Резисторы и реакторы

Резисторы. Резисторы (реостаты) применяют в силовых цепях э. п. с. для пуска тяговых двигателей, нагрузки их при реостатном торможении, шунтирования обмоток возбуждения двигателей для ослабления возбуждения, а также в качестве стабилизирующих и переходных, для ограничения пускового тока вспомогательных машин, в качестве добавочных, в цепи катушек реле и других аппаратов.

Реостаты собирают из элементов, которые объединяют в ящики или монтируют на панелях и каркасах, отдельных или общих с другими аппаратами. Элементы одной и той же конструкции и размеров выполняют с различным сопротивлением. При этом в продолжительном режиме они имеют различный ток, но обычно одинаковую мощность. Применяемые на отечественном подвижном составе в цепях высокого напряжения резисторные элементы можно подразделить на две группы: для больших нагрузок, используемые преимущественно в силовых цепях и рассчитанные на ток от 30 до 250 А, и для малых нагрузок, используемые в цепях вспомогательных машин, управления и других и рассчитанные на ток до 30 А.

Резисторы силовых цепей. Резисторы первой группы на э. п. с. старых типов составляли из чугунных литых элементов. Ящики таких резисторов содержали несколько десятков элементов. Они имели большую массу и отличались нестабильностью сопротивления. Теперь применяют исключительно ленточные резисторы, в которых активным материалом служит катаная лента из фехраля (сплава железа с хромом и алюминием) и других сплавов с высоким удельным сопротивлением.

Рисунок 9.1

На рис. 9.1, а показана конструкция элемента КФ, применяемого на отечественном э. п. с. Элемент состоит из фехралевой ленты 1, намотанной на ребро в виде цилиндрической пружины, витки которой уложены в канавки керамических изоляторов 2, установленных на штампованном из листовой стали держателе 3. Концы спирали припаяны латунью к выводам — медным пластинам 4. Пластины имеют отверстия для болтов, крепящих шины, которые соединяют элементы и внешние кабели.

Фехралевые элементы КФ (рис. 9.1, б) изготовляют четырех типоразмеров, отличающихся длиной. Элементы каждого типоразмера могут быть намотаны из ленты различного сечения и соответственно иметь различное сопротивление. Сопротивление элементов КФ колеблется от десятых долей Ома до 2 Ом, но мощность элементов одного размера практически одинакова.

При допустимом превышении температуры ленты 350° и естественном охлаждении для элемента наименьшей длины (290 мм) мощность продолжительного режима составляет 920 Вт, а наибольшей (780 мм) — 2900 Вт.

Ток продолжительного режима элемента данной мощности зависит от его сопротивления:

(9.1)

где Ρ_∞— длительная мощность элемента, Вт;

r_эл — сопротивление элемента, Ом.

Мощность Р_∞ при заданном допустимом превышении температуры θ_∞ определяется теплоотдачей А (Вт/°С), которая зависит от условий вентиляции. Фехралевые резисторы допускают высокие температуры до 600—700° С, однако при расчете пусковых или тормозных реостатов принимают температуру 350—450° С по соображениям пожарной безопасности и сохранности окраски различных конструкций, находящихся вблизи резисторов.

При изменении допустимого превышения температуры новое значение длительного тока можно найти из соотношения

(9.2)

где θʹ_∞ и θ_∞ — допустимые превышения температуры при токах соответственно I_∞ и I'_∞.

Допустимая продолжительность перегрузок может быть приближенно найдена из уравнения нагревания однородного тела, в котором теплоотдачу, Вт/⁰С, определяют по току продолжительного режима

(9.3)

а постоянную времени, как

T=c/A=cG/A, (9.4)

где с — удельная теплоемкость материала элемента; для фехралевых ленточных резисторов может быть принята 700 Вт·с/°С·кг;

G — масса активного материала в элементе, кг.

Для элементов КФ в связи с колебаниями массы фехраля в элементе при практически одинаковой мощности продолжительного режима значение Τ изменяется от 5 до 10 мин.

Вентилируемые реостаты. Мощность реостатов в продолжительном режиме повышается при их вентиляции. На моторных вагонах реостаты устанавливают под кузовом или на крыше и вентиляция их при движении поезда обеспечивается встречным потоком воздуха. На электровозах применяют принудительную вентиляцию реостатов. Для этого используют часть воздуха вентиляторов тяговых двигателей, а иногда устанавливают и отдельные вентиляторы.

На рис. 9.2 показан общий вид ящика реостатов электровозов постоянного тока ВЛ8 и ВЛ10, рассчитанный на принудительное воздушное охлаждение. Ящик состоит из 28 элементов КФ длиной 780 мм. Сопротивление элемента 1,05 Ом при расходе охлаждающего воздуха 20 м³/мин на один ящик, длительный ток элемента 51 А.

Уменьшение массы и габаритов резисторов приобретает большое значение для э. п. с. с реостатным торможением, где необходимо рассеять всю мощность торможения. В связи с этим получили распространение реостаты с интенсивным воздушным охлаждением, которое позволяет при данной массе активного материала в несколько раз повысить мощность и одновременно значительно уменьшить габариты реостата.

