Проектирование ремонтно-механического цеха

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Расчетная часть

1.1 Исходные данные

Ремонтно-механический цех (РМЦ) предназначен для ремонта и настройки электромеханических приборов, выбывающих из строя.

Он является одним из цехов металлургического завода, выплавляющего и обрабатывающего металл. РМЦ имеет два участка, в которых установлено необходимое для ремонта оборудование: токарные, строгальные, фрезерные, сверлильные станки и др. В цехе предусмотрены помещения для трансформаторной подстанции (ТП), вентиляторной, инструментальной, складов, сварочных постов, администрации и пр.

РМЦ получает ЭСН от главной поиизительной подстанции (ГПП). Расстояние от ГПП до цеховой ТП - 0,9 км, а от энергосистемы (ЭСН) до ГПП - 14 км. Напряжение на ГПП- 6 и 10 кВ.

Количество рабочих смен - 2. Потребители цеха имеют 2 и 3 категорию надежности ЭСН. Грунт в районе РМЦ- чернозем с температурой +20 °С. Каркас здания цеха смонтирован из блоков-секций дли ной 6 м каждый.

Размеры цеха А х В х Н= 48 х 28 х 9 м.

Вспомогательные помещения двухэтажные высотой 4 м.

1.2 Расчет электрических нагрузок методом упорядоченных диаграмм

Электрические нагрузки являются исходными данными для решения комплекса вопросов при проектировании системы электроснабжения цеха или в целом промышленного предприятия.

Определения электрических нагрузок является первым этапом проектирования любой системы электроснабжения и производится для выбора трансформаторов цеховых, токоведущих элементов, компенсирующих установок, защитных устройств и т.д.

Исходными данными для определения электрических нагрузок являются количество и мощность приемников электроэнергии, находящихся в цехе, категория по степени надежности, характеристика помещений по окружающей среде. Для определения расчетных нагрузок групп электроприемников цеха, наибольшее применение получил метод упорядоченных диаграмм показателей графиков нагрузки. Этот метод позволяет по номинальной мощности и характеристике приемников определить расчетный максимум нагрузки. Расчет электрических нагрузок ведется по длительному режиму работы приемников. Мощность приемников, работающих в повторно-кратковременном режиме, должна быть приведена к длительному режиму. Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1

Исходные данные для расчета электрических нагрузок

Наименование электроприемников	Номер подгруппы	Номер по плану	Рн, кВт	n, шт	ки	cosц	tgц
1	2	3	4	5	6	7	8
ШР1
Вентиляторы	I	1-2	30,00	2	0,60	0,80	0,75
Сварочный агрегат ПВ 40%	II	3-5	12,00 7,60	3	0,25	0,35	2,67
Кран мостовой ПВ 60%	III	38	20,00 15,50	1	0,10	0,50	1,73
ШР2
Токарные автоматы	IV	6-8	6,00	3	0,17	0,65	1,17
Зубофрезерные станки		9-11	10,00	3
Круглошлифовальные станки		12-14	6,00	3
ШР3
Заточные станки	V	15-17	2,50	3	0,14	0,50	1,73
Сверлильные станки		18-19	2,20	2
Токарные станки		20-25	6,00	6
Плоскошлифовальные станки		26-27	10,50	2
ШР4
Строгальные станки	VI	28-30	17,50	3	0,14	0,50	1,73
Фрезерные станки		31-34	8,50	4
Расточные станки		35-37	7,50	3
Кран мостовой ПВ 60%	VII	39	20,00 15,50	1	0,10	0,50	1,73

Рассчитываем активную номинальную мощность электрических подъёмников передвижных в длительном режиме работы P_н11, кВт

где P_пв - активная номинальная мощность кран-балки в повторно-кратковременном режиме работы, кВт;

ПВ - продолжительность включения, в относительных единицах.

Рассчитываем активную номинальную мощность однофазного ЭП к 3-х фазным. Сверлильный станок 1 фазный

Р_{ном 8}= 3Р_ном.ф. Р_3ф

Р_{ном 8}= 3• 1,5 = 4,5 кВт

Рассчитываем суммарную номинальную активную мощность электроприемниковшкафа ШР1

где -число электроприемников,шт.

Находим суммарную сменную активную мощность

где - коэффициент использования, принимаем по справочнику [4, таблица 2.1].

Вт.

Определяем групповой коэффициент использования К_и

Рассчитываем показатель силовой сборки m

где - номинальная активная максимальная (минимальная) мощность одного электроприемника в одной подгруппе, кВт.

Т.к. K_и ? 0,2; m ? 3; n = 6 шт. ? 4 шт.; P_н ? const, то эффективное число электроприемников n_э, шт., определяется по формуле согласно справочнику

[3, таблица 1.5.2]

,

Т.к. n_э ? n, то принимаем n_э = 6 шт.

Определяем по справочнику [3, таблица 9.1] коэффициент максимума=1,66.

Рассчитываем максимальную активную мощность, потребляемую электроприемниками шкафа ШР1Р_mШР1,кВт

Находим суммарную реактивную сменную мощность Q_смШР1, кВАр

где - коэффициент реактивной мощности, соответствующий коэффициенту активной мощности.

Определяем максимальную реактивную мощность Q_m, кВАр

где- поправочный коэффициент.

Т.к

Рассчитываем полную максимальную мощностьS_mШР1,кВА

.

Находим максимальную силу тока, создаваемую электроприемниками шкафа ШР1I_mШР1,А

где -номинальное напряжение потребителей, кВ.

Определяем коэффициент активной (cosц) и реактивной (tgц) мощности данного узла питания

Аналогично шкафу осуществляем расчет нагрузок остальных узлов питания.

Рассчитываем электрические нагрузки шкафа ШР2

= 66 кВт,

,

Т.к. групповой коэффициент то эффективное число электроприемников n_эф, шт., не определяется, коэффициент загрузки в длительном режиме

Т.к

Рассчитываем электрические нагрузки шкафа ШР3

=

Т.к. групповой коэффициент то согласно методике справочника[2,таблица1.5.2] эффективное число электроприемников n_эф, шт., то

По справочнику [4, таблица 2.14] определяем и определяем

,

Рассчитываем электрические нагрузки шкафа ШР4

Т.к. групповой коэффициент то эффективное число электроприемников n_эф, шт., не определяется, коэффициент загрузки в автоматическом режиме

Т.к

Находим ШР5

Находим ШР6

Находим ШР7

Находим ШР8

Определяем электрические нагрузки ЩАО

Определяем электрические нагрузки ЩО

Определяем электрические нагрузки распределительного устройства низкого напряжения(РУНН).

