Приемники электрической энергии
Система электроснабжения, сети и потребители электроэнергии
02/09/2022
Причины, вызывающие снижение коэффициента мощности и методы его повышения
02/09/2022Все устройства для снабжения электрической энергией так называемых потребителей электроэнергии, или приемников электричества, носят название электрических установок. Каждая установка сострит из приборов, отдающих электрическую энергию (генераторы, источники электричества), приборов, ее потребляющих (приемники) и системы проводов, связывающих генераторы с приемниками.
Приемником электрической энергии (электроприемником) называется аппарат, агрегат, механизм, предназначенный для преобразования электрической энергии в другой вид энергии (в том числе электрическую, по с другими параметрами) для ее использования.
По технологическому назначению их классифицируют в зависимости от вида энергии, в который данный приемник преобразует электрическую энергию, в частности:
механизмы приводов машин и механизмов;
электротермические и электросиловые установки;
электрохимические установки;
установки электроде астения;
установки электростатического и электромагнитного поля,
электрофильтры;
установки искровой обработки;
электронные и вычислительные машины;
устройства контроля и испытания изделий.
Потребителем электрической энергии называется электроприемник или группа электроприемников, объединенных технологическим процессом и размещающихся на определенной территории.
Федеральный закон «Об энергетике» называет потребителем электрической и тепловой энергии лицо, приобретающее ее для собственных бытовых или производственных нужд, а субъектами электроэнергетики — «лиц, осуществляющих деятельность в сфере электроэнергетики, в том числе производство электрической и тепловой энергии, энергоснабжение потребителей» предоставление уснут по передаче электроэнергии, оперативно-диспетчерскому управлению в электроэнергетике, сбыт электроэнергии, организацию купли-продажи электроэнергии».
Классификация электроприемников по обеспечению надежности электроснабжения
В отношении обеспечения надежности электроснабжения электроприемники разделяются на следующие три категории:
Электроприемники I категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства.
Из состава электроприемников I категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования.
Электроприемники II категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.
Электроприемники III категории – все остальные электроприемники, не подходящие под определения I и II категорий. Это приемники вспомогательных цехов, несерийного производства продукции и т.п.
Электроприемники I категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания. Для электроснабжения особой группы электроприемников I категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания.
Для правильного установления категории электроприемников необходимо оценить вероятность аварии на участках системы электроснабжения, определить возможные последствия и материальный ущерб в результате этих аварий. При определении категории электроприемников не следует завышать категорию требуемой бесперебойности электроснабжения разных групп электроприемников. При отнесении электроприемников к первой категории учитывают технологический резерв, ко второй — сменность производства.
Классификация приемников электротехнической энергии
Потребители электрической энергии характеризуются по:
1. суммарной установленной мощности электроприёмников;
2. по принадлежности к отрасли промышленности (например сельское хозяйство);
3. по тарифной группе;
4. по категории энергетической службы.
Электротехнические установки, производящие, преобразующие, распределяющие и потребляющие электроэнергию, по уровню напряжения подразделяются на электроустановки напряжением выше 1 кВ и до 1 кВ (для электроустановок постоянного тока – до 1,5 кВ). Электроустановки напряжением до 1 кВ переменного тока выполняются с глухозаземленной нейтралью, а в условиях с повышенными требованиями к безопасности – с изолированной нейтралью (торфяные разработки, угольные шахты, передвижные электроустановки и т.п.).
Установки выше 1 кВ подразделяются на установки:
1) с изолированной нейтралью (напряжением 35 кВ и ниже);
2) с компенсированной нейтралью (включенной на землю через индуктивное сопротивление для компенсации емкостных токов), применяются для сетей напряжением до 35 кВ и редко 110 кВ;
3) с глухозаземленной нейтралью (напряжением 110 кВ и выше).
По роду тока все электроприемники, работающие от сети, можно разделить на электроприемники переменного тока промышленной частоты 50 Гц (в ряде стран используют 60 Гц), переменного тока повышенной или пониженной частоты, постоянного тока.
Большинство электроприемников промышленных потребителей электроэнергии работает на переменном трехфазном токе частотой 50 Гц.
Установки повышенной частоты применяют:
- для нагрева под закал, для штамповки металла, СВЧ-печи и т.п.;
- в технологиях, где нужна высокая скорость вращения электродвигателя (текстильная промышленность, деревообработка, переносной электроинструмент в авиастроении) и т.п.
Для получения частоты до 10 000 Гц применяют тиристорные преобразователи, для частоты свыше 10 000 Гц используют электронные генераторы.
Электроприемники пониженной частоты используются в транспортных устройствах, например для прокатных станов (f =16,6 Гц), в установках для перемешивания металла в печах (f = 0…25 Гц). Кроме того, пониженную частоту напряжения используют в индукционных нагревательных устройствах.
Опыт применения промышленной (50 Гц) и повышенной (60 Гц) частот подтвердил экономическую целесообразность частоты 60 Гц, а технико-экономические расчеты показали, что оптимальной следует считать частоту 100 Гц.
