Электрическое оборудование

Глава 1.
Элекрооборудование
элекотехнологических установок
1.1. Общие свеения об электротехнологических установках
Элекротехнологическими называются установки, в которых электриче
ская энергия преобразуется в другие виды энергии с одновременным вы
полнением технологического процесса.
Развитию электротехнолоrии способствует развивающаяся энергетика,
создание новых источников энергоснабжения, сооружение мощных линий
электропередачи и др.
Совершенствование ее влечет за собой создание материалов, обладаю
щих новыми свойствами: высокой прочностью, термостойкостью, устойчи
востью к действию агрессивных сред и т.п.
Созданы принципиаьно новые устройства, разработаны качественно
новые принципы конструирования и изготовления электронных микросхем.
Электротехнологические установки имеют результирующее действие на
обрабатываемый материал: от элекрического тока, от электрических и маг
нитных полей.
Это действие при технологическом процессе зависит от состояния ве
щества изделия. Вещество может находиться в чеырех агрегатных состоя
ниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном.
Твердое состояние имеют проводники, полупроводники и диэлектрики,
металлы и неметаллы, кристаллические и аморфные вещества.
Жидкое состояние у расплавленных металлов, солей, щелочей, оксидов,
минераьных и органичных диэлекриков, жидких кристаллов (особая раз
новидность).
Газообразное состояние имеют сложные акивные вещества, создающие
в обычных условиях соединения - целевой продукт.
Плазменное состояние имеют вещества в элекропроводной среде,
обеспечивающие процессы на ионном уровне, и способные быть источни
ком лучистой энергии и средством нагрева.
При комплексном воздействии на любое вещество можно получить
много различных технологических операций.
К таким операциям относятся: изменение температуры, формы, струк
тры, состава, свойств вещества и т.д.
По характеру действия на обрабатываемое вещество все электротехно
логические установки условно делятся на элекрмические, элекрохи
мические, элекромеханические и элекрокинетические.
Классификация электротехнолоrических установок представлена на
рис. · 1. 1-1.
6

1.2. Электротермические установки
В осно�е работы установок этой группы лежит нагрев изделий и мате
риалов с помощью электической энергии (ЭЭ).
Преобразование ЭЭ в тепло, а значит и нагрев, возможны следующими
способами:
- Нагрев сопротивлением происходит за счет выделения теплоты в
проводящем материале при протекании по нему электрического тока.
Эот ви нагева основан на законе Джоуля-Ленца и применяеся в
установках прямого и косвенного действия. В ·установках прямого
действия теплота выделяется непосредственно в нагреваемом изделии.
В установках косвенного действия тепловая энергия выделяется в спе
циаьных нагревательных элементах (НЭ) и затем передается в нагре
ваемый объек. В обоих случах нагреваемый объект может быть в
твердом, жидком или газообразном состоянии.
- Индукционный нагрев происходит за счет преобразования энергии
электромагнитного поля в тепловую посредством наведения в нагре
ваемом теле вихревых токов." Этот вид нагрева основан на законе
Джоуля-Ленца и применяется в установках прямого и косвенного дей
ствия.
- Дуговой нагрев происходит за счет теплоты элекрической дуги, воз
никающей меж электродами. Применяется в установках прямого !
косвенного действия.
Приечание - Это основные способы, которые в дальнейшем буд
рассмотрены более подробно на примере установок и
реrуляторов.
- Диэлекрический нагрев происходит за счет сквозных токов прово
димости и смещения при поляризации. В этом случае полупроводник
или непроводящий материал помещают в высокочастотное элекиче
ское поле.
- Электронно- или ионнолучевой нагрев происходит за счет тпло
вой энергии, возникающей при столкновении быстродвижущихся
элекронов или ионов, ускоренных электрическим полем, с поверхно
стью нагреваемого объекта.
- Плазменный нагрев основан на нагреве газа за счет пропускания его
через дговой разряд или высокочастотное поле (электромагнитное
или электрическое). Полученная таким образом низкотемпературная
плазма используется дя нагрева различных сред.
- Лазерный нагрев происходит за счет поглощения высококонцентри
рованных потоков световой энергии поверхностью нагреваемых объ
еков. Такие потоки энергии получают в лазерах - оптических кван
товых генераторах.

1.2.1. Электроустановки нагрева сопротивлением
Принцип действия таких установок основан на законе Доуля-Ленца.
Количество теплоты, выделяющейся в проводнике, при прохожении по
нему электрического тока зависит от сопротивления проводника, электриче
ского тока в цепи, времени его прохожения
Q=l2Rt, P=U2S/(p/),
где Q - количество выделяющейся теплоты, Дж; 1- ток, А; R - сопротив
ление, Ом; t - время, с; Р - мощность, выделяющаяся в проводнике, Вт;
И- напряжение, В; S - площадь сечения, м2; р - удельное сопротивление
проводника, Ом · м; / - дина проводника, м.
Источником теплоты в установках являются нагреватеьные элемен
ты (НЭ).
Выбор материала и конструкции НЭ определяется особенностями тех
нологического процесса и конструкции установки.
По температурным пределам работы НЭ подраделяют на 3 группы:
- низкотемператрные, нагрев до 23030 °С;
- среднетмператрные, нагрев до 630-1030 °С;
- высокотемператрные, нагрев до 2230-3030 °С.
Дя изготовления НЭ с рабочей температурой до 1230 °С наиболее рас
пространенным материалом являются
• нихромы- сплав никеля (75.78 %) и хрома (около 25 %);
• фехраи- сплав железа (73 %), хрома (13 %), аюминия ( 4 %);
• хромоникелевые жаропрочные стали- сплав железа (до 61 ·%), хрома
(22-27 %), никеля (17-20 %).
Дя высокотемпературных НЭ наиболее распространены карборунды
(спекание кремнезема и угля- SiC), керамика, графит, тгоплавкие мета
лы (молибден, тантал, вольфрам) и др.
По форме среднетемператрные НЭ выполняются в виде зигзагов (про
волочных и ленточных) или спираей, а высокотемпературные - в виде
стержней круглого или квадратного сечения и труб.
Дя низкотемператрного нагрева широко применяются трубчатые
электронагреватели - ТЭНы.
ТЭН nредставляет собой металическую трубку, заполненную тепло
проводным электроизоляционным материалом, в которой находится элек
тронагревательная спираь.
ТЭНы электробезопасны, могут работать в любой среде, стойки к виб
рациям.
Мощность до 15 кВт, напряжение до 380 В, ресурс до 40 тыс. ч, рабочая
температра до 730 °С.
Примерами электроустановок нагрева сопротивлением являются: элек
трические печи сопротивения (ЭПС) и различные нагревательные устрой
ства, обеспечивающие технологические процессы производства.

ЭПС применяются для технологических операций в машиностроении,
металлургии, легкой промышленности и т. п.
По исполнению печи выпускаются косвенного и прямого действия, по
назначению - нагревательные и плавильные, по режиму работы - перио
дически и непрерывно действующие.
По конструкции:
• периодического действия - колпаковые, элеваторные, камерные,
шахтные;
• непрерывного действия - конвейерные, толкательные, протяжные.
ЭПС для плавки металлов. Предназначены для выплавки олова, свин
ца, цинка и других металов с температрой плавления до 530 °С.
По конструктивному исполнению такие печи делят на тигельные и ка
мерные (или ванные).
Тигельна ЭПС представляет собой металический сосуд - тигель, по
мещенный в цилиндрический корпус, выполненный из огнеупорного мате
риала (футеровка). НЭ расположены на футеровке снаружи тигля. КПД печи
50-55 %, удельный расход ЭЭ при плавке аюминия 700-750 кВт· ч/кr.
Каерна ЭПС предназначена дя переплавки алюминия на слитки. Она
имеет больший объем, КПД до 60-65 %, удельный расход ЭЭ составляет
600-650 кВт· ч/кг.
Во всех типах ЭПС возможен внуrенний и внешний обогрев.
При внутреннем обогреве нагреватели ТЭНы размещены в расплавлен
ном металле и работают при температре не выше 570 °С.
При внешнем расположении открытых высокотемпературных нагрева
телей можно получить температуру в рабочем пространстве печи до 930 °С.
Элекрооборудование и реглирование параметров ЭПС
Мощность современных ЭПС колеблется от сотен ват до нескольких
мегават.
Печи мощностью более 20 кВт выполняются трехфазными при равно
мерном распределении нагрузки по фазам и подключаются к сетям 220, 380,
660 В непосредственно или через печные трансформаторы (или автотранс
форматоры).
Применяемое в ЭПС ЭО вкючает 3 группы: силовое ЭО, аппаратура управления и контрольно-измерительная (КИП).
к силовому эо относятся
- силовые понижающие трансформаторы и регулировочные авто
трансформаторы (АТ),
- силовые элекроприводы (ЭП) вспомогательных механизмов,
- силовая коммутационная и защитная аппаратура.
К аппаратре управления относятся комплектные станции управления
с коммутационной аппаратрой.

