mehanizaciya i elektrifikaciya

Благодаря объединению электростанций в единую энергосистему удается, во-первых, значительно снизить себестоимость электроэнергии, вовторых, повысить её качество, в третьих, повысить надежность в бесперебойном снабжении потребителей.

Это связано с тем, что потребление электроэнергии неодинаково и в течение года, и в течение суток. Поэтому объединенные энергосистемы тем эффективнее, чем большее пространство они охватывают. Обмен энергией в больших масштабах всесторонне решает проблему покрытия максимумов в течение суток. Единая энергетическая система (ЕЭС) России распределена по семи часовым поясам, и тем самым позволяет сглаживать пики нагрузки системы за счет перераспределения избыточной электроэнергии в другие районы, где её недостаток. Восточные регионы России производят электроэнергии гораздо больше, чем потребляют сами. Центральные районы покрывают её дефицит за счет передачи энергии из Сибири на запад, по высоковольтным ЛЭП.

ЕЭС России включает в себя 700 крупных электростанций. Она распределена на территории свыше 10 млн. км2 с населением около 220 млн. человек.

Формирование ЕЭС России было завершено к 1996 году и она обоснованно считается одной из самых надежных в мире. За почти 40 лет эксплуатации в ней не произошло ни одного глобального нарушения электроснабжения в отличие от США (аварии 1965 и 1977 годов) – и Канаде (1989 год).

14.3. Электроэнергетические показатели промышленных и сельскохозяйственных предприятий

14.3.1. Качество электрической энергии Качество электрической энергии - соответствие основных параметров

энергосистемы установленным нормам производства, передачи и распределения электрической энергии.

Количественная характеристика качества электрической энергии выражается:

-отклонением напряжения от номинального значения,

-отклонением частоты тока от номинального значения,

-коэффициентом несинусоидальности формы кривой напряжения,

-коэффициентом несимметрии фазных напряжений.

Согласно ГОСТ 13109 – 97 допустимые отклонения напряжения в питающих сетях составляют:

--2,5% … +5% для приборов освещения,

--5% … +10% для электродвигателей и аппаратов пуска и управления,

-5% для остальных приемников электрической энергии.

Допустимые отклонения частоты составляют ± 0,1Гц, не более.

В нагревательных приборах снижение амплитуды напряжения по сравнению с номинальным ведет к ослаблению нагрева. Повышение амплитуды

191

напряжения по сравнению с номинальным приводит к перегреву и сокращению их срока службы.

При питании асинхронного двигателя от сети с пониженным напряжением уменьшается вращающий момент, увеличивается потребляемый ток. Кроме того, увеличение потребляемого тока сопровождается увеличением потерь на нагрев двигателя (вплоть до выхода двигателя из строя) и увеличением потерь энергии в питающей сети.

Наиболее чувствительны к повышенному напряжению лампы накаливания. Даже незначительное повышение напряжения приводит к существенному сокращению срока их службы. Снижение питающего напряжения приводит к снижению яркости осветительных приборов.

Снижение частоты тока приводит к уменьшению частоты вращения электродвигателей, что при заданной нагрузке приводит к увеличению потребляемого тока, при этом увеличиваются потери энергии и падение напряжения в питающей сети.

Таким образом, качество электрической энергии напрямую связано с эффективностью производства и стабильностью технологических процессов. Отклонение показателей качества электроэнергии от стандартных в конечном итоге приносит экономический ущерб предприятию.

14.3.2. Надежность электроснабжения сельских потребителей Надежность электроснабжения – способность электрической системы

в любой момент времени снабжать электрической энергией присоединенные

кней потребители.

Взависимости от степени концентрации электрических нагрузок, уровня потребления электроэнергии и ущерба, наносимого перерывами в электроснабжении, все производственные потребители подразделяются на три категории.

К потребителям первой категории относятся предприятия с высокой степенью автоматизации, например: крупные животноводческие комплек-

сы по производству молока, птицефабрики, овощные комбинаты, комбикормовые заводы. То есть это такие потребители, перерыв в электроснабжении которых приводит к расстройству технологического процесса и порче продукции.

Ко второй категории относятся потребители, перерыв в электроснабжении которых свыше 3,5 часов нарушает производственный процесс, вследствие чего часть продукции оказывается испорченной. К этой категории относятся электрифицированные доильные установки, небольшие парниковые хозяйства и животноводческие фермы.

К третьей категории относятся все остальные потребители, для которых допускается перерыв в электроснабжении не более, чем на одни сутки.

