А.Н. Кошкин

Л.А. Федотова

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Федеральное агентство по образованию

Уральский государственный технический университет – УПИ

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

А.Н. Кошкин

Л.А. Федотова

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Учебно-методическое пособие

Научный редактор - проф., д-р техн. наук Ф.Н. Сарапулов

Екатеринбург

УГТУ – УПИ

2010

УДК 658.26 (075.8)

ББК 65.291.808.4я73

К76

Рецензенты:

кафедра общей электротехники Российского государственного профессионально-педагогического университета (зав. кафедрой – доц., канд. пед. наук Е.Д. Шабалдин);

проф., д-р техн. наук В.П. Обоскалов (Уральский государственный

технический университет – УПИ);

директор ООО «Уральский центр энергосбережения и экологии», д-р экон. наук В.П. Ануфриев

Кошкин А. Н. 

К76 ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ: учебно-методическое пособие / А. Н. Кошкин,

Л. А. Федотова. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2010. 101 с.

ISBN 978-5-321-01705-0

Рассматриваются основные вопросы проектирования электроснабжения предприятия. Содержатся материалы для выбора электрооборудования предприятия, схем и аппаратуры управления и защиты электроустановок. Отражены методики расчета электрических нагрузок потребителей, выбора и обоснования электрической схемы и кабелей сети электроснабжения.

Пособие предназначено для студентов учебных заведений всех форм обучения специальностей 140104 – Промышленная теплоэнергетика, 140106 – Энергообеспечение предприятий, 140605 – Электротехнологические установки и системы, 140610 – Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений и может быть использовано ими при выполнении выпускных квалификационных и курсовых работ.

Оно может быть полезно студентам других специальностей изучающих электротехнические дисциплины.

Библиогр.: 24 назв. Рис. 23. Табл. 22. Прил. 6.

УДК 658.26 (075.8)

ББК 65.291.808.4я73

ISBN 978-5-321-01705-0 Ó УГТУ–УПИ, 2010

Ó Кошкин А.Н.,

Федотова Л.А., 2010

Введение

Целью раздела «Электроснабжение и электрооборудование промышленного предприятия» выпускной квалификационной работы является систематизация, расширение и закрепление теоретических знаний по электротехнике, электрическим машинам, электроприводу и электроснабжению промышленных предприятий, а также приобретение практических навыков по решению задач, необходимых будущему специалисту.

Система электроснабжения промышленного предприятия должна обеспечивать бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией при удовлетворении требований по экономичности, надежности, безопасности, качеству электроэнергии, наличию резерва и т. п.

Выбор современного электрооборудования, проработка схемы управления, защиты, автоматизации, сигнализации электроприемников, разработка схемы электроснабжения цеха и (или) всего предприятия с использованием прогрессивных технических решений являются задачами раздела «Электроснабжение и электрооборудование промышленного предприятия» выпускной квалификационной работы.

Раздел «Электроснабжение и электрооборудование промышленного предприятия» выпускной квалификационной работы включает в себя рассмотрение следующих вопросов:

– выбор приводных электродвигателей;

– расчет электрических нагрузок потребителей;

– выбор и обоснование электрической схемы электроснабжения цеха с учетом категории потребителей;

– выбор числа и мощности трансформаторов подстанции;

– определение коэффициента мощности и при необходимости выбор комплектных конденсаторных установок на стороне низкого напряжения;

– выбор основного оборудования и кабелей сети электроснабжения;

– выбор схемы и аппаратуры управления и защиты электроустановок;

составление электрической схемы по автоматизации работы одного из комплексов механизмов.

Исходными данными электрической части выпускной квалификационной работы являются производственное (энергетическое) оборудование и механизмы, необходимые для обеспечения технологических процессов, заданных техническим заданием, а также площадь производственных помещений цеха (предприятия), параметры установленных электроприемников, существующие схемы системы электроснабжения и т. п. Указывается объект автоматизации.