К КИ относятся приборы (устройства) контроля, измерения и сигна
лизации. Обычно вынесены на щит.
ЭПС, получающие сеевое питание, значительно проще, так как не ну
ждаются в силовых трансформаорах.
Регулировочные трансформаторы и АТ целесообразно применять, когда
печь выполнена с НЭ, меняющими свое сопротивление в зависимости от
температры (вольфрамовые, графитовые, молибденовые), для питания со
ляных ванн и установок прямого нагрева.
Все промышленные печи сопротивления работают в режиме автомати
ческого регулирования температры. Регулирование рабочей температуры в
ЭПС производится изменением подводимой мощности.
Регулирование подводимой к печи мощности может быть дискретным и
непрерывным.
При дискретном регулировании возможны следующие способы:
- периодическое подкючение и отключение ЭПС к сети (двухпозици
онное регулирование);
- перекючение НЭ печи со «звезды» на «треугольнию, либо с последо
вательного соединения на параллельное (трехпозиционное регулиро
вание).
Наибольшее распространение получило двухпозиционное регулирова
ние, так как способ прост и позволяет автоматизировать процесс.

Функциональная схема двухпозиционного дискреrного регулятора тем
ператры ЭПС состоит из следующих основных элементов:
• ПТК - прибор теплоконтроля, для обработки входного сигнала и вы
дачи исполнительного;
11

• В - выключатель севой, д подкючения (отключения) ЭПС к се;
• КВ - катшка выкючателя.
Рядом покааны графики изменения температры в печи (Тэпс), темпе
ратры изделия (Ти и потебляемой мощности (Рпо),
Принцип действия состоит в следующем: в рабочем пространстве ЭПС
температра контролируется да�иком температры (термопара, термометр
сопрения ии фотоэлемент), сигна, с которого пос,пае на вход ПТК.
ПТК вырабатывает сигнал в зависимости от отклонения факической темпе
ратры от заданной (Тц) и выдает его на катшку выкючателя. При дости
жении Тщ + дТ выключатель В откючится. За счет поглощения теплоты
нагреваемым телом и потерь в окружающее простанство температра сни
жается. При достижении Тщ - дТ выключатель В включится.
За счет повторения таких циков изделие прогревается и выдерживается
при заданной температре в течение времени (t), определяемом технологи
ческим процессом.
Такое регулирование называется дискретным в �оне нечвствительно
сти реглтора. Точность подержания заданной температуры не ниже± 1 %.
При техпозиционном регулировании подводимая к печи мощность из
меняется при переключении нагревателей со «звезды» на «треугольник».
Такое регулирование позволяе снизить мощность, потребляемую из сети.
С энергетической тчки зрения такой способ реглирования достаточно
эффекивен, поскольку при нем не оказывается вредного влияния на пи
тающю сеть (не происходит отключения ЭПС от сети).
При непрерывно регулировании изменяется подводимое напряжение.
Это достигается несколькими способами, но самый эффектный из всех -
импульсное регулирование с использованием тиристорных регуляторов.
Процесс импульсного регулирования мощности печи представлен на
рис. 1.2-2.
Периодичность работы тиристоров выбирают в зависимости от тепло
вой инерционности ЭПС.
Выделяют три основных способа импульсного регулирования:
- импульсное реглирование при частоте коммутацииf = 2/ (где/ -
частот тока питающей сети) с изменением момента отпирания тири
стора называется фазоимпулъсным или фазовым (кривые I);
- импульсное ргулирование с повышенной частотой коммуации f 2
(кривые 2);
- импульсное реглирование с пониженной частотой коммутацииf (кривые 3).
Путем импульсного регулирования можно получить плавное регулиро
вание мощности в широких пределах без дополнительных потерь, обеспечи
вая соответствие потребляемой печью и подводимой из сети мощностей.
Приечание - ПТК непрерывного регулятора, в отличие от ПТК двух
позиционного регулятора, имеет потенциометрический
элемент (ПЭ).