Выбор электрических аппаратов управления и защиты электродвигателя

КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Им. А.Н. ТУПОЛЕВА

Кафедра Электрооборудования

Специальность 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений»

П.А. Изотова

Электрические и электронные аппараты

методические указания и задания для курсовой работы

Нижнекамск 2009
нижнекамский институт информационных технологий и телекоммуникаций (филиал)

государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Им. А.Н. ТУПОЛЕВА

Кафедра Электрооборудования

Специальность 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений»

Утверждаю

Зав. кафедрой к.т.н., доцент А.А. Цой

________________________________

«_____»___________________200__г.

ЗАДАНИЕ

На курсовую работу по дисциплине «Электрические и электронные аппараты»

Группа 27301

Студента _________________________________________________________________

(фамилия имя отчество)

Тема курсовой работы: выбор и проверка коммутационного (защитного) аппарата для цепи питания электроустановки _________________________________________

Исходные данные к курсовой работе:

- номинальная мощность двигателя, кВт__________

- номинальное напряжение, кВ__________________

- продолжительность включений ________________

- допустимое число циклов _____________________

Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов):

1. Введение

2. Предварительный расчет, выбор коммутационного (защитного) аппарата, и его проверка.

3. Расчет токоведущего контура

4.Расчет коммутирующих контактов.

5. Описание устройства и работы аппарата (по указанию преподавателя);

6. Список литературы и перечень документов

Графическая часть проекта должна содержать:

- электрическую схему питания электроустановки с указанием мест расположения аппаратов управления и защиты;

- конструктивное исполнение аппарата.

Дата выдачи задания на курсовую работу «______»_______________20____ г.

Срок сдачи курсовой работы «_____»____________________20_____г.

Руководитель курсовой работы _______________________________________________

(подпись, фамилия и инициалы)

Задание принял к исполнению________________________________________________

(подпись студента)

Содержание и оформление курсовой работы

Целью данной курсовой работы является закрепление знаний по основам теории электрических и электронных аппаратов, а также развитие обучающихся навыков самостоятельного решения конкретных инженерных задач.

Курсовая работа состоит из пояснительной записки и графической материала. Пояснительная записка выполняется на компьютере в объеме до 15страниц, шрифт текста Times New Roman, размер - 14 пт., межстрочный интервал – полуторный. Сокращение слов в тексте не допускается. Нумерация листов сквозная, указывается в центре страницы, в нижней части. Графический материал включает 2 листа чертежей формата А-2, а также графики и рисунки, имеющиеся в пояснительной записке.

Выполнение пояснительной записки

Пояснительная записка должна в краткой и четкой форме раскрывать тему курсовой работы,

Во введение представляются общие сведения об исследуемом аппарате, отмечаются основные проблемы при разработке и усовершенствование аппаратов и пути их решения, обоснование выбора материала контактных соединений и токоведущих частей.

Расчетная часть курсовой работывключает: предварительные расчеты, выбор и проверку рассматриваемого аппарата, расчет коммутирующих контактов, кинематический расчет.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению расчетной части курсовой работы

Предварительные расчеты.

1.1. Расчет номинальных, пусковых и ударных пусковых токов электродвигателей.

Номинальный ток двигателя определяется как [1]:

, А, где Р_ном - номинальная мощность двигателя, кВт; U_ном.л - номинальное линейное напряжение на обмотке статора, В; h - коэффициент полезного действия при номинальном моменте на валу двигателя; cosj - коэффициент мощности.

Пусковой ток двигателя:

, А, где k_I – кратность пускового тока двигателя (k_I – 5…8).

Ударный пусковой ток двигателя (амплитудное значение):

, А,

1.2. Выбор сечения кабелей низкого напряжения, соединяющих электродвигатель с питающим трансформатором, по номинальному напряжению и току, учитывая, что длительно допустимый ток кабеля должен быть на 20 % больше номинального тока линии (см. п.п. 1.3.10. табл. 1.3.6., 1.3.7. [1]).

1.3. Определить сопротивления кабелей.

Для расчета сопротивлений кабелей по таблице 2 (см. приложение 1) [3] для выбранного сечения кабеля находят удельное активное сопротивление r_уд (мОм/м) и удельное реактивное сопротивление х_уд (мОм/м)

Сопротивление кабеля:

; ,где l_к - длина соединительного кабеля, м.

Суммарные сопротивления составляют:

активное:

, Ом,

реактивное:

, Ом, где r_Т и x_Т – соответственно активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности питающего трансформатора (таблица 1 (см. приложение 1) [3]); x_c - приведенное индуктивное сопротивление энергосистемы (находим из заданного соотношения x_с/x_т), Ом, r_пк - переходное сопротивление контактов в местах соединения (принимаем равным 15мОм). Активным сопротивлением системы пренебрегаем.

Тогда модуль полного сопротивления до точки КЗ составит:

, Ом.

1.4. Определить токи короткого замыкания (КЗ) в месте установки двигателя:

ток трехфазного КЗ находится как:

, А;

ток двухфазного КЗ , А;

ток однофазного КЗ в том же месте

, А;.

r₁ и x₁ - соответственно активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности трансформатора, Ом (r₁ = r_1Т и x₁= x_1Т (см. приложение 2.); а r₀ и x₀ находятся как

, и , Ом,

где r_0Т и x_0Т - соответственно активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности трансформатора, Ом; r_0к и x_0к - активное и индуктивное сопротивления кабелей, Ом (r_0к = r_к и x_0к = x_к); r_н.п и x_н.п. - активное и индуктивное сопротивления нулевого проводника, Ом (находится также как и сопротивление кабеля).

Необходимо рассчитать токи трех-, двух- и однофазного кз в месте установки двигателя, а также токи трехфазного кз на зажимах вышестоящих выключателей и трансформатора.

1.5. Определить ударный ток КЗ.

Ударный ток КЗ находится из соотношения

, А;

где k_уд - ударный коэффициент, зависящий от отношения (X_т + X_к)/(R_т + R_к) и определяемый по кривым изменения ударного коэффициента рис.3.6 [4] или черт 1 (ГОСТ 28249-89)

1.6. Проверить условия нормального пуска двигателя:

- в условия легкого пуска двигателя (длительность пуска не превышает 0,5 ¸ 5с)

;

- в условия тяжелого пуска двигателя (длительность пуска свыше 5 с)

,

где I⁽³⁾_кз - ток трехфазного кз на зажимах в двигателя.

Выбор электрических аппаратов управления и защиты электродвигателя.

2.1. Выбор автоматических выключателей.

Выбор автоматических выключателей проводится по следующим параметрам:

а) роду тока силовой цепи;

б) номинальному напряжению выключателя

(номинальное напряжение выключателя должно быть не менее номинального напряжения нагрузки);

в) числу главных контактов;

г) типу расцепителя

(в зависимости от схемы управления выбирается выключатель с электромагнитным (ЭМ) расцепителем или с ЭМ и тепловым (Т) расцепителями);

д) номинальному току расцепителя

(ток расцепителя должен удовлетворять условию I_н.расц < I_{ном.нагр} < 2´I_н.расц);

е) току I_сраб.о уставки срабатывания ЭМ расцепителя

(ток уставки ЭМ расцепителя должен удовлетворять условию (1,1 … 1,2)I_уд.п £ I_уст < I⁽¹⁾_кз);

ж) предельной коммутационной способности (ПКС)

(для ПКС должно удовлетворяться условию I⁽³⁾_кз < ПКС);

и) времени t_сраб срабатывания теплового расцепителя (для нормального пуска двигателя должно выполняться неравенство t_п £ t_сраб £ 1,5´t_п);

Выбираются выключатели без дополнительных расцепителей, свободных контактов и дополнительных механизмов, стационарного исполнения, с передним присоединением.

Проверить селективность работы выбранных автоматов и графически подтвердить соблюдение условий селективной работы. Для этого привести на одном графике времятоковые характеристики автоматов и пусковую характеристику двигателя.

2.2. Выбор магнитного пускателя или контактора.

Выбор магнитного пускателя или контактора проводится по следующим параметрам:

а) роду тока силовой цепи;

б) номинальному напряжению пускателя

(номинальное напряжение пускателя должно быть не менее номинального напряжения нагрузки);

в) числу главных контактов;

г) категория применения пускателя

(категория применения определяется схемой управления двигателя (см. приложение 2.));

д) номинальному рабочему току

(для правильно выбранного пускателя I_п < I_о);

е) реверсивный или нет

(определяется схемой управления двигателя);

ж) наличию теплового реле

(определяется схемой управления двигателя);

з) степени защиты.

2.3. Выбор максимально-токовых реле.

Выбор максимально-токовых реле производится по следующим условиям:

а) номинальному напряжению реле

(номинальное напряжение реле должно быть не менее номинального напряжения нагрузки);

б) числу полюсов;

в) номинальному току реле

(номинальный ток реле не должен быть ниже номинального тока двигателя);

г) времени срабатывания реле

(время срабатывания t_сраб реле должно удовлетворять условию t_п £ t_сраб £ 1,5´t_п).

Способ соединения обмоток реле выбирается из условия реализации заданных номинального тока и тока уставки реле.

Если выбран пускатель со встроенным тепловым реле, то по рекомендованному в каталоге на пускатель типу реле уточняется номинальный ток нагревательного элемента I_{ном.нагр} и по характеристикам проверяется время срабатывания t_сраб теплового реле (t_п £ t_сраб £ 1,5´t_п).

2.4. Выбор предохранителей

Предохранитель для защиты двигателя выбирается по следующим условиям:

а) номинальному напряжению

(номинальное напряжение предохранителей должно быть не менее номинального напряжения нагрузки);

б) номинальному току плавкой вставки I_{ном.вст}

(I_{ном.вст} меньше или равен номинальному току предохранителя и зависит от условий пуска двигателя);

Для короткозамкнутых асинхронных двигателей:

- при небольшой частоте включения и легких условиях пуска двигателя в течение tп = (2...10)c

I_{ном.вст} £ 0,4 ´ I_п ;

- при тяжелых условиях пуска в течение tп > 10 с и при повтор­но-кратковременном режиме с ПВ% , 40%

I_{ном.вст} £ (0,5...0,6) ´ I_п.

Для надежного перегорания плавких вставок требуется, чтобы при КЗ на зажимах двигателя соблюдалось условие [8]:

I_кз⁽³⁾/I_{ном.вст} £ 3...4.

Для защиты цепей управления аппаратов предохранитель выбирается из условия:

I_{ном.вст} £ 1,25 ´ I_ном,

где I_ном - наибольший номинальный ток в цепи управления.

2.5. Провести проверку всех выбранных аппаратов по термической и динамической стойкости.

2.6. Расчет токоведущего контура

2.6.1. Определений размеров

Расчет токоведущих частей контактора в номинальном режиме работы проводим с учетом эквивалентного длительного тока.

А, где ПВ% - продолжительность включения; Z - допустимое число циклов включения; - номинальный ток главной цепи.

Сравнивая и , дальнейший расчет токоведущего контура проводим по большему из этих значений.

2.6.2. Расчет размеров токоведущих частей

Оценим размеры токоведущих частей прямоугольного сечения по эквивалентному току.

м, где - удельное электрическое сопротивление; - температурный коэффициент металла контактов; - допустимая температура; - температура окружающей среды;

=10 Вт/(м²*град) - коэффициент теплопередачи; =3 - коэффициент геометрии,

Для дальнейших расчетов принимаются стандартные размеры шины, с учетом расчетного тока.

6.2.3. Расчет температуры нагрева токоведущих частей в номинальном режиме

с, где p =2*(a + b) м - периметр;

q = а * b м² - площадь поперечного сечения;

Правильность расчета определяется при соблюдении условия <

6.2.4. Расчет термической стойкости

В режиме короткого замыкания рассчитаем термическую стойкость токоведущих частей. Допустимую температуру нагрева в режиме короткого замыкания примем равной =250 с

_, где - плотность материала контакта,

С =390Дж/кг* с – теплоемкость.

1.4 Определение переходного сопротивления

1.4.1 Расчет силы контактного нажатия

Н, где 0,7 кг/мм² - удельное давление в контактирующих частях; мм².

1.4.2 Переходное сопротивление контактирующих поверхностей

Ом, где - коэффициент, зависящий от материала и состояния поверхности контактирующих поверхностей;

1.4.3 Омическое сопротивление контакта

Ом, где мм - длина контактного соединения.

1.4.4 Переходное сопротивление контакта

Ом.

1.5 Расчет превышения температуры контактного соединения.

При номинальном режиме температуры контактного соединения не должна превышать температуру нагрева примыкающих к нему шин больше чем на 10 градусов и быть больше допустимой.

с, где S_K =2*(а+b)*l , м² - полная наружная поверхность контактного соединения.

