Энергоресурсы. Электрическая энергия. Основные понятия механики электропривода

1 Лекция 1 Введение Под энергорессурсами понимаются материальные объекты, в которых сосредоточена возможная для использования энергия. Из большого разнообразия ресурсов, встречающихся в природе, выделяют основные, используемые в больших количествах для практических нужд. К основным энергоресурсам относят энергию рек, водопадов, различные органические топлива (такие как уголь, нефть, газ), ядерное топливо (тяжелые элементы урана и тория) и т.д. Энергоресурсы разделяют на возобновляемые и невозобновляемые. К первым относятся те, которые природа непрерывно восстанавливает (вода, ветер, солнечная энергия, и т. д.), а ко вторым – ранее накопленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся (например – каменный уголь, нефть, газ и др.). Из всей получаемой мировой экономикой первичной энергии менее 14% приходится на возобновляемые источники: гпдроэнергию, биомассу, ветер и поступающее на землю солнечное излучение, энергию морских приливов, геотермальную энергию; около 6% - на ядерную энергию и более 80% мировой потребности в первичной энергии обеспечивают невозобновляемые ресурсы – уголь, нефть, газ. Энергия, непосредственно извлекаемая из природы (энергия топлива, воды, ветра, терла Земли, ядерная), называется первичной. Энергия, получаемая человеком после преобразования первичной энергии на специальных установках – станциях, называется вторичной (энергия электрическая, пара, горячей воды и т. д.). Из всех энергоресурсов самым удобным в использовании является электрическая энергия. Широкое использование электрической энергии обусловлено преимуществами этого вида энергии по сравнению с другими, применяемыми человечеством: 1. Электрическую энергию можно преобразовывать во многие другие виды энергии (в механическую, в тепловую, в световую, в электромагнитную, в электрическую с другими параметрами и др.); 2 2. Электрическую энергию можно передавать на дальние и сверхдальние расстояния с наименьшими потерями (при повышенном напряжении, при передаче на постоянном токе и др.); 3. Относительная простота электроустановок, используемых при передаче и распределении электрической энергии (воздушные линии электропередач (ЛЭП), отделители, разъединители, выключатели нагрузки, предохранители и др. – все это простые устройства и по конструкции, и в эксплуатации); 4. Высокая культура производства электрической энергии на электростанциях, на которых происходит преобразование энергии какоголибо природного источника в механическую энергию вращения турбины и далее с помощью электрических генераторов – в электрическую энергию. В зависимости от того, какой природный источник энергии используется, выбирается тип электростанции. Основным типом электростанций в России являются тепловые электростанции (ТЭС), к которым относятся:  Конденсационные электростанции (КЭС);  Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Конденсационные электростанции более известны под аббревиатурой ГРЭС – государственная районная электрическая станция. Такое название за этими электростанциями закрепилось из-за их значительной мощности и способности этих электростанций снабдить электрической энергией целые промышленные районы. На ГРЭС тепловая энергия сжигаемого органического топлива (угля, нефти, газа) в парогенераторах (котлах) преобразуется в энергию перегретого пара с температурой около 560 град.С и давлением около 240 атм. При таких параметрах пар направляется на паровую турбину, в которой происходит процесс расширения пара, приводящий турбину во вращательное движение. На всех ГРЭС России турбины вращаются со скоростью 3000 об/мин. На одном валу с турбиной находится ротор электрического генератора, который при этом вырабатывает электрическую энергию переменного тока с частотой 50 Гц. Отработавший пар после турбины направляется для охлаждения и получения конденсата, который с помощью конденсатного насоса направляется в паровой котел. Такова упрощенная технологическая схема ГРЭС. В этой схеме основные тепловые потери происходят при охлаждении отработавшего пара в конденсаторах, где тепло достаточно горячего отработавшего пара уносится с 3 охлаждающей жидкостью в ближайший водоём. Потери в конденсаторах составляют до 55%. Общий тепловой КПД таких современных электростанций не превышает 40 – 42%. Теплоэлектроцентрали ТЭЦ предназначены для комбинированного производства тепловой и электрической энергии. ТЭЦ размещают в городах и крупных населенных пунктах по возможности ближе к потребителям горячей воды и пара. На ТЭЦ устанавливают тепловые турбины, позволяющие производить отбор пара из промежуточных ступеней и направлять отобранный пар на нужды производства и на нагрев воды. Весь пар, направляемый на теплофикацию считается полезно отпущенным. Потому тепловой КПД технологической схемы ТЭЦ составляет 60 – 70%. Особенностью ТЭЦ является преобладание теплового оборудования. Выработка электроэнергии на ТЭЦ в целом по России составляет порядка 25 30% от общего объема вырабатываемой в стране электрической энергии. В целом на тепловых электростанциях России вырабатывается порядка 65 – 70% электрической энергии, потребляемой в стране. По количеству вырабатываемой электроэнергии на втором месте находятся гидравлические электростанции (ГЭС). Они производят наиболее дешевую электроэнергию, но требуют больших затрат на их строительство. На ГЭС механическая энергия водного потока превращается с помощью гидроагрегатов