Белгород

Министерство образования и науки

Российской Федерации

БГТУ им. В.Г. Шухова

Кафедра «Электроэнергетики»

ПРИЕМНИКИ И ПОТРЕБИТЕЛИ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

методические указания и контрольное задание

для студентов специальности

140211 - Электроснабжение

Белгород

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ,

ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПЛАНЕ

Целью изучения дисциплины является приобретение высокого уровня профессиональной подготовки в области электрификации потребителей и технологических установок различного назначения промышленных предприятий, их конструктивным исполнением, ознакомление с режимами их работы, влиянием качества электроэнергии на работу электроприемников и их воздействием на качество электроэнергии в питающей электросети, управлением режимами электроприемников.

Задачи изучения дисциплины заключаются в определении основных требований приемников и потребителей электроэнергии к системам электроснабжения (СЭС) промышленных предприятий. Ознакомление с характерными режимами СЭС, возникающими при работе электроприемников, конструктивным исполнением электроприемников различного назначения и режимами их работы, с задачами обеспечения надежности снабжения электроэнергией электроприемников и электротехнологических установок.

Место дисциплины в профессиональной подготовке специалиста.

Согласно требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению, подготовки дипломированного специалиста (650900 - Электроэнергетика) инженер должен знать и уметь использовать базовые знания по электрификации производственных процессов при снабжении приемников и потребителей электроэнергией. Для выполнения этой программы курс «Электрификация производственных процессов» разделен на две дисциплины: «Приемники и потребители электроэнергии» и «Электрификация производственных процессов». Данная учебная программа относится к дисциплине «Приемники и потребители электроэнергии».

Данная дисциплина опирается на знания цикла общеобразовательных дисциплин Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования – ТОЭ и электромеханика.

В свою очередь, данная дисциплина является необходимой для таких дисциплин, как «Электрификация производственных процессов» и «Системы электроснабжения».

Дисциплина «Приемники и потребители электроэнергии» изучается студентами специальности 140211 – Электроснабжение на пятом курсе.

Распределение часов дисциплины по темам занятий представлено в табл. 1.

Таблица 1

График изучения дисциплины «Приемники

и потребители электроэнергии»

При изучении дисциплины теоретический материал закрепляется при выполнении контрольной и лабораторной работ.

Формами промежуточного контроля знаний являются: защита лабораторной работы, собеседование по контрольной работе, контроль усвоения программы тестированием и зачет в соответствии с учебным графиком.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Основная терминология

ТЕМЫ, ИХ КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Введение

Потребление электроэнергии и характерные электрические нагрузки промышленных предприятий. Структура потребления электроэнергии по отраслям производства. Современное состояние и анализ динамики электропотребления.

[1], Введение, гл. 1; [3], гл. 1, 2; [7].

Методические указания

Валовой внутренний продукт страны и комфортность жизни населения определяется электропотреблением, производительность труда – электровооруженностью. Рациональное увеличение потребления электроэнергии на душу населения актуально для России, где основное электропотребление, например, вдвое ниже, чем в США. Уровень же удельных и общих расходов электроэнергии недопустимо высок на все виды выпускаемой продукции. Энергоемкость национального дохода в 2-4 раза выше, чем в развитых странах. Эффективность использования электроэнергии – важная часть обеспечения энергетической безопасности страны. В период перестройки экономики в России промышленностью потреблялось следующее количество электроэнергии (в ТВт×ч): 1990 г. – 529,3; 1997 г. – 325; 1999 г. – 384; 2000 г. – 357; 2001 – 304; 2002 г. – 362. Энергетической стратегией России на период до 2020 года предусмотрено следующее потребление – производство электроэнергии (в ТВт×ч); 2010 г. – 1135/1180; 2020 г. – 1545/1620 (в знаменателе указано максимальное значение).

Сложившаяся в России структура потребления электроэнергии хозяйственным комплексом и населением приведена в табл. 2, ТВт×ч.

Характерные электрические нагрузки среднего по мощности промышленного предприятия (по составу электрооборудования) приведены в табл. 3.

Таблица 2

Структура потребления электроэнергии

хозяйственным комплексом и населением

Продолжение табл. 2

Таблица 3

Характерные электрические нагрузки промышленного

предприятия (по составу электрооборудования)

Примечание. Установки электрического освещения потребляют до

10 % электроэнергии, потребляемой промышленным

производством.

