Синхронная машина (генератор, двигатель)

На всех электрических станциях во всех странах применяются исключительно синхронные генераторы, мощность которых составляет до миллиона кВт.

Принцип работы: на роторе располагается обмотка, питаемая через кольца и щетки (скользящий контакт) от источника постоянного тока (электромашинный генератор постоянного тока или выпрямительная кремниевая установка). Магнитное поле ротора, вращаясь вместе с ротором от турбины, наводит в трехфазной обмотке статора 3-фазную систему ЭДС.

В режиме х.х. (статорная обмотка отсоединена от сети), когда механический момент турбины близок к нулю, в неё почти не подается энергоноситель (подается минимум – на преодоление потерь х.х.) – ток в фазах равен нулю. Если же статорную обмотку подсоединить к электроэнергетической системе, а в турбину подать энергоноситель, то будет происходить преобразование механической энергии турбины в электрическую энергию.

Для работы генератора при заданной частоте 50 Гц должен соблюдаться баланс: энергия турбины равна энергии потребления. При нарушении баланса частота будет отклоняться от заданного значения.

Синхронный двигатель имеет значительное применение на промышленных предприятиях (в частности, для привода компрессоров мощностью до нескольких тыс. кВт). На Ново-Липецком Ново-метал­лургическом комбинате работают синхронные двигатели мощностью по 30 тыс. кВт – для привода воздуходувок, подающих воздух на домну.

Электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. они могут использоваться и как генераторы, и как двигатели. Пример – гидроаккумулирующие станции. В период максимума нагрузки в системе машины работают как генераторы, вода вращает турбины, перетекая из верхнего уровня в нижний. В период же, когда в системе имеет место излишек генерирующих мощностей, машины переводятся в режим двигателей и перекачивают воду из нижнего уровня на верхний, запасая энергию в виде напора воды.

Принцип работы синхронного двигателя. Если на 3-фазную обмотку статора подать питание от сети, а на обмотку ротора (обмотка возбуждения) подать постоянное напряжение и при этом на валу не будет механической нагрузки (тормозного момента), машина будет работать в режиме х.х., ротор будет вращаться со скоростью, соответствующей частоте питающей сети.

Если же к валу приложить тормозящий момент, то в обмотке статора возникнет ток и крутящий электромагнитный момент, равный тормозящему механическому моменту; скорость будет синхронной, т. е. соответствовать частоте питающей сети. Если недопустимо перегрузить машину, то синхронная работа ротора нарушается, наступит аварийный режим.

Как видим, в синхронном двигателе происходит преобразование электрической энергии, получаемой от сети, в механическую энергию на валу.

Электрические печи

Дуговые сталеплавильные печи (ДСП). Самый мощный потребитель электроэнергии из всех известных – до 100 тыс. кВт.

В печь (рис. 5) опускаются три графитовых электрода (три фазы). Между фазами, между каждой фазой и шихтой возникает электрическая дуга – плавится сталь.

Рис. 5. Дуговая сталеплавильная печь

1 – стальной кожух; 2 – огнеупорная футеровка; 3 – свод печи; 4 – электроды; 5 – механизм подъема электродов; 6 – дуга

Дальнейшее улучшение качества металла, полученного в ДСП, достигается его переплавкой в вакуумной дуговой печи (ВДП), в результате чего уменьшается содержание вредных примесей и растворенных газов.

Электрические печи сопротивления. Выделение тепла происходит при прохождении электрического тока по проводнику с высоким удельным сопротивлением (нихром, фехраль и др.). Выделяемая мощность определяется по формуле

,

где – напряжение;

– ток;

– сопротивление проводника.

На этом принципе работают утюг, электроплитка.

В промышленности применяются печи сопротивления мощностью порядка десятков кВт.

Индукционные электрические печи (НЭВЗ).Принцип работы таких печей поясняется на рис. 6. Обмотка, расположенная на стальном цилиндре, питается переменным током частотой 50 Гц. Создается переменное магнитное поле, проходящее по стальной стенке и замыкающееся по воздуху. В стальной стенке возникают вихревые токи, выделяется теплота, которая через пространство печи направляется к нагреваемому изделию. Мощность печей – до 100 кВт.