в электрическую. Каждый гидроагрегат представляет собой гидравлическую турбину, на валу которой размещен ротор электрического генератора. Для создания запаса воды и необходимого водного напора с помощью плотины и других гидротехнических сооружений образуется водохранилище. В теле плотины предусмотрены водоводы – бетонированные трубопроводы с внутренним диаметром до 10,5 метров. По водоводам водный поток направляется на лопасти турбин, которые при этом вращаются со скоростью порядка 140 об/мин. Электрические генераторы вырабатывают электрическую энергию с напряжением 15,75 кВ и частотой 50 Гц. Наиболее крупные ГЭС в России находятся в Восточной Сибири на реках Енисей и Ангара. Эффективность работы ГЭС зависит от величины водопритока, который зимой снижается и становится наибольшим в весенне-летний период года. КПД гидроэлектростанций как правило составляет порядка 85 – 90%. Доля выработки электрической энергии на ГЭС России составляет порядка 18 – 20%. 4 Третьим крупнейшим источником электрической энергии в России является атомная энергетика. На сегодняшний день основы атомной энергетики России составляют 10 АЭС. По своей сути АЭС является тепловой электростанцией, в которой в качестве топлива используются радиоактивные элементы, в основном это Уран-235. При распаде этого элемента выделяется большое количество тепловой энергии: 1 килограмм U-235 равновелик по выделяемому количеству тепла 2900 тонн угля. В целях безопасности на АЭС предусматривают 2-3 тепловых контура. Тепло ядерной реакции направляется на нагрев теплоносителя первого контура, в качестве которого используется вода или жидкий натрий. Далее через теплообменники тепло передается теплоносителям промежуточных контуров. Теплоносителем последнего контура является очищенная вода, которая превращается в перегретый пар. Далее все происходит так же, как и на тепловой электростанции. В связи с тем, что в технологической схеме АЭС несколько тепловых контуров и в каждом теплообменнике происходят дополнительные потери, то общий тепловой КПД составляет не более 35 – 38%. На сегодняшний день доля выработка электрической энергии в России на АЭС составляет порядка 15-16%. 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕХАНИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Электрическим приводом, или электроприводом называется совокупность электрических и механических устройств, которые преобразуют электрическую энергию в механическую, необходимую для приведения и движение рабочих машин и механизмов, и управляют этим движением. Преимущества используемых в электроприводе электроэнергии и электродвигателя перед другими видами энергии и типами двигателей сделали электропривод в настоящее время самым распространенным видом привода рабочих машин и механизмов, применяемых в произ- производственной деятельности человека. Благодаря электроприводу уровень электрификации в народном хозяйстве СССР составляет более 99 %; свыше 60 % вырабатываемой в стране электроэнергии потребляется электроприводом. В горнодобывающей промышленности СССР электроприводом оборудованы как отдельные горные машины и механизмы, так и целые комплексы, 5 и агрегаты по добыче, транспортировке и обогащению полезных ископаемых: буровые станки, экскаваторы, драги, подъемные машины, конвейеры, транспортно-отвальные мосты, установки гидротранспорта горной массы и др. Электропривод органическая часть конструкции рабочей машины и образует с ней электрифицированный агрегат. В общем случае в состав электропривода (ЭП) рабочей машины или механизма (РМ) входят следующие взаимосвязанные и влияющие друг на друга в процессе работы электрические и механические устройства (рис. 1.1): преобразовательное (П), электродвигательное (ЭД); передаточное (ПУ) и управляющее (УУ). Электродвигательное устройство — это основной узел электропривода- (рис 1.1). Оно служит для преобразования электроэнергии W в механическую энергию WM с помощью одного или нескольких электродвигателей с определенными электрическими (род тока, мощность, напряжение, частота) и механическими (частота вращения, момент нагрузки) параметрами и в соответствующем конструктивном исполнении. В отдельных системах электропривода роль электродвигательного устройства выполняет электромагнит. Преобразовательное устройство обеспечивает связь электрической цепи ЭД с системой электроснабжения и питание ЭД электроэнергией с требуемыми параметрами напряжения, частоты и рода тока. Рис. 1.1. Общая структурная схема электропривода Роль преобразовательного устройства может выполнять трансформатор, генератор постоянного тока, электромашинный или магнитный усилитель, тиристорный преобразователь тока, напряжения и частоты. Передаточное устройство передает механическую энергию от ЭД к РМ и согласует их параметры движения. Оно может быть представлено механической передачей (редуктор) или управляемым механизмом (коробка скоростей, вариатор, гидравлическая муфта). У рабочих механизмов, имеющих одинаковую частоту вращения с ЭД, передаточное устройство заменяется 6 соединительной муфтой или может вообще отсутствовать (электродвигатель встраивается в рабочий орган механизма или машины). Управляющее устройство своими элементами и электрической схемой осуществляет управление работой электропривода, РМ и в конечном итоге — выполняемым рабочим процессом. Управление происходит путем воздействия на ЭД, П и ПУ, формируемого под влиянием внешних у 1 и внутренних у2 сигналов. В зависимости от назначения и уровня автоматизации системы электропривода для управления используются релейно-контакторные устройства, тиристорные или магнитные пускатели, системы автоматического управления, .