Для повышения надежности электроснабжения сельских потребителей необходимо проводить следующие организационно-технические мероприятия:

192

-своевременное проведение текущих и капитальных ремонтов, профилактических испытаний оборудования;

-совершенствование устройств защиты электрических сетей;

-сетевое и местное резервирование электропитания;

-сооружение кабельных линий электропередач вместо воздушных.

14.3.3. Графики электрических нагрузок Графики электрических нагрузок за сутки, месяц или год дают представ-

ление об изменении потребляемой мощности за данный период времени. Они представляют собой диаграммы, на которых по оси абсцисс откладывается время, а по оси ординат – активная мощность. На предприятиях их строят согласно показаниям счетчиков и ваттметров. Площадь, ограниченная графиком нагрузки, есть расход электрической энергии за рассматриваемый период. Отношение суточного расхода электроэнергии к числу часов работы характеризует среднесуточную нагрузку – Pср. Наибольшая ордината – Pмакс – определяет максимальную необходимую мощность источников

питания.

На работающих предприятиях по этим графикам определяют, когда необходимо снизить максимум потребления мощности, т. е. выровнять суточный график нагрузки и снизить потери энергии.

При проектировании новых предприятий определяют максимальную электрическую нагрузку, мощности трансформаторов и ожидаемый расход электроэнергии.

Р,

кВт

Рисунок 14.14. Годовой график предприятия

Различные потребители имеют только им присущие графики нагрузок. Годовой график нагрузки предприятия АПК отражает влияние сезонного характера производства и позволяет определить мощность питающих трансформаторов при наибольшей загрузке предприятия. Также графики нагрузки позволяют определить сроки вывода в ремонт свободных агрегатов.

14.3.4. Коэффициент мощности электротехнических установок В процессе работы такие электроприемники, как асинхронные двигатели,

силовые и сварочные трансформаторы, потребляют активную и реактивную мощность. Реактивная мощность в таких электроприемниках не преобразуется в другие виды энергии, а циркулирует от генераторов и станций к потребителям и обратно, непроизводительно загружая электрические сети. При

193

постоянном потреблении активной мощности Pa=const с возрастанием реактивной мощности Q значение cos уменьшается, а полный ток увеличивается. С ростом полного тока увеличиваются потери и падение напряжения в сети, что приводит к падению напряжения питания электродвигателей, снижению вращающего момента, перегрузки двигателей по току. Кроме того, низкий cos вызывает необходимость производства дополнительной реактивной энергии, а также производства активной энергии на покрытие возросших потерь. Все это требует увеличения установленной мощности генераторов и трансформаторов на подстанциях. Следовательно, коэффициент мощности характеризует эффективность использования генераторов электростанций, трансформаторов подстанций и ЛЭП.

Таким образом, с точки зрения потребителя с уменьшением коэффициента мощности увеличивается оплата за потребление электроэнергии. Снижение коэффициента мощности может быть вызвано конструктивными и эксплуатационными причинами. Нормальным считается значение cos =0,85. Технические мероприятия, способствующие повышению коэффициента мощности: отключение недостаточно (менее 30%) загруженных трансформаторов, сокращение времени холостого хода оборудования за счет автоматизации, установка компенсационных устройств, замена асинхронных электродвигателей синхронными.

14.4. Электропривод

14.4.1. Электропривод и его основные части Электропривод в сельском хозяйстве во многом определяет техническую

основу механизации и автоматизации производственных процессов. Его широко применяют на животноводческих фермах и комплексах для привода в движение исполнительных механизмов водоснабжения, приготовления и раздачи кормов, доения коров, стрижки овец, вентиляции помещений, в ремонтных мастерских и т.д.

Электропривод – машинное устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую и состоящее из электродвигателя, передаточного механизма, аппаратуры управления и защиты.

Многодвигательным называется такой электропривод, когда в одной рабочей машине для привода рабочих органов используются отдельные электродвигатели, одиночным – приводится в движение одна машина или производственный механизм.

В зависимости от рода потребляемого тока электрические двигатели разделяются на машины переменного и постоянного тока.

Машины переменного тока делятся на синхронные, асинхронные и коллекторные.

Синхронные машины чаще применяются в качестве генераторов, асинхронные – в качестве двигателей. Коллекторные - это асинхронные однофазные двигатели малой мощности.

194

По мощности электрические машины можно разделить на следующие группы: машины большой мощности 100 кВт ÷ 200 кВт и более; машины средней мощности от 1 до 200 кВт и машины малой мощности.

