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 < 0,3 мм пазы на поверхности каркаса не делаются и изоляция между витками создается за счет окалины (пленки оксидов), образующейся при нагреве проволоки. Для предохранения от механических повреждений провод покрывается жаростойкой стеклоэмалью. Такие
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.
Выбор резисторов
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.