2. Расчет коммутирующих контактов

2.1 Расчет сил контактного нажатия

Для одноточечных контактов сила контактного нажатия

Н, где n =2 число контактных площадок, характеризующее форму контактной поверхности, при точечном контакте;

К - температура точки касания;

, К температура контактной площадки;

= 390 Вт/(мк) - удельная усредненная теплопроводность токоведущего проводника, применяемая здесь;

В=2,4 10^-8 (В/мк)² - число Лоренца;

Нb=11*10⁸ Н/м² твердость контактной поверхности по Бринеллю;

2.2 Расчет переходного сопротивления.

, где n - коэффициент формы контактной поверхности, n=0,6 для линейного контакта; 2/3 - коэффициент, учитывающий уменьшение температуры по мере удаления от площадки касания; =0,11*10^-3 - коэффициент, учитывающий материал и состояние контактной поверхности.

2.3 Расчет нагрева контактов в номинальном режиме.

2.3.1 Расчет падения напряжения в токоведущем контуре аппарата при замкнутых коммутирующих контактах.

мВ.

2.3.2 Расчет превышения температуры контактной площадки коммутирующего контакта.

⁰ с; где =3,9*10² Вт (м ºС) – удельная усредненная теплопроводность материала коммутирующих контактов. При этом должно выполняться условие t_{k. пл} > 0,09 ⁰c.

2.3.3 Расчет температуры контактной площадки

⁰c

⁰c

2.4 Расчет износа контактов

2.4.1 Расчет удельного массового износа

где =2 - коэффициент неравномерности; = 0,2 - опытный коэффициент износа; =0,2 - опытный коэффициент износа; n = 6 - кратность тока отключения.

2.4.2 Расчет изнашиваемой части объема контакта и линейного износа

м³, где N =0,01 млн. допустимое число циклов включения; = 8900 кг/м³ плотность материала контакта.

м.

Надежная работа контактов возможна, если их износ по толщине не превышает значения 0,5 0,75 от первоначальной толщины.

2.5 Провал контакта

м³.

2.6 Расчет короткого замыкания

2.6.1 Расчет начального тока сваривания

А, где , А/кгс^0,5 - коэффициент, выбирается из таблицы в зависимости от конструкции контактов и формы их поверхности.

2.6.2 Расчет тока приваривания контактов.

А.

2.6.3 Расчет площади S_O и силы электродинамического отталкивания

м², где = 383*10⁶ Н/м²- удельное сопротивление материала контактов смятию.

Н.

При верном расчете должно выполняться условие .

Список рекомендуемой литературы:

1. Жукова Г.А. Курсовое проектирование по низковольтным электрическим аппаратам/ Г.А. Жукова, В.П. Жуков: Учеб. пособие – М.: Высш. шк., 2006.-160с.

2. Шеховцов В.П. справочное пособие по элетрооборудованию и элетроснабжению/ В.П.Шехоцов.- М. : ФОРУМ: ИНФРА-М, 2009._ 136с.

3. Электрические аппараты. Учебник для вузов/ под ред. Ю.К. Розанова- 2-ое изд., испр. И доп.- М.: Иформэлектро. 2001.-420 с.

.

Приложение 1

Исходные данные

Вар.	Тип электроустановки	Рдв., кВт	Uном, кВ	Продолжи- тельность включений	Допустимое число циклов
	Вентилятор приточный		0,66
	Насос	7,5	0,66
	Компрессор	3,7	0,4
	Сварочный агрегат		0,4
	Токарный станок		0,66
	Вентилятор вытяжной		0,4
	Кран мостовой		0,66
	Вентилятор	4,5	0,4
	Вентилятор	4,2	0,4
	Насос подогревателя	5,5	0,66
	Компрессор	3,5	0,66
	Сварочный агрегат		0,38
	Токарный станок		0,38
	Вентилятор вытяжной		0,38
	Кран мостовой	12,5	0,38
	Вентилятор	12,5	0,38
	Вентиляционные установки		0,38
	Кондиционер		0,4
	Сверлильные станки	2,5	0,4
	Конвейеры ленточные	4,5	0,4
	Транспортер грузовой		0,66
	Компрессор	4,5	0,66
	Сварочный агрегат		0,4
	Токарный станок		0,4
	Вентилятор вытяжной	12,5	0,4
	Кран мостовой	12,5	0,66
	Вентилятор		0,4
	Вентиляционные установки	8,5	0,4
	Кондиционер		0,4
	Сверлильные станки	3,5	0,4