ROZDZIAŁ 6
ROZDZIAŁ 6
6. Rozdzielnice elektryczne oraz odbiorniki energii elektrycznej nN.....................................................................3
6.1.
Rozdzielnice elektryczne nN .....................................................................................................................................................3
6.2.
Charakterystyka wybranych rodzajów rozdzielnic niskiego napięcia ......................................................................................11
6.2.1.
Rozdzielnice tablicowe.......................................................................................................................................................11
6.2.2.
Rozdzielnice modułowe......................................................................................................................................................12
6.2.3.
Rozdzielnice skrzynkowe ...................................................................................................................................................13
6.2.4.
Rozdzielnice szafowe.........................................................................................................................................................15
6.3.
Odbiorniki energii elektrycznej.................................................................................................................................................17
6.3.1.
Oświetlenie.........................................................................................................................................................................18
6.3.2.
Klimatyzacja i wentylacja....................................................................................................................................................20
6.3.3.
Sprzęt AGD ........................................................................................................................................................................22
6.3.4.
Ogrzewanie elektryczne.....................................................................................................................................................22
6.3.5.
Piece akumulacyjne ...........................................................................................................................................................23
6.3.6.
Elektryczne ogrzewacze wody ...........................................................................................................................................28
6.3.7.
Sprzęt komputerowy...........................................................................................................................................................28
6.3.8.
Określenie mocy zapotrzebowanej przez sieć komputerową.............................................................................................29
6.4.
Silniki elektryczne ....................................................................................................................................................................31
6.4.1.
Wprowadzenie....................................................................................................................................................................31
6.4.2.
Silniki klatkowe...................................................................................................................................................................32
6.4.3.
Silnik pierścieniowy ............................................................................................................................................................38
6.4.4.
Silniki synchroniczne..........................................................................................................................................................38
6. Rozdzielnice elektryczne oraz odbiorniki energii elektrycznej nN
6.1. Rozdzielnice elektryczne nN
Rozdzielnicą nazywa się zespół celowo zgrupowanych urządzeń elektroenergetycznych wraz z szynami zbiorczymi, połączeniami
elektrycznymi, elementami izolacyjnymi, konstrukcją mechaniczną i osłonami, służący do rozdziału energii elektrycznej jak również
łączenia i zabezpieczania obwodów zasilających i odbiorczych. Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe są zestawami złożonymi z
jednego lub kilku łączników niskiego napięcia, które współpracują z urządzeniami sterowniczymi, sygnalizacyjnymi, pomiarowymi, czy
regulacyjnymi. Rozdzielnice niskiego napięcia są zatem elementami grupującymi ważne urządzenia, które są niezbędne do prawidłowej
pracy sieci, instalacji, urządzenia lub procesu technologicznego. Mają zapewnić prawidłowy rozdział i dostawę energii elektrycznej o
pożądanych parametrach pomiędzy poszczególnych odbiorców, przy zachowaniu wymaganej pewności i niezawodności zasilania. Aby
sprostać tym wymaganiom, urządzenia zabezpieczające, sterujące, sygnalizacyjne, pomiarowe, regulacyjne i inne zamontowane w
rozdzielnicy muszą być sprawne i niezawodne, co pozwala np. w przypadku wystąpienia określonego zakłócenia minimalizować jego
skutki w możliwie najkrótszym czasie.
W zależności od przeznaczenia, parametrów znamionowych oraz właściwości technicznych wynikających z rozwiązania
konstrukcyjnego, rozdzielnice niskiego napięcia są urządzeniami bardzo zróżnicowanymi. Poszczególne rodzaje i typy rozdzielnic
spełniają określone wymagania eksploatacyjne oraz konstrukcyjne, do których należą między innymi:
łatwy montaż,
odporność na wpływy środowiskowe,
możliwość rozbudowy i modernizacji,
uniwersalność zastosowania,
bezpieczeństwo obsługi,
komfort eksploatacji,
odpowiednie gabaryty,
niewielkie koszty.
Często niemożliwe jest spełnienie wszystkich wymagań stawianych danym rodzajom i typom rozdzielnic, ich konstrukcja jest zatem
wyborem optymalnego rozwiązania dostosowanego do parametrów sieci lub instalacji, warunków środowiskowych, komfortu eksploatacji
lub innych uwarunkowań. Konstrukcje i rozwiązania techniczne rozdzielnic niskiego napięcia są ciągle udoskonalane. Prace i badania
nad nimi prowadzone są w kilku kierunkach, w tym między innymi:
zmiany w konstrukcjach mechanicznych i elektrycznych – w celu ułatwienia montażu rozdzielnicy, możliwości rozbudowy i
modernizacji, niezawodności pracy, zmniejszenia gabarytów, dostosowania do nowych rozwiązań urządzeń elektroenergetycznych,
zwiększenia przejrzystości połączeń, umożliwienia montażu aparatów różnych producentów, itp.,
polepszenia komfortu eksploatacji,
zwiększenia bezpieczeństwa obsługi (np. eliminacja zagrożeń i skutków powodowanych przez zwarcia łukowe),
obniżenia kosztów wytworzenia rozdzielnicy.
Wynikami tych prac są zarówno nowe rodzaje i typy rozdzielnic, które poszczególni producenci wprowadzają co kilka lat na rynek,
jak i nowe lub udoskonalone rozwiązania techniczne w już oferowanych rozdzielnicach.
Podział rozdzielnic niskiego napięcia
Rozdzielnice niskiego napięcia można odpowiednio podzielić i sklasyfikować, biorąc pod uwagę różne parametry, wśród których można
wyróżnić:
miejsce zainstalowania,
przeznaczenie i zastosowanie,
rodzaj konstrukcji zewnętrznej,
sposób zainstalowania,
możliwość przemieszczania,
sposób wykonania części wsporczych i mocujących oraz osłony części będących pod napięciem,
funkcję w elektroenergetycznej sieci rozdzielczej,
i inne, takie jak np. rodzaj izolacji głównych torów prądowych lub dostęp do przedziału aparatowego.
Ze względu na miejsce zainstalowania rozdzielnice niskiego napięcia dzielimy na wnętrzowe i napowietrzne. W zależności od
przeznaczenia i zastosowania można wyróżnić między innymi rozdzielnice energetyczno-dystrybucyjne (rys. 6.1), przemysłowe,
słupowe, budowlane i mieszkaniowe.
1. Rys. 6.1: Widok i gabaryty rozdzielnicy energetyczno-dystrybucyjnej, wieloprzedziałowej, wnętrzowej typu RN-W produkcji ZPUE SA Włoszczowa
1) Tab. 6.1: Podstawowe dane techniczne rozdzielnicy energetyczno-dystrybucyjnej, wieloprzedziałowej, wnętrzowej typu RN-W, wyprodukowanej przez firmę ZPUE
S.A. Włoszczowa
2. Rys. 6.2: Widok przykładowej rozdzielnicy naściennej serii Vector typ VP72M, do zabudowy aparatów modułowych, produkowanej przez firmę Hager. Podstawowe dane
techniczne: napięcie znamionowe 400 V/50 Hz, klasa izolacji – II, stopień ochrony IP65, liczba rzędów do zabudowy aparatów – 4, szyny
montażowe TS 35, wymiary A – 400 mm, B – 210 mm, H – 650 mm
Biorąc pod uwagę rodzaj konstrukcji zewnętrznej wyróżnia się rozdzielnice otwarte, częściowo osłonięte oraz osłonięte. Sposób
zainstalowania rozdzielnic dzieli je na naścienne (rys. 6.2), przyścienne i wolno stojące. Ze względu na możliwości przemieszczania
wyróżnia się rozdzielnice stacjonarne i ruchome (przenośne, przesuwne itp.). W zależności od sposobu wykonania części wsporczych i
mocujących oraz osłony części będących pod napięciem rozdzielnice niskiego napięcia dzieli się na tablicowe (rys. 6.3), skrzynkowe,
szafowe oraz kolumny i pulpity sterownicze (rys. 6.4). Biorąc pod uwagę funkcję rozdzielnicy w elektroenergetycznej sieci rozdzielczej
można wyróżnić rozdzielnice główne, oddziałowe oraz manewrowo-stycznikowe. Poszczególne rodzaje rozdzielnic niskiego napięcia
mogą być klasyfikowane bardziej szczegółowo np. rozdzielnice szafowe dzieli się na szkieletowe (rys. 6.5) i bezszkieletowe,
jednoczłonowe i dwuczłonowe oraz jednoprzedziałowe i wieloprzedziałowe (rys. 6.1). Natomiast nazwy poszczególnych rodzajów i typów
rozdzielnic zawierają zazwyczaj kilka określeń wynikających z ich budowy, zakresu zastosowania, parametrów znamionowych itp.
Obecnie w Polsce dostępnych jest wiele rodzajów i typów rozdzielnic niskiego napięcia, produkowanych przez różnych wytwórców.
Poszczególne rozwiązania różnią się pomiędzy sobą parametrami technicznymi, szczegółami konstrukcyjnymi oraz rodzajami i typami
aparatów, które można w nich zabudować.
3. Rys. 6.3: Widok i gabaryty rozdzielnicy tablicowej słupowej typu SSO-3 produkcji Elektromontażu Rzeszów S.A.
2) Tab. 6.2: Podstawowe parametry techniczne rozdzielnicy tablicowej słupowej typu SSO-3 produkcji Elektromontaż Rzeszów SA
a)
b)
4. Rys. 6.4: Widok i gabaryty wybranych wersji oraz typów pulpitów sterowniczych PSU, produkowanych przez firmę ZPUE SA Włoszczowa: a) wersja jednodrzwiowa typ
I, b) wersja dwudrzwiowa typ II
5. Rys. 6.5: Szafowa rozdzielnica szkieletowa xEnergy (pole zasilające), produkowana przez firmę Moeller Electric
Dobór rozdzielnic niskiego napięcia
Rozdzielnice niskiego napięcia powinny być tak projektowane i dobierane, aby zapewnić niezawodny rozdział i dostawę energii
elektrycznej, gwarantując przy tym odpowiedni komfort ich eksploatacji oraz bezpieczeństwo obsługi. Wybór rozdzielnicy zależy przede
wszystkim od funkcji, jaką ma pełnić w sieci lub instalacji, jej przeznaczenia i zastosowania. Producenci rozdzielnic podają w swoich
katalogach lub albumach informacje dotyczące zarówno przeznaczenia, zastosowania oraz funkcji danej rozdzielnicy, jak i wersji jej
wykonania. W katalogach producentów rozdzielnic można odnaleźć na przykład następujące rodzaje rozdzielnic niskiego napięcia:
mieszkaniowe, budowlane, przemysłowe, słupowe, energetyczno-dystrybucyjne, główne, oddziałowe, piętrowe, manewrowo-
stycznikowe, i inne.