Все рассчитанные параметры сводим в таблицу 2.

Итак, в результате расчета электрических нагрузок была получена полная максимальная мощность S_{m РУНН} = необходимая для выбора числа и мощности трансформаторов по максимальному току цехаудем выбирать защитную аппаратуру с низкой стороны трансформатора и питающие сети. По средневзвешенным коэффициентам решается вопрос о необходимости компенсации реактивной мощности.

1.3 Компенсация реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности является одним из наиболее важных основных направлений для сокращения разнообразных потерь электроэнергии, а также повышения эффективности работы электроустановок конкретных промышленных предприятий. При осуществлении компенсации реактивной мощности выполняется и одновременно повышение качества электроэнергии, находящихся в сетях предприятий. Компенсации реактивной мощности представляет собой целенаправленное воздействие, основная цель которого регулирование напряжения. В распределительных сетях основная цель компенсации реактивной мощности значительно снижается разнообразных потерь электроэнергии. Для эффективного осуществления компенсации необходимо применение специальных компенсирующих устройств. В узлах электросети для поддержания определённых уровней напряжения потребление реактивной, а обязательном порядке должно обеспечивать необходимость генерирующую мощность.

Из расчетов электрических нагрузок максимальная реактивная

при средневзвешенном(

Так как данные значения коэффициента мощности не отвечают требованиям электросистемы (то проводим компенсацию путем установки конденсаторной батареина шину напряжением согласно рисунку 1.

Так как электроприемники проектируемого объекта относятся к третьей категории по надежности электроснабжения, то согласно ПУЭ [3,пункт 1.2.17,1.2.20] принимаем односекционную схему распределения электроэнергии и одну батарею.

Рисунок 1 Упрощенная однолинейная схема

Определяем реактивную мощность, подлежащую компенсации

По справочнику [6,таблица 2.192] принимаем к установке конденсаторную батарею типа УКБН-0,38 - 135ТЗ с мощностью

Рассчитываем остаточную реактивную мощность после компенсации

где - число конденсаторных батарей, шт.

Находим полную максимальную мощность

Определяем коэффициент активной () и реактивной () мощность после компенсации.

Рассчитываем токи до компенсации ,А и и после компенсации.

Все расчетные параметры сводим в таблицу 3.

Таблица 3

Компенсация реактивной мощности

До компенсации	После компенсации
Рm, кВт	Qm, кВАр	Sm, кВА	А	cosц	tgц	Рmґ, кВт	Qmґ, кВАр	Smґ, кВА	А	cosцґ	tgцґ
507,76	320,10	600,24	34,65	0,85	0,63	507,76	186,10	540,79	31,22	0,93	0,36

Итак, в результате установки одной конденсаторной батареи мощностью получили снижении полной мощности на ,что позволяет выбрать трансформатор меньшей мощностью. Снижение токов в сетях высокого напряжения позволяет выбрать сети меньшего сечения. Повышение коэффициента мощности ведёт к снижению потерь активной мощности притранспортировке электроэнергии.

1.4 Выбор числа и мощности трансформатора, типа подстанции

Число и мощность трансформаторов выбираются по графику нагрузки потребителя и подсчитанным величинам средней и максимальной мощности; технико-экономическим показателям отдельных намеченных вариантов числа и мощности трансформаторов с учетом капитальных и эксплуатационных расходов; категории потребителей с учетом наличия у потребителей нагрузок первой категории, требующих надежного резервирования; экономически целесообразному режиму, под которым понимается режим, обеспечивающий минимум потерь мощности и электроэнергии в трансформаторе при работе по заданному графику нагрузки.

Так как электроприемники проектируемого объекта относится к третьей категории по надежности электроснабжения, то в соответствии с ПУЭ [3, пункты 1.2.17, 1.2.20] принимаем к установке один силовой трансформатор по справочнику [6, приложение 12], трехфазный силовой трансформатор с сухой изоляцией типа ТСЗ-630/10 с полной номинальной мощностью

Проверяем выбранный трансформатор по коэффициенту загрузки в нормальном режиме работы

где - число трансформаторов в цеховой подстанции,шт.

Проверяем установленную мощность трансформатора в аварийном режиме при отключении одного трансформатора и необходимости обеспечить электроснабжение потребителей 1-й и 2-й категорий в период максимума с допустимой нагрузкой, равной 140%:

540,79 = 405,6

Так как коэффициент не превышает значений, допустимых Правилами технической эксплуатации (ПТЭ), то трансформатор принимаем к окончательной установке и его параметры сводим в таблицу 4.



Таблица 4

Выбор силового трансформатора

Тип трансформатора	Sн, кВА	Uвн, кВ	Uнн, кВ	Pкз, кВТ	Uкз, %	Iхх, %	Pхх, кВТ	Кз н	Кз ав.
ТСЗ-630/10	630	10	0,4	7,6	5,5	2,0	1,7	0,42

Комплектные трансформаторные подстанции бывают трех типов: внутрицеховые, пристроенные и отдельно стоящие. Выбор производят с учетом окружающей среды и поражению людей электрическим током.

В данном дипломном проекте к установке принимаем трансформаторную подстанцию внутрицехового типа.

1.5 Расчет потерь мощности в трансформаторе

В трансформаторе возникают два вида потерь мощности. Электрические потери возникают в обмотках трансформатора и обусловлены их нагреванием при протекании по ним электрического тока. Электрические потери зависят от величины сопротивление обмотке и силы тока.

Магнитные потери возникают в магнитопроводе из-за переменного магнитного поля. Магнитные потери состоят из двух видов: потери от вихревых токов, потери из-за гистерезиса, которые вызваны периодическим перемагничиванием сердечника переменным магнитным полем. Магнитные потери зависят от конструкции магнитопровода, его массы, материала, частоты тока, величины магнитной индукции, напряжения.

