Источники питания электротехнологических установок и комплексов

 
 
 
 
 
 
 
Д. А. Давыдов, Т. Ю. Дунаева, Е. К. Пыльская 
 
 
 
 
 
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ  
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК  
И КОМПЛЕКСОВ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
1 
 

УДК 621.3.08 
ББК 31.2 
Д13 
 
 
Рецензенты: 
 
кафедра «Общеобразовательные дисциплины» Саратовского государственного 
университета генетики, биотехнологии и инженерии имени Н. И. Вавилова,  
заведующий кафедрой кандидат технических наук, доцент В. Н. Буйлов; 
 
кандидат технических наук В. А. Трушкин 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Давыдов, Д. А. 
Д13  
Источники питания электротехнологических установок и комплексов : учебное пособие / Д. А. Давыдов, Т. Ю. Дунаева, Е. К. Пыльская. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 116 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1834-8 
 
Приведены сведения по особенностям электротехнологических установок как потребителей электроэнергии, принципам построения элементной базы ЭТУ, вопросам 
симметрирования и компенсации реактивной мощности ЭТУ. Особое внимание уделено схемам источников питания наиболее распространенных типов ЭТУ, обеспечению их энергоэффективности и надежности. 
Для студентов, обучающихся по программе бакалавриата по направлению 
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электротехнологические 
установки и системы».  
 
УДК 621.3.08 
ББК 31.2 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1834-8 
” Давыдов Д. А., Дунаева Т. Ю., Пыльская Е. К., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 
 

ʽʧʸʤʦʸʫʻʰʫ 
 
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ           
УСТАНОВОК (ЭТУ) КАК ПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ............... 5 
1.1. Классификация ЭТУ ......................................................................................... 5 
1.2. Надежность (бесперебойность) питания ...................................................... 10 
1.3. Коэффициент использования 
......................................................................... 12 
1.4. Коэффициент включения ............................................................................... 14 
1.5. Коэффициент загрузки 
.................................................................................... 15 
1.6. Коэффициент формы графика нагрузок ....................................................... 16 
1.7. Коэффициент максимума ............................................................................... 20 
1.8. Определение расчетных нагрузок ................................................................. 20 
1.9. Определение расчетной нагрузки по установленной мощности                    
и коэффициенту спроса ......................................................................................... 24 
1.10. Определение расчетной нагрузки по удельной нагрузке                             
на единицу производственной площади 
.............................................................. 26 
1.11. Определение расчетной нагрузки по удельному расходу             
электроэнергии на единицу продукции ............................................................... 26 
1.12. Определение расчетной нагрузки по средней мощности                             
и коэффициенту формы ......................................................................................... 27 
 
ГЛАВА 2. ТИПОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ                                                         
ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ЭТУ ........................................................................ 30 
2.1. Электропечные трансформаторы .................................................................. 30 
2.2. Выпрямители ................................................................................................... 33 
2.3. Инверторы 
........................................................................................................ 37 
2.4. Симметрирующие устройства ....................................................................... 43 
2.5. Устройства компенсации реактивной мощности ........................................ 51 
2.6. Фильтры гармоник высших порядков 
........................................................... 59 
3 
 

ГЛАВА 3. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ  
СОПРОТИВЛЕНИЯ (ЭПС) 
................................................................................... 66 
3.1. Физические основы нагрева сопротивлением 
.............................................. 66 
3.2. Печные трансформаторы ЭПС 
....................................................................... 68 
3.3. Полупроводниковые преобразователи 
.......................................................... 71 
3.4. Оценка времени разогрева печи .................................................................... 73 
 
ГЛАВА 4. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ УСТАНОВОК  
ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА 
.......................................................................... 76 
4.1. Физические основы индукционного нагрева ............................................... 76 
4.2. Печные трансформаторы ИЭТУ 
.................................................................... 87 
4.3. Электромашинные генераторы 
...................................................................... 89 
4.4. Инверторы ИЭТУ ............................................................................................ 90 
4.5. Ламповые генераторы 
..................................................................................... 95 
4.6. Согласование источника питания с нагрузкой .......................................... 103 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................................. 113 
 
4 
 

ʧʸʤʦʤ1͘ʽˁʽʥʫʻʻʽˁ˃ʰˑʸʫʶ˃ˀʽ˃ʫˈʻʽʸʽʧʰˋʫˁʶʰˈ 
˄ˁ˃ʤʻʽʦʽʶ;ˑ˃˄Ϳʶʤʶʿˀʰʫʺʻʰʶʽʦˑʸʫʶ˃ˀʽˑʻʫˀʧʰʰ 
 
ϭ͘ϭ͘ʶ̴̶̡̛̛̛̣̭̭̌̌́ˑ˃˄ 
К электротехнологическим относятся процессы, основанные на преобразовании непосредственно в рабочей зоне технологических установок энергии 
электрического тока, электрического и магнитного полей в тепловую, химическую или механическую энергии, за счет которых реализуется заданный процесс [1]. 
Традиционно выделяют пять групп электротехнологических процессов 
(рис. 1.1) [1, 2]. 
 
 
 
Рисунок 1.1. Классификация электротехнологических процессов 
 
В электротермических процессах используется превращение электрической энергии в тепловую для нагрева материала изделий с целью изменения их 
агрегатного состояния, формы или свойств (печи сопротивления, установки дугового нагрева и т. д.) [1–3]. 
В электросварочных процессах получаемая из электрической энергии тепловая энергия используется для создания неразъемного соединения деталей. 
В электрохимических процессах с помощью электрической энергии осуществляется разложение химических соединений и их разделение в жидкой среде 
под действием электрического поля (электролиз, гальванотехника, анодная электрохимическая обработка) [2]. Электрофизические методы используют специальные физические эффекты для превращения электрической энергии как в тепло5 
 

вую, так и в механическую (электроэрозионные, ультразвуковые, магнитоимпульсные, электровзрывные, плазменные, электронно-лучевые, лазерные технологии). 
Электромеханические методы реализуются за счет непосредственного 
механического (силового) воздействия электрического и магнитного полей на 
обрабатываемые изделия и материалы. Такие методы и установки можно классифицировать по виду полей, воздействующих на объекты технологической 
обработки: стационарные, пульсирующие, вращающиеся, бегущие. Наиболее 
известны и широко применяемые электротехнологические установки (ЭТУ) используют силовое действие стационарных электрического и магнитного полей. 
Например, стационарные электрические поля применяются в аэрозольных технологиях (пылегазоочистка, электроокраска, электрография, нанесение порошковых покрытий), в электрических сепараторах для разделения твердых сыпучих смесей, в устройствах водоочистки. Стационарные магнитные поля используются в магнитных сепараторах для извлечения ферромагнитных предметов 
и частиц из сырья и отходов, для разделения минеральных смесей в обогатительном производстве, при водоочистке, а также для захвата или фиксации 
стальных заготовок и удаления металлоотходов из рабочей зоны при металлообработке. С использованием пульсирующих магнитных полей работает ряд 
электродинамических устройств и некоторые виды магнитных или электродинамических сепараторов. Воздействие импульсных электромагнитных полей 
применяется в устройствах для магнитоимпульсной обработки материалов давлением и при электродинамической сепарации. Вращающиеся и бегущие магнитные поля используются в МГД-технологиях, обработке жидких металлов 
(перемешивание, транспортировка и т. д.), при электродинамической сепарации и водоочистке [1, 2]. 
Отличительной особенностью всех указанных электромеханических технологических устройств является то, что их рабочим телом непосредственно 
служат обрабатываемые изделия и материалы, т. е. отсутствуют промежуточные 
электромеханические преобразования энергии. Наличие такого четкого обоб6 
 

щающего признака позволяет классифицировать электромеханические технологические процессы и установки как отдельную группу в ряду других электротехнологических методов и установок [3, 4]. 
Современный электротехнологический процесс характеризуется множеством параметров, определяющих его основные технико-экономические показатели: производительность, качество конечного продукта, удельные затраты 
энергии и труда, массу и габариты установленного оборудования, себестоимость готовой продукции и многое другое. При этом определяющие показатели технологического процесса зависят не только от выбранного способа обработки (технологии), но в существенной мере и от параметров, и режимов работы отдельных элементов (блоков технологического оборудования) [3]. 
Для питания электротехнологической установки с требуемыми характеристиками необходимо определенным образом преобразовать электроэнергию, 
получаемую, как правило, от промышленной сети переменного тока [1]. 
В зависимости от вида технологического процесса получаемая от сети 
электроэнергия преобразуется в конечном виде в энергию химических связей, 
механическую энергию, либо во внутреннюю энергию. Нередко процесс преобразования энергии является многократным. Например, при лазерной резке электрическая энергия первоначально превращается в энергию когерентного светового излучения, которая, воздействуя на деталь, разогревает либо испаряет материал детали, совершая тем самым механическую работу. При ионном азотировании на поверхности обрабатываемых деталей образуются химические соединения обрабатывающей газовой среды с материалом деталей при одновременном ускорении диффузионных процессов в обрабатываемом материале. 
Таким образом, между обрабатываемым изделием и источником электроэнергии, как правило, присутствует определенная среда (газовая, жидкая, световая 
и т. д.), характеристики которой определяют характеристики нагрузки источника питания [2–4]. 
Задача преобразователя электрической энергии состоят в том, чтобы согласовать электрические параметры питающей сети с электрическими параметрами этой среды при обеспечении заданных условий. 
7 
 

Таким образом, преобразователь электрической энергии оказывает непосредственное влияние на физические характеристики технологического процесса (КПД Ș, коэффициент мощности cos ij, гармонический состав потребляемого тока, несимметрию и т. д.). Нередко выходные характеристики преобразователя оказывают непосредственное воздействие на конечный продукт и могут 
приводить к его необратимым изменениям (браку) [4]. 
Использование современных электротехнологических установок в промышленности требует создания специализированных источников питания. Только комплексное решение вопросов разработки установки, ее технологической 
части и источника питания с учетом их взаимного влияния позволяет создавать ЭТУ повышенной производительности, надежности и с улучшенными технико-экономическими показателями [2–4]. 
Различные физические принципы, лежащие в основе функционирования 
ЭТУ, различные режимы работы, обуславливают и специфические особенности 
ЭТУ как приемников электроэнергии. 
С точки зрения потребления электроэнергии ЭТУ представляют собой 
комплекс электроприемников, объединенных в единую технологическую систему. В общем случае в нее входят: преобразовательный элемент (нагреватель, 
излучатель и т. д.), устройство преобразования, устройство согласования (симметрирующие устройства, фильтры и т. д.), приводы вспомогательных механизмов [5]. 
Как приемники электроэнергии ЭТУ делятся на следующие группы: 
1. Приемники трехфазного тока напряжением до 1000 В, частотой 50 Гц. 
2. Приемники трехфазного тока напряжением выше 1000 В, частотой 50 Гц. 
3. Приемники однофазного тока напряжением до 1000 В, частотой 50 Гц. 
4. Приемники, работающие с частотой, отличной от 50 Гц, питаемые от 
преобразовательных подстанций и установок. 
5. Приемники постоянного тока, питаемые от преобразовательных подстанций и установок.  
8 
 

Номинальные напряжения электрических сетей и присоединяемых к ним 
источников и приемников электрической энергии устанавливаются ГОСТ [2]. 
По шкале номинальных напряжений для сетей переменного тока частотой 50 Гц 
междуфазное напряжение должно быть 12, 24, 36, 42, 127, 220, 380 В; 3, 6, 10, 
20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ, для сетей постоянного тока – 12, 24, 
36, 48, 60, 110, 220, 440, 660, 3000 В [1]. 
Общепромышленные ЭТУ переменного трехфазного тока до 1000 В выполняются четырехпроводными с глухозаземленной нейтралью или трехпроводными с изолированной нейтралью [1, 2]. 
Установки с изолированной нейтралью используются при повышенных 
требованиях по электробезопасности при условии, что в этом случае обеспечиваются контроль изоляции сети и целость пробивных предохранителей, быстрое обнаружение персоналом замыканий на землю и быстрая ликвидация их 
либо автоматическое отключение участков с замыканием на землю. 
В четырехпроводных сетях переменного тока или трехпроводных сетях 
постоянного тока для установок без повышенной опасности глухое заземление 
нейтрали обязательно. 
По режиму работы нейтрали все электроустановки напряжением выше 
1000 В делятся на установки: 
1. С изолированной нейтралью (напряжения до 35 кВ). 
2. С нейтралью, включенной на землю через индуктивное сопротивление 
для компенсации емкостных токов (напряжения до 35 кВ и редко 110 кВ). 
3. С глухозаземленной нейтралью (напряжение 110 кВ и выше).  
Кроме того, все эти установки подразделяются на установки: 
- с малыми токами замыкания на землю (до 500 А); 
- с большими токами замыкания на землю (более 500 А) [2]. 
 
9 
 

1.Ϯ͘ʻ̨̖̙̦̭̯̌̔̽;̨̨̖̭̪̖̬̖̜̦̭̯̍̍̽Ϳ̛̛̪̯̦̌́ 
Для всех электротехнологических установок как приемников электроэнергии важными факторами являются также: 
1. Требования, предъявляемые действующими Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) к надежности питания приемников (1-я, 2-я и 3-я категории). 
2. Режим работы (продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный). 
3. Место расположения установки в цехе и являются ли они стационарными или передвижными. 
С точки зрения обеспечения надежного и бесперебойного питания, приемники электрической энергии делятся на три категории [3]: 
1-я категория – приемники, перерыв в электроснабжении которых может 
повлечь за собой опасность для жизни людей или значительный материальный 
ущерб, связанный с повреждением оборудования, массовым браком продукции 
или длительным расстройством сложного технологического процесса производства. 
К данной категории могут быть отнесены следующие типы ЭТУ: крупные 
установки дугового нагрева, для которых перебой в электроснабжении может 
вызвать не только массовый брак, но и выход из строя всей установки в целом; 
протяжные печи сопротивления, включенные в непрерывный технологический 
процесс, индукционные плавильные установки и ряд других [1]. 
2-я категория – приемники, перерыв в электроснабжении которых связан 
с существенным недоотпуском продукции, простоем людей, механизмов, промышленного транспорта. К этой категории относится большинство ЭТУ. 
3-я категория – приемники, не подходящие под определения 1-й и 2-й категорий. Из ЭТУ это могут быть вспомогательные установки, лабораторное 
оборудование и т. д. 
Вопрос о надежности электроснабжения потребителей связан с числом 
источников питания, схемой электроснабжения и категорией потребителей [3]. 
10