Рис. 6. Индукционная электрическая печь

Другой тип индукционной печи: переменное магнитное поле пронизывает среду, которую надо расплавить (например, алюминий). Непосредственно в этой среде возникают вихревые токи и выделяется тепло. Мощность печей порядка нескольких сот кВт. Во всех печах происходит преобразование электрической энергии в тепловую.

Этот тип печей применяется на Ростовском вертолетном заводе.

Печи графитации. В промышленности широко применяются разного рода графитовые изделия: электроды для ДСП; плиты для облицовки емкостей с химически агрессивными средами; накладки для токосъемных устройств.

Для получения необходимой структуры графит должен подвергаться графитации – длительной выдержке при температуре 1830 °С. Нагрев производится электрическим током. Применяются два типа печей: на переменном и постоянном токах.

Внутреннее пространство печи, ограниченное изнутри огнеупорным материалом – шамотом, а снаружи – железобетонными плитами, заполняется заготовками графитовых изделий и засыпкой из кокса. Через эту сплошную массу из графита и кокса пропускается электрический ток (порядка 10 тыс. ампер) и выделяется тепло.

Такой тип печей применяется на Новочеркасском электродном заводе.

3.4. Технологические процессы, основанные
на применении электрической энергии

Электрошлаковые установки. Использование явления разогрева расплава соединений шлака до 2000 – 2300 К проходящим по нему током легло в основу высокоэффективных технологических процессов электрошлакового переплава (ЭШП) и электрошлаковой сварки (ЭШС). Эти процессы разработаны в институте электросварки им. Е.С. Патона АН УССР и в значительной мере усилиями этого института распространены во многих странах.

Сущность ЭШП состоит в следующем (рис. 7). Расходуемый электрод из переплавляемого металла 1 погружается в слой электропроводного шлака 2, находящегося в водоохлаждаемом кристаллизаторе 3, закрытом водоохлаждаемым поддоном 4. Электрический ток протекает между электродом и поддоном через шлак, который имеет высокое электрическое сопротивление и интенсивно разогревается по закону Джоуля–Ленца. Находящийся в расплаве шлака торец электрода расплавляется, и капли металла, стекающие с электрода, проходят через шлак, где дополнительно разогреваются, очищаются от нежелательных примесей и собираются на дне кристаллизатора в виде слитка. В результате отвода теплоты в поддон и стенки кристаллизатора скапливающийся металл застывает в виде слитка 5, в верхней части которого находится ванна расплавленного металла 6. По мере оплавления электрод подается вниз. Между стенкой кристаллизатора и слитком образуется слой гарнисажа 7.

Рис. 7. Установка электрошлакового переплава

Электролизные установки питаются от источника постоянного тока (кремниевые выпрямители, питаемые переменным током). Явления выделения вещества на электродах при прохождении через электролит тока, а также процессы окисления или восстановления на электродах, сопровождающиеся приобретением или потерей частицами вещества электронов, называются электролизом. Эти процессы применяются при производстве меди, цинка, алюминия; при нанесении покрытий (никелирование, хромирование, оцинковка, кадмирование).

Мощность установок – до десятков тысяч кВт.

Установки диэлектрического нагрева.Материалы, обладающие диэлектрическими свойствами (например, пищевые продукты, электроизоляционные материалы), подвергаются действию электрического поля высокой или сверхвысокой частоты (выше 1000 МГц). Под действием поля связанные электрические заряды (электроны, ионы, дипольные молекулы) совершают ограниченные перемещения или деформируются; при этом выделяется тепло.

Пример. В домашних условиях применяются СВЧ-установки для приготовления пищи.

Плазменный нагрев. За последние 40–45 лет широкое применение в промышленности получили плазменные технологические процессы и установки. Плазма – это состояние вещества (наряду с твердым, жидким и газообразным состояниями), когда оно состоит из свободных электронов и ионов. Пример низкотемпературной плазмы – электрическая дуга (температура 3–4 тыс. К).

С использованием плазменной технологии созданы новые материалы, обладающие особо высокими показателями – огнеупорностью, твердостью, прочностью. Создан ряд новых технологических процессов. Приведем примеры.

