Технические показатели электроприемников

В данном курсе все многообразные электроприемники рассматриваются как устройства, формирующие определенную электрическую нагрузку и предъявляющие определенные требования к способам обеспечения их электроэнергией. Поэтому ниже представлены только те их технические показатели, которые нужны для проектирования систем электроснабжения.

1. По роду тока различают электроприемники переменного, постоянного и импульсного тока (к последним относятся, например, машины контактной сварки). В настоящее время практически все электроприемники постоянного тока, среди которых наибольшее распространение имеет электропривод постоянного тока, снабжаются индивидуальными преобразователями переменного тока в постоянный. Наиболее часто для этой цели применяются управляемые и неуправляемые полупроводниковые (тиристорные, транзисторные) выпрямители. Электроприем­ник постоянного тока вместе с преобразователем может рассматриваться как некоторый условный комплектный электроприемник переменного тока (рис. 3 .1,а). Сети постоянного тока в настоящее время встречаются редко и поэтому в данном курсе не рассматриваются. Исключением являются системы постоянного тока вспомогательных цепей.

Для питания электроприемников импульсного тока также используются индивидуальные преобразователи, снабженные энергонакопительными устройствами (конденсаторами, большими вращающимися массами и т.п.). Эти приемники вместе со своими преобразователями и накопителями рассматриваются как электроприемники переменного тока (рис. 3.1,б).

В данном курсе в дальнейшем рассматриваются только системы электроснабжения переменного тока.

2. Число фаз электроприемников переменного тока составляет чаще всего 3 или 1 (трех- или однофазные электроприемники). Так как оба типа этих электроприемников, как правило, питаются от трехфазных сетей, то однофазные сети в данном курсе не рассматриваются. При относительно редко встречающемся другом числе фаз (2, 5, 6, 12) электроприемники, как и на рис. 3.1, питаются от индивидуальных преобразователей числа фаз и в итоге превращаются в трехфазные приемники.

3. По частоте переменного тока различают электроприемники промышленной, повышенной и пониженной частоты.

Промышленной называют частоту, на которой работают электростанции, энергосистемы и системы электроснабжения потребителей (в том числе промышленных предприятий). В СССР, во всех европейских странах и во многих странах других континентов используется промышленная частота 50 Гц, а в Северной Америке и в большинстве стран Южной Америки, Азии и Африки 60

Рис. 3.1. Питание электроприемников постоянного (а) и импульсного (б) тока от сети переменного тока через индивидуальные преобразователи:

1 - сеть; 2 - выпрямитель; 3 -электроприемник постоянного тока; 4 - конденсаторный накопитель энергии; 5 - электроприемник импульсного тока; 6 - блок "преобразователь - приемник" (электроприемник переменного тока)

Гц. Сравнение этих двух частот по различным параметрам на основании достаточно долгого опыта их применения показывает, что частота 60 Гц экономически более целесообразна. Так, магнитный поток всех электромагнитных устройств (машин переменного тока, трансформаторов, дросселей и т.п.) одинаковой мощности при номинальной частоте 60 Гц на 17% ниже, чем при частоте 50 Гц, и соответственно меньше также сечение и масса магнитопровода, средняя длина витков обмотки и общая материалоемкость этих устройств. В то же время на 20% увеличивается индуктивное сопротивление Х = L всех элементов сетей, что приводит к увеличению потерь напряжения и реак­тивной мощности. Приведенные в 1930-х годах технико-экономические расчеты показывают, что оптимальной следовало бы считать частоту около 100 Гц; однако переход современных развитых энергосистем и предприятий на новую частоту был бы связанно настолько большими расходами, что в настоящее время такой переход приходится признать неосуществимым.

Рис. 3.2. Питание электроприемника повышенной частоты от сети промышленной частоты:

1 - сеть; 2 - индивидуальный преобразователь частоты; 3 - высокочастотный электроприемник;

4 - высокочастотная конденсаторная батарея для повышения коэффициента мощности;

5 — блок "пре­образователь - конденсатор - приемник" (электроприемник промышленной

частоты)

Повышенной называется частота выше промышленной. В качестве примеров можно указать, что на промышленных предприятиях частота от 200 до 400 Гц встречается в переносных электроинструментах (для снижения их массы), до 20 кГц - в высокочастотных устройствах на­грева и расплавления металла, 20...40 кГц — для питания люминесцент­ных ламп, до 100 кГц — в установках поверхностной закалки, до 20 МГц — для нагрева полупроводниковых и диэлектрических материа­лов (для сушки древесины, быстрой полимеризации клея, термообработки пищевых продуктов и т.п.). Во всех этих случаях электроприемники повышенной частоты питаются через индивидуальные преобразователи частоты и могут в комплекте с ними рассматриваться как прием­ники промышленной частоты (рис. 3.2).

