Методика расчета для продолжительного режима

Методику выполнения расчетной работы рассмотрим на конкретных примерах.

Исходные данные приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Ва- ри-	Активная мощность нагрузки	Интервалы времени в цикле	Длина кабеля, L, м, и
ант	P1,	P2,	P3,	P4,	P5,	t1,	t2,	t3,	t4,	t5,	условия
	кВт	кВт	кВт	кВт	кВт	с	с	с	с	с	прокладки
											205; зем.

Это значит, что асинхронный электродвигатель подключен к трехфазной электрической сети напряжением 380 В (рис.5.1) с помощью трехфазного кабеля длиной 250 м, проложенного в земле, и за интервалы времени работы, равные 15, 20, 20, 23, 22 секундам, его нагрузка принимает значения 105, 120, 135, 90, 75 кВт соответственно.

Рис. 5.1. Схема подключения электродвигателя

1) Выбор электродвигателя: построить график нагрузочной характеристики Р(t), произвести расчет эквивалентной мощности и, пользуясь справочными данными, выбрать мощность и тип асинхронного электродвигателя общего назначения; проверить выбранный электродвигатель на перегрузочную способность.

Строим график нагрузочной характеристики Р(t) (рис. 5.2).

Рис. 5.2. График нагрузочной характеристики

Определяем режим работы электродвигателя. Так как за цикл работы двигателя мощность нагрузки не снижается до 0, то режим работы продолжительный: иначе говоря, двигатель работает непрерывно, и продолжительность включения учитывать не требуется.

Внимание! Если в некоторые интервалы времени мощность нагрузки Р равна нулю (Р = 0), то задание следует выполнять другим методом, изложенным в п.5.3 для четного варианта.

Находим длительность цикла

Т_ц = t₁ + t₂ + t₃ + t₄ + t₅ = 15 + 20 + 20 + 23 + 22 = 100 c.

Это значит, что каждые 100 секунд изменения мощности нагрузки Р₁, Р₂, Р₃, Р₄, Р₅ повторяются.

Находим эквивалентную мощность (расчеты рекомендуется округлять до трех значащих цифр):

.

кВт.

Это значит, что за цикл работы T_ц потери энергии и температура нагрева изоляции электрического двигателя, работающего с неизменной мощностью Р = 106 кВт, будут такими же, как и при переменной мощности нагрузки Р₁, Р₂, Р₃, Р₄, Р₅ (рис. 5.2).

Иными словами, переменная мощность нагрузки Р(t) заменяется эквивалентной постоянной мощностью Р_экв.

Используя справочные данные (табл. П.1 или [4; 5] списка литературы), выбираем асинхронный электродвигатель основного исполнения с синхронной скоростью вращения ротора n = 1500 об/мин из условия, что номинальная мощность Р_н ³ Р_экв.

Р_н = 110 кВт > Р_экв = 106 кВт.

Выбираем типоразмер двигателя - 4А280S (табл. П.1).

Проверяем выбранный электродвигатель на перегрузочную способность. Для этого определяем максимальную мощность по формуле:

Р_max.дв = 2Р_ном.

Р_max.дв = 2·110 = 220 кВт.

Определяем максимальную мощность нагрузки. Из нагрузочной характеристики Р(t) (рис. 5.2) следует, что

Р_max.нагр = Р₃ = 135 кВт.

Двигатель способен работать с перегрузкой при условии P_max.дв ³ Р_max.нагр.

В данном случае

Р_max.дв = 220 кВт > Р_max.нагр = 135 кВт,

т.е. условие выполняется.

При невыполнении условия работы с максимальной нагрузкой следует выбрать двигатель следующего по мощности типоразмера и вновь проверить его на перегрузочную способность.

Окончательно выбираем по табл. П.2 асинхронный электродвигатель 4А280S со следующими техническими номинальными данными:

Р_н = 110 кВт; U_нл = 380 В; КПД - h_Н = 92,5 %;

сosj_Н = 0,90; К_пуск. = 7,0.

2) Выбор кабеля для электропитания двигателя: рассчитать и выбрать по справочным данным сечение и марку кабеля с алюминиевыми проводами для электропитания двигателя; проверить выбранное сечение на допустимую величину потери напряжения.

Выбираем сечение провода трехжильного кабеля из условия нагрева при протекании по нему электрического тока.

Рассчитаем номинальный ток провода при работе электродвигателя в номинальных условиях:

,

где Р_н - номинальная мощность электродвигателя, кВт;

U_нл - номинальное линейное напряжение электрической сети, В;

h_н - номинальное значение КПД, относительные единицы (не проценты!);

сos j_Н - номинальное значение коэффициента мощности.

А.

Сечение фазного провода S выбираем из соображения меньшей стоимости по возможности малым, но такой величины, чтобы температура нагрева изоляции провода не превысила допустимую. При известной изоляции каждому стандартному сечению S соответствует длительно допустимое значение тока I_доп. Поэтому если выбирать ближайшее большее значение I_доп из условия I_доп ³ I_н и соответствующее ему сечение S, то провод будет длительно работать без перегрева и нарушения изоляции.

Находим (табл. П.3) для кабеля, проложенного в земле, значение допустимого тока:

I_доп = 210 A > I_н = 201 А.

Соответствующее сечение жилы (по табл. П6): S = 70 мм².

Проверяем выбранный провод по допустимой потере напряжения из условия

DU_п £ DU_п.д.,

где DU_п - фактическая потеря напряжения от распределительного устройства до электродвигателя;

DU_п.д. - допустимое отклонение напряжения на зажимах электродвигателя.

Допустимое отклонение напряжения принято:

DU_п.д. = 5 % U_н или DU_п.д. = 0,05 U_н.

В данном случае

DU_п.д. = 0,05·380 = 19 В.

Фактическая потеря напряжения в кабеле рассчитывается:

,

где I_н - номинальный ток электродвигателя, A;

L - длина кабеля, м;

r = 2,8·10^-2 - удельное сопротивление алюминия, Ом·мм²/м;

S - сечение фазного провода кабеля, мм².

Находим

В.

DU_п = 20,1 В > DU_п.д. = 19 В.

Кабель выбранного сечения не удовлетворяет условию. Принимаем ближайшее большее сечение по табл. 6: S = 95 мм².

Проверяем вновь выбранный кабель по допустимой потере напряжения.

Находим: В.

DU_п = 14,8 В < DU_п.д. = 19 В.

Кабель выбранного сечения удовлетворяет условию. Окончательно принимаем S = 95 мм².

Выбираем кабель АВВГ 3´95 с поливинилхлоридной изоляцией, с тремя алюминиевыми жилами S = 95 мм² (табл. 7).

3) Выбор аппаратуры управления и защиты электродвигателя от перегрузки: определить токовую уставку для защиты от перегрузки выбранного электродвигателя и выбрать тип магнитного пускателя (или контактора).

Между электрическим двигателем и источником (распределительным устройством) установлены коммутационные аппараты, предназначенные для:

- включения и отключения электродвигателя в нормальных условиях оператором вручную (нажатием кнопки или поворотом рычага);

- автоматического отключения электродвигателя при ненормальных и аварийных условиях, т.е. для защиты электродвигателя и цепи его электропитания.

Для этих целей чаще всего используются два аппарата: воздушный автомат и магнитный пускатель или контактор (рис. 5.3).

Автомат обычно устанавливается в распределительном устройстве и предназначается для редких коммутаций в нормальных условиях и быстрого отключения электродвигателя при авариях.

Рис. 5.3. Функциональная схема подключения электродвигателя:

АВ - автомат воздушный;

ПМ - пускатель магнитный;

ЭД – электродвигатель

Пускатель устанавливается вблизи электродвигателя и используется при частом включении и отключении двигателя вручную, а также автоматического отключения электродвигателя при ненормальных режимах. В отдельных случаях вместо магнитного пускателя применяют контактор. При этом функцию защиты от ненормальных и аварийных режимов выполняет автомат, а контактор используется только для включения и отключения электродвигателя вручную.

Основным ненормальным режимом являются тепловые перегрузки двигателя из-за прохождения по его обмоткам повышенных токов. Перегрузки могут возникать при особо тяжелых условиях пуска двигателя под нагрузкой или при его застопоривании, а также при длительном понижении напряжения сети, при обрыве провода электропитания и в других случаях.

Для защиты от перегрузки применяют тепловые устройства защиты: в магнитных пускателях - тепловые реле, в воздушных автоматах - тепловые расцепители.

Действие теплового реле основано на изгибании биметаллической пластинки при ее нагревании. Нагреваясь за счет выделенного током тепла, пластинка изгибается и при определенном нагреве приводит к размыканию силовых контактов магнитного пускателя. Двигатель отключается от электрической сети. Очевидно, чем больше ток, тем быстрее изгибается пластинка, и тем быстрее срабатывает тепловое реле (время срабатывания от одной до нескольких секунд). После срабатывания и последующего остывания биметаллической пластинки магнитный пускатель будет готов для нового включения двигателя.

Примерно так же действуют тепловые расцепители воздушных автоматов.

Тепловые элементы характеризуются номинальным током (током уставки) I_н.у.т.. Это наибольший ток, длительное протекание которого не вызывает срабатывания теплового реле или расцепителя. При перегрузках, т.е. при токах, превышающих I_н.у.т. на 10-15%, происходит срабатывание теплового реле или расцепителя и выключение двигателя. В справочниках по аппаратам защиты обычно рекомендуется настраивать I_н.у.т. близким к номинальному току электродвигателя I_н.

Порядок расчета

Выбираем магнитный пускатель или контактор из номинальных условий: из условия размыкания силовыми контактами номинального тока нагрузки электродвигателя при номинальном линейном напряжении: I_н.п. ³ I_н при U_нл = 380 В.

Из табл. П8 принимаем для установки аппарат на линейное напряжение 380 В и I_н.п. = 250 A > I_н = 201 A.

Таким аппаратом является контактор типа КТ-6000.

Так как контактор не имеет устройств защиты от перегрузки, то функцию защиты от перегрузки будет выполнять тепловой расцепитель воздушного автомата, выбранный из условия I_н.у.т. ³ I_н.

Из табл. П.6 следует, что возможно применение автоматов ВА 51-35, ВА 51-37, ВА 52-39 и ВА 83-41, у которых номинальное значение тока:

I_н.а. = 250А ³ I_н = 201 А. Настраиваем I_н.у.т. = 210 А = I_н= 201 А.

Внимание! Если выбран магнитный пускатель, а не контактор, то выбирать тепловой расцепитель автомата не следует, а нужно выбрать (настроить) уставку теплового реле пускателя из условия I_н.у.т.³ I_н .

4) Выбор защиты от короткого замыкания: определить токовую уставку и тип воздушного автомата для защиты от коротких замыканий цепей с выбранным двигателем.

Коротким замыканием называется всякое недопустимое нормальными условиями работы соединение двух или трех фаз между собой, а в системе с заземленной нейтралью (четырех-проводной) также соединение фаз с землей. Чаще всего такое соединение происходит вследствие нарушения изоляции обмоток двигателя или коротких замыканий на его зажимах.

Короткое замыкание сопровождается резким увеличением токов фаз. Эти токи значительно превосходят как номинальные токи (в 10 и более раз), так и токи перегрузки. Это приводит к большим динамическим усилиям и перегреву изоляции, способным вывести электроустановку из строя. При коротком замыкании электродвигатель должен быть отключен как можно быстрее.

Защита электродвигателя от короткого замыкания обычно выполняется с помощью электромагнитного расцепителя воздушного автомата.

Электродвигатель не должен отключаться электромагнитным расцепителем при перегрузках, а тем более при нормальных режимах. Он должен быть "отстроен" от них. Например, при прямом пуске в линейных проводах и фазах электродвигателя возникают большие пусковые токи I_пуск., приближающиеся по величине к токам короткого замыкания:

I_пуск. = K_пуск.·I_н,

где K_пуск. - коэффициент пускового тока, см табл. П.1,2.

Очевидно, что защита электродвигателя от короткого замыкания должна быть выбрана так, чтобы электромагнитный расцепитель не срабатывал при пусковых токах I_пуск., но срабатывал при токах короткого замыкания I_к.з..

Кроме того, электродвигатель не должен отключаться электромагнитным расцепителем вследствие изменений напряжения сети и неточной настройки расцепителя. Это обеспечивается введением коэффициента запаса К_з. С учетом этого минимальный ток срабатывания электромагнитного расцепителя при коротком замыкании рассчитывается по формуле: I_ср.min = К_З·K_пуск.·I_н.

Для большинства воздушных автоматов K_З = 1,25.

Порядок расчета

Выбираем номинальный ток автомата I_н.а. ³ I_н при номинальном напряжении сети U_нл = 380 В.

Из табл. 9 можно принять для установки воздушные автоматы на 380 В типа ВА 51-35, ВА 51-37, ВА 52-39 или ВА 83-41, т.к. у них:

I_н.а. = 250 А ³ I_н = 201 А.

Рассчитываем минимальный ток срабатывания электромагнитного расцепителя из условий "отстройки" от пускового тока и неточности настройки расцепителя: I_ср.min = K_з·K_пуск.·I_н.

I_ср.min = 1,25·7·201 = 1760 А.

Выбираем номинальный ток уставки (табл.П.6) электромагнитного расцепителя I_н.у.э., ближайший больший в сравнении с током I_ср.min (I_н.у.э. ³ I_ср.min) среди автоматов, выбранных выше.

I_н.у.э. = 2000 А > I_ср.min = 1760 А.

Окончательно выбираем воздушный автомат ВА 51-35, у которого:

U_н = 380 В; I_н.а. = 250 А; I_н.у.э. = 2000 А.

Этот автомат также способен защитить электродвигатель от перегрузки, т.к. имеет комбинированный расцепитель с двумя уставками: электромагнитной - I_н.у.э. = 2000 А, а также тепловой - I_н.у.т. = 210 А.

5) Построение принципиальной электрической схемы: изобразить принципиальную электрическую схему электропитания, защиты и управления асинхронным электродвигателем в соответствии с выбранной коммутационной аппаратурой.

Допускается изображение любой конкретной принципиальной электрической схемы электропитания, управления и защиты трехфазного асинхронного электродвигателя общего назначения, например, приведенной в [6].

В приложении к схеме должны быть указаны выбранные в результате расчета: типоразмер электродвигателя, тип автомата, магнитного пускателя (контактора), номинальные токи, уставки защит от перегрузки I_н.у.т. и короткого замыкания I_н.у.э..

В приложении также указываются принятые в схеме сокращенные обозначения и необходимые пояснения.

Условные обозначения и их размеры должны соответствовать принятым стандартам (табл. П.7). При изображении схемы должны использоваться чертежные инструменты, применяемые в инженерной графике (карандаш, линейка, циркуль и др.). Поощряется компьютерная графика. На рис. 5.4 приведен пример изображения схемы.

Рис. 5.4. Типовая принципиальная схема электропитания

и управления электродвигателем

Дата добавления: 2014-11-18