ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ

Σε μια μελέτη εγκατάστασης κίνησης το ενδιαφέρον μας επικεντρώνεται σε βασικά χαρακτηριστικά των ηλεκτρικών κινητήρων που έχουν οι μηχανές παραγωγής έργου όπως:

Τάση λειτουργίας
Ονομαστική ισχύ στον άξονά του
Ονομαστικό ρεύμα που απορροφά
Συντελεστή ισχύος
Βαθμό απόδοσης

Σε κάθε μηχανή παραγωγής έργου υπάρχει υποπίνακας κίνησης από τον οποίο  ελέγχεται και προστατεύεται η λειτουργία των ηλεκτρικών κινητήρων (ενός ή περισσότερων) της μηχανής παραγωγής έργου.

Μηχανή παραγωγής έργου με ένα μόνο ηλεκτρικό κινητήρα

Μια σχηματική παράταξη της διάταξης από το Γενικό πίνακα κίνησης μέχρι τον Υποπίνακα κίνησης της μηχανής παραγωγής έργου από όπου τροφοδοτείται ένας μόνο ηλεκτρικός κινητήρας φαίνεται στο παρακάτω σχήμα

Στη διάταξη προστασίας και ελέγχου Α1 που αναχωρεί η γραμμή τροφοδοσίας από το Γενικό πίνακα κίνησης προς τον Υποπίνακα κίνησης της μηχανής παραγωγής έργου μπορεί εναλλακτικά να χρησιμοποιηθεί:

1.Διακόπτης φορτίου και ασφάλεια τήξης (diazed ή μαχαιρωτή)
2.Αυτόματος διακόπτης ισχύος

Στη διάταξη προστασίας και ελέγχου Α2 στον Υποπίνακα κίνησης και όταν τροφοδοτείται ένας μόνο ηλεκτρικός κινητήρας μπορεί εναλλακτικά να χρησιμοποιηθεί:

1.Διακόπτης φορτίου και ασφάλεια τήξης (diazed ή μαχαιρωτή ) ή
αυτόματη ασφάλεια τύπου D
2.Αυτόματος διακόπτης ισχύος
3.Μαγνητοθερμικό

Στη διάταξη εκκίνησης αστέρα τριγώνου Υ/Δ στον υποπίνακα κίνησης μπορεί εναλλακτικά να χρησιμοποιηθεί:

1.Τρία ρελέ ισχύος (γενικό, αστέρα και τριγώνου) με ένα θερμικό προστασίας των τυλιγμάτων του κινητήρα, όταν η διάταξη προστασίας Α2 είναι ο συνδιασμός Διακόπτη φορτίου και ασφάλεια τήξης (diazed ή μαχαιρωτή ) ή αυτόματη ασφάλεια τύπου D

2.Μόνο τρία ρελέ όταν η διάταξη προστασίας Α2 είναι Αυτόματος διακόπτης ισχύος ή Μαγνητοθερμικό

Μηχανή παραγωγής έργου με περισσότερους από ένα κινητήρες

Στη περίπτωση αυτή όπου από τον Υποπίνακα κίνησης τροφοδοτούνται περισσότεροι από ένας κινητήρες, τότε επιπλέον στον Υποπίνακα κίνησης θα πρέπει πριν τις αναχωρήσεις να υπάρχει και γενική διάταξη προστασίας και ελέγχου Α2 όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα

Για τις διατάξεις Α1,Α2,Α3….Αn και τις διατάξεις Υ/Δ εκκίνησης των κινητήρων ισχύει  ότι αναφέραμε στα προηγούμενα όταν έχουμε Υποπίνακα κίνησης με ένα μόνο κινητήρα.

