Промышленные электроустановки

 
 
 
 
 
Д. А. Давыдов, Д. Б. Сивяков 
 
 
 
 
ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ 
 
Учебное пособие 
Под редакцией доктора технических наук, профессора, 
почетного работника высшего профессионального образования РФ 
Б. К. Сивякова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 


УДК 621.31 
ББК 31.261 
Д13 
 
 
 
Рецензенты: 
кафедра инженерной физики, электрооборудования и электротехнологии 
факультета инженерии и природообустройства 
Саратовского государственного аграрного университета 
им. Н. И. Вавилова; 
профессор, директор Поволжского регионального центра 
охраны труда и промышленной безопасности А. А. Сатаров 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Давыдов, Д. А. 
Д13  
Промышленные электроустановки : учебное пособие / Д. А. Давыдов, 
Д. Б. Сивяков ; под ред. д. т. н., проф. Б. К. Сивякова. - Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2024. - 256 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1706-8 
 
Содержит краткие сведения о промышленных электроустановках. 
Описаны электрогенерирующие установки различного типа, линии электропередач различного назначения, электроприемники, коммутационная 
аппаратура. Приведены конструкции, описан принцип действия и примеры 
исполнения. 
Для студентов направления «Электроэнергетика и электротехника» 
дневной и заочной форм обучения. 
 
УДК 621.31 
ББК 31.261 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1706-8 
” Давыдов Д. А., Сивяков Д. Б., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 


 
ВВЕДЕНИЕ 
Для различных сфер жизнедеятельности человека электроэнергия является 
одной из основных видов энергии, уступая в масштабах страны лишь только использованию топлива. Потребление электроэнергии по секторам экономики неравномерно, что представлено на диаграмме 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Диаграмма 1. Структура потребления электроэнергии 
по секторам экономики России 
 
В структуре потребления преобладает промышленное потребление,  
где 44,1  приходится на обрабатывающие и добывающие производства, а с учётом собственных нужд электростанций - 50,7 , то есть на промышленные 
электроустановки. 
Согласно «Правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей» и «Правилам по охране труда при эксплуатации электроустановок» под 
«Электроустановкой» понимается совокупность машин, аппаратов, линий и 
вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, 
трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другой вид энергии [1]. 
В пособии описан многообразный мир электроустановок, применяемых  
в настоящее время на промышленных предприятиях. Это:  
 электрогенерирующие установки различного типа; 
3 


 линии электропередач различного назначения;  
 электроприемники;  
 электродвигатели: постоянного тока, синхронные и асинхронные;  
 электротехнологические установки: электротермические, электросварочные, электрохимические, электрофизические, электромеханические 
и электроосветительные;  
 коммутационная аппаратура: высоковольтные выключатели, выключатели нагрузки, отделители и короткозамыкатели, разъединители, автоматические выключатели, устройства защитного отключения, контакторы, реле, рубильники, пакетные выключатели и предохранители. 
Приведены конструкции, описан принцип действия и примеры исполнения. 
Пособие предназначено для студентов младших курсов вузов, обучающихся по направлению электроэнергетика и электротехника, будет полезно учащимся колледжей и широкому кругу читателей, интересующихся современными 
промышленными электроустановками. 
4 


 
1. ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ 
На сегодняшний день основными производителями электроэнергии являются тепловые электростанции (ТЭС), гидроэлектростанции (ГЭС) и атом- 
ные электростанции (АЭС). Независимо от первоначального вида энергии (энергия горения, кинетическая энергия воды, энергия ядерного распада) первоначально она преобразуется в механическую и, далее, в электрическую. Преобразование механической энергии в электрическую осуществляется с помощью генераторов [2]. 
1.1. Физический принцип работы генераторов 
Рис. 1.1. Демонстрация закона  
электромагнитной индукции 
Рис. 1.2. Диск Фарадея: 
1 - постоянный магнит; 2 - медный 
диск; 3-4 - токосъёмники 
Принцип действия генераторов основан на законе электромагнитной индукции, то 
есть на явлении возникновения электрического тока в проводящем замкнутом контуре 
при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. 
Действие этого закона наглядно демонстрируют опыты Ленца на приборе представляющим собой два алюминиевых кольца, сплошное и разрезанное, укрепленные на перекладине и имеющие возможность вращаться вокруг оси (рис. 1.1). 
При внесении магнита в сплошное кольцо оно начинало двигаться в противоположную сторону от магнита, поворачивая соответственно коромысло. 
При вынесении магнита из кольца кольцо двигалось за магнитом. При движении 
магнита внутри разрезанного кольца никакого эффекта не происходило, так как контур 
не был замкнут. Ленц объяснял опыт тем, что 
магнитное поле наведённого индукционного 
тока стремилось компенсировать изменение 
внешнего магнитного потока. 
Впервые явление электромагнитной 
индукции было обнаружено Майклом Фарадеем в 1831 году и им же разработан первый 
генератор, так называемый «диск Фарадея» 
(рис. 1.2). 
5 