Тема 1. Характеристика электроприемников

промышленных предприятий

Общие сведения о потребителях электроэнергии, предмет и задачи курса.

Характерные группы электроприемников промышленных предприятий: электроприводы, электротермические печи и установки, электросварочные установки, установки электрического освещения, установки специального назначения, преобразователи частоты и тока, потребители и генераторы реактивной мощности.

Основные технические и режимные характеристики электроприемников.

Классификация электроприемников по напряжению, роду тока, частоте, категории надежности, режиму работы.

[1], гл. 2, 3; [2], разд. 6, 7; [4].

Методические указания

Промышленность является основным потребителем электроэнергии. Под потребителем электроэнергии понимают отдельный электроприемник или группу электроприемников, объединенных технологическим процессом и размещающихся на определенной территории. При этом приемниками электроэнергии (или электроприемниками) называют устройства, преобразующие электрическую энергию в другой вид энергии.

В данном курсе электроприемник рассматривается как элемент системы электроснабжения предприятия, определяющий потребляемую им электроэнергию. Поэтому в задачу курса входит рассмотрение электроприемников как устройств, формирующих определенную электрическую нагрузку предприятия и предъявляющих определенные требования к системе обеспечения их электроэнергией.

Для того, чтобы электроприемники выполняли свои функции, требуется соединение их с источником. Совокупность различных аппаратов, линий, вспомогательных устройств и сооружений, предназначенных для производства, передачи, распределения и преобразования энергии принято называть электроустановкой.

Обычно электроприемники объединяются в электроустановки технологией производства. Технологические установки могут содержать различное число электроприемников разного назначения, мощности и являться потребителями отдельных элементов системы электроснабжения промышленного предприятия: аппарата, лаборатории, цеха. Для энергоснабжающей сети потребителем является предприятие в целом.

Электрической нагрузкой называют мощность, потребляемую электроустановкой в данный момент времени. Если речь идет о потребителях переменного тока, то потребляемая мощность состоит из полной, активной и реактивной мощности.

Промышленные предприятия являются потребителями электроэнергии, содержащими различные электроприемники [1].

По характеру использования электроэнергии все электроприемники обычно делят на следующие группы:

1. Электроприводы, т.е. устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую, состоящие из электродвигателя и исполнительного механизма. Это наиболее распространенный вид электроприемников на производстве. На их долю приходится около 65 % всей потребляемой электроэнергии.

2. Электротермические печи и установки, т.е. устройства, преобразующие электрическую энергию в тепловую на постоянном токе, переменном токе промышленной, пониженной и повышенной частоты. Для чего используются преобразователи, присоединенные к сети общего назначения (50 Гц). Электропечи и установки питаются непосредственно от сети общего назначения или через самостоятельные печные трансформаторы. Мощность таких установок (одной единицы) колеблется от нескольких киловатт до сотни мегаватт [2, разд. 7, гл. 7.5].

3. Электросварочные установки, предназначенные для выполнения процессов сварки, наплавки, напыления, резки и сварки с применением давления [2, разд. 7, гл. 7.6].

4. Светотехнические установки. Это различные виды установок электрического освещения зданий, сооружений и территорий предприятий [2, разд. 6, гл. 6.1].

5. Электротехнологические установки, в которых электрический ток непосредственно используется для реализации технологического процесса. К таким установкам относятся электролизные установки, установки гальванических покрытий, электролиза воды, получения водорода и т.д. [2, разд. 7, гл. 7.10].

6. Преобразователи переменного тока частотой 50 Гц в постоянный ток и в переменный ток повышенной или пониженной частоты, используемых для электролиза или электрохимических процессов. Применяются преобразователи одноякорные, двигатель-генераторы и полупроводниковые.

7. Установки специального назначения, к которым относятся: электромагнитные сепараторы, предназначенные для обогащения металлической руды и работающие как на постоянном, так и на переменном токе; подъемные электромагниты, работающие на постоянном токе; электромагнитные шкивы и муфты.

При выполнении своих функций режим работы электроприемников может быть разным. При решении вопросов электроснабжения потребителей рассматривают следующие режимы:

1. Продолжительный режим, при котором приемники работают с неизменной или мало изменяющейся нагрузкой длительное время. При этом повышение температуры отдельных частей оборудования над температурой окружающей среды не превышает установленных пределов. К таким электроприемникам относят электроприемники компрессоров, насосов, вентиляторов, нагревательных печей и т.п.

