Раздел 2 Потребители электроэнергии на промышленных предприятиях

Электроприемниками считаются устройства, в которых происходит преобразование электрической энергии в другие виды энергии. Электроприемники объединяются в электроустановки – комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений. Примеры электроустановок: конденсаторная и индукционная установки, электрическая подстанция, линия электропередачи, распределительная подстанция и т.д.

Каждый электроприемник потребляет при своей работе определенную мощность, которую называют электрической нагрузкой, на практике понятие нагрузки распространяется также на ток (токовая нагрузка).

Электроприемники классифицируют по следующим признакам:

- по роду тока: переменного, постоянного и импульсного;

- по числу фаз: трех- или однофазные;

- по частоте переменного тока: промышленной (50 Гц), повышенной или пониженной;

- по установленной мощности - сумме номинальных мощностей электрических машин одного вида, входящих в состав промышленного объекта. В случае разнохарактерных групп электроприемников эти мощности приводят к одинаковым условиям определения;

- по номинальному напряжению: до 1 кВ (низкое) и выше 1кВ (высокое напряжение);

- по потреблению электроприемниками реактивной мощности, характеризующемуся коэффициентом мощности cosφ= P/S, где cos φ > 0,85; средний 0,65  cos φ  0,85; низкий 0,4  cos φ  0,65; особо низкий cos φ > 0,4;

- по пусковым токам. Они оказываются существенными, если при их учете происходит корректировка параметров элементов системы, выбранных по токам нормального режима. Несущественными, когда их длительность мала, несмотря на большую кратность относительно номинальной величины;

- по степени симметрии электроприемников (степени равномерности распределение по фазам): симметричные (большинство промышленных силовых электроприемников), несимметричные (однофазные электропечи, осветительные установки, сварочные агрегаты);

- по линейности (постоянству сопротивлений электрических цепей электроприемников за один период). Степень нелинейности (появление высших гармоник) характеризуется вольтамперными характеристиками и спектрами высших гармоник электроприемников;

- по режиму работы электроприемников: длительный, кратковременный и повторно-кратковременный;

- по подвижности: стационарные и нестационарные (переносные и др.);

- по требованию к качеству энергии;

- по надежности электроснабжения.

Электродвигателем считается электродвигатель, имеющий мощность 0,25 кВт и выше. Двигатели меньшей мощности рассматриваются как средства автоматизации и в статистику электрики не попадают. Электротехнологические установки включают в себя технологические процессы сушки, нагрева, электроплавки, электросварки, электролиза и т.д.

Для многих отраслей промышленности большая часть электрозатрат по этой группе электроприемников приходится на электропечи, электротермические и сварочные установки, которые будут рассмотрены нами наряду с электродвигателями ниже.

Электродвигатели

Электродвигатели являются исполнительной частью современных электроприборов, представляющих собой совокупность устройств для преобразования электрической энергии в механическую и регулирование потока энергии по определенному закону. Следовательно, электропривод состоит из двух элементов: электродвигателя и устройства управления (регулирования) им. В качестве исполнительного механизма в электроприводах применяются асинхронные, синхронные электродвигатели переменного тока и электродвигатели постоянного тока. Всеми признается, что благодаря простоте в производстве и надежности в эксплуатации самое широкое применение в электроприводе нашли асинхронные двигатели.

Асинхронными называются такие бесколлекторные машины переменного тока, у которых отношение частоты вращения ротора к частоте тока в цепи, подключенной к машине, зависит от нагрузки..

Принцип работы асинхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трехфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора. В результате этого возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля n₁. Таким образом, ротор совершает асинхронное вращение по отношению к полю.

Из асинхронных двигателей наиболее распространены асинхронные переменного тока машины с короткозамкнутым ротором; асинхронные электродвигатели с фазным ротором применяются значительно реже; применяются также однофазные асинхронные двигатели малой мощности. Принято различать регулируемые и нерегулируемые электропривода.

В нерегулируемых электроприводах, как правило, используются асинхронные двигатели переменного тока, которые подключаются к источнику питания через контактор или автоматический выключатель, играющий роль защитного устройства.

При пуске асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором возникает пусковой ток, сила которого превышает силу номинального тока в несколько раз. Поэтому прямое включение в сеть применяется только для двигателей мощностью до 200 кВт. вместе с тем, до 70 % суммарной мощности, потребляемой электроприемниками в промышленности, приходится на нерегулируемые электродвигатели переменного тока.

Более мощные асинхронные двигатели, не задействованные в регулируемых электроприводах, включают в сеть через автотрансформатор, который на время пуска работает последовательно с обмоткой статора.

