книги / Электрические аппараты. Общий курс

При включении автоматов (см. гл. 18), имеющих электромаг­ нитный привод, при включении высоковольтных выключателей (см. гл. 19) необходимо провести целый ряд коммутационных операций, при которых вначале схема подготавливается к включению (запу­ скается звуковая сигнализация, включаются лампы мигания и т. д.), а затем происходит включение или соответственно отключение аппа­ рата. В подобных случаях пользуются ключами управления. Кон­ тактная система этих ключей аналогична контактам пакетного вы­ ключателя (§ 16-3).

В отличие от переключателя УП вал переключателя управления имеет как фиксированные положения, так и нефиксированные, из которых он автоматически возвращается после того, как на вал пере­ станет действовать оператор. Переключатель имеет два фиксирован­ ных положения рукоятки управления — горизонтальное и вертикаль­ ное и два нефиксированных (45° от вертикального по часовой стрел­ ке и 45° от горизонтального против часовой стрелки).

Рассмотрим диаграмму (рис. 9-11). В положении «отключено»

(О)ручка стоит горизонтально. При этом замкнуты цепи /, 4У5, 8

и14. Для включения ручка переводится в положение «предваритель­ но включить» (Æi). При этом замыкаются цепи 2, 3 и 7, 9. Для вклю­

чения аппарата рукоятка поворачивается по часовой стрелке еще на 45° (положение В2). При этом замыкаются цепи 2, б, 9, 11, 13. После включения аппарата рукоятка отпускается и она автоматически воз­ вращается в вертикальное положение — положение «включено» (за­ мыкаются цепи 2, 3, 7, 9 и 13). При отключении рукоятка поворачи­ вается сначала в горизонтальное положение (операция 0\ — «пред­ варительно отключить»), затем рукоятка поворачивается еще на 45° против часовой стрелки. После этого устанавливается в положе­ ние О.

9-4. Резисторы пусковых и пускорегулирующих реостатов

а) Общие сведения. В зависимости от назначения ре­ зисторы делят на следующие группы: пусковые, тормоз­ ные, регулировочные, добавочные, экономические, разрядные, балластные, нагрузочные, нагревательные, заземляющие, установочные.

Пусковые, тормозные, разрядные, заземляющие рези­ сторы в основном предназначены для работы в кратко­ временном режиме и должны иметь возможно большую постоянную времени нагрева. Особых требований к ста­ бильности резисторов не предъявляется. Все остальные резисторы работают в основном в длительном режиме, требуют развитой поверхности охлаждения. Сопротивле­ ние резистора должно быть стабильным. Подобная классификация резисторов и перечень требований к ним приведены в [Л. 9-1]. В зависимости от материала про­ водника различают резисторы металлические, жидкост­ ные, угольные и керамические. В промышленном электро­

приводе наибольшее распространение получили металли­ ческие резисторы. Керамические (нелинейные) резисторы широко применяются в высоковольтных аппаратах —

разрядниках.

б) Материалы резисторов. С целью сокращения габаритов рези­ сторов удельное сопротивление материала должно быть возможно выше. Рабочая температура материала резистора также должна быть возможно больше, что позволяет сократить массу материала и поверхность охлаждения реостата (§ 2-4).

Для того чтобы сопротивление резистора не зависело от темпе­ ратуры, температурный коэффициент сопротивления резистора дол­ жен быть возможно меньше.

В элементах, предназначенных для работы на воздухе, материал не должен подвергаться коррозии при нагреве либо должен образо­ вывать защитную пленку. В табл. 9-1 приведены основные данные

техническая (Fe, Si)

С таль имеет малое удельное сопротивление. На воздухе сталь интенсивно окисляется, поэтому может применяться только в масля­ ных реостатах. Рабочая температура целиком определяется нагревом

трансформаторного масла и не превышает 115°С. Температурный коэффициент велик, поэтому сталь нельзя применять для резисторов, сопротивление которых должно быть стабильным. Единственное до­ стоинство этого материала — дешевизна.