Расчет потерь мощности в трансформаторе необходим для более точного выбора питающих сетей высокого напряжения, а также для расчета стоимости электроэнергии.

Определяем потери активной мощности в трансформаторе ДР, кВт

где Р_к.з. - потери активной мощности в трансформаторе при проведении опыта короткого замыкания, кВт;

Р_х.х - потери активной мощности в трансформаторе при его работе на холостом ходу, кВт.

Рассчитываем потери реактивной мощности в трансформаторе ДQ,кВАр

Находим потери полной мощности в трансформаторе ДS, кВА

ДS=

ДS=

Все параметры сводим в таблицу 5.

Таблица 5

Расчет потерь мощности в трансформаторе

Тип трансформатора	Sн, кВА	Uв.н., кВ	Uн.н., кВ	ДР, кВт	ДQ, кВАр	ДS, кВА
ТСЗ - 630/10	630	10	0,4	3,04	18,71	18,95

Итак, в результате расчетов видно, что потери в трансформаторе зависят от конструктивных особенностей, от полной мощности трансформатора и егокоэффициента загрузки в нормальном режиме работы.



1.6 Расчет и выбор сетей напряжением выше1кВ

Согласно ПУЭ [3,пункт 1.3.28] сети U1кВ выбираем по экономически целесообразному сечению и по экономической плотности тока с поверкой по допустимой величине тока.

Определяем максимальную активную мощность высоковольтного кабеля с учетом потерь мощности в трансформаторе Р_m(10), кВт

Рассчитываем реактивную мощность, протекающую по кабелю

Находим полную максимальную мощность кабельной линии S_m(10),кВА

S_m(10)=

Определяем экономически целесообразное сечение высоковольтного кабеля

где - ток, протекающий по кабельной линии, А;

- экономическая плотность тока, А/мм².



Учитывая, что число часов использования максимума нагрузки в год

, принимаем к прокладке кабель ААШв по ПУЭ [5,таблица 1.3.36]

По ПУЭ [3, таблица 1.3.16] принимаем к прокладке кабель ближайшего стандартного сечения ААШв

По справочнику [8,таблица 4-79] определяем активное и реактивное сопротивления.

Т.к. кабель проложен в земле один, и температура окружающей среды не отличается от стандартной, t=15^оС, то поправочных коэффициентов не вводим.

Проверяем кабель на потери напряжения ?U,%, которые по ГОСТ [9] не должны превышать

Так как, то кабель принимаем к предварительной прокладке, его параметры сводим в таблицу 6. Окончательное решение будет принято после проверки на термическую стойкость.

Таблица 6

Выбор сетей напряжением выше 1 кВ

Uн, кВ	Im (10), A	Тм, ч/год	iэк, A/мм2	Fэк, мм2	Марка и сечение кабеля	Iдґ, А	r0, Ом/м	х0, Ом/м	l, км	ДU, %
10	18,77	3000-5000	1,4	13,41	ААШв 3х16	75	1,95	0,113	0,9	0,92

Итак, кабель, выбранный по экономической плотности тока, имеет почти двойной запас по току, что позволяет расширить производство и увеличить производительность труда без замены кабеля. Так как изоляция кабеля греется меньше, то увеличивает срок эксплуатации кабеля.

1.7 Расчет и выбор сетей

Согласно ПУЭ [3, пункт 1.3.28], не подлежат проверке по экономической плотности тока сети промышленных предприятий при числе часов использования максимума нагрузки часов/год; сборные шины электроустановок и ошиновка в пределах открытых и закрытых распределительных устройств всех напряжений; сети, идущие к одиночным ЭП и сети освещения, поэтому выбор осуществляем по току с проверкой по потере напряжения и на установленную защитную аппаратуру.

Исходя из расчетов электрических нагрузок по ПУЭ [3, таблица 1.3.31, пункт 1.3.23] принимаем к установке шины с размерами 60х8 с

По справочнику [8, таблица 4-80] определяем

Проверяем шины по потерям напряжения , %



=

Т.к. , то шины принимаем к предварительной установке, окончательное решение будет принято после проверки шин на термическую и динамическую стойкость токов КЗ.

Из расчета электрических нагрузок = 132,41 А. Рассчитываем ток расцепителя автоматического выключателя , А

где - поправочный коэффициент, учитывающий неточность калибровки расцепителя, принимаем =1,25.

По справочнику [10] принимаем к установке выключатель для ШР1 серии ВА 51-35.

Принимаем к прокладке по ПУЭ [5, таблица 1.3.7] кабель АВВГ 4х150 с

Проверяем кабель на установленную защитную аппаратуру по условию

,

где -ток срабатывания защиты, равный току расцепителя, А;

-коэффициент защиты, принимаем по справочнику [4, таблица 2.10]

=1, т.к. сети не требуют защиты от перегрузок и к установке принят выключатель с нерегулируемой обратнозависимой от тока характеристикой.

.

По справочнику [8, таблица 4-79] определяем Ом/км,

Ом/км.

Проверяем кабель по потерям напряжения , %

Т.к. , 5%, , то кабель принимаем к окончательной прокладке. Его параметры сводим в таблицу 7.

Рассчитываем номинальный ток двигателя, А позиция 1

где - коэффициент полезного действия (КПД), принимаем по справочнику [10, таблица 9.6]=89%.

Рассчитываем ток расцепителя автоматического выключателя , А

где - поправочный коэффициент, учитывающий неточность калибровки расцепителя, принимаем

По справочнику [10] принимаем к установке выключатель серии ВА 51-31.

Принимаем к прокладке по ПУЭ [3, таблица 1.3.7] кабель марки АВВГ 4х35 с =

Проверяем кабель на установленную защитную аппаратуру

.

По справочнику [8, таблица 4-79] определяем

Проверяем кабель по потерям напряжения , %

Т.к. , 5%, , то кабель принимаем к окончательной прокладке. Его параметры сводим в таблицу 8.

1.8 Расчет токов короткого замыкания

Вычисление токов короткого замыкания производятся для определения условий работы потребителей при аварийных режимах; выбора электрических аппаратов, шин, изоляторов, силовых кабелей; проектирования и настройки устройств релейной защиты и автоматики; проектирование защитных заземлений; подбора характеристик разрядников для защиты от перенапряжений.

