Силовой резистор
POWER RESISTOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к конструкции блока тормозного силового резистора, охлаждаемого набегающим потоком воздуха, для электротранспорта, и может быть использовано для разработки изделий этого вида - как в городском электротранспорте, так и в вагонах электропоездов и метро.
Известен блок мощного воздухоохлаждаемого резистора, описанный в патенте RU на изобретение №2380778. Блок содержит каркас с разрезными соосными кольцами, состоящими из дуговых стержней с нанизанными на них изоляционными втулками, между которыми установлены держатели с резистивными элементами. Разрезные кольца содержат по два полукольца. Держатели выполнены одновременно и как натяжители. Резистивный элемент состоит из прямого участка между двумя держателями, один из которых установлен на верхнем полукольце, другой - на соответствующем нижнем полукольце. Поверхность резистивных элементов выполнена с насечками-турбулизаторами.
Известен также блок самовентилируемых резисторов для электрического общественного транспорта, описанный в патенте RU на изобретение №2570923. Блок имеет установленные в виде рядов резистивные элементы в опорно-крепежной арматуре и токовыводы, соединенные с узлом электрических подключений. Резистивные элементы электрически и механически соединены между собой. Каждый из рядов резистивных элементов составлен из вертикально ориентированных воздухопрозрачных спиралей, навитых из круглой тугоплавкой формодержащей металлической проволоки диаметром 1,5-5 мм, с шагом спирали не менее 1,5 диаметров проволоки и диаметром навивки не более 12 диаметров проволоки. Спирали установлены между верхними и нижними токоведущими держателями и закреплены на них через свои крайние витки.
Однако с учетом эксплуатации в условиях электротранспорта с размещением поверх крыши движущегося транспортного средства возникают проблемы возможного отсоединения и провисания резистивных элементов.
Известен также блок мощного воздухоохлаждаемого резистора, описанный в патенте RU на полезную модель №168740. Блок содержит корпус, выполненный в виде кожуха на установочной раме с рядным расположением воздухопроницаемых резистивных элементов, опоры, входные и выходные вентиляционные отверстия. Резистивные элементы имеют двухрядное расположение с горизонтальной ориентацией резистивных элементов. Кожух выполнен бескаркасным составным, включающим ограждающие конструкции, формирующие призматическое пространство для размещения резистивных элементов. Сами ограждающие конструкции соединены между собой и закреплены на раме болтовыми соединениями и состоят, в основном, из плоских листовых деталей, кроме крыши, выполненной с пирамидальными выдавками выпуклостью вверх с вершинами над самыми нагреваемыми точками резистивных элементов, и боковых стенок, выполненных в их верхних частях с отогнутыми бортами, направленными в сторону продольной оси кожуха. При этом в нижних частях торцевых и боковых стенок и в отогнутых бортах выполнены массивы вентиляционных отверстий. В крышевых деталях выполнены сплошные массивы вентиляционных отверстий, в днищевых деталях - сплошные массивы отштампованных вентиляционных жалюзи. Опоры выполнены в виде четырех демпферов, установленных по концам установочной рамы.
Известен также блок воздухоохлаждаемого ленточного резистора, описанный в патенте RU на полезную модель №36563. Блок содержит опору в виде боковин, стяжные шпильки с изоляторами, металлический резистивный элемент, установленный на изоляторах с помощью держателей. Опоры боковин, несущие стяжные шпильки, выполнены из электроизоляционного материала. Изоляторы выполнены цилиндрическими с аксиальными двухсторонними цилиндрическими поднутрениями, в которые установлены изоляционные втулки, несущие держатели резистивного элемента.
о
Однако в описанных выше аналогах (за исключением технического решения по патенту на изобретение RU № 2570923) снимающий тепловую энергию с резистивных элементов воздушный поток при максимальном нагреве резистивных элементов (максимальной разности температур между ними и поступающим снизу воздухом) до 600÷700С – имеет скорость не более 1,5÷2,0 м/с. В результате чего и наблюдается рост рабочей температуры резистивных элементов, что в свою очередь, приводит к резкому сокращению надежности и долговечности.