14.4.2. Трехфазный асинхронный электродвигатель Асинхронные машины - это машины переменного тока. Слово «асин-

хронный» означает несинхронный или неодновременный. При этом имеется в виду, что у асинхронных машин частота вращения магнитного поля отличается от частоты вращения ротора. Асинхронные машины, как и все электрические машины, обладают свойством обратимости, т.е. могут работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Они могут быть двухфазными или трехфазными. Наибольшее распространение имеют трехфазные двигатели. На рис. 14.15 показаны детали трехфазного асинхронного двигателя (АД) малой мощности.

1 - подшипниковый щит;

2 – статор;

3 – крышка монтажной коробки; 4 – ротор;

5 – защитный кожух вентилятора; 6 – крыльчатка вентилятора;

7 – вал ротора

Рисунок 14.15. Детали трехфазного асинхрон-

ного двигателя

Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором состоит из корпуса, неподвижного статора, с уложенной в его пазы статорной обмоткой, которая подключается к трехфазной сети, и вращающегося ротора.

Корпус - литой из чугуна или алюминия. Сердечник статора собирается из тонких листов электротехнической стали, электрически изолированных друг от друга. На внутренней поверхности сердечника вырублены пазы, в которые укладываются три обмотки статора, сдвинутые в пространстве по отношению друг к другу на угол 1200. Обмотки статора могут соединяться в звезду или в треугольник. На корпусе двигателя имеется монтажная коробка,

в которую выведены начала U1, I1, W1 (C1, C2, C3) и концы фаз U2, I2, W 2 (С4, С5, С6 ).

Ротор АД состоит из стального вала, на который напрессован сердечник, выполненный из отдельных листов электротехнической стали с выштампованными в них закрытыми пазами. Обмотка ротора бывает двух типов: короткозамкнутая и фазная. Большее распространение имеют двигатели с короткозамкнутым ротором, так как они дешевле и проще в изготовлении и в эксплуатации. Токопроводящая часть такого ротора, названного

195

М.О.Доливо-Добровольским ротором с беличьей клеткой, состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов. Как правило, беличья клетка формируется путем заливки пазов ротора расплавленным алюминием.

Трехфазная обмотка статора выполнена таким образом, что каждая из ее фаз сдвинута относительно другой на 1200. При включении её в трехфазную сеть образуется вращающееся электромагнитное поле. Именно оно лежит в основе работы трехфазных АД.

К трехфазной обмотке статора подводится симметричное трехфазное напряжение, и в каждой фазе обмотки протекает ток, который создает магнитный поток Ф, вращающийся с частотой n1. По закону электромагнитной индукции изменяющийся во времени магнитный поток Ф наводит ток в роторе. Этот ток порождает собственное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем тока статора. Согласно закону электромагнитной силы взаимодействие общего поля машины с током ротора приводит к тому, что ротор стремится повернуться относительно статора на некоторый угол. Поскольку поле статора вращается, то и ротор вращается вслед за ним. Непременным условием работы АД является неравенство частот вращения ротора и поля статора. Если их разность равна нулю, то это означает, что нет движения поля статора относительно ротора, и в роторе ток не наводится. При отсутствии тока в обмотке ротора электромагнитной силы не возникает. Пусть n – частота вращения ротора, n1 – частота вращения поля статора. Величину

называют скольжением. Скольжение - один из основных параметров асинхронной машины.

14.4.3. Некоторые особенности работы АД Выделяют несколько основных режимов работы АД:

-режим холостого хода (ХХ);

-режим номинальной нагрузки;

-пусковой режим;

-различные режимы торможения.

Под холостым ходом двигателя понимается его работа без нагрузки на валу. В режиме идеального холостого хода (если принять потери равными нулю) n1 = n, S = 0, поэтому ток в обмотке ротора равен нулю, т.е. I2 = 0, к.п.д. минимален, соsφ близок к нулю.

В номинальном режиме на валу двигателя развивается номинальный вращающий момент:

где РН – номинальная мощность двигателя, ω – угловая частота вращения ротора.

Номинальный момент можно вычислить по приводимым в паспорте номинальной мощности и номинальной частоте вращения вала двигателя.

196

К.п.д. двигателя близок к максимальному. Коэффициент мощности (соsφ) также близок к максимальному. Скольжение SНОМ = 2÷8%.

При пуске ротор двигателя, преодолевая момент нагрузки и момент инерции, разгоняется до номинальной частоты вращения. Скольжение при этом меняется от S = 1 (ротор неподвижен) до номинального S =Sn, а пусковой ток в 5-7 раз превышает номинальный, причем, чем больше мощность двигателя, тем больше пусковой ток. При пуске должны выполняться два основных требования: вращающий момент должен быть больше момента сопротивления (МВР > МС), и пусковой ток In не должен вызывать перегрузки сети. Прямой пуск (непосредственное включение обмотки статора на напряжение сети) вызывает такое значительное падение напряжения в сети, что другие двигатели, питающиеся от этой сети, при этом работают в нежелательном режиме и даже могут остановиться.

Для уменьшения пусковых токов АД применяют различные способы пус-

ка:

-пуск при пониженном напряжении питания;

-применение особой конструкции ротора. К таким особенностям относятся: глубокие пазы в короткозамкнутом роторе, ротор с двойной беличьей клеткой, ротор с чередующимися пазами.

14.4.4. Электрические аппараты Составной частью электропривода является аппаратура управления и за-

щиты электродвигателей и электрических сетей. К функциям управления относятся: пуск и остановка двигателя, изменение частоты и направления вращения вала двигателя. При отклонении режима работы от заданного должны срабатывать системы защиты.

Электрические аппараты классифицируются по различным признакам:

1)по величине рабочего напряжения – низковольтные (до 1000 В) и высоковольтные (более 1000 В);

2)по величине рабочего или коммутируемого тока: слаботочные (в цепях защиты и сигнализации) и сильноточные (в силовых цепях);

3)по выполняемой функции:

-коммутирующие аппараты: выключатели, разъединители, контакторы, магнитные пускатели;

-аппараты управления, защиты и сигнализации;

-командные аппараты: кнопки управления, ключи;

-аппараты защиты: разрядники, плавкие предохранители.

Рубильники – аппараты ручного управления. Предназначены для нечас-

тых коммутаций электрических цепей без нагрузки и электроприемников небольшой мощности. В силовом ящике рубильник смонтирован совместно с плавкими предохранителями. Рубильники выпускаются на номинальные токи коммутации силовых цепей 100, 250, 400, 600 А.

Пакетные выключатели и переключатели предназначены для нечастых коммутаций в сетях переменного тока до 380 В. Существует множество различных исполнений пакетных выключателей.

197

По конструктивному исполнению они делятся на:

-защищенные;

-закрытые;

-герметические.

Они применяются для устройств переключения как силовых цепей, так и цепей управления.

Контактор – это двухпозиционный аппарат, предназначенный для управления электродвигателями переменного тока. Он состоит из двух основных частей: электромагнита и контактной системы. Коммутируемые токи лежат в пределах от 40 до 2500 А.

Электромагнитный пускатель предназначен для дистанционного управления и защиты трехфазными АД с номинальным током до 200 А. Состоит из контактора и теплового реле. Реверсивные магнитные пускатели предназначены для включения АД на разные направления вращения. Они состоят из двух нереверсивных, смонтированных в общем кожухе. Механическая блокировка исключает возможность одновременного включения. При понижении напряжения питания двигателя ниже допустимого (менее 0,8 от номинального значения) размыкаются силовые контакты, отключающие двигатель, и блок-контакты, чем предотвращается самозапуск АД при восстановлении напряжения.

Тепловое реле необходимо для защиты электродвигателей от перегрева при длительных перегрузках. Кроме того, оно отключает двигатель при «потере фазы».

Плавкие предохранители предназначены для защиты питающих сетей и электрооборудования от токов короткого замыкания (КЗ). Предохранитель состоит из корпуса и плавкой вставки. Плавкая вставка – это проволока или пластинка определенного сечения из легкоплавкого металла. При протекании через плавкую вставку предохранителя тока, больше номинального тока плавкой вставки, она плавится, отключая аварийный участок. После устранения причины, вызвавшей перегрузку сети, перегоревшую вставку заменяют.

Автоматические выключатели (автоматы) предназначены для автоматического размыкания электрической цепи при возникновении перегрузок и токов КЗ. Основные узлы автоматов – устройство для ручного включения / отключения, расцепитель, силовые контакты, дугогасительная камера. Расцепитель может быть электромагнитным, тепловым, комбинированным. Электромагнитный расцепитель срабатывает при токах КЗ. Тепловой расцепитель – при токах перегрузки. Автомат является аппаратом многократного действия. В трехфазных цепях отключает одновременно все линии, исключая неполнофазный режим.

14.4.5. Аварийные режимы в цепях переменного тока В электрических производственных сетях возможно несколько видов ава-

рийных режимов:

- режим короткого замыкания в силовых цепях и цепях управления;

198

-режим перегрузки (превышение рабочих токов свыше номинальных в 3 – 5 раз);

-исчезновение и непредвиденное восстановление напряжения питания электрооборудования;

-режим "потери фазы", который ведет к несимметрии питающего напряжения в трехфазных сетях.