Для начала расчетов токов короткого замыкания строится упрощенная однолинейная схема согласно рисунку 2, по ней - схема замещения согласно рисунку 3. В данном дипломном проекте расчет сопротивлений схемы замещения осуществляется в именованных единицах: в сети выше 1 кВ - Ом, в сети до 1 кВ - мОм. Точки короткого замыкания указаны на рисунке 3. Расчёт токов к.з. производим с учётом сопротивления энергосистемы.

Рисунок 2 Упрощенная однолинейная схема

Пересчитываем удельное сопротивление энергосистемы в Ом

где - базовое напряжение;

- среднее напряжение,

Пересчитываем сопротивление высоковольтной кабельной линии в Ом



Рисунок 3 Схема замещения



Рассчитываем ток периодической составляющей тока короткого замыкания в начальный момент времени, , кА, по формуле

Находим отношение индуктивного сопротивления к активному

По справочнику [1, рисунок 7,4] определяем значение ударного коэффициента .

Рассчитываем ударный ток , кА, по формуле

кА.

Пересчитываем сопротивления энергосистемы и кабеля ААШв для расчёта токов к.з. в точке К-2, приводя их к базовому напряжению 630 В



Пересчитываем сопротивления трансформатора, в мОм

По I_mц = 911,97 А, по справочнику [9] принимаем к установке с низкой стороны трансформатора выключатель типа ВА 62.

По каталогу [7, Таблица 2-22, 2-23] определяем индуктивное сопротивление катушки выключателя х_а =0,094 мОм, активное сопротивление катушки r_a1=0,12 мОм и переходное сопротивление контактов r_к =0,25 мОм.

Рассчитываем ток короткого замыкания в точке к-2

,

мОм,

мОм,

кА.

Аналогично выполняем расчёт токов короткого замыкания в точках К-3 и К-4.

Производим расчёт в точке К-3.

Находим сопротивления выключателя ВА 51-35

мОм; мОм; мОм.

Сопротивления кабельной линии идущей к шкафу ШР 1

,

мОм,

,

кА.

Производим расчёт в точке К-4

Сопротивления выключателя ВА 51-31

мОм; мОм; мОм,

мОм,

мОм,

,

мОм,

,

кА.



1.9 Выбор электрооборудования и проверка аппаратов на действие токов короткого замыкания

Электродинамические усилия в токоведущих частях выключателей, разъединителей и других аппаратов трудно поддаются расчету, поэтому заводы-изготовители указывают предельный сквозной ток КЗ (амплитудное значение) (), который не должен быть меньше найденного при расчете ударного тока при трехфазном КЗ. Таким образом, проверка проводится по условию

().

Проверка аппаратов на термическую стойкость производится по току термической стойкости , заданному заводом-изготовителем и расчетному времени термической стойкости по каталогу . Аппарат термически стоек, если тепловой импульс, к, не превышает произведения квадратного значения тока термической стойкости , кА, на время термической стойкости , с, т.е.

.

При выборе токоведущих частей необходимо найти конечную температуру нагрева токами короткого замыкания с учетом периодической и апериодической составляющих. Этот расчет достаточно трудоемкий, поэтому термическую стойкость обычно проверяют определением максимального сечения, которое должно быть меньше принятого, т.е. <.

При проверке на действие КЗ шина считается динамически стойкой, если расчетное напряжение в материале шины от изгиба меньше допустимого, т.е. <.

Т.к. потребители относятся к второй категории по надежности электроснабжения, то в качестве защитной аппаратуры с высокой стороны выбираем выключатель нагрузки с предохранителем по справочнику [12, таблица 5-3] ВНПз-17 с предохранителем ПК-10/30,

Т.к. оборудование защищено предохранителем, то в соответствии с ПУЭ [3, пункт 1.4.3] высоковольтный кабель ААШв не проверяем на действие токов КЗ и принимаем к окончательной прокладке.

Для подключения катушек измерительных приборов, реле релейной защиты (РЗ), расчетных счетчиков принимаем к установке трансформатор тока по справочнику [12, таблица 5-9] типа ТПЛ-10 (трансформатор тока; проходной; с литой изоляцией) с , с номинальным первичным током , =5А, с номинальной нагрузкой в классе точности 0,5, электродинамической стойкостью , с термической стойкостью =

По справочнику [12, таблица 5-13] выбираем трансформатор напряжения типа НОМ-10 (трансформатор напряжения; однофазный; с естественным масляным охлаждением) с , , с номинальной мощностью в классе точности 0,5. Для защиты трансформатора напряжения выбираем предохранитель типа ПКТН-10У3.

Т.к. расчетные параметры не превышают справочных значений, то выбранное оборудование принимаем к окончательной установке.

Проверяем шины на действие токов КЗ.

Находим минимальное допустимое сечение шины,

где - коэффициент, зависящий от допустимой температуры при КЗ и материала проводника, принимаем для алюминиевых шин =88;

- тепловой импульс в точке КЗ, кА² с, находим по формуле

где - время срабатывания выключателя, с,

- время срабатывания релейной защиты, с, принимаем

- постоянная времени затухания апериодической составляющей токов КЗ, находим по формуле

с,

.

Окончательное решение будет принято после проверки шин на динамическое действие токов КЗ.

Проверяем шины с размерами 60 х 8 на динамическое действие токов КЗ.

Находим максимальное усилие, действующие на шинную конструкцию, при трехфазном КЗ, Н

где - расстояние между изоляторами шинной конструкции (пролет), м, принимаем ;

- расстояние между фазами, м, принимаем =0,06 м, т.к. , по справочнику [5, стр. 140].

Определяем изгибающий момент М, Нм

Находим напряжение в материале шин от изгиба , Мпа

где W - момент сопротивления, , при расположении шин плашмя определяется по формуле

где b, h - размеры поперечного сечения шины, см.

следовательно, принимаем шину к окончательной установке.



1.10 Релейная защита

Все электроустановки оборудуются устройствами релейной защиты, предназначенными для отключения защищаемого участка в цепи или элемента в случае его повреждения, если это повреждение влечет за собой выход из строя элемента или электроустановки в целом. Релейная защита срабатывает и тогда, когда возникают условия, угрожающие нарушением нормального режима работы электроустановки.

