محاسبه جریان الکتروموتورها و طراحی تجهیزات حفاظتی در تابلو های برق

محاسبه جریان الکتروموتور

یکی از مهم ترین و ضروری ترین نکات در طراحی تابلوهای برق، محاسبه جریان الکتروموتورها می باشد، زیرا برای انتخاب تمامی لوازم و ادوات تابلو برق، نیازمند جریان مصرف کننده هستیم. اولین مسئله ای که باید در مورد الکتروموتورها بدانیم، اطلاعاتی مانند: توان موتور، جریان نامی، ولتاژ، نحوه ی اتصال (ستاره-مثلث ، مستقیم)، تعداد دور در دقیقه، که تمامی این اطلاعات روی پلاک حک شده است.

 

نحوه طراحی و تجهیز کارخانجات

از آنجایی که غالبا امکان دسترسی به موتور و پلاک آن در هنگام طراحی یک تابلو برق وجود ندارد، طراح باید بتواند با استفاده از اطلاعات و فرمول های دیگر، مشخصات را تعیین نماید.

– مهم ترین مورد برای الکتروموتور توان موتور (P) که واحد آن وات (W) می باشد، که با داشتن این مطلب می توانیم جریان موتور را محاسبه کنیم.

در هنگام طراحی و تجهیز کارخانجات، ابتدا تجهیزات مکانیکی مورد محاسبه قرار می گیرند و سپس، نسبت به ادوات مکانیکی، تجهیزات الکتریکی طراحی می شوند. مقدار توان الکتروموتورها نیز یکی از مواردی است که از پیش تعیین و محاسبه می شوند. بنابراین، برای طراحی تابلو برق، معمولا توان الکتروموتورها مشخص شده اند و ما نسبت به آن می توانیم جریان آنها را تعیین کنیم.

فرمول محاسبه توان برای موتورهای سه فاز

در نتیجه، برای محاسبه جریان نیز می توانیم بگوییم:

فرمول محاسبه توان برای موتورهای تک فاز

P = I . V . Cosф

به کمک این روابط می توان براحتی جریان موتور را محاسبه کرد.

چند نمونه راه اندازی الکتروموتور با قدرت های متفاوت

مثال 1- الکتروموتوری با قدرت 15 اسب بخار داریم که در شبکه سه فاز، بصورت مثلث راه اندازی می شود. ضریب توان این موتور 0/75 می باشد.

شدت جریان موتور چقدر است؟

ابتدا باید اسب بخار را به وات تبدیل کنیم:

1HP = 0.745KW
0/745 کیلووات = 1 اسب بخار

بنابراین توان نامی موتور 11 کیلو وات می باشد.

 15HP * 0.745 = 11.1 KW

 

P = √3IVCOSф → 11000=(1.73)I(380)(0.75) → I=11000/493.05 → I=22.3A

مثال 2- جریان خط یک الکتروموتور سه فاز با آمپرمتر اندازه گیری شده است که جریانی برابر با 86 آمپر را نشان می دهد. کسینوس فی متر نیز عدد 0/8 را نشان می هد.

توان این موتور چقدر است؟

P = √3IVCOSф → P=(1.73)(86)(380)(0.8) → P=45229W → P=45.2 KW

بنابراین، توان نامی موتور فوق، 45 کیلووات است.

نکته: در مواقعی مانند این مثال که پلاک مشخصات موتور را نداریم و می خواهیم از طریق اندازه گیری آن را محاسبه کنیم. برای دقت بیشتر در محاسبه، باید تمامی مقادیر را نیز با اندازه گیری مشخص نمائیم. مثلا، با اینکه می دانیم ولتاژ سه فاز خط ، 380 ولت است، بهتر است بوسیله ولت متر نیز، ولتاژ خط را اندازه گیری کنیم.

*****

پس از محاسبه جریان موتور، حال باید لوازم مورد نیاز و رنج جریانی آنها را مشخص کنیم.

لوازم مورد نیاز برای راه اندازی و حفاظت الکتروموتورهای تک ضرب (مستقیم)

بصورت معمول، لوازم مورد نیاز الکتروموتورها را از نظر تعداد لوازم به دو روش انتخاب می کنیم:

روش های مختلف راه اندازی و حفاظت کامل جریان موتورهای تک ضرب

نکات مهم

:: فیوز مینیاتوری را می توان برای موتورهای کم توان، حدودا تا رنج 11 کیلووات استفاده کرد.

:: به دلیل وجود کلید حرارتی در روش اول، عمل حفاظت از جریان مغناطیسی (اتصال کوتاه) و جریان حرارتی موتو، بطور همزمان انجام می شود، بنابراین دیگر نیازی به بیمتال نیست.