шее, чем у стали, удельное сопротивление, относительно небольшой температурный коэффициент сопротивления. Рабочая температура чугуна достигает 400°С. Элементы резистора изготавливаются из чу­ гуна путем литья. Ввиду хрупкости чугуна для получения необходи­ мой механической прочности сечение элемента должно быть доста­ точно большим. Поэтому чугунные резисторы имеют большую пропускную способность по току и применяются при больших мощ­ ностях.

Ввиду недостаточной стойкости чугунных элементов при вибра­ циях и ударах этот материал используется для стационарных уста­

материала для резисторов. За счет присадки кремния удельное со­ противление этой стали почти втрое выше, чем у обычной стали. Зигзагообразные элементы из листовой стали получают штамповкой. Температурный коэффициент сопротивления стали ЭИ велик, поэто­ му она применяется только для пусковых резисторов. Стальные элементы резисторов, как правило, работают в трансформаторном

масле.

Для реостатов, требующих сохранения постоянства сопротивле­ ния, может применяться к о н стан та н, который свое наименование получил благодаря малому температурному коэффициенту сопро­ тивления. Материал не подвергается коррозии при работе на возду­ хе и имеет максимальную рабочую температуру 500°С. Большое зна­ чение удельного сопротивления позволяет создать элементы малого габарита. Материал широко применяется в виде проволоки и ленты. Нихромы, обладая высоким р и высокой рабочей температурой, употребляются в основном для изготовления нагревательных рези­ сторов, где удается более полно использовать их рабочие харак­

теристики.

В настоящее время для резисторов широко применяется более дешевый жаростойкий сплав 0Х23Ю5. Удельное сопротивление его более чем в 2 раза выше, чем у константана, а рабочая температура достигает 850°С.

в) Конструкция резисторов. Резисторы в виде свободной спира­ ли из проволоки или ленты изготавливаются путем навивки прово­ локи или ленты на цилиндрической оправке «виток к витку». Необ­ ходимый зазор между витками получается .при растяжении спирали в момент крепления ее к опорным изоляторам — роликам, изготов­ ленным из фарфора. Такие элементы легко изготовить при наличии простейшего оборудования. Недостатком такой конструкции являет­ ся малая жесткость, что заставляет снижать рабочую температуру материала (100°С для -Константиновой спирали). Поскольку тепло­ емкость такого резистора определяется только массой резистивного материала, постоянная времени таких резисторов мала.

Свободную спираль целесообразно использовать для длительно­ го режима работы, так как в отдаче тепла участвует полностью вся поверхность проволоки или ленты [удельный коэффициент теплоот­ дачи до 20 Вт/(м2*°С)].

Согласно [Л. 9-1] допустимый ток_спирали из константана ра­ вен для круглого сечения I = 3,2\d\^d\ для плоской ленты / —

= 2,89hV Ь.

Постоянные времени для этих спиралей согласно [Л. 9-1] рав­ ны: для круглого сечения r=44,5d; для плоской ленты Т = 89 Ь. В формулах для тока / и постоянной времени T d — диаметр прово­ да круглого сечения, мм; h — высота, мм; b — толщина для спира­ лей из тонкой ленты, мм.

Рис. 9-12. Резистор на керамическом каркасе.

Для увеличения жесткости спирали проволока может наматы­ ваться на фарфоровый каркас в виде трубки (рис. 9-12). Спиральная канавка на поверхности предотвращает замыкание витков между собой. Такая конструкция позволяет повысить рабочую температуру резистора из константана до 500°С.

В процессе нагрева участвует не только проволока, но и сам кар­ кас. Постоянная времени такого элемента равна:

J,_ Рк^к ~Ь ^пр

“kS

где Gк — масса каркаса; Gnp — масса провода.