В пояснительной записке выпускной квалификационной работы электрическая часть оформляется отдельной главой. Объём и содержание графической части определяются заданием на проектирование. Графическая часть содержит схему электроснабжения предприятия (цеха, котельной) и схемы электропривода и автоматизации.

По рекомендации руководителя выпускной квалификационной работы выполняются чертежи на листах стандартного формата А1: 2 листа для специальности 140106 – Энергообеспечение предприятий и 1 лист для специальности 140104 – Промышленная теплоэнергетика.

1. Выбор электрооборудования

В электрической части выпускной квалификационной работы по энергообеспечению производится выбор электрооборудования: электродвигателей, электрических генераторов, вращающихся или статических преобразователей, трансформаторов, электрических аппаратов распределительных устройств, щитов и пультов управления, проводов и жил кабелей и другого вспомогательного оборудования.

Мощность, тип, аппаратура управления и защиты электродвигателей производственных механизмов определяются из условий оптимального обеспечения технологических процессов.

Расчет мощности электродвигателей, других потребителей электроэнергии необходим и для определения расчетных нагрузок проектируемой системы электроснабжения.

1. Мощность и тип электродвигателей

   Выбор электродвигателей производится по роду тока и напряжению, конструктивному исполнению и способу монтажа, уровню вибрации и шума, режиму работы, возможности регулирования скорости, условий обслуживания.

Выбор электродвигателя недостаточной мощности может привести к нарушению заданного технологического цикла и снижению производительности рабочей машины. При этом происходит повышенный нагрев и ускоренное старение изоляции двигателя. Это ведет к преждевременному выходу его из строя, нарушению технологических процессов, экономическим потерям.

Завышенная мощность электродвигателя повышает его стоимость, ведет к работе электропривода с низким КПД и снижению коэффициента мощности cosφ, увеличивает потери мощности в системе электроснабжения предприятия, ведет к повышению капитальных затрат. Таким образом, надежность работы электропривода и его экономичность зависят от правильного выбора мощности электродвигателя.

Основными критериями выбора двигателя по мощности являются температура его обмоток и способность двигателя нормально обеспечивать пуск и работу при максимальных нагрузках. Для оценки нагрева используются косвенные методы эквивалентных величин: тока, момента, мощности.

Выбор электродвигателя рекомендуется производить в следующем порядке:

– определяется расчетная мощность на валу Р_расч;

– предварительно выбранный по каталогу двигатель с Р_{ном. дв} ≥ Р_расч и n_ном проверяется по условиям пуска и перегрузочной способности;

– параллельно решаются вопросы по выбору типа, исполнения, способа пуска и регулирования скорости электродвигателя.

Расчет мощности электродвигателя в общем случае на практике производится по нагрузочной диаграмме (определяется эквивалентный момент) и диаграмме скорости (тахограмме) исполнительного органа рабочей машины [1, 2, 3].

Нагрузочная диаграмма приводимого механизма представляет собой график статического момента нагрузки, приведенного к валу двигателя во времени – М_с(t). Эта диаграмма рассчитывается на основании технологических данных, характеризующих работу машин и механизмов, и параметров механической передачи. Диаграмма скорости исполнительного органа рабочей машины после приведения представляет график изменения скорости вала двигателя во времени ω(t).

Ниже на рис. 1.1 приведен пример тахограммы с участками разгона (t_р), движения с установившейся скоростью (t_у), торможения (t_т) и паузы (t_о).

Время цикла t_р = t_п + t_у + t_т + t_о = t₁ + t₂,

г

М₁ t₁

де t₁ и t₂ – определяют время работы исполнительного механизма с моментами нагрузки М₁ и М₂.

Рис. 1.1. Пример тахограммы

Определение расчетной мощности двигателя

Р_расч = М_расч ω_расч = К_з М_сэ ω_уст.

Эквивалентный момент нагрузки находят как среднеквадратичную величину

,

где М_сi и t_i – соответственно моменты и длительности участков нагрузочной диаграммы.

Примеры определения момента нагрузки для вентилятора и механизма подъемной лебедки приведены в прил. 1.