Εκλογή κινητήρα

Για την κατάλληλη εκλογή κινητήρα θα πρέπει να ξέρουμε τα εξής:

Την ισχύ της γραμμής
Τον τρόπο μετάδοσης της κίνησης από το κινητήρα στο φορτίο
Τον αριθμό στροφών του κινητήρα
Το είδος του κινητήρα που θα χρησιμοποιήσουμε

Καθορισμός ισχύος κινητήρων

Ο κάθε κινητήρας έχει μια πινακίδα στην οποία αναγράφονται όλα τα στοιχεία του (τάση, στροφές, ένταση, βαθμός απόδοσης, συντελεστής ισχύος και ισχύς)

Η ισχύς του κινητήρα δίνεται σε KW ή ΗΡ. Για να μετατρέψουμε τα KW σε HP ή αντίθετα θα πρέπει να γνωρίζουμε ότι:

1KW=1,36HP και 1HP=0,736KW

Αυτό που θα πρέπει να προσέξουμε είναι στην επιλογή της ισχύος του κινητήρα να μην είναι πολύ μεγαλύτερη ούτε μικρότερη από την ισχύ του φορτίου.

Αν είναι μεγαλύτερη θα έχουμε μικρό βαθμό απόδοσης και συντελεστή ισχύος, και αυτό είναι αντιοικονομικό.

Αν είναι μικρότερη τότε θα τον υπερφορτώσουμε με αποτέλεσμα να καεί.

Γενικά

Οι εγκαταστάσεις κίνησης είναι συνήθως ορατές και κατασκευάζονται με χαλυβδοσωλήνες. Για την κατασκευή τους ακολουθείται η ίδια διαδικασία με τις εγκαταστάσεις φωτισμού. 

Σχεδιάζουμε το σχέδιο της εγκατάστασης βάζοντας τα μηχανήματα στην κατάλληλη θέση.

Χαράζουμε τις γραμμές προβλέποντας για κάθε μηχάνημα και ένα μερικό πίνακα κίνησης ο οποίος θα έχει τις ασφάλειες, τους διακόπτες και τα άλλα όργανα χειρισμού και προστασίας του κινητήρα

Ο αριθμός των αγωγών τροφοδότησης των κινητήρων θα πρέπει να είναι 3 και ένας αγωγός γείωσης
Για τους κινητήρες που ξεκινούν με διακόπτη αστέρα τριγώνου απαιτούνται 6 αγωγοί από τον κινητήρα μέχρι το μερικό πίνακα χειρισμού ή μέχρι το διακόπτη Υ/Δ, καθώς επίσης και ένας αγωγός γείωσης

Διατομή αγωγών

Η διατομή των αγωγών θα πρέπει να υπολογιστεί σε ένταση κατά 1,25 φορές μεγαλύτερη από την ονομαστική ένταση λειτουργίας του κινητήρα (η οποία είναι γραμμένη πάνω στην πινακίδα του) δεδομένου ότι θα διαρρέεται από το ρεύμα εκκίνησης του κινητήρα

Αν μια γραμμή τροφοδοτεί π.χ 3 κινητήρες  με ονομαστικές εντάσεις Ι1,Ι2,Ι3, τότε :

Αν οι κινητήρες δεν ξεκινούν μαζί, η διατομή της γραμμής θα πρέπει να υπολογιστεί για ένταση:
1,25Ι1+Ι2+Ι3 όπου Ι1 η λαμβάνεται η μεγαλύτερη ένταση από τις τρεις

 Αν οι κινητήρες  ξεκινούν μαζί, η διατομή της γραμμής θα πρέπει να υπολογιστεί για ένταση:
1,25Ι1+1,25Ι2+1,25Ι3

Αν ένας κινητήρας προβλέπεται να έχει πολύ συχνές εκκινήσεις θα πρέπει να εκλέγεται μεγαλύτερη διατομή καλωδίου δεδομένου ότι θα διαρρέεται συχνά από το ρεύμα εκκίνησης του κινητήρα 

1.ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΩΝ

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ

Ηλεκτρικός τριφασικός κινητήρας ισχύος 10KW, συνδεσμολογίας τριγώνου τροφοδοτείται με τάση 400V. Να βρεθεί η ονομαστική ένταση του ρεύματος αν ο συντελεστής ισχύος είναι συνφ=0,85 και ο βαθμός απόδοσης n=0,8 (80%)

Λύση:

Ανεξάρτητα από τη συνδεσμολογία του κινητήρα η ένταση του ρεύματος γραμμής του θα είναι:

Ι=Pηλ/(√3*U*συνφ)=Pμηχ/(√3*U*συνφ*n)=10000/(1,73*400*0,85*0,8)= 21,25A

Προσεγγιστικός (πρακτικός) τρόπος υπολογισμού του ρεύματος

Χρησιμοποιούμε τους παρακάτω τύπους οι οποίοι ισχύουν με μεγαλύτερη ακρίβεια στις μεσαίες ισχείς:

Ι(Α)=1,8Ρμηχ(ΗΡ) και Ι(Α)=2Ρμηχ(KW)

όπου Pμηχ είναι η μηχανική ισχύς

Υπολογισμός ρεύματος εκκίνησης

Είναι γνωστό το μειονέκτημα που έχουν οι ασύγχρονοι τριφασικοί κινητήρες στην εκκίνησή τους να τραβούν μέχρι και 6-7 φορές το ονομαστικό τους ρεύμα (ρεύμα στην κανονική λειτουργία).

Την ένταση αυτή την βρίσκουμε από τις παρακάτω σχέσεις:

Τριφασικοί κινητήρες βραχυκυκλωμένου δρομέα

α) Για απευθείας εκκίνηση με πλήρη τάση δικτύου
Ιεκ=6Ικαν ή Ιεκ=9P(HP) ή Ιεκ=12P(KW)

β) Για εκκίνηση με διακόπτη αστέρα-τριγώνου
Ιεκ=2Ικαν ή Ιεκ=3P(HP) ή Ιεκ=4P(KW)

Βλέπουμε δηλαδή ότι η εκκίνηση κινητήρα με διακόπτη αστέρα-τριγώνου μειώνει το ρεύμα εκκίνησης  στο 1/3

Τριφασικοί δακτυλιοφόροι κινητήρες
Ιεκ=1,25Ικαν ή Ιεκ=1,9P(HP) ή Ιεκ=2,5P(KW)

2. Υπολογισμός της διατομής γραμμής τροφοδότησης του κινητήρα

Ο υπολογισμός των διακλαδώσεων από όπου τροφοδοτούνται οι κινητήρες γίνεται με βάση την ένταση του ρεύματος που τραβάει ο κινητήρας κατά 25% όμως μεγαλύτερη από την κανονική ένταση
Η προσαύξηση αυτή γίνεται για να  ληφθεί υπόψη η  αυξημένη ζήτηση ρεύματος κατά την εκκίνηση του κινητήρα

Έτσι λοιπόν με αυτή την  παραδοχή από τον παρακάτω πίνακα 52-Κ1 εκλέγω τη διατομή του καλωδίου

Αν η θερμοκρασία λειτουργίας του αγωγού είναι μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος (30οC) τότε διορθώνουμε το ρεύμα που υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας τον παρακάτω πίνακα διόρθωσης τιμών 52-Δ1

Αν η θερμοκρασία λειτουργίας του αγωγού είναι μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος (30οC) τότε διορθώνουμε το ρεύμα που υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας τον παρακάτω πίνακα διόρθωσης τιμών 52-Δ1

Υπολογισμός πτώσης τάσης

Κατά τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές λόγω της ωμικής και επαγωγικής αντίστασης της γραμμής τροφοδοσίας  έχουμε πάνω στην ίδια τη γραμμή μια πτώση τάσης

Η πτώση τάσης δεν πρέπει να ξεπερνά κάποια όρια

Σε γραμμές  κίνησης (3φ κινητήρες): 4% της τάσης παροχής, δηλαδή u=400*4/100=16 V

Σε γραμμές  κίνησης (1φ κινητήρες): 4% της τάσης παροχής, δηλαδή  u=230*4/100=9,2 V

Έστω ότι έχουμε να τροφοδοτήσουμε με κοινή γραμμή 3 κινητήρες με διαφορετική ηλεκτρική ισχύ και συντελεστές ισχύος όπως παρακάτω:

Ρ1=5KW συνφ1=0,82
Ρ2=6KW συνφ2=0,78
Ρ3=4KW συνφ3=0,80

σε αποστάσεις λ1= 10m, λ1= 16m, λ1= 20m
Να βρεθεί η διατομή της γραμμής τροφοδότησης

Σύμφωνα με τους τύπους έχουμε:

 Ι1=P1/(√3*U*συνφ1)=5000/(1,73*400*0,82)=8,81A
 Ι2=P2/(√3*U*συνφ2)=6000/(1,73*400*0,78)=11,11A
 Ι3=P3/(√3*U*συνφ3)=4000/(1,73*400*0,80)=7,22A

 I=I1+1,25*I2+I3=8,81+(1,25*11,11)+7,22=29,9 A
Εκλέγω από τον πίνακα 52-Κ1 διατομή 6mm2

Η εκλογή της διατομής για την παροχή κάθε κινητήρα ξεχωριστά γίνεται με το ρεύμα καθενός προσαυξημένο κατά 1,25

ΠΡΟΣΟΧΗ

Από τα προηγούμενα βλέπω ότι το άθροισμα των ρευμάτων των κινητήρων είναι: Ι1+Ι2+Ι3=8,81+11,11+7,22= 27,14 Α
Αυτός είναι ο γρήγορος και προσεγγιστικός τρόπος υπολογισμού του συνολικού ρεύματος.

Ο ακριβής τρόπος υπολογισμού του συνολικού ρεύματος κινητήρων που έχουν διαφορετικό συνφ είναι:

 Η βατική συνιστώσα του ρεύματος είναι:
Ι1συνφ1*Ι2συνφ2*Ι3συνφ3=8,81*0,82+11,11*0,78+7,22*0,8=7,22+8,66+5,77=21,65 Α

 Η άεργη συνιστώσα του ρεύματος είναι:
Ι1ημφ1*Ι2ημφ2*Ι3ημφ3=8,81*0,57+11,11*0,62+7,22*0,59=5.02+6,88+4,26=16,16 Α

Το ολικό ρεύμα γραμμής είναι Ι = τετρ.ρίζα ((Ιβατικό)² + (Ιάεργο)² )=τετρ.ρίζα(468,72+268,26)= 27,15 Α


Βλέπω ότι οι δύο υπολογισμοί οδηγούν στο ίδιο περίπου αποτέλεσμα. Γι’αυτό στη συνέχεια οι υπολογισμοί θα γίνονται με τον πρώτο γρήγορο τρόπο.

Επίσης ο ακριβής τρόπος υπολογισμού του συνολικού συνφ κινητήρων που έχουν διαφορετικό συνφ είναι:

Το μέσο συνφ των κινητήρων θα είναι: συνφm=Iβατικό/Ιολ=22,75/28,38= 0,8


Ο γρήγορος τρόπος υπολογισμού του συνολικού συνφ κινητήρων που έχουν διαφορετικό συνφ είναι:

συνφm=(συνφ1+συνφ2+συνφ3)/3=(0,82+0,78+0,8)/3= 0,8

Βλέπω ότι πάλι οδηγούμαστε στο ίδιο αποτέλεσμα

Η πτώση τάσης της παροχής δίνεται από τον τύπο

u=ρ*√3(Ι1*λ1*συνφ1+Ι2*λ2*συνφ2+Ι3*λ3*συνφ3)/S

Αν βάλω τις τιμές θα βρω u=1,01V

Λόγω της κατά κανόνα μεγάλης ισχύος των μηχανημάτων και για μεγαλύτερη ασφάλεια αποφεύγεται η τροφοδότηση αυτών με μια γραμμή.

Στην ιδεώδη εγκατάσταση κάθε μηχάνημα τροφοδοτείται από ιδιαίτερη γραμμή.

Συνήθως μοιράζουμε τα μηχανήματα σε κατηγορίες ισχύος και τα τροφοδοτούμε ανά δύο ή τρία εφόσον δεν υπερβαίνουν συνολικά τα 7 KW ανά γραμμή

3-Εκλογή ασφάλειας

Ο διακόπτης φορτίου δεν περιέχει ηλεκτρομαγνητικά στοιχεία και επομένως δεν προστατεύει τον κινητήρα από βραχυκύκλωμα, γι’αυτό τοποθετούμε πριν από αυτόν ασφάλειες

Η επιλογή της ασφάλειας

Για την προστασία των ηλεκτρικών κινητήρων δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ασφάλειες τύπου gG που χρησιμοποιούνται στα κυκλώματα φωτισμού και πριζών.
Λόγω του μεγάλου ρεύματος εκκίνησης των κινητήρων οι ασφάλειες τύπου gG θα αντιδρούσαν και έτσι δεν θα άφηναν τον κινητήρα να δουλέψει.
Γι’ αυτό το λόγο χρησιμοποιούμε ασφάλειες τύπου αΜ (παλιά βραδείας τήξης) , οι οποίες δεν αντιδρούν στα αυξημένα ρεύματα εκκίνησης.
Οι ασφάλειες όμως αυτές δεν προστατεύουν τον κινητήρα  από υπερφόρτηση παρά μόνο από βραχυκύκλωμα για το λόγο ότι η αντίδρασή τους σε περίπτωση υπερφόρτισης  γίνεται σε χρόνο που ο κινητήρας έχει υποστεί πλέον βλάβη από υπερθέρμανση.

Τη δουλειά αυτή, δηλαδή την προστασία του κινητήρα από υπερφόρτιση την αναλαμβάνουν τα θερμικά.

Αν αντί για τηκτές ασφάλειες αΜ βάλουμε αυτόματες αυτές θα πρέπει να είναι τύπου D ή Κ

4.ΕΚΛΟΓΗ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ

Το ονομαστικό ρεύμα των διακοπτών πρέπει να είναι τουλάχιστον ίσο με το ονομαστικό ρεύμα των ασφαλειών και να διακόπτουν το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα συνεχούς λειτουργίας των αγωγών που ελέγχουν 

5.ΕΚΛΟΓΗ ΡΕΛΕ-ΘΕΡΜΙΚΟΥ

Η ρύθμιση του θερμικού γίνεται στην ονομαστική ένταση του ρεύματος του κινητήρα εάν αυτός ξεκινά υπό πλήρη τάση δικτύου και στο 0,58 του ονομαστικού ρεύματος εάν ξεκινά με αυτόματο διακόπτη αστέρα τριγώνου

Η περιοχή ρύθμισης που θα έχει το θερμικό που θα επιλέξουμε θα πρέπει να περιέχει στο μέσο περίπου την τιμή που θα το ρυθμίσουμε

Πίνακας επιλογής ρελέ ισχύος και θερμικών αυτόματου διακόπτη Υ/Δ στην εκκίνηση ασύγχρονων τριφασικών κινητήρων βραχυκυκλωμένου δρομέα

Ο πίνακας 4.1.1 που ακολουθεί δίνει την επιλογή ρελέ ισχύος και θερμικών  που θα χρειαστούν για τον αυτόματο διακόπτη Υ/Δ στην εκκίνηση ασύγχρονων τριφασικών κινητήρων βραχυκυκλωμένου δρομέα

Τα στοιχεία δίνονται με βάση την ισχύ του κινητήρα και το ονομαστικό ρεύμα του.
Οι κωδικοί των ρελέ και θερμικών που δίνονται στον πίνακα αφορούν τα στοιχεία των πινάκων 2.2.17

6.Εκλογή χαλυβδοσωλήνων

Οι βιομηχανικές εγκαταστάσεις και κυρίως οι εγκαταστάσεις κίνησης γίνονται εξωτερικές.

Οι αγωγοί και τα καλώδια που καταλήγουν στους σωλήνες θα πρέπει να προφυλάσσονται από χαλυβδοσωλήνες

Η εκλογή της διαμέτρου τους γίνεται σύμφωνα με τον παρακάτω πίνακα