Автоматизированный электропривод машин и аппаратов химических производств

Министерство образование и науки рф

Бийский технологический институт (филиал)

Федерального государственного бюджетного высшего профессионального образования  «Алтайский государственный технический университет  им. И.И. Ползунова»

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра "Методов и средств измерений и автоматизации"_

 

 

Курсовой проект защищен с оценкой _____________________ Руководитель работы _________профессор д.н. каф.МСИА В.А Абанин (подпись,          должность,                      и.о. фамилия )

 

 

 

 

«Автоматизированный электропривод машин и аппаратов химических производств»

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К  КУРСОВОЙ РАБОТЕ

по дисциплине «Электротехника и промышленная электроника»

 

_________КР 240701.07.000ПЗ________

обозначение документа

 

 

 

 

 

 

Работу выполнил

студент(ка)  гр. ХТОСА-11____________________      А.И. Столярова

                                                                                        подпись,                                                          и.о.  фамилия

 

Руководитель

профессор д.н. каф. МСИА          ______________________   В.А. Абанин                                                                                           

                                                        подпись,                                          и.о.  фамилия

 

 

 

 

 

 

 

 

2013

 

Министерство образование и науки рф

Бийский технологический институт (филиал)

Федерального государственного бюджетного высшего профессионального образования  «Алтайский государственный технический университет  им. И.И. Ползунова»

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ №_7____

 

НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

 

По специальности 240701 – Химическая технология органических соединений азота  

 

студенту группы ____ХТОСА-11______ Столярова Анастасия Ивановна_________________________

                                                                                    фамилия, имя, отчество

 

Тема: Автоматизированный электропривод машин и аппаратов химических производств

 

 

 

 

 

Утверждено указание по кафедре МСИА от ______________________ № _______________

 

 

Срок исполнения работы____________________________________

 

 

Задание принял к исполнению       ________            _Столярова А.И.

                                                                 подпись ,                      фамилия, имя, отчество

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

БИЙСК 2013

 

СОДЕРЖАНИЕ

ЗАДАНИЕ	4
ВВЕДЕНИЕ	5
1 ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ	6
1.1 Задачи выбора электродвигателя	6
1.2 Выбор рода тока и напряжения двигателя	7
1.3 Выбор номинальной скорости двигателя	8
1.4 Выбор конструктивного исполнения двигателя	8
1.5 Выбор двигателя по мощности	9
1.6 Расчет мощности и выбор электродвигателя для длительного режима	9
2 АВТОМАТИЗАЦИЯ ПУСКА ДВИГАТЕЛЯ	11
3 КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПУСКОВОЙ  АППАРАТУРЫ	13
3.1 Контакторы переменного тока	13
3.2 Реле	14
3.3 Автоматические выключатели	15
4 УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ  АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ	19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	24
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ	25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ

Выбрать электродвигатель привода технологического аппарата по следующим исходным данным: нерегулируемый привод, не требующий больших пусковых моментов, при мощности <100 кВт. Вид автоматизированного пуска с реверсом и защитой По назначению привода определить тип двигателя. Выбранный двигатель работает в длительном режиме с переменной нагрузкой согласно нагрузочной диаграмме (рис. 1). Выбор двигателя осуществить по средней мощности нагрузки без проверки его по нагреву. Составить схему автоматизированного пуска двигателя. Описать конструктивные элементы двигателя и пусковой аппаратуры (реле, контактов, магнитных пускателей, автоматических выключателей).

 

 

 

Рисунок 1 – Нагрузочная диаграмма

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Асинхронная машина — это бесколлекторная машина переменного тока, у которой в установившемся режиме магнитное поле, участвующее в основном процессе преобразования энергии, и   ротор  вращаются с разными скоростями.