То же самое относится к электроприемникам пониженной частоты (частота ниже промышленной), например к некоторым электротермическим устройствам, в которых понижение частоты необходимо для увеличения глубины проникновения электромагнитного поля в нагре­ваемое крупногабаритное изделие. Частота в таких устройствах обычно составляет от 1 до 25 Гц и достигается применением индивидуальных преобразователей (рис. 3.2).

Благодаря широкому применению индивидуальных преобразователей специфические вопросы электроснабжения на непромышленной частоте в данном курсе на рассматриваются.

Пониженная частота (обычно 16 или 25 Гц) использовалась раньше в электроприводах с коллекторными двигателями переменного тока. В настоящее время такие приводы еще встречаются на некоторых зарубежных электрифици­рованных железных дорогах переменного тока.

4. Одним из наиболее важных показателей электроприемников является установленная мощность, определяемая как сумма номинальных мощностей однородных электроприемников. При определении этой величины следует не забывать, что у различных электроприемников номинальная мощность понимается по-разному. Так, у электродвигателей номинальная мощность равна мощности на валу при номинальной продолжительности включения, а у электротехнологических установок равна полной мощности, потребляемой в номинальном режиме из сети. Номинальная мощность светильников с лампами накаливания совпадает с потребляемой мощностью, а светильников с разрядными лампами — с мощностью только ламп (без учета потерь мощности в пускорегулирующих устройствах). Поэтому установленные мощности разнохарактерных групп электроприемников суммируются, если это нужно, только после приведения их к одинаковым условиям определения; так, номинальные мощности электродвигателей, предназначенных для различных повторно-кратковременных режимов работы, суммируются после приведенияих к длительному режиму работы по формуле

Ру = Рном i (3.1)

где Ру - установленная мощность; Рном i - номинальная мощность;

— номинальная относительная продолжительность включения i-го двигателя.

5. По номинальному напряжению электроприемников выбирают напряжение питающей сети и выходное напряжение индивидуальных преобразователей или других источников питания. Номинальное напряжение трехфазной сети определяется как номинальное междуфазное (линейное) напряжение присоединенных к этой сети электроприемников. Как уже отмечалось, по условиям электробезопасности различают напряжение до 1 кВ (в дальнейшем низкое напряжение — НН) и напряжение выше 1 кВ (в дальнейшем высокое напряжение — ВН).

В области низких напряжений отдельно выделяется диапазон малых напряжений, к которым относят малое рабочее напряжение (например, для питания некоторых электронных устройств) и малое напряжение безопасности (по ПУЭ до 42 В переменного или до 110 В постоянного тока).

6. Потребление реактивной мощности электроприемниками и их группами характеризуется коэффициентом мощности

Cos = Р/ S (3.2)

где Р - активная мощность; S — полная мощность, или отношением реактивной мощности к активной

tg = Q/ Р (3.3)

где Q — реактивная мощность.

При расчетах по электроснабжению в этих формулах используют усредненные значения мощности

Р = Wа / t и Q = Wр / t (3.4)

где Wа и Wр — соответственно активная и реактивная энергии за время t, определенные при помощи счетчиков электроэнергии; t — время усреднения, принимаемое обычно равным 15 или 30 мин, а в некоторых расчетах — длительности одной смены.

Раньше использовалось понятие средневзвешенного коэффициента мощности, определяемого за большее время усреднения (неделю, месяц, квартал, год); в свое время эта величина использовалась для определения скидок и надбавок к плате за электроэнергию.

Выражения (3.2) и (3.3) справедливы только в случае синусоидаль­ных напряжения и тока. Однако благодаря тому, что отклонения от синусоидальности в системах электроснабжения достаточно малы, эти формулы в дальнейшем применяются без оговорок.

Коэффициент мощности обычно считается высоким при его значениях более 0,85, средним при значениях от 0,65 до 0,85, низким при значениях от 0,4 до 0,65 и особо низким при значениях менее 0,4 (см. табл. 3.1).

7. Пусковые токи электроприемников и длительность этих токов необходимо знать для правильного выбора пропускной способности элементов

системы электроснабжения и для расчета колебаний напряжения в сети при пуске электроприемников.

Пусковые токи и их длительность следует считать существенными, когда их учет приводит к корректировке параметров какого-либо элемента системы электроснабжения (сечения проводника, тока срабатывания аппарата защиты и т.п.), выбранного по токам нормального режима. Таким свойством обладают прежде всего пусковые токи асинхронных короткозамкнутых двигателей, превышающих номинальный ток в 4...7 раз и длящихся обычно от долей секунды до нескольких секунд. Существенными могут оказаться и регулируемые пусковые токи других двигателей и токи, возникающие в процессе зажигания разрядных ламп высокого давления (1, 5...2-кратный номинальный ток в течение нескольких минут).

Несущественными благодаря очень малой длительности (порядка нескольких миллисекунд), несмотря на большую кратность относительно номинального, могут считаться пусковые токи ламп накаливания (с кратностью до 6) и конденсаторных установок (с кратностью до 20).

8. Степень симметрии электроприемников (степень равномерности распределения мощности по фазам) определяет равномерность нагрузки фаз питающей сети и симметричность фазных напряжений, влияет на потери напряжения и мощности в этой сети. Большинство промышленных силовых электроприемников симметричны, благодаря чему названные выше проблемы редко становятся решающими. В определенной степени несимметричными могут оказаться осветительные установки, где не всегда удается распределить однофазные светильники равномерно по всем трем фазам. Наибольшие затруднения вызывают крупные однофазные электротермические устройства (однофазные электропечи и сварочные агрегаты); мощность однофазных дуговых печей может доходить до нескольких мегавольт-ампер.

9. Линейность (постоянство сопротивлений электрических цепей электроприемников за один период) является главным условием сохранения синусоидальности напряжений и токов в сети. Многие электроприемники, однако, нелинейны, что приводит к появлению высших гармоник и заставляет принимать меры их подавления; число таких электроприемников постоянно растет. Наиболее часто нелинейность электроприемников вызвана их электронными, насыщенными ферромагнитными или электроразрядными элементами; типичными примерами являются полу­проводниковые преобразователи, ферромагнитные регуляторы, разрядные лампы, электродуговые печи, сварочные установки. Степень нелинейности характеризуется чаще всего вольт-амперными характеристиками и спектрами высших гармоник электроприемников.

10. Режим работы электроприемников может быть длительным, кратковременным, повторно-кратковременным или более сложным. Все эти режимы на практике чаще всего нерегулярны, т.е. длительности включенного состояния и пауз, а также мощность во время включенного состояния непостоянны. Такие режимы характеризуются некоторыми средними показателями за период времени, охватывающий достаточно большое число циклов включения, отключения и изменения нагрузки, например за одну смену.

Такие показатели справедливы, естественно, и для регулярных режимов и поэтому универсальны.

Если суммарная длительность включения электроприемника с номинальной мощностью р_ном в течение некоторого периода t (например, в течение смены) равна t_В, а потребление электроэнергии за это время равно Wа, то электроприемник может характеризоваться:

коэффициентом включения

к в = t _В / t (3.5)

коэффициентом загрузки

к з = ; (3.6)

коэффициентом использования

к и = = ; (3.7)

где Рср = Wa/t ^— средняя мощность электроприемника за время t.

Очевидно, что

к и = к в к з. (3.8)

Группа однородных (с одинаковым способом определения номинальной мощности) электроприемников с установленной мощностью Ру и с потреблением за время t электроэнергии Wа.гр характеризуется групповым коэффициентом использования.

Ки = = ; (3.9)

где - Рс р.гр - средняя мощность группы за время t.

Так как номинальные мощности отдельных электроприемников, установленная мощность группы и время t известны, а потребление энергии W а при W а.гр измеряется при помощи счетчиков, то коэффициенты использования k_И, и Ки могут определяться опытным путем. На основании проведенных многочисленных исследований составлены систематизированные справочные таблицы, приведенные в справочниках по электроснабжению и используемые при расчете электрических нагрузок. В качестве примеров в табл. 3.1 даны некоторые значения групповых коэффициентов использования и коэффициентов мощности для групп однотипных электроприемников машиностроительных предприятий.

Режим работы больших групп разнородных электроприемников, а также потребителей в целом характеризуется графиками нагрузки.

11. По подвижности различают стационарные и нестационарные (подвижные, переносные и др.) электроприемники. Первые из них питаются от стационарных элементов электрических сетей, вторые требуют применения гибких элементов (например, гибких кабелей), устройств временного присоединения в разных точках сети, контактных (например, троллейных) проводников, подвижных или встроенных индивидуальных источников питания, что приводит к определенному усложнению систем электроснабжения.

Таблица 3.1. Групповые коэффициенты использования и коэффициенты мощности некоторых электроприемников (средние значения)

Электроприемники	Коэффициент использования Ки	Коэффициент мощности сos(j)
Переносный электроинструмент   Металлорежущие станки мелкосерийного производства   Кузнечно-прессовые машины крупносерийного производства   Механизмы поточного транспорта   Печи сопротивления   Насосы и компрессоры с асинхронными двигателями	0,06   0,12     0,2     0,4   0,7   До 0.9	0,5   0,4     0,65     0.75   0,95   До 0,85

12. Требования к качеству электроэнергии заключаются в нормативных указаниях:

- по допустимым отклонениям напряжения и частоты от номинальных значений;

- по допустимой несимметрии трёхфазной системы напряжений;

- по допустимому содержанию высших гармоник в напряжении;

- по допустимому уровню коммутационных перенапряжений и других нерегулярных искажений сетевого напряжения;

Эти требования приведены в ГОСТ, ПУЭ и в других нормативных документах. Сохранение требуемого качества электроэнергии при больших колебаниях и толчках нагрузки, при вносимых электроприёмниками нелинейностях и при частых коммутациях в силовых цепях ЭП – одна из сложных задач в электроснабжении современных промышленных предприятий и установок.