Odbiorniki energii elektrycznej

Odbiornik energii elektrycznej (odbiornik elektryczny) to urządzenie, jednostka, mechanizm przeznaczony do konwersja energii elektrycznej w innym rodzaju energii (w tym elektrycznej, według innych parametrów) do jej wykorzystania.

Ze względu na ich przeznaczenie technologiczne dzieli się je w zależności od rodzaju energii, na jaką ten odbiornik przetwarza energię elektryczną, w szczególności:

• mechanizmy napędów maszyn i mechanizmów;

• instalacje elektrotermiczne i elektryczne;

• instalacje elektrochemiczne;

• instalacja osłabienia elektrody;

• instalacje pól elektrostatycznych i elektromagnetycznych,

• elektrofiltry;

• instalacje do obróbki iskier;

• maszyny elektroniczne i komputerowe;

• urządzenia do kontroli i testowania produktów.

Odbiorca energii elektrycznej zwany odbiornikiem elektrycznym lub zespołem odbiorników elektrycznych połączonych procesem technologicznym i zlokalizowanych na określonym obszarze.

Ustawa federalna „O energii” definiuje konsumenta energii elektrycznej i cieplnej jako osobę, która nabywa ją na własne potrzeby domowe lub przemysłowe, a podmioty branży elektroenergetycznej – „osoby wykonujące działalność w zakresie energii elektrycznej, w tym wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej, zaopatrywanie odbiorców w energię „podczas przesyłu energii elektrycznej, sterowanie dyspozytorskie w elektroenergetyce, sprzedaż energii elektrycznej, organizacja kupna i sprzedaży energii elektrycznej”.

Klasyfikacja odbiorców energii elektrycznej w celu zapewnienia niezawodności zasilania

Ze względu na zapewnienie niezawodności zasilania odbiorców energii elektrycznej dzieli się na trzy kategorie:

Odbiorniki elektryczne kategorii I – odbiorniki elektryczne, których przerwa w zasilaniu może spowodować: zagrożenie życia ludzkiego, znaczne szkody dla gospodarki narodowej, uszkodzenie drogiego podstawowego sprzętu, masowe wady produktu, zakłócenie złożonego procesu technologicznego, zakłócenia funkcjonowania szczególnie ważnych elementów gospodarki gminy.

Ze składu odbiorniki elektryczne I kategorii wyróżnia się specjalną grupę odbiorników elektrycznych, których ciągła praca jest niezbędna do płynnego zatrzymania produkcji w celu zapobieżenia zagrożeniom życia ludzkiego, wybuchom, pożarom i uszkodzeniom kosztownych urządzeń głównych.

Odbiorniki elektryczne kategorii II - odbiorniki elektryczne, których przerwa w zasilaniu prowadzi do masowego niedoboru produktów, masowych przerw w pracy pracowników, mechanizmów i transportu przemysłowego, zakłócenia normalnej działalności znacznej liczby mieszkańców miast i wsi obszary.

Odbiorniki elektryczne kategorii III — wszystkie inne odbiorniki elektryczne, które nie spełniają definicji dla kategorii I i II. Są to odbiorcy warsztatów pomocniczych, produkcji nieseryjnej wyrobów itp.

Odbiorniki elektryczne kategorii I muszą być zasilane energią elektryczną z dwóch niezależnych wzajemnie redundantnych źródeł zasilania, a przerwanie ich zasilania w przypadku zaniku zasilania z jednego ze źródeł zasilania może być dopuszczalne tylko na czas samoczynnego przywrócenia zasilania. Aby zasilić specjalną grupę odbiorców energii elektrycznej kategorii I, należy zapewnić dodatkowe zasilanie z trzeciego niezależnego wzajemnie redundantnego źródła zasilania.

W celu prawidłowego ustalenia kategorii odbiorników energii elektrycznej konieczna jest ocena prawdopodobieństwa wystąpienia awarii na odcinkach sieci elektroenergetycznej, określenie możliwych skutków i szkód materialnych w wyniku tych awarii. Przy określaniu kategorii odbiorników elektrycznych nie należy przeceniać kategorii mocy ciągłej wymaganej dla różnych grup odbiorników elektrycznych. Przy określaniu odbiorników elektrycznych dla pierwszej kategorii uwzględnia się rezerwę technologiczną, dla drugiej - przesunięcie produkcji.

Klasyfikacja odbiorników energii elektrycznej

Odbiorcy energii elektrycznej charakteryzują się:

1.łączna moc zainstalowana odbiorników elektrycznych;

2. przez przynależność do branży (np. rolnictwo);

3. według grup taryfowych;

4. według kategorii usług energetycznych.

