Μάθημα 11 Αναλυτικότερα, η Σχεδίαση των Εγκαταστάσεων

Μάθημα 11 Αναλυτικότερα, η Σχεδίαση των Εγκαταστάσεων Κίνησης Περίληψη. Βασικό βήμα στη σχεδίαση εγκαταστάσεων κίνησης, είναι ο υπολογισμός των ηλεκτρικών γραμμών διατομή καλωδίου και υλικά προστασίας που τροφοδοτούν τους κινητήρες, σ αυτές τις εγκαταστάσεις. Σ αυτή την ενότητα, εξετάζουμε αναλυτικότερα τις προβλέψεις / οδηγίες του κανονισμού, για τις ηλεκτρικές γραμμές κινητήρων, επιχειρώντας να εφαρμόσουμε αυτούς τους κανονισμούς, στη πράξη, για να υπολογίσουμε τα υλικά προστασίας που χρησιμοποιούμε στις γραμμές χαρακτηριστικών κινητήρων, σε πραγματικές εγκαταστάσεις κίνησης, όπως η εγκατάσταση για τις μηχανές στο αρτοποιείο και η εγκατάσταση για τους κινητήρες, στο βιομηχανικό κτίριο. Βασικό βοήθημα στη σχεδίαση του δικτύου, δηλαδή των ηλεκτρικών γραμμών μίας εγκατάστασης κίνησης και στον υπολογισμό των χαρακτηριστικών αυτών των γραμμών είναι το FINE. Χρησιμοποιώντας το FINE, μπορούμε να σχεδιάζουμε τις γραμμές μίας εγκατάστασης κίνησης, επάνω στη κάτοψη του κτιρίου. Το πρόγραμμα αυτόματα υπολογίζει τα χαρακτηριστικά, για κάθε γραμμή, δηλαδή το μήκος κάθε γραμμής, τη διατομή καλωδίου, τα υλικά προστασίας της γραμμής και παριστάνει αυτά τα υλικά, στο μονογραμμικό σχέδιο των γραμμών που δημιουργεί. Έτσι, μπορούμε: Nα ελέγχουμε τους δικούς μας υπολογισμούς, για τις γραμμές μίας εγκατάστασης κίνησης, στη βάση των υπολογισμών που κάνει το FINE, γι αυτή την εγκατάσταση και Nα επαληθεύουμε ή να διορθώνουμε τους δικούς μας υπολογισμούς ή τους υ- πολογισμούς του προγράμματος, αλλάζοντας τα υλικά που εξ ορισμού επιλέγει το πρόγραμμα και αντικαθιστώντας τα με άλλα υλικά, από τη βιβλιοθήκη του προγράμματος, που θα θέλαμε να χρησιμοποιήσουμε γι αυτή τη γραμμή. Σε μία παρακάτω ενότητα, αναλύεται η διαδικασία, για να αλλάζουμε τα υλικά που το πρόγραμμα επιλέγει για μία γραμμή κίνησης, με άλλα υλικά από τη βιβλιοθήκη του προγράμματος που θα προτιμούσαμε να χρησιμοποιήσουμε, γι αυτή τη γραμμή. Βασικές Έννοιες: Εγκαταστάσεις κίνησης 1

