Общие положения.
РПЗ к КП пишется примерно в той последовательности, которая предложена в задании. Внесенные в задание дополнительные пункты в пояснительной записке размещаются так, чтобы была соблюдена логическая последовательность в пояснении расчетов и выборе ЭО. Для всех тем курсовых проектов методические указания примерно одинаковы, но в конкретных случаях расчетно-техническая часть имеет свою специфику.
Во введении к КП должны быть коротко изложены:
1) Основные задачи, поставленные правительством по внедрению новой техники, комплексной механизации и автоматизации производственных процессов, энергосберегающего ЭО и наиболее эффективных электротехнологических установок.
2) Тема проекта в разрезе технико-экономических задач, стоящих перед промышленностью, и актуальность объекта проектирования.
Порядок, изложение и содержание упомянутых вопросов может отличаться от предложенного плана, но в той или иной форме должны быть отражены во введении.
После введения в РПЗ приводятся краткая техническая характеристика и описание основных узлов, кинематических схем и технологических особенностей проектируемого механизма.
Известно, что любой производственный механизм или электротехнологическая установка, предназначаются для определенных технологических операций. Например, кран для подъема и перемещения грузов, токарный станок – для оттачивание заготовок, пресс – для изготовления деталей давлением, компрессор – для подачи сжатого воздуха, электрическая печь – для плавки металла, либо для нагрева заготовок с целью последующей их обработки и т.д.
В зависимости от масштабов производства и количества необходимой продукции (числа и размеров деталей, количества перемещаемого груза, сжатого воздуха, воды и пр.) в цехах устанавливаются определенного рода станки, краны соответствующей грузоподъемности, компрессоры, насосы, вентиляторы определенной производительности и тому подобное оборудование и механизмы. При этом каждый производственный механизм имеет свои технические данные, по которым он и выбирается для определенной работы. Поэтому в самом начале проектирования необходимо охарактеризовать проектируемый производственный механизм по назначению, производительности, размеру обрабатываемых заготовок, грузоподъемности и пр., т.е. привести все технические данные, которые характеризуют этот механизм и могут быть использованы при расчетах в процессе проектирования.
Подробное описание всех узлов и деталей машины приводить не следует, так как это перегружает проект и вообще не входит задание на проектирование ЭО.
Затем следует дать краткое описание технологических операций, выполняемых данной машиной или механизмом, указать их последовательность, распределение по времени и другие специфические особенности работы этой машины по отдельным узлам и механизмам.
При описании режимов и циклов работы отдельных механизмов или всей машины в пояснительной записке (или на отдельных чертежах) вычерчивают отдельные кинематические схемы, либо целые участки систем водоснабжения, вентиляции и пр. в аксонометрическом либо изометрическом изображении с указанием всей путевой арматуры, щитов и поворотов трубопроводов и воздуховодов.
Кинематическая схема машины для проектирования ЭО составляется более наглядно: ориентировочно указываются связи элементов электропривода управления (ЭД ЭД, электромагнитные муфты, электромагниты, путевые выключатели, реле давления, температуры и т.д.) с кинематическими, гидравлическими и пневматическими устройствами и элементами станка или агрегата, подлежащего проектированию.
При наличии в станке или машине гидравлических или пневматических золотников, управляемых электромагнитами, необходимо изобразить гидравлическую или пневматическую схему, дополненную таблицей включения электромагнитов, определяющей их работу для различных переходов цикла. Примеры такой системы приведены на рис.7.
При изображении сложных кинематических схем машин все элементы кинематических цепей указывать на схеме не обязательно. Достаточно изобразить только те из них, которые связаны с ЭО и способствуют пониманию действия схемы автоматического управления.
При наличии сложной кинематической схемы данные муфт, шестерен коробок скоростей и редукторов или других элементов, необходимые для расчета их моментов инерции, приводятся в отдельной таблице.
Для проектирования ЭО механизма должны быть учтены все данные, позволяющие определить элементы ЭО и порядок работы производственного механизма. Поэтому описание его следует по возможности дополнить списком машин и аппаратов, использованных в агрегате и отсутствующих на наглядной кинематической схеме.
Перед тем как приступить к проектированию электропривода и его автоматики надо четко сформулировать технические требования на проектирование, в которых перечисляются все режимы работы, указываются формы управления (ручное, автоматическое, программное и др.) и все необходимые блокировки.
Для правильного выбора ЭО должны быть приведены все необходимые исходные сведения.