Instalacje elektryczne wytwarzające, przetwarzające, rozprowadzające i zużywające energię elektryczną dzieli się ze względu na poziom napięcia na instalacje elektryczne o napięciu powyżej 1 kV i do 1 kV (dla instalacji prądu stałego — do 1,5 kV). Instalacje elektryczne o napięciu do 1 kV AC wykonuje się z przewodem neutralnym z uziemieniem stałym, aw warunkach o podwyższonych wymaganiach bezpieczeństwa z przewodem neutralnym izolowanym (kopalnie torfu, kopalnie węgla kamiennego, ruchome instalacje elektryczne itp.).

Instalacje powyżej 1 kV dzielą się na instalacje:

1) z izolowanym punktem neutralnym (napięcie 35 kV i niższe);

2) z kompensowanym przewodem neutralnym (połączonym z ziemią rezystancją indukcyjną w celu kompensacji prądów pojemnościowych), stosowane są w sieciach o napięciu do 35 kV i rzadko 110 kV;

3) z ślepo uziemionym punktem zerowym (napięcie 110 kV i więcej).

Ze względu na charakter prądu wszystkie odbiorniki elektryczne działające z sieci można podzielić na odbiorniki elektryczne na prąd przemienny o częstotliwości przemysłowej 50 Hz (w niektórych krajach stosuje się 60 Hz), prąd przemienny o zwiększonej lub zmniejszonej częstotliwości oraz prąd stały .

Większość odbiorców energii elektrycznej przemysłowych użytkowników energii elektrycznej pracuje na trójfazowym prądzie przemiennym o częstotliwości 50 Hz.

Stosowane są ustawienia zwiększonej częstotliwości:

• do podgrzewania do hartowania, do tłoczenia metali, kuchenek mikrofalowych itp.;

• w technologiach, w których wymagana jest duża prędkość obrotowa silnika elektrycznego (przemysł tekstylny, obróbka drewna, przenośne elektronarzędzia w budowie samolotów) itp.

Aby uzyskać częstotliwość do 10 000 Hz, stosuje się przetwornice tyrystorowe, dla częstotliwości powyżej 10 000 Hz stosuje się generatory elektroniczne.

Odbiorniki elektryczne niskiej częstotliwości stosowane są w urządzeniach transportowych np. w walcowniach (f=16,6 Hz), w mieszalniach metali w piecach (f=0...25 Hz). Ponadto obniżona częstotliwość napięcia jest stosowana w indukcyjnych urządzeniach grzewczych.

Doświadczenia z wykorzystaniem częstotliwości przemysłowych (50 Hz) i podwyższonych (60 Hz) potwierdziły ekonomiczną wykonalność częstotliwości 60 Hz, a obliczenia techniczno-ekonomiczne wykazały, że optymalna częstotliwość powinna wynosić 100 Hz.

Typowe odbiorniki mocy

Wszystkie odbiorniki prądu charakteryzują się różnymi parametrami. Jednocześnie tryby ich pracy są opisane przez LEG, dlatego do analizy trybów poboru energii wykorzystuje się charakterystyczne odbiorniki energii, które są grupami odbiorników energii podobnych w trybach pracy i podstawowych parametrach.

Do typowych odbiorników elektrycznych należą następujące grupy:

• Silniki elektryczne do instalacji energetycznych i przemysłowych;

• Silniki elektryczne do maszyn produkcyjnych;

• Piekarniki elektryczne;

• Instalacje elektrotermiczne;

• Instalacje oświetleniowe;

• Naprawy i przeróbki instalacji.

Odbiorniki elektryczne pierwszych czterech grup są tradycyjnie nazywane odbiornikami mocy. Udział poszczególnych grup w zużyciu energii przez przedsiębiorstwo zależy od branży i specyfiki procesu produkcyjnego.

Odbiorniki prądu stałego

Prąd stały wykorzystywany jest w galwanotechnice (chromowanie, niklowanie itp.), do spawania prądem stałym, do zasilania silników prądu stałego itp.

Silniki elektryczne

Na podstawie powyższych klasyfikacji najbardziej złożonym zestawem odbiorników elektrycznych jest napęd elektryczny. Najczęściej spotykany jest asynchroniczny napęd elektryczny, który charakteryzuje się znacznym poborem mocy biernej, dużymi prądami rozruchowymi oraz znaczną wrażliwością na odchylenia napięcia sieciowego od nominalnego.

W instalacjach, które nie wymagają regulacji prędkości obrotowej podczas pracy, stosuje się napędy elektryczne prądu przemiennego (silniki asynchroniczne i synchroniczne). Nieregulowane silniki prądu przemiennego są głównym rodzajem odbiorników energii w przemyśle, stanowiąc około 70% całkowitej mocy.