0. Σκοπός Πως σχεδιάζουμε μία εγκατάσταση κίνησης? Ποια είναι η μεθοδολογία τα βήματα και οι υπολογισμοί που εκτελούμε για μία εγκατάσταση κίνησης που περιλαμβάνει διαφορετικούς κινητήρες σύγχρονους και ασύγχρονους, όσο και κινητήρες διαφορετικής ισχύος? Μπορούμε να συνδέουμε δύο ή και περισσότερους κινητήρες στην ίδια γραμμή / στο ίδιο κύκλωμα ή θα πρέπει να συνδέουμε κάθε κινητήρα, σε μία ξεχωριστή γραμμή? Μέσα από παραδειγματικές μελέτες εγκαταστάσεων κίνησης, την εγκατάσταση στο Φούρνο και την εγκατάσταση στο εργοστάσιο της GOLDEN DOOR, εξετάζουμε τη διαδικασία που ακολουθούμε για να σχεδιάζουμε το δίκτυο μίας βιομηχανικής εγκατάστασης. 1. Εισαγωγή Βιομηχανικά φορτία, όπως κινητήρες και εξοπλισμός γραφείου, όπως φωτοτυπικά μηχανήματα, έχουν περισσότερες σχεδιαστικές απαιτήσεις απ ότι γενικά φορτία, όπως φωτισμός και ρευματοδότες γενικής χρήσης. Έτσι, η τροφοδοσία αυτών των φορτίων κίνησης, δηλαδή κινητήρων και μηχανημάτων που τροφοδοτούνται από τριφασικούς ρευματοδότες απαιτεί Ανεξάρτητες γραμμές τροφοδοσίας και τη Σχεδίαση ειδικών μεθόδων γείωσης των φορτίων και προστασίας των γραμμών. Όπως χαρακτηριστικά γράφει ο Τσέτογλου, στις «Μελέτες Ηλεκτρικών Εγκαταστάσεων»: «Οι εγκαταστάσεις κίνησης, το παλαιότερο καιρό, γίνονταν ως εξής: από το γενικό πίνακα κίνησης, ξεκινούσαν γραμμές για πέντε, έξι και περισσότερους κινητήρες. Σε καθεμία από αυτές τις παροχές κατεβάζαμε δύο, τρείς ή και περισσότερους κινητήρες. Υπολογίζαμε χωριστά τις διατομές, τόσο για τα κατεβάσματα από το κουτί διακλάδωσης, μέχρι το κινητήρα, όσο και από τη κεντρική παροχή που τις τροφοδοτούσε. Βασικό μειονέκτημα αυτής της εγκατάστασης ήταν πως σε περίπτωση βλάβης της κεντρικής γραμμής ή της προστασίας της, δεν μπορούσε να λειτουργήσει κανένα μηχάνημα που τροφοδοτούσε αυτή η γραμμή». Γι αυτό, στις εγκαταστάσεις κίνησης, έχει καθιερωθεί «από το γενικό πίνακα, να α- ναχωρούν ανεξάρτητες γραμμές, για κάθε κινητήρα ή τριφασική πρίζα και κάθε γραμμή να έχει τη δική της προστασία» [Β. Τσέτογλου, 2005]. 2

Εικόνα 1: Η κάτοψη με τα φορτία της εγκατάστασης, για το εργοστάσιο της GOLDEN DOOR. 3

2. Η Γενική Μορφή των Κυκλωμάτων Κίνησης Μέσα Προστασίας Στη βάση του κανονισμού, η γραμμή / το κύκλωμα που τροφοδοτεί έναν κινητήρα ή μία τριφασική πρίζα, πρέπει να περιλαμβάνει: 2.1 Έναν διακόπτη, για να ανοίγει ή να κλείνει τη γραμμή του κινητήρα και που ονομάζουμε διακόπτη φορτίου. Ακόμα, η γραμμή ενός κινητήρα, πρέπει να προστατεύεται από: 2.2 Υπερφόρτιση και 2.3 Βραχυκυκλώματα Έτσι, απαραίτητα, κάθε γραμμή κινητήρα πρέπει να περιλαμβάνει μέσα προστασίας, για καθεμία από τις δύο παραπάνω δυσλειτουργίες. 2.1 Διακόπτης Φορτίου Ο κανονισμός προσδιορίζει πως κάθε κινητήρας θα πρέπει να συνοδεύεται από ένα μέσο / συσκευή απόζευξης / διακοπής της λειτουργίας του κινητήρα, από τη πηγή. Ο κανονισμός ακόμα, προσδιορίζει το τύπο της συσκευής απόζευξης. Στις συσκευές απόζευξης περιλαμβάνονται διακόπτες φορτίου με ονομαστική ισχύ σε ίππους και αυτόματοι διακόπτες που αποτελούν μέρος των κυκλωμάτων ελέγχου κινητήρων (motor controllers). Σαν συσκευή αποσύνδεσης της γραμμής ενός κινητήρα, θα μπορούσε ακόμα, να είναι και μία πρίζα, για κινητήρες σχετικά μικρής ισχύος. Για τους περισσότερους κινητήρες, ο διακόπτης φορτίου του κινητήρα έχει ονομαστική τιμή σε ισχύ. Ο κανονισμός ακόμα προσδιορίζει ότι ο διακόπτης / συσκευή απόζευξης του κινητήρα, θα πρέπει να είναι εγκαταστημένος, έτσι ώστε το κύκλωμα ελέγχου και ο κινητήρας να είναι ορατοί από τη συσκευή απόζευξης του κινητήρα 2.2 Συσκευή Προστασίας από Υπερφόρτιση Κανένας κινητήρας δεν είναι έξυπνος. Ένας κινητήρας θα εξακολουθεί, επιχειρώντας να αποδώσει τη μέγιστη ισχύ, ανεξάρτητα από το φορτίο που εξυπηρετεί 4