Характерные приёмники электроэнергии
Все приёмники электроэнергии характеризуются различными параметрами. При этом режимы их работы описываются ГЭН, поэтому с целью анализа режимов электропотребления используют характерные приёмники электроэнергии, представляющие собой группы электроприёмников, схожих по режимам работы и основным параметрам.
К характерным электроприёмникам относят следующие группы:
- Электродвигатели силовых и общепромышленных установок;
- Электродвигатели производственных станков;
- Электрические печи;
- Электротермические установки;
- Осветительные установки;
- Выпрямительные и преобразовательные установки.
Электроприемники постоянного тока
Постоянный ток применяют в гальваническом производстве (хромирование, никелирование и т.д.), для сварки на постоянном токе, для питания двигателей постоянного тока и т.п.
Электродвигатели
Исходя из перечисленных выше классификаций, наиболее сложную совокупность электроприемников представляет собой электропривод. Самым распространенным является асинхронный электропривод, характеризующийся значительным потреблением реактивной мощности, большими пусковыми токами и существенной чувствительностью к отклонениям напряжения сети от номинального.
В установках, не требующих регулирования скорости в процессе работы, применяются электроприводы переменного тока (асинхронные и синхронные двигатели). Нерегулируемые электродвигатели переменного тока – основной вид электроприемников в промышленности, на долю которых приходится около 70% суммарной мощности.
При выборе типа электродвигателя для нерегулируемого электропривода переменного тока часто руководствуются следующими соображениями:
- при напряжении до 1 кВ и мощности до 100 кВт чаще экономичнее применять асинхронные двигатели, а свыше 100 кВт – синхронные;
- при напряжении 6 кВ и мощности до 300 кВт – асинхронные двигатели, выше 300 кВт – синхронные;
- при напряжении 10 кВ и мощности до 400 кВт – асинхронные двигатели, выше 400 кВт – синхронные.
Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются в мощных приводах с тяжелыми условиями пуска (в шахтных подъемниках и др.).
Электродвигатели таких общепромышленных установок как компрессоры, вентиляторы, насосы и подъемно-транспортные устройства в зависимости от номинальной мощности имеют напряжение питания 0,22 – 10 кВ. Номинальная мощность электродвигателей этих установок изменяется от долей киловатт до 800 кВт и более. Названные электроприемники относят, как правило, к I категории надежности электроснабжения. Например, отключение вентиляции в цехах химических производств требует эвакуации людей из помещений и, следовательно, остановки производства.
Преобразование электроэнергии переменного тока в постоянный требует затрат на установку преобразовательных агрегатов и аппаратуры управления, на строительство помещений для них, а также эксплуатационных расходов на их обслуживание и на потери электроэнергии. Поэтому стоимость системы электроснабжения и удельная стоимость электроэнергии на постоянном токе выше, чем на переменном. Двигатели постоянного тока стоят дороже, чем асинхронные и синхронные двигатели. Регулируемые приводы постоянного тока применяются в тех случаях, когда требуется быстрое, широкое и (или) плавное изменение частоты вращения.
Коэффициент мощности электроприемников
Важной характеристикой электроприемника является коэффициент мощности cos(фи). Коэффициент мощности является паспортной характеристикой, отражающей долю потребляемой активной мощности при номинальных нагрузке и напряжении. Номинальное значение cos(фи) электродвигателя зависит от его типа, номинальной мощности, частоты вращения и других характеристик. При эксплуатации электродвигателей их cos(фи) в основном зависит от загрузки.
Для электропривода крупных насосов, компрессоров и вентиляторов часто применяют синхронные двигатели, которые используются как дополнительные источники реактивной мощности в системе электроснабжения.
Проблемные электроприемники
Из электротехнологических устройств наибольшие проблемы вызывают дуговые сталеплавильные печи из-за следующих причин:
- большой собственной мощности (до десятков мегаватт); нелинейности и обусловленного печным трансформатором низкого cos(фи);
- толчков активной и реактивной мощностей, возникающих во время работы;
- толчковых отклонений от симметричности фазовых нагрузок.
Аналогичные с дуговыми сталеплавильными печами проблемы имеют электросварочные установки переменного тока. Особенно низкий у них cos(фи).
Электрическое освещение также вызывает некоторые электросетевые проблемы, а именно: применяемые вместо ламп накаливания высокоэкономные разрядные лампы имеют нелинейную характеристику и чувствительны к кратковременным (доли секунд) перерывам электроснабжения. Однако эти проблемы в настоящее время решаемы за счет перевода ламп на высокочастотное питание через индивидуальные преобразователи частоты, что улучшает не только их светотехнические, но и энергетические параметры.
Источники света (лампы накаливания, люминесцентные, дуговые, ртутные, натриевые и др.) являются однофазными электроприемниками и для снижения несимметрии равномерно распределяются по фазам. Для ламп накаливания cos(фи) = 1, а для газоразрядных соs(фи) = 0,6.
К электроснабжению устройств управления и обработки информации предъявляются повышенные требования в отношении надежности и качества электроэнергии, поэтому они питаются, как правило, от источников гарантированного бесперебойного электроснабжения.