2. Кратковременный режим, при котором рабочий режим не настолько длителен, чтобы отдельные части аппарата или машины могли достигнуть допустимого установившегося значения температуры, а время паузы имеет такое значение, что оборудование успевает охладиться до температуры окружающей среды. К таким электроприемникам относятся вспомогательные механизмы станков, задвижки и т.п.

3. Повторно-кратковременный режим, при котором рабочие периоды чередуются с паузами. Однако нагрев оборудования при этом за рабочий цикл не достигает установившегося значения, а охлаждение во время паузы не снижает его температуру до температуры окружающей среды. К таким электроприемникам относятся электродвигатели подъемных кранов, сварочные аппараты и т.п.

При повторно-кратковременном режиме период включения длится в течение времени t _в, а пауза в течение t _п. В результате такой работы электроприемник нагревается до некоторой установившейся температуры. Однако процесс нагрева по сравнению с длительным режимом замедляется, а перегрев снижается. Для характеристики режима повторно-кратковременной нагрузки вводят величину, называемую продолжительностью включения (ПВ), которая определяется следующим образом:

ПВ = t _в / t _в + t _п.

Как отмечалось выше электроприемники рассматриваются как устройства, определяющие нагрузку предприятия и предъявляющие определенные требования к обеспечению их электроэнергией. Поэтому при проектировании и эксплуатации электроснабжения используют технические показатели электроприемников. Рассмотрим основные из них.

Важным параметром электроприемника является установленная мощность. Для отдельного электроприемника под этим понимают номинальную мощность данного устройства, т.е. указанное изготовителем значение паспортной мощности (при ПВ = 100 %). Если потребитель представляет совокупность однородных электроприемников, то установленная мощность потребления равна сумме их номинальных мощностей.

Если потребитель представляет группу различных электроприемников, то их установленная мощность определяется путем суммирования их установленных мощностей с приведением к одинаковым условиям определения [1, гл. 3)].

Следующим параметром электроприемника является номинальное напряжение. Это напряжение трехфазной сети определяется как линейное напряжение присоединенных к этой сети электроприемников.

По частоте переменного тока различают электроприемники промышленной (50 Гц), пониженной (ниже 50 Гц), повышенной (до 10000 Гц) и высокой (10000 Гц и выше) частоты.

По роду тока различают электроприемники переменного, постоянного и импульсного тока. Основная масса электроприемников переменного тока использует промышленную частоту. Электроприемники постоянного тока, среди которых наибольшее значение имеет электропривод постоянного тока, получают питание от преобразователей переменного тока в постоянный.

Для питания потребителей импульсного тока также используются индивидуальные преобразователи.

В системах электроснабжения электроприемники с преобразователями, питающиеся от сети промышленной частотой обычно рассматриваются как потребителем переменного тока с определенными режимными характеристиками [7].

Важным показателем электроприемников является потребляемая ими реактивная мощность, характеризуемая коэффициентами активной или реактивной мощности

(1)

или

, (2)

где P, Q, S – активная, реактивная и полная мощности соответственно.

От работы электроприемников зависит нормальное протекание технологических процессов производства. Поэтому при решении вопросов электроснабжения приходится разделять электроприемники по степени надежности электроснабжения. То есть необходимо определить в какой мере повлияет отключение питания электроприемника на выполняемые им функции.

Поэтому одним из основных требований является обеспечение надежности снабжения электроэнергией электроприемников. Электроприемники в отношении обеспечения надежности их электроснабжения разделяются на три категории [2]:

1. Электроприемники первой категории, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения.

2. Электроприемники второй категории, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

3. Электроприемники третьей категории – это все остальные электроприемники не подпавшие под определение первой и второй категорий.

Выполнение этого требования электроприемников связано с выполнением схемы их питания, поэтому подробно эти вопросы будут рассмотрены в курсе «Системы электроснабжения».

Тема 2. Характерные режимы СЭС возникающие при работе

электроприемников, и общие вопросы по их управлению

Общие сведения о режимах питающих электросетей, возникающих при работе электроприемников: отклонение и колебание напряжения, несинусоидальность и несимметрия напряжения, отклонение частоты. Влияние режимов на работу электроприемников. Задачи по нормализации качества электроэнергии.

[1], гл. 12; [7], [8].

Методические указания

Электроприемники изготавливаются с определенными электрическими параметрами (напряжением, частотой). Отклонения от этих параметров ухудшают их работу, а при значительных отклонениях может привести к выходу этих устройств из строя. Поэтому подводимая к выводам электроприемников электроэнергия должна иметь нормируемые показатели качества. В настоящее время действует ГОСТ 13109-99, устанавливающий показатели и нормы качества электрической энергии в электрических сетях, к которым присоединяются потребители электрической энергии. Обеспечение нормируемых показателей качества электроэнергии возможно при использовании различных методов и средств.

Наиболее часто возникающими в электрических сетях режимами являются: отклонение и колебание напряжения, несинусоидальность и несимметрия напряжения, отклонение частоты.

Под установившимся отклонением напряжения понимают отклонение разности между действительным значением напряжения и его номинальным значением к номинальному напряжению для данной сети. Величина напряжения в электросети зависит от величины реактивной мощности. Факторами, вызывающими отклонение напряжения, являются:

1. Изменение режима источника питания.

2. Изменение режимов работы электроприемников.

3. Изменение реактивной электроэнергии в узле нагрузки.

4. Неправильный выбор сечений токоведущих элементов и обмоток силовых трансформаторов.

5. Неправильное построение электрических схем и т.д.

При снижении напряжения электросети увеличиваются потери активной мощности в электродвигателях, сокращается срок их службы, для других электроприемников возможен брак выпускаемой продукции, снижение производительности труда и т.д.

Увеличение напряжения на зажимах электродвигателей приводит к росту потребляемой ими реактивной мощности за счет увеличения тока холостого хода, а также сокращает срок службы электрических ламп и т.д.

Регулирование напряжения в сети достигают за счет регулирования реактивной мощности, вырабатываемой источниками: синхронными генераторами, компенсаторами, электродвигателями и конденсаторными установками.

Для обеспечения на вводах подстанций постоянного уровня напряжения производят:

1. Встречное регулирование напряжения на шинах электростанций. По мере снижения напряжения у потребителей, обусловленного ростом их нагрузки, увеличивают ток возбуждения генераторов, повышая выработку реактивной мощности.

2. Соблюдение баланса реактивной мощности в узлах нагрузки.

3. Регулирование напряжения в узлах нагрузки с помощью автотрансформаторов, трансформаторов с РПН, линейных регуляторов синхронных компенсаторов и электродвигателей, управляемых конденсаторных установок.

4. Повышение напряжения в линиях устройствами продольной компенсации.

Регулирование напряжения обеспечивает компенсацию потерь напряжения и поддержание напряжения необходимого для электроприемников.

Колебанием напряжения называют непредсказуемые изменения напряжения в течение короткого отрезка времени, равного 1-2 секундам.

Причинами, вызывающими колебания напряжения, являются: пуск короткозамкнутых асинхронных электродвигателей, работа сварочных аппаратов, дуговых электропечей и вентильных преобразователей.

Для ограничения колебания напряжения следует:

1. Приближать приемники с резкопеременной нагрузкой к основным мощным источникам питания и питать их отдельными линиями.

2. Разделять приемники с резкопеременной и спокойной нагрузками через трансформаторы с расцепленной вторичной обмоткой или реакторы

3. Уменьшать индуктивное сопротивление воздушных линий.

4. Ограничивать пусковые токи и токи самозапуска электродвигателей.

5. Предусматривать раздельную работу питающих линий и силовых трансформаторов.

6. Предусматривать питание осветительных установок от отдельных силовых трансформаторов.

Эффективным является применение продольной компенсации, с помощью которой обеспечивается мгновенное регулирование напряжения и предотвращения его сильных колебаний.

Несинусоидальность напряжений является результатом работы электродуговых печей, электросварочных установок, вентильных и тиристорных преобразователей, т.е. электроприемников, имеющих нелинейную вольт-амперную характеристику. Характерной особенностью этих устройств является потребление из сети несинусоидальных токов при подведении к их зажимам синусоидального напряжения.

