Выбор электродвигателей, средств электропитания и защиты. Учебно-методическое пособие (стр. 4 )

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

Рmax. дв = 2Рном.

Рmax. дв = 2·110 = 220 кВт.

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

Рmax. нагр = Р3 = 135 кВт.

Двигатель способен работать с перегрузкой при условии Pmax. дв ³ Рmax. нагр.

В данном случае

Рmax. дв = 220 кВт > Рmax. 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:

Рн = 110 кВт; Uнл = 380 В; КПД - hН = 92,5 %;

сosjН = 0,90; Кпуск. = 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 Рн - номинальная мощность электродвигателя, кВт;

Uнл - номинальное линейное напряжение электрической сети, В;

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

сos jН - 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 Iдоп. Поэтому если выбирать ближайшее большее значение Iдоп из условия Iдоп ³ Iн 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:

Iдоп = 210 A > Iн = 201 А.

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

Проверяем выбранный провод по допустимой потере напряжения из условия

DUп £ DUп. д.,

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

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

Допустимое отклонение напряжения принято:

DUп. д. = 5 % Uн или DUп. д. = 0,05 Uн.

В данном случае

DUп. д. = 0,05·380 = 19 В.

Фактическая потеря напряжения в кабеле рассчитывается:

,

где Iн - 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.

DUп = 20,1 В > DUп. 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.

DUп = 14,8 В < DUп. 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) Iн. у.т.. Это наибольший ток, длительное протекание которого не вызывает срабатывания теплового реле или расцепителя. При перегрузках, т. е. при токах, превышающих Iн. у.т. на 10-15%, происходит срабатывание теплового реле или расцепителя и выключение двигателя. В справочниках по аппаратам защиты обычно рекомендуется настраивать Iн. у.т. близким к номинальному току электродвигателя Iн.

Порядок расчета

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

Из табл. П8 принимаем для установки аппарат на линейное напряжение 380 В и Iн. п. = 250 A > Iн = 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 Iн. у.т. ³ Iн.

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:

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

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 Iпуск., приближающиеся по величине к токам короткого замыкания:

Iпуск. = Kпуск.·Iн,

где Kпуск. - 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 Iпуск., но срабатывал при токах короткого замыкания Iк. з..

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

Для большинства воздушных автоматов KЗ = 1,25.

Порядок расчета

Выбираем номинальный ток автомата Iн. а. ³ Iн при номинальном напряжении сети Uнл = 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:

Iн. а. = 250 А ³ Iн = 201 А.

Рассчитываем минимальный ток срабатывания электромагнитного расцепителя из условий "отстройки" от пускового тока и неточности настройки расцепителя: Iср. min = Kз·Kпуск.·Iн.

Iср. min = 1,25·7·201 = 1760 А.

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

Iн. у.э. = 2000 А > Iср. min = 1760 А.

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

Uн = 380 В; Iн. а. = 250 А; Iн. у.э. = 2000 А.

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

5.3. Методика и расчет для повторно-кратковременного режима

Вариант 30 (четный) для группы 3

Исходные данные приведены в табл. 5.3.

Таблица 5.3

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
30	21	25.5	0	30	0	15	20	70	30	20	105; возд.

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) аналогично рис. 5.2.

Определяем режим работы электродвигателя. Так как за цикл работы в отдельные интервалы времени мощность нагрузки снижается до Р = 0, то режим работы - повторно-кратковременный. Требуется учесть продолжительность включения электродвигателя за время цикла.

Находим длительность цикла:

Тц = t1 + t2 + t3 + t4 + t5 = 15 + 20 + 70 + 30 + 20 = 155 c.

Находим продолжительность работы: Tр = 15+20+30 = 65 с.

Это значит, что за время цикла работы в 155с электродвигатель включен только 65 с.

Находим продолжительность включения:

;

.

Когда выбирают двигатель с самовентиляцией, что соответствует нашему случаю, при уменьшении его частоты вращения ухудшается отдача тепла во внешнюю среду. Это учитывается соответствующими коэффициентами, которые ставятся перед периодами паузы, пуска и торможения в выражениях для определения эквивалентных величин. Во время паузы частота вращения двигателя равна нулю, и коэффициент, учитывающий ухудшение теплоотдачи, принимают равным приближенно 0,5.