По расчетной мощности и каталогам выбирается двигатель с Р_ном ≥ Р_расч. Двигатель по роду и значению напряжения должен соответствовать параметрам сети или силовых преобразователей, к которым он подключается; по конструктивному исполнению – условиям его компоновки с исполнительным органом и способом крепления на рабочей машине, а по способу вентиляции и защиты от действия окружающей среды – условиям его работы.

Далее выбранный двигатель проверяется по перегрузочной способности и по условиям пуска. Для этого используется уравнение движения электропривода М = М_с + Jdω/dt = М_с + М_дин.

Динамический момент определяется суммарным приведенным моментом инерции J и заданным ускорением dω/dt.

При линейных графиках разгона и торможения (см. рис. 1.1)

М_дин.р = Jω_у/t_р и М_дин.т = – Jω_у/t_т. Должны выполняться условия: М_{max дв} ≥ М и

М _{пуск. дв} ≥ М.

Если условия выполняются, то двигатель обеспечивает заданное ускорение на участке разгона, устойчивую работу при набросах нагрузки.

М_{max дв} и М _{пуск. дв} определяются по данным каталога и номинальному моменту двигателя:

М_ном = Р_ном/ω_ном = 9,55Р_ном(Вт)/n_ном(об/мин).

При работе с постоянной и продолжительной нагрузкой при проверке выбранных двигателей по нагреву расчеты по определению их нагрева не производятся. Установленная (номинальная) мощность электродвигателей длительного режима работы равна паспортной мощности.

Ниже приводятся формулы по выбору электродвигателей для характерных приводимых механизмов, используемых в промышленной теплоэнергетике. На основании заданных параметров механизмов определяется мощность на валу и осуществляется выбор по каталогам электродвигателя и всей установки [1, 4, 5, 6].

Мощность двигателя для насоса, кВт:

, (1.1)

где К_з – коэффициент запаса (1,1–1,4);

g – вес жидкости, Н/м³ (для холодной воды 9810 Н/м³);

Q_н – производительность насоса, м³/с;

Н_н – напор насоса, м;

h_н – КПД насоса (принимают для центробежных насосов с давлением 39000 Па равным 0,6–0,75; с давлением ниже 39000 Па равным 0,3–0,6; желательно h_н  определять по данным каталогов);

h_п – КПД передачи (без редукторов h_п = 1).

Пример определения мощности двигателя для поршневого насоса приведен в прил. 2.

Мощность двигателя поршневого компрессора, кВт:

, (1.2)

где К_з = 1,1–1,2;

Q_к – производительность компрессора, м³/с;

h_к – КПД компрессора (0,6–0,8);

h_п – КПД передачи;

В_к – работа, затрачиваемая на сжатие 1 м³ воздуха до заданного рабочего давления поршневого компрессора Р_к, принимается по табл. 1.1.

Таблица 1.1

Определение В_к

Наименование величин		Значения величин
Рк, 10^5 Па	2		3	4	5	6	7	8	9	10
Вк, 10^3 Дж/м^3	71,6		117,3	152,2	179	203	224	242	263	273

Мощность электродвигателя вентилятора, кВт:

, (1.3)

где К_з = 1,1–1,6;

Q_в – производительность вентилятора, м³/с;

Н – давление, Па;

h_в  – КПД вентилятора, находят по каталогам (для осевых вентиляторов h_в = 0,8–0,9 и для центробежных h_в = 0,6–0,85);

h_п – КПД передачи (для клиноременной передачи h_п = 0,92–0,94; для плоскоременной h_п = 0,87–0,9).

В электроприводе используются двигатели постоянного тока (ДПТ), асинхронные двигатели (АД) и синхронные двигатели.

