Реостатное управление скоростью

Реостатное управление скоростью — это способ регулирования частоты вращения вала электродвигателя путём изменения активного электрического сопротивления в цепи его якоря (ротора) или обмотки возбуждения. Данный метод относится к числу наиболее простых и исторически ранних способов управления, однако характеризуется значительными потерями энергии и низким КПД, особенно при работе на пониженных скоростях.

Принцип действия

Реостатное управление основано на зависимости скорости вращения электродвигателя от напряжения, подводимого к его обмоткам. В цепь двигателя последовательно включается регулировочный реостат — устройство с переменным электрическим сопротивлением. При увеличении сопротивления реостата часть напряжения источника питания падает на нём, а напряжение, приложенное к двигателю, уменьшается. Это приводит к снижению тока в обмотках и, как следствие, к уменьшению вращающего момента и частоты вращения вала. При уменьшении сопротивления реостата напряжение на двигателе возрастает, и скорость вращения увеличивается.

Для двигателей постоянного тока реостатное регулирование возможно как в цепи якоря, так и в цепи обмотки возбуждения. В первом случае изменяется напряжение на якоре, что позволяет регулировать скорость вниз от номинальной. Во втором случае изменяется магнитный поток возбуждения, что позволяет регулировать скорость вверх от номинальной, но с ограничением по максимально допустимой частоте вращения и коммутационной способности.

Для асинхронных двигателей с фазным ротором реостатное управление реализуется путём включения реостата в цепь ротора. Изменение сопротивления в роторной цепи влияет на величину скольжения, что позволяет плавно регулировать скорость вращения ротора в диапазоне от нуля до номинальной.

Классификация реостатов

Реостаты, используемые для управления скоростью, классифицируются по нескольким признакам.

По типу регулирования

• Пусковые реостаты — предназначены для ограничения пускового тока и плавного разгона двигателя до номинальной скорости. После завершения пуска они обычно закорачиваются или выводятся из цепи.
• Регулировочные реостаты — рассчитаны на длительную работу в цепи двигателя для поддержания заданной скорости в процессе эксплуатации. Они должны иметь достаточную мощность рассеивания тепла.

По конструкции

• Жидкостные реостаты — в качестве регулируемого сопротивления используется электролит (обычно раствор соды или соли). Изменение сопротивления достигается изменением расстояния между электродами или уровня жидкости. Такие реостаты применялись на мощных промышленных установках, например, в приводах прокатных станов и кранов.
• Металлические реостаты — состоят из набора проволочных или ленточных резисторов, соединённых в секции. Переключение секций производится с помощью контакторов или кулачковых контроллеров. Наиболее распространённый тип в электротранспорте и промышленности.
• Угольные реостаты — используют столбики угольных дисков, сопротивление которых изменяется под действием механического давления. Применялись в системах автоматического регулирования возбуждения генераторов.

По способу переключения

• Ступенчатое регулирование — сопротивление изменяется дискретно, путём переключения между фиксированными секциями реостата. Характерно для контроллерных систем управления.
• Плавное регулирование — сопротивление изменяется непрерывно, например, с помощью движка, скользящего по обмотке реостата. Реализуется в лабораторных и маломощных установках.

Применение

Реостатное управление скоростью исторически получило широкое распространение в тех областях, где требовалась простота и надёжность регулирования, а энергоэффективность не являлась критическим фактором.

Электрический транспорт

Наиболее массовое применение реостатное управление нашло в городском электрическом транспорте: трамваях, троллейбусах, электропоездах (электровозах и моторвагонных секциях) постоянного тока. Вплоть до середины XX века практически все системы управления тяговыми двигателями в СССР и за рубежом были реостатными. Водитель (машинист) с помощью контроллера переключал секции пуско-тормозных реостатов, обеспечивая разгон и замедление. Выделяющееся при этом тепло рассеивалось в окружающую среду через специальные вентиляционные решётки или ящики сопротивлений, устанавливаемые на крыше или под кузовом.

Грузоподъёмные механизмы

Краны, лебёдки, лифты и подъёмники часто оснащались реостатными системами управления, позволяющими плавно изменять скорость подъёма и опускания груза, а также ограничивать пусковые токи.

Промышленные электроприводы

В металлургии, горнодобывающей промышленности, на станках с тяжёлыми режимами работы (прокатные станы, экскаваторы, шагающие драглайны) реостатное управление применялось для регулирования скорости мощных двигателей постоянного и асинхронного тока.

Лабораторные и учебные стенды

Благодаря простоте и наглядности, реостатное регулирование до сих пор используется в учебных заведениях для демонстрации принципов работы электродвигателей и законов электротехники.

Недостатки и ограничения

Основным недостатком реостатного управления является низкий коэффициент полезного действия (КПД). При работе на пониженных скоростях значительная часть потребляемой электроэнергии превращается в тепло, выделяемое на реостате. Например, при скорости, составляющей 50 % от номинальной, на реостате может рассеиваться до 50 % подводимой мощности. Это приводит к перегреву оборудования, необходимости применения систем охлаждения и увеличению эксплуатационных расходов.

Другие недостатки:

• Ступенчатость регулирования — при использовании контакторных систем скорость изменяется рывками, что может вызывать динамические нагрузки и дискомфорт для пассажиров или операторов.
• Большая масса и габариты — реостаты, особенно мощные, представляют собой громоздкие и тяжёлые устройства.
• Искрение и износ контактов — при переключении секций под нагрузкой на контакторах и контроллерах возникает электрическая дуга, вызывающая эрозию контактов и требующая регулярного обслуживания.
• Сложность автоматизации — реализация плавного и точного автоматического управления с помощью реостатов затруднительна, требует большого количества коммутационной аппаратуры.

Сравнение с другими методами управления

В современной технике реостатное управление практически повсеместно вытеснено более эффективными способами регулирования скорости.

Наиболее значительным шагом вперёд стало внедрение импульсных систем управления (тиристорно-импульсное регулирование) в электротранспорте в 1970–1980-х годах, а затем и частотных преобразователей для асинхронных двигателей. Эти системы позволяют регулировать скорость с минимальными потерями, обеспечивая плавный разгон, рекуперативное торможение и высокую энергоэффективность.

Интересные факты

• В трамваях и троллейбусах, оборудованных реостатной системой, при разгоне можно было наблюдать характерное «пропадание» света в салоне — это происходило из-за резкого падения напряжения в контактной сети при включении очередной ступени реостата.
• Реостатные контроллеры машинистов в старых электровозах (например, ВЛ8, ВЛ10) требовали от водителя значительных физических усилий — рукоятка контроллера могла иметь ход до 30–40 сантиметров и переключать до 20–30 позиций.
• В некоторых странах, например, в Швейцарии, реостатное управление на горных железных дорогах использовалось вплоть до конца 1990-х годов из-за простоты обслуживания и ремонта в условиях удалённых депо.
• В современных электропоездах (например, «Ласточка» или «Сапсан») реостатное торможение применяется только как резервное или аварийное, а основное — рекуперативное, с возвратом энергии в сеть.

Источники

• Вольдек А. И. «Электрические машины». — Л.: Энергия, 1974.
• Ключев В. И. «Теория электропривода». — М.: Энергоатомиздат, 1985.
• Правила устройства электроустановок (ПУЭ). — 7-е изд.
• Справочник по электрическим машинам / Под ред. И. П. Копылова. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
• Техническая документация на трамвайные вагоны серии Т-3 (Чехословакия, завод «ЧКД-Прага»).