Przy wyborze typu silnika dla nieregulowanego przemiennika częstotliwości często bierze się pod uwagę następujące kwestie:

• przy napięciach do 1 kV i mocy do 100 kW bardziej ekonomiczne jest stosowanie silników asynchronicznych, a powyżej 100 kW - synchronicznych;

• przy napięciu 6 kV i mocy do 300 kW — silniki asynchroniczne, powyżej 300 kW — synchroniczne;

• przy napięciu 10 kV i mocy do 400 kW — silniki asynchroniczne, powyżej 400 kW — synchroniczne.

Silniki asynchroniczne z wirnikiem fazowym są stosowane w napędach dużej mocy z trudnymi warunkami rozruchu (w maszynach podnoszących itp.).

Silniki elektryczne takich instalacji przemysłowych jak sprężarki, wentylatory, pompy i urządzenia dźwigowo-transportowe w zależności od mocy znamionowej mają napięcie zasilania 0,22-10 kV. Moc znamionowa silników elektrycznych tych instalacji waha się od ułamków kilowata do 800 kW lub więcej. Wskazane odbiorniki elektryczne odnoszą się zazwyczaj do I kategorii niezawodności zasilania.Na przykład wyłączenie wentylacji w halach produkcji chemicznej wymaga ewakuacji ludzi z pomieszczeń, a co za tym idzie zatrzymania produkcji.

Zamiana prądu przemiennego na prąd stały wiąże się z kosztami instalacji przekształtników i aparatury kontrolno-sterowniczej, wybudowania dla nich pomieszczeń, a także kosztów eksploatacyjnych związanych z ich utrzymaniem i stratami energii elektrycznej. Dlatego koszt systemu zasilania i koszt jednostkowy energii elektrycznej w prądzie stałym są wyższe niż w prądzie przemiennym. Silniki prądu stałego są droższe niż silniki asynchroniczne i synchroniczne. Zmienne napędy prądu stałego są używane, gdy wymagana jest szybka, szeroka i/lub płynna zmiana prędkości.

Współczynnik mocy odbiorników elektrycznych

Ważną cechą odbiornika elektrycznego jest Współczynnik mocy cos (φn). Współczynnik mocy jest charakterystyką paszportową odzwierciedlającą udział pobieranej mocy czynnej przy nominalnym obciążeniu i napięciu. Znamionowy cosφ silnika elektrycznego zależy od jego typu, mocy znamionowej, prędkości i innych właściwości. Podczas pracy z silnikami elektrycznymi ich cosφ zależy głównie od obciążenia.

Do napędu elektrycznego dużych pomp, sprężarek i wentylatorów często stosuje się silniki synchroniczne, które są wykorzystywane jako dodatkowe źródła mocy biernej w systemie elektroenergetycznym.

Urządzenia dźwigowe i transportowe charakteryzują się częstymi wstrząsami ładunku, które powodują zmiany współczynnika mocy w znacznych granicach (0,3-0,8). Ze względu na niezawodność zasilania zwykle należą do kategorii I i II (w zależności od ich roli w procesie technologicznym).
Uszkodzone odbiorniki elektryczne

Z urządzenia elektryczne Największe problemy sprawiają piece łukowe z następujących powodów:

• wysoka moc własna (do kilkudziesięciu megawatów); nieliniowość i niski cosφ powodowany przez transformator pieca;
• skoki mocy czynnej i biernej występujące podczas pracy;
• joggingowe odchylenia od symetrii obciążeń fazowych.

Spawarki elektryczne AC mają podobne problemy jak piece łukowe. Ich cosφ jest szczególnie niskie.

Oświetlenie elektryczne powoduje również pewne problemy z siecią elektryczną, a mianowicie: wysokosprawne lampy wyładowcze stosowane zamiast żarówek mają nieliniową charakterystykę i są wrażliwe na krótkotrwałe (ułamki sekund) przerwy w zasilaniu. Obecnie jednak problemy te rozwiązuje się poprzez przełączanie lamp na zasilanie o wysokiej częstotliwości poprzez oddzielne przetwornice częstotliwości, co poprawia nie tylko ich oświetlenie, ale także parametry energetyczne.

Źródła światła (żarowe, fluorescencyjne, łukowe, rtęciowe, sodowe itp.) są jednofazowymi odbiornikami elektrycznymi i są równomiernie rozmieszczone między fazami w celu zmniejszenia asymetrii. Dla żarówek cosφ = 1, a dla lamp wyładowczych cosφ = 0,6.

Zasilanie urządzeń sterujących i przetwarzających informacje podlega zwiększonym wymaganiom w zakresie niezawodności i jakości energii elektrycznej, dlatego też są one zasilane co do zasady ze źródeł o gwarantowanym nieprzerwanym zasilaniu.