Коэффициент р„ учитывает, что в переходном режиме теплоем­ кость каркаса не используется полностью. Чем быстрей идет процесс нагрева во времени, тем меньше коэффициент (Зк. В кратковремен­ ных режимах работы рк падает до 0,3—0,4. За поверхность охлаж­ дения резистора S принимается цилиндрическая поверхность карка­ са без учета желобков. Коэффициент теплоотдачи k=2l~- 23 Вт/(м2-°С). Даже при кратковременном режиме работы каркас более чем в 2 раза увеличивает постоянную нагрева за счет своей

большой массы.

При диаметре провода, меньшем 0,3 мм, канавка на поверхности цилиндра не делается, изоляция между витками создается за счет окалины (пленки окислов), образующейся при нагреве проволоки. Для предохранения от механических повреждений провод сверху по­ крывается стеклоэмалью. Такие трубчатые резисторы марки ПЭ ши­ роко применяются для управления двигателями малой мощности, в качестве разрядных, экономических сопротивлений в цепях автома­ тики и др. Эти резисторы имеют максимальную мощность до 150 Вт, а их постоянная времени 200—300 с.

соединяются параллельно. Отпайки резисторов привариваются к спи­ рали и при монтаже не могут перестанавливаться.

Жаростойкие резисторы имеют малый температурный коэффи­ циент сопротивления и большую механическую жесткость,, благодаря чему находят самое широкое распространение в установках, под­ верженных тряске, вибрациям. Они обладают высокой термической устойчивостью, допуская кратковременный нагрев до 850°С. Дли­ тельная допустимая температура 300°С.

Чугунные резисторы, широко применяемые для двигателей мощ­ ностью от трех до нескольких тысяч киловатт, имеют форму зигзага и изготовляются отливкой из электротехнического чугуна. Для боль­ ших токов резисторы изготавливаются в 2 раза большей толщины, чем при малых (рис. 9-15, а и б). Для соединения друг с другом рези­ сторы на концах имеют ушки (бобышки) с отверстиями для крепления.

*)

Рис. 9-15. Чугунные резисторы.

Максимальная рабочая температура равна 400°С. Однако нор­ мальная мощность резисторов выбрана из расчета 300°С. Сопротив­ ление чугунных резисторов в значительной степени зависит от тем­ пературы, поэтому они применяются как пусковые. Их собирают в ящики с помощью стальных стержней 2, изолированных от бобы­ шек миканитом (рис. 9-16).

В месте последовательного соединения элементов прокладывает­ ся металлическая шайба. На противоположном конце между бобыш­ ками кладется слюдяная шайба. Отводы делаются с помощью спе­ циальных зажимов — башмаков (рис. 9-15,в, г), которые устанавли­ ваются между бобышками соседних резисторов.

После сборки всех резисторов на стержень надевается стальная пружина, которая и затягивается гайкой. Наличие пружины позволя­ ет создать необходимое нажатие между бобышками при рабочих температурах. Стержни укрепляются в стойках 1 с помощью про­ ходных изоляторов. В ящиках резисторы комплектуются таким обра­ зом, чтобы общая мощность ящика не превосходила 4,5 кВт. Все

ящики резисторов ЯС имеют стандартные габариты. При монтаже реостатов ящики монтируются друг на друге. При этом воздух, на­ гретый в нижних ящиках, омывает верхние, ухудшая охлаждение последних. В связи с этим число ящиков, смонтированных друг на друге, не должно превышать трех. В том случае, когда вертикально монтируется более трех ящиков, зазор между ними должен быть не менее 80-10-3 м.

Рис. 9-16. Ящик чугунных резисторов.

Для ответственных электроприводов, требующих бесперебойной работы, целесообразно реостат собирать из стандартных ящиков (без отводов внутри ящика). При повреждении резистора в ящике рабо­ тоспособность схемы быстро восстанавливается путем замены не­ исправного ящика на новый.

Поскольку температура воздуха вблизи резисторов высока, подвод тока к ящикам или башмакам необходимо производить либо голым проводом или шиной, либо применяя нагревостойкую изоля­ цию. В связи с малой механической прочностью в установках, подвер­ женных ударам и вибрации, чугунные резисторы не применяются.