Возникающие при этом режиме высшие гармонические составляющие токов и напряжений приводят к следующему:

1. Дополнительному отклонению напряжения у осветительных и нагревательных установок.

2. Дополнительному нагреву ротора электродвигателей и диэлектрика в конденсаторных установках.

3. Увеличению потери мощности в электросетях и электроприемниках.

4. Снижению срока службы электроприемников, изоляции кабелей.

5. Затруднению компенсации реактивной мощности конденсаторными установками.

Для снижения высших гармоник в электрических сетях применяют:

1. Резонансные фильтры высших гармоник.

2. Увеличивают фазность выпрямления преобразователей до 12 и выше.

3. Раздельное питание электроприемников, вызывающих несинусоидальность токов и напряжений, с другими электроприемниками.

4. Подключение электроприемников, вызывающих несинусоидальность, к точкам электросети с наибольшей мощностью короткого замыкания.

Несимметрия напряжений является следствием включения в трехфазную сеть однофазных электроприемников (поперечная несимметрия), а также различия параметров фаз на отдельных участках сети (продольная несимметрия).

Кратковременная несимметрия возникает при коротком замыкании, обрыве 1-го или 2-х проводов ВЛ с замыканием на землю. Длительная несимметрия возникает при неравномерном распределении электрической нагрузки между фазами электросети.

Несимметрия напряжений неблагоприятно влияет на работу электродвигателей, сокращая срок их службы, уменьшая их располагаемую мощность, создавая противодействующий вращающий момент. Конденсаторные установки при несимметрии неравномерно загружаются по фазам, что сокращает срок их службы и создает еще большую несимметрию в электросети.

Способами снижения несимметрии являются:

1. Рациональное пофазное распределение электрических нагрузок.

2. Применение специальных симметрирующих устройств.

Под отклонением частоты понимают разность между действительным и номинальным ее значениями. Величина частоты в электросети зависит от величины активной мощности.

Фактором, вызывающим изменение частоты, может являться изменение режима источника питания и т.п.

Изменения свыше нормы частоты оказывают неблагоприятное влияние на электросети и, в конечном итоге, на работу технологического оборудования: увеличиваются потери мощности и напряжения, выходят из строя конденсаторные установки из-за их перегрузки по току, снижается производительность электродвигателей и других механизмов. При этом растет потребляемая электродвигателями активная мощность. Характеристики таких электроприемников как электропечи сопротивления и лампы накаливания не зависят от изменения частоты.

Функции регулирования частоты в энергосистеме разделяются между электростанциями. При медленном изменении активной нагрузки часть электростанций в соответствии с графиком нагрузки изменят число работающих генераторов, на других электростанциях производится регулирование мощности без отключения-включения генераторов. быстрые изменения активной нагрузки имеют случайный характер. Для регулирования частоты при наличии случайных колебаний нагрузки в системе 1-2 электростанции работают в режиме частоторегулирующих, т.е. они снабжены быстродействующими устройствами автоматического регулирования частоты, обеспечивающими быстрое изменение нагрузки частоторегулирующих станций.

На промышленных предприятиях для поддержания нормативных значений частоты используют автоматическую частотную разгрузку, при которой отключают часть активной нагрузки третьей категории.

Тема 3. Установки электрического освещения

(методические указания к РГР)

Основные светотехнические характеристики.

Основные искусственные источники света: конструкция, типы, основные характеристики, достоинства и недостатки, схемы включения.

Осветительные установки и приборы, их конструктивное исполнение. Характеристики светильников.

Выбор установок внутреннего и наружного освещения. Выбор системы и вида освещения, источника света, светильника, освещенности и коэффициента запаса. Определение количества и мощности источников света и размещение их в пространстве.

Установки электрического освещения как потребители электроэнергии.

Влияние качества электроэнергии на работу электроламп и их воздействие на питающую электросеть.

[5], гл. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 14; [6]; [9].

Методические указания

Основными светотехническими характеристиками являются: световой поток, освещенность, показатель ослепленности, коэффициенты отражения и пульсации светового потока, цветопередача и т.д. Одни из них характеризуют источник света (например, световой поток), другие – освещаемую поверхность (например, освещенность).

Искусственные источники света – электролампы подразделяются на тепловые (накаливания, галогенные), разрядные (люминесцентные, ртутные, натриевые, металлогалогенные) и светодиоды.

