Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике Дмитрий Андронников

Резисторы, другими словами электронные приборы, владеющие данным электронным сопротивлением, являются, пожалуй, одним из часто встречающихся типов электрических компонент. Они используются в аппаратуре фактически хоть какого предназначения и области внедрения. От корректности выбора резисторов, согласно условиям эксплуатации и предназначения устройства, почти во всем зависит безаварийная работа аппаратуры в течение всего срока службы.

Резисторы, другими словами электронные приборы, владеющие данным электронным сопротивлением, являются, пожалуй, одним из часто встречающихся типов электрических компонент. Они используются в аппаратуре фактически хоть какого предназначения и области внедрения. От корректности выбора резисторов, согласно условиям эксплуатации и предназначения устройства, почти во всем зависит безаварийная работа аппаратуры в течение всего срока службы.

Кажущаяся простота и очевидность внедрения резисторов делает у разработчиков силовой преобразовательной аппаратуры обманчивое воспоминание малого воздействия резисторов, как очень обычных, исходя из убеждений схемотехники, устройств на результирующую надежность разрабатываемого устройства. Но это не так, и применение резисторов, как и всех других компонент, просит кропотливого подхода к выбору типов и обеспечению подходящих критерий работы.

Для наилучшего осознания особенностей работы резисторов обратимся к базисным понятиям. Резистор, как элемент электронной цепи, служит для сотворения сопротивления протеканию электронного тока. В безупречном случае работа резистора определяется базовым законом, установленным германским физиком Георгом Симоном Омом и носящим его имя:

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

где R — электронное сопротивление участка цепи; U — напряжение, приложенное к участку цепи; I — ток, протекающий в цепи.

При протекании тока через резистор энергия упорядоченного движения носителей заряда преобразуется в термическую и рассеивается в окружающем пространстве за счет теплопередачи и излучения. Мощность, выделяемая в резисторе, может быть определена по формуле, последующей из закона Ома:

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

либо

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

Тут P — мощность, выделяемая в участке цепи; R — электронное сопротивление участка цепи; U — напряжение, приложенное к участку цепи; I — ток, протекающий в цепи.

Мощность, выделяемая в резисторе, вызывает рост его температуры. Наибольшая температура, которую резистор может выдерживать без повреждений, находится в зависимости от конструкции резистора и используемых материалов — как фактически резистивного элемента, так и его арматуры. Конкретно наибольшая температура более жаркого участка резистора определяет ту мощность, которую резистор способен рассеивать.

Зависимо от критерий, в каких находится резистор (температура, влажность, давление окружающего воздуха и скорость его движения), одна и та же рассеиваемая мощность вызывает разный прирост температуры прибора, потому при выборе резистора принципиально не только лишь найти выделяемую мощность, да и условия его работы. Номинальная мощность резистора определяется как мощность, рассеиваемая прибором без превышения максимально допустимой температуры при естественном воздушном охлаждении на высоте 0 м над уровнем моря при температуре воздуха 25 °С.

При эксплуатации резистора следует держать в голове, что выделяемая мощность имеет квадратичную зависимость от приложенного к резистору напряжения либо от протекающего тока (рис. 1):

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

Это значит, что маленький рост напряжения либо тока в цепи вызовет значимый рост рассеиваемой мощности, которая может затмить очень допустимую для примененного резистора, что приведет к выходу прибора из строя. Потому при выборе резистора принципиально не только лишь знать номинальные ток и напряжение для него, да и учесть вероятные длительные отличия, а именно из-за колебаний напряжения питающей сети.

Если мощность, рассеиваемая резистором, постоянна, то через некое время температура резистора стабилизируется (когда количество тепла, выделяемого в резисторе, станет равным количеству тепла, отдаваемого резистором в окружающую среду средством излучения, конвекции и теплопередачи конструкции). Чем больше физический размер резистора, тем эффективнее происходит процесс отдачи тепла и тем ниже будет сбалансированная температура при одной и той же выделяемой мощности. Не считая того, эффективность излучения, конвекции и теплопередачи значительно находится в зависимости от конструкции резистора, используемых материалов и критерий остывания.

Приводимые в справочных материалах величины наибольшей рассеиваемой мощности резисторов относятся к условиям естественного остывания. На сегодня существует ряд эталонов, регламентирующих способ определения очень допустимой мощности рассеяния резисторов исходя из температуры перегрева более жаркого участка резистора. Ведущие производители массивных резисторов (Danotherm, Ohmite, Arcol, SIR и др.) при нормировании мощности собственных устройств обычно руководствуются советами National Electrical Manufacturers Association (NEMA) и Underwriters Laboratories, Inc. (UL). Согласно таким, очень допустимая мощность при естественном охлаждении для резистора данных физических черт и размеров, определяется как мощность, вызывающая температуру (измеренную термопарой) перегрева более жаркого участка резистора в 300 °С при температуре окружающего воздуха 40 °С. Измерение делается при недвижном воздухе в критериях свободной конвекции и удалении резистора от наиблежайшего объекта (а именно, стенок, панелей, устройств) более чем на 35 см.

