Электрические печи как потребители электроэнергии

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
 
А.И. АЛИФЕРОВ, Л.П. ГОРЕВА,  
Г.В. ГРАМОЛИНА 
 
 
 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ 
КАК ПОТРЕБИТЕЛИ 
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

УДК 621.365(075.8) 
А 502 
 
Работа подготовлена на кафедре АЭТУ для студентов  
III курса подготовки бакалавров по направлению 13.03.02  
и магистрантов II курса по направлению 13.04.02 
 
Рецензенты:  
д-р техн. наук, профессор В.Ю. Нейман  
д-р техн. наук, профессор В.Н. Тимофеев  
 
 
Алиферов А.И. 
А 502  
Электрические печи как потребители электроэнергии: учебное пособие / А.И. Алиферов, Л.П. Горева, Г.В. Грамолина. – 
Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. – 179 с.  

ISBN 978-5-7782-4250-0 

Учебное пособие посвящено характеристике электротехнологического оборудования – дуговых сталеплавильных, рудно-термических 
печей, установок индукционного, резистивного, специального нагрева – как нагрузки систем электропитания. Рассмотрены вопросы качества электроэнергии и его обеспечение при эксплуатации электротехнологического оборудования. Представлены реальные схемы электроснабжения электротехнологических установок. 
Предназначено для студентов III курса подготовки бакалавров 
ФМА по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (дисциплина «Электроснабжение и электрооборудование электротехнологических установок»), а также для магистрантов II курса ФМА 
по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» 
(дисциплина «Проблемы электромагнитной совместимости в электротехнологии»). Может быть полезно студентам и аспирантам электротехнических, электротехнологических специальностей, а также специалистам, разрабатывающим ситемы электроснабжения электротехнологических установок. 
 
УДК 621.365(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-4250-0 
© Алиферов А.И., Горева Л.П.,  
 
Грамолина Г.В., 2020 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2020 

ОГЛАВЛЕНИЕ  

 
Предисловие ............................................................................................................ 5 
1. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЖИМОВ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ 
ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ ............................................................................................... 7 
1.1. Основные понятия и определения .............................................................. 7 
1.2. Качество электроэнергии .......................................................................... 22 
1.2.1. Показатели и нормы качества электроэнергии ................................ 22 
1.2.2. Частотная разгрузка и поддержание частоты ................................... 31 
1.2.3. Меры по обеспечению качества напряжения ................................... 33 
1.2.4. Снижение уровня несинусоидальности питающего  
напряжения .......................................................................................... 36 
1.2.5. Симметрирование нагрузки ............................................................... 37 
1.3. Компенсация реактивной мощности потребителей ................................ 39 
1.3.1. Основные положения .......................................................................... 39 
1.3.2. Мероприятия по уменьшению реактивных нагрузок ...................... 40 
1.3.3. Компенсирующие устройства для реактивных нагрузок ................ 41 
1.3.4. Виды источников поперечной компенсации .................................... 43 
1.3.5. Устройства динамической компенсации колебаний  
напряжения .......................................................................................... 46 
1.3.6. Установки продольной компенсации (УПК) .................................... 51 
2. ДУГОВЫЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ .................................................... 53 
2.1. Система электроснабжения дуговой печи ............................................... 54 
2.1.1. Схемы электроснабжения дуговых сталеплавильных печей .......... 54 
2.1.2. Печной трансформатор ....................................................................... 59 
2.1.3. Вторичный токоподвод ...................................................................... 60 
2.1.4. Электрическая дуга ............................................................................. 64 
2.2. ДСП как потребитель электроэнергии ..................................................... 66 
2.2.1. Техническая характеристика дуговых сталеплавильных печей ........ 66 
2.2.2. Технологический процесс .................................................................. 67 