Лампы накаливания и галогенные при работе потребляют активную мощность, а разрядные лампы – активную и реактивную мощность.

Осветительным прибором (светильник, прожектор) называют совокупность осветительной арматуры и помещенного в него источника света. Группа осветительных приборов или один прибор, предназначенные для освещения помещений, площадки или технологической установки называется осветительной установкой.

По способам размещения светильников в производственных помещениях различают системы общего и комбинированного освещения (к общему добавляется местное освещение). Система общего освещения предназначена для освещения всего помещения при нормируемой освещенности Е _н ≤ 150 лк. При комбинированной системе освещения нормируемая освещенность выше, чем при общем освещении. Комбинированная система применяется в помещениях, где выполняются точные зрительные работы (разряды зрительных работ I – III, IVa, IVб, IVв, Vа).

Искусственное освещение по своему функциональному назначению подразделяется на следующие виды: рабочее, аварийное, охранное и дежурное [6]. Рабочее освещение создает требуемую по нормам освещенность и качество освещения. Аварийное – подразделяется на освещение безопасности (для продолжения работы при отключении рабочего освещения) и эвакуационное (для безопасной эвакуации людей при отключении рабочего освещения). В нерабочее время во многих помещениях и вдоль границ территории предприятия необходимо освещение для дежурства пожарной и военизированной охраны, т.е. охранное освещение. В нерабочее время в помещениях используют дежурное освещение.

Работа осветительных установок лампами накаливания или галогенными оказывает незначительное отрицательного воздействия на качество электроэнергии в питающей сети, вызывая лишь отклонение напряжения, а иногда и несимметрию. Работа осветительных установок с разрядными лампами вызывает в питающей сети отклонение и колебание напряжения, а также несимметрию и несинусоидальность напряжения.

Тема 4. Электротермические установки

Классификация электротермических установок. Методы нагрева.

Электрические печи сопротивления, дуговые, рудно-термические и индукционные, их конструкции, принцип действия, режимы работы, достоинства и недостатки, область применения. Электротермические установки как потребители электроэнергии.

Влияние качества электроэнергии на работу электротермических установок и их воздействие на питающую электросеть.

[10], гл 1-9; [11], гл. 6-8.

Методические указания

Все электротермические установки по способу превращения электроэнергии в тепловую энергию можно разделить на пять категорий, использующих следующие методы нагрева:

I. Сопротивления.

II. Дуговой.

III. Индукционный.

IV. Диэлектрический.

V. Электронный.

Классификация электротермических установок приведена на рис. 1.

Рис. 1. Классификация электротермических установок:

1 – прямого действия; 2 – косвенного действия; 3 – с плавящимся

анодом; 4 – с неплавящимся анодом; 5 – плазменно-электронная

установка; Н – промышленной частоты (50 Гц); П – повышенной

частоты (50 – 10000 Гц); В – высокой частоты (10 – 400 кГц):

СВЧ – сверхвысокой частоты (100 МГц м выше)

К установкам нагрева сопротивлением прямого действия относится, например, стекловаренная печь. При прямом нагреве нагреваемое тело через понижающий трансформатор включается в электросеть. Выделение тепла происходит за счет протекающего по телу электрического тока.

К установкам нагрева сопротивлением косвенного действия относится элеваторная печь, применяемая для отжига ковкого чугуна. При косвенном нагреве превращение электроэнергии в тепловую осуществляется в нагревательных элементах из высокоомных жаростойких материалов Тепло с помощью теплопередачи передается нагреваемому телу.

К установкам дугового нагрева прямого действия относится дуговая сталеплавильная печь. При прямом нагреве электрическая дуга горит между электродом и нагреваемым материалом. Преобразование электроэнергии в тепловую происходит в дуге.

Основным назначением установок косвенного действия – дуговых медеплавильных печей, является плавка меди и медных сплавов. При косвенном нагреве дуга горит между двумя электродами.

Комбинацией дуговых печей прямого действия и электропечей прямого нагрева сопротивлением являются дуговые печи сопротивления, используемые для руднотермических процессов.