чина электрического сопротивления пускового резистора выбирается таким образом, чтобы в процессе пуска избе­ жать больших толчков тока, опасных для двигателя и сети, и, с другой стороны, обеспечить разгон двигателя за требуемое время. Детально этот вопрос рассмотрен в [Л .9-2,9-3].

После расчета величины сопротивления производятся выбор и расчет резистора по нагреву. Температура рези­ стора в любых режимах не должна превышать допусти­ мой для данной конструкции.

В процессе пуска двигателя ток в резисторе меняется во времени. Если длительность обтекания резистора то­ ком мала по сравнению с его постоянной времени Т9 то расчет можно вести по эквивалентному току / э.т, тепловой эффект которого за время работы таков же, как и реаль­ ного тока (эквивалентный ток по теплу) :

где /р — время прохождения тока через резистор. В этом случае теплоотдачей можно пренебречь. Температура нагрева от реального тока и тока, эквивалентного по теплу, будет одинакова.

Для определения тока, эквивалентного по теплу, можно воспользоваться реальной криво» тока, построить зависимость i2 (t) и интегрирование провести графиче­ ским путем. Достаточно точный для практики результат можно получить, заменяя кривые спада тока отрезками прямых [Л .9-2].

Наряду с эквивалентным током по теплу / э.т сущест­ вует эквивалентный ток по нагреву / э.н— ток, который, проходя по сопротивлению, нагревает его до той же тем­ пературы, что и реальный ток. При сделанном допущении tv<^T эквивалентный ток по теплу равен эквивалентному току по нагреву:

^э.т ^э.н*

Зная / э.т и /э.н можно найти необходимый резистор, если в каталоге приведен ток кратковременного режима

для заданного времени работы tv.

Обычно в каталогах задан длительный допустимый ток нагруз­ ки. В этом случае необходимо перейти к эквивалентному длитель­ ному току, который нагревает резистор до той же температуры, что и пусковой. Ниже приводится проверка резистора, предназначен­ ного для пуска 'шунтового двигателя (пример взят из [Л. 9-2]). Пуск производится 1 раз в смену. Номинальный ток двигателя

120 А, относительный пиковый момент двигателя Mf=2, момент переключения Л4§=0,8, пиковый ток 2/п, ток переключения 0,8/н.

но меньше Т, то эквивалентный ток по теплу /э.т равен эквивалент-

1г = 2/н = 240А; /2 = 0,8/н = 96А; / р1 = 173,5А.

Так как пусковой резистор должен допускать трехкратный пуск, то для первой ступени

/pi = 3^ = 3-1,35 = 4,05с.

Воспользовавшись для кратковременного режима кривой на

ный ток резистора

^э.дл — 0,13/рх —22,6А,

Для второй ступени резистора /р* = 3/а = 3-1,9 = 5,7с.

Поскольку пик тока и ток переключения такие же, как и для первой ступени, то /Р1= / Р2. Для данной ступени (fP2/T) =0,023. С помощью кривой на рис. 2-13 находим /э.дл = 26 А. Так как дли­ тельный ток резистора 33 А, то резистор проходит по нагреву.

Аналогичным путем ведется расчет для самого общего случая'— перемежающегося режима (§ 2-5). Если время цикла fpi + 1$2 мало по сравнению с постоянной времени Т, то уравнение (9-1) можно упростить [Л. 9-3]:

(9-2)

Расчет по формуле (9-2) не требует знания постоян­ ной времени Т, более прост, чем расчет по формуле (9-1), и дает результат с запасом. Формула (9-2) может быть рекомендована для предварительных расчетов.

Для повторно-кратковременного режима работы /pi = /p = co n st, / Р2 = 0. В этом случае согласно § 2-5 для любого значения tp/T имеем:

(9-3)

Если ^Р/Т<С1, то формула(Э-З) может быть упрощена