Εικόνα 2: Τα βασικά στοιχεία που περιλαμβάνει και που πρέπει να υπολογίσουμε, για κάθε φάση τροφοδοσίας ενός κινητήρα. Αυτά τα στοιχεία είναι ο διακόπτης φορτίου, η ασφάλεια τήξης, για τη προστασία από βραχυκυκλώματα και το θερμικό στοιχείο που λειτουργεί σε συνδυασμό με το ρελέ ισχύος, για να προστατεύει το κινητήρα, από υπερφόρτιση. και ανεξάρτητα από τη τάση τροφοδοσίας ή πόσο ασύμμετρη είναι η τάση τροφοδοσίας. Θα συνεχίσει μέχρι να καεί. Μπορούμε να αποφύγουμε να κάψουμε έναν κινητήρα, αν ο κινητήρας έχει τη κατάλληλη συσκευή προστασίας, από υπερφόρτιση. Μία συσκευή υπερφόρτισης λειτουργεί ώστε να εντοπίζει ένα αυξημένο ρεύμα στο κινητήρα και να διακόπτει το κύκλωμα. Ακόμα, η συσκευή υπερφόρτισης προστατεύει τον αγωγό της γραμμής από υπερθέρμανση. Ο καλύτερος τρόπος προστασίας μεγάλων κινητήρων από υπερφόρτιση είναι ο «συνδυασμός θερμικών στοιχείων και θερμοστοιχείων. Τα θερμικά στοιχεία τοποθετούνται στη γραμμή τροφοδοσίας του κινητήρα, ενώ τα θερμοστοιχεία είναι εμφυτευμένα στα τυλίγματα και τα ρουλεμάν του κινητήρα» [Β. Τσέτογλου, 2005 5

Εικόνα 3: Στη γραμμή τροφοδοσίας ενός κινητήρα, αντί του διακόπτη φορτίου και της ασφάλειας τήξης, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτόματο διακόπτη ισχύος. Ο αυτόματος διακόπτης ισχύος συνδυάζει / έχει την ίδια λειτουργία στη γραμμή τροφοδοσίας του κινητήρα που έχουν ο διακόπτη φορτίου και η ασφάλειας τήξης. 6