Плазмотрон мощностью 100 кВт режет стальную плиту толщиной 30 мм со скоростью 4 метра в минуту. Такие установки впервые разработаны в СССР. Точность резки – высокая; благодаря чему сводятся к минимуму подгоночные работы при сборке. При изготовлении атомных реакторов толщина стальной плиты достигает 230 мм – здесь также применяется плазменная резка. Плазменная сварка обеспечивает высококачественное соединение деталей из меди, латуни, бронзы, алюминия и его сплавов. Широко применяются плазменные наплавки и напыление.

Установки электронно-лучевого нагрева.Электронный луч – это направленный поток электронов, переносящий энергию от излучателя электронов к изделию. Электронно-лучевой нагрев применяется для обработки тугоплавких и химически активных металлов, сварки, испарения металлов и оксидов, выращивания монокристаллов, металлизации и напыления и т. д.

Технологическими преимуществами электронно-лучевого нагрева являются:

- возможность в широких пределах плавно изменять удельную энергию в зоне нагрева;

- большая удельная мощность (до нескольких МВТ);

- возможность управления пространственным положением луча с помощью магнитной системы;

- возможность использования вакуума как рабочей среды;

- возможность получения точной зоны действия электронного луча.

Лазеры. Открыты и разработаны одновременно в СССР и в США в 50‑х гг.; Нобелевские премии присуждены американскому физику Тауницу и советским академикам Басову и Прохорову.

Лазеры нашли широкое применение в промышленности, медицине, военной технике, информационной технике. Ими обрабатывают материалы практически любой твердости, металлы, алмазы, рубины и т. д. Лазерная резка широко применяется в электронной и микроэлектронной промышленности, при производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Лазерная сварка наиболее эффективна в микроэлектронике.

Лазерное излучение абсолютно стерильно, поэтому оно используется в медицине для глазных операций, при остановке кровотечения, для предпосевной обработки семян.

Электроэрозийная обработка металлов. Основана на эффекте расплавления и испарения микропорций материала под тепловым воздействием импульсов электрической энергии, которая выделяется в канале электроискрового разряда между поверхностью обрабатываемой детали и электродом – инструментом.

Электроэрозийный способ позволяет обрабатывать токопроводящие материалы любой механической прочности, вязкости, хрупкости, получать детали сложных форм и осуществлять такие операции, которые не могут быть выполнены другими методами.

Электрогидравлическая обработка материалов основана на эффекте Юткина. Электрогидравлический эффект – это возникновение высокого давления в результате высоковольтного электрического разряда между погруженными в непроводящую жидкость электродами. За счет энергии импульсной ударной волны, распространяемой вокруг канала разряда в рабочей среде, возникает давление до 300 МН/м² (3000 атм).

Технологическое использование: очистка литья от формовочной земли; формообразование –процесс получения фасонных изделий из тонколистового материала с использованием направленных ударных волн высокой интенсивности, возникающих в жидкости при импульсном электрическом разряде; тонкое измельчение очистки сточных вод от загрязнений.

Ультразвуковые технологические установки. Ультразвук, частотой до 10⁵ кГц оказывает механическое воздействие на материал.

Технологические применения: очистка сточных вод; нагрев в объеме материала; разделение молекул и частиц различной массы; коагуляция; диспергирование; дегазация; контроль качества изделий (например, обнаружение трещин в ответственных деталях).

Электростатические промышленные установки, например, электрофильтры, установлены на Новочеркасской ГРЭС для очистки дымовых газов от пыли.

Вопросы и задания для самоконтроля

3.1. Какие магнитные поля создаются в асинхронном двигателе и как они взаимодействуют?

3.2. Какими свойствами должна обладать футеровка ДСП?

3.3. Какой характер имеет график нагрузки ДСП?

3.4. Каким образом выделяется тепло в индукционной печи и как оно передается нагреваемому изделию?

3.5. Краткая характеристика печей графитации Новочеркасского электродного завода.

3.6. Перечислите основные бытовые потребители электроэнергии и приведите их краткую характеристику.

Глава 4
Принципы проектирования системы электроснабжения