Проектирование системы электроснабжения сушильной установки для древесины: Методические указания к выполнению курсовой работы

Введение, где мы определяем цели и актуальность нашей работы

Качественная сушка древесины является одним из ключевых технологических процессов в деревообработке, напрямую влияющим на долговечность и потребительские свойства конечных изделий. Применение недосушенного или неправильно обработанного материала приводит к значительным экономическим убыткам в смежных отраслях, в том числе в строительстве и сельском хозяйстве. Актуальность данной темы обусловлена необходимостью модернизации устаревших сушильных комплексов и внедрения эффективных решений в условиях, когда на многих предприятиях отсутствует доступ к технологическому пару, необходимому для классических паровых калориферов.

В связи с этим, вопросы рационального проектирования систем электроснабжения для современных сушильных камер приобретают особое значение. Эффективное и надежное электропитание — это основа для точного контроля над процессом, работы автоматики и, как следствие, получения высококачественного пиломатериала.

Цель настоящей курсовой работы — разработка комплексного проекта системы электроснабжения для сушильной установки древесины в условиях деревообрабатывающего цеха.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие ключевые задачи:

• Проанализировать технологический процесс сушки и определить требования к электрооборудованию.
• Выполнить расчет электрических нагрузок силовых и осветительных электроприемников.
• Разработать принципиальную схему электроснабжения объекта.
• Выбрать основное электрооборудование: трансформаторную подстанцию, кабели и аппараты защиты.
• Проработать вопросы охраны труда и пожарной безопасности при монтаже и эксплуатации установки.
• Составить сметный расчет для экономического обоснования проекта.

Объектом исследования выступает система электроснабжения промышленного цеха, а предметом — процесс проектирования электроснабжения непосредственно для сушилки древесины.

Глава 1. Изучаем технологический процесс и его требования к электроснабжению

Прежде чем приступать к проектированию, необходимо глубоко понять технологию, для которой создается система электроснабжения. Существует несколько основных технологий сушки древесины: конвективная, вакуумная, конденсационная и диэлектрическая (СВЧ). Однако на сегодняшний день именно конвективные сушильные камеры доминируют на рынке, занимая долю в 90-95% благодаря своей надежности, универсальности и отработанной технологии.

В рамках данного проекта мы останавливаемся именно на конвективном типе. Процесс сушки в такой камере цикличен и состоит из нескольких этапов:

1. Начальный прогрев древесины: В камеру подается теплоноситель, и мощные вентиляторы обеспечивают циркуляцию нагретого воздуха для равномерного повышения температуры штабеля.
2. Непосредственно сушка: Активное испарение влаги с поверхности материала. Система автоматики управляет приточно-вытяжными заслонками для отвода влажного воздуха и подачи свежего, более сухого.
3. Промежуточная и конечная термовлагообработка (ТВО): Для снятия внутренних напряжений в древесине и предотвращения ее растрескивания в камеру подается пар или мелкодисперсная влага. Этот этап критически важен для получения качественного материала.
4. Охлаждение (кондиционирование): По завершении процесса температура древесины плавно снижается до температуры окружающей среды.

Для реализации этих этапов требуется значительное количество электрооборудования, которое является нашими потребителями электроэнергии. Их можно разделить на две группы.

Оборудование сушильной камеры:

• Осевые реверсивные вентиляторы: Создают необходимую циркуляцию воздуха в камере. Являются основными потребителями мощности.
• Электрические калориферы (ТЭНы): Нагревают воздух. Используются в камерах, где нет возможности подвода горячей воды или пара.
• Приводы воздушных заслонок: Электродвигатели для управления приточно-вытяжной вентиляцией.
• Система увлажнения: Насосы и форсунки для проведения ТВО.
• Щит управления и автоматики: «Мозг» системы, включающий контроллеры, датчики температуры и влажности, пусковую аппаратуру.

Общецеховое оборудование:

• Осветительные приборы: Лампы и светильники для освещения цеха.
• Вспомогательное оборудование: Станки (если они находятся в том же цеху), системы аспирации, ручной электроинструмент.

Глава 2. Выполняем расчет электрических нагрузок как основу проекта

Расчет электрических нагрузок — это фундамент всего проекта электроснабжения. Ошибка на этом этапе приведет к неверному выбору оборудования, перегрузкам или, наоборот, к необоснованным затратам. Расчет выполняется на основе данных о всем электрооборудовании, сведенном в единую таблицу.

В первую очередь, все электроприемники (ЭП) делятся по категориям надежности электроснабжения. Большинство оборудования деревообрабатывающего цеха, включая сушильную камеру, относится к III категории, для которой допустимы перерывы в питании на время ремонта, но не более чем на 1 сутки. Системы пожарной сигнализации и аварийного освещения могут относиться к I категории.

Расчет ведется по методу коэффициента спроса, который учитывает, что не все оборудование работает одновременно и на полную мощность. Основная формула для определения расчетной активной мощности (Рр) группы ЭП:

Рр = Кс * Ру, где:

• Кс — коэффициент спроса (справочная величина, зависящая от типа производства и количества ЭП).
• Ру — суммарная установленная номинальная мощность всех электроприемников в группе, кВт.

Для нашего проекта создается таблица всех потребителей, где для каждого указывается его установленная мощность (Ру), коэффициент мощности (cosφ) и коэффициент использования (Ки). Пример такой таблицы:

Фрагмент ведомости нагрузок цеха

Наименование электроприемника	Кол-во, шт.	Ру (ном.), кВт	cosφ
Двигатель вентилятора сушилки	6	5,5	0,85
Электрокалорифер	1	60,0	1,0
Двигатель привода заслонки	2	0,25	0,78
Освещение цеха (лампы)	40	0,05	0,95

После суммирования мощностей отдельно рассчитываются силовая и осветительная нагрузки. Затем определяется полная расчетная мощность объекта (Sр) в кВА:

Sр = Рр / cosφср, где cosφср — средневзвешенный коэффициент мощности всей установки.