Такие реостаты (рис. 9.3, а) выполняют в виде блоков, состоящих из металлического кожуха 1 с установленными в нем элементами 2 и вентилятора 3 с двигателем 4. Преимущественно применяют двигатели постоянного тока, которые включают параллельно одной из секций тормозного реостата. Двигатель работает только тогда, когда реостат нагружен и не потребляет мощности из сети.

Рисунок 9.2

Рисунок 9.3

Резисторные элементы (рис. 9.3, б) состоят из широкой фехралевой или из другого аналогичного материала ленты 5, расположенной в элементе зигзагообразно. Ленту крепят держателями 6. Различными конструктивными приемами обеспечивают натяжение ленты и предотвращают опасность соприкосновения соседних участков ленты при тепловом расширении и воздействии тряски. Этому способствует жесткость зигзагообразного профиля ленты, выполненного штамповкой. Поток воздуха, проходящий через узкие каналы между участками ленты с большой скоростью, охлаждает ее. Такие реостаты выполняют на длительную мощность 1000—2000 кВт и более в одном блоке.

Резисторы малой мощности. Элементы второй группы, применяемые в качестве демпферных и пусковых резисторов вспомогательных машин и для других целей, выполняют большей частью из нихромовой или фехралевой проволоки.

На отечественном э. п. с. распространение получили резисторы СР, состоящие из фарфоровой трубки с винтовой канавкой на поверхности, на которую намотана нихромовая или фехралевая проволока. Резисторы СР выполняют с различным сопротивлением: от 2 до 200 Ом. Длительная мощность около 250 Вт при превышении температуры 250° С и 350 Вт — при 350° С. Комплект резисторов монтируют на асбоцементной панели, или на каркасе с опрессованными изоляцией рейками. Иногда несколько резисторов собирают на общей продольной шпильке.

Для малых нагрузок на э. п. с. применяют трубчатые эмалированные проволочные резисторы различных типов.

Сглаживающие реакторы. Характеристики сглаживающего реактора оказывают большое влияние на работу тяговых двигателей и коэффициент мощности э. п. с. переменного тока. От конструкции реактора зависят его масса, габариты, расход активных материалов — меди и электротехнической стали, мощность потерь в его обмотке и в магнитной системе.

Реакторможет быть выполнен в виде катушки без стального сердечника. Такой реактор вследствие большого сопротивления магнитной цепи, замыкающейся по воздуху, и малой индукции магнитного потока должен иметь катушку большого диаметра и относительно большое число витков, что приводит к значительному расходу меди. Кроме того, такой реактор необходимо снабжать магнитными экранами из пакетов электротехнической стали, чтобы предотвратить нагревание кожуха и близко расположенных металлических конструкций вихревыми токами, индуктируемыми пульсацией магнитного потока реактора, и вызываемые этим дополнительные потери энергии. По существу это является переходом к реактору со стальным магнитопроводом.

Стальной сердечник реактора должен быть разомнутым и иметь значительный воздушный участок магнитной цепи во избежание насыщения и чрезмерного снижения индуктивности при большой нагрузке. При одинаковом сглаживании выпрямленного тока реакторы без сердечника и со стальным сердечником имеют практически одинаковую массу. Однако реакторы с сердечником обеспечивают лучшее сглаживание тока при малых нагрузках и содержат значительно меньше меди.

Возможные типы сердечников приведены на рис. 9.4. Стержневой сердечник (рис. 9.4, а) неудобен, так как при нем магнитный поток распространяется в большом объеме окружающего пространства так же, как и у реактора без сердечника.

Рисунок 9.4

Совершеннее конструкция магнитопровода (рис. 9.4, б), состоящего из двух стержней, между которыми магнитный поток замыкается по воздуху. Обмотки двух стержней могут быть выполнены или с меньшим числом витков применительно к последовательному их соединению, или с большим числом витков при параллельном соединении. Наиболее совершенны реакторы: трехстержневой — броневого типа (рис. 9.4, в) и двухстержневой (рис. 9.4, г). Такие реакторы, особенно при делении воздушного промежутка на несколько участков, обеспечивают наименьшее распространение магнитного потока в окружающем пространстве.

Переходные реакторы. Реакторы для переключения ступеней трансформатора на электровозах ВЛ60 первых выпусков выполняли со стальным сердечником. Эти реакторы вследствие тяжелых переходных процессов, создаваемых ими, были заменены реакторами без сердечника. Последние (типа ПРА) применены на электровозах ВЛ60^К, ВЛ80^К и ВЛ80^Т.

Реактор ПРА представляет собой комплект из двух реакторов для переключения ступеней в двух вторичных полуобмотках трансформатора. Каждый реактор имеет четыре спиральные катушки из алюминиевой шины, намотанной плашмя. Витки катушек стянуты бандажами из стеклоленты, а катушки каждого реактора скреплены алюминиевыми шпильками. Между катушками установлены прокладки. Магнитные экраны на торцах каждого реактора обеспечивают концентрацию магнитного потока вблизи поверхности реактора, предотвращая нагревание соседних металлических конструкций. Экраны представляют собой пакеты, набранные из листовой стали. Реактор работает при естественном воздушном охлаждении.

Индуктивные шунты для цепей, шунтирующих обмотки возбуждения тяговых двигателей, выполняют со стальными шихтованными сердечниками различной формы, но всегда с большим воздушным зазором. Зазор обеспечивает малое уменьшение индуктивности шунта при увеличении тока в его катушке.