Przy wyborze konkretnego typu rozdzielnicy należy ustalić i uwzględnić kilka parametrów, wśród których można wyróżnić: prądy robocze,
prądy zwarciowe, rodzaje odbiorników zasilanych z rozdzielnicy, warunki środowiskowe, warunki eksploatacji i wymiary miejsca
zainstalowania.
Właściwy dobór wyposażenia rozdzielnicy, parametrów znamionowych aparatów, przekrojów szyn, kabli oraz przewodów zapewnia
prawidłową pracę rozdzielnicy w warunkach normalnych, natomiast w warunkach wystąpienia określonych zakłóceń pozwala
minimalizować ich skutki. W celu prawidłowego doboru urządzeń, szyn zasilających oraz kabli i przewodów należy określić wartości
prądów roboczych oraz zwarciowych, w miejscu sieci lub instalacji, w której ma być zainstalowana rozdzielnica. Przy szacowaniu prądów
znamionowych pól i szyn zbiorczych rozdzielnic powinny one być większe od spodziewanych prądów roboczych. Prądy znamionowe
szczytowe i n-sekundowe powinny natomiast odpowiadać prądom zwarciowym w miejscy zainstalowania rozdzielnicy. Przykładowo przy
doborze wyłącznika mocy, który ma być zainstalowany w rozdzielnicy jego parametry znamionowe (fot. 1) powinny być porównywane z
obliczonymi wartościami tych parametrów w miejscu sieci lub instalacji, w której ma być zainstalowana rozdzielnica. Do parametrów tych
należą miedzy innymi:
U
e
-
napięcie znamionowe łączeniowe, jest to wartość napięcia, dla którego została określona znamionowa zwarciowa zdolność
wyłączeniowa wyłącznika,
U
i
-
napięcie znamionowe izolacji, jest to najwyższa wartość napięcia, które przyłożone trwale do wyłącznika nie może
powodować wyładowań oraz uszkodzenia izolacji,
U
imp
-
napięcie znamionowe udarowe wytrzymywane, jest to wartość szczytowa udaru napięciowego, który przyłożony do
wyłącznika nie może powodować przeskoków i uszkodzenia izolacji,
I
n
-
prąd znamionowy, jest to największa wartość prądu, który może płynąć przez wyłącznik ciągle nie powodując nagrzewania
jego elementów do temperatury większej niż dopuszczalna dla tego aparatu; wartość prądu I
n
aparatu jest wyznaczana przy
określonej temperaturze otoczenia,
I
cu
-
znamionowy prąd wyłączalny graniczny, jest to największa wartość prądu (wartość skuteczna składowej okresowej prądu
spodziewanego), który wyłącznik może wyłączyć w szeregu łączeniowym wyłącz – t – załącz – wyłącz, gdzie t – jest czasem
przerwy pomiędzy kolejnymi łączeniami przy określonym U
e
,
I
cs
-
znamionowy prąd wyłączalny eksploatacyjny, jest to największa wartość prądu (wartość skuteczna składowej okresowej
prądu spodziewanego), który wyłącznik może wyłączyć w szeregu łączeniowym wyłącz – t – załącz – wyłącz t – załącz –
wyłącz; wartość tego prądu określana jest w procentach prądu % I
cu
,
I
cw
-
prąd znamionowy krótkotrwały lub prąd znamionowy n-sekundowy, jest to największy prąd zwarciowy zastępczy cieplny, jaki
zamknięty wyłącznik potrafi przewodzić w określonym czasie
n
T
= (0,05 – 3 ) s, parametr ten dotyczy wyłączników kategorii
B (parametr ten często jest oznaczany jako
n
thT
I
- szerzej na ten temat w rozdziale 11),
I
cm
-
prąd znamionowy załączalny zwarciowy – największa wartość prądu zwarciowego (wartość szczytowa, w kA
max
,
największego prądu spodziewanego), który wyłącznik może załączyć bez uszkodzenia,
A, B -
kategoria użytkowania, A - bez możliwości wpływania na opóźnienie działania zabezpieczenia zwarciowego, B - z
możliwością wpływania na opóźnienie działania zabezpieczenia zwarciowego.
3) Tab. 6.3: Przykładowe parametry znamionowe wyłączników typu NZM 1, na prąd znamionowy ciągły do
160 A, oferowanych przez firmę Moeller
Fot. 6.1: Wyłączniki typu NZM 1
Przy szacowaniu prądów roboczych niejednokrotnie należy określić starty mocy aparatów zainstalowanych w rozdzielnicy. Moc tracona w
poszczególnych aparatach jest wydzielana w postaci ciepła wewnątrz szafy, podnosząc tym samym temperaturę otoczenia. Prądy
znamionowe ciągłe urządzeń określane są dla odpowiednich wartości temperatury otoczenia. Jeśli temperatura otoczenia aparatu jest
dużo wyższa od temperatury, dla której wyznaczono wartość prądu znamionowego ciągłego danego aparatu, to wartość prądu
roboczego, jakim będzie on obciążony, może być mniejsza.
Rozmiary, konstrukcję i obudowę rozdzielnicy dobiera się w zależności od jej wyposażenia (liczby i parametrów znamionowych urządzeń
elektroenergetycznych), sposobu montażu i rozmieszczenia aparatów, bilansu cieplnego, warunków środowiskowych, warunków
eksploatacji, uwzględniając przy tym również wymiary miejsca zainstalowania np. wnęki, w której ma zostać osadzona rozdzielnica.
Liczba aparatów oraz parametry znamionowe, sposób ich montażu i rozmieszczenie, a także rezerwa miejsca na ewentualną rozbudowę
zestawu, bilans cieplny, straty mocy oraz zastosowany sposób zasilania i połączeń pomiędzy aparatami wpływają na wymiary szafy.
Warunki pracy i narażenia środowiskowe wpływają na: wybór materiału, z którego ma być wykonana obudowa, klasę izolacji obudowy,
konstrukcję osłon zewnętrznych (rozdzielnice otwarte, osłonięte, częściowo osłonięte), stopień ochrony obudowy IP, stopień odporności
na narażenia mechaniczne IK.
Określając stopień ochrony obudowy IP dla danej rozdzielnicy, należy uwzględnić dwa warunki: stopień ochrony obudowy rozdzielnicy
powinien być nie gorszy niż wymagany, wyposażenie rozdzielnicy i sposób jej instalowania nie powinny pogorszyć stopnia ochrony
obudowy. Stopień ochrony IP określany jest dwoma cyframi, z których pierwsza charakteryzuje odporność obudowy na wnikanie ciał
stałych, natomiast druga charakteryzuje odporność obudowy na wnikanie cieczy
(tab. 6.4).
4) Tab. 6.4: Klasyfikacja osłon ze względu na ochronę przed dostaniem się ciał stałych i cieczy
Niejednokrotnie kod IP jest również uzupełniony o dodatkowe oznaczenie literowe określające stopień ochrony przed dostępem do
części, które znajdują się pod napięciem. Stopień odporności na narażenia mechaniczne określany jest za pomocą kodu IK w zależności
od energii uderzenia określonej w [J] (tab. 5).
5) Tab. 6.5: Stopnie odporności na narażenia mechaniczne IK w zależności od energii uderzenia w [J]
Kod IK
Energia uderzenia [J]
00 0.00
01 0.15
02 0.2
03 0.35
04 0.5
05 0.7
06 1
07 2
08 5
09 10
10 20
Regulacja temperatury wewnątrz rozdzielnicy tak, aby aparaty pracowały w temperaturze, dla której zostały wyznaczone ich parametry
znamionowe, może mieć istotne znaczenie podczas doboru wielkości obudowy lub innych dodatkowych środków, takich jak wentylatory
lub grzałki. Ilość ciepła oddawanego do otoczenia przez rozdzielnicę zależy od powierzchni ścian bocznych rozdzielnicy, rozmieszczenia
aparatów, sposobu przyłączenia zasilania i obwodów odbiorczych oraz stopnia ochrony obudowy. Niejednokrotnie zatem należy
zastosować np. wentylator w celu regulacji temperatury wewnątrz rozdzielnicy w sposób sztuczny. W przypadku rozdzielnic
napowietrznych, np. budowlanych, które pracują na zewnątrz, w celu regulacji temperatury stosuje się odpowiedniej mocy grzałki, które
umieszcza się wewnątrz rozdzielnicy.
Oszacowanie start mocy w poszczególnych aparatach i torach prądowych rozdzielnicy nie jest proste. Dlatego producenci w swoich
albumach do projektowania rozdzielnic zamieszczają informacje dotyczące praktycznego i szybkiego oszacowania strat mocy w
aparatach i torach prądowych. W zależności od nich podawane są wytyczne dotyczące doboru szaf o odpowiedniej wielkości i stopniu
ochrony IP (naturalna regulacja temperatury) lub urządzeń regulacyjnych np. wentylatorów o odpowiedniej wydajności.
Warunki eksploatacji rozdzielnicy mogą określać między innymi sposób dostępu do przedziału aparatowego (rozdzielnice z obsługą
jednostronną lub obsługa dwustronną) lub możliwości przemieszczania (wykonanie przenośne, przesuwne lub stacjonarne).
Szczegółowe rozwiązania w zakresie doboru rozdzielnic podawane są przez poszczególnych producentów w katalogach i albumach
projektowych.
Znajdują się tam informacje dotyczące np.:
możliwości zabudowania wybranych aparatów,
standardowe schematy i parametry znamionowe np. całych pól rozdzielnic,
sposoby wprowadzania zasilania,
sposoby wyprowadzania obwodów odbiorczych,
szczegółowe rozwiązania konstrukcyjne,
stopnie ochrony w jakich wykonane są obudowy,
stopnie odporności obudów na narażenia mechaniczne,
możliwości rozbudowy danego typu zestawu,
rozwiązania i sposoby dotyczące regulacji temperatury wewnątrz rozdzielnicy,
i inne.
6.2. Charakterystyka wybranych rodzajów rozdzielnic niskiego napięcia
6.2.1. Rozdzielnice tablicowe
Rozdzielnice tablicowe stosowane są do zasilania, zabezpieczania i sterowania, odbiorników energii elektrycznej o niewielkich mocach
znamionowych. Są to zazwyczaj odbiorniki siłowe lub oświetleniowe zainstalowane w obiektach nieprzemysłowych, takich jak np. obiekty
mieszkalne, szkoły, szpitale, palce budów i inne. Wyposażenie rozdzielnic tablicowych np. liczniki energii elektrycznej, bezpieczniki,
aparaty i inne wyposażenie, montowane są wewnątrz skrzynki rozdzielczej na tablicy wykonanej z materiału izolacyjnego. Połączenia
elektryczne pomiędzy poszczególnymi aparatami wykonuje się za tablicą. Tablice umieszcza się w skrzynkach lub we wnękach z
zamykanymi drzwiami, celem ograniczenia dostępu do części będących pod napięciem. W przypadku umieszczania tablic we wnękach,
są one mocowane do ścian. Obudowy rozdzielnic tablicowych wykonuje z blachy metalowej lub materiałów izolacyjnych.