Генератор состоит из постоянного магнита, металлического диска, токосъёмника на оси диска и токосъёмника с края диска. При вращении диска на токосъёмниках возникала разность потенциалов (напряжение). Из-за особенности размещения полюсов конструкция получила название «униполярный генератор». 
1.2. Генераторы постоянного тока (ГПТ) 
Рис. 1.3. Принцип действия ГПТ 
Рис. 1.4. Кривые напряжения на выходе 
простейшего двухполюсного ГПТ 
Первое практическое применение генератор нашёл в 1842 году. Построенный Д. С. Вулричем он был соединён с паровой машиной и обеспечивал питание 
гальванических ванн. В это же время формируется и конструкция генератора, 
существующая до сегодняшнего дня. Неподвижная часть получила название 
«статор», а подвижная - «ротор» (для машин постоянного тока вместо термина 
«ротор» закрепился термин «якорь»). Контактный узел (коллектор), состоящий 
из изолированных друг от друга металлических пластин. 
Таким образом, в простейшем случае, генератор представляет собой контур 
(«рамка») заключённый в магнитное поле 
(рис. 1.3). При вращении рамки на коллекторном узле (пара полуколец) возникает 
однополярное напряжение (рис. 1.4).
ЭДС с такой большой пульсацией непригодна для большинства 
приемников постоянного тока. Для её 
уменьшения обмотку якоря генератора 
постоянного тока выполняют из большого 
числа витков (катушек), а коллектор - из 
большого числа коллекторных пластин, 
изолированных друг от друга. 
На рис. 1.5 приведена схема 
двухполюсного ГПТ, обмотка якоря которого представляет собой замкнутую 
цепь, состоящую из последовательно соединенных витков. Но относительно щеток обмотка якоря представляет собой две параллельные ветви. На рис. 1.5, а, 
одна параллельная ветвь состоит из катушки 2, вторая - из катушки 4 (в катуш- 
ках 1 и 3 ЭДС не индуцируется, и они обеими концами соединены с одной щеткой). При вращении якоря рис. 1.5, б ЭДС параллельной ветви 2-4 снижается, но 
появляется ЭДС в ветви 1-3. При этом: 
 
еоб = е1  е2 = е3  е4 
6 


Рис. 1.6. Коммутация ветвей 
двухполюсного ГПТ 
Рис. 1.5. Формирование кривой напряжения на выходе двухполюсного ГПТ  
с двумя ветвями: а) первоначальное положение якоря; б) положение якоря после поворота;  
в) кривая напряжения на выходе 
 
В результате этого пульсации ЭДС обмотки якоря заметно уменьшаются 
(рис. 1.5, в). 
Таким образом, при увеличении числа витков и коллекторных пластин 
можно получить практически постоянную ЭДС обмотки якоря. 
Расположенные в пазах проводники обмотки якоря соединяются между собой лобовыми частями витков. В каждом пазу обычно располагается несколько 
проводников. Проводники одного паза соединяются с проводниками другого 
паза, образуя последовательное соединение, называемое катушкой или секцией. 
Секции соединяются последовательно и образуют замкнутую цепь. Последовательность соединения должна быть такой, чтобы 
ЭДС в проводниках, входящих в одну параллельную ветвь, имели одинаковое направление. 
На рис. 1.6 показана типовая обмотка якоря 
двухполюсной машины. Сплошными линиями 
показано соединение секций друг с другом со 
стороны коллектора, а пунктирными - лобовые 
соединения проводников с противоположной 
стороны. От точек соединения секций делаются 
отпайки к коллекторным пластинам. 
Обмотка такого якоря имеет также две параллельные ветви: первая, образованная проводниками пазов 1, 6, 3, 8, вторая - проводниками па7 


зов 4, 7, 2, 5. При вращении якоря сочетание пазов, проводники которых образуют параллельную ветвь, все время изменяется, но всегда параллельная ветвь 
образуется проводниками четырех пазов, занимающих постоянное положение в 
пространстве. 
Так как выпрямление происходит лишь на коллекторе машины, а в каждой 
секции индуцируется вихревые токи, то во избежание сильного нагрева, сердечник якоря делают не сплошным, а набирают из отдельных стальных листов, на 
краю которых выштамповываются выемки для активных проводников якоря,  
а в центре - отверстие для вала. Единичная пластина якоря и основные элементы 
генератора представлены на рис. 1.7. 
 
