Электротехника, электроника, электрооборудование: электротехника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 
 
Кафедра электротехники и микропроцессорной электроники
 
Г.А. Фарнасов 
 
 
 
Электротехника, электроника,
электрооборудование 
Электротехника 
Учебник 
 
Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве учебника 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению Металлургия 
Москва 2012 

УДК 621.3 
 
Ф76 
Р е ц е н з е н т ы  
д-р техн. наук, проф., академик РАЭН В.П. Рубцов; 
кафедра АТПМиМ Московского государственного 
вечернего металлургического института 
(зав. каф. канд. техн. наук Е.Ф. Анисимов) 
Фарнасов, Г.А. 
Ф76 Электротехника, электроника, электрооборудование : электротехника : учебник / Г.А. Фарнасов. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2012. – 423 с. 
ISBN 978-5-87623-602-9 
Учебник по курсам «Электротехника, электроника, электрооборудование» соответствует программам для студентов металлургических специальностей при подготовке инженеров, бакалавров и магистров, а также других 
неэлектротехнических специальностей. Он включает разделы: электротехника, электроника, электрооборудование, материал которых изложен на примерах электротехнических установок и электропривода основных металлургических аппаратов. Приведены упражнения, темы домашних заданий, методы 
расчетов при выполнении выпускной квалификационной работы, дипломного проекта. 
Предназначен для студентов специальностей: 150101 «Металлургия черных металлов»; 150102 «Металлургия цветных металлов»; 150103 «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей»; 150104 «Технология 
литейного производства»; 150109 «Металлургия техногенных и вторичных 
ресурсов»; 130405 «Обогащение полезных ископаемых»; 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств»; 080801 «Прикладная информатика в энергосбережении». 
Может быть полезен работникам промышленных предприятий. 
УДК 621.3 
ISBN 978-5-87623-602-9 
© Г.А. Фарнасов, 2012 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Введение ...................................................................................................6 
1. Цепи постоянного тока......................................................................9 
 
1.1. Особенности нагрева материалов энергией постоянного тока.....9 
 
1.2. Элементы и режимы работы электрических цепей.................21 
 
1.3. Методы расчета линейных электрических цепей....................31 
 
1.4. Нелинейные цепи постоянного тока.........................................38 
 
1.5. Измерения в цепях постоянного тока.......................................45 
 
1.6. Упражнения по теме «Цепи постоянного тока»......................54 
 
1.7. Домашнее задание № 1 «Расчет электрических 
 
параметров дуговой плавильной печи постоянного тока»............75 
2. Однофазные цепи синусоидального тока ....................................76 
 
2.1. Особенности применения энергии однофазного 
 
переменного тока...............................................................................76 
 
2.2. Электрическая цепь с R-элементом ........................................100 
 
2.3. Электрическая цепь с L-элементом ........................................103 
 
2.4. Электрическая цепь с С-элементом........................................105 
 
2.5. Электрическая цепь при последовательном соединении 
 
R- и L-элементов..............................................................................108 
 
2.6. Мощность в электрической цепи с R- и L-элементами.........111 
 
2.7. Электрическая цепь при последовательном соединении 
 
R-, L- и C-элементов ........................................................................113 
 
2.8. Электрическая цепь при параллельном соединении 
 
R-, L- и C-элементов ........................................................................118 
 
2.9. Особенности расчета цепей синусоидального тока ..............122 
 
2.10. Измерения в цепях однофазного переменного тока............123 
 
2.11. Упражнения по теме «Однофазные цепи  
 
синусоидального тока» ...................................................................128 
 
2.12. Домашнее задание № 2 «Расчет электрических 
 
параметров индукционной тигельной плавильной печи» ...........167 
3. Трехфазные цепи синусоидального тока ...................................168 
 
3.1. Особенности применения энергии трехфазного 
 
переменного тока.............................................................................168 
 
3.2. Соединение обмоток источника и фаз приемника звездой ..176 
 
3.3. Соединение обмоток источника и фаз приемника 
 
треугольником .................................................................................181 
 
3.4. Трехфазная цепь с несимметричным приемником................184 
 
3.5. Мощность в трехфазной системе. Пример расчета 
 
параметров трехфазной конвейерной печи сопротивления ........193 
3 

 
3.6. Периодические несинусоидальные токи в электрических 
 
цепях металлургических установок............................................... 202 
 
3.7. Измерения в цепях трехфазного переменного тока.............. 207 
 
3.8. Упражнения по теме  «Трехфазные цепи 
 
синусоидального тока» ................................................................... 208 
 
3.9. Домашнее задание № 3 «Расчет электрических 
 
параметров трехфазной дуговой сталеплавильной печи»........... 233 
4. Применение электромагнитных устройств в металлургии... 235 
 
4.1. Магнитные цепи ....................................................................... 235 
 
4.2. Трансформатор ......................................................................... 246 
 
4.3. Электромагнитные устройства, использующие 
 
энергию вращающегося поля......................................................... 272 
 
4.4. Электромагнитные устройства, использующие энергию 
 
бегущего поля.................................................................................. 290 
 
4.5. Электрические машины постоянного тока в приводе 
 
механизмов металлургических установок .................................... 296 
 
4.6. Упражнение по теме: «Электромагнитные устройства» ...... 309 
 
4.7. Домашнее задание №4 «Расчет электрических 
 
параметров однофазного трансформатора».................................. 316 
Библиографический список ............................................................. 317 
Приложение. Примеры расчетов параметров 
электромагнитных устройств .......................................................... 319 
 
1. Расчет параметров трехфазного трансформатора, 
 
работающего на мостовой выпрямитель с дуговой нагрузкой ... 319 
 
2. Расчет параметров электромагнитного кристаллизатора 
 
для разливки алюминиевых сплавов ............................................. 327 
 
3. Расчет параметров индукционной канальной печи 
 
для плавки медных сплавов с моделированием в пакете 
 
SIMULINK программы MatLab...................................................... 334 
 
4. Расчет параметров магнитодинамического насоса 
 
для транспортировки и разливки жидкого металла ..................... 346 
 
5. Расчет параметров установки для высокочастотного 
 
индукционного нагрева стальных деталей под термообработку.....355 
 
6. Расчет параметров установки с высокочастотным 
 
индукционным плазмотроном для получения 
 
электроплавленных сфероидизированных материалов............... 359 
 
7. Расчет параметров индукционной тигельной печи 
 
для выплавки синтетического чугуна с моделированием 
 
в пакете SIMULINK программы MatLab....................................... 363 
 
8. Расчет параметров индукционной печи с «холодным» 
 
тиглем для выплавки жаропрочных сплавов................................ 377 
4 

 
9. Расчет параметров асинхронного трехфазного двигателя 
 
с короткозамкнутым ротором.........................................................385 
 
10. Расчет параметров установки с вращающимся полем 
 
для очистки стружки от масла........................................................391 
 
11. Расчет параметров статора электромагнитного 
 
перемешивания металла в кристаллизаторе машины  
 
непрерывного литья заготовок с моделированием в пакете  
 
SIMULINK программы MatLab......................................................396 
 
12. Расчет параметров кольцевого статора 
 
для перемешивания жидкого чугуна в ковше...............................405 
 
13. Расчет параметров плоского статора для перемешивания 
 
жидкой стали в ковше .....................................................................411 
 
14. Расчет параметров электромагнитного лотка 
 
для транспортирования и разливки жидкого алюминия..............417 
 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
Электротехника является наукой о техническом использовании 
электромагнитных явлений, а также отраслью техники, связанной с 
применением их для преобразования энергии природы в электрическую (электроэнергетика). Значение электротехники определяется 
возможностью получения значительных количеств электрической 
энергии, сравнительной простотой ее передачи на расстояние и легкостью преобразования в энергию других видов – тепловую, механическую, световую, химическую и т. д. На базе широкого применения электрической энергии развиваются наиболее энергоемкие 
производства (электрометаллургия стали, ферросплавов и цветных 
металлов, электротермия, электрохимия). В результате перехода на 
электротехнологические процессы повышается качество металлов и 
материалов, появляется возможность создавать материалы, которые 
иным способом получить невозможно, а также улучшаются санитарные условия труда (социальный фактор) и снижается вредное 
воздействие на окружающую среду (экологический фактор). 
В металлургии широко применяется электронагрев, который в отличие от газового значительно меньше влияет на «загрязненность» 
металла, способствует рафинированию и повышению свойств сталей 
и сплавов при прохождении через них электрического тока, применении электрического разряда, вихревых токов, электромагнитного 
поля. Многообразие электротехнических явлений делает возможной 
комплексную обработку расплава в вакууме при регулируемом массообмене, реализацию различных технологических операций в одном 
агрегате, механизацию и автоматизацию производства. Это позволяет интенсифицировать существующие процессы, создавать новые 
способы выплавки и рафинирования черных и цветных металлов, 
решать в условиях истощения природных ресурсов актуальные задачи повышения качества продукции, снижения ее себестоимости, 
улучшения санитарно-гигиенических условий труда. 
Преобразование электрической энергии в тепловую (теплогенерация) в электротехнологических установках происходит в результате необратимого рассеяния (диссипации) энергии электромагнитного поля в нагреваемом материале по закону Джоуля–
Ленца, при магнитной поляризации ферромагнитного материала, 
электрической поляризации диэлектрика, преобразовании энергии 
потока ускоренных в электрическом поле электронов, возникновении электрического разряда в газе или при воздействии когерент6 

ного излучения квантового генератора, возбуждаемого электромагнитным полем. 
Вращающиеся и бегущие магнитные поля, которые переводят 
электрическую энергию в механическую или гидродинамическую с 
минимальными потерями на нагрев, используют для создания электродвигателей и устройств управления движением жидкого металла. 
Подвод к печи и получение электроэнергии необходимых параметров осуществляют с помощью электротехнических коммутационных и 
преобразовательных устройств – высоковольтных и автоматических 
выключателей, контакторов, магнитных пускателей, трансформаторов, 
реакторов, выпрямителей, преобразователей частоты. Названная аппаратура совместно с печным преобразователем электроэнергии в тепловую (методами сопротивления, индукционным, дуговым) относится к 
силовой цепи установки и обтекается рабочим током, составляющим, 
как правило, тысячи ампер. Привод механизмов печи (наклона, перемещения электрода и др.) осуществляется с помощью электрических 
двигателей (асинхронных, постоянного тока). 
Для изменения режимов работы этих устройств применяют цепи 
управления, как правило, слаботочные, которые вместе с измерительной аппаратурой (амперметр, вольтметр, фазометр и др.) размещают на специальном пульте. В этих цепях широко применяют элементы электроники (диод, тиристор, транзистор, интегральная микросхема, контроллер) и преобразователи, выполненные с их использованием, работа которых определяется законами электротехники. 
Совокупность элементов электроники и электротехнических устройств определяют понятием «электрооборудование металлургической установки». 
Инженер-металлург (технолог цеха) разрабатывает технологию 
выплавки сплава, а значит, должен задать характер изменения тепловых потоков в рабочем пространстве печи; оценить по ним вводимую 
в печь электрическую мощность, силу тока, напряжение; выбрать в 
зависимости от металлургических возможностей род тока, принцип 
действия и тип преобразователя (источника питания); определить 
диапазон изменения электрических величин во времени; составить 
программу плавки, т.е. работы всего электрооборудования. 
Автору довелось разрабатывать и создавать промышленные электротермические установки для металлургических и литейных цехов – 
дуговые и струйные плазмотроны постоянного тока, дуговые и плазменные плавильные печи, установки комбинированного нагрева, высокочастотные индукционно-плазменные, электромагнитного перемешивания металла, электромагнитные аппараты вихревого слоя, а 
7 

также системы управления к ним. На своем опыте он убедился, как 
важно знать и уметь применять на практике законы и явления электротехники будущим технологам. 
В течение многих лет автор преподает в МИСиС курсы по методике, в основу которой положено профилирование, позволяющее 
рассматривать законы и явления электротехники, работу электротехнического оборудования на примерах металлургических установок. 
Перечисленные выше вопросы отражены в известном учебнике [1]. Однако с момента его издания произошли изменения, основная особенность которых – подготовка бакалавров и магистров по 
металлургическому направлению. В новых учебных планах предусмотрены курсы по электротехнике, электронике, микропроцессорам, электрооборудованию. Кроме того, в силовой электронике появились в промышленном исполнении биполярные транзисторы с 
изолированным затвором и устройства, выполненные на них. В связи 
с этим возникла необходимость переработки учебника с добавлением 
раздела по микропроцессорам, расширением вопросов электрооборудования установок, введением примеров устройств управления с 
использованием контроллеров, а также примеров расчетов электрических параметров силовых цепей электроустановок, что целесообразно для выполнения КНИР, выпускных квалификационных работ 
бакалавров и магистров, дипломных проектов специалистов с привлечением современных методов моделирования. 
Материал учебника направлен на формирование у металлургов 
знаний по техническим возможностям и принципу действия электрооборудования основных металлургических установок, методам расчета их электрических характеристик. 
8 

1. ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 
1.1. Особенности нагрева материалов энергией 
постоянного тока 

: 
При наложении электромагнитного поля в проводящей среде (например, в кристаллической решетке металлов) электроны проводимости, не ослабляя своего хаотического движения со скоростями порядка тысяч км/с, сравнительно медленно со скоростью vд порядка 
10–3 … 10–5 м/с «сносятся» против вектора Е


силой 
(
)
F H


, 
v
F
e E
m
t
= −
=
д
эф d
где е = 1,602·10 –16 Кл – заряд электрона; 
эф
m
 – эффективная масса электрона проводимости, отличающаяся от массы покоя электрона mе = 9,1·10 –31 кг по причине электростатических взаимодействий в кристаллической решетке. 
Такое слабое упорядоченное движение («дрейф») электронов обуславливает ток проводимости плотностью (А/м2) 

, 
д
e
J
N ev
= −
где Nе – плотность электронов проводимости, м –3. 
В металлах положительные ионы закреплены в узлах кристаллической решетки, совершая хаотические гармонические колебания относительно своих положений равновесия с амплитудой смещения Δx при данной температуре Т. Колебания ионов нарушают 
периодичность кристаллической решетки, препятствуют упорядоченному движению электронов, вызывая электрическое сопротивление току проводимости согласно известному в электротехнике 
закону Ома.  
Электроны рассеиваются внутри решетки, передавая ионам при 
неупругом взаимодействии избыток кинетической энергии ΔKе (Дж), 
приобретенной в электромагнитном поле напряженностью Е: 
2
эф д
0,5
e
K
m v
Δ
=
. 
При таком взаимодействии возрастает потенциальная энергия ионов ΔG (Дж) массой М (кг) вследствие увеличения амплитуды Δx те9 

пловых колебаний с максимальной (характеристической) угловой 
частотой ω (с –1) 
ΔG = 0,5 M ω 2 (Δx)2, 
что определяет повышение температуры металла. 
Если прохождение тока проводимости не связано с изменениями 
структуры вещества и не сопровождается химическими процессами, 
внешняя работа электрических сил в соответствии с теоремой Умова 
полностью идет на изменение тепловой энергии в единице объема 
нагреваемого тела со скоростью qv (Вт/м3): 
д
e
v
JF
N
v F
q
e
=
=
=
. 
Соотношение выражает закон теплового действия тока проводимости плотностью J, известный под названием закона Джоуля–Ленца 
и являющийся частным случаем закона сохранения энергии. 
Необходимый для теплогенерации ток проводимости можно создать, например, вдоль оси нагреваемого электропроводного тела, если с помощью контактов присоединить тело к внешней электрической цепи, имеющей требуемую согласно закону Ома разность потенциалов. Такой контактный (кондукционный) подвод энергии 
осуществляют в электрических установках, которые могут работать 
на постоянном (или переменном) токе (рис. 1.1). 
 
Рис. 1.1. Схемы установок прямого нагрева 
В установках прямого нагрева (рис. 1.1, а) пропускают постоянный ток через нагрузку 1 с помощью контактов 2, осуществляя изменение ее температуры для целей горячей обработки давлением (ковки, штамповки, отжига) и термической обработки (закалки, отпуска, 
гибки); сварки штабиков тугоплавких металлов; графитизации уголь10