6. Rys. 6.6: Przykładowe rozwiązanie tablicy piętrowej typu ZELP, produkowanej przez firmę ZPUE SA Włoszczowa
Rozdzielnice tablicowe produkowane są między innymi jako tablice piętrowe (rys. 6.6) naścienne i wnękowe, rozdzielnice budowlane
(rys. 6.7) oraz skrzynki słupowe do zasilania, zabezpieczania i sterowania oraz do obwodów oświetlenia ulicznego. W zależności od
wyposażenia rozdzielnice tablicowe produkowane są w różnych wymiarach.
7. Rys. 6.7: Przykładowe rozwiązanie tablicowej rozdzielnicy budowlanej typu RB, produkowanej przez firmę ZPUE SA Włoszczowa
6.2.2. Rozdzielnice modułowe
Zastosowanie aparatów modułowych (wyłączników instalacyjnych, różnicowoprądowych i innych) do zabezpieczania obwodów
odbiorczych i odbiorników niskiego napięcia spowodowało zmiany w konstrukcjach rozdzielnic tablicowych. Powstały rozdzielnice
modułowe (rys. 6.8), w których aparaty montuje się na specjalnych wspornikach np. TH 35 lub TS 35 (rys. 6.9).
8. Rys. 6.8: Widok przykładowej naściennej rozdzielnicy modułowej typu Prisma Pack produkowanej przez firmę Schneider Electric
9. Rys. 6.9: Widok elementów rozdzielnicy modułowej naściennej typu Nedbox, produkowanej przez firmę Legrand: a – korpus rozdzielnicy, b – listwy przyłączeniowe N +
PE, c – konstrukcja wsporcza, d – pokrywa, e – drzwiczki izolacyjne białe lub transparentne, f – zaślepka punktów mocowania, g –
osłonka wolnych miejsc na aparaty, h – drzwiczki metalowe, i – punkty mocowania dodatkowych listew przyłączeniowych, j – punkty
mocowania przewodów (za pomocą opasek kablowych)
Przewody zasilające wprowadzane są do rozdzielnicy na listwy przyłączeniowe lub bezpośrednio na aparaty. Połączenia pomiędzy
aparatami realizowane są za pomocą przewodów lub specjalnych szyn łączeniowych: grzebieniowych albo sztyftowych. Rozdzielnice
modułowe wykonywane są jako naścienne (natynkowe) lub wnękowe (podtynkowe). W zależności od ilości aparatów, rozdzielnice
modułowe produkowane są w różnych wymiarach, jako jedno lub wielorzędowe, w obudowach metalowych lub wykonanych z materiałów
izolacyjnych, z drzwiczkami lub bez. Odpowiednie typy rozdzielnic modułowych można ze sobą łączyć w zestawy pionowe i poziome.
6.2.3. Rozdzielnice skrzynkowe
Rozdzielnice skrzynkowe mają zastosowanie w obiektach przemysłowych, do zasilania, zabezpieczania i sterowania odbiorników,
których prądy robocze wynoszą do kilkuset amperów. Aparaty elektryczne montuje się w skrzynkach (rys. 6.10) o znormalizowanych
wymiarach, które są następnie łączone ze sobą przy pomocy śrub lub klinów.
10. Rys. 6.10 Przykładowe wielkości skrzynek i ich wymiary systemu Mi do 630 A, oferowanego przez firmę Hensel
Zestawy skrzynek mogą być montowane są na metalowych szynach montażowych lub ramie i być na stałe zakotwiona w ścianie lub
stanowić ruchomą konstrukcję. Obudowy skrzynek mogą być wykonywane z żeliwa, blachy lub materiałów izolacyjnych. Rozdzielnice
wykonane z żeliwa to ciężkie i raczej starsze konstrukcje, charakteryzujące się dużą odpornością na narażenia mechaniczne. Obudowy
wykonane z blachy, to konstrukcje znacznie lżejsze od żeliwnych, jednak ich wytrzymałość mechaniczna oraz odporność na warunki
środowiskowe jest mniejsza. Rozdzielnice skrzynkowe z materiałów izolacyjnych są konstrukcjami, w których obudowy skrzynek
wykonane są z izolacyjnych, wysokoudarowych, niepalnych i nietoksycznych tworzyw sztucznych. W rozdzielnicach tego typu istnieje
możliwość zastosowania transparentnych uchylnych pokryw, co znacznie ułatwia obsługę i kontrolę aparatury elektrycznej znajdującej
się wewnątrz (rys. 6.11).
11. Rys. 6.11: Widok przykładowej rozdzielnicy skrzynkowej w obudowie izolacyjnej typu Mi, produkowanej przez firmę Hensel
Producenci i prefabrykatorzy rozdzielnic skrzynkowych oferują w swoich katalogach: skrzynki puste do zabudowy, skrzynki
przystosowane do zabudowy różnych aparatów, rozwiązania typowe – kompletne skrzynki lub zestawy z dobraną i zabudowaną
aparaturą elektryczną (np. skrzynki bezpiecznikowe, wyłącznikowe, stycznikowe, szynowe, licznikowe i inne) oraz osprzęt potrzebny do
skompletowania rozdzielnicy (mufy kablowe, dławice, pokrywy, wsporniki).
6.2.4. Rozdzielnice szafowe
Rozdzielnice szafowe stosowane są do rozdziału energii elektrycznej, zabezpieczania i sterowania odbiorników energii elektrycznej oraz
procesów technologicznych, których wartości prądów znamionowych (roboczych) wynoszą od kilkuset do kilku tysięcy amperów. W
zależności od konstrukcji rozdzielnic szafowych wyróżnia się: rozdzielnice szkieletowe i rozdzielnice bezszkieletowe.
W rozdzielnicach szkieletowych konstrukcja wsporcza opiera się na szkielecie, wykonanym z kątowników stalowych, które są
osłonięte blachami. Natomiast w rozdzielnicach bezszkieletowych nie wyróżnia się osobnej konstrukcji wsporczej, a szafy wykonuje się z
odpowiednio wyprofilowanych blach skręconych lub spawanych ze sobą. Są to konstrukcje samonośne, w których szafa stanowi
podstawę montażu aparatury. Biorąc pod uwagę sposób montażu aparatów, rozdzielnice szafowe można podzielić na:
jednoczłonowe – w rozdzielnicach tych aparaty zamontowane są na stałe do konstrukcji wsporczej,
dwuczłonowe – w których niektóre aparaty montowane są na wysuwnych wózkach (rys. 6.12), w szufladach lub jako łączniki
wtykowe.
a) b)
12. Rys. 6.12: Przykładowa rozdzielnica szafowa systemu PRISMA P, oferowana przez firmę Schneider Electric: a) widok przykładowego wykonania, b) przykład wykonania
podłączenia (z tyłu) wyłącznika Masterpact NT w wersji wysuwnej
W zależności od sposobu ustawienia szafy w pomieszczeniu oraz rodzaju konstrukcji zewnętrznej (osłon) wyróżnia się rozdzielnice
wolno stojące i przyścienne. Rozdzielnice wolno stojące są osłonięte ze wszystkich stron, a dostęp do przedziału aparatowego może być
z jednej lub z dwóch stron. Natomiast w rozdzielnicach przyściennych dostęp do przedziału aparatowego jest jednostronny, natomiast
możliwe jest wykonanie otwarte rozdzielnicy (brak osłony zewnętrznej od strony ściany). Rozdzielnice szafowe mogą być również
wykonane jako jednoprzedziałowe lub wieloprzedziałowe, w których poszczególne aparaty (rozdzielcze, zabezpieczające, pomiarowe)
montowane są w oddzielnych przedziałach szafy.
Urządzenia elektroenergetyczne w rozdzielnicach szafowych mogą być montowane w jednej lub zestawie szaf, które
umieszcza się obok siebie i łączy wspólnym torem szynowym (rys. 6.13).
13. Rys. 6.13: Widok elewacji, rozmieszczenia aparatów i toru szynowego przykładowego zestawu rozdzielnic szafowych niskiego napięcia 400/230 V AC, zestaw oferowany
przez firmę ZPUE SA Włoszczowa
Rozdzielnice szafowe niskiego napięcia budowane są też jako rozdzielnice modułowe, w których poszczególne pola w rozdzielnicy
stanową wydzieloną część konstrukcyjną i funkcjonalną, o określonych wymiarach, funkcji i wyposażeniu (rys. 6.14). Pola takie
wykonywane są w postaci kaset wtykowych. Zaletą tego typu rozwiązań jest możliwość wielu zastosowań, łatwy montaż i szybka
przebudowa rozdzielnicy w zależności od zmieniających się wymagań.
b)
a)
c)
14. Rys. 6.14: Przykładowa rozdzielnica modułowa typu SIVACON, produkowana przez firmę Siemens: a) widok rozdzielnicy, b) widok kasety (modułu wysuwnego), c)
montaż kasety
Na rynku krajowym oferowanych jest wiele typów rozdzielnic szafowych niskiego napięcia, o różnym przeznaczeniu, wyposażeniu,
konstrukcji i właściwościach eksploatacyjnych. Poszczególne firmy oferują swoje systemy rozdzielnic szafowych, takie jak np.:
rozdzielnice RN-W, RT-W, PRW, ZR-W, INSTAL-BLOK i inne oferowane przez firmę ZPUE S.A. Włoszczowa,
system SVTL lub xEnegry oferowane przez firmę Moeller Electric Sp z o.o.,
system XL
3
, oferowany przez firmę Legrand Polska Sp z o.o.,
system Prisma P lub Okken oferowane przez firmę Schneider Electric Polska Sp z o.o.,
rozdzielnice typu ZMR, ZUR, CUBIC, RNZ, RNN i inne oferowane przez firmę Elektromontaż Eksport SA.
Szczegółowe informacje dotyczące systemów i typów rozdzielnic, takie jak np. parametry znamionowe, rozwiązania mechaniczne i
elektryczne, gabaryty, zakres zastosowania i możliwości konfiguracji dostępne są w katalogach i albumach projektowych lub na stronach
internetowych poszczególnych wytwórców oraz prefabrykatorów rozdzielnic.
6.3. Odbiorniki energii elektrycznej
W niniejszym rozdziale zostały przedstawione wybrane odbiorniki energii elektrycznej powszechnie stosowane w obiektach
budowlanych. Podane parametry tych odbiorników oraz metody określenia ich mocy zapotrzebowanej należy traktować poglądowo.
Przy opracowywaniu projektu budowlanego (budowlano-wykonawczego) należy posługiwać się katalogami producentów określonych
urządzeń.
6.3.1. Oświetlenie
W przypadku dużych obiektów użyteczności publicznej za podstawę opracowania projektu oświetlenia należy przyjmować projekt
architektoniczny rozmieszczenia opraw oświetleniowych. W budynkach mieszkalnych, projektant elektryk sam podejmuje decyzję o
rozmieszczeniu opraw oświetleniowych. W każdym przypadku projektowane oświetlenie musi spełniać wymagania obowiązujących norm
i przepisów techniczno-prawnych. Na podstawie określonej liczby oraz typu opraw oświetleniowych należy oszacować moc
zainstalowaną tych odbiorników.
Wymagane natężenie oświetlenia w przypadku miejsc pracy zostało określone w normie PN EN 12464-1:2004 Światło i oświetlenie.
Oświetlenie miejsc pracy. Część 1: Miejsca pracz we wnętrzach. Natomiast projektowanie oświetlenia miejsc pracy na zewnatrz należy
wykonywać w oparciu o normę EN 12464-2:2007 Lighting of workplaces. Part 2: Outdor work places. W odniesieniu do obiektów
sportowych należy posługiwać się normą PN-EN 1219193:2002 Oświetlenie stosowane w obiektach sportowych.
Oświetlenie awaryjna należy projektować w oparciu o wymagania normy PN-EN 1838:2005 Zastosowanie oświetlenia. Oświetlenie
awaryjne. (więcej informacji na temat oświetlenia awaryjnego znajdzie czytelnik w Rozdziale 17)
Przykładowe wartości natężenie oświetlenia dla różnych pomieszczeń wynoszą odpowiednio:
-
w pomieszczeniu przeznaczonym do odpoczynku, oglądania telewizji wymagany poziom jest rzędu kilkunastu do
kilkudziesięciu luksów;
-
w miejscu do czytania wymagany jest poziom 300lx;
-
tam gdzie będą wykonywane czynności wymagające precyzji, manipulowanie drobnymi elementami wymagany poziom to
750lx.
W tabeli 6.6. zebrano charakterystyczne parametry różnych rodzajów źródeł światła. Wszystkie poniższe dane odnoszą się do
źródeł światła przeznaczonych na rynek polski wyprodukowanych przez wiodących producentów.
6) Tab. 6.6: Zestawienie wybranych źródeł światła [299], [300], [301], [302]
Rodzaj
zjawiska
Żarówki
tradycyjne
Żarówki
halogenow
e
niskonapięc
iowe
Żarówki
halogenowe
wysokonapięciow
e
Świetlówki
liniowe
Świetlówki
kompaktow
e
Świetló
wki
kompakt
owe
zintegro
wane
Lampy
metaloh
alogenk
owe
Lampy
sodowe
wysokoprę
żne
Lampy
sodowe
niskoprężne
Diody
LED
Moc min
5 W
5 W
20 W
18 W
5 W
5 W
20 W
50 W
18 W
1 W
Moc max
300 W
150 W
150 W
120 W
120 W
42 W
400 W
1000 W
180 W
4 W
Napięcie
pracy
130 V; 230 V;
6 V; 12 V;
13,18 V;
24V;
130 V; 230 V;
230 V
-
230 V
-
200 – 250
V
- 12
V;
230
V
Współczy
nnik mocy
cos
ϕ
1
-
>
0,85
> 0,90 (z
kondensatore
m
> 0,90
> 0,90
> 0,85 –
stateczn
ik
indukcyj
ny;
= 0,98 –
stateczn
ik
elektroni
czny;
> 0,85 –
statecznik
indukcyjny;
= 0,98 –
statecznik
elektronicz
ny;
> 0,85 –
statecznik
indukcyjny;
= 0,98 –
statecznik
elektroniczny
;
= 0,98
Skuteczn
ość
świetlna
8 – 21 lm/W
do 18 lm/W
do 18 lm/W
Do 80 lm/W
Do
50
lm/W
Do 50
lm/W
65 –115
lm/W
80 - 140
lm/W
Do 180 lm/W
<
25
lm/W
Strumień
świetlny
120 – 6200 lm
60 lm -
2400 lm
200 lm - 2400 lm
Do 840 lm
250 lm -
9000 lm
250 lm –
2500 lm
750 lm –
30000
lm
2300 lm –
130000 lm
1800 lm –
32000 lm
2 lm – 36
lm
Temperat
ura
barwowa
Do 2600 K
Do 3600 K
Do 3600 K
Do 3000 K
2700 K do
6400 K
2700 K
do 6400
K
3000K
do 20
000K
2500 K
3500 K
(warm
white
LED)
Trwałość 1000h
do
5000h
(śr. 1000 h)
Do 5000 h (śr.
1000 h)
Śr. 8000h
Od 6000 h
do 15000 h
Od 6000
h do
15000 h
Od 7500
h do
20000 h
Od 10000
h – 24000
h
Do 16000h
Do
100000 h
(rzeczywi
sta około
15000 h)
Tabela 6.7 obrazuje minimalne średnie natężenie oświetlenia (E
śr
), współczynnik olśnienia (UGR
L
) oraz współczynnik oddawania barw
(R
a
) dla wybranych pomieszczeń.
7) Tab. 6.7: Minimalne średnie natężenie oświetlenia, współczynnik olśnienia oraz współczynnik oddawania barw dla wybranych pomieszczeń.
Nazwa pomieszczenia
Eśr [Lx]
UGR
L
Ra
Korytarze i strefy komunikacji
100
22
80
Hole np. w hotelu
200
22
80
Perony i przejścia podziemne
50
28
40
Łazienki i toalety
200
25
80
Parkingi
samochodowe
75 - 20
Magazyny 100
25
60
Kotłownie 100
28
30
Pomieszczenia szlifowania szkła 750
16
80
Lakiernie 1000
19
90
Pomieszczenia dekoratorskie
1000
16
90
Przemysł spożywczy – przygotowanie i obróbka produktu
300
25
80
Kuchnie 500
22
80
Zakłady fryzjerskie
500
19
90
Pralnie 300
25
80
Pomieszczenia biurowe
500
19
80
Sale sklepowe
300
22
80
Strefy Kas
500
19
80
Sale prac precyzyjnych
750
19
90
Szpitalne gabinety zabiegowe
1000
19
90
Szpitale sale badań ogólnych
500
19
90
Sale lekcyjne i wykładowe
Tablica
500
500
19
19
80
80
Biblioteki 200
19
80
Sale muzealne
Oświetlenie zależne od wymagań wystawienniczych
Projekt oświetlenia należy wykonać przy użyciu specjalistycznego programu do projektowania oświetlenia np. Dialux.
W celu szacunkowego określenia mocy zapotrzebowanej przez oświetlenie projektowanego budynku można posłużyć się metodą mocy
jednostkowej, która określa moc instalowaną urządzenia oświetleniowego, przypadającą na jednostkową powierzchnię pomieszczenia.
Moc jednostkową dla pomieszczeń nieprzemysłowych można wyznaczyć z następującego wzoru :
η
≈
śr
E
30
,
4
p
(6.1)
gdzie:
E
śr
– średnie natężenie oświetlenia, w [Lx]
η
- orientacyjna wydajność świetlna oprawy, w [lm/W]
p – moc jednostkowa , w [W/m
2
]
Orientacyjne wartości wydajności świetlnej można przyjmować z
tabeli 6.8.
8) Tab. 6.8: Orientacyjne wartości wydajności świetlnej wybranych źródeł światła [289]
Lp.
Źródło światła Wydajność świetlna
η
[lm/W]
1
żarówka 14
2
świetlówka 56
3 rtęciówka 46
4 sodówka
70
Natomiast moc zapotrzebowaną przez oświetlenie, szacunkowo można wyznaczyć z następującego wzoru:
S
p
P
∗
=
(6.2)
gdzie:
S – powierzchnia budynku (obiektu budowlanego), w [m
2
]
p - moc jednostkowa określona wzorem (6.1)
6.3.2. Klimatyzacja i wentylacja
W budynkach konieczna jest wentylacja zapewniająca niezbędna liczbę wymian powietrza. Dla zapewnienia właściwej wymiany
powietrza wentylacja grawitacyjna niejednokrotnie jest niewystarczająca i konieczne jest zastosowanie wentylacji mechanicznej.
W
tabeli 6.9 zostały przedstawione wymagane minimalne strumienie powietrza, które należy odprowadzić z pomieszczeń budynku
mieszkalnego.
9) Tab. 6.9: minimalne wymagane strumienie powietrza w pomieszczeniach budynków mieszkalnych
Przeznaczenie pomieszczenia
Strumień powietrza V
1
[m
3
/h]
Kuchnia z oknem zewnętrznym wyposażona w kuchenkę gazową lub węglową
70
Kuchnia z oknem zewnętrznym wyposażona w kuchenkę elektryczną:
-
liczba mieszkańców < 3
-
liczba mieszkańców >3
30
50
Kuchnia bez okna zewnętrznego lub wnęka kuchenna wyposażona w kuchenkę elektryczną
50
Kuchnia bez okna zewnętrznego wyposażona w kuchenkę gazową
70
Łazienka (z WC lub bez)
50
Oddzielny WC
30
Pomieszczenie pomocnicze bez okien
15
Każdy wentylator jest napędzany silnikiem elektrycznym, którego moc należy uwzględnić w obliczeniach mocy zapotrzebowanej przez
obiekt budowlany. Przystępując do obliczenia mocy zapotrzebowanej przez wentylacje należy przyjąć za podstawę projekt wentylacji
opracowany przez projektanta instalacji sanitarnych. Moc silnika napędzającego wentylator (centralę wentylacyjna lub centralę grzewczo
–wentylacyjną) należy ustalić na podstawie katalogu producenta wentylatora, którego typ został określony w projekcie wentylacji budynku
(obiektu budowlanego).
Dla wstępnego oszacowania mocy zapotrzebowanej przez wentylację można wyznaczyć niezbędną ilość wymian powietrza w
pomieszczeniu na podstawie następującego wzoru:
1
V
V
n
=
(6.3)
gdzie:
V – kubatura pomieszczenia, w [m
3
]
V
1
– wymagany strumień powietrza, w [m
3
/h]
n – wymagana liczna wymian powietrza w pomieszczeniu, w [1/h]
Na podstawie określonej liczby wymian powietrza można wstępnie z katalogu producenta wentylatorów ustalić typ wentylatora, a na jego
podstawie moc napędzającego go silnika elektrycznego.
Silniki elektryczne zostały opisane w dalszej części niniejszego rozdziału.
W wielu pomieszczeniach dla zapewnienia komfortu użytkowania konieczne jest instalowanie klimatyzatorów.
W
tabeli 6.10 zostały przedstawione przykładowe wartości obciążenia cieplnego wybranych pomieszczeń.