Несколько другие условия измерений определяет эталон MIL-R-26, сначало разработанный для проволочных резисторов военного и аэрокосмического внедрения, а потом всераспространенный и на приборы промышленного и коммерческого предназначения. Согласно этому эталону наибольшая температура нагрева более жаркого участка резистора устанавливается равной 350 °С при температуре окружающего воздуха 25 °С. Таким макаром, соответственная температура перегрева составляет 325 °С.

На рис. 2 показаны усредненные графики зависимости температуры перегрева резисторов по разным эталонам зависимо от относительной рассеиваемой мощности:

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

В первом приближении температура резистора находится в зависимости от площади его поверхности, также (в наименьшей степени) от ряда других причин, таких как теплопроводимость основания и покрытия резистора, эффективность излучения поверхности, дела длины резистора к его поперечнику, теплопередача через выводы и средства монтажа.

Очень допустимая температура резистора будет определяться качествами его конструктивных материалов и является предельной величиной, при превышении которой прибор может утратить работоспособность. В общем случае на эту величину можно ориентироваться только для расчета предельных режимов работы устройства.

В обычных критериях эксплуатации следует принимать во внимание не только лишь и не столько физическое функционирование резистора, да и другие характеристики, такие как изменение сопротивления при росте температуры, нагрев окружающих резистор устройств за счет выделяемого им тепла, зависимость сопротивления от влажности окружающего воздуха (в особенности для резисторов открытых типов), изменение черт при повторяющейся нагрузке и т. п.

Если температура среды отличается (в сторону роста) от 25 °С (либо 40 °С), то рассеиваемая резистором мощность должна быть соответственно снижена до значений, при которых не превышается очень допустимая температура нагрева прибора. На рис. 3 изображены графики зависимости относительной рассеиваемой мощности резисторов от температуры окружающего воздуха согласно советам NEMA, UL и MIL-R-26 (U-EIA):

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

При построении данных зависимостей принимается, что температура перегрева не находится в зависимости от величины температуры среды. Но это не совершенно правильно. Четкий расчет должен учесть увеличение эффективности излучения с ростом температуры согласно законам Стефана-Больцмана и Вина. Но вклад, вносимый из-за этого при низких температурах (до 1000–1500 °С) очень невелик, и его можно не учесть в подавляющем большинстве конструктивных расчетов.

Для неких типов резисторов в справочных данных указывается максимально допустимая термическая нагрузка поверхности. Для большинства типов проволочных резисторов она составляет от 0,7 Вт/см2 (для резисторов огромного размера на мощности более 150–200 Вт) до 2 Вт/см2 (для маленьких резисторов с мощностью 10–20 Вт). Данную величину комфортно использовать при расчете работы резистора в качестве нагревательного элемента.

Следует направить внимание на то, что в наставлениях по определению наибольшей мощности резисторов не обозначено размещение резистора относительно поверхности земли. Но имеется четкое указание на то, что температура измеряется для более жаркого участка резистора. У горизонтально размещенного трубчатого проволочного резистора с равномерной намоткой резистивного элемента температура в районе середины прибора может быть в 1,5–2,5 раза выше, чем температура у торцов (зависимо от метода крепления). При вертикальном расположении зона наибольшего нагрева сдвигается ввысь на 3–10% длины резистора, а верхний торец имеет бульшую температуру, чем нижний. Это вызывает некое повышение механических напряжений в конструкции прибора и может понизить его надежность. Потому при иных равных критериях всегда следует предпочитать горизонтальное размещение резисторов, кроме специально созданных для вертикального монтажа устройств, к примеру в теплоотводящих корпусах из дюралевого профиля. Для ряда особенных случаев внедрения (к примеру, в качестве равномерного источника тепла) выпускаются особые резисторы с неравномерной намоткой резистивного элемента (более частая у краев и редчайшая посреди), у каких температура фактически постоянна по всей длине прибора.

