Блок силового резистора

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к конструкции блока силового резистора, охлаждаемого набегающим потоком воздуха, для электротранспорта, и может быть использована 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 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.
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 выполнены без изгиба соединенными 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 заявляемой полезной модели является обеспечение гарантированного охлаждения блока силового резистора при сохранении его надежности и долговечности.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в блоке силового резистора с помещенными в кожух с перфорированными стенками, резистивными элементами в виде пластин из металла, установленными параллельно друг другу, упорядоченными в ряды с помощью опорно-крепежной арматуры и соединенными между собой через изоляторы, 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.
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, причем угол наклона не является произвольным, лежит в диапазоне от 27° до 65°. Поэтому угол наклона рядов пластин рассчитывается по заявляемой формуле с математическим соотношением, в котором задействованы все параметры геометрии пластин, их рядов и конструкции блока в целом. Закономерность выведена впервые авторским коллективом, доведена и скорректирована эмпирически, и апробирована.
Отрицательное ускорение при торможении транспортного средства практически постоянно на протяжении всего цикла электродинамического торможения. Соответственно, выделяемая энергия (тепловая мощность, выделяемая в блоке силового резистора) максимальна на начальных этапах торможения и потом падает практически по квадратичному закону.
На начальном этапе торможения, при максимальной выделяемой в блоке силового резистора мощности, скорость воздушного потока, снимающего тепловую энергию с поверхности резистивных элементов блока силового резистора, 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 блоке силового резистора 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.
Угол наклона рядов 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;
- 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».
Заявляемое техническое решение поясняется с помощью Фиг. 1-3, на которых изображены:
на Фиг.1 – ряд резистивных элементов,
на Фиг.2 – общий вид блока силового резистора,
на Фиг.3 – ряды наклонно ориентированных пластин,
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, состоящие из двух разновеликих частей. Размер отверстий обуславливается конфигурацией меньшей части - выступа на изоляторе 4, который выполнен в виде ступенчатообразной таблетки. Продольный размер отверстия определяется, исходя из линейного расширения пластины 1 при ее нагреве. 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 трёх 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.
Блок силового резистора устанавливают на крыше, например, трамвая на установочных ригелях с минимальным расстоянием вверх не менее 4 см от крыши электротранспортного средства для обеспечения поступления воздуха через перфорационные отверстия 7 в стенках кожуха 8 резистора после остановки трамвая. Электрически блок силового резистора подключают параллельно двигателю транспортного средства, последовательно с силовым транзистором, который обеспечивает коммутацию цепи. При движении трамвая он закрыт, ток через блок силового резистора не идёт, при торможении (при условии, что напряжение контактной сети больше напряжения генерации двигателей вагона в режиме торможения) 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, охлаждая резистивные элементы, и выходит через противоположную торцевую часть.
После остановки электротранспортного средства воздух продолжает поступать через днище и нижние части торцевых стенок кожуха 8, охлаждая блок силового резистора, и выходит через вентиляционные отверстия, расположенные в верхней части боковых стенок и через верхнюю часть торцевых стенок кожуха.
Ряды пластин 1 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.
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 сбрасывать уже после остановки, когда скорость набегающего потока воздуха строго равна нулю, нужно использовать 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 фактически ограничивают оптимальный диапазон значений углов наклона рядов резистивных элементов, при нахождении в рамках которого работают оба указанные выше механизма теплоотвода.
Этот угол определен расчётным путем и эмпирически доведён и оптимизирован 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 блока силового резистора при использовании обоих механизмов теплообмена – конвективного, за счет использования потока набегающего воздуха, и эффекта «печной тяги».
Пример.
В разрабатываемых по данному техническому решению образцах использовались фехралевые пластины.
пл
b = 352 мм,
пл
c = 60 мм,
y = 43 мм,
n =3,
пл
пл
b и c – длина и ширина пластины в мм соответственно,
n и у – число рядов в блоке и удаленность одного ряда пластин от другого в рабочей зоне по перпендикуляру в мм, соответственно,
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. признак технического решения относительно угла наклона рядов пластин в данной конструкции силового резистора соответствует требуемому для нормальной работы условию, и выходить за полученные значения угла наклона при конструировании конкретного блока не следует.