Схема пусковые резисторы двигатель

Пуск тяговых двигателей. Назначение резисторов и индивидуальных контакторов

Казалось, что может быть проще пуска электрического двигателя, в том числе и тягового в ход? Стоит только, например быстродействующим выключателем, подключить двигатель к источнику электрической энергии, и якорь его начнет вращаться. Но в действительности дело обстоит не так просто. В момент пуска якорь двигателя неподвижен и в обмотке его не индуктируется э. д. с., уравновешивающая подведенное напряжение. Поэтому в первое мгновение при неподвижном якоре пусковой ток зависит только от значения приложенного напряжения U_c и сопротивления r_д обмоток двигателя. Это сопротивление невелико. Так, для тягового двигателя электровоза ВЛ10 оно при температуре 20°С составляет 0,025 + 0,0365 + 0,0317 = 0,0932 Ом (сумма сопротивлений обмоток главных полюсов, дополнительных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки якоря). На электровозах постоянного тока всегда, как минимум, соединены последовательно два двигателя. При подключении их к контактной сети, как показано на рис. 10, через их обмотки пойдет ток

I	Uc	=	3000	≈ 16000 А.
	2 rд		2·0,932

На такой ток, как мы уже знаем, и двигатели и оборудование электровоза не рассчитаны. Известно, что быстродействующий выключатель на электровозе ВЛ10 отрегулирован на ток 3100 А и поэтому в момент пуска он разорвет цепь тяговых двигателей.

Чтобы ограничить пусковой ток, все двигатели электровоза перед пуском соединяют последовательно и вводят в цепь дополнительно для ограничения тока пусковой реостат, т. е. резистор, сопротивление которого можно регулировать. В начале пуска сила тяги должна по возможности увеличиваться плавно, без толчков, особенно при трогании тяжелых составов. К счастью, поезд не представляет собой жестко связанного целого: сцепные приборы перед троганием не натянуты до предела и всегда обладают некоторой эластичностью. Поэтому сопротивление реостата r_р выбирают большим, чтобы обеспечить в момент трогания небольшой ток, а следовательно, и малую силу тяги для плавного натяжения сцепных приборов. Затем сопротивление r_р постепенно уменьшают, при этом ток и сила тяги соответственно растут.

Как только сила тяги превысит силу сопротивления движению, поезд начнет двигаться с ускорением. Повышая ускорение, снижают время разгона, что особенно важно на участках с короткими перегонами и частыми остановками. С увеличением скорости движения в тяговых двигателях будет индуктироваться возрастающая э. д. с. При этом ток двигателей, сила тяги и, как следствие, ускорение начнут уменьшаться. Для обеспечения примерно постоянного ускорения нужно уменьшать сопротивление реостата так, чтобы ток двигателей и касательная сила тяги оставались постоянными. Большие мощности тяговых двигателей и значительные токи затрудняют осуществление плавного регулирования. Поэтому применяют ступенчатое регулирование путем выключения отдельных секций реостата с помощью аппаратов, называемых индивидуальными контакторами. Контакты 1 и 2 индивидуальных контакторов показаны на рис. 10. Если замкнуть контакты 1 контактора, то одна секция пускового реостата будет выведена из цепи тяговых двигателей и напряжение, подводимое к ним, повысится. При замыкании контактов 2 к тяговым двигателям подводится напряжение контактной сети.

Вполне понятно, что для обеспечения более или менее плавного пуска и тем самым уменьшения колебания тока двигателя (силы тяги) следует сопротивление пускового реостата изменять небольшими ступенями. Однако это вызовет необходимость иметь большое число контакторов и усложнит силовую цепь.

Ступени пускового резистора рассчитывают исходя из наибольшего допустимого тока тяговых двигателей. Ток, при котором выключается очередная секция пускового реостата, определяют исходя из так называемого коэффициента неравномерности пускового тока, который в свою очередь зависит от заданного ускорения. Таким образом, пусковой ток не постоянен, а колеблется в пределах от максимального I_{п mах} до минимального I_{п min} значения. В расчетах применяют среднее арифметическое этих значений I_п.

Кроме рассмотренных ступеней реостата, предусматривают также ступени, на которых пусковой ток меньше максимального. Эти ступени, называемые маневровыми, позволяют постепенно увеличивать силу тяги и плавно трогать поезд с места. Число их на электровозах равно четырем — восьми.

Большое число ступеней реостата при минимальном числе контакторов можно получить, используя различные комбинации соединений секций резистора. Так, если замкнуть контактор 1 (рис. 32) * при разомкнутых остальных контакторах, секции а, б, в будут включены последовательно (что показано в таблице на рис. 32). Замкнув контакты контактора 2, выключают секцию а, при замкнутых контактах контактора 3 в силовую цепь введена только секция в.

* ( Здесь и далее для упрощения контакты на схемах показаны в большинстве случаев без дугогашения.)

Рис. 32. Схема пускового резистора и таблица замыкания контакторов

Замкнув контактор 4 и выключив предварительно контакторы 1 и 2, что не связано с разрывом электрической цепи, присоединяют секции а и б параллельно секции в — получают четвертую ступень пуска. Замкнув контакторы 2, 3, 4, соединяют параллельно секции а и в, образуя еще одну пусковую ступень, и, наконец, замкнув все контакторы, выводят пусковой реостат полностью. Таким образом, имея три секции и четыре индивидуальных контактора, получают шесть ступеней (позиций) пускового реостата.

Для того, чтобы знать, на какой позиции замкнуты или разомкнуты те или иные контакты контакторов, а следовательно, какие секции реостата включены и каким образом, составляют таблицу замыкания контакторов (см. рис. 32).

Пусковые реостаты собирают из отдельных элементов и объединяют в ящики (рис. 33). Элементы пусковых резисторов изготовляют из сплавов с большим электрическим сопротивлением.

Рис. 33. Ящик пусковых фехралевых резисторов

Когда выключены все ступени реостата, на каждый из восьми последовательно соединенных тяговых двигателей приходится напряжение 3000 : 8 = 375 В, а на шестиосных электровозах 3000 : 6 = 500 В. В этом случае электровоз работает на автоматической (ее также называют ходовой безреостатной, экономической) характеристике, подобной приведенной на рис. 12, б. Автоматической она называется потому, что автоматически, без участия машиниста изменяются сила тяги F_K и скорость движения в зависимости от сопротивления движению W.

В связи с этим вернемся к рис. 5, где показано, что от точки 0 до точки 0′ скорость возрастает по наклонной прямой, т. е. поезд движется равномерно ускоренно. Это означает, что машинист уменьшает сопротивление реостата, поддерживая одно и то же значение пускового тока. От точки 0′ и далее до точки А движение происходит с выключенным реостатом по автоматической характеристике.

В процессе разгона поезда электровоз работает на реостатных характеристиках (позициях). Время движения с выключенными ступенями реостата ограничено их нагревом. Кроме того, с увеличением этого времени возрастает и непроизводительный расход электрической энергии. Каково же соотношение расходов энергии, затрачиваемой на тягу поездов и на потери в реостате от начала до конца разгона поезда?

Чтобы ответить на этот вопрос, отложим в прямоугольных осях координат (рис. 34) по оси ординат в выбранном масштабе напряжение контактной сети U_c (точка А), по оси абсцисс время пуска t_п (точка Б). С достаточной степенью точности можно считать, что пуск электровоза происходит при неизменном токе I_п; тогда сила тяги также постоянна, а ускорение а изменяется незначительно и может быть принято неизменным. В соответствии с этим скорость движения в процессе пуска будет изменяться во времени по закону υ = at, а э. д. с. двигателей E = cФυ, т. е. пропорционально скорости, а значит времени.