10) Tab. 6.10: Wartości obciążenia cieplnego wybranych pomieszczeń
Moc zapotrzebowana przez klimatyzatory oraz wentylatory należy obliczyć na podstawie danych określonych w projekcie wentylacji i
klimatyzacji, który opracowuje projektant instalacji sanitarnych. Dla szacunkowego określenia wymaganej wydajności klimatyzatorów
można wykonać obliczenia na podstawie wzoru następującego wzoru:
∑
=
∗
=
n
1
i
i
i
oc
kli
S
Q
P
(6.4)
gdzie:
P
kli
– wymagana min. wydajność (moc klimatyzatora), w [W]
S
i
– powierzchnia i-tego pomieszczenia, w [m
2
]
Q
oc i
– obciążenie cieplne i-tego pomieszczenia , w [W/m
2
].
W
tabeli 6.11 zostało przedstawione zestawienie wybranych klimatyzatorów. Zestawienie te ma charakter poglądowy i podczas
opracowywania projektu budowlanego (budowlano-wykonawczego) należy się posługiwać katalogami producentów tych urządzeń.
11) Tab. 6.11: Zestawienie wybranych klimatyzatorów [291] [292] [293]
Model Wydajność
chłodzenie/grzanie
Napięcie zasilania
Moc znamionowa na
wejściu
Prąd znamionowy
(max.)
Krotność prądu
rozruchowego
n
r
r
I
I
k
=
Ścienny
2,7 kW / 2,9 kW
230 V
≤ 850 W
≤ 4 A
Ścienny
3,6 kW / 3,8 kW
230 V
≤ 1200 W
≤ 5,5 A
Ścienny
6,8 kW / 7,0 kW
230 V
≤ 2500 W
≤ 12 A
Przenośny
2,6 kW / 1,6 kW
230 V
≤ 1600 W
≤ 7 A
Przenośny
3,5 kW / 1,8 kW
230 V
≤ 1800 W
≤ 7,8 A
Przenośny
4,1 kW / 1,8 kW
230 V
≤ 1800 W
≤ 7,8 A
Okienne
2,5 kW / 2,7 kW
230 V
≤ 800 W
≤ 4,5 A
Okienne
5,3 kW / 5,6 kW
230 V
≤ 2000 W
≤ 9,1 A
Okienne
7 kW / 7,6 kW
230 V
≤ 2700 W
≤ 10,6 A
Kasetonowe
2,8 kW / -
230 V
≤ 900 W
≤ 4,13 A
Kasetonowe
9,1 kW / -
230 V
≤ 2800 W
≤ 13,2 A
Kasetonowe
16,4 kW / 18,1 kW
400 V
≤ 6600 W
≤ 10,6 A
Należy przyjmować
zgodnie z katalogiem
producenta
(szacunkowo k
r
≈6).
6.3.3. Sprzęt AGD
W
tabeli 6.12 oraz tabeli 6.13 zostały przedstawione wybrane urządzenia kuchenne oraz moce spotykanych powszechnie odbiorników
telewizyjnych.
12) Tab. 6.12: Zestawienie wybranych urządzeń kuchennych
Moc zapotrzebowana
Odbiornik
[kW]
Pralka
Od 0,5 do 1,36
Kuchenka mikrofalowa z grilem
1,3
zmywarki >
2,2
kuchnie gazowo elektryczne z piekarnik elektrycznym (bez termoobiegu)
2,2
Kuchnie gazowo elektryczne z piekarnik elektrycznym (z termoobiegiem)
Od 2,9 do 3,5
Kuchnia elektryczna z piekarnikiem elektrycznym (zasilanie jedno lub trójfazowe)
ok. 11,0 kW
Lodówka
> 140 W
13) Tab: 6.13: Odbiorniki telewizyjne
Model Napięcie wejściowe
(zakres)
Moc znamionowa na
wejściu (max.)
Tradycyjny 14”
180 – 260 V
< 40 W
Tradycyjny 21”
180 – 260 V
< 80 W
Tradycyjny 29”
180 – 260 V
< 90 W
Tradycyjny 32”
180 – 260 V
< 150 W
LCD 20”
180 – 260 V
< 80 W
LCD 26”
180 – 260 V
< 140 W
LCD 32”
180 – 260 V
< 170 W
LCD 37”
180 – 260 V
< 200 W
LCD 40”
180 – 260 V
< 260 W
LCD 46”
180 – 260 V
< 280 W
6.3.4. Ogrzewanie elektryczne
Grzejniki elektryczne naścienne
Są to niskotemperaturowe bloki grzewcze z radiatorami najczęściej aluminiowymi. Sterowanie tego typu urządzeń może się odbywać
poprzez sterownik zintegrowany lub zewnętrzny lub też programator czasowy. Moc tych urządzeń wynosi (500 – 2500) W przy napięciu
zasilania 230 V.
Przykład grzejnika naściennego przedstawiono na
rysunku 6.15.
15. Rys. 6.15: Naścienny grzejnik elektryczny [290]
Dobór tego typu urządzeń (o działaniu bezpośrednim – w odróżnieniu od pieców akumulacyjnych) polega na określeniu mocy
jednostkowej p, która wynosi (60 -120 W/m
2
). Niższe wartości należy przyjmować w przypadku obiektów nowobudowanych lub z dobrą
izolacją termiczną, wyższe wartości gdy spodziewamy się większych strat ciepła.
Moc zapotrzebowaną dla tych urządzeń należy obliczyć na podstawie następującego wzoru:
∑
=
∗
=
n
1
i
i
i
S
p
P
(6.5)
gdzie:
P – moc zapotrzebowana, w [kW]
p
i
– moc jednostkowa przyjęta dla i-tego pomieszczenia, w [W/m
2
]
S
i
– powierzchnia i-tego pomieszczeni, w [m
2
]
6.3.5. Piece akumulacyjne
Piece akumulacyjne są budowane na moce od 850 W do 7000 W. Piece o mocy większej niż 2 kW są przeznaczone do zasilania z
instalacji trójfazowej.
Wyróżniamy piece:
-
statyczne – bez sterowania;
-
dynamiczne – ze zintegrowanym sterowaniem (
rys.6.16)
Moc oraz liczbę pieców niezbędnych niezbędną dla określonego budynku można wyznaczyć z następującego wzoru:
1
n
1
i
i
i
P
S
p
n
∑
=
∗
=
(6.6)
gdzie:
P
1
– moc pojedynczego pieca, w [kW]
p
i
– moc jednostkowa przyjęta dla i-tego pomieszczenia, w [W/m
2
]
S
i
– powierzchnia i-tego pomieszczeni, w [m
2
]
n – wymagana liczba pieców, [-]
Wartość mocy jednostkowej p zależy od strat ciepła oraz konstrukcji obiektu i należy przyjmować z przedziału (80 – 200) W/m
2
przy
wysokości pomieszczeń wynoszącej 2,5m. W przypadku innych obiektów należy posługiwać się ich kubaturą i moc jednostkową należy
przyjmować z zakresu (30 – 80) W/m
3
. Wyższe wartości mocy jednostkowej należy przyjmować dla budynków ze słabszą izolacją
termiczną.
16. Rys.6.16: Budowa dynamicznego pieca akumulacyjnego [298]
Ogrzewanie podłogowe
Podłogowe ogrzewanie elektryczne stosowane jest w budynkach oraz poza nimi do odladzania podjazdów do garaży, ciągów
komunikacyjnych itp. Ogrzewanie obiektu jest realizowane przewodami grzejnymi jednożyłowymi lub dwużyłowymi, matami grzejnymi lub
foliami grzejnymi.
Zasilanie elementów grzejnych realizuje się poprzez element sterujący: termostat, programator czasowy itp.
Przewody grzejne mogą być jedno(
rys.6.17.c) lub dwużyłowe(rys.6.17b)
W
tabeli 6.2.9 przedstawiono zestawienie parametrów wybranych przewodów grzejnych.
14) Tab.6.2.9: Przewody grzejne [290] a) jednostronnie zasilanych b) dwustronnie zasilanych
a)
b)
Przewody grzejne z uwagi na technologię wykonania instalacji raczej stosuje się w obiektach nowobudowanych natomiast w obiektach
modernizowanych najczęściej instaluje się maty grzejne.
Maty grzejne są wykonane z tworzywa sztucznego z wplecionym cienkim jednożyłowym lub dwużyłowym przewodem grzejnym (patrz
rys. 6.17 d i e). Grubość maty nie przekracza 3 mm. Maty są dostępne na rynku w zestawach o różnej powierzchni i mocy grzejnej. W
tabeli 6.15. przedstawiono zestawienie przykładowych maty grzejnych.
Maty o większych mocach jednostkowych zaleca się stosować gdy powierzchnia ogrzewana będzie mniejsza niż 0,75 całkowitej
powierzchni.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
17. Rys.6.17: Elementy stosowane do ogrzewania podłogowego a) przewód jednostronnie zasilany; b) konstrukcja przewodu jednostronnie zasilanego; c) przewód
dwustronnie zasilany; d) mata grzejna; e) konstrukcja maty grzejnej f) folia grzejna [290]
15) Tab.6.15: Maty grzejne a)dwustronnie zasilane b) jednostronnie azasilane [290]
a)
b)
Folie grzejne (
rys.6.17 f)składają się z płaskich drutów aluminiowych zatopionych w folii poliestrowej. Grubość folii wynosi około 0,2 mm,
a jej waga jest znacznie mniejsza niż przewodów i mat grzejnych. Folie grzejne są dostępne na rynku w zestawach, które składają się z
modułów grzewczych. Moduły połączone są równolegle dzięki czemu uszkodzenie któregokolwiek z nich nie uszkadza całego
„systemu”. Folię można przycinać na żądaną długość. Przyciętą część należy zaizolować specjalną taśmą izolacyjną. Moc jednostkowa
dostępnych na rynku mat grzejnych wynosi: 60, 80, 90 i 120W/m
2
Maty są produkowane na napięcie zasilania 230 VAC lub 48 V AC.
Moc zapotrzebowana przez elektryczne ogrzewanie podłogowe należy przyjąć na podstawie projektu instalacji ogrzewania.
Dla szacunkowego określenia zapotrzebowania mocy na cele grzewcze można skorzystać z
tab.6.2.11.
16) Tab 6.16: Przeciętne jednostkowe zapotrzebowanie na moc ogrzewania elektrycznego w budynkach mieszkalnych dla różnych pomieszczeń [162]
Lp.
Rodzaj pomieszczenia
Moc jednostkowa w [W/m
2
]
1
Jadalna, salon, pokój dzienny
100 – 140
2
Pokój pracy, sypialna
100 -150
3 Kuchnia
70-
110
4 Hol
50
-70
5
łazienka
100 – 150
6
Sauna
120 – 180
7
Pralnia w piwnicy
30 – 50
8 Garaż w przyziemiu
30 - 50
Przedstawione w
tab. 6.2.11 wartości pozwalają na szacunkowe oszacowanie mocy zapotrzebowanej P
Zo
dla celów grzewczych, którą
należy wyznaczyć z następującego wzoru:
∑
=
∗
∗
=
n
1
i
i
1
i
'j
Zo
P
S
k
P
(6.7)
gdzie:
S
i
– powierzchnia i-tego pomieszczenia, w [m
2
]
P
1i
– moc jednostkowa w odniesieniu do i-tego pomieszczenia, w [W/m
2
]
'
j
k
- współczynnik jednoczesności ,
w [-]
P
Zo
– moc zapotrzebowana przez ogrzewanie podłogowe, w [W]
Dokładne określenie mocy zapotrzebowanej do celów ogrzewania pomieszczeń wymaga szczegółowych obliczeń, które należy wykonać
w koordynacji z konstruktorem budowlanym lub projektantem instalacji sanitarnych.
6.3.6. Elektryczne ogrzewacze wody
Elektryczne przepływowe ogrzewacze wody
Za podstawę doboru
przepływowego ogrzewacza wody użytkowej należy przyjąć wymaganą ilość wody, którą szacunkowo można
określić na:
- 5 l/min. dla korzystania z umywalki lub zlewozmywaka,
- 6 l/min. dla korzystania z prysznicem,
- 10 l/min. do napełnienia wanny.
Moc przepływowych ogrzewaczy wody dostępnych na rynku wynosi od 2 kW do 25 kW. Ogrzewacze o mocy od 10 kW wymagają
zasilania trójfazowego.
W praktyce w zależności od zastosowania, przyjmuje się następujące moce ogrzewaczy:
- do umywalki lub zlewozmywaka około 6 kW;
- do prysznica około 8 kW;
- do napełnienia wanny około 18 kW.
Szczegółowo moc ogrzewacza należy określić na podstawie katalogów producenta.
Elektryczne pojemnościowe ogrzewacze wody
Dobór ogrzewacza sprowadza się do określenia pojemności zasobnika oraz wynikającej z tego mocy urządzenia. W przypadku mieszkań
oraz domów jednorodzinnych należy przyjąć, że pojemność zbiornika nie powinna być mniejsza niż pojemność największego odbiornika
tzn. wanny. Na tej podstawie można przyjąć iż pojemność zasobnika powinna wynosić (120 – 200) l.
W
tabeli 6.17 zostały przedstawione podstawowe parametry wybranych ogrzewaczy pojemnościowych.
17) Tab. 6.17: Zestawienie wybranych ogrzewaczy pojemnościowej
6.3.7. Sprzęt komputerowy
Dokładne oszacowanie mocy zapotrzebowanej przez sieć komputerową jest bardzo trudne i posiada charakter szacunkowy.
W
tabeli 6.18 oraz tabeli 6.19 przedstawiono parametry zasilaczy komputerowych oraz wybranych urządzeń peryferyjnych.
Pojemność
30 l
50 l – 120 l
150 l
Moc
1,5 kW
1,8 kW
2,4 kW
Napięcie
zasilania
230 V
230 V
230 V
18) Tab.618: Zestawienie parametrów wybranych zasilaczy komputerowych[304], [305] i [306]
Typ zasilacza
Moc znamionowa
na wyjściu (max.)
Napięcie
wejściowe
(zakres)
Prąd
znamionowy
wejściowy
Prąd rozruchowy
Moc znamionowa
na wejściu (max.)
*)
ATX 300W
300 W
180 – 260 V
< 5A
< 100 A
< 451 W
ATX 350W
350 W
180 – 260 V
< 5A
< 100 A
< 526 W
ATX 400W
400 W
180 – 260 V
< 5A
< 100 A
< 602 W
ATX 500W
500 W
180 – 260 V
< 5A
< 130 A
< 751 W
ATX 550W
550 W
180 – 260 V
< 5A
< 130 A
< 827 W
ATX 650W
650 W
180 – 260 V
< 5A
< 130 A
< 977 W
*)
została wyznaczona na podstawie danych umieszczonych w specyfikacji produktu
19) Tab.6.19: Moce wybranych komputerowych urządzeń peryferyjnych [304], [305] i [306]
Nazwa Moc
znamionowa
Mysz optyczna na USB
max. 2 W
Zestaw bez przewodowy – klawiatura + mysz Około 1 W
Skaner
< 50 W
Drukarka atramentowa
< 50 W
Drukarka atramentowa ze skanerem
< 50 W
Drukarka laserowa monochromatyczna –
600x600dpi
praca około 200 W;
rozruch około 2kW;
Zestaw głośników 5.1
Około 100 W
Dodatkowy dysk twardy 120 GB –
komunikacja przez USB
2,5 W (rozruch - 5 W)
6.3.8. Określenie mocy zapotrzebowanej przez sieć komputerową
Pierwszym krokiem wyznaczenie zapotrzebowanej przez pojedynczą stację roboczą. Jest to zadanie o tyle trudne, że samo korzystanie z
katalogów producentów poszczególnych komponentów komputerowych nie daje bezpośrednio odpowiedzi na to pytanie. W literaturze
można spotkać różne określenia mocy pojedynczego zestawu komputerowego:
-
w zależności od konfiguracji moc zapotrzebowana przez jednostkę centralną z monitorem około 200 W;
-
stacja graficzna około 500 W [191];
-
sprzęt średniej klasy spotykany większości nowoczesnych biur – 350 W [191].
Po określeniu zapotrzebowania mocy pojedynczej stacji roboczej można obliczyć moc zapotrzebowaną przez grupę komputerów (sieć
komputerową):
sr
z
grupy
_
Z
P
n
k
P
∗
∗
=
(6.8)
lub
∑
=
∗
=
n
1
i
ni
sr
z
grupy
_
Z
P
k
P
(6.9)
j
w
z
k
k
k
∗
=
(6.10)
gdzie:
P
Z_grupy
– moc czynna zapotrzebowana przez grupę komputerów, w [W]
n – liczba stacji roboczych, w [-]
P
sr
– moc zapotrzebowana przez pojedynczą stację roboczą, w [W]
ni
sr
P
- moc zapotrzebowana przez i-tą stację roboczą, w [W]
k
z
– współczynnik zapotrzebowania mocy (patrz tab 6.20), w [-].
k
w
– współczynnik wykorzystania mocy szczytowej elementów komputera (patrz tab.6.20), [-]
k
j
– współczynnik jednoczesności (patrz tab.6.20), w [-]
20) Tab.6.20:
Wartość współczynników k
w
, k
j
, k
z
[191]
Wartość współczynnika
Liczba stacji roboczych
k
w
k
j
j
w
z
k
k
k
∗
=
do 20
0,6
1,0
0,60
21 – 40
0,6
0,9
0,54
41 – 60
0,6
0,8
0,48
61 – 80
0,6
0,7
0,42
81 – 100
0,6
0,6
0,36
101 – 120
0,6
0,5
0,30
121 – 200
0,6
0,4
0,24
powyżej 200
0,6
0,35
0,21
Wówczas moc pozorna zapotrzebowana przez grupę komputerów będzie równa:
ϕ
=
cos
P
S
grupy
_
Z
grupy
_
Z
(6.11)
gdzie:
grupy
_
Z
S
- moc pozorna zapotrzebowana przez grupę komputerów, w [VA]
cos
ϕ
- współczynnik mocy zależny od zastosowanych zasilacz, w [-]
Określenie mocy zapotrzebowanej przez serwerownie można dokonać dwoma sposobami:
1)
przy znanej mocy znamionowej poszczególnych elementów serwerowni:
∑
∑
=
=
+
∗
=
n
1
i
ni
tele
n
1
i
ni
serw
wi
serw
_
z
P
P
k
P
(6.12)
gdzie:
P
z_serw
– moc czynna zapotrzebowana przez serwerownie, w [W]
P
serw ni
– moc czynna zapotrzebowana przez i-tego serwera, w [W]
P
tele ni
– moc czynna zapotrzebowana przez i-te urządzenie telekomunikacyjne, w [W]
k
wi
– współczynnik wykorzystania mocy znamionowej i-tego serwera (przy braku danych k
wi
= 0,7
÷
0,8), w [-].
Zatem moc pozorna zapotrzebowana przez serwerownie będzie równa:
2
serw
_
z
2
serw
_
z
serw
_
z
Q
P
S
+
=
(6.13)
∑
∑
=
=
ϕ
∗
+
ϕ
∗
∗
=
n
1
i
ni
tele
ni
tele
n
1
i
ni
serw
ni
serw
wi
serw
_
z
tg
P
tg
P
k
Q
(6.14)
gdzie:
serw
_
z
S
- moc pozorna zapotrzebowana przez serwerownie, w [VA]
serw
_
z
Q
- moc bierna zapotrzebowana przez serwerownie, w [var]
ni
serw
tg
ϕ
- wartość odpowiadająca znamionowej wartości współczynnika mocy i-tego serwera, w [-]
ni
tele
tg
ϕ
- wartość odpowiadająca znamionowej wartości współczynnika mocy i-tego urządzenia telekomunikacyjnego, w [-]
2) jeśli nie znamy zapotrzebowania mocy poszczególnych elementów wchodzących w skład serwerowni wówczas [191]:
serw
j
serw
_
z
A
P
P
∗
=
(6.15)
gdzie:
P
j
– wskaźnik mocy na jednostkę powierzchni serwerowni (0,6 – 1,5 kW/m
2
mniejsze wartości dla mniejszych biur, wyższe dla banków,
obiektów telekomunikacji), w [kW]
A
serw
– powierzchnia serwerowni, w [m
2
].
6.4. Silniki elektryczne
6.4.1. Wprowadzenie
Silniki elektryczne są jednymi z najbardziej rozpowszechnionych odbiorników energii elektrycznej. Powszechność ich występowania
powoduje, że w wielu przypadkach muszą one posiadać możliwość zasilania ze źródeł awaryjnych (zespołów prądotwórczych) a w
sporadycznych przypadkach również ze źródeł napięcia gwarantowanego (zasilaczy UPS).
Najpowszechniej stosowanymi silnikami elektrycznymi są silniki trójfazowe indukcyjne (asynchroniczne) oraz rzadziej trójfazowe silniki
synchroniczne.
Stosowane są również silniki indukcyjne jednofazowe o niewielkich wartościach mocy przy napięciu zasilającym 230 V.
Trój fazowe silniki indukcyjne i silniki synchroniczne produkowane są na napięcia 230 V; 400 V; 500 V oraz 6000 V.
Moce dostępnych silników mieszczą się w przedziale od kilkunastu watów do kilku megawatów. Silniki niskiego napięcia budowane są do
mocy 250 kW.
Podstawowymi parametrami charakteryzującymi silniki są:
-
moc znamionowa czynna: P
n
, w [kW],
-
napięcie nominalne: U
n
, w [V],
-
współczynnik mocy: cos
ϕ, w [-],
-
moment rozruchowy: M
r
, w [Nm],
-
moment nominalny: M
n
, w [Nm],
-
prąd rozruchowy: I
r
, w [A],
-
sprawność:
η, w [-].
Dane te podawane są na tabliczkach znamionowych silników.
Moc znamionowa silników jest to moc oddawana przez silnik, definiowana również jako moc mechaniczna na wale i określana
następującym wzorem:
-
dla silników trójfazowych
n
n
n
n
n
cos
I
U
3
P
ϕ
∗
η
∗
∗
∗
=
(6.6.1.)
-
dla silników jednofazowych
n
n
n
f
n
cos
I
U
P
ϕ
∗
η
∗
∗
=
(6.6.2.)
gdzie:
U
n
– napięcie międzyfazowe (nominalne), w [V]
I
n
– prąd znamionowy, w [A]
U
f
– napięcie fazowe, w [V]
cos
ϕ
n
– znamionowy współczynnik mocy, w [-]
η
n
– znamionowa sprawność silnika, w [-]
Natomiast moc czynną pobieraną z sieci można wyrazić następującymi zależnościami:
- dla silników trójfazowych
n
n
n
n
cos
I
U
3
P
ϕ
∗
∗
∗
=
(6.6.3.)
- dla silników jednofazowych
n
n
f
n
cos
I
U
P
ϕ
∗
∗
=
(6.6.4.)
Jedną z cech charakteryzujących silnik jest rodzaj jego pracy, określany jako: [20]
S1 – praca ciągła
S2 – praca dorywcza
S3 – praca przerywana
S4 – praca przerywana z dużą liczbą łączeń i hamowaniem mechanicznym
S5 - praca przerywana z dużą liczbą łączeń i hamowaniem elektrycznym
S6 – prac przerwana z przerwami jałowymi
S7 - praca długotrwała z dużą liczbą łączeń i hamowaniem elektrycznym
S8 – praca długotrwała z okresową zmiana prędkości obrotowej
Najczęściej stosowane w praktyce to praca ciągła S1, praca przerywana S3 oraz praca dorywcza S2.
6.4.2. Silniki klatkowe
Silniki indukcyjne zwarte (klatkowe) posiadają najprostszą budowę spośród wszystkich silników elektrycznych. Prosta jest również ich
eksploatacja co spowodowało, że są one powszechnie stosowane w różnych układach napędowych. Prędkość obrotową w tych silnikach
można wyrazić następującym wzorem:
)
s
1
(
p
f
60
n
−
∗
=
(6.6.5.)
gdzie:
f – częstotliwość napięcia zasilającego, w [Hz]
p – liczba par biegunów silnika, w [-]
s – poślizg, w [-]
Prędkość ta różni się od prędkości synchronicznej pola wirującego o wartość poślizgu, która w silnikach indukcyjnych zwartych wynosi
(1,5 – 5)% [20].
Regulacja prędkości obrotowej w tych silnikach może być realizowana przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego. Możliwa jest
również zmiana prędkości przez zmianę napięcia zasilającego ale tylko „w dół”. Zwiększenie napięcia powyżej wartości nominalnej
silnika grozi uszkodzeniem izolacji uzwojeń. Zmiany prędkości obrotowej przez zmianę częstotliwości realizowane są z wykorzystaniem
układów przekształtnikowych. Charakterystykę mechaniczną silnika klatkowego przy sterowaniu częstotliwościowym przedstawia
rys.6.18.
18. Rys.6.18. Charakterystyka mechaniczna silnika klatkowego przy dwustrefowym sterowaniu częstotliwościowym [252]
Z przedstawionej na
rys. 6.18. charakterystyki wynika, że zwiększanie częstotliwości ponad wartość nominalną
(50 Hz) wymaga również zwiększania napięcia zasilającego, co jest nie możliwe ze względu na zwiększający się pobór prądu
magnesującego, wzrost strat oraz niebezpieczeństwo uszkodzenia izolacji uzwojeń. Napięcie w II strefie sterowania nie może, zatem
ulec zwiększeniu ponad wartość nominalną. Zwiększenie częstotliwości powyżej wartości znamionowej powoduje zmniejszenie momentu
maksymalnego M
max
oraz momentu nominalnego M
n
. Wiele tych silników jest stosowana w prostych układach napędowych gdzie silnik z
napędzanym urządzeniem stanowi sztywne połączenie (obrabiarki, piły tarczowe itp.). Prędkość obrotowa silnika w takich napędach
zmienia się w niewielkich granicach w zależności od obciążenia. Natomiast przekroczenie przez moment obciążenia M
B
wartości
nominalnej momentu obrotowego silnika skutkuje gwałtownym spadkiem prędkości obrotowej a tym samym zwiększeniem prądu
pobieranego ze źródła zaislania. Zależność prędkości obrotowej silnika indukcyjnego zwartego od momentu obciążenia M
B
przedstawia
rys.6.19.
19. Rys.6.19. Zależność n = f(M
B
)
M
n
-
moment nominalny, n
n
- nominalna prędkość obrotowa silnika [20]
Moment obrotowy silnika indukcyjnego zwartego zależy od jego prędkości obrotowej i może zostać przedstawiony w postaci
charakterystyki M = f(n), przedstawionej na
rysunku 6.20.
20. Rys.6.20. Zależność M = f(n) [20]
M
r
– moment rozruchowy; M
min
– najmniejszy moment obrotowy silnika; M
max
– największy moment obrotowy silnika przy zasilaniu napięciem nominalnym; n
s
–
prędkość synchroniczna, n
n
– znamionowa prędkość obrotowa
Urządzenie napędzane stawia opór w postaci momentu oporowego M
B
. Warunek poprawnej pracy silnika jest spełniony gdy zostanie
zachowana poniższa zależność:
M
S
≥ M
B
(6.6.6.)
gdzie:
M
s
– moment obrotowy silnika, w [Nm]
M
B
– moment oporowy (obciążenia), w [Nm]
Moment obrotowy silnika indukcyjnego jest proporcjonalny do kwadratu napięcia zasilającego, co można wyrazić następującą
zależnością:
M = c * U
2
(6.6.7.)
gdzie:
c – stała silnika
U – napięcie zasilające silnik, w [V].
Na
rysunku 6.21 zostały przedstawione charakterystyki momentu obrotowego silnika indukcyjnego klatkowego dla różnych wartości
napięcia zasilającego.
21. Rys.6.21. Charakterystyki momentu obrotowego silnika indukcyjnego klatkowego dla różnych wartości napięcia zasilającego [20]
Nieznaczne zmniejszenie napięcia zasilającego powoduje znaczne zmniejszenie momentu obrotowego silnika. Dla przykładu
zmniejszenie napięcia zasilającego silnik zaledwie o 10% powoduje zmniejszenie momentu obrotowego o 19%
(M = c*(0,9U
n
)
2
= c* 0,81U
n2
). Zmiana momentu obrotowego powoduje nieznaczne zmniejszenie prędkości obrotowej silnika, co skutkuje
wzrostem prądu pobieranego ze źródła zasilającego. Wzrost prądu powoduje zwiększenie strat oraz grzania się uzwojeń, co może
doprowadzić w skrajnym przypadku do zniszczenia izolacji uzwojeń a tym samym stwarzać zagrożenie porażeniowe oraz pożarowe.
Podobne skutki powoduje zwiększenie napięcia ponad wartość znamionową. Dlatego też napięcie zasilające silnik indukcyjny musi
spełniać warunek:
%
5
U
U
n
+
−
=
.
Moment rozruchowy w silnikach klatkowych zawiera się w granicach (1,0 – 2,5 ) M
n
.
Zbyt niskie napięcie zasilające podczas rozruchu może uniemożliwiać uruchomienie silnika. Problemy te pojawiają się szczególnie wtedy
gdy moment rozruchowy jest nie znacznie większy od momentu oporowego (obciążenia). W takim, przypadku nawet nieznaczne
obniżenie napięcia zasilającego może spowodować nie możliwość uruchomienia silnika lub znacznie przedłużyć jego rozruch i w
konsekwencji skutkować nadmiernym nagrzaniem izolacji uzwojeń lub zniszczeniem silnika. Niekorzystną cechą silników klatkowych jest
ich duży prąd rozruchowy, który wynosi (3 - 7) I
n
– patrz
rysunek 6.22 - (gdzie: I
n
– prąd znamionowy silnika, w [A]), w zależności od
mocy oraz konstrukcji silnika. Prad rozruchowy silników wyrażany jest przez współczynnik rozruchu V
kr
, który jest podawany na ich
tabliczkach znamionowych. Współczynnik ten stanowi krotnośc pradu znamionowego silnika I
n
i w zależności od mocy silnika
wynosi od (3-7).
22. Rys.6.22. Charakterystyka prądu rozruchowego silnika indukcyjnego klatkowego [20].
Duży prąd rozruchowy wynika z fizyki działania silnika. W chwili załączenia napięcia zasilającego silnik, jedynym oporem dla płynącego
prądu są niewielkie rezystancje uzwojeń stojana. Wraz z upływem czasu indukuje się w nich siła elektromotoryczna przeciwindukcji i
wartość płynącego przez uzwojenia prądu ulega zmniejszeniu do wartości znamionowej.. Uzyskanie znamionowej wartości prądu jest
uzależnione od prędkości obrotowej silnika co zostało przedstawione na
rysunku 6.22. Wartość prądu rozruchowego ulega zmniejszaniu
wraz z upływem czasu aż w końcu ulega stabilizacji na poziomie wartości I
n,
co następuje po osiągnięciu przez silnik nominalnej
prędkości obrotowej.
Na uwagę zasługuje fakt, że obciążenie silnika nie wpływa na wartość prądu rozruchowego a jedynie na czas trwania rozruchu.
Czas rozruchu dłuższy niż 15 sekund może być powodem nadmiernego wzrostu temperatury uzwojeń co powinno być uwzględnione
podczas projektowania instalacji zasilającej silnik. Silniki klatkowe o mocy większej niż 5 kW wymagają stosowania układów
rozruchowych ze względu na silne obciążanie sieci zasilającej i negatywny wpływ na odbiorniki przyłączone do wspólnej sieci, wrażliwe
na spadki napięć powodowane prądami rozruchowymi (np. żarówki itp.).
Najbardziej popularnym sposobem rozruchu silników klatkowych jest układ przełącznika gwiazda/trójkąt.
W tym przypadku rozruch silnika odbywa się początkowo przy połączeniu uzwojeń stojana w gwiazdę a następnie przełącza się je do
połączenia w trójkąt. W czasie rozruchu uzwojenia silnika zasilane są napięciem mniejszym 3 , przez co prądy pobierane z sieci
zasilającej są 3 krotnie mniejsze. Skutkuje to również 3 krotnie mniejszym momentem rozruchowym przez co rozruch ten stosowany jest
praktycznie przy rozruchu silników nieobciążonych (tzw. rozruch lekki).Układ połączeń silnika w gwiazdę oraz w trójkąt przedstawia
rysunek 6.23.
23. Rys.6.23. Połączenia uzwojeń silnika klatkowego przy rozruchu z przełączaniem gwiazda/trójkąt [252].
Podczas projektowania instalacji zasilającej silnik należy pamiętać, że współczynnik mocy silnika podczas rozruchu znacznie się różni od
wartości znamionowej. Posiada on duży wpływ na wartość spadku napięcia w przewodach zasilających silnik.
Współczynnik ten można wyrazić następującą zależnością [20]:
)
k
025
,
0
k
k
(
s
1
cos
cos
r
r
Mr
n
n
n
r
∗
+
−
η
ϕ
=
ϕ
(6.6.8.)
gdzie:
s
n
– poślizg znamionowy silnika, w [-]
η
n
- sprawność znamionowa silnika, w [-]
r
cos
ϕ - współczynnik mocy przy rozruchu silnika, w [-]
n
r
r
I
I
k
= -współczynnik rozruchu, w [-]
n
r
Mr
M
M
k
=
- krotność momentu rozruchowego silnika, w [-],
M
r
– moment rozruchowy, w [Nm],
M
n
– moment nominalny, w [Nm],
cos
ϕ
n
–znamionowy współczynnik mocy biernej silnika, w [-].
W praktyce współczynnik mocy
r
ϕ
cos
w zależności od mocy silnika zawiera się w przedziale (0,1 – 0,4). Mniejsze wartości odnoszą
się do silników większej mocy. Zależność współczynnika mocy silnika klatkowego w zależności od obciążenia przedstawia
rysunek 6.24.
24. Rys. 6.24. Zależność cos
ϕ
= f
)
P
P
(
n
, silnika indukcyjnego klatkowego [20].
Przy doborze silników należy jednak pamiętać by pracowały one odpowiednio obciążone (optymalne obciążenie występuje wówczas gdy
moment obciążenia M
B
jest nieznacznie mniejszy lub równy momentowi nominalnemu silnika M
n
). Silnik obciążony momentem niższym
jak nominalny powoduje pobór większej mocy biernej w stosunku do jej wartości znamionowej. Szczególnie duża wartość mocy biernej
jest pobierana przez silnik pracujący w stanie jałowym, przez co należy unikać długotrwałej pracy silników na biegu jałowym (patrz
rys.6.24). Zjawisko to powoduje konieczność stosowania nadążnej kompensacji mocy biernej w obiektach, w których występuje duża
ilość silników (zakłady produkcyjne, lotniska itp.)
Stosowane są również silniki dwuklatkowe oraz silniki głębokożłobkowe, które charakteryzuje mniejszy prąd rozruchowy oraz większy
moment rozruchowy w stosunku do silników klatkowych powszechnego użytku. Wirnik silnika dwuklatkowego ma dwie klatki: zewnętrzną
(rozruchową) z prętami o małym przekroju oraz wewnętrzną (pracy) z prętami o dużym przekroju. Działanie klatki rozruchowej objawia
się podczas rozruchu. Ich duża rezystancja powoduje zmniejszenie prądu rozruchowego. Moment tego silnika jest suma dwóch
momentów: momentu rozruchowego M
R
oraz momentu pracy M
P.
Przebieg momentów silnika dwuklatkowego w funkcji poślizgu
)
s
(f
M
=
, przedstawia
rysunek 6.25.
Silniki te charakteryzuje mniejszy współczynnik mocy oraz mniejsza sprawność w stosunku do silnika jednoklatkowego. Silniki te dzięki
dużemu momentowi rozruchowemu mogą być stosowane do rozruchu bezpośredniego. Do ich rozruchu można stosować układ z
przełącznikiem gwiazda/trójkąt.
25. Rys. 6.25. Przebiegi momentów w funkcji poślizgu silnika dwuklatkowego [253].
M
p
– moment pracy
M
R
– monent rozruchowy
Silnik głębokość żłobkowy charakteryzuje to, że głębokość żłobka jest bardzo duża w stosunku do jego szerokości. Dzięki takiej
konstrukcji podczas rozruchu występuje zjawisko wypierania prądu co skutkuje zmiennością rezystancji wirnika. Podczas rozruchu
rezystancja jest duża a tym samym zmniejszeniu ulega prąd rozruchowy. Wraz z upływem czasu rozruchu, zjawisko wypierania prądu
zanika i rezystancja klatki wirnika maleje. Silnik głębokożłobkowy przystosowany jest do rozruchu bezpośredniego. Przebieg momentu i
prądu w funkcji poślizgu silnika głębokożłobkowego przedstawia
rysunek 6.26.
26. Rys.6.26. Przebieg momentu i prądu w funkcji poślizgu silnika głębokożłobkowego [253]
Na
rysunku 6.27 przedstawiono porównanie przebiegu prądu i momentu rozruchowego silnika dwuklatkowego i silnika
głębokożłobkowego w funkcji poślizgu.
27. Rys. 6.27. Porównanie przebiegu prądu i momentu rozruchowego silnika głębokożłobkowego (1) oraz dwuklatkowego (2) w funkcji poślizgu 3 – uproszczony przebieg
stosowany do obliczeń czasu rozruchu [253]
Do napędów wentylatorów wyciągowych stosowane są niekiedy silniki wielobiegowe, w których uzwojenie jest przełączalne na dwie pary
biegunów. Mogą też być dwa uzwojenia w stojanie, co umożliwia zwiększenie liczby stopni prędkości kątowej.
Wirnik klatkowy nadaje się do każdej liczby par biegunów. Na
rysunku 6.28 przedstawiono sposób przyłączenia silnika dwubiegowego
do sieci zasilającej. Odpowiadające temu układowi charakterystyki mechaniczne przedstawia
rysunek 6.29.
28. Rys. 6.28. Schemat przyłączenia silnika dwubiegowego [253].
a) schemat podłączenia uzwojeń w trójką;
b) schemat podłączenia uzwojeń w podwójna gwiazdę;
c) podłączenie silnika w trójkąt;
d) schemat podłączenia uzwojeń silnika do tabliczki zaciskowej; e) podłączenie silnika w podwójną gwiazdę
29. Rys. 6.29. Charakterystyki mechaniczne silnika dwubiegowego [253].
6.4.3. Silnik pierścieniowy
Zastosowanie silników klatkowych w urządzeniach o ciężkim rozruchu jest ograniczone ze względu na mały moment rozruchowy oraz
duże prądy rozruchu, które negatywnie oddziaływają na pracę innych odbiorników. Duży prąd rozruchowy może powodować znaczne
spadki napięć w sieci zasilającej, które będą skutkowały zakłóceniami pracy innych odbiorników zasilanych ze wspólnej sieci. W takich
przypadkach niejednokrotnie stosuje się silniki pierścieniowe, które dzięki włączeniu rezystorów rozruchowych w obwodzie wirnika
pozwalają uzyskać duży moment rozruchowy przy jednoczesnym zmniejszeniu prądu rozruchowego. Silnik pierścieniowy wymaga jednak
rozrusznika. Uproszczony schemat połączeń silnika pierścieniowego przedstawia
rysunek 6.30.
30. Rys. 6.30. Uproszczony schemat połączeń silnika pierścieniowego [7].
1 - uzwojenie stojana
2 - uzwojenie wirnika
3 - pierścienie ślizgowe
4 - szczotki
5 - rozrusznik
Włączenie do obwodu wirnika rezystorów rozruchowych umożliwia zmniejszenie prądu rozruchowego do wartości 2,5 I
n
, przy
współczynniku mocy podczas rozruchu o wartości w przedziale (0,6 – 0,7). Na
rysunku 6.31 przedstawiono charakterystyki momentu
obrotowego silnika indukcyjnego pierścieniowego przy różnych wartościach rezystancji w obwodzie wirnika.
31. Rys. 6.31. Charakterystyki momentu obrotowego silnika indukcyjnego pierścieniowego przy różnych wartościach rezystancji w obwodzie wirnika (R
2
> R
1
>…> R
w
; R
w
–
rezystancja uzwojenia wirnika) [7].
6.4.4. Silniki synchroniczne
Silniki synchroniczne mają dużo mniejsze zastosowanie niż silniki asynchroniczne. Moment rozruchowy silników synchronicznych zależy
od wartości napięcia zasilającego i przy obniżonej wartości napięcia zasilającego może stać się mniejszy od momentu oporowego.
W takiej sytuacji silnik wypadnie z synchronizmu i zatrzyma się. Moment rozruchowy silnika synchronicznego jest praktycznie równy
zero, przez co silniki te wymagają rozruchu, który jest realizowany asynchronicznie dzięki dodatkowemu uzwojeniu umieszczonemu w
nabiegunnikach magneśnicy. Uzwojenie te jest podobne do uzwojenia wirnika silnika klatkowego. Po osiągnięciu prędkości obrotowej
zbliżonej do synchronicznej zostaje wyłączone wzbudzenie i silnik wpada w synchronizm. Zaletą tych silników jest stała prędkość
obrotowa i możliwość płynnej regulacji wartości współczynnika mocy.
Wartość współczynnika mocy w silniku synchronicznym zależy bezpośrednio od prądu wzbudzenia. Przy silniku niedowzbudzonym
współczynnik mocy ma charakter indukcyjny, a przy silniku przewzbudzonym, charakter pojemnościowy. Silniki te czasami są
wykorzystywane do kompensacji mocy biernej, w zakładach przemysłowych. Moce produkowanych silników synchronicznych mieszczą
się w przedziale kilkadziesiąt kilowatów do kilku megawatów. Wartość pojemnościowego współczynnika mocy zależy od mocy wzbudnicy
i zakresu regulacji jej napięcia oraz ograniczona jest przez dopuszczalną wartość prądu wzbudzenia silnika. Na
rysunku 6.32
przedstawiono schemat zastępczy silnika synchronicznego oraz jego wykres wektorowy w stanie ustalonym.
32. Rys.6.32. Podstawowe dane silnika synchronicznego: a)uproszczony schemat budowy; c)schemat zastępczy; c) wykres wektorowy [253]
Silnik synchroniczny powszechnie nazywany maszyną synchroniczną jest maszyną przystosowaną do pracy silnikowej i prądnicowej.
Wykres rodzajów pracy i współczynnika mocy cos
ϕ dla maszyny synchronicznej przedstawia rysunek 6.33..
33. Rys. 6.33. Wykres rodzajów pracy i współczynnika mocy cos
ϕ
dla maszyny synchronicznej (Q <0 – generacja mocy biernej oddawanej do sieci; Q > 0 pobór mocy
biernej z sieci) [253]