	0,2-2.0	0.165-1,7	0,102 -0,84
Масса обмотки, кг	3,96-4,2	1,7-3,8	1,5-3,2	0,7-1.4
Масса элемента, кг	6,6	3,1-5,2	2,9-4,6	1,8-2,7

В каждом типоразмере предусмотрено по восемь градаций токов в пределах от 33 до 103 А, что дает возможность, соединяя элементы последовательно и параллельно, получать нужные сопротивления резистора с минимальным числом промежуточных выводов 4 (рис. 6.1, а), которые, как и концевые 5, припаивают к ленте резистора латунью. Блок пусковых резисторов, электровоза с обдуваемыми элементами КФ (рис. 6.1, б) выполнен с несущим каркасом, не перекрывающим доступ охлаждающему воздушному потоку.

Фехралевые ленточные резисторы группы I (тип ЛФ), имеющие также достаточно широкое распространение, особенно на электровозах переменного тока и в зарубежной практике, выполняют иначе (рис. 6.2). Ленту 4 из фехраля обычно гофрируют для придания ей большей жесткости и улучшения условий теплоотдачи и закрепляют стальными держателями 3 в рамке, образованной изолированными шпильками 2 с установленными на них керамическими дистанционными изоляторами 5.

Рис. 6.2. Резистор ослабления возбуждения типа ОПС-138 на основе элементов ЛФ:

1 — элементы каркаса; 2— шпильки изолированные; 3 — держатель ленты; 4 — лента фехралевая; 5 — дистанционные изоляторы; 6 — шайба

В состав рамки входят также элементы соединительного каркаса 1. Лента 4 непосредственно не соприкасается с изоляционными деталями, что улучшает теплоотдачу от нее; ее температурные деформации компенсируются как упругостью держателей, так и благодаря овальным отверстиям в местах их насадки на шпильки 2. Осуществить принудительное эффективное охлаждение резисторов достаточно сложно. Из-за экранирования обмотки фарфоровыми изоляторами уже в четвертом ряду мощность элементов КФ снижается приблизительно па 44 %, резисторов типов ЛФ — на 17- 20 %. Это зависит не только от самих резисторов, но также от конструкции камер, воздушных каналов и др.

Расчет воздушного охлаждения резисторов сложен и недостаточно точен, так как невозможно точно учесть все факторы, влияющие на процесс охлаждения. Приблизительно общий расход охлаждающего воздуха, /с,

,

где 1>1 кг/ — плотность воздуха при атмосферном давлении и температуре; 250 °С — допустимое по условиям пожарной безопас¬ности превышение температуры воздуха на его выходе; — коэффициент, учитывающий неравномерность воздушного потока.

Средняя скорость воздушного потока, м/с.

где — площадь проходного сечения для воздушного потока, . На точность влияет, прежде всего, изменение плотности и теплопроводности охлаждающего воздуха в зависимости от температуры v (рис. 6.3). Теплопроводность воздуха в значительной степени определяет, как и скорость воздушного потока, коэффициент теплоотдачи , который также непостоянен; например для резисторов КФ по внешней поверхности 32 45 Вт/ . Поэтому необходимо убедиться, что превышения температур отдельных элементов в установившихся режимах не выходят за пределы допустимых (местные превышения): соответственно

Превышение температуры воздуха, омывающего элемент n

Рис. 6.3 Зависимость плотности и теплопроводности воздуха от температуры

Рис. 6.4 Элемент резистора типа СР (а) и собранный резистор (б)

Величины с индексом i относятся к элементам, последовательно расположенным в воздушном потоке до рассматриваемого элемента n. Приведен ориентировочный расчет нагревания.

В

Рис. 6.5 Элемент резистора типа ПЭВ:

1 – трубка керамическая; 2 – провод; 3 – эмалевое покрытие; 4 – гибкий вывод

группе II наиболее распространенным является элемент типа CP (рис. 6.4, о). В нем на фарфоровую трубку 2 с винтовой канавкой наматывают проволоку 3 из фехраля диаметром до 1,6 мм или из нихрома диаметром до 2 мм, концы которой закрепляют в отверстиях трубки 1. К ним припаивают выводные зажимы 6. Для подбора нужного сопротивления имеется передвижной хомут 1 с винтовым креплением. Резисторы из элементов можно собирать на панелях с помощью лап 5, прикрепленных к элементу шпилькой 4, или укреплять их на общих шпильках 4, применяя фарфоровые шайбы 7, держатели 8 и перемычки 9 (рис. 6.4, б).

Резисторы группы III преимущественно формируют из элементов с эмалевым покрытием типов ПЭ и особенно ПЭВ с повышенной влагостойкостью. Резисторы ПЭВ (рис. 6.5) изготовляют, наматывая константа новый провод на гладкую керамическую трубку с последующим покрытием теплостойкой эмалью, обеспечивающей после выпечки надежную защиту резистора.