в том числе программного управления на базе ЭВМ. В УУ и его схему входят аппаратура защиты электропривода от ненормальных режимов работы и приборы контроля и измерения параметров работы как отдельных элементов электропривода, так и всей системы в целом. В зависимости от способа передачи механической энергии от ЭД к РМ различают групповой, индивидуальный и многодвигательный электроприводы. Групповой электропривод приводит в движение несколько рабочих машин или несколько механизмов одной рабочей машины. В первом случае механическая энергия передается от вала общего ЭД через механическую передачу к группе различных РМ. Во втором случае отельная РМ имеет свой ЭД, от которого механическая энергия с помощью передаточных устройств распределяется между несколькими рабочими механизмами, выполняющими различные производственные операции. Первая разновидность группового электропривода, известна» как трансмиссионный привод, в настоящее время не применяется из-за громоздкости и неэкономичности. Вторая разновидность имеет применение, например в горной промышленности: некоторые типы буровых станков снабжены одним ЭД, который обеспечивает вращение бурового инструмента и работу лебедки на спуско-подъемных операциях бурового снаряда. Современный электропривод в промышленности — это в основном индивидуальный электропривод, при котором исполнительные механизмы одной многооперационной РМ (механизмы подъема, напора, хода или тяги у экскаваторов) или однооперационная РМ (насос, компрессор, вентилятор) имеют индивидуальное электродвигательное устройство. При этом ЭД иногда служит рабочим органом механизма (например, у некоторых типов вентиляторов местного проветривания подземных торных выработок, в 7 приводных станциях ленточных конвейеров). Такое конструктивное исполнение позволяет упрощать или исключать ПУ, автоматизировать и контролировать рабочий процесс, нести учет расхода электроэнергии, гарантировать надежность, создавать удобство в эксплуатации. Многодвигательным называют электропривод многооперационной рабочей машины или РМ с несколькими индивидуальными электроприводами различных рабочих механизмов. Часто это понятие применяют в тех случаях, когда отдельная РМ или различные ее рабочие механизмы приводятся в движение двумя или большим числом ЭД (одного или различных типов), работающих на общий вал, который сочленен с валом РМ. Такой элект| Х )нривод обеспечивает продолжение работы РМ при выходе из строя одного из ЭД, позволяет получить различные характеристики режима работы РМ в зависимости от схемы включения электродвигателей, уменьшить момент инерции по сравнению с приводом от одного ЭД суммарной мощности. Многодвигательный электропривод имеют, например, приводной барабан черпаковой цепи драги и механизм поворота одноковшовых экскаваторов. По видам движения электроприводы могут быть вращательные, линейные, непрерывного действия и дискретные (например, у задвижек трубопроводов); по управляемости — нерегулируемые, регулируемые и многоскоростные; по роду тока, потребляемого ЭД — постоянного и переменного (переменного тока в зависимости от типа ЭД могут быть асинхронные, синхронные или асинхронно-синхронные). По уровню автоматизации электроприводы подразделяются на неавтоматизированые (включение, управление работой и выключение электропривода выполняет оператор), автоматизированные (оператор только включает электропривод, а управление пуском, работой и остановкой производится автоматически) и автоматические (оператор лишь наблюдает за функционированием систем автоматического или программного, с помощью ЭВМ, управления). У неавтоматизированного электропривода управление может быть местным (с машины) или дистанционным (что используется и при автоматизированном электроприводе) . Уровень внедрения электропривода и объемы исследовательских и проектно-конструкторских работ по совершенствованию его систем в разных отраслях горной промышленности СССР различны. Наиболее значительны они для предприятий, разрабатывающих угольные месторождения, в меньшей степени - разрабатывающих рудные и россыпные месторождения. Для 8 приисков выполнены и ведутся работы по совершенствованию электропривода драг, экскаваторов, буровых станков, установок гидротранспорта, водоснабжения и другого оборудования. Основные задачи дальнейшего развития электропривода в горной промышленности — расширение области применения регулируемого электропривода и особенно для машин, предназначенных для разрушения горных пород; совершенствование систем регулируемого электропривода постоянного тока и внедрение регулируемого электропривода переменного тока на базе асинхронных ЭД с короткозамкнутым ротором от управляемых полупроводниковых преобразователей; широкое использование бесконтактных средств управления и автоматизации электроприводов с полупроводниковыми приборами; повышение надежности электрических машин и аппаратуры управления, выпускаемых заводами для горных предприятий; применение самонастраивающихся систем управления в целях выбора оптимального режима работы для мощных горнодобывающих и транспортных комплексов непрерывного действия с использованием микропроцессорной техники и ЭВМ. Совершенствование электропривода позволяет интенсифицировать технологические процессы, повысить производительность труда и эффективность производства.