Рис. 34. Распределение напряжения между тяговыми двигателями и пусковым реостатом при разгоне электровоза

Из точек А и Б восстановим перпендикулярные линии до пересечения их в точке В. В момент пуска (t = 0) напряжение контактной сети равно сумме падений напряжения в обмотках тяговых двигателей и в реостате, так как при υ = 0 э. д. с. двигателей E = 0. При этом основная часть напряжения U_c будет расходоваться в реостате ввиду малости сопротивления обмоток двигателей. По оси ординат отложим падение напряжения в обмотках двигателя (точка Г). В конце пуска реостат полностью выведен из цепи тяговых двигателей и напряжение контактной сети уравновешивается э. д. с. двигателей и падением напряжения в их обмотках. Так как ток I_п в процессе пуска почти неизменен, то падение напряжения в обмотках двигателей в конце пуска составит ту же величину, что и в начале его. От точки В отложим значение этого падения напряжения — отрезок ВД. Тогда отрезок ДБ будет соответствовать э. д. с. двигателей в конце пуска. В области ОДВГ находятся значения напряжения на участках силовой цепи в каждый момент времени пуска электровоза. Если значения напряжений умножить на ток I_п то получим в соответствующем масштабе мощности, а умножив их на время пуска t_п, найдем расход электроэнергии.

Площадь четырехугольника ОАВБ соответствует в определенном масштабе расходу электроэнергии на пуск тяговых двигателей. Площадь треугольника ГАВ характеризует потерю энергии в реостате, а равновеликая площадь треугольника ОДБ электромагнитную энергию двигателя. Площадь параллелепипеда ОГВД соответствует расходу энергии на нагревание обмоток двигателей. Так как этот расход сравнительно невелик, можно считать, что при пуске половина электрической энергии расходуется на создание электромагнитной энергии двигателей и половина теряется в реостате.

Познакомимся с устройством и действием индивидуальных контакторов. В зависимости от типа привода различают электропневматические и электромагнитные контакторы.

В электропневматических контакторах при замыкании низковольтной цепи катушки электромагнитного вентиля включающего типа (рис. 35, а) открывается доступ сжатому воздуху в цилиндр контактора. Поршень перемещается вверх и сжимает выключающую пружину. Изоляционный стержень поворачивает рычаг с находящимся на нем подвижным контактом. Когда подвижной рычаг коснется неподвижного, электрическая цепь замкнется, но на этом процесс включения не закончится. Подвижной контакт и рычаг соединены шарнирно. Между их выступами находится притирающая пружина. После соприкосновения контактов поршень вместе со стержнем продолжает двигаться вверх и подвижной контакт перекатывается по неподвижному. Благодаря этому поверхность контактов очищается от образовавшихся окислов.

Рис. 35. Схема (а) и общий вид индивидуального электропневматического контактора (б)

Чтобы выключить контактор, разрывают цепь катушки электромагнитного вентиля. При этом пружина возвращает клапаны вентиля в исходное положение, нижняя полость цилиндра сообщается с атмосферой, поршень под действием выключающей пружины движется вниз и контакты размыкаются.

Электропневматические контакторы (рис. 35, б) используют в цепях с большими токами, где требуется особо надежный контакт. В цепях со сравнительно малыми токами применяют электромагнитные контакторы. Для того чтобы включить электромагнитный контактор, замыкают цепь его включающей катушки (рис. 36); под действием магнитного поля, создаваемого катушкой, якорь притягивается к сердечнику катушки и, поворачиваясь вокруг оси, замыкает неподвижный и подвижной контакты, Одновременно сжимается выключающая пружина. После замыкания контактов ток пройдет через дугогасительную катушку, контакты и гибкий шунт к нагрузке.

Рис. 36. Схема электромагнитного контактора

Индивидуальные контакторы оборудуют дугогасительными устройствами, так как они осуществляют переключения в силовой цепи электровоза под нагрузкой.

Резисторы пусковых и пускорегулирующих реостатов

В зависимости от назначения резисторы делятся на следующие группы:

• пусковые резисторы для ограничения тока в момент подключения к сети неподвижного двигателя и для поддержания тока на определенном уровне в процессе его разгона;
• тормозные резисторы для ограничения тока двигателя при его торможении;
• регулировочные резисторы для регулирования тока или напряжения в электрической цепи;
• добавочные резисторы , включаемые последовательно в цепь электрического аппарата с целью снижения напряжения на нем;
• разрядные резисторы , включаемые параллельно обмоткам электромагнитов или других индуктивностей с целью ограничения перенапряжений при их отключении или для замедления отпускания реле и контакторов, такие резисторы используются также для разряда емкостных накопителей;
• балластные резисторы , включаемые в цепь последовательно для поглощения части энергии или параллельно источнику с целью предохранения его от перенапряжений при отключении нагрузки;
• нагрузочные резисторы для создания искусственной нагрузки генераторов и других источников; они используются при испытаниях электрических аппаратов;
• нагревательные резисторы для нагрева окружающей среды или аппаратов при низких температурах;
• заземляющие резисторы , включенные между землей и нулевой точкой генератора или трансформатора с целью ограничения токов короткого замыкания на землю и возможных перенапряжений при замыкании на землю;
• установочные резисторы для установки определенного значения тока или напряжения в приемниках энергии.