2.3. Влияние ДСП на питающую сеть («фликер-эффект») ........................... 70 
2.4. Дуговые печи постоянного тока ............................................................... 78 
3. РУДНО-ТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ КАК ПОТРЕБИТЕЛИ 
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ........................................................................................ 83 
3.1. Общая характеристика рудно-термических печей .................................. 83 
3.2. Схемы электроснабжения РТП ................................................................. 92 
4. ИНДУКЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ И УСТАНОВКИ 
ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА КАК ПОТРЕБИТЕЛИ  
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ........................................................................................ 97 
4.1. Индукционные электрические печи и основные характеристики 
их электрической нагрузки ........................................................................ 97 
4.2. Схемы электроснабжении индукционных печей .................................. 113 
5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ И УСТАНОВОК 
ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО НАГРЕВА КАК ПОТРЕБИТЕЛЕЙ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ..................................................................... 117 
5.1. Характеристики печей сопротивления как потребителей электрической энергии .......................................................................................... 117 
5.2. Схемы электроснабжения печей сопротивления .................................. 130 
5.3. Характеристики установок электроконтактного нагрева как  
потребителей электрической энергии .................................................... 134 
6. ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТАНОВОК СПЕЦЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИИ КАК ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ .................................... 137 
6.1. Печи электрошлакового переплава и литья ........................................... 137 
6.2. Дуговые вакуумные печи ........................................................................ 147 
6.3. Плазменные дуговые печи и установки ................................................. 150 
6.4. Высокочастотные плазменные установки ............................................. 160 
6.5. Установки ионного нагрева .................................................................... 161 
6.6. Электронно-лучевые установки.............................................................. 162 
6.7. Схемы электроснабжения печей спецэлектрометаллургии ................. 169 
6.7.1. Вакуумные дуговые печи и печи электрошлакового переплава ..... 169 
6.7.2. Плазменные и электронно-лучевые установки .............................. 175 
Библиографический список ............................................................................... 177 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
К созданию этого учебного пособия было несколько предпосылок. 
Самая очевидная и объективная – это требования учебного процесса по 
программам «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» 
и «Автоматизированные электротехнологическике комплексы». В первой из них есть дисциплина «Электроснабжение и электрооборудование электротехнологических установок», во второй – дисциплина 
«Проблемы электромагнитной совместимости в электротехнологии».  
По электроснабжению есть литература, изданная еще в прошлом 
веке. Это базовая литература по данной дисциплине. Основной работой в этой области является учебное пособие «Электрооборудование и 
электроснабжение электротермических, плазменных и лучевых установок» Ю.М. Миронова и А.Н. Мироновой – коллег из Чувашского 
государственного университета им. И.Н. Ульянова. Оно было издано в 
1991 г. Однако в последние десятилетия внедрены различные инновации в области конструирования и эксплуатации электротехнологических установок (ЭТУ). Особенно ярко это проявилось в электрометаллургии стали. Также широко развивается элементная база и номенклатура электрических и электронных аппаратов, позволяющая формировать эффективные системы электроснабжения ЭТУ.  
При решении задач электромагнитной совместимости необходимо 
глубоко понимать физические причины, формирующие электротехнический «портрет» конкретной ЭТУ. Учебников, исчерпывающим образом освещающих эти вопросы, нет. Поэтому возникла идея объединить 
вопросы электроснабжения и электромагнитной совместимости в одном учебном пособии. 
Вторая предпосылка носит субъективный характер. Авторы пособия вдохновились серьезной работой известного в нашей стране специалиста в области электротехнологии, действительного члена Академии электротехнических наук Российской Федерации Роберта Викторовича Минеева. Он приложил немало сил и средств для того, чтобы 

передать другим свой многолетний опыт. Он издал монографию 
«Энергосбережение в промышленности (на примере электрических 
печей)» и презентовал ее всем своим знакомым электротехнологам, в 
том числе и профессору А. И. Алиферову. Это своего рода профессиональный подвиг, перед которым авторы данного пособия глубоко преклоняются. 
В своей монографии Роберт Викторович рассмотрел основные особенности построения систем электроснабжения электротермических 
установок, характеристики различных видов электропечей как потребителей энергии, провел анализ эффективности их использования для 
решения задач ресурсо- и энергосбережения и показал направления 
оптимизации режимов энергопотребления в дуговых сталеплавильных, 
рудно-термических, индукционных электропечах и электропечах сопротивления; рассмотрел способы снижения отрицательного воздействия электропечей на качество электроэнергии питающих сетей и режимы эксплуатации электропечей при ограничениях энергоснабжения 
со стороны энергосистем. Это объемная, многогранная работа, материалы которой еще не до конца осмыслены. В данном учебном пособии 
характеристики электротехнологического оборудования были бы неполными без практических данных об эксплуатации ЭТУ в промышленности, почерпнутых из этой монографии.  
При подготовке разделов рукописи, связанных с электромагнитной 
совместимостью в ЭТУ, был обобщен опыт научно-исследовательской 
работы сотрудников кафедры автоматизированных электротехнологических установок Новосибирского государственного технического 
университета. 
 
 

1. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  
РЕЖИМОВ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ  
ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ 

1.1. Основные понятия и определения  

При описании электрических печей как объектов электроснабже
ния рассмотрим основные исходные понятия и определения. 

Промышленное электротехнологическое оборудование традицион
но подразделяется на электрические печи, электротехнологические 
устройства и электротермические агрегаты. 

Электрические печи (электропечи) – это электротехнологическое 

оборудование, предназначенное для преобразования электрической 
энергии в тепловую и имеющее нагревательную камеру, в которую 
помещается нагреваемый продукт. 

Электротехнологические устройства отличаются от электропечей 

отсутствием нагревательных камер. 

Электротермические агрегаты представляют собой совокупность 

конструктивно связанных электропечей или электротехнологических 
устройств, обеспечивающих проведение комплексного технологического процесса. 

Комплект электротехнологического оборудования с элементами 

сооружений, приспособлениями и коммуникациями (электрическими, 
транспортными, воздушными, водяными и др.), обеспечивающими его 
нормальное функционирование, называется электротехнологической 
установкой (ЭТУ). 

Электропечной установкой называют ЭТУ, в которой в качестве 

электротехнологического оборудования используется электропечь.  
В целях сокращения наряду с термином «электропечь» будем использовать в дальнейшем также термин «печь». 

Как потребитель электроэнергии электрическая печь представляет 

собой совокупность электроприемников, для характеристики которых 

используются общепринятые показатели: номинальная мощность, род 
тока, частота, номинальное напряжение, режим работы, категория 
обеспечения надежности электроснабжения. 

За номинальную мощность ЭТУ, оборудованных индивидуальны
ми трансформаторами (дуговые сталеплавильные печи, рудовосстановительные печи, печи электрошлакового переплава, отдельные виды 
индукционных печей и печей сопротивления), принимается номинальная мощность этих трансформаторов 
ном,
S
 кВ·А или MB·A (для мощ
ных установок). 

За номинальную мощность индукционных печей, оснащенных 

конденсаторными устройствами, печей сопротивления, электронных и 
плазменных плавильных печей принимается активная мощность 
ном,
P
 

кВт, которую может выделить нагревательная установка. 

При совместном питании электроприемников основного (электро
технологического) оборудования и вспомогательных механизмов от 
одного источника за номинальную мощность ЭТУ принимается сумма 
номинальных мощностей всех ее электроприемников. В остальных 
случаях номинальные мощности основного оборудования и вспомогательных механизмов учитывают отдельно. 

Паспортную мощность электроприемников повторно-кратковре
менного режима эксплуатации приводят к номинальной мощности 
длительного режима (ПВ = 100 %): 

 
ном
пасп
пасп
ном
пасп
пасп
ПВ
;    
ПВ
P
Р
S
S


,  
(1.1) 

где 
пасп
пасп
пасп
, 
, ПВ
P
S
 – паспортные данные об активной и полной 
мощности и относительной продолжительности включения электроприемника. 

Групповая номинальная мощность ЭТУ равна сумме номинальных 

мощностей отдельных установок. 

Электротехнологические установки в подавляющем большинстве 

работают на переменном трехфазном или однофазном токе промышленной частоты 50 Гц. При этом дуговые сталеплавильные печи (ДСП) 
и рудно-термические печи (РТП) являются, как правило, установками 
трехфазного тока, а дуговые печи косвенного нагрева – установками 
однофазного тока. Индукционные печи (ИП), печи сопротивления 
(ПС) и печи электрошлакового переплава (ЭШП) могут быть как трехфазными, так и однофазными. 

