Automatizarea Proceselor Tehnologice Ce Se Pot Regasi Intr O Ferma Agricola. Calculul Puterilor, Alegerea Motoarelor Si Realizarea Schemelor Electrice

III Alegerea motoarelor, calculul puterilor și realizarea schemelor electrice

1.Alegerea motoarelor

În ferma prezentată sunt folosite 3 motoare trifazate asincrone pentru realizarea puterii mecanice necesare: un motor este folosit pentru acționarea benzii transportoare pentru porumbul întreg, un motor este folosit pentru acționarea benzii transportoare pentru porumbul măcinat iar cel de-al treilea motor este utilizat pentru transportul hranei prin țeava de pvc cu ajutorul unui șpiral.

Alegerea corectă a puterii unu motor electric are mare importanță din punct de vedere al funcționării și utilizării lui cât și din cel al pierderilor de energie în rețeaua de alimentare.

Subdimensionarea unui motor electric determină supraîncălzirea acestuia și deteriorarea rapidă a izolațiilor. În același timp, capacitatea de supraîncărcare și cuplul de pornire devin mai mici, mai ales în cazul unu motor cu porniri frecvente. Încălzirea motorului se datorează pierderilor electrice în cupru, în fier și pierderilor mecanice care iau naștere în el la transformarea energiei electrice în energie mecanică.

La început, cea mai mare parte a căldurii este înmagazinată în părțile componente ale motorului, ridicând temperatura acestora,restul fiind evacuată în mediul înconjurător. Pe măsură ce temperatura motorului crește, căldura cedată de acesta mediului ambiant crește. Pentru o anumită încălzire, căldura cedată devine egală cu cea produsă și astfel se atinge echilibrul termic iar temperatura motorului devine staționară la o valoare numită ,,temperatura de regim”.

Supradimensionarea motorului crește inutil cheltuielile de investiție, reduce randamentul și în cazul motoarelor asincrone se reduce și factorul de putere.

Condițiile de funcționare ale motoarelor nu vor fi speciale, două dintre ele fiind amplsate în atelier iar cel de-al treilea în hala găinilor. Acest lucru este important de urmărit deoarece dacă motoarele se amplasează într-un mediu cu o temperatură ridicată spre exemplu, acesta va porni din start cu acea temperatură și se va supraîncălzi mai rapid. Condițiile de exploatare a motoarelor pot varia mult. Intervalele de timp pentru execuția lucrărilor de mentenanță trebuie să fie adecvate condițiilor locale (umiditate, praf, frecvența pornirilor, caracteristicile sarcinii).

Pentru alegerea puterii motoarelor trebuie să stabilim sarcina acestora. Pentru ajustarea vitezei celor trei motoare se vor folosi reductoare .

În cazul benzii transportoare pentru porumb întreg sarcina motorului aferent este reprezentată de ansamblul mecanic al benzii, porumbul transportat și forța de apăsare a porumbului din cuvă pe deschiderea acesteia.

Figura 32. Banda transportoare a porumbului întreg și cuva de depozitare a acestuia

Pentru aceasta s-au considerat următoarele date ale benzii transportoare:

Cuplu sarcinii: TL= 20 Nm ;

Timpul de pornire: tp= 5 s ;

Turația nominală: nn= 1500 rpm ;

Momentul de inerție al sarcinii: JL= 4.5 kgm2 ;

Puterea nominală: Pn = 7 kW;

Momentul de inerție al motorului: Jn = 0,061;

Trebuie calculat :

Momentul de inerție total:

Cuplul de accelerare:

]

Cuplul total necesar ce trebuie realizat de motor:

Cuplul nominal necesar benzii transportoare:

Dar pentru ca motorul să fie potrivit pentru acționarea benzii transportoare, acesta trebuie să respecte următoarea condiție: . Adică cuplul total al motorului trebuie să fie mai mare sau egal decât cuplul necesar total.

Din acest motiv puterea motorului estimată la 7 Kw nu este potrivită pentru această aplicație. Se va alege un alt motor cu următoarele specificații :

Puterea nominală Pn=22 Kw

Tensiunea nominală Un=400 V , 50Hz

Curentul nominal In=39 A

Turația nominală Turația nominală= 1500 rotații/minut

Numărul de poli p=4

Cuplul nominal 143 Nm

Momentul de inerție J= 0,06 Kg/Mp

Datele motorului au fost extrase din catalogul de motoare firmei ABB.

Figura 33. Catalog motoare ABB

http://www.bj-gear.com/fileadmin/filer/dokumenter/combination_20400v_2050hz_gb_2006_2005_1_.pdf

Motorul benzii transportoare pentru porumb măcinat nu este nevoit să suporte o sarcină așa mare precum cel pentru porumb întreg. În cazul benzii transportoare pentru porumb măcinat sarcina motorului aferent este reprezentată de ansamblul mecanic al benzii și porumbul măcinat transportat.