 
 
Рис. 1.7. Основные элементы конструкции ГПТ: 1 - статор; 2 - якорь с коллекторным узлом; 
3 - подшипникодержатели; 4 - щёточный узел; 5 - пластина якоря 
 
ЭДС, создаваемое генератором, зависит от числа пар полюсов, количества 
витков в обмотке статора, магнитного потока, скорости вращения, числа ветвей 
(количества витков обмотки статора) определяется как: 
Z
Sa
рNФ
E
2
 
, 
где p - число пар полюсов; N - количество активных проводников в обмот- 
ке якоря; a - количество ветвей в обмотке якоря; Ф - поток возбуждения (Вб);  
Z  - угловая скорость (рад/с). 
 
Увеличение количества полюсов имеет конструктивные ограничения, и 
для увеличения генерируемой мощности, является целесообразным, увеличение 
магнитного потока. Поток постоянных магнитов достаточно мал, и они при- 
8 


меняются только в машинах малой мощности. Для машин средней и большой 
мощности используются электромагниты. 
Для создания магнитного потока требуемой величины на полюсах индуктора, для генераторов постоянного тока это статор, имеются обмотки возбуждения. В зависимости от способа возбуждения ГПТ различают: генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением рис. 1.8. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис. 1.8. Способы возбуждения ГПТ: а) независимое возбуждение;  
б) последовательное возбуждение; в) параллельное возбуждение;  
г) смешанное возбуждение 
 
В генераторах с независимым возбуждением обмотка индуктора питается 
от отдельного источника, сети постоянного тока, аккумуляторной батареи и т. д. 
В генераторах с самовозбуждением первоначальный поток обеспечивается остаточной намагниченностью. По мере разгона якоря он индуцирует ток в индукторе, который и создаёт основной поток возбуждения. 
Основной недостаток ГПТ, это сложность передачи энергии на большие 
расстояния. Так как: 
Р=UÂI или 
R
U
P
2
 
, 
где Р – мощность; U –Âнапряжение; I - сила тока. 
 
Сопротивление проводника: 
S
l
R
U
 
, 
где R - сопротивление проводника (Ом); ȡ - удельное сопротивление материа- 
ла проводника (ОмÂм); l - длина проводника (м); S - площадь поперечного сечения (м2). 
9 


Очевидно, что для уменьшения потерь в линии электропередачи необходимо 
максимально увеличить площадь поперечного сечения проводника, или увеличить напряжение. 
Отсутствие оборудования для повышения напряжения привела к тому, что 
максимальная длина линии электропередачи, работающей на постоянном токе 
при напряжении 100-200 В, не превышала порядка 1,5 км. Увеличение расстояния требовало применения более толстых проводов, что оказалось экономически 
неоправданно. 
Современные ГПТ имеют мощность от нескольких киловатт до 10 000 кВт 
и находят применение на производствах, где предпочтительнее постоянный ток, 
например в качестве источника питания электролизных ванн, в составе дизель - 
генератора передвижных сварочных постов или в качестве возбудителя мощных 
синхронных генераторов. 
1.3. Синхронные генераторы (СГ) 
Появление переменного тока решало проблему передачи электроэнер- 
гии на большие расстояния путём повышения напряжения с помощью транс- 
форматоров. Но теперь встал вопрос о создании генераторов переменного  
тока.  
Впервые идею вращающегося электромагнитного поля высказал Д. Араго 
в 1821 г. Принцип получения переменного тока продемонстрирован на рис. 1.9. 
В данном случае, в отличие от ГПТ, индуктором является подвижная часть машины (ротор). 
В 1885 г. Г. Феррарис предложил использовать двухфазный ток (систему двух переменных 
токов, сдвинутых по фазе на 90ƒ), который дает 
возможность получить «вращающееся магнитное 
поле», и построил двигатель переменного тока. 
В 1896 Н. Тесла удалось построить систему 
из двухфазного генератора, трансформатора и 
двигателя (рис. 1.10). Она была использована на 
Ниагарской гидростанции в США, система требовала четыре провода для передачи электроэнергии. 
Рис. 1.9. Принцип  
генерирования переменного 
тока 
10