Για «μικρούς κινητήρες, τα θερμικά στοιχεία από μόνα τους, προσφέρουν ε- παρκή προστασία του κινητήρα» [Β. Τσέτογλου, 2005]. Η τοποθέτηση των θερμικών στοιχείων γίνεται συνήθως στο πίνακα, στη γραμμή τροφοδοσίας του κινητήρα και «η ρύθμισή τους γίνεται στο μέγιστο επιτρεπόμενο θερμικό ρεύμα του κινητήρα» [Β. Τσέτογλου, 2005]. 2.3 Προστασία από Βραχυκυκλώματα Η προστασία των κινητήρων από βραχυκυκλώματα γίνεται με ασφάλειες. Οι ασφάλειες τοποθετούνται στο πίνακα τροφοδοσίας του κινητήρα πριν από το θερμικό στοιχείο και «για να αντέξουν στο ρεύμα εκκίνησης του κινητήρα, επιλέγουμε την επόμενη ή μεθεπόμενη τυποποιημένη διάσταση, από το ονομαστικό ρεύμα του κινητήρα. Η χρήση των ασφαλειών συνδυάζεται με τη χρήση διακοπτών φορτίου πριν από αυτές, για τη ζεύξη και απόζευξη του κινητήρα, από τη πηγή τροφοδοσίας» [Β. Τσέτογλου, 2005] 3. Υπολογίζοντας τις Γραμμές των Κινητήρων στο Βιομηχανικό Κτίριο Έχοντας περιγράψει τα βασικά στοιχεία το διακόπτη φορτίου, την ασφάλεια, για προστασία από βραχυκυκλώματα και το θερμικό στοιχείο, για προστασία από υπερφόρτιση μίας γραμμής κινητήρα, εξετάζουμε πως υπολογίζουμε αυτά τα στοιχεία, υπολογίζοντας τις γραμμές τροφοδοσίας των κινητήρων, στο Βιομηχανικό κτίριο. 3.1 Η Γραμμή του Τόρνου 3 Σαν χαρακτηριστικό παράδειγμα υπολογισμού των χαρακτηριστικών μίας γραμμής κίνησης, υπολογίζουμε τη γραμμή τροφοδοσίας του τόρνου 3, στο βιομηχανικό κτίριο (Εικόνα 4). Από το πίνακα των φορτίων κίνησης της εγκατάστασης, τα χαρακτηριστικά αυτού του κινητήρα, είναι ως εξής: 1. Ονομαστική τάση λειτουργίας V = 400 V, f = 50 Hz. 2. Ονομαστική ισχύς P = 5 HP = 5 0,736 kw = 3,68 kw 3. Συντελεστής ισχύος συνφ = 0,85 Το μήκος της ηλεκτρικής γραμμής, από το πίνακα, μέχρι το κινητήρα, είναι l = m. Ξεκινάμε το υπολογισμό αυτής της γραμμής, από τη διατομή του αγωγού που θα 7

Εικόνα 4: Δύο διαφορετικές προσεγγίσεις στη σχεδίαση γραμμών τροφοδοσίας κινητήρων. Στη μία προσέγγιση, χρησιμοποιούμε ξεχωριστή γραμμή, για κάθε κινητήρα, ενώ στην άλλη προσέγγιση, συνδέουμε περισσότερους από έναν κινητήρες, σε κάθε γραμμή. 8