Разглядим подробнее главные причины, определяющие температуру резистора, или, с другой стороны, требуемую величину номинальной мощности, при которой температура не превосходит данной:

1. Температура среды

Увеличение температуры среды вызывает соответственное понижение допустимой температуры перегрева и соответственной ей мощности рассеяния. График зависимости относительной допустимой мощности рассеяния от температуры среды приведен выше, на рис. 3. Если температура среды ниже той, для которой была определена наибольшая мощность рассеяния (25 °С либо 40 °С), то в ряде всевозможных случаев можно допустить увеличение наибольшей мощности выше типовой величины, но при всем этом нужно дополнительно уточнять способности резистора по работе с токами, превосходящими номинальный. Превышение тока резистора в этом случае может вызвать не повышение его температуры выше максимально допустимой, а разрушение наружных и внутренних контактов (места соединения резистивного элемента с выводами) и локальные перегревы и плавление резистивного элемента.

2. Установка в закрытом корпусе

Установка резистора в корпусе усугубляет условия отвода тепла за счет излучения (часть излучения отражается стенами корпуса, остальная часть излучается как в окружающее, так и во внутреннее место корпуса), также за счет конвекции (корпус нарушает конвекционный ток воздуха и преграждает доступ прохладного воздуха к резистору). Существенное воздействие на температуру резистора, помещенного в корпус, оказывают размер, толщина стен, их материал и наличие перфорации и расцветки поверхности. Ухудшение критерий работы резистора при помещении в корпус отлично показывают графики на рис. 4.

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

3. Установка групп резисторов

Резисторы, монтируемые на малом расстоянии друг от друга, при работе разогреваются посильнее, чем одиночный резистор при таковой же рассеиваемой мощности (на каждом из резисторов группы). Это происходит за счет обоюдного нагрева резисторов излучением и повышением количества тепла, приходящегося на единицу объема охлаждающего воздуха при естественной конвекции. Для того чтоб температура резисторов, работающих в группе, не превысила допустимого значения, нужно снижать мощность, приходящуюся на любой из устройств по отношению к очень допустимой для 1-го свободно установленного резистора. Рис. 5 дает представление о порядке требуемого понижения мощности рассеяния на каждом из резисторов зависимо от количества резисторов в группе и расстояний меж ними.

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

4. Высота над уровнем моря

Количество тепла, отводимого от резистора за счет конвекции воздуха, находится в зависимости от плотности последнего. Чем более разрежен воздух, тем наименьшее количество тепла он способен отвести. При подъеме в атмосфере плотность воздуха понижается, а это значит, что наибольшая мощность рассеяния резисторов будет понижаться. На высотах более 20 000 м плотность воздуха уже так мала, что конвективный отвод тепла перестает играть сколько-либо приметную роль в общем термическом балансе резистора и тепло отводится только за счет излучения и теплопередачи элементам конструкции. На рис. 6 представлен график зависимости относительной мощности рассеяния резистора от высоты его размещения (над уровнем моря).

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

5. Работа в импульсных режимах

Если ток через резистор протекает не повсевременно, а в течение определенных интервалов времени, а в другие моменты резистор обесточен, то количество тепла, выделяемое в течение значимого промежутка времени, будет меньше, чем при непрерывной работе. «Усреднение» по времени происходит за счет теплоемкости конструкции, монтажных частей и окружающего воздуха. В итоге температура резистора не превосходит очень допустимую даже при импульсных мощностях, неоднократно превосходящих наивысшую мощность непрерывного режима. Величина допустимой импульсной мощности зависит как от конструктивных особенностей резистора (теплоемкость и теплопроводимость конструкции), так и от продолжительности импульса и соотношения длительностей импульса и паузы (скважности). На рис. 7 приведены зависимости относительной допустимой импульсной рассеиваемой мощности для резисторов разных типов, определенные согласно советам NEMA для пусковых и тормозных резисторов.

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

Для ряда типов резисторов импульсная мощность ограничена не допустимым перегревом, а наибольшей величиной рабочего тока резистора, при превышении которой вероятны повреждения резистивного элемента и выводов за счет локальных перегревов.

Графики на рис. 8 дают представление о процессе нагрева резисторов различных типов импульсом тока и построены в координатах времени импульса, нужного для нагрева резистора до очень допустимой температуры и импульсной мощности.

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

При помощи зависимостей, представленных на рис. 9, можно найти соотношение длительностей импульса и паузы тока через трубчатые резисторы, нагревающего приборы до очень допустимой температуры для разных абсолютных длительностей и разных относительных импульсных мощностей (в процентах от очень допустимой мощности рассеяния непрерывного режима).

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

Рассмотренные выше особенности импульсных режимов относятся к типовым импульсным режимам, имеющим место при применении резисторов в цепях запуска и торможения электродвигателей, где времена воздействия значимых токов исчисляются единицами и десятками секунд, а паузы — от единиц секунд до многих часов.