:: در الکتروموتورهای سه فاز، قرار دادن کنترل فاز در مدار، الزامی است.

:: برای الکتروموتورهای بسیار قوی و توان بالا می توان از کلید های کمپکت موتوری (MPCB) استفاده کرد که در این صورت نیازی به بیمتال نیست، ولی اگر از کلیدهای کمپکت معمولی (MCCB) استفاده کنیم، مدار حتما باید دارای بیمتال باشد.

:: کلید های کمپکت (MCCB) را جزو محافظ های جریان حرارتی به حساب نمی آوریم. این نوع کلیدها محافظ جریان مغناطیسی و اضافه بار مدار هستند، ولی در اینجا فقط در جدول محافظ های مغناطیسی ها قرار می گیرند، زیرا کندکار بوده و حفاظت آن ها برای یک خط الکتروموتور، کفایت نمی کند.

البته برای حفاظت جریان حرارتی یک مجموعه مناسب می باشد (مانند کلید اصلی یک تابلو یا چند موتور)

موارد مصرف روش های مختلف راه اندازی

روش اول: بهترین نوع حفاظت برای موتور در برق صنعتی و قدرت به شمار می آید که:

شماره 1: برای موتورهای توان پایین تا 37KW

شماره 2: برای موتورهای توان بالاتر از 30KW مناسب است.

روش دوم:

شماره 3: پایین ترین سطح کیفی و ایمنی – کم هزینه

شماره 4: برای موتورهای کم توان و کم بار تا 11KW – هزینه مناسب

شماره 5: برای موتورهای توان بالا

تعیین رنج قطعات

پس از محاسبه ی جریان موتور و انتخاب لوازم مورد نیاز برای آن، باید رنج هر یک از قطعات را مشخص کنیم. لازم به ذکر است که بیان کنیم، محاسبات لوازم مورد نیاز برای یک الکتروموتور، در شرایط مختلف با هم تفاوت دارد، ولی برای راهنمایی هر چه بیشتر شما، سعی کردیم محاسبات و تعیین رنج لوازم الکتروموتورها را در شرایط دیگر هم مورد بررسی قرار دهیم. از این رو، به مطالبی که در قالب نکته بیان می شوند، توجه فرمایید.

حال که جریان نامی موتور را طبق فرمول محاسبه کردیم، آن را به عنوان پایه ی محاسبات در نظر گرفته و رنج قطعات مورد نیاز برای هر خط موتوری را مرحله به مرحله محاسبه می کنیم:

محاسبه رنج لوازم برای موتورهای تک ضرب

نکات مهم

1- علت اینکه رنج فیوز را بالاتر از جریان نامی موتور محاسبه می کنیم، جریان راه اندازی موتور در لحظه استارت (جریان اولیه) می باشد.

2- بیمتال نقش حفاظت جریان نامی موتور را در حالت زیربار بر عهده دارد، بنابراین باید با مقدار جریان نامی موتور برابر باشد.

3- کلیدهای کمپکت (MCCB)، جزو فیوزهای کندکار محسوب می شوند، بدیهی است که باید 1/7 برابر جریان نامی انتخاب شوند.

4- کلیدهای حرارتی نیز به فیوزهای کندکار نسبت داده می شوند، ولی بدلیل آنکه از نظر ساختار مانند بیمتال عمل می کنند و روی آن ها پیچ تنظیم رنج وجود دارد، باید مانند بیمتال، برابر جریان نامی موتور انتخاب شوند.

* با توجه به نوع بار و نوع مصرف، رنج کلید حرارتی را می توان 5% بالاتر از جریان نامی در نظر گرفت. در نظر داشته باشید که بهترین حفاظت کننده برای موتور، کلید حرارتی است.

5- کنتاکتور به علت کارکرد بالا (قطع و وصل زیاد) و تحمل جریان اولیه، نسبت به نوع بار و تعداد ضربات آن باید بالاتر در نظر گرفه شود.

6- به طور کلی، اگر به روش های فرمولی، محاسبه می کنید، احتمال کمی تفاوت با جدول های جریان موتور وجود دارد که می تواند به دلایل زیر باشد:

کسینوس فی هر موتور – جریان اولیه و راه انداز موتورها (در مصارف مختلف جریان ها باهم فرق می کنند) – اختلاف ولتاژ در محل های مختلف – دور موتور -ولتاژی که در جدول محاسبه شده (400 یا 380) و …

طراحی تابلو و لوازم حفاظتی مورد نیاز برای یک دستگاه برش چوب

* می خواهیم یک دستگاه برش چوب را که دارای موتور 7/5 کیلووات است، در شبکه سه فاز 400 ولت، راه اندازی کنیم. (کسینوس فی 0/8)

– چه لوازمی برای حفاظت کامل این دستگاه انتخاب کنیم.