Для ЭД указывают их назначение, тип, исполнение, ориентировочную мощность, частоту вращения, режим работы (длительный, повторно-кратковременный, с торможением, с реверсированием и др.).
Для электромагнитных муфт – их назначение, тип, переваемый момент, необходимость форсировки (если она требуется).
Для электромагнитов – их назначение, тип, усилие и ход якоря.
Для кнопок и переключателей управления и сигнальных устройств – их назначение, расцветку штифта или колпачка сигнального устройства, необходимость в дублировании.
В исходных данных указывают и особые условия работы, например, в пыльной или влажной среде, во взрыво-пожароопасном помещении и др.
В заключении приводятся указания по устройству местного освещения, заземления, размещению пультов управления, обеспечению безопасной работы и др. Здесь же можно отразить основные требования ПУЭ, ПТЭ по соответствующим машинам, производственным установкам и их автоматизации.
После того как определены технические требования и известны исходные данные для проектирования ЭО производственного механизма или установки, приступают к расчетам и выбору ЭО и отдельных устройств. При этом в соответствии с перечнем вопросов курсового задания прежде всего решается вопрос о рабочих напряжениях и системе электропривода.
При выборе рода тока и величины напряжения для питания промышленных механизмов и установок необходимо помнить, что в настоящее время могут конкурировать два напряжения переменного тока – 380/220 и 660 В. Другие, более низкие напряжения не могут дать сколько-нибудь выгодных решений в экономическом отношении, в том числе и по расходу цветных металлов.
Постоянный же ток чаще применяется в специальных установках, где он необходим по условиям технологического процесса (установки гальванических покрытий металлов, электролизные установка, установки анодно-механической и электроискровой обработки металлов и др.), а также в тех. эл. приводах, где необходима регулировка скорости в широких пределах.
Источниками постоянного тока могут быть различные современные устройства: управляемые тиристорные, тиротронные и ртутные преобразователи; двигатели – генераторы; нерегулируемые полупроводниковые выпрямители.
Низковольтные устройства производственных механизмов и установок на напряжение 12,24,36,127 В переменного тока питаются через понижающие трансформаторы с первичным напряжением 220,380 или 660 В. Поэтому сначала решается вопрос об основном напряжении питания и роде тока. При соблюдении правил ТБ все указанные основные напряжения вполне допустимы.
Для силовых устройств постоянного тока напряжение может выбираться только из двух значений: 220 и 440 В; напряжение 110 В неэкономично.
Напряжение 6,12,24,36,48, и 60 В постоянного тока получают от преобразователей (выпрямителей).
При выборе системы питания промышленных электроустановок (насосной, компрессорной и др.) следует подчеркнуть особенности технологического процесса, требования надежности и резервирования отдельных механизмов, а также условия монтажа и эксплуатации ЭО в соответствии с размещением его в цехе или на установке.
Основные напряжение применяемые в цеховых сетях:
переменный ток однофазный 12 и 36 В; трехфазный 36, 220/127,380/220,660 В; 3,6,10,20,35,110 кВ
Стандартной частотой энергетических систем и промышленных предприятий является частота 50 Гц; на этой частоте производится распределение электроэнергии внутри завода и цехов.
При рассматривании вопросов внутрицехового снабжения электроприемников должны быть отражены их режимы работы, т.к. они определяют правильный расчет электрических нагрузок. Так, для подъемно-транспортных механизмов и других, работающих в повторно-кратковременном режиме с определенными стандартными значениями ПВ, равными 15,25,40 и 60 %, расчетная электрическая нагрузка на трансформатор или питающую магистраль определяется с учетом указанных значений ПВ и паспортных значений мощности:
Степень бесперебойности электроснабжения потребителя определяется установленными ПУЭ тремя категориями электроприемников.
Так, для предприятий машиностроительной промышленности электроприемники (станки, штамповочные прессы, кузнечное оборудование и др.) относят ко второй категории, для которых перерыв в электропитании связан с массовым недоотпуском продукции, простоев рабочих, станков и промышленного транспорта.
При выборе схемы электропитания потребителей следует учитывать, что такие механизмы и установки как, противопожарные насосы, аварийное освещение, установки связи и др., являются электроприемниками первой категории. Они должны иметь автоматическое переключение устройствами АВР на другой источник питания, на котором сохраняется напряжение за счет независимости этого источника от поврежденной линии или трансформатора.
При выборе напряжения для отдельных электроприемников следует учитывать, что ЭД ЭД переменного тока изготавливают:
при напряжении 127/220 В на мощность 1,2 – 550 вт;
при напряжении 220/380 В на мощность 0,01 – 110 вт;
при напряжении 380/660 В на мощность 0,6 – 500 вт;
при напряжении 6 В на мощность 200 квт и выше.
При курсовом проектировании ЭО технологическая и механическая части производственного механизма, как правило, известна. Поэтому при выборе системы электропривода следует строго руководствоваться требованиями на проектирование и ПУЭ.
Выбор типа электропривода иногда вызывает значительные трудности, т.к. различные его системы можно принять для одного и того же механизма. Например, при провода механизмов длительной работы, не требующих регулирования скорости и обладающих достаточной мощностью (100 – 200 квт), рекомендуется применять синхронные ЭД, как на напряжение до 1000, так и выше 1000 В.
Хотя система электропривода с СД дороже, эксплуатационные расходы не нее за счет более высокого КПД и возможности повышения cosφ системы электроснабжения ниже расходов на привод с короткозамкнутым АД.
Конечно, если мощность СД значительно превосходит расчетную, то его применять не следует. Так как основная цеховая сеть 380/220 В переменного тока, то в первую очередь, рассматривают возможность применения в приводе АД с КЗР.
Применение АД с ФЗР должно базироваться на следующем требовании ПУЭ.
АД с ФЗР применяются только в тех случаях, когда АД с КЗР и СД не могут быть применены по условиям режима работы электропривода.
Для механизмов с тяжелыми условиями пуска или механизмов, требующих регулирования «п» – скорости вращения, следует сравнивать технико-экономические показатели АД с ФЗР и СД или АД с КЗР, сочлененных с устройствами для регулирования п (вариаторы, фрикционные, электромагнитные и гидравлические муфты и др.), и выбирать наиболее целесообразный из них.
Из сравнения следует, что ЭД с ФЗР надо применять тогда, когда по пусковым условиям АД с КЗР не проходит или требуется регулирование скорости вращения.
При необходимости регулирования скорости вращения привода производственного механизма вопрос о двигателе решается только после определения следующих основных показателей привода: диапазона регулирования, плавности регулирования, условий нагрузки, стабильности работы и экономичности привода.
Если по каким-либо показателям не подходит ЭД с ФЗР, то рассматривается вопрос о применении ЭД постоянного тока. При этом надо обязательно руководствоваться ПУЭ.
Известно, что ЭД постоянного тока представляют значительно большие возможности для регулирования п, чем ЭД переменного тока. Так, ЭД постоянного тока с параллельным возбуждением позволяют просто и экономично осуществлять регулирование п в пределах 8:1,а при питании ЭД от отдельных регулируемых источников диапазон регулирования п возрастает до 10:1 и выше. Наконец применение квадратичных систем, а также, электромагнитных, тиристорных и электрических машинных усилителей или ионных аппаратов позволяет довести пределы регулирования до 150:1 и более.
Но по ряду показателей ЭД постоянного тока значительно уступают ЭД переменного тока. Так, следует указать на:
а) то, что ЭД постоянного тока требуют специальных источников постоянного тока (генераторов, преобразователей и т.п.);
б) большую стоимость самих ЭД и аппаратуры;
в) большие габариты и массу;
г) большую сложность в эксплуатации.
Поэтому выбор ЭД постоянного, а не переменного тока приводит к значительному увеличению как капитальных затрат, так и эксплуатационных расходов.
Представляет интерес сопоставление ЭД постоянного тока и тока по условиям регулирования скорости у ЭД переменного тока они значительно хуже, но достигнутые в настоящее время успехи в области силовой полупроводниковой техники с регулируемыми параметрами открывают весьма широкие возможности для плавного, широкого и экономичного регулирования п АД с КЗР с помощью бесконтактных устройств.
Выбор ЭД на напряжение 6 – 10 кВ может быть оправдан либо отсутствием в промышленности ЭД необходимой мощности на напряжение ниже 1000 В, принятое в сети данного предприятия, либо экономической целесообразностью. При этом надо учитывать стоимость ЭД переменного тока на напряжение до 1000 В значительно ниже, чес стоимость ЭД на напряжение 6 – 10 кВ.
Основным требованием, предъявляемым рабочими механизмами к приводным ЭД, является обеспечение заданной производительности механизма при надлежащей надежности и экономичности работы. Это требование может быть удовлетворено лишь при условии выбора ЭД соответствующей мощности.