В релейной защите электроустановок защитные функции возложены на реле, которые служат для подачи импульса на автоматическое отключение элементов электроустановки или сигнала о нарушении нормального режима работы оборудования, участка электрической установки, линий и т.д.

К релейной защите предъявляют следующие требования: селективность, чувствительность, надежность.

Селективность - отключение только той минимальной части или элемента установки, которая вызвала нарушение режима.

Чувствительность - быстрая реакция на определенные, заранее заданные отключения от нормальных режимов работы, иногда самые незначительные.

Надежность - безотказная работа в случае отключения нормального режима.

Необходимая скорость срабатывания реле определяется проектом в зависимости от характера технологического процесса. Иногда для сведения до минимума ущерба от возникших повреждений релейная защита должна обеспечивать полное отключение в течение сотых долей секунд.

Для защиты трансформаторов обычно применяют максимальную токовую защиту от КЗ, которая предназначена для отключения электроустановки при превышении максимально допустимого тока в цепи.

Трансформатор имеет блок контроля температур обмотки низкого напряжения и магнитопровода. Блок выполняется следующими функциями: измерение температуры трех обмоток и магнитопровода трансформатора; сравнение измеренной температуры по каждому каналу с тремя заданными уровнями охлаждения, предупреждение, перегрев; установка установок по каждому из уровней компарирования; циклическую индикацию в цифровом виде значения температуры по каждому каналу измерения и условного обозначения контролируемого канала.

Максимально токовая защита применяется, главным образом, для защиты радиальных линий с односторонним питанием.

Для защиты параллельных линий, присоединенных к шинам подстанции через один общий выключатель, применяют токовую поперечную дифференциальную защиту. Для этого на каждом линии устанавливают трансформаторы тока, вторичные обмотки которые соединяют между собой и подключают на разность токов. Параллельно вторичным обмоткам трансформаторов тока подключают реле тока мгновенного действия. В нормальных условиях разность токов линий будет равна нулю. При повреждении на одной из линий токи не будут равны, и через реле будет проходить ток, равный их разности. Если величина этого тока больше тока срабатывания реле, то защита подействует на отключение выключения линии.

Для защиты электродвигателя применяется следующие виды защиты: защита от межфазных КЗ, от однофазных замыканий на землю, от токов перегрузки, минимального напряжения.

Защита от межфазных КЗ - ток срабатывания защиты отстраивается от максимального значения периодической составляющей пускового тока двигателя.

Защита от однофазных замыканий на землю - осуществляется трансформатором тока, действующим через токовое реле на промежуточное и далее на катушку отключения.

Защита от токов перегрузки - осуществляется реле типа РТ - 80 с зависимой от тока выдержкой времени, включенным, так же как и реле максимально - токовой защиты РТМ, на разность токов.

Защита минимального напряжения - устанавливается, чтобы обеспечить самозапуск наиболее ответственных электродвигателей и отключить неответственные электродвигатели, отсутствие которых в течение некоторого времени не отразится на производственном процессе. Этим уменьшается суммарный ток самозапуска и повышается напряжение на шинах, благодаря чему обеспечивается самозапуск ответственных электродвигателей.

Защита конденсаторных батарей от КЗ выполняется реле мгновенного действия типа РТМ. Защита от замыканий на землю осуществляется токовым реле, действующим через промежуточное реле на отключение. Защита конденсаторных батарей о однофазных замыканий на землю устанавливается в двух случаях: когда токи замыкания на землю выше 20 А и когда защита от междуфазных замыканий не срабатывает.

1.11 Расчет заземляющего устройства

Согласно ПУЭ [3, пункт 1.7.32] для защиты людей от поражения электрическим током при повреждении изоляции должна быть применена, по крайней мере, одна из следующих защитных мер: заземление, зануление, защитное отключение, разделительный трансформатор, малое напряжение двойная изоляция, выравнивание потенциалов.

В первую очередь согласно ПУЭ [3, пункт 1.7.35] для заземления электроустановок должны быть использованы естественные заземлители. Принимаем в качестве естественного заземлителя трубы холодного водоснабжения.

Определяем сопротивление растеканию тока по трубам холодного водоснабжения R_Х.В., Ом



где удельное сопротивление грунта Омм, с учетом коэффициента сезонности k_сез, принимаемого по справочнику [13, таблица 6-5] k_сез = 1,45, то есть

где ? рекомендуемое каталогами удельное сопротивление грунта, принимаем по каталогу [13, таблица 6-4] Омм ? для супеска;

Омм;

t - глубина заложения трубы от поверхности земли, м, принимаем t = 2 м;

l- длина трубы, м, принимаем l = 500 м;

d - диаметр трубы, м, принимаем d = 0,25 м.

.

Т.к. сопротивление растеканию тока через трубы холодного водоснабжения не превышает допустимых для сетей с линейным напряжение и глухозаземленной нейтралью, то заземлитель принимаем к предварительной установке. Окончательное решение будет принято после проведения испытаний.

2. Специальная часть. Электрооборудование токарно-винторезного станка

2.1 Исходные данные

Токарно-винторезный станок предназначен для обработки металлической детали и придания ей необходимой формы и размеров путем снятия стружки. Электроприводом главного привода (шпинделя) является привод от асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Среда цеха нормальная.

Исходные данные токарного станка:

- усилие резания.

- скорость резания.

- коэффициент полезного действия станка (КПД).

2.2 Общая характеристика объекта. Требования к электрооборудованию

Токарно-винторезные станки - один из видов токарного оборудования, предназначенный для нарезания резьбы и прочих видов внутренней и наружной обработки как единичных образцов, так и малых групп деталей. Это одна из наиболее распространённых разновидностей станков, применяемых в металлообработке и машиностроении.

Главными техническими параметрами, используемыми для классификации токарно-винторезных станков, являются:

а) наибольшая величина длины деталиl, подвергаемой обработке;

б) максимальный диаметр детали, которую можно обрабатывать - D.

В зависимости от возможностей обработки максимального диаметра детали, выпускают станки, имеющие D = 100, 125, 160 мм. Нередко можно встретить станки с максимальным диаметром обрабатываемой детали в 200, 250 и 320 мм. Есть модели, диаметры которых достигает 400 мм, 500 мм и выше.

Существуют станки с максимальным диаметром обрабатываемой детали в 4000 мм.

