МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ
По дисциплине
«Электрические и электронные аппараты»
содержание
Варианты расчетного задания
Содержание расчетного задания
Методические указания по выполнению контрольного задания и примеры решения задач
Правила выполнения и оформления контрольных работ
Приложение 1
Приложение 2
ВАРИАНТЫ РАСЧЕТНОГО ЗАДАНИЯ
Каждый студент выполняет вариант задания, обозначенный последней цифрой его учебного шифра в зачетной книжке.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ КОНТРОЛЬНОГО ЗАДАНИЯ
Исходные данные по вариантам расчетного задания по курсу "Электрические и электронные аппараты" представлены в табл. 1-4.
Таблица 1. Электродвигатели асинхронные
| № варианта | Тип двигателя | PНОМ, кВт | UНОМ, В | Примечание |
| 4А 112 M2 У3 4А 132 M2 У3 4А 132 M2 У3 4А 132 S4 У3 4A 132 M4 У3 4A 132 M4 У3 4A 132 M6 У3 4A 160 S6 У3 4A 160 S6 У3 4A 160 S8 У3 | 7,5 7,5 7,5 7,5 | Условия пуска двигателей легкие: t П = (2-5) с |
Таблица 2. Токи при трехфазном КЗ за трансформаторами с U К = 5,5 %,
выполненными по ГОСТу 401 – 41
| № варианта | Мощность трансформатора, кВА | Ток трехфазного КЗ (А), отнесенного к напряжению | |
| 0,4 кВ | 10,5кВ | ||
| 10,5 | |||
| 31,4 | |||
| 52,5 | |||
Таблица 3. Номинальные токи на стороне высокого и низкого напряжения трансформаторов, выполненных по ГОСТу 401 - 41
| № варианта | Мощность трансформатора, кВ·А | Номинальные токи (А), на стороне | |
| 0,4 кВ | 10,5кВ | ||
| 7,5 | |||
Таблица 4. Типы трехфазных масляных двухобмоточных трансформаторов общего назначения класса напряжения 110 кВ
| № варианта | Тип трансформатора | Примечание |
| ТМН – 2500/110 ТМН – 6300/110 | Технические данные указанных типов | |
| ТДН – 10000/110 ТДН – 16000/110 ТДН – 25000/110 ТДН – 40000/110 ТРДН – 25000/110 ТРДН – 40000/110 ТРДН – 63000/110 ТРДН – 80000/110 | трансформаторов приведены в [3,4]. |
СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНОГО ЗАДАНИЯ
Расчетное задание по курсу "Электрические и электронные аппараты"состоит из четырех задач – это задачи І.1, I.2, II.1 и II.2.
Задача I.1. Выбор контакторов и магнитного пускателя для управления и защиты асинхронного двигателя.
Необходимо выбрать контактор, магнитный пускатель и тепловое реле для управления и защиты асинхронного двигателя серии 4А, работающего в продолжительном режиме. Тип двигателя в соответствии с индивидуальным вариантом контрольного задания выбрать из табл. 1. Схема прямого пуска и защиты асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема пуска и защиты двигателя
Задача I.2. Выбор автоматических выключателей и предохранителей для защиты двигателей.
От цехового трансформатора кабелем питается сборка механической мастерской, к которой подключены четыре двигателя. Напряжение сети 380 В. Все двигатели работают одновременно. Типы двигателей приведены в табл. 1; рекомендуется использовать для расчета двигатель, выбранный в задаче I.1 и ближайший к нему; два других двигателя выбрать из противоположного конца таблицы 1. В тех случаях, когда номинальное напряжение выбранных двигателей 660 В, необходимо изменить его на напряжение, заданное в условии задачи I.2 (380 В). Схема цеховой электрической сети, питающей сборку механической мастерской, приведена на рис.2. Требуется выбрать аппараты защиты двигателей и кабеля, питающего сборку:
а) автоматические выключатели QF1 – QF5 (рис. 2 (а));
б) плавкие предохранители F1 - F5 (рис. 2(б)).
Рис. 2. Участок радиальной схемы цеховой электрической сети (ТП – трансформаторная подстанция; РУ – распределительное устройство; КЛ - кабель; QF1 – QF5 – автоматы; М1 – М4 – двигатели; F1 - F5 – плавкие предохранители)
Задача II.1. Выбор низковольтных аппаратов в системах электроснабжения.
Для схем соединения понижающих трансформаторов со сборными шинами низкого напряжения, приведенных на рис. 3, выбрать рубильник QS, предохранитель F и автоматические воздушные выключатели QF в соответствии с исходными данными индивидуального варианта, приведенными в табл. 2 и 3. Номинальное напряжение U Н = 380 В. Условия выбора, расчетные и справочные значения проверяемых величин записать в таблицу, приведённую в примере II.1.
Задача II.2. Выбор высоковольтных аппаратов в системах электроснабжения.
Для схемы питания понижающего трансформатора от магистральной линии, приведенной на рис. 4, выбрать разъединитель QS и предохранитель F в соответствии с исходными данными индивидуального варианта, приведенными в табл. 2-3. Для схем, приведенных на рис. 5, выбрать предохранитель F, короткозамыкатель QN и выключатель Q в соответствии с исходными данными индивидуального варианта, приведенными в табл. 4. Условия выбора, расчетные и справочные значения проверяемых величин записать в таблицу, аналогично приведенной в примере II.2.
Рис. 3. Схемы соединения трансформаторов со сборными шинами низкого напряжения
Рис. 4. Схема питания трансформатора от магистральной линии
Рис. 5. Фрагменты схем электроснабжения промышленных предприятий
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по выполнению РАСЧЕТНОГО ЗАДАНИЯ И ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Методические указания и примеры решения задач I.1 – I.2
Выбор контакторов (магистральных пускателей) – производится по следующим условиям:
а) роду тока силовой цепи;
б) номинальному напряжению и току в силовой цепи;
в) числу главных и вспомогательных контактов пускателя (контакторов);
г) категории применения и климатического исполнения аппарата: категория применения определяется условиями работы потребителя и схемой питания;
д) режима работы.
Если выбирается пускатель, то необходимо указать наличие теплового реле и реверсивности пускателя, что определяется схемой управления двигателя.
Выбор тепловых реле – производится по условиям:
а) номинальному напряжению реле;
б) числу полюсов;
в) номинальному току нагревательного элемента реле, который выбирается таким образом, чтобы отключение реле при пусковом токе двигателя происходило в интервале времени от t П до 1,5*t П. Если выбран пускатель со встроенным тепловым реле, то уточняется номинальный ток нагревательного элемента и по характеристике реле проверяется время его срабатывания.
Выбор предохранителей для двигателей – производится по условию:
- отстройки от пускового тока двигателя:
(1)
где I Н – номинальный ток плавкой вставки предохранителя; I ПД – пусковой ток двигателя; К – коэффициент, определяемый условиями пуска (К = 2,5 - легкий пуск; К = 1,6-2 – тяжелый пуск).
В общем случае номинальный ток плавкой вставки, через которую питаются несколько самозапускающихся двигателей, выбирают по выражению:
(2)
где 
– сумма пусковых токов всех самозапускающихся двигателей.
Выбранный по условию (2) предохранитель проверяют на пуск самых крупных двигателей в нормальном режиме по выражению:
(3)
где 
– сумма номинальных токов работающих двигателей;
– сумма пусковых токов самых крупных двигателей.
Выбор автоматических, воздушных выключателей (автоматов).
Для защиты двигателей обычно применяют автоматы с комбинированными расцепителями:
- в режиме КЗ срабатывает электромагнитный (мгновенный) расцепитель, ток срабатывания которого отстраивается от номинального тока двигателя по формуле:
(4)
где 
– ток срабатывания мгновенного расцепителя; 
– пусковой ток двигателя.