Для импульсных токов малых длительностей (0,1–0,5 с и наименее) импульсные свойства будут значительно отличаться от приведенных выше, так как в большей мере будут определяться теплофизическими качествами резистивного элемента, ежели теплоемкостью всего резистора в целом. При еще наименьших длительностях импульсов (наименее единиц миллисекунд) важную роль начинает играть индуктивность резистора, увеличивающая полное сопротивление резистора в области малых времен. Для внедрения на частотах более 1–3 кГц (продолжительности импульсов наименее 1 мс) делаются особые резисторы с бифилярной намоткой, резко снижающей свою индуктивность резистора, или поверхностные и большие резисторы на базе проводящих пленок.

6. Принудительное остывание

Принудительный обдув резисторов резко наращивает количество охлаждающего воздуха по сопоставлению с естественным конвективным потоком и, тем, позволяет повысить эффективность отвода выделяемого тепла. Это очень обычный и очень действенный метод увеличения допустимой мощности рассеяния резисторов. На рис. 10 приведена зависимость относительной допустимой мощности рассеяния от скорости воздуха, охлаждающего резистор.

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

Об эффективности этой обычный меры можно судить хотя бы по тому, что при скорости воздуха всего 2,5 м/с мощность, рассеиваемая резистором без перегрева, более чем в два раза превосходит его наивысшую мощность при естественном охлаждении. Если резисторы работают, к примеру, в системах реостатного торможения электроподвижного состава, то с целью экономии электроэнергии может быть применение не неизменного обдува, а связанного с процессом торможения, когда вентиляторы подключаются параллельно тормозному резистору либо его отводу. Такие схемы остывания тормозных резисторов использованы на ряде магистральных электровозов российского и забугорного производства.

7. Ограничение температуры резисторов

В ряде всевозможных случаев, с целью увеличения надежности и роста срока аппаратуры, рабочую температуру резисторов выбирают ниже очень допустимой. Понижение температуры поверхности резистора в 2 раза по отношению к очень допустимой наращивает надежность работы резистора от 4 до 100 раз (зависимо от типа), также понижает температуру снутри устройства, в каком резистор установлен, что также является очень подходящим фактором. К огорчению, понижение температуры тепловыделяющих частей, при иных равных критериях, всегда связано с повышением их физических габаритов, потому данную меру можно советовать, только если это допускается массогабаритными показателями аппаратуры.

Беря во внимание все вышеупомянутое, для первичного выбора резистора можно советовать пользоваться данными мнемонической таблицы, приведенной на рис. 11. В каждой из 7 граф таблицы приведены значения коэффициентов для разных критерий среды и режима работы. Если известна (из расчета электронной схемы) мощность, рассеиваемая на резисторе, то, умножив ее на коэффициенты, определенные из таблицы и надлежащие условиям и режимам работы, можно получить величину номинальной мощности резистора, который следует применить в данной схеме в данных критериях.

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

В качестве примера определим номинальную мощность резистора для системы запуска электродвигателя. Импульсная мощность, выделяемая на резисторах согласно расчету, составляет 1 кВт (300% от номинальной), рассеивается на группе из 4 резисторов (250 Вт на резистор), температура окружающего воздуха составляет +60 °С, резисторы смонтированы в открытой стойке, расстояние меж резисторами 5 см, подразумевается возможность работы устройства на высоте до 4000 м над уровнем моря, остывание естественное конвекционное, температура резисторов ограничена величиной 250 °С.

Определяем из таблицы надлежащие коэффициенты:

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

Номинальная мощность каждого из резисторов группы составит:

Особенности выбора и внедрения резисторов в силовой технике

Таким макаром, номинальная мощность каждого из резисторов в группе должна составлять более 160 Вт.

Очевидно, расчет номинальной мощности при помощи данной таблицы является ориентировочным, так как не учитывает многие дополнительные причины, все же, его погрешность довольно невелика и позволяет стремительно найти мощность требуемого резистора, а исходя из нее — и определенный тип используемого прибора.

Невзирая на то, что резисторы, на самом деле, являются простейшими элементами электронных цепей, от правильного выбора их типов и критерий эксплуатации почти во всем зависит надежность, себестоимость и эксплуатационные свойства аппаратуры, а верный выбор резисторов для силовых преобразовательных устройств, выполненный на шаге проектирования, почти во всем обусловит коммерческую судьбу аппаратуры.

При подготовке статьи были применены информационные материалы компаний Danotherm (Дания), Arcol (Англия), Ohmite (США), S.I.R. (Италия).

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий