ВВЕДЕНИЕ
В пособии приведены основные методики расчета и выбора электрооборудования для различных станков, механизмов, машин и установок по дисциплине «Электрооборудование предприятий и гражданских зданий».
Курсовой проект по предмету «Электрооборудование предприятий и гражданских зданий» является самостоятельной работой расчетного характера.
Цель курсового проекта – получить навыки расчета и выбора электрооборудования станков и механизмов, составления технической документации, закрепить навыки чтения и составления электрических схем.
В соответствии с заданием необходимо рассчитать и выбрать электрические аппараты для схемы управления станком, составить спецификацию на выбранное оборудование, начертить принципиальную схему станка, описать порядок ее работы, разработать и начертить схему соединений и подключения.
При выполнении курсового проекта учащимся необходимо: полностью записывать текст задания и исходные данные; чертежи, условные обозначения элементов схем и сами схемы выполнять аккуратно согласно стандартам ЕСКД и ЕСТД; во всех расчетах сначала записывать пояснения, формулу, затем подставлять в нее числовые значения. Обязательно привести список литературы, дату выполнения работы и подпись учащегося.
ВВЕДЕНИЕ
Цели и задачи курсового проекта. Общее описание путей достижения цели и решения поставленных задач. Состав курсового проекта.
Состав и краткая техническая характеристика (станка, механизма, установки)
Назначение, основные технические возможности. Состав и краткое описание основных узлов и частей установки. Основные технические характеристики.
Требования к электрооборудованию
Выбор и обоснование рода тока, значений питающих напряжений. Требования к качеству электроэнергии. Технологические требования к электроприводам установки (необходимость реверса, торможения, регулирования скорости вращения, и т.д.). Описание условий, в которых работает электрооборудование.
Принцип действия электрооборудования и систем управления
Полный перечень электрооборудования станка, назначение и технические данные электрических машин, электромагнитов, электронагревательных устройств и других силовых элементов, назначение блокировок, возможные режимы работы электрооборудования. Органы управления. Включение и отключение электродвигателей и других силового электрооборудования. Подробное описание принципа действия схемы управления, блокировки, защита.
Описание действия электрической схемы производится в последовательности, соответствующей порядку работы элементов электрооборудования для всех рабочих режимов, а также для наладочных режимов. При перечислении блокировок и защиты указывается их назначение и приводится изложение действия всех блокировок и защиты электрооборудования.
К принципиальной схеме прилагается (или выполняется на том же чертеже в соответствии с ГОСТ 2.702.-75) перечень элементов электрооборудования (спецификация), в который заносят краткие технические данные и позиционное обозначение всех элементов и устройств, используемых в схеме. Форма спецификации приведена в приложении. Кроме того, на схеме обычно приводятся диаграммы работы переключателей управления всех видов и назначений, циклограммы срабатывания и схематическое расположение путевых (конечных) выключателей и командоаппаратов.
Расчет мощности и выбор электродвигателей
Для правильного выбора электродвигателей и всего электрооборудования следует учесть следующие условия:
1. Климатическое исполнение.
2. Место (категория) размещения.
3. Степень защиты от проникновения твердых тел и жидкости.
4. Специфические условия эксплуатации (взрывоопасность, химически агрессивная среда).
Климатическое исполнение определяется ГОСТ 15150-69. В соответствии с климатическими условиями обозначается следующими буквами:
У(N) – умеренный климат,
ХЛ(NF) – холодный климат,
ТВ(TH) – тропический влажный климат,
ТС(ТА) – тропический сухой климат,
О(U) – все климатические районы, на суше, реках и озерах,
М – умеренный морской климат,
ОМ – все районы моря,
В – все макроклиматические районы на суше и на море.
Категории размещения:
1. На открытом воздухе,
2. Помещения, где колебания температуры и влажности не существенно отличаются от колебаний на открытом воздухе,
3. Закрытые помещения с естественной вентиляцией без искусственного регулирования климатических условий. Отсутствуют воздействия песка и пыли, солнца и воды (дождь),
4. Помещения с искусственным регулированием климатических условий. Отсутствуют воздействия песка и пыли, солнца и воды (дождь), наружного воздуха,
5. Помещения с повышенной влажностью (длительное наличие воды или конденсированной влаги)
Климатическое исполнение и категория размещения вводится в условное обозначение типа электротехнического изделия.
Например: 4А200М2 У3, где У – климатическое исполнение,
3 – категория размещения.
Степень защиты от проникновения твердых тел и жидкости определяется ГОСТ 14254-80. В соответствии с ГОСТ устанавливается 7 степеней от 0 до 6 от попадания внутрь твердых тел и от 0 до 8 от проникновения жидкости.
Таблица 1.
Обозначение степеней защиты
|
Защита от проникновения твердых тел и соприкосновения персонала с токоведущими и вращающимися частями.
|
Защита от проникновения воды.
|
0
|
Специальная защита отсутствует.
|
1
|
Большого участка человеческого тела, например, руки и твердых тел размером более 50 мм.
|
Капель, падающих вертикально.
|
2
|
Пальцев или предметов длиной не более 80 мм и твердых тел размером более 12 мм .
|
Капель при наклоне оболочки до 150 в любом направлении относительно нормального положения.
|
3
|
Инструмента, проволоки и твердых тел диаметром более 2,5 мм.
|
Дождь, падающий на оболочку под углом 600 от вертикали.
|
4
|
Проволоки, твердых тел размером более 1 мм.
|
Брызг, падающих на оболочку в любом направлении.
|
5
|
Пыли в количестве недостаточном для нарушения работы изделия.
|
Струй, выбрасываемых в любом направлении.
|
6
|
Защита от пыли полная ( пыленепроницаемые).
|
Волн ( вода при волнении не должна попасть внутрь).
|
7
|
-
|
При погружении в воду на короткое время .
|
8
|
-
|
При длительном погружении в воду.
|
Для обозначения степени защиты используется аббревиатура «IP». Например: IP54.
Применительно к электродвигателям существуют следующие виды исполнения:
1. Защищенные IP21, IP22 (не ниже).
2. Брызгозащищенные, каплезащищенные IP23, IP24
3. Водозащищеные IP55, IP56
4. Пылезащищеные IP65, IP66
5. Закрытое IP44 – IP54, у этих двигателей внутренние пространство изолированно от внешней среды
6. Герметичное IP67, IP68. Эти электродвигатели выполнены с особо плотной изоляцией от окружающей среды.
Конструктивное исполнение электродвигателей по способу монтажа (IM).
Условные обозначения установлены ГОСТ2479-79.
1-ая цифра обозначает группу по способу монтажа от IM1 до IM9, наиболее распространена IM1- на лапах и с подшипниковыми щитами.
IM2 – на лапах с двумя подшипниковыми щитами и фланцами
IM3 – без лап с фланцами на щитах
2-ая цифра обозначает более детально
0 – обычные или приподнятые лапы
3-ая цифра обозначает характер направления конца вала
4-ая цифра обозначает исполнение конца вала (цилиндрический или конический)
Способ охлаждения электродвигателей (IC).
Система охлаждения может включать в себя одну или две цепи циркулярного хладореагента. Она регламентируется ГОСТ 20459-75.
Для каждой цепи циркуляций вводится группа знаков . Буква обозначает вид охлаждения: А – воздух,
W – вода.
1-ая цифра от 0 до 9 обозначает устройство цепи циркуляции.
0 – свободная циркуляция.
2-ая цифра от 0 до 9 обозначает способ перемещения хладореагента
0 – свободная циркуляция.
Большинство взрывозащищенных двигателей имеют две цепи охлаждения.
Электропривод установки должен полностью удовлетворять требованиям технологического процесса и соответствовать условиям окружающей среды в процессе эксплуатации. В то же время для электропривода следует выбирать наиболее простой двигатель по устройству и управлению, надежный в эксплуатации, имеющий наименьшие массу, габариты и стоимость.
Выбор электрических двигателей производится с учетом следующих параметров и показателей:
рода тока и номинального напряжения;
номинальной мощности и скорости;
вида естественной механической характеристики;
способа пуска и торможения;
особенностей регулирования скорости;
конструктивного исполнения двигателя.
Наиболее простыми в отношении устройства и управления, надежными в эксплуатации, имеющими наименьшие массу, габариты при заданной мощности являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.
Выбор двигателя по защите от действия окружающей среды должен производиться в соответствии с условиями, в которых он будет работать (таблица 2.).
Таблица 2.
Выбор двигателя по способу защиты от воздействия окружающей среды
Место установки двигателя
|
Рекомендуемый тип двигателя
|
Сухие помещения без пыли, грязи и едких газов
|
Открытый или защищенный, IP23
|
Пыльные или влажные помещения
|
Закрытый, IP44
|
Помещения с высокой температурой
|
Закрытый с независимой вентиляцией, IP44
|
Помещения с высокой влажностью или содержащие едкие газы
|
Закрытый или герметичный, IP44 или IP66
|
Взрывоопасные помещения
|
Взрывозащищенный, Ех
|
Открытый воздух
|
Закрытый (двигатель установлен под навесом) или защищенный, IP23, IP44
|
При выборе двигателя по мощности следует исходить из необходимости его полной загрузки в процессе работы. Кроме этого, необходимо выбирать двигатель таким образом, чтобы максимальная температура изоляции обмоток, не превышала допустимой величины. Это условие является одним из основных для обеспечения надежной работы электропривода в течение всего срока его эксплуатации.
В общем случае выбор мощности двигателя включает в себя:
1) Предварительный выбор мощности двигателя исходя из технологического режима работы по расчетным формулам, либо на основе нагрузочных диаграмм рабочей машины, либо по удельному расходу электрической энергии на выпуск единицы продукции и др.
2) Расчет переходных процессов и построение нагрузочных диаграмм электропривода в соответствии с технологическим процессом рабочей машины.
3) Проверка предварительно выбранного двигателя по нагреву и перегрузочной способности, оценка соответствия параметров нагрузочных диаграмм электропривода допустимым параметрам двигателя и технологического процесса.
В учебном проектировании достаточно процесс выбора мощности электродвигателя ограничить первым пунктом, так как расчет переходных процессов и построение нагрузочных диаграмм является довольно трудоемкой задачей, выходящей за рамки требований к объему знаний специалистов со средним специальным образованием.
В случае если нагрузочная диаграмма работы электродвигателя известна из паспортных данных станка, то выбор электродвигателя можно провести по этой диаграмме с проверкой двигателя на нагрев по методу эквивалентной мощности или методу средних потерь.
Рассмотрим методику расчёта мощности электродвигателей типового технологического оборудования.
Для металлорежущих станков
Расчет мощности электродвигателей металлорежущих станков производится с учетом режимом резания. В электроприводах главного движения металлорежущих станков мощность электродвигателя определяется требуемой мощностью резания.
Мощность двигателей для металлорежущих станков рассчитывается по следующей формуле:
P = Fc×qc×vр/1000ŋ;
где, Р – мощность двигателя, кВт ;
Fc – удельное сопротивление резанию, H/м ;
q с– сечение стружки, м² ;
vр – скорость резания , м/с .
Обычно Fc = (2 – 5,5) Fразр, где Fразр – удельное сопротивление разрыву, Н/м,
Удельное сопротивление резанию принимают для стали: Fc = (2,5 – 3,5) Fразр,
Fразр = (294 – 1180)х 106 Н/м2, для чугуна: Fc = (4 – 5,5) Fразр,
Fразр = (147 – 197)х 106 Н/м2
В случае наличии в паспорте станка номинальной мощности резанья Рzном мощность на валу двигателя:
Рном = Рzном / hст. ном., где Рzном и hст. ном, соответственно номинальная мощность резания и номинальный КПД станка (обычно составляет 0,6 – 0,75).