Повышенные частоты используют в некоторых видах индукцион
ных печей и в индукционных установках сквозного нагрева и поверхностной закалки. Переменный ток пониженной частоты (менее 50 Гц) 
для питания электротехнологического оборудования находит применение, например, в миксерах сопротивления, применяемых для получения алюминиевых сплавов определенного химического состава.  
В них пониженная частота (0,4…1,0 Гц) применяется в устройстве 
электромагнитного перемешивания расплава. 

Потребителями постоянного тока в электротехнологии являются 

дуговые вакуумные печи (ВДП), электронно-лучевые установки 
(ЭЛУ), плазменно-дуговые установки (ПДУ) и дуговые сталеплавильные печи постоянного тока (ДСП ПТ). 

Для получения переменного тока повышенной частоты и постоян
ного тока применяются тиристорные преобразователи, силовые выпрямители и параметрические источники питания. С точки зрения 
электроснабжения указанные установки являются приемниками переменного (в основном трехфазного) тока промышленной частоты. 

Рабочие напряжения электропечей во многих случаях не согласу
ются с номинальными напряжениями питающих сетей. Для согласования этих напряжений, а также для получения возможности регулирования мощности нагрева электропечи оборудуются специальными 
трансформаторами или автотрансформаторами. 

В соответствии с правилами устройства электроустановок (ПУЭ) 

печными трансформаторами или автотрансформаторами должны быть 
оборудованы установки промышленной частоты с дуговыми печами 
прямого, косвенного и комбинированного действия вне зависимости от 
напряжения и мощности, а также установки с печами индукционными 
и печами сопротивления, работающие на напряжении, отличающемся 
от напряжения электрической сети общего назначения, или при единичной мощности печей: однофазных – 400 кВт и более, трехфазных – 
1600 кВт и более. 
Выпрямительные и преобразовательные установки, входящие в 
комплект оборудования ЭТУ, проектируются с учетом подключения 
их к цеховым или внутризаводским высоковольтным сетям. 
Номинальные напряжения установок ДСП и РТП – 6, 10, 35, 110 и 
150 кВ, установок ЭШП – 6, 10, 35 кВ, индукционных установок и печей сопротивления, оснащенных печными трансформаторами – 0,38,  
6 и 10 кВ. При непосредственном присоединении к цеховым сетям печи сопротивления проектируются на напряжения 220, 380 и 660 В. 

По режиму работы основное оборудование ЭТУ согласно действу
ющей классификации разделяют на две группы: 1) установки с продолжительным (длительным) режимом работы и 2) установки с повторно-кратковременным режимом работы. 

К первой группе относятся электроплавильные и нагревательные 

установки непрерывного и непрерывно-циклического действия с длительностью цикла, превышающей 10 мин, ко второй – нагревательные 
установки периодического действия с длительностью цикла, не превышающей 10 мин. 

Электрооборудование вспомогательных механизмов работает в 

длительном, повторно-кратковременном или кратковременном режиме. 

В отношении обеспечения надежности электроснабжения электро
приемники разделяются на следующие три категории. 

Электроприемники I категории – электроприемники, перерыв элек
троснабжения которых может повлечь за собой: 

– опасность для жизни людей; 
– значительный ущерб народному хозяйству; 
– повреждение дорогостоящего основного оборудования; 
– массовый брак продукции; 
– расстройство сложного технологического процесса; 
– нарушение функционирования особо важных элементов комму
нального хозяйства. 

Из состава электроприемников I категории выделяется особая 

группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения 
угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования. 

Электроприемники II категории – электроприемники, перерыв 

электроснабжения которых приводит: 

– к массовому недоотпуску продукции; 
– массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного 

транспорта; 

– нарушению нормальной деятельности значительного количества 

городских и сельских жителей. 

Электроприемники III категории – все остальные электроприемни
ки, не подходящие под определения I и II категории. 

Электроприемники I категории должны обеспечиваться электро
энергией от двух независимых источников питания. При нарушении 

электроснабжения от одного из источников питания перерыв электроснабжения может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания от другого резервирующего источника питания. 

Для электроснабжения особой группы электроприемников I кате
гории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего 
независимого резервирующего источника питания. 

Электроприемники II категории рекомендуется обеспечивать элек
троэнергией от двух независимых взаиморезервирующих источников 
питания. При нарушении электроснабжения от одного из источников 
питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады. 

Электроснабжение электроприемников III категории может выпол
няться от одного источника питания при условии, что перерывы в 
электроснабжении, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента, не превышают одних суток. 

Категорию электроприемников основного оборудования и вспомо
гательных механизмов, а также объем резервирования электрической 
части определяют с учетом особенностей конструкции оборудования 
ЭТУ и предъявляемых действующими стандартными нормами и правилами требований к такому оборудованию, системам снабжения его 
водой, газами, сжатым воздухом, создания и поддержания в рабочих 
камерах давления или разрежения. 

На каждом предприятии электроприемниками I категории являют
ся противопожарные насосы и аварийное освещение. 

К электропотребителям I категории в ЭТУ относятся некоторые 

печи сопротивления, главным образом методические, которые при 
внезапных перерывах дают массовый брак, а у ряда печей при этом 
возникают и серьезные повреждения, например прогиб роликов в 
рольганговых печах. В печах специальной электрометаллургии (печи 
электрошлакового переплава, вакуумные дуговые, электронно-лучевые 
и плазменные установки) даже кратковременное отключение питания 
приводит к браку выплавляемого слитка, что вызывает значительный 
экономический ущерб. С возможностью предотвращения серьезных 
аварий связано питание по I категории и некоторых вспомогательных 
устройств электрических печей – приводов механизмов наклона плавильных печей, откачивающих систем вакуумных электропечей и т. д. 

Большинство ЭТУ являются потребителями II категории. К ним 

относятся: дуговые сталеплавильные печи, все типы рудно-терми

ческих печей, большинство печей сопротивления, индукционные плавильные печи, нагревательные установки промышленной и средней 
частоты, электропечи, установки высокой частоты и установки диэлектрического нагрева. 

К третьей категории относят электроприемники ЭТУ цехов и 

участков несерийного производства (кузнечных, штамповочных, прессовых, механических, механосборочных и окрасочных цехов и участков): инструментальных, сварочных, сборного железобетона, деревообрабатывающих и деревообделочных, экспериментальных, ремонтных, а также лабораторий, испытательных станций, гаражей, депо, административных зданий. 

Электропотребление ЭТУ в целом характеризуется графиком элек
трической нагрузки, режимом включения, производительностью, удельным расходом электроэнергии на единицу выпускаемой продукции и 
годовым фондом рабочего времени. Большинство ЭТУ являются потребителями не только активной, но и реактивной мощности. Поэтому для 
характеристики их режимов электропотребления используются графики 
полной ( ),
S t
 активной 
( )
P t  и реактивной нагрузки 
( ):
Q t   

 
2
2
( )
( )
( )
S t
P
t
Q
t


. 
(1.2) 

Графики активной нагрузки самостоятельно используются только 

для характеристики режимов электропотребления печей сопротивления и других электротехнологических установок, имеющих высокий 
коэффициент мощности, а также при анализе режимов нагрева ЭТУ 
различного вида. 

Графики нагрузки электротехнологических установок подразделя
ют на индивидуальные (их параметры обозначаются строчными буквами 
, 
( )
( ))
p t
q t
 и групповые (суммарные) (с обозначением параметров 

прописными буквами 
, 
( )
)),
(
P t
Q t
 получаемые при питании нескольких 

ЭТУ от одного ввода (одного силового трансформатора). 

Индивидуальные графики получают путем хронометража техноло
гического процесса с записью изменения электрических параметров 
самопишущими приборами, а также счетчиками электроэнергии.  
Для получения графиков нагрузки плавильных печей также используются плавильные карты или карты электрического режима, заполняемые операторами на каждую плавку, а также распечатки с ЭВМ автоматизированной системы управления технологическим процессом.