Для этого надо рассчитать нагрузки привода не только в установившихся режимах работы, но и в периоды переходных режимов ( пуск, торможение и т.п.). С этой целью рассчитываются и строятся нагрузочные диаграммы, на основании которых производится расчет ЭД ЭД на нагрев и дается заключение о его пригодности в данном приводе.
Помимо проверки на нагрев ЭД ЭД в подъемно-тяговых механизмах проверяются на возможность запуска при страгивании механизма с места при номинальной загрузке. Это, в первую очередь, касается электропривода лифтов, ленточных конвейеров, подъемных механизмов кранов и т.д.
АД в электроприводах компрессоров и мощных центробежных вентиляторов и насосов при прямом запуске вызывают большие броски пикового тока, и, как следствие большие провалы напряжения в питающей сети. Поэтому АД с КЗР в приводах этих механизмов проверяются после выбора стандартного ЭД на возможность пуска и нормальной работы от данной цеховой питающей сети.
После того, как стала известна мощность ЭД и из задания на проектирование условия пуска и торможения в переходных режимах, приступают к расчету его характеристик.
Из нагрузочной диаграммы известно количество пусков и остановок ЭД, что накладывает определенные требования на метод разгона или торможения привода. Для получения пусковых и тормозных моментов ЭД, обеспечивающих соответствующее время разгона и торможения привода, необходимо эти моменты поддерживать в определенных пределах. При этом двигатель должен работать на различных характеристиках.
Для построения характеристик и определения величины сопротивления существуют различные методы расчета как с симметричным и несимметричным включением их. Эти методы приводятся в литературе по электроприводу и в электротехнических справочниках.
Величины пусковых и тормозных сопротивлений одновременно с расчетом механических или скоростных характеристик ЭД.
Отдельные примеры расчета пусковых и тормозных сопротивлений приводятся ниже в таблице IV.
Ящики сопротивлений выбирают на основании расчетных токов по перегреву, которые должны быть равны или меньше допустимых длительных токов выбираемого типа сопротивлений.
Питание цепей управления и сигнализации.
Питание сложных схем с целью повышения надежности работы электроаппаратов (пускателей, контакторов, реле и т.д.) и обеспечение более безопасного обслуживания ЭО применяют понижающие трансформаторы.
При выборе номинальной мощности этих трансформаторов следует исходить из следующих двух условий:
1. Номинальная мощность трансформатора Рном должна быть равна или больше максимальной мощности, потребляемой включенными аппаратами одновременно.
2. Наиболее возможное (по циклу работы) падение напряжения в трансформаторе, обусловленное нагрузкой включенных и включаемых аппаратов, должно быть меньше допустимого падения напряжения.
Если принять значение cos φ во включаемых и включенных аппаратах соответственно равными а3 и а7, что близко к их средним действительным значениям, и учесть, что в цехах при пуске ЭД ЭД напряжение питающей сети может быть ниже номинального значения на 8–10 %, падение напряжения в подводящих к трансформатору проводах равно 2 – 4 %, падение напряжения в самом трансформаторе равно 1,5 – 3,5 % при номинальной его загрузке.
Мощность трансформатора для цепей управления определяется по упрощенной формуле:
Рном ≥ 0,35 тРу + 0,4п РВ,
где т – наибольшее число одновременно включенных аппаратов;
Ру – мощность, потребляемая каждым отдельным аппаратом во включенном состоянии (берется из каталога);
п – число одновременно включаемых аппаратов при наибольшем числе включенных;
РВ – мощность, потребляемая каждым аппаратом при включении.
Так как трансформатор выбирается исходя из возможно наибольшего падения напряжения в сети, то мощность его в нормальных условиях, может оказаться завышенной. Поэтому, если расчетная мощность не превышает более чем на 25 % ближайшую меньшую стандартную мощность трансформатора, то можно выбрать этот трансформатор.
Защита трансформатора и его цепей от токов короткого замыкания осуществляется предохранителями или автоматическими выключателями.
Методика расчета токов нагрузки отдельных потребителей ЭЭ, расчет и выбор питающих проводов и кабелей, расчет уставок аппаратов зашиты и плавких вставок предохранителей, выбор схемы электроснабжения и выбранной защитной аппаратуры на срабатывание при токах однофазного короткого замыкания и по предельной отключающей способности приводится ниже.