– رنج دقیق آنها را ذکر کنید.

ابتدا باید جریان نامی موتور را محاسبه کنیم.

P=√3IVCOSф → 7500=(1.73)I(400)(0.8) → I=13.5A

این دستگاه را یک مصرف کننده ی عادی در نظر می گیریم، یعنی هیچ یک از شرایطی مانند بار بیشتر از حد، گرما، قطع و وصل زیاد، که در ابتدای بخش اشاره کردیم را ندارد. در کل، شرایط خاصی وجود ندارد که به موتور فشار زیادی وارد کند.

بنابراین، در این موتور به علت اینکه توان بالایی ندارد و نیز نوع مصرف آن (برش چوب) که فشار زیادی به موتور نمی آورد، می توان از هر فیوزی مانند فیوز بکس (ذوب شونده)، مینیاتوری و کلید حرارتی استفاده کرد، ولی با حفظ اصول جریان.

روش های مختلف راه اندازی و حفاظت از این دستگاه

مزایا و معایب هر روش

روش اول: ارزان – ایمنی پایین

روش دوم: قیمت مناسب و با ایمنی و حفاظت بیشتر از روش اول

روش سوم: هزینه نسبتا بالاتر – بسیار مطمئن – ایمنی و حفاظت بالا

در نهایت، طراح باید تشخیص دهد که کدام روش، برای چه کاری مناسب تر است، یعنی الویت با هزینه ها می باشد یا کیفیت.

طراحی و ساخت تابلو برق راه اندازی یک فن 30 کیلو وات به صورت تک ضرب

• برای خروج هوای داخل یک کارخانه ذوب فلز، از یک فن 30 کیلووات تک ضرب استفاده کردیم.
  (کسینوس فی 0/75) ولتاژ کارخانه 380 و دمای داخلی محیط 45 درجه سانتیگراد می باشد.

تابلوی برق این موتور را طراحی کنید. ابعاد تابلو – چیدمان – لوازم – تعیین جریان و رنج ادوات مورد نیاز

توضیح:

ابتدا محاسبه جریان نامی موتور:

P=√3IVCOSф → 30000=(1.73)I(380)(0.75) → I=30000/493.05 → I=60.8A

نکات مورد توجه در محاسبه:

این موتور شرایط خاصی دارد، یعنی:

الف) دمای محیط 45 درجه سانتیگراد

ب) نوع مصرف: در نظر داشته باشید که الکتروموتوری که قرار است برای خروج و جابجایی هوا با توان بالا استفاده شود، تحت فشار زیادی قرار دارد.

ج) جریان راه اندازی: برای انتقال هوا در حجم زیاد، فشار بیش از حد معمولی به پره های فن و در نتیجه، به الکتروموتور تحمیل می شود، بنابراین جریان اولیه این موتور حدود 8 برابر جریان نامی می باشد.

با توجه به این نکات، مراحل محاسبات و انتخاب لوازم را بدین صورت ادامه می دهیم:

– فیوز: به علت جریان راه اندازی بالا، حتما باید از فیوز کندکار و 1/7 برابر جریان نامی استفاده شود.

– کنتاکتور: به علت تحمل جریان بالا در هنگام قطع و وصل و نیز درجه حرارت محیط ، حداقل 2 رنج بالاتر از جریان نامی موتور انتخاب شود.

– کنترل بار: در محیط های با دمای بالا، بهتر است به جای بیمتال از کنترل بار استفاده شود، زیرا بیمتال نسبت به حرارت مدار، عکس العمل نشان می دهد. بدیهی است که در دمای بالای محیط ، دچار خطا و کاهش دقت در عملکرد می شود ، ولی کارکرد کنترل بار، بصورت الکترونیکی است و دمای محیط تاثیری بر آن نمی گذارد.

نحوه محافظت از مصرف کننده های با جریان راه اندازی بالا

:: اینگونه مصرف کننده ها، علاوه بر جریان راه اندازی بالا، زمان راه اندازی بیشتری نیز نسبت به مصرف کننده های معمولی دارند. به این معنی که مدت زمان بیشتری طول می کشد تا موتور به دور نامی خود برسد. از این رو، بکار بردن بیمتال الکترونیکی بسیار مفید است، زیرا طبق تعریفی که در بخش شناخت قطعات داشتیم، می توانیم زمان راه اندازی آن را تنظیم کنیم تا به موتور قدرت مانور بیشتری توضیح بدهیم.

:: به این موضوع توجه داشته باشید، طبق جدول زیر، در دمای 45 درجه سانتیگراد، جریان مجاز سیم به 65% از بازدهی خود می رسد، بنابراین باید رنج سیم ها بالاتر در نظر گرفته شوند. در این مثال، سطح مقطع سیم مورد نیاز برای 60/8 آمپر، طبق جدول صفحه 200 سیم 10 میلیمتر مربع است که جریان 65 آمپر را تحمل می کند ولی جریان مجاز این سیم در دمای موجود به 42.2 آمپر می رسد:

65A * 65% = 42.2

بنابراین، سیم ها را برای تحمل جریان، حداقل باید رنج 16 میلیمتر مربع بگیریم.

:: فن تابلویی، برای تهویه ی هوای داخل تابلو ضروری است.

نحوه چیدمان لوازم فرمان و قدرت یک مدار در تابلو

در تابلوهایی که فقط برای یک خط مجزا ساخته می شوند، لزومی ندارد یک ردیف را به کلید و یک ردیف را به کنتاکتور و غیره اختصاص دهیم. تا حدی می توان لوازم قدرت را از لوازم فرمان جدا کرد و یا همگی را در یک ردیف قرار داد. برای چیدمان، در این مثال، روش اول محاسباتی یعنی: فیوز ذوب شونده (پایه فیوز 160 آمپر) – کنتاکتور 100 آمپر -کنترل بار و کنترل فاز را در نظر گرفته و این روش را در دو شکل مختلف، بررسی می کنیم.

نکته: در تابلوهایی که فقط یک خط خروجی داریم، اگر برای حفاظت موتور از کلیدهای کمپکت، حرارتی و یا مینیاتوری استفاده می کنیم، دیگر نیازی به کلید اصلی تابلو نیست ولی اگر از فیوز ذوب شونده استفاده کردیم، حتما باید قبل از آن، حداقل یک کلید خشک (بدون حفاظت) داشته باشیم.

– در این مثال نیز، چون می خواهیم از فیوز ذوب شونده استفاده کنیم و در ضمن، تابلو فاقد کلید اصلی می باشد، بنابراین از یک کلید گردان قابل قطع استفاده کرده و آن را قبل از فیوز ذوب شونده قرار می دهیم تا در مواقعی که می خواهیم تعمیرات انجام دهیم و یا فیوزها را تعویض کنیم، بتوانیم برق تابلو را بدون هیچ خطری قطع نمائیم.

چیدمان اول

به این صورت است که تمام لوازم را در یک ردیف قرار دهیم. لوازم قدرتی را از چپ به راست و طبق ترتیب مدار قدرت آن ها را نصب کنیم و ادوات فرمان را نیز در ادامه ردیف و به ترتیب الویت قرار دهیم:

– قبل از هرچیز، ابتدا یک مستطیل فرضی می کشیم.

– سپس، تمام لوازم مورد نیاز در داخل تابلو را اضافه می کنیم.

– ابعاد لوازم را طبق جدول پیاده می کنیم و بین آنها را حدود 2 سانتیمتر فاصله می دهیم.

– دور تا دور لوازم را داکت کشی می کنیم. کانال عرض 6 سانت کفایت می کند.

– ترمینال های ورودی و خروجی را با فاصله ی 3 سانتیمتری از انتهای کانال نصب می کنیم.

– حدود 15 سانتیمتر نیز به عنوان فضای خالی برای عبور کابل ها در نظر می گیریم.

– حال، ابعاد وارده را هم بصورت افقی و هم بصورت عمودی باهم جمع می کنیم.

– درنهایت، به طول و عرض ابعاد بدست آمده، 8 سانتیمتر می افزاییم تا ابعاد کلی تابلو برق مشخص شود.

(به این دلیل که ابعاد سینی مونتاژ، همیشه کوچکتر از بدنه ی تابلو برق می باشد.) یعنی: عرض 71 = 8 + 63 و ارتفاع 62= 8 + 54

– اکنون، کافیست این ابعاد را به نزدیکترین ابعاد استاندارد (در صورت امکان)، تبدیل کنیم، یعنی: ابعاد 60*80 بصورت مستطیل عرضی

چیدمان دوم

– می توانیم لوازمی را که با هم، هماهنگی و هارمونی دارند، در ردیف هایی جداگانه و از چپ به راست قرار دهیم، یعنی:

لوازم حفاظتی و اصلی تابلو (فیوز) و همچنین، لوازم قطع کننده ی مدار (کلید گردان) را در یک ردیف قرار می دهیم.

– لوازم کنترل کننده و ادوات فرمان را در کنار یکدیگر و به ترتیب مدار قدرت، می چینیم. یعنی:

کنتاکتور، کنترل بار و کنترل فاز را در ردیف بعدی قرار داده و مانند قبل، تمامی فضاها و فاصله های لازم را در نظر می گیریم.