Несмотря на практически полностью цифровой мир, аналоговые системы все еще используются. И одним из представителей аналоговых систем является реостат.
Классификация реостатов и требования к ним
Реостаты могут иметь различное назначение и в зависимости от него делятся на нагрузочные, пусковые, регулировочные, пускорегулировочные и реостаты возбуждения.
Для уменьшения габаритов, пусковые реостаты и их пусковая часть должны иметь большую постоянную времени. Как правило, особые требования к стабильности рабочего сопротивления не предъявляются. Такие реостаты предназначены для работы в кратковременном режиме. Интервал между пусками не может быть меньше двукратного времени пуска для восстановления температуры реостата.
К другим видам реостатов предъявляются жесткие требования по стабильности сопротивления. Они должны рассчитываться для длительного режима работы. В силовых цепях электропривода наибольшее распространение получили реостаты с металлическими резисторами. Для переключения используются кулачковые, плоские и барабанные контроллеры.
По способу охлаждения реостаты подразделяют на воздушные, масляные, а также с принудительным водяным или масляным охлаждением.
Конструкция реостатов с воздушным охлаждением
В реостатах с воздушным охлаждением резисторы и переключающее устройство располагаются в воздухе так, чтобы обеспечить максимальное охлаждение при минимальных габаритах. Конвективные потоки воздуха, перемещаясь снизу вверх, «омывают» резисторы. Кожухи, которые закрывают токоведущие элементы (резисторы) от прикосновения, не должны препятствовать циркуляции охлаждающего воздуха. Максимальная температура кожуха не должна превышать 160 0С. Температура переключающих элементов не должна превышать 110 0С.
В реостатах с воздушным охлаждением могут применяться резисторы всех типов. Резисторы и контроллер компонуются в один аппарат в случае небольшой мощности. При больших мощностях контроллер выноситься в отдельный аппарат.
Для пуска электрических машин постоянного тока мощностью до 42 кВт с компаундным или шунтовым возбуждением могут применяться реостаты серий РП и РЗП. В данных реостатах помимо силовых резисторов и переключающих элементов есть включающий контактор, используемый для нулевой защиты, а также реле максимального тока для защиты от перегрузок. В этих реостатах используются рамочные элементы и резисторы на фарфоровом каркасе. Переключающее устройство выполнено в виде плоского контроллера с самоустанавливающимся подвижным мостиковым контактом с вращательным движением. Кроме контроллера на гетинаксовой плите располагаются максимальное реле мгновенного действия РМ и малогабаритный контроллер. На стальном основании смонтированы узлы реостата. Реостат закрыт кожухом, который защищает реостат от попадания брызг воды, но не препятствует свободному обдуву токоведущих элементов. Электрическая схема включения одного из типов реостатов приведена ниже:
При пуске электродвигателя постоянного тока необходимо шунтовую обмотку возбуждения подключить к напряжению сети, а в якорную цепь ввести пусковой резистор, сопротивление которого уменьшается с помощью контроллера по мере увеличения скорости вала электрической машины. Подвижный мостиковый контакт 16 замыкает контакт 0 – 13, который является неподвижным, с токосъемными шинками 14 и 15, имеющими форму дуг окружности.
Обмотка контакта КМ закорочена в нулевом положении подвижного контакта, контактор отключен и с обмотки электродвигателя снято напряжение. На катушку контактора будет подано полное напряжение в положении 3, в результате чего его контакты замкнуться. На обмотку возбуждения будет подано полное напряжение, а в цепь якоря будет введен пусковой резистор. В последнем положении реостата пусковое сопротивление напряжение полностью выведено из цепи якоря.
Реле максимального тока РМ сработает в случае перегрузки электрической машины и разорвет цепь катушки КМ. Контактор отключится и отключит электродвигатель. После отключения электрической машины контакты РМ снова замкнуться, однако контактор КМ не включится, так как после отключения КМ нижний вывод катушки теряет питание. Чтобы снова запустить двигатель необходимо возвратить подвижной контакт контроллера в нулевое или второе положение, то есть возвратить в исходное положение, и повторить процедуру пуска. Резистор Rэк служит для уменьшения мощности, потребляемой катушкой контактора, поскольку во время работы двигателя контактор находится всё время включенным, а также подбора оптимальной величины напряжения (или тока) выключения контактора, когда подаваемое входное напряжение на контакты +Л1 и –Л2 может принять значение ниже необходимого для нормальной работы привода.
Передвижной контакт переводится в нулевое положение при нормальном отключении электродвигателя.
Как упоминалось выше, при уменьшении внешнего напряжения, подаваемого на контакты +Л1 и –Л2 , ниже допустимого значения, автоматически происходит отключения электрической машины. Таким образом реализуется минимальная защита. Холостые контакты 1, 2, 4, 5 защищают контроллер от электрической дуги, которая может возникнуть из-за большого тока. Данная схема реостата позволяет осуществить дистанционное отключение электрической машины. Кнопка аварийного останова (нормально замкнутый контакт) включается в цепь катушки контактора, так же как и РМ.
Чтобы правильно подобрать реостат необходимо знать мощность двигателя, вид нагрузки (например, вентиляторная нагрузка) и условия пуска (пуск на холостом ходу или с полной/частичной нагрузкой), а также напряжение питания электрической машины.
