Режимы работы электроприемников

Для силовых электроприемников различают три основных режима работы, характерных для большинства электроприемников (ЭП) промышленных предприятий: длительный (продолжительный), кратковременный и повторно-кратковременный.

В режиме с продолжительной неизменной или мало меняющейся нагрузкой электрическая машина или аппарат может работать продолжительное время без повышения температуры отдельных частей машины или аппарата свыше допустимой, т.е. устанавливается определенная температура электроприемника, но не выше установившейся τ_уст (рисунок 4.1).

τ_{уст ---------------------------------------------}

τ_{окр.ср 0}

Т₀

Рисунок 4.1 ­

Примерами электроприемников, работающих в этом режиме, являются электродвигатели компрессоров, насосов, вентиляторов, преобразователей, механизмы непрерывного транспорта, нагревательные печи, осветительные приборы и т.п.

На рисунке 4.1 представлен характер изменения нагрузки Р и кривой нагрева τ при работе электроприемника в продолжительном режиме. После включения ЭП в сеть температура его и сети начинает повышаться. Если бы отсутствовала отдача теплоты в окружающую среду, то температура элементов сети непрерывно повышалась бы. В результате происходящего одновременно процесса охлаждения наступает тепловое равновесие, при котором температура ЭП и элементов его сети становится установившейся. Практически установившейся температурой называется температура, изменение которой в течение 1 ч не превышает 1 ⁰С при условии, что нагрузка сети и температура охлаждающей среды остаются практически неизменными.

В соответствии с рисунком 4.1 температуру электроустановки при продолжительном режиме работы можно считать уже практически установившейся через промежуток времени 3Т₀, где Т₀ – постоянная времени нагрева, с. Постоянная времени нагрева - это время, в течение которого температура ЭП и проводника электрической сети достигла бы установившегося значения τ_уст, если бы отсутствовала отдача тепла в окружающую среду. Графически постоянную времени нагрева можно получить, если построить касательную к кривой нагрева в точке 0 до пересечения со значением τ_уст. Отрезок, обозначенный на рисунке 4.1 как Т₀, и есть постоянная времени нагрева. В электрических сетях промышленных предприятий используются проводники таких марок и сечений, для которых постоянная времени нагрева Т₀, как правило, равна 10 мин. Следовательно, проводник электрической сети достигнет установившейся температуры за 3·10 = 30 мин. Этот 30-минутный промежуток времени используется в качестве расчетной времени при определении электрических нагрузок, методы расчета которых описаны в п.п. 4.5.

При выборе электроустановок по нагреву необходимо, чтобы фактически установившееся значение превышения температуры τ_уст над температурой окружающей среды τ_окр.ср соответствовало допустимому значению τ_доп. При этом условии обеспечивается безаварийная работа электроустановок. Поэтому в паспорте ЭП, трансформаторов генераторов электрических станций указывается значение номинальной (установленной) мощности, которая гарантирует сохранность их изоляции от перегрева. Для проводников электрической сети в ПУЭ приводятся значения длительно допустимых токов, при которых гарантируется сохранность изоляции проводников.

Электроприемники, работающие в режиме кратковременной нагрузки, характеризуются тем, что их рабочий период не настолько длителен, чтобы температура отдельных частей машины или аппарата могла бы достигнуть установившегося значения (рисунок 4.2), а период остановки машины или аппарата настолько длителен, что машина практически успевает охладиться до температуры окружающей среды τ_окр.ср.

t,°C

τ_{уст ----------------------------------------------}

τ_окр.ср

t₁ t₂ t₃ t₄ t₁ t₂ t₃ t₄

Рисунок 4.2 ­

Примерами данной группы электроприемников являются электродвигатели электроприводов вспомогательных механизмов металлорежущих станков (механизмы подъема поперечины, зажимы колонн, двигатели быстрого перемещения суппортов и др.), а также механизмы для открывания задвижек, фрамуг, гидравлических затворов, всякого рода заслонок и т.п.;

Электроприемники, работающие в режиме повторно-кратковременной (ПКР) нагрузки (рисунок 4.3), характеризуются кратковременными рабочими периодами длительностью t_в и кратковременными периодами отключения продолжительностью t_п. При этом рабочие периоды не настолько длительны, чтобы превышение температуры нагрева электроустановок над температурой окружающей среды могло бы быстро достигнуть установившегося значения температуры, а во время пауз электроустановка не успевает охладиться до температуры окружающей среды. В повторно-кратковременном режиме электрическая машина или аппарат может работать с допустимой для них относительной продолжительностью включения неограниченное время, причем, превышение температур отдельных частей машины или аппарата не выйдет за пределы допустимых значений.