χρησιμοποιήσουμε. Η ισχύς P σε kw που απορροφά ο κινητήρας από το δίκτυο στο ονομαστικό του φορτίο, είναι: P = 3,68 kw Επομένως, το ρεύμα Ιον κανονικής (ονομαστικό) λειτουργίας του κινητήρα είναι: Άρα, P = 3 V Iον συνφ Ιον = P / ( 3 V Iον συνφ) = 3680 / (1,73 400 0,85) = 6,26 A Υπολογίζουμε το ρεύμα εκκίνησης Ιεκ του κινητήρα, να είναι: Ιεκ = 6 Ιον = 37,54 A Επειδή το ρεύμα εκκίνησης Ιεκ < 50 Α, δεν χρειάζεται να χρησιμοποιήσουμε ειδική διάταξη εκκίνησης, για το κινητήρα. Για τον υπολογισμό της διατομής της γραμμής τροφοδοσίας του αγωγού, προσαυξάνουμε το ονομαστικό ρεύμα του κινητήρα κατά 25%: I = 1,25 Iον = 7,82 Α Από το Πίνακα 1 Φόρτιση καλωδίων τοποθετημένων ελεύθερα στον αέρα, για ένταση ρεύματος γραμμής Ι = 7,82 Α, για καλώδιο NYY με μόνωση PVC, επιλέγουμε διατομή ενεργών αγωγών 1,5 mm 2. Από το Πίνακα 2 Ασφάλειες Βραδείας Τήξεως, το μέγεθος των ασφαλειών προστασίας (ασφάλειες βραδείας τήξης) του κινητήρα είναι ονομαστικής τιμής 15 Α. Το μέγεθος του διακόπτη φορτίου που θα χρησιμοποιηθεί, θα πρέπει να είναι τουλάχιστον ίσο με το μέγεθος των ασφαλειών του κινητήρα. Από το Πίνακα 3 Διακόπτες Φορτίου, μπορούμε να επιλέξουμε διακόπτη τύπου τυμπάνου κατηγορίας 00 στα 16 Α που για κινητήρες και επαγωγικά φορτία (AC 23), ;έχει μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα λειτουργίας 16 Α. 9

Εικόνα 5: Οι υπολογισμοί για τη γραμμής τροφοδοσίας του Τόρνου 3. Στο επάνω μέρος της Εικόνας, είναι οι υπολογισμοί αυτής της γραμμής, με το χέρι και κάτω, ο υπολογισμός αυτής της γραμμής, από το πρόγραμμα. 10

Θερμικό στοιχείο & Ρελέ Ισχύος. Από το Πίνακα 4 Τριπολικά Ρελέ Ισχύος, κατηγορία AC 3, για ονομαστική ισχύ κινητήρα P = 3,68 kw και ρεύμα λειτουργίας Ι ον = 7,82 Α, επιλέγουμε ρελέ με τύπο και κωδικό LC1 D09 7 Από το Πίνακα 5 Θερμικά Προστασίας για χρήση AC 3, επιλέγουμε θερμικό με κωδικό LRD-14 που συνεργάζεται με το ρελέ ισχύος που επιλέξαμε. Αυτό το θερμικό στοιχείο έχει περιοχή ρύθμισης 7 έως 10 Α και το ρυθμίζουμε στα 8 Α. Αυτόματος Διακόπτης Προστασίας Κινητήρα. Αντί για το συνδυασμό διακόπτης φορτίου - ασφάλειες βραδείας τήξης θερμικό στοιχείο, μπορούμε να επιλέξουμε έναν αυτόματο διακόπτη προστασίας, για κινητήρες μέχρι 15 KW. Έτσι, από το Πίνακα 6 Αυτόματοι Διακόπτες Προστασίας, με βάση την ονομαστική ένταση λειτουργίας του κινητήρα Ιον = 7,82 Α, επιλέγουμε μέγεθος αυτόματου διακόπτη προστασίας 3 kw (τριπολικό για προστασία κινητήρων) με περιοχή ρύθμισης 6 10 Α και τον ρυθμίζουμε λίγο πάνω από την ονομαστική ένταση λειτουργίας του κινητήρα, στα 8 Α. Στην Εικόνα 5, παριστάνεται η γραμμή τροφοδοσίας, για το Τόρνο 3, σύμφωνα με τους δικούς μας υπολογισμούς (α), (β) και σύμφωνα με τους υπολογισμούς στο FINE (γ). 11

12

Πίνακας 2 Ασφάλειες Βραδείας Τήξεως Κινητήρας Απευθείας Εκκίνηση Εκκίνηση μέσω διακόπτη αστέρα τριγώνου Ισχύς kw Ονομαστικό Ρεύμα A Ασφάλεια Βραδείας Τήξεως A Ασφάλεια Βραδείας Τήξεως A 3 6,7 10 10 4 8,8 15 15 5.5 10,8 20 20 7.5 15,6 25 25 10 20 35 25 11 24 35 25 13

14

15

16

17