Режим КЗ – это режим замыкания линейных проводов в трехфазных се-

тях или замыкание линейного и нейтрального проводов в однофазной сети. При этом ток КЗ превышает номинальный в тысячи раз, что ведет к разрушению изоляции сетей и электрооборудования и распространению аварийного режима от места повреждения до трансформаторной подстанции и далее. В этом режиме вследствие протекания очень большого тока выделяется большое количество тепла, что приводит к возгоранию окружающих конструкций и предметов.

Для предотвращения пожара по причине КЗ электроустановки и питающие сети защищаются предохранителями и автоматическими выключателями.

14.5. Использование энергии оптического излучения в сельском хозяйстве

14.5.1. Основные понятия Оптическое излучение (ОИ) – это поток электромагнитной энергии с

длиной волны от 1 нм (1нанометр = 10-9 м) до нескольких микрометров. Оно включает в себя спектр инфракрасного излучения (ИКИ) с длиной волны λ = 760…10000 нм, видимого излучения (ВИ) с λ = 380…760 нм и ультрафиолетового излучения (УФИ) с λ = 100…380 нм. На рис. 14.16 представлена шкала электромагнитных волн.

Рисунок 14.16. Шкала длин волн оптического излучения

Солнце - важнейший для Земли естественный источник излучения. В его излучении содержится практически весь спектр ОИ. В природе ОИ действуют на живые организмы комплексно. Они служат энергетической базой строительства клетки, регулируют жизненно важные процессы роста и развития. Биологическая жизнь на Земле – это прежде всего преобразованная энергия ОИ во всех её видах в богатые энергией биохимические связи.

199

Влокальных условиях теплиц, в животноводческих и других помещениях различных производств солнечное излучение заменяется излучением электрических ламп. На стыке таких наук как биология, физиология, электротехника, химия, физика родилась современная светотехника. Сельскохозяйственная светотехника отличается особым вниманием к объектам сельскохозяйственного назначения.

Отдельные участки спектра солнечного излучения могут воспроизводиться с помощью искусственных источников. Устройства, служащие для передачи лучистой энергии определенного спектрального состава и интенсивности от источника излучения объекту облучения, называются излучательными установками.

Каждой зоне оптического излучения или её части соответствуют свои излучательные установки.

УФ-С - бактерицидное излучение (λ = 100…280 нм).

Вэтом диапазоне работают установки обеззараживания воды, воздуха, тары и других материалов. Излучение зоны УФ-С относится к жесткому ультрафиолету. Оно разрушает некоторые молекулы и простейшие микроорганизмы. На его долю в лучах солнца приходятся доли процента, оно почти полностью задерживается в атмосфере Земли и обнаружить его можно только высоко в горах. Именно поэтому излучения УФ-С зоны вызывает мутацию высокогорных растений.

Вкомплексе очистки выбрасываемого воздуха животноводческих комплексов и птицефабрик бактерицидные лампы устанавливаются как внутри помещения, так и в вентиляционных каналах. Особенно эффективно обеззараживание бактерицидными лампами мест отела в ветеринарных кабинетах.

Обеззараживание воды с помощью бактерицидных ламп – один из самых дешевых и безопасных методов, сохраняющий её вкусовые качества.

Вустановках УФ-облучения применяют бактерицидные лампы типа ДБ (дуговая бактерицидная низкого давления), ДРТ (дуговая ртутная трубчатая).

УФ-В - зона сильного биологического действия (λ = 280…315 нм).

Вэтом диапазоне работают установки зрительного (витального) облучения, стимуляции и лечения живых организмов. В спектре солнечного излучения на долю зоны УФ-В приходится несколько процентов. Под лучами УФ-В

вкоже животных и человека образуется витамин D, ответственный за усвоение фосфорно-кальциевых соединений. Кальций входит в состав костной ткани, фосфор - мозга, в том числе костного – одного из кроветворных органов. Особенно отрицательно УФ-недостаточность сказывается на молодом организме.

Всовременное животноводческое помещение ультрафиолет не попадает. Куры выращиваются и продуцируют в помещениях без окон. УФ – недостаточность приводит к заметному снижению продуктивности: куры несут яйца с тонкой скорлупой, коровы с трудом встают на ноги, настриг шерсти у овец падает.

Ударные дозы УФ-В облучения вызывают покраснение кожи (эритемы) – явление болезненное, но способствующее заживлению участков, пораженных

200