Пусковые, тормозные, разрядные и заземляющие резисторы в основном предназначены для работы в кратковременном режиме и должны иметь возможно большую постоянную времени нагрева.

Особых требований к стабильности этих резисторов не предъявляется. Все остальные резисторы работают в основном в длительном режиме, требуют необходимой поверхности охлаждения. Сопротивление этих резисторов должно быть стабильным в заданных пределах.

В зависимости от материала проводника различают резисторы металлические, жидкостные, угольные и керамические. В промышленном электроприводе наибольшее распространение получили металлические резисторы . Керамические резисторы (с нелинейным сопротивлением) широко применяются в высоковольтных разрядниках.

Материал пусковых резисторов

С целью уменьшения габаритных размеров пусковых резисторов удельное сопротивление использованного для его изготовления материала должно быть возможно выше. Допустимая рабочая температура материала также должна быть возможно больше, что позволяет сократить массу материала и необходимую поверхность охлаждения.

Для того чтобы сопротивление резистора как можно меньше зависело от температуры, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) резистора должен быть возможно меньше. Материал резисторов, предназначенных для работы на воздухе, не должен подвергаться коррозии либо должен образовывать противостоящую ей защитную пленку.

Сталь имеет малое удельное электрическое сопротивление. На воздухе сталь интенсивно окисляется и поэтому применяется только в реостатах, заполненных трансформаторным маслом. В этом случае рабочая температура стали определяется нагревом трансформаторного масла и не превышает 115°С.

Из-за высокого значения ТКС сталь неприменима для резисторов со стабильным сопротивлением. Единственное достоинство стали — дешевизна.

Электротехнический чугун имеет значительно большее, чем сталь, удельное электрическое спротивление и значительный ТКС. Рабочая температура чугуна достигает 400 °С . Отлитые из чугуна резисторы, как правило, имеют зигзагообразную форму. Ввиду хрупкости чугуна необходимая механическая прочность элементов пускового резистора достигается увеличением их сечения. Поэтому чугунные резисторы пригодны для работы при больших токах и мощностях.

Из-за недостаточной стойкости к механическим воздействиям (вибрациям, ударам) чугунные резисторы используются только в стационарных установках.

Удельное электрическое сопротивление листовой электротехнической стали за счет присадки кремния почти втрое выше, чем у обычной стали. Стальные резисторы имеют зигзагообразную форму и получаются из листовой стали штамповкой. Из-за большого ТКС листовая сталь применяется только для пусковых резисторов, как правило, устанавливаемых в трансформаторном масле.

Для резисторов с повышенной стабильностью сопротивления может применяться константан, который не подвергается коррозии на воздухе и имеет максимальную рабочую температуру 500 °С. Большое удельное сопротивление позволяет создавать на основе константана малогабаритные резисторы. Константан широко применяется в виде проволоки и ленты.

Для изготовления нагревательных резисторов применяются в основном нихромы , которые обладают высокими удельным электрическим сопротивлением и рабочей температурой.

Для резисторов с высокой стабильностью сопротивления применяется манганин с рабочей температурой не более 60 гр. С.

Как устроены пусковые резисторы

Резисторы в виде спирали из проволоки или ленты изготавливаются путем ее навивки на цилиндрическую оправку «виток к витку». Необходимый зазор между витками устанавливается при растяжении спирали и креплении ее к опорным изоляторам в виде фарфоровых роликов.

Недостатком такой конструкции является малая жесткость, из-за которой возможно соприкосновение соседних витков, что требует снижения рабочей температуры материала (100 °С для константановой спирали). Поскольку теплоемкость такого резистора определяется только массой резистивного материала, постоянная времени нагрева таких резисторов мала.