Для определения наибольшей длины детали, которую можно обработать на станке, производят замер между центрами станка. В то же самое время, могут выпускаться станки, имеющие одинаковое значение D, но различные значения l.

В зависимости от массы, токарно-винторезные станки подразделяются на легкие, средней тяжести, крупные и тяжелые.

Лёгкие токарно-винторезные станки имеют массу до 500 кг. В этот класс входят модификации, диаметр которых равно 100 - 200 мм. Они применяются в приборостроении, инструментальном производстве, опытных и экспериментальных цехах, часовой промышленности. Их выпускают без механической подачи или с ней.

Вес токарно-винторезных станковсредней тяжести достигает четырех тонн. Среди многообразия модификаций встречаются модели, значение диаметра которых колеблется в пределах 250 - 500 мм. Эти токарно-винторезные станки характеризуются широким диапазоном частоты вращения шпинделя, достаточной мощностью и высокой жесткостью, что в совокупности позволяет обрабатывать детали из твёрдых и сверхтвёрдых металлов на экономичных режимах.

На них осуществляют чистовую и получистовую обработку, включая нарезание различной резьбы. Станки средней тяжести оснащают всевозможными приспособлениями, позволяющими улучшить качество обработки, облегчить труд рабочих и значительно расширить технологические возможности. Станки средней тяжести прекрасно автоматизированы, и на них производится 70-80% от всего объёма токарных работ.

Крупные токарно-винторезные станки имеют вес до 15 тонн и показатель диаметра, не выходящий за пределы 630 - 1250 мм.

Вес тяжёлых токарно-винторезных станков достигает 400 тонн, а диаметр достигает показателей в 1600 - 4000 мм.

Последние два вида станков чаще всего применяются в энергетическом и тяжёлом машиностроении и прочих отраслях промышленности, связанных с обработкой железнодорожных колёсных пар, валков прокатных станов, роторов турбин и пр. Они менее универсальны и чаще всего приспособлены для обработки отдельных деталей.

Независимо от типа, все основные узлы наделены одинаковыми названиями и сходны по расположению и назначению:

а) станина, служащая местом крепления всех механизмов станка;

б) шпиндельная бабка, в недрах которой размещаются сам шпиндель, коробка передач и другие детали;

в) коробка подач, предназначенная для изменения скорости вращения ходового вала и ходового винта;

г) суппорт - механизм, призванный перемещать закреплённый в резцедержателе режущий инструмент;

д) резцедержатель - сложный механизм, обеспечивающий надёжное удерживание резца во время обработки деталей;

е) задняя бабка, имеющая пиноль, внутри которой может устанавливаться стержневой инструмент для обработки центрального отверстия в зажатой в патроне детали;

ж) фартук, способный преобразовывать вращательные движения валика или винта в поступательные перемещения суппорта с инструментом.

Основные узлы токарно-винторезных станков представлены на рисунке 4.

Схемой управления предусмотрены защита двигателей от длительных перегрузок - тепловыми реле, а от коротких замыканий - соответствующими плавкими предохранителями. При кратковременных перегрузках, возникающих на шпинделе, происходит проскальзывание фрикциона, и приводной двигатель отсоединяется от входного вала коробки скоростей станка. Для быстрой остановки станка служит установленный в передней бабке ленточный тормоз.

Электрические аппараты должны соответствовать следующим требованиям: изоляция электрических аппаратов должна быть рассчитана в зависимости от условий возможных перенапряжений, которые могут возникнуть в процессе работы. Аппараты, предназначенные для частого включения и отключения, должны иметь высокую механическую и электрическую износоустойчивость, а температура токоведущих элементов не должна превышать допустимых значений. При коротком замыкании токоведущая часть аппарата подвергается значительным термическим и динамическим нагрузкам, которыевызваны большим током. Эти нагрузки не должны препятствовать дальнейшей работе аппарата.

Рисунок 4 Сборочные единицы (узлы) и механизмы токарно-винторезного станка 1К62 1 - передняя бабка, 2 - суппорт, 3 - задняя бабка, 4 - станина, 5 и 9 - тумбы, 6 - фартук, 7 - ходовой винт, 8 - ходовой валик, 10 - коробка подач, 11 - гитары сменных шестерен, 12 - электро-пусковая аппаратура, 13 - коробка скоростей, 14 - шпиндель

Установка электродвигателей и аппаратов должна осуществляться таким образом, чтобы они были доступны для осмотра и замены для ремонта Электродвигатели должны быть заземлены или занулены в соответствии с требованиями ПУЭ. На коммутационных аппаратах, пускорегулирующих устройствах, предохранителях и т.п. должны быть надписи, указывающие, к какому электродвигателю они относятся.

Главное (режущее) движение - необходимое относительное перемещение инструмента и заготовки (за счет него инструмент производит резания металла) осуществляется обычно при помощи электроприводов (иногда применяются и гидроприводы), движение подачи - либо через механическую передачу от главного привода, либо отдельных электро- или гидроприводов.

Требования к электроприводам основных и вспомогательных движений. Одним из важнейших вопросов электрооборудования металлорежущих станков является выбор типа электропривода для основных движений.

На этот выбор оказывают ряд нескольких факторов:

а) диапазон и плавность регулирования скорости;

б) характер нагрузки привода;

в) частота включений привода;

г) соотношение периодов машинного и вспомогательного времени работы станка;

д) энергетические показатели работы электропривода - КПД и коэффициент мощности;

е) надежность привода, простота его обслуживания и наладки.

Главным же требованием является жесткая механическая характеристика, перепад угловой скорости при изменении нагрузки на валу двигателя от холостого хода до номинальной не должен превышать 5-10%.

Для наиболее полного использования режущего инструмента и станка обработка изделий должно производиться при оптимальной скорости резания для наилучших экономических показателей. Оптимальная скорость резания зависти от физических свойств обрабатываемого изделия и его геометрических размеров.

Регулирование скорости приводов главного движения может осуществляться:

а) механическим - изменением передаточного отношения от двигателя к рабочему органу;

б) электрическим - изменением частоты вращения двигателя;

в) электромеханическим - комбинированием двух первых способов.

Для токарных станов, в которых главное движение резания является вращательным, требуется постоянство мощности в большей части диапазона изменения скоростей и только в области малых скоростей - постоянство момента, равному наибольшему допустимому по условию прочности механизма главного движения. Малые частоты вращения предназначаются для специфических видов обработки.

В главных приводах токарных станков широкого назначения малых и средних размеров основным типом привода является привод от асинхронного короткозамкнутого двигателя. Асинхронный двигатель (АД) конструктивно хорошо сочетается с коробкой скоростей станка, надежен в эксплуатации и не требует специального ухода.

В токарных станках малых размеров пуск, остановка и изменение направления вращения шпинделя часто производится с помощью фрикционных муфт. Двигатель при этом остается подключенным к сети и вращается в одном направлении.

В некоторых приводах главного движения применяются многоскоростные АД. Использование такого привода целесообразно, если оно приводит к упрощению коробки скоростей или когда требуется переключения скорости шпинделя на ходу.

Тяжелые станки, как правило, имеют электромеханическое ступенчато-плавное регулирование скорости главного привода с использование двигателя постоянного тока (ДПТ). Достоинством таких приводов является плавное регулирование скорости изменением магнитного потока. Иногда применяют двухзонное регулирование для постоянства момента нагрузки. Недостатком привода с ДПТ является постоянный род тока, для этого в цехах устанавливают отдельные преобразователи.

2.3 Расчет мощности и выбор электродвигателя

Для современного производства станков характерной особенностью является стремление приблизить двигатель к рабочему органу станка, так как это позволяет упростить кинематические цепи, снизить потери в передачах и сделать привод более компактным. Это привело к применению на станках как двигателей нормального исполнения со станиной на лапах, так и двигателей специального исполнения с фланцем на подшипниковом щите. Это позволяет упростить конструкцию в ряде случаев за счет непосредственной установки на основание.

Приводные двигатели должны быть защищены от вредного влияния окружающей среды, например, машинного масла, эмульсии, металлической пыли. Для этого используются закрытые двигатели с наружным обдувом или с естественным охлаждением.

Режимы работы электродвигателей станков:

а) продолжительный режим с постоянной нагрузкой;

б) перемежающийся режим с частыми реверсами;

в) повторно-кратковременный режим;

г) кратковременный режим.

Основой для расчета мощности электродвигателя, как правило, служат нагрузочные диаграммы в соответствии с рисунком 5, построенные для установившегося режима работы привода. По этим диаграммам производят предварительный выбор мощности электродвигателя, после чего выбранный электродвигатель проверяют по нагреву и допустимой нагрузке с учетом переходных процессов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5 Нагрузочная диаграмма токарно-винторезного станка

Рассчитываем мощность резания Р_рез, кВт по формуле

где F - усилие резания, Н;

V - скорость резания, м/мин.

Определяем расчетную мощность двигателя Р_рас, кВт по формуле

где з - КПД станка.

Исходя из расчетной мощности выбираем двигатель по справочнику [1, таблица Д1] с учетом условия

Был выбран двигатель серии А160S4У3 с параметрами:

а) номинальная мощность рдв = 15 квт;

б) номинальная частота вращения n_н = 1500 об/мин;

в) скольжение s = 2,7%;

г) коэффициент полезного действия з = 0,89%;

д) коэффициент мощности cosц = 0,88;

е) перегрузочная способность л = 2,2;

ж) кратность пускового тока .

2.4 Расчет и построение механической характеристики двигателя

Механической характеристикой АД можно считать зависимость угловой скорости от вращающегося момента или зависимость скольжения от вращающего момента.

Исходными данными для построения механической характеристики являются: номинальная мощность двигателя, номинальная частота вращения, перегрузочная способность двигателя, число пар полюсов.

Определяем скорость вращения магнитного поля статора n₁,об/мин

где f - частота сети,f= 50 Гц;

- число пар полюсов.

Определяем номинальное скольжение S_н

где - номинальная частота вращения двигателя, об/мин.

Определяем критическое скольжение

где - перегрузочная способность двигателя.

Определяем номинальный моментМ_н, Н•м

где - номинальная мощность двигателя, кВт.

Определяем максимальный момент М_max, Н•м

,Н•м.

Для построения механической характеристики, если пренебречь активным сопротивлением обмоток статора, после ряда преобразований выводится следующая формула

Зададимся произвольными значениями скольжения и найдем соответствующие значения момента М, Н•м

Получившиеся значения заносим в таблицу 9.

Таблица 9

Расчетные данные для построения характеристики

	0,01	0,02	0,04	Sк	0,20	0,40	0,60	0,90
	38,19	73,97	135,11	210,10	178,05	107,60	74,63	50,62

По табличным данным строим график зависимости )в соответствии с рисунком 6.



Рисунок 6 Механическая характеристика АД типа АИР200М4

Mеханическая характеристика асинхронного двигателяимеет характерные точки:

а) S = 0; M = 0. При этом скорость двигателя равна синхронной;

б) S_ном = 0,01; М_ном = 38,10, что соответствует номинальной скорости и номинальному моменту;

в) S_к = 0,11; М_кр,д. = 210,10 - максимальный момент развиваемый двигателем.

2.5 Разработка принципиальной схемы управления

При разработке принципиальной схемы управления необходимо четко представлять технологию работы данного механизма. Силовая часть электрической схемы должна предусматривать количество двигателей для заданного вида оборудования, работающих одновременно или индивидуально. Силовая часть схемы запитывается напряжением 380 В, а цепи управления от напряжения 220 В.

Главный привод и привод подачи большинства малых и средних токарных станков осуществляют от односкоростного асинхронного двигателя в сочетании с коробками скоростей и подач. На некоторых станках применяют двигатель постоянного тока, который в сочетании с коробкой скоростей осуществляет электромеханическое регулирование скорости.

Кроме главного двигателяД1и двигателя быстрых ходовД4, на схеме рисунка 7 показаны двигатель насоса охлажденияД2и двигатель гидроагрегатаД3, присоединяемый через штепсельный разъем ШРв случае применения на станке гидрокопировального устройства.

Напряжение на станок подается включением автоматического выключателя ВА. Цепи управления получают питание через разделительный трансформатор Трс пониженным значениям вторичного напряжения.