Электропривод с трехфазным АД является самым массовым приводом в промышленности, коммунальном и сельском хозяйстве. В основную общепромышленную серию 4А входят АД самых различных модификаций и конструктивных исполнений с мощностью от 0,06 до 400 кВт и высотами осей вращения от 50 до 355 мм. Для крановых механизмов производятся АД серий МТF (с фазным ротором) и МТКF (с короткозамкнутым ротором). Для металлургического производства – АД серий МТН (с фазным ротором) и МТКН (с короткозамкнутым ротором). Крановые и металлургические АД новой серии 4МТ отличаются улучшенными технико-экономическими показателями работы, расширенной шкалой мощностей и более высоким уровнем стандартизации. АД серии АИ с мощностью от 0,75 до 160 кВт имеют унифицированные по международным стандартам параметры. Производятся АД серий В и ВА для работы во взрывоопасных и пожароопасных средах. Для комплектации ЭП большой мощности выпускаются АД серий АН-2 (до 2 МВт), АВ (до 8 МВт), ДАЗО (до 1,2 МВт) и ряд других. В настоящее время выпускаются АД новых серий: РА, 5 и 6А.

Для массовой серии 4А применяется следующая структура условных обозначений, состоящая из 8 групповых знаков [5]:

1 (4А)

2 (Н)

3

4 (180)

5 (М)

6

7 (4)

8 (У3)

В скобках для примера указан типоразмер двигателя 4АН180М4У3.

1 – Название серии.

2 – Исполнение серии по способу защиты: буква Н – исполнение IP23, отсутствие буквы – исполнение IP44.

3 – Исполнение по материалу станины и щитов (буква):

А – алюминиевые,

Х – станина алюминиевая, щиты чугунные или наоборот,

отсутствие буквы – станина и щиты чугунные или стальные.

4 – Высота оси вращения (цифры), мм.

5 – Код установочного размера по длине станины:

S – меньший, M – средний, L – больший.

6 – Код длины сердечника:

А – меньшая при сохранении установочного размера,

Б – большая при сохранении установочного размера,

отсутствие буквы – только одна длина при данном установочном размере.

7 – Число полюсов (одна или две цифры).

8 – Климатическое исполнение (до трех букв) и категория размещения (цифра) по ГОСТ 15150-69.

Параметры двигателя находятся по каталогу, например: мощность – 37 кВт, синхронная частота вращения – 1500 об/мин, скольжение – 2,1; КПД – 90,5 %; cosφ = 0,89; М_max/М_ном = 2,2; М_п/М_ном = 1,2; M_min/М_ном = 1; I_п/I_ном = 6,5.

Электропривод с трехфазными синхронными двигателями (СД) имеет высокие технико-экономические показатели работы: абсолютно жесткую механическую характеристику, менее подвержен колебаниям напряжения сети, обладает способностью работать с опережающим коэффициентом мощности (cosφ) и генерировать в сеть реактивную мощность. КПД у СД на 1–1,5 % выше, чем у АД (до 98 %). СД имеют возможность регулировать перегрузочную способность посредством изменения тока возбуждения. Воздушный зазор у СД довольно значительный, поэтому их характеристики и свойства мало зависят от износа подшипников и неточности монтажа ротора. Но они дороже АД и должны иметь систему возбуждения. Для общего применения выпускаются двигатели серий СД2 и СД3 (мощностью от 132 до 1000 кВт), СДН-2 и СДН-3 (мощностью от 315 до 4000 кВт). Для вертикальных насосов выпускаются двигатели ВДС, ВДС2 (4–12,5 МВт) и ВСДН (0,63–3,2 МВт). Производятся двигатели серий СДК, СДКП (для работы во взрывоопасных зонах), СДКМ (для привода аммиачных поршневых компрессоров). Двигатели неявнополюсные серий СТД и ТДС используют для электропривода нефтяных насосов и газовых компрессоров.

Установленная (номинальная) мощность электродвигателей длительного режима работы равна паспортной мощности.

Для двигателей повторно-кратковременного режима номинальная мощность приводится к длительному режиму

, (1.4)

где Р_п и ПВ – соответственно паспортные мощность и продолжительность включения.

Крановая установка при определении нагрузок рассматривается как один электроприемник. При этом мощности всех двигателей складываются.

Для сварочных машин и трансформаторов электропечей номинальная мощность [7]

. (1.5)