Реостат что такое и зачем нужен

Реостат. Принцип действия, устройство, применение, обозначение реостата

Реостат — это переменный резистор, электрическое сопротивление которого между его подвижным контактом и выводами резистивного элемента можно изменять механическим способом (определение согласно ГОСТ 21414-75).

Реостат — это тип потенциометра с двумя выводами вместо трех. Является так называемым элементом управления в электрических цепях.

Важным преимуществом реостата является то, что его можно использовать для изменения электрического сопротивления в цепи без её разрыва.

Принцип действия и устройство реостата

Из любого учебника физики за 8 класс нам известно, что принцип действия реостата основан на законе Ома для участка цепи, а именно электрический ток, протекающий через цепь, изменяется в зависимости от уровня сопротивления, с которым он сталкивается при неизменном напряжении источника. Низкое сопротивление означает высокий электрический ток, так как ничто не препятствует току, а высокое сопротивление означает низкий электрический ток. Это свойство электрических цепей может быть использовано для настройки характеристик цепи в соответствии с конкретными требованиями.

При этом, сопротивление материала проводника (скажем, проволоки) зависит линейно от её длины и обратно пропорционально площади поперечного сечения, то есть верна формула: R = (ρ * l) / S, где

Таким образом, если площадь поперечного сечения остается постоянной, увеличение длины увеличивает сопротивление. Как показано на рисунке 1, ползунок реостата перемещается с помощью резистивного элемента. Он перемещается в 2 направлениях (туда/обратно). Соответственно изменяется эффективная длина. По мере продвижения ползунка к выходному выводу эффективная длина уменьшается, вызывая падение сопротивления и увеличение силы тока.

В простейшем типе реостата используется керамический цилиндр с намотанной по всей длине стальной проволокой (или другим материалом/сплавом с большим удельным сопротивлением), причем эта проволока имеет постоянное поперечное сечение по всей длине. Проволока покрыта тонким слоем не проводящей ток окалины, поэтому витки её изолированы друг от друга.

Над обмоткой расположен металлический стержень, по которому может перемещаться ползунок (подвижный контакт). Своими контактами он прижат к виткам обмотки.

Слой окалины с проволоки снимается в результате трения контактов ползуна о витки обмотки. Электрический ток от витков проволоки через контакты ползунка течет в стержень.

Из конструктивных особенностей нужно ещё отметить, что внутри реостат всегда полый. Это необходимо, поскольку при протекании электрического тока реостат нагревается, а эта полость обеспечивает быстрое охлаждение.

Ползунок можно перемещать вдоль стержня, чтобы создать бо́льшее или ме́ньшее сопротивление в электрической цепи. При изменении положения ползунка реостата изменяется длина той части обмотки, через которую проходит ток — а вследствие этого изменяется и сопротивление реостата. То есть, увеличение длины проволочного стержня создает бо́льшее сопротивление, что приводит к уменьшению тока, протекающего через цепь, а уменьшение — наоборот, создает ме́ньшее сопротивление, что приводит к увеличению силы тока в цепи.

Рисунок 1. Общая структура простого ползункового реостата

Каждый реостат рассчитан на определённое сопротивление и на наибольшую допустимую силу тока, превышать которую не следует, так как обмотка реостата накаляется и может перегореть. Сопротивление реостата и наибольшее допустимое значение силы тока указаны на реостате.

Кто изобрел реостат?

Разработка реостата иногда приписывается Чарльзу Уитстону, британскому изобретателю XIX века, который, помимо прочего, привнес в науку ряд открытий, связанных с электричеством. Уитстон, безусловно, работал с электрическими цепями и многое узнал о электрическом сопротивлении и о том, как им можно манипулировать в процессе работы. Основные конструкции реостатов, разработанные в то время, используются и сегодня.

Реостат на основе рисунка Чарльза Уитстона

Где применяются реостаты?

Основное предназначение реостата — это регулировка силы тока в электрической цепи.

Существуют различные типы реостатов, но в технике, например в электротранспорте, регулировка силы тока реостатами вытесняется другими, более выгодными электронными регуляторами, полупроводниковыми элементами и потенциометрами. Дело в том, что, изменяя силу тока в цепи, реостат нагревается, на что расходуется значительная энергия. При большом значении силы тока проволока реостата может перегреться и реостат перестанет работать. В электронных регуляторах эти потери в сотни раз меньше.

Почему реостат нужно подключать последовательно в электрическую цепь?

Чтобы подключить реостат в цепь, мы должны подключить его последовательно, а не параллельно. Электрический ток, как известно, течет по пути с наименьшим сопротивлением. Поэтому, когда возникает выбор между путём с меньшим сопротивлением и путём с бо́льшим сопротивлением, он всегда выбирает меньший.

Реостат, как мы уже знаем, — это устройство с переменным значением сопротивления. Когда мы подключаем его к параллельному пути, этот путь приобретает немного бо́льшее сопротивление, чем другой доступный путь. Когда в электрический цепи течет ток, электроны никогда не выбирают параллельный путь, а текут прямо по последовательному пути. Поэтому реостат вообще не будет работать в таком случае.

Как обозначается реостат на схемах?

Реостат на схемах обозначается как резистор со стрелкой. При таком обозначении легко понять, что при движении ползунка вправо сопротивление реостата уменьшится, а при движении влево – увеличится.

В тоже время нужно знать, что международная электротехническая комиссия (IEC) определила другой символ для обозначения реостатов:

Прямоугольник обозначает сопротивление, а стрелка – то, что его можно изменять.

Источник

Реостат — что это такое

Этот электрический прибор был изобретён немецким физиком Поггендорфом во второй половине XIX века. Первый образец устройства давал ясное представление о том, что такое реостат (РС). Его предназначение заключалось в том, чтобы путём изменения собственного сопротивления влиять на величину силы тока и напряжения в электрической цепи.

Как устроен реостат

Реостат это управляемое переменное сопротивление, которое может изменять параметры тока в электрической цепи.

В результате большого количества экспериментов и научно-технических исследований появились различные модели реостатов, такие как:

Проволочный

Это простейший реостат. Он состоял из проволоки с высоким удельным сопротивлением, натянутой на раму. Она проходила сразу через несколько разъёмов. Включая тот или иной контакт, добивались изменения длины проводника. Тем самым получали нужную величину сопротивления, следовательно, изменялись параметры силы тока и напряжения в электрической цепи. Недостатком такого устройства являлась ограниченность длины проводника, соответственно, диапазона изменений характеристик тока.

Ползунковый

Ползунковый прибор – это классика строения реостата. РС представляет собой удлинённую катушку, которая выглядит как цилиндр из диэлектрического материала с намотанным на него проводом, покрытого окалиной. По штанге поступательно передвигается ползунок, который касается контактами спирали катушки. Прибор подключают к электрической цепи в двух точках: это контакт ползунка и один из концов катушки.

Жидкостный

Аппарат представляет собой ёмкость, заполненную электролитом, в которую погружены два электрода в виде металлических пластин. Сопротивление тока, протекающего через электролит, напрямую зависит от промежутка между электродами и обратно пропорционально площади поверхности электродов.

Ламповый

Сопротивление в цепи регулируется количеством включённых параллельно ламп накаливания. Это не очень удачное решение. Регулировка параметров тока дорого обходится за счёт большой траты электроэнергии, потребляемой лампами накаливания.

Важно! Все вышеперечисленные устройства давно канули в прошлое, кроме ползункового реостата. Это были пионеры в сфере регулировки параметров электрического тока. На смену им пришли экономичные и компактные переменные резисторы. Несмотря на это, принцип работы устройств остался прежним.

Принцип работы

Принцип работы РС можно рассмотреть на примере действия ползункового прибора. Ползун перемещается вдоль катушки поперёк витков намотки. По бокам керамического цилиндра установлены две стойки, которые поддерживают горизонтальную штангу. Ползун надет через отверстие в корпусе на эту горизонтальную ось, по которой он свободно перемещается.

Ползунок двумя металлическими пластинками трётся о витки катушки. Ток не может проходить напрямую через витки, а только по спирали. Следовательно, работать может только та часть катушки, которая заключена между входным контактом и ползунком. Этим была решена проблема ограниченности длины проводника проволочного РС.

Чем ближе контактор к входному контакту катушки, тем меньше сопротивление РС. В результате уменьшается напряжение, и увеличивается сила тока электрической цепи. Напряжение подаётся на всю длину обмотки, а рабочий ток снимается контактами ползуна. Контактор в принципе разделяет РС на два последовательно соединённых резистора.

Обратите внимание! Реостат на схеме обозначают в виде прямоугольника со стрелкой. Геометрическая фигура – это катушка, а стрелка означает ползунок.

Виды реостатов

Основные три вида реостатов:

Тороидальный реостат

Обмотка РС представляет собой тороидальную конструкцию, верхняя поверхность которой образует контактную дорожку. Поворотный контактор вращается вокруг своей оси, касаясь обмотки. Тороидальная катушка обеспечивает неразрывность электрической цепи во время поворота ползуна.

Эту особенность переменного сопротивления используют в городском электротранспорте. Беспрерывная перемена силы тока и напряжения питания электродвигателя обеспечивает плавное перемещение транспортного средства. При поломке устройство не подлежит ремонту. Потребуется замена прибора новым реостатом.

Рычажный тип

В отличие от тороидальной модели, рычажный реостат меняет величину сопротивления тока рывками. Рычаг, исполняя роль контактора, передвигается с одного контакта на другой. В устройстве расположено несколько резисторных линий с определённым сопротивлением. Рычажный бегунок одновременно работает выключателем одной линии и включателем другого резистора.

Штепсельные РС

Как и рычажный тип РС, штепсельные устройства регулируют сопротивление электрической цепи ступенчато. Единственное отличие заключается в том, что переход от одного режима к другим параметрам тока происходит без разрыва цепи. При извлечении очередного штепселя происходит перенаправление энергетического потока через определённый резистор.

Материалы изготовления

Реостаты по виду материала изготовления делятся на 4 типа. Это угольные, металлические, жидкостные и керамические РС:

Охлаждение

Электричество, пройдя через резистор, тратит часть энергии на преодоление сопротивления проводника, которая преобразуется в тепло. При чрезмерном его выделении реостат может сильно перегреться и прийти в полную негодность.

По этой причине применяют, согласно ГОСТу, две системы охлаждения переменных резисторов, это:

Воздушная система охлаждения

Она основана на принудительной вентиляции. Для этого применяют лопастные и турбинные вентиляторы. В реостате датчик производит измерение уровня нагрева прибора. При достижении допустимого порога температуры датчик подаёт сигнал на включение системы вентиляции. При понижении нагрева вентилятор выключается.

Жидкостное охлаждение

Жидкостное охлаждение переменного резистора большой мощности осуществляется с помощью саркофага, в рубашке которого постоянно циркулирует минеральное масло. Оно отводит тепло от реостата наружу.

Для чего нужен РС

Исходя из того, для чего нужен реостат, переменные устройства делятся на следующие виды:

Пускорегулирующие приборы

Реостаты применяют в системе управления электродвигателями постоянного тока. При переменном токе РС включают в схему питания асинхронных двигателей с фазовым ротором.

Пусковые РС

Их основное назначение – это понижение величины силы пускового тока во время старта электромотора. Также такие реостаты работают в системах рекуперативного реостатного торможения. Оно нужно для плавного снижения скорости вращения роторов электромоторов и генераторов.

Балластники

Балластные РС быстро поглощают энергию, которая выделяется при резком торможении электродвигателя. То есть происходит сброс балласта в виде излишней электроэнергии.

Нагрузочные устройства

РС этого вида создают дополнительную нагрузку в электроцепи. Это нужно для поддержания необходимых процессов, связанных с режимом работы различных приборов, двигателей и других устройств.

Датчики на основе реостата

Положение ползуна в РС определяет величину напряжения и силы тока в рабочей цепи электрического тока. Изготовить датчик на основе реостата не составляет особого труда. К тороидальному переменному сопротивлению подводят фазу и ноль питания, на выход выводят изменённую фазу из резистора и ноль.

Сегодня на смену устаревшим приборам пришли оптические и магнитные аналоги. Датчики на основе переменных резисторов ещё продолжают массово применять в радиотехнике. Это подстроечные сопротивления регуляторов уровня громкости и других опций.

Поворачивая ручку регулировки громкости радиоустройства, перемещают ползунок по графитовому диску. От его положения зависят сопротивление цепи и мощность звукового сигнала.

Реостат печки отопления салона автомобиля

Сама печка автомобиля во включённом состоянии находится в статичной степени нагрева. Уровень температуры воздуха в салоне зависит от скорости вращения ротора вентилятора. Реостат, встроенный в цепь питания вентилятора, меняет скорость воздушного горячего потока через ручное управление.

Существуют комбинированные системы обогрева салона автомобиля. Это когда степень нагрева воздушного потока регулируется двумя реостатами: самой печки и вентилятора.

Дополнительная информация. Типичной причиной выхода из строя системы обогрева салона часто бывает перегорание предохранителя. Поломку устраняют перепайкой электрической детали.

С развитием научно-технического прогресса многие электроприборы быстро устаревают. На смену им приходят более совершенные устройства, менее затратные и более эффективные. То же происходит с реостатами. Электротехническая промышленность постоянно поставляет на рынок всё более новые и совершенные виды резисторов.

Видео

Источник

Реостаты. Что это за устройства и зачем они нужны?

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 0 С. Температура переключающих элементов не должна превышать 110 0 С.

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 R_эк 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.

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 0 С 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 0 С. 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 0 С.

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:

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.

Источник