Учебное пособие: Методические указания и задания для курсовой работы Нижнекамск 2009

нижнекамский институт информационных технологий и телекоммуникаций (филиал)

государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

им. А.Н. ТУПОЛЕВА

Кафедра Электрооборудования

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

П.А. Изотова

Электрические и электронные аппараты

методические указания и задания для курсовой работы

Нижнекамск 2009
нижнекамский институт информационных технологий и телекоммуникаций (филиал)

государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

им. А.Н. ТУПОЛЕВА

Кафедра Электрооборудования

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

Утверждаю

Зав. кафедрой к.т.н., доцент А.А. Цой

________________________________

«_____»___________________200__г.

ЗАДАНИЕ

На курсовую работу по дисциплине «Электрические и электронные аппараты»

Группа 27301

Студента _________________________________________________________________

(фамилия имя отчество)

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

Исходные данные к курсовой работе :

- номинальная мощность двигателя, кВт__________

- номинальное напряжение, кВ__________________

- продолжительность включений ________________

- допустимое число циклов _____________________

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

1. Введение

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

3. Расчет токоведущего контура

4.Расчет коммутирующих контактов.

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

6. Список литературы и перечень документов

Графическая часть проекта должна содержать:

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

- конструктивное исполнение аппарата.

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

Срок сдачи курсовой работы «_____»____________________20_____г.

Руководитель курсовой работы _______________________________________________

(подпись, фамилия и инициалы)

Задание принял к исполнению________________________________________________

(подпись студента)

Содержание и оформление курсовой работы

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

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

Выполнение пояснительной записки

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

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

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

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению расчетной части курсовой работы

1. Предварительные расчеты.

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

Номинальный ток двигателя определяется как [1]:

, А, где Р _ном - номинальная мощность двигателя, кВт; U _ном.л - номинальное линейное напряжение на обмотке статора, В; h - коэффициент полезного действия при номинальном моменте на валу двигателя; cos j - коэффициент мощности.

Пусковой ток двигателя:

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

Ударный пусковой ток двигателя (амплитудное значение):

, А,

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

1.3. Определить сопротивления кабелей.

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

Сопротивление кабеля:

; ,где l _к - длина соединительного кабеля, м.

Суммарные сопротивления составляют:

активное:

, Ом,

реактивное:

, Ом, где r _Т и x _Т – соответственно активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности питающего трансформатора (таблица 1 (см. приложение 1) [3]); x _c - приведенное индуктивное сопротивление энергосистемы (находим из заданного соотношения x _с /x _т ), Ом, r _пк - переходное сопротивление контактов в местах соединения (принимаем равным 15мОм). Активным сопротивлением системы пренебрегаем.

Тогда модуль полного сопротивления до точки КЗ составит:

, Ом.

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

ток трехфазного КЗ находится как:

, А;

ток двухфазного КЗ , А;

ток однофазного КЗ в том же месте

, А;.

r ₁ и x ₁ - соответственно активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности трансформатора, Ом (r ₁ = r _1Т и x ₁ = x _1Т (см. приложение 2.); а r ₀ и x ₀ находятся как

, и , Ом,

где r _0Т и x _0Т - соответственно активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности трансформатора, Ом; r _0к и x _0к - активное и индуктивное сопротивления кабелей, Ом (r _0к = r _к и x _0к = x _к ); r _н.п и x _н.п. - активное и индуктивное сопротивления нулевого проводника, Ом (находится также как и сопротивление кабеля).

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

1.5. Определить ударный ток КЗ.

Ударный ток КЗ находится из соотношения

, А;

где k _уд - ударный коэффициент, зависящий от отношения (X _т + X _к )/(R _т + R _к ) и определяемый по кривым изменения ударного коэффициента рис.3.6 [4] или черт 1 (ГОСТ 28249-89)

1.6. Проверить условия нормального пуска двигателя:

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

;

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

,

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

2. Выбор электрических аппаратов управления и защиты электродвигателя.

2.1. Выбор автоматических выключателей.

Выбор автоматических выключателей проводится по следующим параметрам:

а) роду тока силовой цепи;

б) номинальному напряжению выключателя

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

в) числу главных контактов;

г) типу расцепителя

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

д) номинальному току расцепителя

(ток расцепителя должен удовлетворять условию I _н.расц < I _{ном.нагр} < 2´I _н.расц );

е) току I _сраб.о уставки срабатывания ЭМ расцепителя

(ток уставки ЭМ расцепителя должен удовлетворять условию (1,1 … 1,2)I _{уд . п} £ I _уст < I ⁽¹⁾ _кз );

ж) предельной коммутационной способности (ПКС)

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

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

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

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

2.2. Выбор магнитного пускателя или контактора.

Выбор магнитного пускателя или контактора проводится по следующим параметрам:

а) роду тока силовой цепи;

б) номинальному напряжению пускателя

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

в) числу главных контактов;

г) категория применения пускателя

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

д) номинальному рабочему току

(для правильно выбранного пускателя I _п < I _о );

е) реверсивный или нет

(определяется схемой управления двигателя);

ж) наличию теплового реле

(определяется схемой управления двигателя);

з) степени защиты.

2.3. Выбор максимально-токовых реле.

Выбор максимально-токовых реле производится по следующим условиям:

а) номинальному напряжению реле

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

б) числу полюсов;

в) номинальному току реле

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

г) времени срабатывания реле

(время срабатывания t _сраб реле должно удовлетворять условию t _п £ t _сраб £ 1,5´t _п ).

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

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

2.4. Выбор предохранителей

Предохранитель для защиты двигателя выбирается по следующим условиям:

а) номинальному напряжению

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

б) номинальному току плавкой вставки I _{ном.вст}

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

Для короткозамкнутых асинхронных двигателей:

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

I _{ном.вст} £ 0,4 ´ I _п ;

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

I _{ном.вст} £ (0,5...0,6) ´ I _п .

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

I _кз ⁽³⁾ /I _{ном.вст} £ 3...4.

Для защиты цепей управления аппаратов предохранитель выбирается из условия:

I _{ном.вст} £ 1,25 ´ I _ном ,

где I _ном - наибольший номинальный ток в цепи управления.

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

2.6. Расчет токоведущего контура

2.6.1. Определений размеров

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

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

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

2.6.2. Расчет размеров токоведущих частей

Оценим размеры токоведущих частей прямоугольного сечения по эквивалентному току.

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

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

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

6.2.3. Расчет температуры нагрева токоведущих частей в номинальном режиме

с, где p =2*(a + b) м - периметр;

q = а * b м² - площадь поперечного сечения;

Правильность расчета определяется при соблюдении условия <

6.2.4. Расчет термической стойкости

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

_, где - плотность материала контакта,

С =390Дж/кг*с – теплоемкость.

1.4 Определение переходного сопротивления

1.4.1 Расчет силы контактного нажатия

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

1.4.2 Переходное сопротивление контактирующих поверхностей

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

1.4.3 Омическое сопротивление контакта

Ом, где мм - длина контактного соединения.

1.4.4 Переходное сопротивление контакта

Ом.

1.5 Расчет превышения температуры контактного соединения.

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

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

2. Расчет коммутирующих контактов

2.1 Расчет сил контактного нажатия

Для одноточечных контактов сила контактного нажатия

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

К - температура точки касания;

, К температура контактной площадки;

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

В=2,410^-8 (В/мк)² - число Лоренца;

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

2.2 Расчет переходного сопротивления.

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

2.3 Расчет нагрева контактов в номинальном режиме.

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

мВ.

2.3.2 Расчет превышения температуры контактной площадки коммутирующего контакта.

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

2.3.3 Расчет температуры контактной площадки

⁰ c

⁰ c

2.4 Расчет износа контактов

2.4.1 Расчет удельного массового износа

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

2.4.2 Расчет изнашиваемой части объема контакта и линейного износа

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

м.

Надежная работа контактов возможна, если их износ по толщине не превышает значения 0,50,75 от первоначальной толщины.

2.5 Провал контакта

м³ .

2.6 Расчет короткого замыкания

2.6.1 Расчет начального тока сваривания

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

2.6.2 Расчет тока приваривания контактов.

А.

2.6.3 Расчет площади S_O и силы электродинамического отталкивания

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

Н.

При верном расчете должно выполняться условие .

Список рекомендуемой литературы:

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

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

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

.

Приложение 1

Исходные данные