Мощность резания при точении (по данной мощности выбирается электродвигатель) рассчитывают по формуле:
 , кBт,
где Fz – сила резания, кН; Vр – скорость резания, м/мин
Мощность подачи значительно меньше мощности резания. Можно приблизительно принять Fп = (0,001÷0,01)·Fz
Мощность на валу главного двигателя в установившемся режиме определяется по формуле:
 , кВт,
где ηст – коэффициент полезного действия станка при полной нагрузке (для станков токарной группы в среднем составляет 0,7÷0,8, в цепи подачи обычно равен 0,1÷0,2).
В случае если вращение шпинделя и движение подачи осуществляется в станке от одного электродвигателя, то полученные мощности на валу Рд и мощность подачи Рп необходимо сложить.
Для фрезерных станков
Основными элементами режима резания при фрезеровании являются глубина резания, подача, скорость резания и ширина фрезерования.
Скоростью резания v является окружная скорость режущих лезвий фрезы
 , об/мин,
где D – диаметр фрезы, мм;
nф – частота вращения фрезы, об/мин.
Потребляемая на резание мощность Рр:
 , кBт
Мощность на валу главного электродвигателя, соответствующая мощности резания, определяется с учетом механических передач станка по формуле:
, кВт,
где ηст – к. п. д. станка при номинальной нагрузке (обычно составляет 0,75÷0,8).
Для шлифовальных станков
Мощность резания зависит от вида шлифования.
При шлифовании периферией круга мощность определяется по формуле:
 , кВт
при шлифовании торцом круга:
 , кВт,
где Ср – коэффициент, характеризующий материал изделия и твердость круга;
vu – окружная скорость детали или скорость движения стола, м/мин;
t – глубина шлифования, мм;
s0 – подача в направлении оси шлифовального круга (поперечная) в миллиметрах на один оборот детали или стола станка или на один ход стола;
d – диаметр шлифования, мм
B – ширина шлифования, мм.
При плоском шлифовании глубина шлифования назначается в пределах 0,005÷0,015 мм при чистовых проходах и 0,015÷0,15 мм при черновых проходах. Поперечная подача зависит от ширины круга и назначается на чистовых проходах 0,2÷0,3, а на черновых 0,4÷0,7 его ширины. Скорость продольной подачи заготовки назначается в пределах от 3 до 30 м/мин.
Для сверлильных станков
Эффективная мощность резания, определяется по формуле:
 , кВт,
где Mкр,- крутящийся момент, Н∙м
nн – частота вращения шпинделя – об/мин
Для насосов
Полезная мощность насоса:
где ρ - плотность жидкости, кг/м3;
g - ускорение свободного падения (9,8 м/с2);
Н – напор, м;
Q - подача насоса - объем(масса) рабочей среды, подаваемой машиной в единицу времени, м3/с.
Мощность на валу электродвигателя насоса определяется с учетом к.п.д. по формуле:
 , кВт,
где ηн – к.п.д. насоса (обычно составляет 0,4÷0,9).
Для конвейеров, транспортёров
Мощность электродвигателя:
где F – результирующее тяговое усилие конвейера, Н;
vк – скорость движения конвейера, м/с;
кз – коэффициент запаса (1,2÷1,5);
η - к. п. д. механизма (0,7÷0,85).
Для лифтов, механизмов подъёма крана
Мощность электродвигателя:
 , кВт,
где Gк – сила тяжести кабины, Н;
Gп – сила тяжести поднимаемого груза, Н;
Gк – сила тяжести противовеса, Н;
v – скорость движения кабины, м/с;
η – КПД механизма (0,75÷0,8).
Для механизмов передвижения тележки крана:
 , кВт,
где Gv – сила тяжести механизма с грузом, Н;
кт – коэффициент, равный 4÷6 для подшипников качения и 6÷8 – для подшипников скольжения.
После расчёта из каталога выбирают электродвигатель мощностью, исходя из условия
Рд  Рном
Мощность двигателя пилорам и круглопильных станков можно рассчитать по формуле:
 , кВт,
где F – усилие резания, кг;
v – средняя скорость пилы, м/с;
h – к. п. д. станка (0,7 – 0,8).
Усилие резания:
 , кг
где К – коэффициент резания, равный 11 – 20 в зависимости от породы дерева: для сосны – 11, ели – 12, березы – 13, дуба – 20;
S – толщина пилы, мм;
 - общая высота пропила, мм;
D – скорость подачи, мм (обычно принимается 3 – 8 мм);
Н = 2 r ( r – радиус кривошипа), мм.
Общая высота пропила равна:
 , мм (Z – число пил; d – диаметр бревна, мм).
РАСЧЕТ И ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
В данном пункте производится выбор всех электрических аппаратов силовой цепи и схемы управления. При выборе аппаратов предпочтение необходимо отдавать наиболее современным и совершенным типам аппаратов.
Выбор электрических аппаратов необходимо производить после определения тока, протекающего в отдельных цепях схемы установки. Ток, протекающий в силовой цепи, определяется электродвигателями, нагревательными элементами, исполнительными устройствами, электромагнитами, лампами освещения и сигнализации и т. д. Ниже приведены формулы определения тока типовых элементов.
Номинальный ток электродвигателя:
где Рном- номинальная мощность электродвигателя, Вт;
U- напряжение, кВ;
cos- коэффициент мощности;
η – КПД двигателя.
Номинальный ток трехфазных нагревательных элементов:
Номинальный ток электромагнитов:
где S - полная мощность электромагнита, ВА
Выбор электромагнитных пускателей
Электромагнитные пускатели необходимо выбирать только для управления силовыми нагрузками. В случае, если электромагнитный пускатель не коммутирует силовые цепи, преимущество при выборе необходимо отдавать промежуточным реле, которые отличаются от электромагнитных пускателей малыми габаритами и низкой потребляемой мощностью.
Электромагнитные пускатели выбирают по следующим условиям:
Серия электромагнитного пускателя
Наибольшее применение в настоящее время находят пускатели серии ПМЛ и ПМ12. Более дорогие, но и более качественные пускатели серии ПМУ и зарубежных фирм производителей «Сименс», «Легранд», «АББ», «Шнайдер Электрик».
Величина электромагнитного пускателя (ток нагрузки, который способен включать и выключать пускатель своими главными контактами)
Электромагнитные пускатели бывают 1-й величины (ток главных контактов – 10 и 16А), 2-й величины (25А), 3-й величины (40А), 4-й величины (63А). Если нагрузки выше 63 А, то в цепях управления электродвигателями и другими силовыми элементами схемы находят применение электромагнитные контакторы. Ток главных контактов аппарата должен быть больше тока нагрузки.
Рабочее напряжение катушки
Должно соответствовать напряжению цепей управления – стандартные значения напряжения ~24 В, ~110 В, ~220 В, ~380 В, DC 24 В
Количество дополнительных контактов электромагнитного пускателя
Должно соответствовать необходимому числу контактов в схеме управления. Отдельно необходимо считать контакты замыкающие и размыкающие. В случае, если количество контактов оказывается аппарата оказывается меньше необходимого и в качестве аппарата была выбрана серия ПМЛ, то существует возможность использовать приставку с дополнительными контактами серии ПКЛ.
Степень защиты, IP
Электромагнитный пускатель должен соответствовать условиям окружающей среды в которой он работает. Необходимо учитывать то, что аппарат установленный в пыльном помещении, но находящийся в шкафу управления со степенью защиты IP44, может иметь степень защиты IP20.
Наличие теплового реле
Если электромагнитный пускатель включает и выключает электродвигатели, которые по своим технологическим режимам могут испытывать перегрузки, то необходимо выбирать аппарат с тепловыми реле.
Наличие реверса
Для управления реверсивным электродвигателем существует возможность использовать реверсивный магнитный пускатель, который содержит 2 электромагнитных катушки, 6 силовых контактов, механическую блокировку и может иметь 2 тепловых реле.
Дополнительные элементы управления (кнопки на корпусе, лампочка)
Класс износостойкости (количество срабатываний)
Важный параметр в том случае, когда аппарат предназначен для коммутации нагрузки, работающей в режиме частых включений и выключений. При большом значении количества вкл/выкл в час используют бесконтактные пускатели.
Пример оформления выбора магнитных пускателей приведен в таблице 4.
Таблица 4.
|