При пуске и торможении частота вращения двигателя изменяется. Соответственно коэффициент, учитывающий ухудшение теплоотдачи, принимают равным 0,75.

Будем считать, что периоды пусков и торможений электродвигателя с заданным графиком нагрузочной характеристики значительно меньше пауз и периодов работы двигателя с частотой вращения, близкой к номинальной. Тогда эквивалентную мощность электродвигателя, работающего в повторно-кратковременном режиме (табл. П.2), можно вычислить по следующей формуле:

.

Находим эквивалентную мощность при фактической продолжительности включения ПВ = 41,9 %:

кВт.

Это значит, что при такой продолжительности включения переменная мощность нагрузки Р(t) заменяется эквивалентной постоянной мощностью двигателя Рэкв при продолжительности включения ПВ = 41,9 %.

Так как электродвигатели выпускаются только для номинальных значений ПВ, выбираем номинальное значение ПВН, ближайшее к рассчитанному (большее или меньшее ПВ). В соответствии с табл. П.2: ПВН = 40 % < ПВ = 41,9 %. Соответствующая этой продолжительности расчетная мощность Ррасч. будет отличаться от Рэкв и находится так:

Ррасч. = ;

Ррасч. = 17,7 кВт.

Чем большую продолжительность включения ПВН допускает электродвигатель, тем меньше он будет нагреваться при фактической нагрузке и тем на меньшую номинальную мощность его можно выбрать из таблицы данных.

Из условия Рн ³ Ррасч. и с учетом продолжительности включения ПВн = 40% (табл. П.2), выбираем асинхронный электродвигатель основного исполнения с синхронной скоростью вращения ротора n1 =1500 мин-1. Берем ближайшее большее значение:

Рн =20 кВт > Ррасч. = 17,7 кВт.

Типоразмер этого двигателя АС180М (табл. П.2).

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

Рmax. дв = 2Рн;

Рmax. дв = 2·20 = 40 кВт.

Максимальная мощность нагрузки (см. нагрузочную характеристику Р(t)):

Рmax. нагр = Р4 = 30 кВт.

Двигатель способен работать с перегрузкой при условии

Рmax. дв ³ Рmax. нагр.

В данном случае: Рmax. дв = 40 кВт > Рmax. нагр = 30 кВт,

т. е. условие выполняется.

При невыполнении условия работы с перегрузкой следует выбрать двигатель большего по мощности типоразмера.

Окончательно выбираем по табл. П.2 асинхронный электродвигатель 4АС160М со следующими техническими данными:

Рн = 20 кВт; Uнл = 380 В; ПВН = 40 %;

КПДН = 87 %; cosjН = 0,87; Кпуск. = 7.

Остальные пункты выполняются аналогично п. 5.2.

приложение (СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ)

Технические данные электродвигателей основного исполнения

без учета продолжительности включения

1

Типоразмер ЭД	Рн, кВт	КПДН,%	сosjН	Кпуск.
4А80А	1.1	75.0	0.81	5.0
4А80В	1.5	77.0	0.83	5.0
4А90L	2.2	80.0	0.83	6.0
4A100S	3.0	82.0	0.83	6.5
4A100L	4.0	84.0	0.84	6.0
4A112M	5.5	85.5	0.86	7.0
4A132S	7.5	87.5	0.86	7.5
4A132M	11	87.5	0.87	7.5
4A160S	15	89.0	0.88	7.0
4A160M	18.5	90.0	0.88	7.0
4A180S	22	90.0	0.90	7.0
4A180M	30	90.0	0.89	7.0
4A200M	37	91.0	0.90	7.0
4A200L	45	92.0	0.90	7.0
4A225M	55	92.5	0.90	7.0
4A250S	75	93.0	0.90	7.0
4A250M	90	93.0	0.90	7.0
4A280S	110	92.5	0.90	7.0
4A280M	132	93.0	0.90	6.5
4A315S	160	93.5	0.90	7.0
4A315M	200	94.0	0.92	7.0
4A355S	250	94.5	0.92	7.0
4A355M	315	94.5	0.92	7.0

Примечания: