Расчет и выбор электрических аппаратов

Федеральное агентство по образованию 

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

«Омский государственный  технический университет»

Кафедра «Электрическая техника»

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

к курсовому проекту

на тему: “Расчет и  выбор электрических аппаратов

для электроприводов и  систем электроснабжения”

Вариант № 29

 

 

 

 

 

 

                                                                             Выполнила: студентка гр. ЭЭб-319

                                                                                    Тацюк К.П.

                                                        Проверил: доцент, к.т.н

                                                                                   Мирошник А.И.

 

 

 

 

Омск  2012

 

Задание к курсовой работе:

 

К участку схемы электроснабжения подключены следующие приемники  электрической энергии:

1. Два асинхронных низковольтных электродвигателя, предназначенные для приведения в движение двух реверсивных исполнительных органов (ИО) с линейным перемещением и автоматизацией их работы в функции пути и времени.

2. Один асинхронный низковольтный электродвигатель, предназначенный для привода компрессора.

3. Нагревательная установка.

4. Осветительная установка.

 

В данной работе необходимо решить следующие задачи:

 

1. Составить (разработать) принципиальную схему реверсивного электропривода и схему электропривода поршневого компрессора. Описать принцип работы.

2. Составить (разработать) схему электроснабжения приемников электроэнергии.

3. Выбрать типы электродвигателей и определить токи, потребляемые электроприемниками.

4. Выбрать сечение и марки питающих кабелей.

5. Выбрать типы шкафов и пунктов для приема и распределения электрической энергии, а также выбрать типы коммутационных, защиты и других аппаратов.

 

 

 

Исходные данные:

 

1.  Номинальная мощность электродвигателя первого ИО (механизма)

;
.

2.  Номинальная мощность электродвигателя второго ИО (механизма)

;
.

3. Номинальная мощность электродвигателя компрессора

;
.

4. Номинальная мощность нагревательной установки

.

5. Номинальная мощность осветительной установки

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Содержание

Введение………………………………………………………………………….6

  1. Электрические схемы электроприводов…………………………………7

1.1 Электрическая схема  привода двух разнотипных реверсивных

 исполнительных органов  с линейным движением……………………..7

1.2 Описание работы схемы электропривода двух разнотипных

реверсивных исполнительных органов с линейным движением………..8

1.3 Электрическая схема  привода поршневого компрессора……………9

1.4 Описание работы схемы  автоматического управления 

электроприводом поршневого компрессора…………………………….11

  1. Схема электроснабжения приёмников электрической энергии……....12
  2. Выбор типов электродвигателей, ламп накаливания и марки нагревательных элементов. Расчёт номинальных токов низковольтных потребителей электрической энергии………………………………….13
  3. Выбор марки и сечения питающих кабелей…………………………...16

4.1 Выбор марки и сечения  питающего кабеля………………………..16

4.2 Выбор марок и сечений  кабелей и проводов  для питания  электродвигателей………………………………………………………16

4.3 Выбор проводов для  питания осветительной и нагревательной  установок…………………………………………………………………17

  1. Выбор силового и распределительного шкафа (пункта). Выбор аппаратов устанавливаемых в них……………………………………..18

5.1 Выбор силового распределительного  шкафа……………………...18

5.2 Выбор рубильника, установленного  в силовом шкафу…………..18

5.3 Выбор предохранителей  силового шкафа…………………………18

5.4 Выбор силового распределительного  пункта……………………..19

5.5 Выбор воздушного автоматического  выключателя QF1 распределительного  пункта…………………………………………….19

5.6 Выбор автоматов QF2, QF3, QF5, QF6 для электродвигателей M1 и М2, осветительной и нагревательной установок……………………...21

 

 

 

 

 


  1. Выбор электрических аппаратов для управления электродвигателями, нагревательной и осветительной установками…………………………24

6.1 Выбор магнитных пускателей  для электродвигателей M1 и M2….24

6.2 Выбор  контактора  для электродвигателя МЗ……………………..24

6.3 Выбор магнитных пускателей  КМ6 и КМ7 для управления

осветительной и нагревательной установками………………………...25

6.4 Выбор электротепловых  реле для защиты от перегрузок  электродвигателей М1, М2, М3………………………………………...25

  1. Выбор аппаратов для схемы управления привода двух исполнительных разнотипных реверсивных органов с линейным движением…………27

7.1 Выбор кнопок управления SB1 и SB2 и реле времени КТ………..27

7.2 Выбор кнопочных выключателей  SQ1, SQ2, SQ3, SQ4…………..27

7.3 Выбор промежуточных  реле KV1, KV3 и диодов однофазной мостовой схемы………………………………………………………….29

  1. Выбор аппаратов для схемы управления электроприводом поршневого компрессора……………………………………………………………...31

8.1 Выбор кнопок управления  SB1, SB2, SB3, SB4, реле времени и диодов выпрямительного моста………………………………………..31

8.2 Выбор промежуточных  реле KV1 – KV10, сигнальных ламп и резисторов……………………………………………………………….32

8.3 Выбор понижающих трансформаторов  TV1, TV2 и предохранителей FU5…………………………………………………..33

8.4 Выбор датчиков давлений  и температуры………………………..33

Заключение……………………………………………………………...35

Библиографический список……………………………………………36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Введение

В настоящее время под  электрическими аппаратами понимают электротехнические устройства управления потоком энергии  и информации. При этом речь может  идти о потоках энергии различного вида: электрической, механической, тепловой и других. Например, потоком механической энергии от двигателя к технологической  машине может управлять электромагнитная муфта. Потоками тепловой энергии можно  управлять при помощи электромагнитных клапанов и заслонок.

Однако наибольшее распространение  получили электрические аппараты управления потоками электрической энергии  для изменения режимов работы, регулирования параметров, контроля и защиты электротехнических систем и их составных частей. Как правило, функции таких электрических аппаратов осуществляется посредством коммутации (включения и отключения) электрических цепей с различной частотой, начиная от относительно редких, нерегулярных значений, до периодических высокочастотных, например, в импульсных регуляторах напряжения.

В электротехнических комплексах и системах применяют различные  электрические и электронные  аппараты. Эти аппараты отличаются между собой устройством, принципом  работы, конкретным назначением и  областью применения, номинальными параметрами, техническими характеристиками, а также  графическими буквенными обозначениями.

Современные высокие требования к качеству технологического процесса и производительности различных  механизмов могут быть обеспечены только на основании применения автоматизированных электроприводов. Успех работы автоматизированного  электропривода зависит в значительной мере от индивидуальных свойств отдельных  аппаратов и устройств, а также  от их совместной работы.

Для понимания современных  электротехнических систем автоматизированного  электропривода, умения их анализировать  и рассчитывать необходимо знать, кроме  устройства и принципа работы аппаратов  и их функциональные свойства относительно входных и выходных параметров.

 

 

 

 

 

 

 

 


1. Электрические схемы  электроприводов

 

1.1 Электрическая схема  привода двух разнотипных реверсивных

 исполнительных органов  с линейным движением

 

По условию задания  составляем электрическую схему  электропривода двух разнотипных реверсивных  исполнительных органов с линейным движением (рис.1)

На схеме (рис.1) представлены буквенные обозначения электродвигателей  и аппаратов:

  • QF – автоматический воздушный выключатель (автомат);
  • М – электродвигатель;
  • SB – выключатель кнопочный;
  • КМ – магнитный пускатель;
  • КК – реле электротепловое;
  • QS – рубильник;
  • TV – понижающий трансформатор;
  • КT – реле времени;
  • KV – промежуточное реле;
  • SQ – путевой выключатель.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1

 Схема автоматического  управления электроприводом 

двух исполнительных органов  с линейным движением

 

1.2 Описание работы схемы электропривода двух разнотипных

реверсивных исполнительных органов с линейным движением

 

Включают автоматы QF2 и QF3. Включается реле KV3.

При нажатии на замыкающую кнопку SB1 (рис.1) подается питание на катушку управления магнитного пускателя  КМ1. В результате замыкаются контакты КМ1 в силовой цепи, подключая асинхронный двигатель М1 к сети переменного трехфазного напряжения. Одновременно замыкается блок-контакт КМ1, шунтируя кнопку SB1, что позволяет ее отпустить. Движущийся первый ИО перемещается из точки 1 в точку 2, первый ИО нажимает на путевой выключатель SQ2, при этом верхний его контакт замыкается, а нижний размыкается. В результате размыкания нижнего контакта разорвется цепь питания катушки КМ1 и двигатель отключается от сети. Замыкание верхнего контакта SQ2 обеспечивает подачу напряжения на катушку реле времени КТ. Через заданное время контакт КТ замыкается, что создает цепь для питания катушки магнитного пускателя КМЗ. Его включение обеспечивает перемещение второго ИО из точки 3 в точку 4

электродвигателем М2. Достигнув точки 4, второй ИО приводит к срабатыванию путевого выключателя SQ4 и к переключению контактов промежуточного реле KV2. В результате чего получают питание катушки пускателей КМ2 и КМ4, которые включают электродвигатели M1 и М2 с обратным направлением вращения, обеспечивая перемещение движущихся исполнительных органов из точки 2 в точку 1 и из точки 4 в точку 3 соответственно. При достижении движущимися ИО точек 1 и 3 путевыми выключателями SQ1 и SQ3 разрывается цепь катушек пускателей КМ2 и КМ4 и электродвигатели отключаются от сети.

Для предотвращения случайной  подачи питания на магнитный пускатель  КМ1 при уже включенном КМ2 в цепь катушки реле КТ введен размыкающий контакт промежуточного реле KV1, катушка которого получает питание одновременно с катушкой КМ2.


1.3 Электрическая схема  привода поршневого компрессора

Исходя из условия задания, составляем электрическую схему  автоматизированного электропривода поршневого компрессора (рис.2). По заданию, асинхронный низковольтный электродвигатель мощностью 90кВт, подключенный к участку  электрической сети, предназначен для  привода компрессора.

На схеме (рис.2) представлены буквенные обозначения:

  • QF – автоматический воздушный выключатель;
  • КМ – магнитный пускатель;
  • КК – реле электротепловое;
  • М – электродвигатель;
  • SB – выключатель кнопочный;
  • KV – промежуточное реле;
  • FU – предохранитель плавкий;
  • КТ – реле времени;
  • VD – силовой неуправляемый кремниевый диод;
  • TV – понижающий трансформатор;
  • R – резистор сопротивления;
  • HL – сигнальная лампа;
  • SP1 – контроль давления воздуха в ресивере;
  • SP2.1 – контроль максимального давления воздуха в холодильнике;
  • SP2.2 – контроль минимального давления воздуха в холодильнике;


  • SP3 – контроль давления охлаждающей жидкости компрессора;
  • SP4 – контроль давления масла подводимого к подшипникам для смазки;
  • FP – контроль температуры масла смазки;
  • YA1 – клапан электрогидравлический (подача охлаждающей жидкости);
  • YA2 – клапан электрогидравлический (выход воздуха из компрессора в атмосферу запрещен).

 

 
1.4 Описание работы схемы  автоматического управления 


электроприводом поршневого компрессора

 

Асинхронный двигатель компрессора  запускается с места установки  компрессора с помощью кнопки пуска SB3, а также из диспетчерской  кнопкой SB1. Разрешение на пуск осуществляется с помощью реле KV2, если давление в воздухосборнике меньше нормы. При этом контакт реле давления SP1.2 в цепи реле KV2 замкнут, на катушку  реле KV2 подается напряжение, и замыкающий контакт KV2 в цепи линейного контактора КМ5 замкнут. После включения контактора КМ5, получает питание катушка электрогидравлического клапана UA1, который подает охлаждающую  воду в компрессор. Через определенное время, посредством контакта реле времени  КТ, получает питание реле KV4, которое  включает клапан YА2. Этот клапан закроет выход воздуха из компрессора в атмосферу. Выдержка реле времени КТ несколько превышает время пуска двигателя, благодаря чему клапан YА1 открыт и пуск двигателя облегчается.

Если расход воздуха невелик, и давление в ресивере превосходит  норму, то замыкается контакт SP1.1 в цепи реле KV3. Последнее своим размыкающим  контактом отключает реле KV2. Цепь контактора КМ5 теряет питание, и двигатель  отключается от сети.

Когда потребление воздуха  возрастает, и давление в ресивере снизится по сравнению с нормой, реле давления замкнет свой верхний  контакт SP1.2 и включит реле KV2. Катушка  контактора снова получит питание, и компрессор включится в работу аналогично предыдущему описанию.

Схема обеспечивает автоматическое отключение двигателя, если выходят  за пределы нормы давления воздуха  в холодильнике, давление охлаждающей  воды и масла, подводимого к коренным подшипникам, а также температура  масла. Указанные параметры контролируются с помощью реле: SP2, SP3, SP4 и температурного реле FP. Сигналы на отключение двигателя  подаются через реле KV5 – KV9 на реле KV10, которое производит аварийное  отключение контактора КМ5.

 

 

 


2. Схема электроснабжения  приёмников электрической энергии

Схема электроснабжения (рисунок  3) составлена с учетом всех требований и норм в обеспечении приемников электроэнергией.

В схему включены два шкафа, предназначенные для приема и  распределения электрической энергии  к группам потребителей, коммутационные аппараты и защиты электроустановок от опасных режимов работы.

В схеме используются следующие  обозначения:

  • ШС – шкаф силовой;
  • ШР – шкаф распределительный;
  • QS – рубильник;
  • FU – предохранитель;
  • QF1 – выключатель автоматический, вводной;
  • QF2 – QF6 – выключатели автоматические, линейные;
  • КМ1 – КМ6 – магнитные пускатели;
  • HL – лампа накаливания;
  • R – нагревательные элементы;
  • КК1 – ККЗ – реле тепловые;
  • М1 – МЗ – асинхронные двигатели.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3

Схема электроснабжения приемников электрической энергии


3. Выбор типов электродвигателей,  ламп накаливания и марки нагревательных  элементов. Расчёт номинальных  токов низковольтных потребителей  электрической энергии

 

Расчет номинальных токов  низковольтных потребителей электрической  энергии необходим для выбора марок и сечений питающих проводов и кабелей, а также для выбора коммутационных аппаратов и аппаратов  защиты.

По данным мощностям и  числу оборотов двигателей из справочника  выбираем марки двигателей серии 4А.

Двигатель М1: марка 4А200М6У3, параметры: скольжение 2,5 %,   КПД = 90%, .

      

Двигатель М2: марка 4А160S6У3, параметры: скольжение 3%,          КПД = 86%, .

      

Двигатель М3: марка 4А355S12У3, параметры: скольжение 2%,       КПД = 91,5 %,  .

      

Номинальный рабочий ток  потребителя электрической энергии  определяем по формуле:

,

где Р1 – потребляемая мощность электродвигателем, Вт;

Uл.ном – номинальное линейное напряжение сети, В;

cosYH – номинальный косинус угла сдвига фаз.

Потребляемая мощность Р1 определяется по выражению:

,где          η – КПД электродвигателя.

Номинальное линейное напряжение сети принимаем равным 380В.

Определяем номинальный  рабочий ток электродвигателя М1:

;

.

Определяем номинальный  рабочий ток электродвигателя М2:

;

.

Определяем номинальный  рабочий ток электродвигателя М3:

;

.

Определяем номинальный  рабочий ток осветительной установки  по формуле:

,

где POC – данная по условию мощность осветительной установки,

cosYHOC =1.

.

Определяем номинальный  рабочий ток нагревательной установки:

,

где PН – данная по условию мощность нагревательной установки, cosYHНУ =1.


Определяем номинальный  рабочий ток, который течет в  силовом кабеле по формуле:


,

где – суммарная потребляемая мощность всех низковольтных потребителей электрической энергии, cosYCP – косинус угла сдвига средневзвешенный.

;

;

;

;

.

Таким образом, ток, который  течет в силовом кабеле, равен  250,93А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Выбор марки и сечения питающих проводов и кабелей

4.1 Выбор марки и сечения  питающего кабеля

 

Выбираем марку и сечение  силового питающего кабеля по токоведущим  жилам, которого протекает ток, равный 250,93А.

Магистральная линия силовой  сети напряжением 380В прокладывается в земле. Принимаем марку кабеля ААШВ: четырехжильный питающий кабель с алюминиевыми жилами, с бумажной изоляцией (пропитанной маслоканифольной и нестекающей массой), рассчитанный на напряжение до 1000В, длительно допустимую токовую нагрузку 270 А, сечение жил 120мм².

Условие выбора кабеля выполняются:

1)

;  
,


2) ;      .

 где Iнвп – номинальный ток плавких вставок предохранителей типа ПН2-400, устанавливаемых в силовом шкафу.

 

4.2 Выбор марок и сечений  кабелей и проводов  для питания  электродвигателей

 

Выбор провода для питания  электродвигателя М1, М2, М3 необходимо проводить с учетом номинального тока, потребляемого этим двигателем.

Номинальный ток, потребляемый электродвигателем М1 равен 41,266 А. Исходя из этого принимаем четыре одножильных провода марки АПВ, проложенных в трубе. Провода марки АПВ с алюминиевой жилой и поливинилхлоридной изоляцией, сечение жилы 16мм2, длительно допустимая токовая нагрузка 55А, рабочее напряжение 380В.

Условия выбора провода выполняются:

;  
.

 

Номинальный ток, потребляемый электродвигателем М2 равен 22,597А.

Принимаем четырехжильный кабель АПВ, проложенный в одной трубе.


Кабель марки АПВ с алюминиевыми жилами и поливинилхлоридной изоляцией, имеющий длительно допустимую токовую нагрузку 23А и сечение токоведущей жилы 4мм2.

    

                

Номинальный ток, потребляемый электродвигателем М3 равен 163,86А.

Принимаем четырехжильный кабель АПВ, проложенный в одной трубе.

Кабель марки АПВ с алюминиевыми жилами и поливинилхлоридной изоляцией, имеющий длительно допустимую токовую нагрузку 175А и сечение токоведущей жилы 95мм2.

    

                

 

4.3 Выбор проводов для  питания осветительной

и нагревательной установок

 

Выбор проводов для подсоединения  осветительной и нагревательной установок к распределительному шкафу проводится из произведенных  выше расчетов номинальных токов  этих установок.

Номинальный ток осветительной  установки равен 7,75А. Выбираем для этой установки провод марки АПВ с длительно допустимой токовой нагрузкой 19А и сечением токоведущей жилы 2,5мм2.

Номинальный ток нагревательной установки равен 37,98А. Выбираем для этой установки провод марки АПВ с длительно допустимой токовой нагрузкой 39А и сечением токоведущей жилы 10мм2.

Провод марки АПВ с  алюминиевыми жилами с поливинилхлоридной изоляцией, число жил – четыре, (для одной установки), напряжение переменного тока 380В (ГОСТ 6323–79). Провода  проложены в трубе.

 

 

 


5. Выбор силового и  распределительного шкафа (пункта). Выбор аппаратов устанавливаемых  в них 

5.1 Выбор силового распределительного  шкафа

 

Для приема и распределения  электроэнергии к группам потребителей трехфазного переменного тока промышленной частоты напряжением 380В применяют  силовые распределительные шкафы  и пункты.

Для нашей схемы электроснабжения приемников электрической энергии, расположенных в крытом помещении (цеху), выбираем силовой шкаф серии ШР11 типа ШР11-73407-22У3, степень защиты IР22. Номинальный ток шкафа 400А. Размеры шкафа составляют 600х350х1600мм.

5.2 Выбор рубильника, установленного  в силовом шкафу

 

 В силовом шкафу  установлен вводной рубильник.  Рубильник выбирается из условия  соответствия его номинального  тока, номинальному допустимому  рабочему току питающего кабеля.

Устанавливаем рубильник  трехполюсный, тип Р16; номинальное напряжение 380В; номинальный ток рубильника 400А; ток электродинамической стойкости 30кА; термическая стойкость односекундная 144кА2 – с; число полюсов – три; вид привода – боковая рукоятка; масса 2,8кг.

 

5.3 Выбор предохранителей  силового шкафа

Предохранители плавкие (ГОСТ 17242–71) предназначены для защиты электрических сетей от токов  перегрузки и короткого замыкания.

Выбор предохранителя проводим исходя из условия:

где Iнвп – номинальный ток плавкой вставки предохранителей силового шкафа.


Принимаем для силового распределительного шкафа предохранители с наполнителем, с закрытым разборным патроном серии ПН2. Тип предохранителя ПН2–400, номинальное напряжение до 500В, номинальный ток предохранителя 400А, плавкой вставки 350А, предельный ток отключения 40кА.

5.4 Выбор распределительного  пункта

 

От силового шкафа получает питание силовой распределительный  пункт. Силовой шкаф и распределительный  пункт (шкаф) соединены между собой силовым кабелем марки ААШВ с алюминиевыми жилами сечением 120мм² и допустимой токовой нагрузкой 270А.

К распределительному пункту присоединены пять потребителей электрической  энергии. Из стандартно выпускаемых распределительных пунктов выбираем распределительный пункт, трехфазный, серии ПР24 с автоматическими выключателями серии А3700.

Пункт распределительный, тип ПР24–7515–54УЗ напольного исполнения. Способ монтажа внешней проводки: сверху и снизу проводами и кабелями с резиновой или пластмассовой изоляцией, а также снизу кабелями с бумажной изоляцией. Длительно допустимый ток пункта 600А; количество и тип выключателей ввода: тип А3744С, предел регулирования номинального тока расцепителя 400–630А; отходящие линии: 2 выключателя  А37226ФУЗ с расцепителем 250А; 2 выключателя А3716ФУЗ с расцепителем 16-160А; 2 выключателя Ф3716ФУЗ с расцепителем 16–80А.

Распределительные пункты серии  ПР24 изготовляют в соответствии с ТУ16 – 536.432 – 74.

В зависимости от конкретных типов автоматов они могут  заменять защиту  - предохранители и  тепловые реле.

 

 

5.5 Выбор воздушного автоматического  выключателя 

QF1 распределительного пункта

 

Стандартно устанавливаемые  выключатели в распределительном  пункте – это выключатели серии  А3700, которые предназначены для  замены рубильников и предохранителей. Автоматические выключатели серии  А3700 выпускают в различных исполнениях.

 Выбираем автомат селективный типа А3744С с полупроводниковым расцепителем максимального тока.

С учетом теплового поправочного коэффициента номинальный ток полупроводникового расцепителя равен

;  

Расчет и выбор электрических аппаратов