τ_уст ---------------------------

t_п t_п

τ_окр.ср

t₁ t₂ t₃ t₄ t₅ t₆ t₁ t₂ t₃ t₄ t₅ t₆

Рисунок 4.3­

Примерами этой группы приемников являются электродвигатели подъемно-транспортных устройств (например, кранов), электросварочные аппараты, приводы прокатных станов и др.

Электроприемники повторно-кратковременного режима работы характеризуются относительной продолжительностью включения (ПВ) и длительностью цикла t_ц:

ПВ = ПВ ≤ 1.

Как правило, ПВ определяют в процентах, т.е. ПВ% = ПВ∙100%. Установлены четыре стандартных значения ПВ, на которые выпускается электрооборудование: 15, 25, 40, 60%. Для приемников ПКР длительность каждого цикла работы не превышает 10 мин.

Значение ПВ = 1 (или 100%) соответствует длительному режиму.

Номинальная (установленная) мощность электроприемников длительного режима представляет собой паспортную мощность, обозначенную на заводской табличке. Она является достоверной исходной величиной для расчета электрических нагрузок, так как она обычно известна.

Паспортная мощность р_пасп электроприемников с ПКР приводится к номинальной длительной мощности (при ПВ = 1 или 100%):

- для электродвигателей

р_ном = р_пасп,

- для трансформаторов сварочных машин и трансформаторов ручной сварки

Р_ном= S_пасп. cosj_пасп .

Применительно к агрегатам с многодвигательным приводом, кроме крановых установок, под термином «приемник электроэнергии» следует понимать весь агрегат в целом, а под его номинальной мощностью – сумму номинальных мощностей всех двигателей агрегата, приведенных к ПВ = 100%.

Для крановых установок под термином «приемник электроэнергии» следует иметь в виду электропривод каждого механизма, включая приводимые двумя двигателями, мощности которых складываются.

Пример 4.1. В электромеханическом цехе установлены следующие электроприемники с номинальными параметрами:

- кран мостовой с ПВ-40%: Р_ном=5,5+1,5+0,4=7,4 кВт, ;

- трансформатор сварочный с ПВ-40%: Р_ном=30 кВА, ;

- сварочный выпрямитель: Р_ном=18 кВА, ;

- преобразователь сварочный с ПВ-60%: Р_ном=5,5 кВт, .

Определить их номинальные мощности Р_ном, приведенные к ПВ=100%.

Для мостового крана:

кВт;

для сварочного трансформатора:

кВт;

для сварочного выпрямителя:

кВт;

для сварочного преобразователя:

кВт.

Различают следующие типы длительных режимов работы приемников электроэнергии: периодические; циклические; нециклические; нерегулярные.

Первый тип отвечает строго ритмичному процессу с периодом t_ц. Например производство поточное или автоматизированное по жесткой программе.

Второй тип отвечает случаю непоточного и неавтоматизированного, но цикличного производства. Здесь периодичность нарушена в основном из-за непостоянства длительностей пауз t_п отдельных циклов, однако продолжительность рабочих интервалов t_р цикла и характер соответствующих участков графиков нагрузки остаются практически неизменными. Поэтому здесь можно говорить о средней длительности одного цикла t_ср.ц.

Третий тип отвечает тому случаю, когда выполняемые агрегатом повторяющиеся опеации строго не регламентированы, вследствие чего характер графика существенно изменяется и на рабочих участках. Однако нециклический график, подобно периодическому и цикличному, характеризуется стабильностью потребления электроэнергии за среднее время цикла.

Четвертый тип отвечает нерегулярному режиму работы, когда условие стабильности потребления электроэнергии уже не соблюдается. Это означает, что технологический процесс имеет неустановившийся характер.