Если эти параметры известны, то с помощью специальных таблиц выбираем номера элементов резисторов и мощность реостата.
Пускорегулирующие реостаты имеют аналогичную конструкцию и схему. После окончания процесса пуска при дальнейшем вращении того же подвижного контакта изменяется величина сопротивления в цепи элекродвигателя.
Масляные реостаты
Контроллер и металлические элементы резисторов масляного реостата располагаются в трансформаторном масле. Трансформаторное масло, по сравнению с воздухом, обладает значительной удельной теплоемкостью и теплопроводностью. Благодаря этому оно активно отбирает тепло от быстро нагревающейся проволоки. Так как в процессе нагрева участвует большое количество масла – постоянная времени реостата резко возрастает, что позволяет значительно уменьшить габариты пусковой установки для мощных электродвигателей.
Для улучшения теплового контакта масла и проволоки и предотвращения перегревов в реостатах применяют ленточные поля, элементы проволочные и в виде свободной спирали, а также зигзагообразные элементы из чугуна и электротехнической стали.
Также стоит помнить, что при температурах меньше 0 0С вязкость масла повышается, в результате чего снижается его охлаждающая способность. Поэтому реостаты с трансформаторным маслом не стоит применять при отрицательных температурах окружающей среды.
Цилиндрическая поверхность кожуха, как правило, определяет поверхность охлаждения масляного реостата. Данная поверхность меньше, чем поверхность охлаждения проволоки. Поэтому для длительного режима работы масляные реостаты использовать не целесообразно. Мощность, которую может рассеять реостат, также ограничивает небольшая допустимая температура нагрева масла.
После трехкратного пуска электродвигателя реостату нужно время, чтобы охладиться до температуры окружающей среды. Процесс охлаждения, как правило, занимает около 1 часа. Именно поэтому масляные реостаты используются для редких пусков.
Максимальная температура трансформаторного масла не должна превышать 115 0С. Это связано с тем, что в процессе нагрева масло разлагается, и продукты его разложения оседают на поверхности проволоки, что приводит к ухудшению теплового контакта металла с маслом.
Малые силы трения позволяют увеличить силу нажатия контактов и в 3-4 раза увеличить токовую нагрузку. Это позволяет значительно снизить габариты переключающего устройства и, соответственно, всего реостата.
Также наличие трансформаторного масла значительно улучшает процессы гашения электрической дуги. Однако масло приносит не только пользу реостатам, но и вред при работе контактов в длительном режиме. Продукты разложения масла, постепенно оседая на поверхности контактов, увеличивают переходное сопротивление, и, соответственно, температуру самих контактов. Результатом чего будет становиться еще более интенсивный процесс разложения. Исходя из этого, расчет контактов ведется таким образом, чтоб их температура не превышала 125 0С.
Масляные реостаты довольно часто применяют для пуска асинхронных электродвигателей с фазным ротором. При мощностях электродвигателей до 50 кВт используют плоские контроллеры с круговым движением подвижного контакта. При больших мощностях используют контроллеры барабанного типа.
Также реостаты могут иметь дополнительные блок-контакты (по требованию заказчика) для сигнализации о положении элементов реостата и блокировки с линейным контактором в статорной цепи асинхронной машины. Если реостат не установлен в нулевую позицию (в цепь ротора включено максимальное сопротивление), цепь электромагнита линейного контактора разомкнута, и напряжение на электродвигатель не подается.
В конце пуска электрической машины реостат должен быть выведен из пусковой цепи, а ротор закорочен. Это связано с тем, что пусковые элементы рассчитаны на кратковременный режим работы (только пуск). Чем выше мощность электродвигателя, тем больше ступеней должен иметь реостат, так как с увеличением мощности увеличивается инерционность электрической машины, а вместе с ней, соответственно, и время пуска.
Для выбора реостата нужно иметь следующие данные:
- Условия пуска (с полной нагрузкой или нет);
- Номинальный ток ротора Iн.р.;
- Мощность электрической машины Рн, а также напряжение на заторможенном роторе при номинальном напряжении на статоре.
Знание данных параметров позволяет выбрать реостат с каталогов.
К минусам масляного выключателя нужно отнести малое количество пусков в час из-за медленного охлаждения трансформаторного масла, повышенная пожароопасность, а также загрязнение помещения. Масляные реостаты рекомендовано применять для редких пусков (2-3 пуска в час) и во взрывобезопасных помещениях.
Жидкостные реостаты
Для регулирования скорости вращения электродвигателей мощностью в несколько тысяч киловатт необходимы реостаты, рассчитанные на большую, длительно рассеиваемую мощность (порядка 500 – 600 кВт).
Металлические реостаты с воздушным охлаждением получаются очень большими. Для переключения ступеней (резисторов) нужно применять мощные контакторы.
При мощностях свыше 3000 кВт имеет смысл использовать жидкостные реостаты. В таких устройствах резистивными элементами служит раствор электролита. Сопротивление такого реостата может меняться либо за счет изменения площади электродов, либо за счет изменения расстояния между электродами. Удельное сопротивление электролита зависит от температуры. Поэтому для стабильной работы жидкостного реостата необходимо следить за изменением температуры электролита и не допускать больших скачков.
Тепло от электролита отводится с помощью специальных труб-радиаторов, по которым протекает вода и забирает часть тепла электролита.