Известен также блок резистора, описанный в патенте RU на полезную модель №167203. Блок состоит из резистивного элемента, закрепленного на держателях, стянутого шпильками с диэлектрическими изоляторами. На плоской поверхности резистивного элемента, вдоль продольной оси, выполнены ребра жесткости в виде трапециевидной выемки, расположенные двумя параллельными рядами.
Однако данная конструкция сложна в изготовлении, поскольку требует дополнительно дорогостоящей оснастки для названной формовки ребер жесткости резистивных элементов.
Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является резистивный узел тормозного резистора, описанный в патенте RU на полезную модель №168031. Узел содержит воздухопроницаемые зигзагообразные резистивные элементы с токовыводами по концам, установленные в опорно-крепежной арматуре и механически соединенные между собой с возможностью электрического соединения через токовыводы, элементы жесткости и термокомпенсации резистивных элементов. Воздухопроницаемые зигзагообразные резистивные элементы имеют ярусное расположение и выполнены составными из прямоугольных пластин с изогнутыми в противоположные стороны концами, кроме крайних пластин. Свободные концы последних, выполненные без изгиба, соединены между собой неразъемными токопроводящими соединениями. Опорно-крепежная арматура представляет собой совокупность расположенных с двух сторон от воздухопроницаемых зигзагообразных резистивных элементов боковых пластин с отбортованными кромками, параллельными длинной стороне пластин резистивных элементов, стяжных шпилек с набором крепежных изделий и комплекта изоляторов. Элементы жесткости конструктивно оформлены в виде сочетания крестообразных и продольных рифтов, отштампованных на пластинах резистивных элементов, и промежуточных изоляторов с фиксирующими шайбами, установленных между пластинами резистивных элементов. Элементы термокомпенсации выполнены в концах пластин резистивных элементов в виде овальных установочных отверстий, ориентированных вдоль их длинной стороны. Токовыводы выполнены в виде присоединенных к концам крайних пластин резистивных элементов неразъемными токопроводящими соединениями токовыводных пластин с крепежными отверстиями для формирования электрических соединений и термокомпенсаторами в виде овальных установочных отверстий, позиционно совпадающими с соответствующими овальными установочными отверстиями в концах крайних пластин резистивных элементов.
Однако в наиболее близком аналоге тепловая энергия снимается с резистивных элементов только за счет так называемого «эффекта печной тяги», при котором скорость потока, даже при максимальном их нагреве не превышает 1,5-2 м/с. Рост рабочей температуры резистивных элементов вызывает резкое сокращение надежности и долговечности.
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение гарантированного охлаждения силового резистора при безаварийной работе за счет гарантированного относительного зазора между пластинами и изоляторами при обеспечении нужного угла наклона рядов пластин для максимального возможного их охлаждения.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в силовом резисторе в виде блока с помещенными в кожух с перфорированными стенками, резистивными элементами в виде пластин из металла, установленными параллельно друг другу, упорядоченными в ряды с помощью опорно-крёпежной арматуры и соединенными между собой через изоляторы, пластины в их угловых зонах по краям выполнены округлыми сверху и снизу; ряды пластин ориентированы наклонно под углом α, подчиняясь условию:
,(1)
где
α – угол между торцевой стенкой кожуха и рядом пластин, от 27° до 65°,
n и у – число рядов в блоке и удаленность одного ряда пластин от другого в рабочей зоне по перпендикуляру в мм, соответственно,
пл
пл
b и c – длина и ширина пластины в мм соответственно;
а каждый из изоляторов выполнен в виде ступенчатообразной таблетки из двух разновеликих частей и меньшей частью в виде выступа входит в отверстие близлежащей платины с образованием относительного зазора между пластиной и изолятором, величина которого подчиняется соотношению:
0,1 ≤  ≤ 0,4,  (2)
где
0,1 ÷ 0,4 - диапазон величин относительного зазора,
в
пл
t , t – толщины выступа изолятора и  пластины соответственно, в мм,
в
пл
d , d – допуски на толщину выступа и толщину пластины соответственно, в мм.
Технический результат. В заявляемом техническом решении резистивные элементы ориентированы наклонно для того, чтобы максимально использовать для отвода тепла набегающим потоком воздуха, возникающим при движении транспорта, всю возможную для этого их поверхность.
Отрицательное ускорение при торможении транспортного средства практически постоянно на протяжении всего цикла электродинамического торможения. Соответственно, выделяемая энергия (тепловая мощность, выделяемая в силовом резисторе) максимальна на начальных этапах торможения и потом падает практически по квадратичному закону.
На начальном этапе торможения, при максимальной выделяемой в силовом резисторе мощности, скорость снимающего тепловую энергию с поверхности резистивных элементов силового резистора воздушного потока максимальна – примерно 12-17 м/с для троллейбусов и трамваев и до 40 м/с для электропоездов. Именно с такой скоростью в заявляемом техническом решении набегающий воздушный поток обтекает на начальном этапе торможения ряды наклонно-ориентированных резистивных элементов, максимально эффективно снимая с них тепловую энергию. Рабочая температура резистивных элементов не превышает, как правило, в рабочем режиме 250-300°С. Далее скорость движения как транспортного средства, так и набегающего воздушного потока снижается и одновременно еще быстрее снижается уровень выделяемой в силовом резисторе тепловой мощности.
На начальном этапе торможения так называемый «эффект печной тяги» дает мизерную добавку к эффективности отдачи тепла резистивными элементами, измеряемую единицами процента. Тем не менее, это позволяет существенно увеличить эффективность отдачи ими тепла при скоростях, близких к нулю на конечном этапе торможения и во время стоянки транспортного средства.
Угол наклона рядов (см. математическое выражение (1)) определятся с учетом следующих условий:
- Минимальный угол определяется исходя из того, чтобы в полной мере реализовать «эффект печной тяги»; для этого теплому воздуху, поднимающемуся вверх с нижних частей металлических пластин от сварных площадок, не должна мешать верхняя часть этих пластин;
свою долю в этот вклад вносит и округлость пластин в их угловых зонах, освобождая путь движения воздуха в этих угловых зонах каждой из пластин. Округлость пластин помогает еще полнее организовать выход нагретого от эксплуатируемого силового резистора воздуха и ввод холодного воздуха, одновременно повышая и электрическую прочность в уязвимых зонах пластин по их концам, что совсем не лишнее в подобных транспортных устройствах, перевозящих значительное количество людей;
- Максимальный угол определяется для максимальной реализации «эффекта печной тяги» с целью улучшения теплосъема на скоростях, близких к нулевой скорости. При этом расход воздуха, реализуемый за счет набегающего потока воздуха, стремится к нулю и нужно максимально реализовать поток воздуха, обеспечиваемый за счет реализации «эффекта печной тяги».
На примере разработанного образца силового резистора (см. далее по тексту в разделе «пример») показаны подходы к заданию границ соотношения (2), характеризующего толщины пластин с фиксирующими их керамическими изоляторами.
Границы этого соотношения (2) должны обеспечивать реализацию двух различных условий:
• свободного перемещения закрепленной в изоляторах металлической пластины, необходимого для компенсации линейных термических расширений вдоль длины пластины, например из фехралевой ленты, при разогреве в рабочем режиме.
В противном случае жестко закрепленная пластина, не имеющая возможности этого перемещения, выгнется на свободных участках дугой и может замкнуть на соседнюю пластину;
• с другой стороны у пластин не должно быть излишней свободы перемещения (колебания) относительно изоляторов. В противном случае при воздействии механических факторов (вибраций, ударов и т.д.) конструкция начнет вырабатывать свой механический ресурс, что приведет к серьезным потерям в части ее надежности и долговечности.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью Фиг. 1-4, на которых изображены:
на Фиг.1 – ряд резистивных элементов,
на Фиг.2 – общий вид силового резистора,
на Фиг.3 – ряды наклонно ориентированных пластин,
на Фиг.4 – схема положения пластин относительно изоляторов,
и на которых позициями 1- 8 обозначены:
1 - пластина,
2 - шпилька,
3 - опорная пластина,
4 - изолятор,
5 - крепёжный элемент,
6 - контактная площадка,
7 - перфорационное отверстие,
8 - кожух.
Резистивные элементы выполняются из металла с повышенным сопротивлением в виде пластины 1 округлого профиля сверху и снизу. Каждая пластина 1 имеет два овальных отверстия, расположенные на некотором удалении от торцевых краев пластины 1 и одно овальное отверстие в середине пластины 1. Все отверстия равноудалены от боковых сторон пластины 1. Через отверстия пропущены шпильки 2, зафиксированные на тыльных сторонах краевых опорных пластин 3. На шпильки 2 насажены горизонтально вытянутые в ряды изоляторы 4. Размер отверстий обуславливается конфигурацией выступа на изоляторе 4, который выполнен в виде ступенчатообразной таблетки. Продольный размер отверстия определяется, исходя из линейного расширения пластины 1 при ее разогреве. Краевые площадки соседних пластин 1 скреплены между собой с помощью точечной сварки, при этом каждая последующая пластина 1 развёрнута относительно предыдущей на 180 градусов. Жёсткость сварной конструкции из металлических пластин 1 обеспечивается при помощи трех рядов изоляторов 4, нанизанных на шпильки 2 и стянутых крепёжными элементами 5. К крайним пластинам 1 при помощи точечной сварки приварены контактные площадки 6 для подключения к цепи питания электротранспортного средства.
Ряды пластин 1 ориентированы наклонно под углом α, подчиняясь условию:
,
где
α – угол между торцевой стенкой кожуха и рядом пластин, от 27° до 65° (эмпирически отобрано после расчетов и апробации),
n и у – число рядов в блоке и удаленность одного ряда пластин от другого в рабочей зоне по перпендикуляру в мм, соответственно,
пл
пл
b и c – длина и ширина пластины в мм соответственно.
Ограничение снизу условия соответствует большим углам наклона к вертикали (не более 65 градусов), ограничение сверху - малым углам наклона к вертикали (не менее 27 градусов).
При малых углах наклона работает в основном механизм конвективного отвода тепла за счет набегающего при движении вагона воздуха. И если бы тепло выделялось исключительно при больших скоростях движения транспортного средства и, соответственно - больших скоростях прохождения через блок набегающего воздуха, блоки можно было бы устанавливать вертикально и организовывать каналы для прохода воздуха строго по направлению их движения.
Однако, в конце цикла торможения, когда скорость набегающего воздуха уже мала, а температура резистивных элементов к концу цикла торможения достаточно велика, и её нужно снижать уже после остановки, когда скорость набегающего потока воздуха строго равна нулю, нужно использовать так называемый механизм «печной тяги».
При вертикальном расположении рядов резистивных элементов этот механизм практически не будет эффективен, поскольку воздух в режиме «печной тяги» будет проходить между рядами, практически без теплообмена с резистивными пластинами.
Лучше всего этот эффект будет работать при горизонтальном расположении пластин, под углом в 90 градусов к вертикальным торцевым стенкам.
Но при таком расположении рядов резисторов практически не будет работать конвективный отвод тепла за счет набегающего при движении вагона воздуха.
Приведенные выше границы соотношения фактически ограничивают оптимальный диапазон значений углов наклона рядов резистивных элементов, при нахождении в рамках которого работают оба указанные выше механизма теплоотвода.
Этот угол определен расчетным путем и эмпирически для нескольких типов конструкций тормозных резисторов, близких по конструктиву, но различающихся размерами и уровнями рассеиваемой мощности. Граничные углы для этих конструкций несколько различаются, находясь при этом в диапазоне углов, соответственно, от 27 и до 65  градусов.
Именно в этом диапазоне значений удается получить наиболее эффективный съём тепла с силового резистора при использовании обоих механизмов теплообмена – конвективного, за счет использования потока набегающего воздуха, и эффекта «печной тяги».
Силовой резистор устанавливают на крыше, например, трамвая, на установочных ригелях, с минимальным расстоянием вверх на 4 см от крыши трамвая для обеспечения поступления воздуха через перфорационные отверстия 7 в стенках кожуха 8 резистора после остановки трамвая. Электрически силовой резистор подключают параллельно двигателю транспортного средства, последовательно с силовым транзистором, который обеспечивает коммутацию цепи. При движении трамвая он закрыт, ток через силовой резистор не идёт, при торможении он открыт, вся кинетическая энергия трамвая через двигатель преобразуется в электричество, поступает на электрический резистор и рассеивается в виде тепла.