Înălțimea silozului de porumb este de 4,2 metri. Din acest motiv, pentru a obține o înclinare de 23 de grade a benzii transportoare prin deschiderea silozului la sub 20cm de acoperișul acestuia obținem că lungimea benzii transportoare trebuie să fie 10.25 metri.

S-au considerat următoarele date ale benzii transportoare:

Cuplu sarcinii: TL= 12 Nm ;

Timpul de pornire: tp= 4 s ;

Turația nominală: nn= 1500 rpm ;

Momentul de inerție al sarcinii: JL= 1 kgm2 ;

Puterea nominală: Pn = 3 kW;

Momentul de inerție al motorului: Jn = 0,061;

Trebuie determinată sarcina motorului. Banda transportoare cantareste 70 Kg iar încărcarea maximă a benzii adaugă +30Kg (porumb măcinat) pentru un total de 100 Kg.

Pentru determinarea puterii necesară benzii pentru a transporta o astfel de sarcină se utilizează formula :

Unde :

m= masa sarcinii determinată de încărcarea maximă a benzii + întregul ansamblu

= viteza de ridicare (0,25 m/s )

= randamentul motorului

Deci : = 3.06 Kw

Din urma calculelor de mai sus s-a dedus că este nevoie de un motot cu o putere de 3 Kw pentru a transporta un maxim de 30 Kg de porum măcinat (masa maximă pe suprafața benzii).

Din catalogul de motoare de la figura 33. s-a ales motorul cu o putere de 3 Kw cu următorii parametri:

Putere nominală, PN : 3 kW

Tensiune nominală, UN : 400V, 50Hz

Curentul nominal, IN : 6,48 A

Turația nominală, nn : 1500 rpm

Numărul de poli, p : 4

Cel de-al treilea motor trebuie să transporte hrana găinilor prin țeava de pvc cu ajutorul unui șpiral. Șpiralul are o umplere de 50% față de țeava de pvc, restul de 50% reprezentând hrana prezentă în țeavă. Acest ansamblu este estimat să producă un cuplu de sarcină de 10 Nm și un moment de inerție al sarcinii de 3 K gm2; timpul de pornire de 4 secunde iar momentul de inerție al motorului este de 0,088 .

Pentru calculul puterii necesare acestui ansamblu se va proceda ca la primul motor :

Deci:

TL= 10 Nm ;

tp= 4 s ;

nn= 1500 rpm ;

JL= 2 kgm2 ;

Pn = 15 kW;

Jn = 0,061;

Trebuie calculat :

Momentul de inerție total:

Cuplul de accelerare:

]

Cuplul total necesar ce trebuie realizat de motor:

Cuplul nominal necesar benzii transportoare:

Deoarece Tn > motorul ales este bun pentru a acționa dispozitivul de hrănire al păsărilor.

Cele trei motoare sunt pornite cu ajutorul convertizoarelor de frecvență pentru a porni ușor.Pornirea directă fără convertizor ar produce un curent de aproximativ 8 ori mai mare la pornire. Timpul de pornire al motorului va fi setat din meniul convertizoarelor la cel stabilit din calcule iar comanda de pornire va fi dată prin intermediul automatului programabil prin ieșiri digitale.

2. Calculul puterilor

Pentru a realize schemele electrice pentru fermă trebuie mai întâi determinată puterea consumată de echipamentele electrice. Determinarea puterii este necesară pentru a putea alege echipamentul de protecție la scurtcircuit corespunzător ( întreruptoare automate ).

În continuare se va stabili ce putere dezvoltă fiecare parte a fermei, iar întrerupătoarele automate alese nu trebuie să declanșeze protecția chiar dacă toate echipamentele electrice din acea secțiune a fermei funcționează simultan.

Pentru rezervorul cu apă, pompa Raider-PK60 dezvolă o putere de 370W deci intensitatea curentului consumat va fi 1.6 A. Pentru protecția la scurtcircuit este necesar un întreruptor automat cu un curent nominal de 6 amperi.

Pentru modulul aquaponics avem următoarele echipamente electrice: pompele de apă pentru acvariu (doar una va fi funcțională odată) ce au o putere de 18W deci intensitatea curentului prin acest circuit va fi 0.07 A. Un întreruptor automat cu un curent nominal de 6 amperi este suficient pentru acest circuit.

Iluminatul este realizat de 4 becuri ce au o putere de 11 W fiecare deci intensitatea curentului pe circuitul de iluminat poate ajunge la maxim 0.047*4=0.188 amperi. Și pentru iluminat este de ajuns un întreruptor automat de 6 amperi.

De asemenea în modulul aquaponics există 3 prize în care fermierul poate conecta echipament electric pentru a-și realiza treburile.

S-a stabilit o putere maximă de 2300W pentru fiecare priză deci o putere totală de 6900W ceea ce înseamnă un curent maxim admisibil de 30 amperi. Deci pentru protecția la scurtcircuit s-a ales un întreruptor automat de 32 amperi.

Încălzirea realizată cu cele două radiatoare dezvoltă o putere de 2400W ceea ce înseamnă o intensitate a curentului de 10.43 amperi. Se va folosi un întreruptor automat cu un curent nominal de 16 amperi.

Ventilatoarele consumă o putere de 340W împreună deci intensitatea curentului absorbit este de 1.47 amperi. Un întreruptor automat de 6 amperi se va folosi pentru protecția acestora.

Pentru atelier trebuie să calculăm curentul de sarcină al benzilor transportoare folosind formula IS= 0.9*IN unde IN este curentul nominal al motorului regăsit în catalogul de motoare de la figura 33.

Deci pentru motorul benzii transportoare cu porumb întreg avem IS=0.9*42=37.8 amperi. Se va folosi așadar un întreruptor automat de 50 amperi.

Pentru motorul benzii transportoare de porumb măcinat, IS=0.9*6.48=5.83 amperi se va folosi deci un întreruptor automat de 10 amperi pentru protecția la scurt-circuit.

Mașina de măcinat cereale are un motor monofazat cu o putere de 2.5 Kw.

Aceasta consumă un curent de 7.02 amperi ceea ce determină implementarea unei protecții la scurtcircuit de 10 amperi.

Pentru instalația de iluminat, cele 2 becuri economice au o putere de 18W fiecare, cu o intensitate a curentului de 0.07 amperi. Este necesară o protecție la scurt circuit de 6 amperi.

De asemenea în atelier există 6 prize în care fermierul poate conecta echipament electric pentru a-și realiza treburile.

S-a stabilit o putere maximă de 2300W pentru fiecare priză deci o putere totală de 13800W ceea ce înseamnă un curent maxim admisibil de 60 amperi. Deci pentru protecția la scurtcircuit s-au ales două întreruptoare automate de 32 amperi, fiecare protejând câte 3 prize.

Ventilatorul de exhaustare are o putere de 240W și o intensitate a curentului de 1 amper. Acesta va fi amplasat în același circuit cu prizele.

În ferma de găini avem următoarele echipamente electrice cu protecțiile necesare:

-8 becuri cu infraroșu cu o putere de 100W fiecare, puterea totală fiind 800W și intensitatea curentului 3.47 ceea ce determină folosirea unui întreruptor automate de 6 amperi.

-16 becuri cu infraroșu cu o putere de 150W fiecare, puterea totală fiind 2400W și intensitatea curentului 10.43 amperi ceea ce determină utilizarea a două întreruptoare automate de 6 amperi la fiecare 8 becuri pentru a nu rămâne în beznă totală la producerea unui scurtcircuit.

– două incubatoare de ouă care dezvoltă o putere de 140W fiecare deci o putere totală de 280W și o intensitate a curentului de 1.21 amperi ceea ce determină folosirea uni întreruptor automat de 6 amperi.

-patru ventilatoare ce dezvoltă o putere totală de 960W deci o intensitate a curentului de 4.1 amperi ceea ce determină o protecție la scurtcircuit de 6 amperi.

-motorul instalației de hrănit păsări are o putere de 15 KW și un curent nominal de 29 amperi => curentul de sarcină 0.9*29=26.1 amperi. Trebuie utilizată o protecție la scurtcircuit de 32 amperi.

-patru radiatoare ce dezvoltă o putere de 4800W deci un curent de 20.86 amperi. S-a ales pentru protectția la scurt circuit un disjunctor de 25 amperi.

Imobilul fermierului și centrul de monitorizare au o rețea formată din iluminat și prize:

-iluminatul se realizează cu 4 becuri economice cu o putere de 18W fiecare cu o intensitate a curentului de 0.14 amperi.

-prizele sunt în număr de 6 cu o putere maximă de 2300W fiecare deci un total de 13800W și o intensitate a curentului de 60A. Se va folosi un disjunctor de 63 amperi.

Trebuie precizat faptul că protecția la scurtcircuit este absolut necesară deoarece protejează circuitele de efectele termice provocate de curentul mai mare decât cel nominal. Disjunctoarele folosite trebuie reaclanșate manual după eliminarea defectului în urma scurtcircuitului.

3. Realizarea schemelor electrice

Pentru alimentarea consumatorilor cu energie electric trebuie realizate scheme electrice ce figurează concret fiecare consummator și echipamentele de protecție și comandă. Pentru protecția la scurtcircuit a consumatorilor se vor folosi disjuctoare a căror valoare nominală a fost determinată în subcapitolul anterior.

Pentru protecția la suprasarcină a motoarelor se vor folosi relee termice. În momentul detectării supra sarcinii releul termic își schimbă poziția contactelor.Releul termic nu are contacte de forță(nu realizează comutație) ci doar contacte auxiliare utilizate de automatul programabil pentru monitorizarea poziției lor.

Unele disjunctoare vor trebui să aibă încă un pol, folosit de automatul programabil pentru a detecta poziția acestora (dacă s-a activat protecția sau nu).

Figura 34. Releu termic

http://www.neweysonline.co.uk/schneider-thermal-overload-relay-tesys-d-line-12-18a-600v-ac-tp/1000011789/ProductInformation.raction