4.3 Графики электрических нагрузок элементов систем электроснабжения

Правильное определение ожидаемых электрических нагрузок и обеспечение необходимой степени бесперебойности (надежности) их питания имеют большое народнохозяйственное значение. Завышение ожидаемых нагрузок влечет за собой перерасход проводникового материала во всей электросети, недоиспользование средств, вложенных в избыточную мощность электрооборудования. Занижение ожидаемых нагрузок влечет за собой излишние потери мощности в сетях, перегреву, повышенному износу и сокращению срока службы электрооборудования, т.е. снижению надежности электроснабжения. Поэтому при проектировании необходимо точнее определять ожидаемые электрические нагрузки. Однако вследствие недостаточной полноты информации обо всех многочисленных случайных факторах, формирующие нагрузки, последние не могут быть определены с высокой точностью. Необходимо также учитывать неравномерность электрических нагрузок по часам суток, по дням недели, по сезонам года. Следовательно, при определении ожидаемой потребляемой мощности необходимо анализировать графики нагрузок.

Графиком нагрузки называется кривая, показывающая изменение нагрузки за определенный промежуток времени. По роду нагрузки различают графики активной мощности (P), реактивной (Q) и полной (S) мощностей, потребляемых в процессе работы. При расчетах удобнее пользоваться графиками активной нагрузки Р(t).

Графики нагрузок дают наглядное представление о потребляемой мощности электроустановками в течение заданного промежутка времени. По длительности рассматриваемого промежутка времени графики различают за смену, за сутки, за месяц, за квартал, за год.

Графики нагрузок подразделяют на индивидуальные – для отдельных приемников электроэнергии (рисунок 4.4), и на групповые – для группы приемников электроэнергии.

а) б)

а – снят с помощью регистрирующего прибора; б – снят по показаниям счетчика

Рисунок 4.4 – Индивидуальные графики активной нагрузки.

Индивидуальные графики необходимы для определения нагрузок мощных приемников электроэнергии (электрических печей, преобразовательных агрегатов главных приводов прокатных станов и т.п.). Характер и форма индивидуального графика нагрузки электроприемника определяются технологическим процессом.

Индивидуальные графики энергоемких электроприемников с резкопеременной, толчковой нагрузкой необходимы для выбора электрических сетей этих ЭП, расчета отклонений и колебаний напряжения и мероприятий по улучшению качества электроэнергии.

При проектировании систем электроснабжения предприятий используют, как правило, групповые графики нагрузок (графики нескольких электроприемников, графики нагрузок цеха, графики нагрузок предприятия в целом). Групповой график представляет собой результат суммирования графиков отдельных электроприемников, входящих в группу (рисунок 4.5).

Обычно для анализа показателей нагрузки применяют групповые графики нагрузок за наиболее загруженную смену, т.е. за смену, характеризуемую наибольшим потреблением электроэнергии. На графике (рисунок 4.6) изменения активной нагрузки Р(Т) показаны значения, которые требуется определять для расчетов систем электроснабжения: средняя нагрузка за смену Р_см, средняя квадратичная нагрузка Р_с.к., пиковая нагрузка Р_пик, максимальная нагрузка 30-минутной продолжительности Р_30’.

Средняя нагрузка Р_см – это нагрузка, работая с которой в течение какого-либо промежутка времени (смена, сутки, год), электроприемник потреблял бы то же количество электроэнергии, которое он потребляет в действительности при неравномерной нагрузке. Эту нагрузку легко определить по показаниям счетчика за время Т.

Р_см = ; Q_см = ; I_см = ,

где W_а, W_р – соответственно активная и реактивная энергия за время смены Т_см.

1, 2, 3 – индивидуальные графики активной нагрузки соответственно р1(t), р2(t), р3(t); 4 – групповой график активной нагрузки Р(Т) = р1(t) + р2(t) + р3(t)   Рисунок 4.5 – Групповой и индивидуальные графики активной нагрузки

Рисунок 4.6 – Групповой график за наиболее загруженную смену

Среднеквадратичную нагрузку Р_ск можно определить из ступенчатого графика за интервал времени Т по выражению:

Р_ск = ,

где Р_1, Р_2, Р_n - фактическая нагрузка единичного потребителя 1,2,…, п;

Т₁, Т₂, …Т_n – фактическое время работы потребителя 1,2, …, п.

По Р_ск рассчитываются потери мощности, оценивают эффект снижения потерь мощности в сетях, выбирают элементы электрической сети с нестабильной нагрузкой, например, в сварочных сетях.