Принцип действия установок индукционного нагрева основан на выделении тепла в нагреваемом теле индуктированным в нем током. Установки со стальным сердечником, канальные печи, представляют собой своеобразный трансформатор, в котором индуктор (первичная катушка) питается током частотой 50 Гц, а вторичную катушку заменяет нагреваемое тело. Канальные электропечи используются для плавки цинка, алюминия, меди и черных металлов. Установки без стального сердечника – тигельные печи, питаются током промышленной(50 Гц), повышенной (500 – 10000 Гц) и высокой (50-400 кГц) частоты. Они используются для выплавки высококачественных сталей, чугуна, цветных металлов и сплавов.

В установках диэлектрического нагрева выделение тепла в нагреваемом теле происходит за счет токов смещения, возникающих в теле при помещении его в быстропеременное электрическое поле. Нагреваемое тело должно быть полупроводником или диэлектриком и представляет собой конденсатор, к обкладкам которого проводится ток частотой 66 кГц – 100 МГц или 1000 МГц и выше. Последний диапазон частот применяется при нагреве диэлектриков со сравнительно малым коэффициентом потерь, нагреве пищевых продуктов (СВЧ-нагрев).

При электронно-лучевом нагреве изделие нагревается пучком электронов в вакууме. Электроны с большой скоростью ударяют в тело, при этом их кинетическая энергия преобразуется в тепловую. Металлические катоды прямого нагрева применяются при небольших токах эмиссии (до 20 мА), а косвенного нагрева – при больших токах (100-200 мА). Плавку электронным лучом применяют для получения особо чистых металлов. Испарение материалов в вакууме используют для получения тонких пленок. Электронно-лучевая термообработка используется для получения структурных превращений и отжига материалов.

Плазменно-электронные устаовки имеют не только пучок электронов, но и пучок ионов. Такие установки используются для электрогазоочистки, электросепарации, электропечати и т.д.

Тема 5. Электросварочные установки

Установки контактной и дуговой электросварки, их конструкции, принцип действия, режимы работы, область применения.

Электросварочные установки как потребители электроэнергии.

Влияние качества электроэнергии на работу электросварочных установок и их воздействие на питающую электросеть.

[10], гл. 3, 9.

Методические указания

Сваркой называется способ получения неразъемного соединения металлических деталей, при котором в результате воздействия высокой температуры в местах соединения образуется металлическая сплошность.

Для электросварки применяется постоянный ток, получаемый от преобразователей, и переменный ток промышленной частоты, низкой (2-10 Гц) и повышенной (100-360 Гц) частоты, а также радиочастоты до 500 кГц, полученные от специальных преобразователей.

Наиболее часто используется контактная и дуговая сварка.

Контактная сварка осуществляется за счет нагрева по методу сопротивления. Для нее характерна местная концентрация тепловой мощности и высокой температуры в области стыка свариваемых деталей, что обуславливается значительным сопротивлением места стыка по сравнению с сопротивлением деталей. Это экономичный вид сварки на переменном токе. Контактная сварка подразделяется на стыковую, точечную и роликовую. Напряжение вторичной сварочной цепи составляет 2-25 В, а сварочный ток равен сотням ампер.

Используются одно- и многоэлектродные машины. Для стыковой сварки используются машины мощностью от 3 до 1200 кВ×А, для точечной – от 150 до 250 кВ×А, а для шовной – от 3 до 500 кВ×А. Режим работы сварочных машин относится и резкопеременному. Более благоприятное воздействие оказывают сварочные машины с применением трехфазных преобразователей переменного тока в постоянный. В этом случае на электроды машины подается постоянный ток до 100 кА и создается симметричная трехфазная нагрузка на сеть.

Дуговые сварочные машины переменного тока – это сочетание трансформатора с вторичным напряжением 60-120 В и регулятора (дросселя), обеспечивающего круто падающую внешнюю характеристику аппарата. Машины мощностью 10-30 кВ×А применяются для однопостовой сварки, а 30-180 кВ×А – для многопостовой сварки.

Установки электросварки переменного тока промышленной частоты своей нагрузкой создают затруднение в системе электроснабжения предприятий вследствие следующих особенностей:

1) нагрузка является большей частью однофазной при мощности сварочных машин до 1200 кВ×А и более, что может привести к режиму несимметрии в СЭС;

2) низкий коэффициент активной мощности – 0,3-0,35 – для дуговой сварки и 0,2-0,6 для контактной, требует значительные затраты на компенсацию реактивной мощности;

3) режим работы повторно-кратковременный с малыми величинами ПВ при больших толчках нагрузки, достигающих 2-6 кратной величины номинальной мощности, что приводит к колебанию напряжения в питающей электросети;

4) установки работают с нелинейной вольт-амперной характеристикой (дуговая электросварка), что вызывает несинусоидальность напряжений и токов в питающей электросети.