- в режиме перегрузки срабатывает тепловой (зависимый) расцепитель, ток срабатывания которого отстраивается от номинального тока двигателя по условию:
(5)
где 
– ток срабатывания зависимого расцепителя; 
– номинальный ток двигателя.
Если температура эксплуатации автомата (t Э) отличается от температуры, при которой расцепитель калибруется на заводе (t К), рекомендуется сделать пересчет тока срабатывания по формуле:
, (6)
Выбор автоматов для защиты группы двигателей – осуществляется по условиям: номинальный ток его зависимого расцепителя должен быть не меньше суммы номинальных токов группы двигателей, т. е.
, (7)
ток срабатывания независимого расцепителя должен быть отстроен от тока самозапуска всех двигателей:
(8)
для обеспечения селективности с мгновенными расцепителями автоматов, защищающих двигатели, автомат, защищающий группу двигателей, должен иметь независимую выдержку времени.
Пример I.1. Выбор контактора и магнитного пускателя для управления и защиты двигателя
Требуется выбрать магнитный пускатель (контактор) для управления и защиты асинхронного двигателя типа 4АР13284, работающего в продолжительном режиме. Схема прямого пуска и защиты приведена на рис. 1.
По типу двигателя из справочной литературы определим его технические параметры:
- номинальная мощность, P ном – 7,5 кВт;
- коэффициент полезного действия, η ном – 87,5 %;
- коэффициент мощности, cos φ – 0,86;
- номинальное линейное напряжение на обмотке статора,U ном – 380 В;
- коэффициент кратности пускового тока, КI – 6,5;
- время пуска двигателя, t n – 5 с.
Определим параметры, по которым производится выбор магнитного пускателя:
а) род тока – переменный, частота – 50 Гц;
б) номинальное напряжение – 380В, номинальный ток не должен быть меньше номинального тока двигателя;
в) согласно схеме включения двигателя (рис. 1) аппарат должен иметь не менее трех замыкающихся силовых контактов и одного замыкающегося вспомогательного контакта;
г) категория применения, аппарат должен работать в одной из категорий применения: АС – 3 или АС – 4 (приложение 1);
д) режим работы аппарата – продолжительный с частыми прямыми пусками двигателя.
Для выбора аппарата по основным техническим параметрам необходимо произвести предварительные расчеты номинального и пускового токов двигателя. Определим номинальный ток (действующее значение):
Пусковой ток (действующее значение):
Ударный пусковой ток (амплитудное значение):
принимаем
Произведем выбор аппарата по основным техническим параметрам.
Выбираем магнитный пускатель со встроенным тепловым реле по основным техническим параметрам, приведенным в приложении 2 табл. 1, для заданного схемного решения (рис. 1) – типа ПМЛ 221002.
Проверим возможность работы выбранного аппарата в категориях применения АС – 3 и АС – 4.
Согласно данным из табл. 1 приложения 1 в категории применения АС – 3 магнитный пускатель должен включать в нормальном режиме коммутации ток:
,
а в режиме редких коммутаций:
.
Оба условия пускателя ПМЛ 221002 выполняются, так как:
В категории применения АС – 4 магнитный пускатель ПМЛ 221002 с номинальным рабочем током 10 А (табл. 1, приложение 2) должен отключать в номинальном режиме коммутации ток:
,
который меньше пускового тока двигателя. В режиме редких коммутаций ток:
,
который также ниже ударного пускового тока двигателя. Поэтому пускатель ПМЛ 221002 с номинальным током 10 А, предназначен для работы в категории АС – 4, для данной схемы (рис. 1) не пригоден.
Тепловые реле серии РТЛ, встроены в магнитные пускатели (табл. 1, приложение 2) имеют регулируемое время срабатывания t СР = (4,5 - 9) с, что приемлемо для заданных условий пуска двигателя: 1,5t П < t СР < t П.
Для реализации схем пуска двигателя (рис. 1) можно использовать контактор и дополнительное тепловое реле.
Выбор контактора аналогичен вышерассмотренному выбору магнитного пускателя. Основное технические данные контактора приведены в приложении 2, табл. 3.
Пример I.2. Выбор автоматических выключателей и предохранителей для защиты двигателей (схема представлена на рис. 2 а, б).
Определим по мощности двигателей их номинальные и пусковые токи так же, как в примере I.1. Рассчитаем по выражению (1) номинальные токи вставок предохранителей, защищающие двигатели (рис.2б).
Подберем по справочным данным ближайшие к расчетным номинальные токи вставок для предохранителей разных типов: ПР. – 2, ПН. – 2, НПР, НПН и занесем все вышеуказанные расчетные и справочные величины в табл. I.1.
Для предохранителя, защищающего кабель, питающий сборку, номинальный ток рассчитаем по выражению (2):
.
Таблица I.1
| Мощность двигателя, кВт | Ток двигателя, А | Ток вставки, А | ||||
| номинальный | пусковой | расчетный | принятый | |||
| ПР-2 | ПН-2 | НПН, НПР | ||||
| 1,7 2,8 4,5 | 3,7 5,8 9,4 27,5 | 22,2 31,9 56,5 | 8,9 12,8 22,6 |
Выбираем по ближайшему большему значению номинального тока предохранитель типа ПР-2 (I Н = 125 А).
Проверяем правильность выбора по условию пуска двух самых крупных двигателей в нормальном режиме (3):
.
Предохранитель типа ПР-2 условию (3) удовлетворяет.
Выберем для защиты той же группы двигателей автоматические выключатели (рис.2а). Расчеты производятся по формулам (4) – (7). Расчетные и справочные данные заносим в таблицу I.2.
Таблица I.2
| Мощность двигателя, кВт | Ток двигателя, А | Расчетные токи срабатывания расцепителей, А | Принятые токи срабатывания расцепителей, А | |||
| номинальный | пусковой | зависимые | мгновенные | зависи-мые | мгновен-ные | |
| 1,7 2,8 4,5 | 3,7 5,8 9,4 27,5 | 22,2 31,9 56,5 |  6,3
10,2
30,0
|  48
| 6,4 |
Все двигатели имеют номинальные токи менее 50 А, поэтому для их защиты выбираем автомат АП50 – 3МТС I Н = 50 А.
Номинальный ток теплового расцепителя принимается ближайший больший номинального тока двигателя с поправкой на окружающую температуру: помещение, где установлены двигатели и автоматы обычное, отапливаемое, с температурой t = 20 °С; завод калибрует автоматы АП50 при температуре +35 °С, поэтому номинальные токи зависимых расцепителей выбираются по уравнению (6):
.
Ток срабатывания мгновенного расцепителя автомата принимается равным десятикратному току срабатывания теплового расцепителя.
Для защиты группы двигателей ток срабатывания независимого расцепителя автомата должен быть отстроен от тока самозапуска всех двигателей:
.
По справочным данным выбираем автомат А4100 с I Н = 80 А
Ток срабатывания зависимого расцепителя автомата А4100:
,
что удовлетворяет требованию (7):
, так как 112А > 46,4 А.
Выдержку времени независимого расцепителя автомата А4100 приняли по справочным данным 0,15 с, что обеспечивает его селективность с мгновенными автоматами.
Ток срабатывания независимого расцепителя по справочным данным автомата А4100 равен:
или с учетом разброса минимальный ток срабатывания независимого расцепителя: 
, что удовлетворяет условию отстройки от токов самозапуска группы двигателей (455-550 А).
Методические указания и примеры решения задач II.1 - II.2
В задачах II.1 – II.2 требуется выбрать коммутационные и защитные аппараты, установленные со стороны высокого и низкого напряжения понижающего трансформатора. Схемы представлены на рис. 4-5, исходные данные по вариантам контрольного задания – в табл. 2-4.
Указанные аппараты выбирают по соответствию их номинальных параметров тока и напряжения расчетным параметрам сети в длительном нормальном режиме работы и проверяют по условиям наиболее тяжелого режима короткого замыкания по термической и электродинамической стойкости, включающей и отключающей способности аппарата.
Термической стойкостью называют способность аппарата выдерживать кратковременное тепловое действие тока КЗ без повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе. Характеризуется током термической стойкости, который зависит от времени его прохождения, поэтому термическая стойкость относится к определенному времени в зависимости от параметров аппарата [1].
Электродинамической (динамической) стойкостью называют способность аппарата выдерживать кратковременное действие электродинамических усилий в режиме КЗ без повреждений, препятствующих его дальнейшей нормальной эксплуатации. Электродинамическая стойкость характеризуется наибольшим допустимым током КЗ для данного аппарата [4].
Отключающая способность – это значение ожидаемого тока отключения, который способен отключить коммутационный аппарат или плавкий предохранитель при установленном напряжении в предписанных условиях эксплуатации и поведения.
Для переменного тока это симметричное действующее значение периодической составляющей (ГОСТ 50030.1 - 92).
Включающая способность коммутационного аппарата – это значение ожидаемого тока включения, который способен включить коммутативный аппарат при установленном напряжении в предписанных условиях эксплуатации и поведения (ГОСТ 50030.1 - 92).
В зависимости от назначения при выборе аппарата учитывают те или иные параметры, основные из которых приведены в таблице II.1, где учитываемые параметры обозначены знаком "+"; не учитываемые – знаком "-"; параметры, отмеченные знаком "(+)" учитываются в частных случаях.
Выбор аппаратов при решении задач II.1 – II.2 с использованием таблицы II.1 соответствует требованиям ПУЭ, более подробный выбор в соответствии с ГОСТами или ТУ на каждый вид аппарата и с учетом всех составляющих токов нормальных и аварийных режимов рассматривается в специальной литературе, например в [4].
Полный анализ схем электроснабжения с расчетом токов нормальных и аварийных режимов и времени срабатывания устройств релейной защиты и автоматики является предметом изучения специальных дисциплин. В настоящем контрольном задании рекомендуется использовать следующие расчетные формулы и допущения:
1) при защите трансформаторов, предохранителями (рис. 4) рекомендуется использовать исходные данные из табл. 2 и 3;
2) при выборе аппаратов, приведенных на схемах рис. 5, расчет номинальных токов трансформатора со стороны низкого (НН) и высокого (ВН) напряжения произвести по формулам
- для НН:
, (1)
- для ВН:
, (2)
где 
– номинальная мощность трансформатора; UНН (UВН) – номинальные напряжения;
Начальное действующее значение периодической составляющей токов КЗ определяется
- для НН:
, (3)
- для ВН:
, (4)
, (5)
где 
– мощность трехфазного КЗ соответственно на вводах низкого и высокого напряжения;
Для трансформаторов класса напряжения 110кВ считать 
[4]; 
– напряжение КЗ, %;
Действующее значение периодической составляющей токов трехфазного КЗ определяется
- для ВН:
, (6)
- для НН:
, (7)
Мгновенное амплитудное значение полного тока КЗ (ударный ток КЗ):
, (8)
где 
– ударный коэффициент, его значения в приближенных расчетах допускается принимать: 
– для сетей НН,
– для сетей ВН.
3) время протекания тока КЗ (
) определяется суммарным временем срабатывания аппарата и устройств автоматики, в данных расчетах примем 
с.
Таблица II.1. Основные параметры выбора аппаратов
| Аппарат | Номинальные | В режиме КЗ | ||||
| напряжение | ток | стойкость | способность | |||
| терми-ческая | динами-ческая | отключа-ющая | включа-ющая | |||
| Автомат Предохранитель Рубильник Выключатель Разъединитель Короткозамыкатель Отделитель Выключатель нагрузки | + + + + + + + + | + + + + + - + + | - - + + + + + + | (+) - + + + + + + | + + - + - - - - | - - - + - - - - |