В стандартные устройства управления электроприводом входят: преобразователи частоты и напряжения, предохранители, контакторы, а также блоки защиты от перегрузок в аварийных режимах. Преобразователь предназначен для преобразования напряжения сети U_СЕТИ в напряжении U_{ПРЕОБР.} другой частоты и величины, напряжение той же частоты и переменной величины, постоянное напряжение, изменяющееся по величине, и др.

Это напряжение подается на электродвигатель, который, развивая на валу вращающий момент, непосредственно или через передаточное устройство приводит в движение рабочий механизм (вентилятор, насос, компрессор и т.п.).

Синхронный электропривод отличается относительным постоянством нагрузки, редкими пусками и способностью при определенных условиях отдавать в сеть реактивную мощность. Синхронными называют машины переменного тока, в которых основное магнитное поле создается постоянным током, а частота вращения ротора и частота переменного тока находятся в строго определенной зависимости:

,

где n − частота вращения ротора в об/мин, f − частота переменного тока в Гц, p − число пар полюсов магнитной системы. Особенностью синхронных машин является то, что они используются как генераторы и двигатели. Синхронные генераторы вырабатывают почти всю электроэнергию, производимую и используемую на Земле. Синхронные двигатели выпускаются в диапазоне мощностей от 132 до 30000 кВт с частотой вращения от 100 до 3000 об/мин на напряжение до 10 кВ, 50 Гц. Двигатели и генераторы снабжаются электромашинными либо вентильными (тиристорными) системами возбуждения.

В отличие от асинхронных электродвигателей, синхронные двигатели, как указывалось, обладают способностью отдавать в сеть реактивную мощность, т.е. они способны при заданной нагрузке работать с различными коэффициентами мощности (cosφ). При увеличении тока возбуждения коэффициент мощности возрастает и при определенном его значении становится равным единице; дальнейшее увеличение тока возбуждения переводит двигатель в режим при котором он отдает реактивную мощность в сеть.

Таким образом, в зависимости от величины тока возбуждения реактивная мощность может отдаваться в сеть (перевозбуждение) или потребляться из сети (недовозбуждение).

Синхронный электродвигатель, работающий на холостом ходу и предназначенный для генерирования реактивной мощности, называется синхронным компенсатором. Как, правило − это крупные агрегаты, в том числе с водородным (КСВ) или водяным охлаждением. Некоторые данные о синхронных компенсаторах показаны в табл. 2.2., они устанавливаются главным образом на электрических подстанциях. Пуск синхронного компенсатора осуществляется так же, как и обычных синхронных двигателей; сила пускового тока синхронного компенсатора составляет 30-100 % его номинального значения.

Выбор мощности двигателей любых механизмов должен быть произведен таким образом, чтобы при работе длительное время с заданной продолжительностью включения, температура двигателя не превышала температуры, допустимой по норме. Самой чувствительной к перегреву является изоляция частей электрической машины. В процессе эксплуатации это часто приводит к межвитковому и корпусному пробою изоляции и требует внепланового капитального ремонта.

Кроме того, двигатель должен развивать необходимый момент при пуске механизма для обеспечения заданного ускорения. Завышение мощности двигателя влечет за собой увеличение капитальных затрат и снижает эксплутационные показатели двигателя. Двигатели завышенной мощности в период переходных процессов могут в ряде случаев создавать недопустимые для механизмов ускорения, наличие которых вызовет повышенный износ оборудования, раскачивание грузов (при подъемно-транспортных устройствах), осевое смещение, биение механизмов, насосов, вентиляторов и т.д.

Выбору двигателей по мощности должен предшествовать расчет приведенных к валу двигателя статических нагрузок, затем по каталогу производится предварительный выбор двигателя. Правильность выбора проверяется методом эквивалентных величин или средних потерь после построения нагрузочной диаграммы двигателя с учетом динамических нагрузок.

Мощность на валу двигателя механизмов повторно-кратковременного режима работы. Если известен действительный цикл работы, например, подъемно-транспортного механизма, то построение зависимости M_C =f(t) не представляет затруднений, т.к. он пропорционален эквивалентному моменту нагрузки М_С.Э при действительной продолжительности включения ПВ₁ по нагрузочной диаграмме исполнительного механизма, т.е. [43]

где = 1,1-1,4- коэффициент, учитывающий динамические загрузки;_P- рабочая скорость механизма, приведенная к валу двигателя, рад/с.

Пересчет мощности с действительной продолжительности включения на каталожную может быть проведен по формуле