Тема 6. Электролизные установки и установки

гальванических покрытий

Принцип действия, режимы работы, область применения электролизных установок гальванических покрытий.

Установки как потребители электроэнергии.

Влияние качества электроэнергии на работу установок и их воздействие на питающую электросеть.

[10], гл. 12.

Процесс нанесения металлопокрытий на поверхность изделий методом электролиза называется гальванотехникой. Электрохимическая обработка, основанная на анодном растворении, ведется на постоянном, импульсном, пульсирующем или асимметричном переменном токе. В качестве источников питания обычно используются полупроводниковые выпрямители, регулирующими элементами в которых служат тиристоры.

Источники питания состоят из следующих узлов: понижающего трансформатора, выпрямителя, цепи стабилизации условий обработки, регулирования параметров, а также защиты источника питания и самого станка.

Тиристорные регуляторы имеют малые массу и габариты, меньшую инерционность, более высокий к.п.д., быстродействующую систему защиты электрооборудования от токов к.з. Система автоматического регулирования стабилизирует напряжение или ток в межэлектродном промежутке. Для получения жесткой внешней характеристики источника питания он управляется тиристорами по сигналам обратной связи по выходному напряжению с межэлектродного промежутка.

Тема 7. Электроприводы

Электродвигатели нормального исполнения, крановые, специального назначения. Их типы, режимы работы, область применения.

Электродвигатели как потребители электроэнергии.

Влияние качества электроэнергии на работу электродвигателей и их воздействие на питающую электросеть.

[12], гл. 5.

Методические указания

Электродвигатели, применяемые на промышленных предприятиях, делятся на три группы: двигатели нормального исполнения, крановые и специального назначения.

Электродвигатели нормального исполнения широко применяются для всех общепромышленных механизмов длительного режима работы. В качестве приводных двигателей непрерывного транспорта, вентиляторов и насосов и компрессоров малой мощности используют асинхронные двигатели единой серии А, АО на напряжении 380/220 В. Для электропривода механизмов средней мощности, где не требуется регулирование скорости, используются двигатели серии А, АО, АН на напряжения 380/220, 660 В и 10 кВ. Для привода компрессоров могут применяться тихоходные синхронные двигатели серии СТД на напряжение 10 кВ. Мощные механизмы: шахтные подъемные машины, вентиляторы, насосы и компрессоры центробежного типа приводятся асинхронными тихоходными двигателями типа АТД на напряжении 10 кВ. Если регулирование скорости не требуется, то используют быстроходные синхронные двигатели серий СД, СДН на напряжение 10 кВ. Синхронные двигатели рассчитываются для работы с cos j _н = 1,0 или для работы с отдачей реактивной мощности в электросеть и с cos j _н = 0,8. Второй тип двигателей имеет большой ток возбуждения и габариты. Преимущество таких двигателей заключается не только в возможности использовать их для компенсации реактивной мощности, но и в более высокой их перегрузочной способности.

Крановые электродвигатели предназначены для работы в повторно-кратковременном режиме. Применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором серии МКТВ и с фазным ротором серии МТВ. Крановые асинхронные двигатели отличаются от двигателей нормального исполнения следующим образом:

- имеют удлиненный ротор при такой же мощности для снижения махового момента, т.е. имеют меньший момент инерции;

- имеют большую перегрузочную способность;

- имеют повышенную механическую перегрузочную способность.

На кранах большой мощности и когда требуется глубокое плавное регулирование скорости и жесткие механические характеристики применяют двигатели постоянного тока серии ДП.

В промышленных установках происходит все более тесное сращивание электродвигателей с исполнительными механизмами. Наиболее простым примером является электродвигатель специального назначения для привода насосов артезианских скважин серии МАПЗ. Такой двигатель погружается в воду вместе с насосом. При этом охлаждение его обмоток и стали, а также смазка подшипников осуществляется водой, в которой он работает. Циркуляция холодной воды по двигателю позволяет значительно увеличить нагрузку его активных частей и снизить габариты.