Приемники и потребители электрической энергии систем электроснабжения

А. В. Суворин

Учебное пособие

Политехнический  институт

Приемники и потребители 
электрической энергии  
систем электроснабжения

Рассмотрены конструкции светотехнических устройств, 
основы проектирования электрического освещения производственных и общественных зданий и сооружений, а также 
вопросы выбора систем освещения, источников света, осветительных установок и их размещения в производственных 
и служебных помещениях. 
Освещены устройство и принципы действия электротехнических установок, используемых на предприятиях различных отраслей народного хозяйства. Особое внимание 
уделено применению электротехнологического оборудования, обеспечивающего надежное электроснабжение и управление электротехнологическими процессами.

Приемники и потребители электрической энергии 
систем электроснабжения 
А. В. Суворин

9 785763 829730

ISBN 978-5-7638-2973-0

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 
 

СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
А. В. Суворин 
 
 
ПРИЕМНИКИ  И  ПОТРЕБИТЕЛИ  
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  ЭНЕРГИИ 
СИСТЕМ  ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 
 
 
Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим 
центром высшего профессионального образования для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 
140400.62 
«Электроэнергетика 
и 
электротехника» 
(профиль 
«Электроснабжение»), от 05.02.2014 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 

СФУ 
2014 

УДК 628.9(07) 
ББК  31.73 

С891 
 

Р е ц е н з е н т ы:  

В. А. Забуга, кандидат технических наук, доцент, главный инже
нер проектов ЗАО «Компания «Электропроект-Сибирь», г. Красноярск; 

А. И. Орленко, кандидат технических наук, доцент, директор 

Красноярского института железнодорожного транспорта – филиала 
ФГБОУ  ВПО  «Иркутский государственный университет путей сообщения»  
 
 
 
 
 

Суворин, А. В. 
С891 
 
Приемники и потребители электрической энергии систем 
электроснабжения : учеб. пособие / А. В. Суворин. – Красноярск : 
Сиб. федер. ун-т, 2014. – 354 с. 

ISBN 978-5-7638-2973-0 

Рассмотрены конструкции светотехнических устройств, основы про
ектирования электрического освещения производственных и общественных 
зданий и сооружений, а также вопросы выбора систем освещения, источников света, осветительных установок и их размещения в производственных 
и служебных помещениях.  

Освещены устройство и принципы действия электротехнических ус
тановок, используемых на предприятиях различных отраслей народного хозяйства. Особое внимание уделено применению электротехнологического 
оборудования, обеспечивающего надежное электроснабжение и управление 
электротехнологическими процессами. 

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подго
товки бакалавров 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника» (профиль «Электроснабжение»). 
 

Электронный вариант издания см.: 
УДК 628.9(07) 

http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК  31.73 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2973-0 
© Сибирский федеральный 
университет, 2014 

Введение 

3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Современные тенденции развития энергонасыщенных производств 
направлены на существенное повышение качества производимой продукции. Одним из определяющих параметров, влияющих на качественные показатели, является степень освещенности рабочих мест. Известно, что 
снижение освещенности отрицательно сказывается как на качественных 
параметрах, так и на производительности.  
Без искусственного освещения в настоящее время не обходится ни 
одно производство, как в городе, так и на селе. В сельском хозяйстве свет 
электрических ламп способствует повышению продуктивности в растениеводстве. Так, благодаря искусственному оптическому облучению стало 
возможным выращивать овощную рассаду зимой и ранней весной, тем самым получая свежие огурцы и помидоры круглый год. Установки оптического облучения позволили на селекционных станциях сократить срок выведения новых сортов растений в несколько раз. 
Не меньшее значение имеет искусственное освещение в животноводстве: на животноводческих фермах и птицефабриках. Благодаря искусственному освещению можно легко автоматизировать режим их содержания и сам технологический процесс. Так, например, на птицефабриках путем автоматического изменения продолжительности дня поддерживают 
максимальную яйценоскость птицы. 
Известно, что развитие промышленного производства и сельского хозяйства базируется на современных технологиях, широко использующих 
электрическую энергию. Она имеет неоспоримые преимущества: это простота передачи на любые расстояния, несложное распределение между потребителями, легкость ее преобразования не любое напряжение, отсутствие вредного воздействия на окружающую среду. Все перечисленные свойства делают электроэнергию самой удобной для использования человеком. 
Электрические технологии характеризуются высокой эффективностью и универсальностью: их можно применять не только в машиностроении или в тяжелой индустрии, но и в сельском хозяйстве для воздействия 
на растения, животных и среду их обитания, качество питания и сельхозпродукцию. Электрический разряд или электромагнитная дуга позволяют 
экономично и с высокой прочностью соединять металлические детали, измельчать в порошок каменные глыбы, стимулировать рост растений и т. д. 
Используя переменные электромагнитные и электрические поля различной 
частоты, можно избирательно нагревать материалы, закалять поверхности 
стальных деталей, сушить и пастеризовать продукты и т. д. 

Введение 

4 

Перечисленными способами применение электрической энергии, конечно, не ограничивается. И надо сказать, это лишь малая толика потребностей экономики, которые удовлетворяются посредством электроэнергии, 
что свидетельствует о ее широком использовании. 
Цель настоящего пособия − способствовать углубленному изучению 
и приобретению практических навыков проектирования и эксплуатации 
осветительных установок. 
Пособие состоит из двух частей. В первой части пособия изложены 
основные понятия дисциплины «Приемники и потребители систем электроснабжения», определения и законы, на которых базируются физические 
явления электрического освещения. Описаны наиболее распространенные 
источники света и осветительные приборы, приведены расчеты осветительных установок, их световые и технические характеристики. 
Вторая часть пособия включает краткие теоретические сведения о потребителях электрической энергии, используемой в различных электротехнологических установках и технологических процессах с их использованием. 
Содержание пособия логически увязывает материал каждой предыдущей главы с последующей. 
 

Глава 1. Основные понятия и определения 

5 

РАЗДЕЛ I.  ЭЛЕКТРООСВЕЩЕНИЕ 
 
 
 
Глава 1. ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ  И  ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
 
 
1.1. Светотехнические единицы 
 
Лучистая энергия и лучистый поток. Любое тело, температура которого выше абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство лучистую энергию. Перенос лучистой энергии в пространство осуществляется электромагнитными волнами, частота которых определяется величиной 
кванта энергии: 
 
 
ε = h υ, 
(1.1) 
 
где ε – квант энергии излучения; h – постоянная Планка, h = 6,624 · 10−20 Дж·с; 
υ – частота электромагнитных колебаний, Гц. 
Излучение принято характеризовать длиной волны, т. е. расстоянием, 
пройденным излучением за время полного периода колебания: 
 

 
υ
с
λ =
, 
(1.2) 

 
где λ – длина волны, нм (1 нм = 10−9, м = 10−6 мм); c – скорость света, 
с = 3 · 108 м/с. 
Спектр электромагнитных излучений в природе имеет очень широкий 
интервал длин волн от 10−4 нм, соответствующих γ-излучениям, до 103 км, 
соответствующих излучениям генераторов переменного тока промышленной частоты. 
Диапазон электромагнитных излучений, находящийся между областью рентгеновских излучений и областью радиоизлучений, называется 
областью оптических излучений (рис. 1.1). 
Видимая часть спектра состоит из следующих цветных полос: 
красный (760−630 нм); 
оранжевый (630−600 нм); 
желтый (600−570 нм); 
зеленый (570−490 нм); 
синий (490−450 нм); 
голубой (450−430 нм); 
фиолетовый (430−380 нм). 

Раздел I. Электроосвещение 

6 

 
Рис. 1.1. Спектр электромагнитных  
излучений 
Рис. 1.2. Видимая часть  
спектра лучистого потока 
 
 
В природе мы чаще всего встречаемся с телами, излучающими свет 
сложного спектрального состава, состоящего из волн различной длины. 
Поэтому энергия видимых излучений воздействует на светочувствительные элементы глаза и производит неодинаковое ощущение. Это объясняется разной чувствительностью глаза к излучениям с различными длинами 
волн, что наглядно подтверждается рис. 1.2.  
Освещение может характеризоваться как количественными (световой поток, сила света, яркость, освещенность, коэффициент отражения), 
так и качественными (видимость, фон, контраст объекта, показатель ослепленности и коэффициент пульсации освещенности) показателями. 
Мощность излучения есть количество энергии, излучаемой в единицу времени и называемой потоком излучения, или лучистым потоком Фе. 
Единицей лучистого потока служит ватт (Вт): 

10−2 нм 

10−1 нм 

1 нм 

10 нм 

102 нм 

103 нм 

104 нм 

105 нм 

106 нм = 1 мм 

10 мм 

102 нм 

102 мм 

103 мм = 1 м 

10 м 

Глава 1. Основные понятия и определения 

7 

 

d
Ф
d

e
e
Q
t
=
, 
(1.3) 

 
где dQe – энергия, излучаемая за время dt; dt – промежуток времени, в течение которого излучение может рассматриваться равномерным.  
Характеристикой распределения лучистого потока по спектру служит отношение элементарного потока dФеλ, соответствующего бесконечно 
малому участку, к ширине этого участка. Это отношение называется спектральной плотностью лучистого потока φλ, Вт/нм: 
 

 

dФ
d

eλ

λ
ϕ =
λ . 
(1.4) 

 
При известной зависимости спектральной плотности лучистого потока от длины волны лучистый поток Фе определяется по формуле 
 

 
0
d
e

∞

λ
Φ = ϕ
λ
∫
. 
 (1.5) 

 
Основными энергетическими характеристиками приемников лучистой энергии являются интегральная и спектральная чувствительности. 
Интегральная чувствительность g приемника − отношение эффективной 
мощности к лучистому потоку, упавшему на него: 
 

 

эф
Ф
 Фe
g
c
=
, 
(1.6) 

 
где с – коэффициент, зависящий от выбора единиц эффективной мощности 
и лучистого потока; Фэф – эффективная мощность; Фе – лучистый поток. 
Спектральная чувствительность gλ приемника – отношение эффективной мощности к монохроматическому лучистому потоку, падающему 
на приемник: 

 

эф
dФ
 dФe
g
c
λ

λ =
. 
(1.7) 

 
Иногда бывает достаточно знать, что относительная спектральная 
чувствительность приемника g(λ)0 − это отношение спектральной чувствительности gλ к ее максимальному значению (gλ)макс: 
 

 

0
макс
( )
(
)
g
g
g

λ

λ
λ
=
. 
(1.8) 

 
Сопоставив уравнения (1.7) и (1.8), получим относительную спектральную чувствительность приемника:  

Раздел I. Электроосвещение 

8 

 

макс
0
d(Ф )
( )
dФ

e

e
g
λ

λ
λ
=
, 
(1.9) 

 
где d(Феλ)макс – монохроматический лучистый поток, чувствительность 
приемника к которому максимальна; dФeλ – монохроматический лучистый 
поток с длиной волны λ. 
 
Световой поток – лучистый поток, оцениваемый по его действию на 
селективный приемник (глаз). Единицей светового потока является люмен 
(лм), однако его можно выражать и в ваттах: 
 

 
0

1
 
d
g
c

∞

λ
λ
Φ =
ϕ
λ
∫
, 
(1.10) 

 
где φλ – спектральная плотность лучистого потока; gλ – спектральная чувствительность глаза. 
Переходя к относительной спектральной чувствительности глаза, 
получаем следующее выражение: 
 

 

макс

0

(
)
 ( )d
V
V
c

∞
λ
λ
Φ =
ϕ
λ
λ
∫
, 
(1.10а) 

 
где (Vλ)макс = 680 лм/Вт при монохроматическом лучистом потоке с длиной 
волны λ = 555 нм; V(λ) – нормализованная функция относительной спектральной световой эффективности излучения. 
Пределы интегрирования в уравнении (1.10а) ограничиваются функцией V(λ), которая для длин волн λ, меньших 380 нм и больших 770 нм, 
равна нулю (табл. 1.1). 
 
Таблица 1.1 
 
Нормализованная функция относительной спектральной световой  
эффективности монохроматического излучения для дневного зрения 
 
λ, нм 
V(λ) 
λ, нм 
V(λ) 
λ, нм 
V(λ) 
λ, нм 
V(λ) 

380 
0,00004 
580 
0,870 
490 
0,208 
690 
0,0082 

390 
0,00012 
590 
0,757 
500 
0,323 
700 
0,0041 

400 
0,0004 
600 
0,631 
510 
0,503 
710 
0,0021 

410 
0,0012 
610 
0,503 
520 
0,710 
720 
0,00105 

420 
0,0040 
620 
0,381 
530 
0,862 
730 
0,00052 

430 
0,0116 
630 
0,265 
540 
0,954 
740 
0,00025 

440 
0,023 
640 
0,175 
550 
0,995 
750 
0,00012 

450 
0,038 
650 
0,107 
555 
1,000 
760 
0,00006 

460 
0,060 
660 
0,061 
560 
0,995 
770 
0,00003 

470 
0,091 
670 
0,032 
570 
0,952 
 
 

480 
0,139 
680 
0,017 
 
 
 
 

Глава 1. Основные понятия и определения 

9 

Тогда, при измерении лучистого потока в ваттах, а светового потока 
в люменах, уравнение (1.10а) примет вид 
 

 
0
680 
 ( )d
V

∞

λ
Φ =
ϕ
λ
λ
∫
. 
(1.10б) 

 
Уравнение, определяющее монохроматический световой поток 
с длиной волны λ, можно записать в виде 
 
 
680 ( ) 
e
V
λ
λ
Φ =
λ Φ , 
(1.11) 

 
где V(λ) − значение относительной спектральной световой эффективности 
для излучения с длиной волны λ; Феλ − значение лучистого потока с заданной длиной волны λ. 
 
Измерение светового потока. Измерение светового потока осуществляют в шаровых фотометрах. В результате многократных отражений светового потока на внутренней поверхности шарового фотометра установится 
некоторый световой поток Ф. Его величина определяется согласно закону 
сохранения энергии, т. е. световой поток испытуемого источника света равен потоку, поглощенному внутри шарового фотометра в процессе многократных отражений (коэффициент пропускания поверхности шара τ = 0): 
 
 
Φисп = Φ (1 – ρ), 
(1.12) 
откуда  

 

исп
Ф
Ф
1
=
− ρ , 
(1.13) 

 
где Фисп – составляющая прямого потока источника; ρ – коэффициент отражения. 
Уравнение (1.13) можно записать в виде 
 

 

исп
исп
исп
0
Ф
 
Ф
Ф
Ф
Ф
1

ρ
=
+
=
+
− ρ
, 
(1.14) 

 

где 
исп
0
Ф
 
Ф
1
ρ
=
− ρ  – составляющая потока многократных отражений. 

Световой поток Φ0 равномерно распределен по внутренней поверхности шарового фотометра и создает одинаковую освещенность Евн всех ее 
участков, определяемую уравнением 
 

 

0
исп
вн
2
вн

Ф
Ф
 
4  
 (1
)
E
S
r

ρ
=
= π
−ρ , 
(1.15) 

 
где Sвн – внутренняя поверхность шарового фотометра, м2; r – радиус шара, м.