Наибольшее распространение получили асинхронные двигатели, причём из всех электрических двигателей они являются самыми распространёнными. Преимущества асинхронного двигателя состоят в простоте устройства, изготовления и эксплуатации, а также в большой надёжности и сравнительно низкой стоимости. Широкое применение находит трёхфазный асинхронный двигатель, изобретённый в конце 19 века М.О. Доливо-Добровольским. Используют также однофазный асинхронный двигатель. Трёхфазные двигатели применяют во всех отраслях народного хозяйства, однофазные – в основном в схемах автоматики, для привода электроинструмента, бытовых машин и т.п.

Промышленность выпускает асинхронные двигатели на рабочее напряжение от 127 В до 10 кВ, мощностью от долей ватта до нескольких тысяч киловатт. Однофазные асинхронные двигатели имеют мощность, как правило, не превышающую 0,5 кВт. Двигатели максимальной мощности изготовляются на напряжение 6-10 кВ. При частоте 50 Гц синхронная частота вращения двигателей различного типа колеблется от 500 до 3000 об/мин.

Асинхронные машины могут работать в режиме генератора. Но асинхронные генераторы как источники электрической энергии не применяются, т.к. они не имеют собственного источника возбуждения магнитного потока и могут работать параллельно с другими (синхронными) генераторами, имеющими лучшие показатели.

Асинхронные машины малой мощности используются как генераторы для измерения частоты вращения валов (тахогенераторы).

 

 

 

 

 

 

 

1 ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

1.1 Задачи выбора электродвигателя

Производительность механизма, качество выпускаемой им продукции или ход технологического процесса во многом зависят от электродвигателя. Правильный выбор типа двигателя и особенно его номинальной мощности имеют большое народнохозяйственное значение, поскольку определяют первоначальные затраты (капитальные вложения) и стоимость эксплуатационных расходов электропривода.

Отечественная электротехническая промышленность выпускает широкую номенклатуру типов электродвигателей различных диапазонов мощностей, частот вращения, конструктивного исполнения. Сведения о них имеются в специальных каталогах электродвигателей.

В каталогах приводятся номинальные данные о механической мощности двигателя, частоте вращения, напряжении, токе, к.п.д., а также о кратности (по отношению к номинальному) пускового тока, пускового и максимального моментов асинхронных двигателей. Кроме того, приводятся сведения о массогабаритных и установочных размерах электродвигателя, его конструктивном исполнении.

В задачу выбора электродвигателя входят:

• выбор рода тока и номинального напряжения;
• выбор номинальной частоты вращения;
• выбор конструктивного исполнения;
• определение номинальной мощности и выбор соответствующего ей двигателя по каталогу.

В производственных условиях не всегда требуется решать весь комплекс этих вопросов. Часть их бывает задана: род тока, напряжение, частота вращения. Основное значение при этом имеет правильное определение мощности и конструктивного типа двигателя.

      Прежде чем решать задачу выбора  электродвигателя, необходимо четко  представить себе работу механизма, для которого его подбирают: будет  ли двигатель с механизмом  работать длительно или кратковременно, с постоянной или регулируемой  скоростью, будет ли изменяться (и  как) момент сопротивления и мощность  при работе. Ответы на эти вопросы  может дать построение нагрузочных  диаграмм. Далее решают вопросы  выбора в перечисленной последовательности. [1, стр. 447]

1.2 Выбор рода тока и напряжения  двигателя

В основу этого выбора положены экономические соображения. Электродвигатели имеют высокую стоимость, так как являются сложными изделиями, в которых используются ценные электротехнические материалы, рассчитанные на длительный срок службы (20 лет). Поэтому выбор начинают с «примерки» пригодности для привода самых простых и дешевых двигателей – трехфазных асинхронных с КЗ–ротором и до самых сложных и дорогих – двигателей постоянного тока.

Составим примерную последовательность выбора типа электродвигателя в зависимости от его назначения.

Тип двигателя	Назначение
Асинхронный с КЗ–ротором нормального исполнения	Для нерегулируемого привода, не требующего больших пусковых моментов, при Р£100 кВт
Асинхронный с глубокопазным КЗ– ротором или с двойной клеткой	То же, если требуются большие пусковые моменты
Асинхронный с контактным кольцами	Частые пуски при больших пусковых моментах и небольших токах, регулирование скорости (реостатное регулирование неэкономичное)
Синхронный	Для нерегулируемого привода в длительном режиме, регулирование cos j (при Р³100 кВт СД экономичнее АД)
Постоянного тока	Регулирование скорости в широком диапазоне, обеспечение хороших пусковых качеств, перегрузочной способности

Выбор рода тока электродвигателя определяет и выбор его номинального напряжения, которое обычно берут равным напряжению источника электропитания цеха, завода, стройплощадки (чаще всего это трехфазная сеть с основным напряжением 380/220 В). Повышение или понижение напряжения для двигателей с помощью трансформаторов, применение выпрямителей для двигателей постоянного тока приводит к увеличению затрат на электрооборудование. [1, стр. 447]

1.3 Выбор номинальной скорости  двигателя

Высокая скорость электродвигателя позволяет уменьшить его габаритные размеры, массу и стоимость. Рабочие механизмы, наоборот, чаще требуют пониженных скоростей. Для согласования скоростей двигателя и механизма ставят редуктор, что удорожает электропривод. Вопрос о рациональном соотношении двигатель – редуктор решается конструктором при проектировании механизма и здесь не рассматривается. [1, стр. 448]

1.4 Выбор конструктивного исполнения  двигателя

Конструктивное исполнение современных серий электродвигателей учитывает три фактора: защиту от воздействия окружающей среды, обеспечение охлаждения и способ монтажа.

По способу защиты от воздействия окружающей среды электродвигатели изготовляют в защищенном, закрытом и взрывонепроницаемом исполнениях.

Защищенные от попадания мелких предметов и капель двигатели предназначены для работы в сухих непыльных помещениях.

Закрытые двигатели устанавливают в помещениях с повышенной влажностью, атмосферой, загрязненной пылью с металлическими включениями, парами масла или керосина.

Взрывозащищенные двигатели имеют корпус, способный выдержать взрыв газа внутри машины и исключающий при этом выброс пламени в окружающую среду. Они предназначены для работы во взрывоопасных помещениях (шахтах). На крышке коробки выводов этих двигателей отлит рельефный знак РВ – рудничный взрывобезопасный или ВЗГ – взрывобезопасный в газовой среде. Без этих знаков применение двигателей во взрывоопасных условиях запрещено. Нельзя также взамен закрытого двигателя устанавливать защищенный.

По способу охлаждения различают двигатели с естественным охлаждением, самовентиляцией внутренней или наружной и посторонним продувом (принудительное).

По способу монтажа имеются двигатели с горизонтальным расположением вала и станиной на лапах, с вертикальным расположением вала и фланцем на нижнем щите и т.д. Выбираемый двигатель должен иметь тот же способ установки, крепления и соединения с механизмом, что и заменяемый. [1, стр. 448]

1.5 Выбор двигателя по мощности

Завершающим этапом является определение номинальной мощности двигателя и выбор по ней в каталоге подходящего двигателя. Однако номинальную мощность просто определить только при длительной работе с постоянной нагрузкой, которую и принимают за номинальную. В подавляющем большинстве случаев момент, мощность и ток двигателя изменяются во времени. Нагрузочные диаграммы двигателей многих механизмов включают периоды работы и пауз. При подобной переменной

нагрузке двигатель должен удовлетворять условиям допустимого нагрева, обладать максимальным моментом, достаточным для преодоления возможных кратковременных перегрузок и при пуске с большой нагрузкой иметь избыточный пусковой момент для обеспечения разгона привода.

Поясним кратко эти условия. Во время работы в двигателе возникают потери энергии, которые превращаются в теплоту и нагревают обмотки и другие части электродвигателя. Допустимый нагрев определяется наименее теплостойким материалом двигателя, которым является изоляция обмоток. Срок ее службы практически определяет срок службы электродвигателя. Следовательно, мощность выбранного электродвигателя должна иметь такое значение, чтобы изоляция двигателя не перегревалась при наиболее тяжелых условиях работы привода.

Максимальный момент, характеризующий перегрузочную способность, а также пусковой момент определяются электромагнитными свойствами двигателя. [1, стр. 449]

1.6 Расчет мощности и выбор  электродвигателя 
для длительного режим работы

Определение номинальной мощности двигателя при длительной переменной нагрузке производят по методу средних потерь или по методу эквивалентных величин (тока, момента, мощности). Эти методы заключается в тепловой проверке выбранного двигателя. Двигатель выбирают по средней мощности нагрузки, определяемой по формуле [1, стр. 454]:

.

По этой формуле рассчитаем среднюю мощность нагрузки, при помощи нагрузочной диаграммы, данной по заданию (см. рис. 1):

По средней мощности выбираем в справочной литературе [3] двигатель марки 4А132М4У3, со следующими характеристиками:

 

Синхронная частота вра- щения, об/мин	Мощность, кВт	Скольжение, %	КПД,%	cosφ	Мmax Mном	Мп Mном	Мmin Mном	Imax Iном
1500	11	2,8	87,5	0,87	2,2	2	1,6	7,5

 

 

2 АВТОМАТИЗАЦИЯ  ПУСКА ДВИГАТЕЛЯ

2.1 Пуск  двигателя  с контактными кольцами.

 

При описании  конструкции асинхронных машин упоминалось о роторах с трехфазной обмоткой, соединенной звездой и подключенной к контактным кольцам. Посредством меднографитовых щеток к кольцам можно  подключать пусковой   реостат. Полное сопротивление пускового реостата рассчитывают так, чтобы ток статора был ограничен заданным значением. Перед пуском двигателя вводят пусковой реостат так, что сопротивление фазы роторной цепи становится равным R2+Rп. Соответствующая пусковая механическая характеристика оказывается смещенной относительно характеристики при естественном сопротивлении ротора. При этом ток ротора уменьшается, а пусковой момент возрастает. По мере разгона двигателя токи ротора и статора уменьшаются, и пусковой реостат Rп закорачивают. Рабочая точка переходит на естественную характеристику, соответствующую сопротивлению R2 . Рабочая точка перемещается по естественной механической характеристике, пока электромагнитный момент двигателя не станет равным противодействующему. Обычно реостат разбивают на 5-10 ступеней, которые автоматически закорачивают по мере разгона ротора. Схема автоматического выведения пускового реостата работает в функции времени или тока ротора.

Применение двигателей с контактными кольцами в некоторых случаях оправдано уменьшением времени пуска.

 

 

2.2 Автоматизация  пуска двигателя с реверсом и защитой.

Принципы автоматизации управления электродвигателями легче всего уяснить, начав рассмотрение с наиболее простой схемы автоматизации пуска, реверса и защиты короткозамкнутого асинхронного двигателя (рис 2). Аппаратура управления содержит: реверсивный магнитный пускатель, кнопочную станцию,  тепловые реле, предохранители, выключатель. Питание двигателя и цепи управления – от одной сети.

 

 

Рисунок 2 – Схема автоматизированного пуска, реверса и защиты.

При включении выключателя «Вкл.» схема готова к работе. Нажатием кнопки, например, «Вперед», включают катушку контактора В. Срабатывая, он замыкает свои главные контакты  В и присоединяет двигатель к сети. Одновременно замыкается его блок-контакт В, блокирующий кнопку «Вперед». Для остановки двигателя нажимают кнопку «Стоп». Цепь катушки контактора В разрывается, контактор отключается и отсоединяет двигатель от сети. Одновременное нажатие на кнопки «Вперед» и «Назад» исключено за счет механической связи контактов в цепях катушек В и Н.

Автоматическая защита двигателя  от длительных перегрузок осуществляется биметаллическими тепловыми реле РТ1 и РТ2, размыкающие контакты которых включены в цепь питания обмоток контакторов. От кратковременных пусковых токов реле не успевают сработать. При перегрузке реле срабатывают, выключая контактор: двигатель отключается от сети. Возврат контакторов после остывания биметаллической пластины производится вручную, после устранения причины перегрузки. Защита от токов короткого замыкания обеспечивается плавкими предохранителями. Они не срабатывают от пусковых токов. Предусмотрена так же «нулевая защита»: при исчезновении или значительном снижении напряжения сети контактор отключается и отсоединяет двигатель от сети.

 

 

 

 

 

 

 

3 КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПУСКОВОЙ  АППАРАТУРЫ

3.1 Контакторы переменного тока

Контактором называют электрические аппараты, предназначенные для включения и отключения силовых цепей (цепей питания электродвигателей и других мощных потребителей электроэнергии) с помощью электромагнитов.

По роду тока в главной силовой цепи контактора различают контакторы постоянного и переменного токов. В зависимости от назначения главной электрической цепи, включаемой и отключаемой главными контактами, контакторы бывают линейные, включающие и отключающие различные электрические цепи (обмотки электрических машин и т.д.), и контакторы ускорения, служащие для переключения ступеней пускового или регулировочного реостата.

 

 

Рисунок 3 – Устройство трёхполюсного контактора переменного

тока для коммутации трёхфазной цепи.

 

Работу контактора переменного тока поясним на примере рассмотрения рис.3. При включении катушки 1 в цепь управления возникает магнитный поток в магнитопроводе, состоящем из шихтованных ярма 2 и якоря 3. На якоре расположен короткозамкнутый виток (для устранения вибрации магнитной системы). Контактная группа — главные контакты 5, 6, вспомогательные контакты 7—9 — приводится в действие якорем 3, с которым она соединена валом 4.

На рис. 3 изображен трехполюсный контактор для коммутации в трехфазной цепи. Здесь показана только одна дугогасительная камера 11, чтобы было видно расположение силовых контактов 5, 6.

Электромагнитные контакторы переменного тока широко используют в магнитных пускателях — устройствах для дистанционного управления (включить — выключить) и автоматической защиты от перегрузок асинхронных электродвигателей.

3.2 Реле

Реле – это аппараты, которые производят автоматическое переключение контактов в цепи управления другого аппарата. Сами реле не производят переключения в главной цепи коммутирующего аппарата, который включает и отключает электроустановку, они только передают команду другому аппарату.

Изготовляют реле разнообразными по конструкции, выполняемым функциям и принципу действия. По параметру, на изменение которого реагируют реле, различают реле токовые, напряжения, мощности, частоты, тепловые, газовые и др. По принципу действия воспринимающих органов реле бывают электромагнитные, поляризованные, индукционные, электродинамические, ионные и др.

Тепловое реле предназначено в основном для защиты электродвигателей от длительных перегрузок на 10–20%. Наибольшее распространение имеют реле с биметаллической пластиной, принцип действия которого поясняется на рисунке 4.

Нагревательный элемент 1 включают последовательно с электрической цепью, которую надо защищать. Поэтому протекающий по нему ток I является током нагрузки. Теплота, выделяемая нагревательным элементом, нагревает расположенную рядом биметаллическую пластину 2. Эта пластина выполнена из двух материалов с разным тепловым коэффициентом линейного расширения (нижняя пластина имеет больший коэффициент расширения). Если по цепи протекает ток, не превышающий номинального значения, то количества теплоты, выделяемой нагревательным элементом, недостаточно для распрямления пластины 2.

 
Рисунок 4 – Принцип действия теплового реле с биметаллической пластиной

При перегрузках двигателя ток в цепи превышает номинальное значение и нагревательный элемент выделяет теплоты больше. Через некоторое время деформация свободного конца биметаллической пластины приводит к ее распрямлению и рычаг 3 освобождается. Под действием пружины 6 рычаг 3 поворачивается против часовой стрелки и контакты 5, включенные в цепь управления контактора, размыкаются, отключая двигатель. Через некоторое время пластина 2 остынет, примет свою первоначальную форму и тогда с помощью кнопки возврата 4 вручную можно возвратить рычаг 3 в рабочее положение и замкнуть контакты 5. Реле снова готово к работе. Обозначение на электрических схемах нагревательных элементов и контактов тепловых реле приведено в таблице 1.