Пуск двигателя ДГ производится нажатием кнопки «Пуск», при этом включается магнитный пускатель ПМГи главными контактами присоединяет статор двигателя к сети, а блок-контактом шунтирует пусковую кнопку. Одновременно пускаются двигатели насоса охлаждения (если включен пакетный выключатель ВП) и гидроагрегата.

Рисунок 7 Принципиальная схема управления токарно-винторезного станка

Включение шпинделя производится поворотом вверх рукоятки управления фрикционом. При повороте этой рукоятки в среднее положение шпиндель станка отключается, одновременно нажимается путевой переключатель ВПи включается пневматическое реле времени РВ. Если пауза в работе превышает 3-8 мин, то контакт реле РВ размыкается и пускатель ПМГ теряет питание. Главный двигатель отключается от сети и останавливается, что ограничивает его работу вхолостую с низким значением коэффициента мощности и уменьшает потери энергии. Если пауза мала, то реле Р Вне успевает сработать и отключения двигателя шпинделя не произойдет.

Для управления быстрым перемещением суппорта служит рукоятка на фартуке станка. При повороте этой рукоятки она нажимает на переключатель ВБХ, его контакт замыкает цепь катушки магнитного пускателя КБХ, который включает двигательД4. Возврат рукоятки в среднее положение приводит к отключению двигателяД4.

Станок имеет местное освещение. Питание лампыЛМОпроизводится от отдельной обмотки трансформатораТр. В цепи лампы находятся предохранительПР3и выключательВО. Иногда один из выводов низковольтной обмотки трансформатораТрприсоединяют к газовой трубе, в которой проложен второй провод, питающий лампу. В качестве одного из проводов вторичной цепи местного освещения при напряжениях 12 и 36В обычно используют станину станка.

Схемой управления предусмотрена защита двигателя Д1 от тепловых перегрузокс помощью магнитного пускателя со встроенным тепловым реле. Защита двигателей Д2, Д3 и Д4 от коротких замыканий производят плавкими предохранителями. Для защиты же всей цепи предусмотрен автоматический выключатель ВА для защиты от перегрузок и токов К.З. При кратковременных перегрузках, возникающих на шпинделе, происходит проскальзывание фрикциона, и приводной двигатель отсоединяется от входного вала коробки скоростей станка. Для быстрой остановки станка служит установленный в передней бабке ленточный тормоз.

2.6 Выбор электрических аппаратов управления

В системах управления станков и автоматических линий нашли широкое применение низковольтные электрические аппараты, серийно выпускаемые отечественной промышленностью: магнитные пускатели, контакторы реле напряжения и тока, электромагниты и электромагнитные муфты, путевые выключатели и переключатели, автоматические выключатели и др.

В данном дипломном проекте необходимо произвести выбор аппаратов управления, которые представлены в таблице 10.

Таблица 10

Наименование электрических аппаратов

Условное обозначение	Наименование	Количество, шт.
ВА	Выключатель автоматический Uн=380В	1
ПР1, ПР2	Предохранитель Uн=380В	6
ПР3, ПР4	Предохранитель	2
ВП	Выключатель пакетный Uн=380В	1
ПМГ	Пускатель магнитный со встроенным тепловым реле	1
КБХ	Пускатель магнитный	1
ВА	Выключатель	1
ВП	Путевой переключатель	1
ВБХ	Переключатель	1
РВ	Реле времени	1
Кн	Кнопки	1
Тр	Трансформатор	1

Автоматические выключатели предназначены для защиты цепей от коротких замыканий, тепловых перегрузок. Они так же выполняют коммутационную функцию, имеют существенный плюс - дугогасительные камеры.

Находим ток теплового расцепителя автоматического выключателя

где I_н - номинальный ток двигателя, определяемый по формуле

Выбираем автоматический выключатель серии ВА 13-29 с параметрами: ; ток отсечки

Плавкие предохранители предназначены для защиты цепей от коротких замыканий, благодаря откалиброванной плавкой вставке, которая перегорает при прохождении недопустимой величины тока. Их существенный плюс - цена.

Рассчитываем параметры предохранителя ПР1 для защиты ДБХ и Тр

Определяем ток плавкой вставки

где - пусковой ток.

где - кратность пускового тока.

Выбираем предохранитель ПП21 с током предохранителя , ток плавкой вставки предохранителя напряжение в соответствии со справочником [4, таблица 2.21].

Рассчитываем плавкую вставку предохранителя ПР2 для защиты двигателя Д2 и Д3.

Находим пусковой ток

Определяем ток плавкой вставки

Выбираем предохранитель ПП21 с током предохранителя , ток плавкой вставки предохранителя в соответствии со справочником [4, таблица 2.21].

Рассчитываем ток плавкой вставки , для предохранителей цепей управления ПР3, ПР4 по формуле

Выбираем предохранители ПР2 с током предохранителя ток плавкой вставки предохранителя в соответствии со справочником [3, таблица 2.21].

Пускатели предназначены для дистанционного управления трехфазными асинхронными электродвигателями при напряжении сети до 660 В, частоте 50 Гц, 60 Гц.

Условие выбора:

а)

б) Выбираем магнитный пускатель со встроенным тепловым реле МПГ для защиты двигателя Д1 серии ПАЕ-512по справочнику [4, таблица 9.2.3] с параметрами:

а)

б) Ток теплового реле пускателя соответствует номинальному току пускателя.

Выбираем магнитный пускатель МПБХ для двигателя Д4 серии ПМЕ-111 по справочнику [4, таблица 9.2.3] с параметрами:

а)

б)

Пакетные выключатели служат для включения и отключения электрических цепей постоянного и переменного тока до 100 Апри напряжении 220 В и до 60 А- при напряжении 380 В. Пакетные выключатели и переключатели значительно компактнее рубильников. Пакетные выключатели монтируются с выводом на панель только рукоятки, что обеспечивает безопасность работы обслуживающего персонала.

Выбираем пакетный выключатель серии ПВМ3-10 по справочнику [4, таблица 9.4.4] с параметрами:

Трансформаторы серии ОСМ (однофазные сухие многоцелевого назначения) используются как понижающие многоцелевые (для нужд местного освещения), а так же предназначены для питания цепей станочного оборудования, для использования в лабораторных стендах промышленного назначения, для питания цепей автоматики, в приводах.