Для увеличения жесткости спирали проволока может наматываться на керамический каркас в виде трубки со спиральным пазом на поверхности, предотвращающим замыкание витков между собой. Такая конструкция позволяет повысить рабочую температуру резистора из константана до 500 °С. Даже при кратковременном режиме работы каркас более чем в 2 раза увеличивает постоянную времени нагрева за счет своей большой массы.

При d трубчатые резисторы широко применяются для управления двигателями малой мощности, в качестве разрядных, дополнительных сопротивлений в цепях автоматики и др. Максимальная мощность, при которой их температура не превышает предельно допустимую, составляет 150 Вт, а постоянная времени нагрева 200 — 300 с. Из-за технологической сложности изготовления больших каркасов эти резисторы не применяются при больших мощностях.

Для пуска двигателей мощностью до 10 кВт широко применяются так называемые проволочные или ленточные поля , иногда называемые рамочными резисторами. На стальной пластине укреплены изоляторы из фарфора или стеатита. Константановая проволока наматывается в канавки на поверхности изоляторов. Для резисторов на большие токи используется лента.

Коэффициент теплоотдачи, отнесенный к поверхности проволоки, составляет всего 10 — 14 Вт/(м2-°С). Поэтому условия охлаждения такого резистора хуже, чем при свободной спирали. Из-за малой массы изоляторов и слабого теплового контакта проволоки с металлической пластиной постоянная времени нагрева рамочного резистора примерно такая же, как и при отсутствии каркаса. Максимальная допустимая температура равна 300 °С .

Рассеиваемая мощность достигает 350 Вт. Обычно несколько резисторов такого типа компонуются в одном блоке.

Для двигателей мощностью от трех до нескольких тысяч киловатт применяются высокотемпературные резисторы на основе жаростойких сплавов 0Х23Ю5. С целью уменьшения габаритных размеров и получения необходимой жесткости жаростойкая лента наматывается на ребро и укладывается в канавки, фиксирующие положение отдельных витков. В одном блоке устанавливается пять резисторов мощностью 450 Вт каждый, которые при больших токах могут быть соединены параллельно.

Жаростойкие резисторы имеют малый ТКС и большую механическую жесткость, благодаря чему широко применяются в аппаратах, подвергающихся интенсивным механическим воздействиям. Эти резисторы обладают высокой термической устойчивостью. Допускается кратковременный нагрев до 850 °С при длительной допустимой температуре 300 °С .

Чугунные резисторы широко применяются для двигателей мощностью от трех до нескольких тысяч киловатт.

При максимальной рабочей температуре чугуна 400 °С номинальная мощность резисторов принимается из расчета на температуру 300 °С. Сопротивление чугунных резисторов в значительной степени зависит от температуры, поэтому они применяются только как пусковые.

Набор чугунных резисторов собирают в стандартные ящики с помощью стальных стержней, изолированных от чугуна миканитом. Если у резистора необходимо сделать отводы, то они делаются с помощью специальных зажимов, которые устанавливаются между соседними резисторами, соединенными последовательно.

Общая мощность резисторов, установленных в одном ящике, не должна превосходить 4,5 кВт. При монтаже ящики резисторов монтируются друг на друге. При этом воздух, нагретый в нижних ящиках, омывает верхние, ухудшая охлаждение последних.

Для ответственных электроприводов целесообразно реостат собирать из стандартных ящиков (без отводов внутри ящика). При повреждении резистора в ящике работоспособность схемы быстро восстанавливается путем замены неисправного ящика на новый.

Поскольку температура воздуха вблизи резистора высока, токоподводящие провода и шины должны либо иметь достаточно теплостойкую изоляцию, либо вообще не иметь изоляции.

Сопротивление пускового резистора выбирается так, чтобы броски пускового тока были ограничены и были не опасны для двигателя (трансформатора) и питающей сети. С другой стороны, значение этого сопротивления должно обеспечить пуск двигателя за требуемое время.

После расчета сопротивления производятся расчет и выбор резистора по нагреву. Температура резистора в любых режимах не должна превышать допустимую для данной конструкции.