Для нагревания биметаллической пластины требуется значительное время даже при очень большом токе нагрузки. Поэтому тепловое реле не может надежно защищать от токов короткого замыкания и его используют для защиты от длительного протекания токов, незначительно превышающих номинальный (это может быть вызвано перегрузкой двигателя или перегоранием предохранителя в одной фазе). Значение тока срабатывания реле, т.е. тока, при котором тепловое реле размыкает свои контакты, выбирается по номинальному току электродвигателя. Изменить ток срабатывания можно заменой нагревательного элемента, изменением расстояния между нагревательным элементом и биметаллической пластиной и другими способами (в зависимости от конструкции реле).

3.3 Автоматические выключатели

Автоматический выключатель (или автомат, как его часто называют) является коммутирующим аппаратом, предназначенным для автоматического отключения цепи при возникновении в ней короткого замыкания, перегрузки или снижении напряжения и для нечастых ручных включений и отключений цепей при нормальных режимах работы. Таким образом, некоторые конструкции автоматических выключателей объединяют в себе функции рубильника, предохранителя и теплового реле. В отличие от контактора автоматический выключатель выполняет функции защиты электроустановки, он может отключать большие токи короткого замыкания.

Автоматические выключатели применяют в сетях переменного и постоянного тока напряжением до 1000 В. Они бывают одно-, двух-, и трехполюсные, имеют пластмассовый корпус. Для гашения дуги применяют камеры с дугогасительными решетками. У некоторых автоматических выключателей вместо рукояток управления имеются соленоиды включения и отключения.

Измерительным органом, контролирующим значение тока или напряжения, при которых автоматический выключатель должен отключать электрическую цепь, является расцепитель, по типу которого автоматические выключатели подразделяют на автоматические выключатели с электромагнитным расцепителем и автоматические выключатели с комбинированным расцепителем (т. е. имеющие независимо действующие электромагнитный и тепловой расцепители).

Автоматические выключатели максимального тока, отключающие цепь при превышении током заданного значения, имеют электромагнитный расцепитель, принцип действия которого показан на рисунке 5, а. Катушка электромагнита 8 включена последовательно с защищаемой цепью. Если ток в цепи превышает заданное значение, сердечник 7 притягивает к себе якорь 6, удерживаемый пружиной 5, защелка 3–4 освобождается и пружина 1 отключает выключатель 2. Ток срабатывания, при котором автоматический выключатель отключает цепь, можно отрегулировать натяжением пружины 5 в пределах (1÷2)Iном. Время отключения составляет 0,05–0,15 с, поэтому он называется автоматическим выключателем мгновенного действия. Иногда в цепи возникает кратковременная неопасная перегрузка, при которой не надо отключать цепь. Тогда автоматический выключатель максимального тока должен иметь устройство, обеспечивающее выдержку времени, т.е. допускающее работу в течение нескольких секунд при токе, превышающем его ток срабатывания. Принцип получения выдержки времени показан на рисунке 5, б. Здесь зубчатая система 4 не позволяет электромагнитной системе мгновенно притянуть якорь к сердечнику. Если повышенное значение тока исчезает раньше момента соприкосновения якоря с сердечником, то пружина 5 оттягивает якорь в исходное положение и автоматический выключатель не размыкает цепь.

 
Рисунок 5 – Принцип действия автоматических выключателей с электромагнитным расцепителем

Принцип действия автоматического выключателя с тепловым расцепителем аналогичен принципу действия теплового реле. Эти автоматические выключатели не могут надежно защищать от коротких замыканий. Как и тепловые реле, они защищают лишь от длительных перегрузок. Автоматические выключатели с комбинированным расцепителем имеют электромагнитный расцепитель, реагирующий мгновенно на ток короткого замыкания, и тепловой, реагирующий на ток длительной перегрузки.