Максимальная нагрузка представляет собой наибольшее ее значение из всех значений за заданный промежуток времени (30 мин). Например, – максимальная нагрузка получасовой продолжительности, остальные получасовые интервалы нагрузки за всю смену менее загружены. Эта максимальная нагрузка за 30 мин. называется расчетной нагрузкой и обозначается Р_р, т.е. Р_Р = . По значению этой нагрузки выбирают проводники электрических сетей и аппараты в определенных точках электрической сети промышленного предприятия.

Расчетная нагрузка Р_р, являющаяся максимальной из средних 30-минутных нагрузок наиболее загруженной смены промышленного предприятия, иногда называется получасовым максимумом.

Максимальная кратковременная нагрузка продолжительностью несколько секунд называется пиковой. По пиковой мощности Р_пик проверяют колебания напряжения, выбирают уставки защиты, плавкие вставки предохранителей.

Суточные графики могут быть построены для отдельных звеньев системы электроснабжения (сетей, цеховых и заводских подстанций, отдельных электроустановок), а также для всей энергетической системы или ее части, обеспечивающей электроэнергией отдельный район. Площадь суточного графика представляет собой количество электроэнергии (кВтч), выработанной или потребленной данной установкой за сутки.

Годовой график характеризует изменения расчетной нагрузки отдельных установок или предприятия в целом в течение года (8760 ч) (рисунок 4.7). Площадь годового графика представляет собой количество электроэнергии (кВтч), выработанной или потребленной данной установкой в течение года.

С помощью графиков нагрузки можно определить потребленную или выработанную установкой активную электроэнергию за рассматриваемый период времени (сутки, год):

W_а = Р_it_i,

где Р_i – активная мощность i-й ступени графика, кВт; t_i – продолжительность времени i -й ступени графика, ч.

Годовой график, с достаточной точностью, можно построить по характерным суточным графикам – зимнего (за 22 декабря) и летнего (за 22 июня). На суточных графиках проводятся пунктирные прямые, соответствующие нагрузкам Р₁, Р₂, …, Р_n. Зная количество зимних и летних дней для данного региона можно определить продолжительность действия нагрузок Р₁, Р₂, …, Р_n в течение года. Например, если предположить, что в году 190 зимних дней и 175 летних, тогда

t_{1 =} 190t_1зим + 175 t_1лет;

t₂ = 190t_2зим + 175 t_2лет;

……………………….;

t_n = 190t_nзим + 175 t_nлет,

где t_зим и t_лет – соответственно время действия той или иной нагрузки Р₁, Р₂, …, Р_n по зимнему и летнему суточному графикам нагрузки.

Откладывая соответствующие точки в координатах Р и t, и, соединяя их ломанной кривой, получаем годовой график по продолжительности (рисунок 4.7, а).

а – мощности; б – квадрата тока нагрузки; I_ск – среднеквадратичный ток за время Т_n

Рисунок 4.7 - Годовой график нагрузок по продолжительности

По годовому графику нагрузки можно определить число часов использования максимума нагрузки

Т_м = ,

где W_а – годовой расход активной электроэнергии, кВтч; Р_м – максимальная нагрузка на графике, кВт.

Т_м - годовое число часов использования максимума активной мощности, при котором предприятие, работая с максимальной нагрузкой Р_м, потребляет такое же количество электроэнергии, как и при работе в течение года по действительному графику (по средней годовой нагрузке).

Т_м определяется характером нагрузки потребителей отдельных отраслей промышленности и сменностью работы потребителя. В таблице 4.1 приведены значения Т_м для разных промышленностей.

Если заменить действительный график равным ему по площади прямоугольным графиком с ординатой Р_м и абсциссой Т_м, то получим простейший способ определения годового расхода электроэнергии:

W_a = P_мT_м.

По величинам W_а и Т_м можно определить максимальный ток за рассматриваемый промежуток времени (сутки, год)

.

Тем же методом замены действительного графика прямоугольным можно определить время потерь (рисунок 4.7, б) и потери электроэнергии из выражений

W_а = ; W_p = ,

где I- квадрат максимального тока, который за время по своему действию эквивалентен действию фактического тока за период T_n.

Таблица 4.1 – Годовое число часов использования максимума активной и реактивной нагрузки по отраслям

Предприятие	Годовое число часов использования максимума нагрузки
активной (Тм.а)	реактивной (Тм.р)
Авторемонтные заводы
Автотракторные заводы
Азотно-туковые заводы		-
Анилокрасочные заводы		-
Вагоноремонтные заводы
Заводы подъемно-транспортного оборудования
Заводы станкостроения
Заводы тяжелого машиностроения
Заводы шарикоподшипников
Инструментальные заводы
Металлообрабатывающие заводы
Нефтеперегонные заводы		-
Приборостроение
Сельскохозяйственное машиностроение
Химические заводы
Электротехнические заводы

Зная потери электроэнергии, можно найти соответствующие им потери мощности

Р =; Q =.

Величина – это условное время потерь, т.е. такое число часов, в течение которого электрическая установка, работая с неизменной максимальной нагрузкой,

Рисунок 4.8 – График для определения времени потерь

имеет те же потери мощности и электроэнергии, что и при работе по действительному переменному графику нагрузки. Между временем потерь , временем использования максимума Тм и коэффициентом мощности cos, существует зависимость, установленная в результате анализа электропотребления в различных системах электроснабжения. Зная величины Тм и cos, по кривым зависимости = f(Тм,cos) (рисунок 4.8) находят время потерь, а затем определяют активные и реактивные потери электроэнергии. Время потерь можно определить не только по графику =f(Тм,cos), но и расчетом по эмпирической формуле:

.

В таблице 4.2 приведены значения Т_м и в зависимости от сменности работы предприятия.

Таблица 4.2 – Значения Т_м и в зависимости от сменности работы

Режим работы	Тм	при cos
0,8
Односменный	1500 - 2000	650 - 920	500 - 700
Двухсменный	2500 - 4000	1250 - 2400	950 - 2050
Трехсменный	4500 - 6000	2900 - 4550	2500 - 4000
Непрерывный	6500 - 8000	5200 - 7500	4500 - 7000

По годовому графику нагрузки действующего предприятия можно также определить среднегодовую нагрузку

Р_сг = ,

где W_а – годовой расход активной электроэнергии, кВтч; Т_г - годовой фонд рабочего времени предприятия или электроустановки.

Т_г = (365 - m)nТ_смК_р - Т_пр,

где m – число нерабочих дней в году; n – число смен; Т_см - продолжительность смены, ч; К_р – коэффициент, учитывающий время ремонта и другие простои, принимаемый равным 0,96÷0,98; Т_пр – годовое число часов, на которое сокращена продолжительность работы в предвыходные (предпраздничные) дни.

Годовую продолжительность работы предприятия, за исключением цехов с непрерывным производством, в зависимости от числа и продолжительности смен можно принимать по данным таблицы 4.3.

Таблица 4.3 - Годовое число часов работы предприятия

Продолжительность смены, ч	Годовое число часов работы при числе смен, ч
одна	две	три

Для предприятий и цехов с непрерывным производством годовое число часов соответственно увеличивается и можно принимать равным 7900÷8200 ч.

На рисунке 4.9 приведены типовые графики электрических нагрузок для некоторых отраслей промышленности, построенные на основании анализа эксплуатационных данных по ряду предприятий отрасли. Действительные графики нагрузок отдельных промышленных предприятий, естественно, отличаются от приведенных типовых, так как учитывают время начала и конца отдельных смен, начало и длительность обеденных перерывов, величину колебаний нагрузки на отдельных типичных установках и др.

а – угледобычи; б – нефтепереработки; в – торфоразработки; г, д - черной и цветной

металлургии; е - химии; ж – тяжелого машиностроения; з – ремонтно-механических заводов

Рисунок 4.9 – Характерные суточные графики электрических нагрузок предприятий различных отраслей промышленности

Для ориентировочных расчетов и экономичной эксплуатации электрооборудования источников питания и сетей можно пользоваться типовыми суточными и годовыми графиками нагрузок, характерными для некоторых отраслей промышленности. Эти графики показывают характер изменения нагрузок, свойственный предприятию данной отрасли промышленности, зная который можно в процессе эксплуатации осуществлять наиболее экономичный режим работы электроустановок, подготавливать остановку нужного количества агрегатов источника питания при снижении нагрузок или, наоборот, вводить резервные агрегаты при увеличении потребления электрической энергии, планировать сроки ремонта электрооборудования, определять количество потребленной электроэнергии и др.

Дата добавления: 2014-01-07