В процессе торможения воздушный поток проходит через одну торцевую часть кожуха, остужая резистивные элементы, и выходит через противоположенную торцевую стенку.
После остановки трамвая воздух продолжает поступать через днище и нижние части торцевых стенок кожуха 8, охлаждая силовой резистор, и выходит через вентиляционные отверстия, расположенные в верхней части боковых стенок и через верхнюю часть торцевых стенок кожуха.
Пример.
В разрабатываемых по данному техническому решению образцах использовались фехралевые пластины.
Конкретные числовые значения узлов и деталей таковы:
пл
b = 352 мм,
пл
c = 60 мм,
пл
t = 0,6 мм,
y = 43 мм,
n =3,
пл
пл
b и c – длина и ширина пластины в мм, соответственно,
пл
t – толщина пластины в мм,
n и у – число рядов в блоке и удаленность одного ряда пластин от другого в рабочей зоне по перпендикуляру в мм, соответственно,
в
t = 0,7 мм,
пл
d = 0,01мм,
в
d = 0,1 мм,
в
t  – толщина выступа изолятора, мм,
в
пл
d , d – допуски на толщину выступа и толщину пластины соответственно в мм.
После подстановки числовых данных в правую часть выражения (1), получилось
= arccos  =
= arccos  = arccos  =
= arcos 0.4937 = 60,4°.
После подстановки числовых значений в левую часть выражения (1), получилось
= arccos  =
= arccos  = arccos  =
= arcos 0.887 = 27,5°.
В данном случае .
Т.е. заявляемый признак технического решения относительно угла наклона рядов пластин в данной конструкции силового резистора соответствует требуемому для нормальной работы условию (1).
Другое условие (2) для нормального охлаждения силового резистора и обеспечения для этого нормального гарантированного относительного зазора между каждой из пластин и изоляторов внутри ряда можно конкретизировать, руководствуясь полученным в заявляемом техническом решении соотношением:
0,1 ≤  ≤ 0,4 (2)
и, подставляя имеющиеся в начале примера числовые значения геометрических параметров узлов и деталей - пластин и изоляторов, получили для данного экспериментального образца одноразовой подстановкой величину искомого относительного зазора:
Эта величина для заявляемой конструкции силового резистора в статике, т.е. оптимальное значение, к которому следует стремиться.
о
пл
в
Для этой конструкции силового резистора в эксперименте в динамическом режиме - при разогреве элементов конструкции до температуры 900С, толщина пластины t увеличивалась на 0,08 мм, а толщина выступа изолятора t – на 0,045 мм и стали:
пл
t = 0,68 мм,
в
t = 0,745 мм.
Подставляя изменившиеся значения толщин в соотношение (2), величина относительного зазора составила в условиях работы:
т.е. относительный зазор между изоляторами и пластинами уменьшился с 0,27 до 0,2, но остался нормальным - в заданных пределах (от 0,1 до 0,4).
Для множества различных рассмотренных авторами примеров с различными размерами используемых пластин из фехрали (и других высокоомных материалов) и фиксирующих их керамических изоляторов, с учетом их реальных допусков, величины относительного зазора укладывались в значения не менее 0,1 и не более 0,4, что является гарантированным условием для работы заявляемого устройства.
Создание гарантированного зазора между пластинами и изоляторами, при котором амплитуда колебаний пластин в перпендикулярном их плоскости направлении при внешних механических воздействиях будет относительно мала, позволит теплу беспрепятственно уходить от контактирующих деталей и не позволит пластинам наносить механические повреждения изоляторам, обеспечит гарантированный режим поведения узлов внутри рядов пластин, а целесообразный угол наклона всех рядов резистивных элементов внутри блока, в свою очередь, обеспечит гарантированный режим оттока тепла и предотвратит появление мест перегрева внутри ряда пластин, внутри блока и целиком всей конструкции.