На основе полной мощности вычисляется расчетный ток (Iр), который является ключевым параметром для выбора сечения вводного кабеля и номинала вводного автоматического выключателя.

Глава 3. Проектируем схему питания и выбираем ключевое оборудование

Имея на руках расчетную мощность (Sр), мы можем приступить к выбору сердца нашей системы — цеховой трансформаторной подстанции (ТП). Мощность трансформатора (Sном.тр) выбирается из стандартного ряда мощностей (100, 160, 250, 400, 630 кВА и т.д.) по условию:

Sном.тр ≥ Sр / β, где β — допустимый коэффициент загрузки трансформатора (обычно принимается 0.7-0.8 для обеспечения резерва).

Для питания цеха, как правило, выбирается радиальная схема внутреннего электроснабжения. При такой схеме от главного распределительного щита (ГРЩ) отходят отдельные, независимые линии для питания каждой группы потребителей: одна линия на сушильную камеру, другая — на группу станков, третья — на освещение. Это повышает надежность системы: короткое замыкание на одной линии не приведет к отключению всего цеха.

Визуально вся структура электроснабжения представляется в виде принципиальной однолинейной схемы. На ней отображаются ТП, вводной кабель, ГРЩ, отходящие линии, аппараты защиты (автоматические выключатели) и основные потребители с указанием их мощности.

Детализация расчета. Выбираем силовые кабели и проверяем их

Выбор сечения кабеля — ответственная задача, от которой зависит надежность и безопасность. Процесс выбора для каждой линии (например, для питания щита управления сушилки) состоит из нескольких этапов:

1. Выбор по длительно допустимому току: Расчетный ток линии (Iр) сравнивается с табличными значениями длительно допустимых токовых нагрузок для кабелей различных сечений из Правил устройства электроустановок (ПУЭ). Выбирается ближайшее большее сечение, для которого Iдоп ≥ Iр. При этом учитывается материал жил (медь или алюминий) и способ прокладки (в воздухе, в земле).
2. Проверка по потере напряжения (ΔU): Необходимо убедиться, что напряжение у самого удаленного потребителя не упадет ниже допустимого предела (обычно не более 5% от номинального). Потеря напряжения рассчитывается по формуле и зависит от длины линии, ее сечения и протекающего тока. Если потеря превышает норму, сечение кабеля приходится увеличивать.
3. Проверка на термическую стойкость к токам КЗ: Выбранное сечение должно выдержать кратковременный нагрев током короткого замыкания до момента срабатывания защиты, не расплавившись.

Только после выполнения всех трех проверок можно сделать окончательный вывод о пригодности выбранной марки и сечения кабеля.

Глава 4. Рассчитываем токи короткого замыкания для выбора защитной аппаратуры

Проектирование системы не заканчивается на выборе кабелей. Необходимо обеспечить ее защиту от ненормальных режимов работы, главным из которых является короткое замыкание (КЗ). Расчет токов КЗ — обязательная процедура, позволяющая правильно выбрать аппараты защиты (автоматические выключатели, предохранители).

Автоматический выключатель должен удовлетворять двум основным условиям:

• Номинальный ток (Iном): Ток расцепителя автомата должен быть больше или равен расчетному току нагрузки линии (Iном ≥ Iр), чтобы он не отключался в нормальном режиме.
• Отключающая способность (Icu): Максимальный ток КЗ, который автомат способен отключить, не разрушившись. Это значение должно быть больше, чем расчетный ток КЗ в точке его установки (Icu ≥ Iкз).

Расчет выполняется для нескольких характерных точек сети, в первую очередь — для самой удаленной, где ток КЗ будет минимальным (чтобы проверить чувствительность защиты), и на шинах ГРЩ, где он будет максимальным (чтобы проверить отключающую способность). Рассчитываются как трехфазные, так и однофазные токи КЗ.

Детализация защиты. Выбираем и обосновываем аппарат защиты для двигателя вентилятора

Особый случай — защита асинхронных электродвигателей, например, вентиляторов сушильной камеры. Их особенность — большие пусковые токи, которые в 5-7 раз превышают номинальный ток и длятся несколько секунд. Обычный автоматический выключатель (с характеристикой B или C) может принять этот пусковой ток за короткое замыкание и ложно сработать.

Поэтому для защиты двигателей применяют специальные автоматы с характеристикой D или промышленные автоматы с регулируемыми уставками. Их электромагнитный расцепитель (защищающий от КЗ) настроен на большее значение тока и не реагирует на кратковременную пусковую перегрузку. При этом тепловой расцепитель (защищающий от длительной перегрузки) по-прежнему обеспечивает надежную защиту обмоток двигателя от перегрева.

Глава 5. Прорабатываем вопросы охраны труда и пожарной безопасности

Проектирование безопасной электроустановки является не менее важной задачей, чем технические расчеты. Работа с электрооборудованием сопряжена с риском поражения электрическим током, возникновения пожаров и других опасных ситуаций.

Основные организационные мероприятия по обеспечению электробезопасности включают:

• Назначение ответственных за электрохозяйство.
• Проведение регулярных инструктажей и проверки знаний персонала.
• Применение нарядов-допусков при выполнении опасных работ.
• Использование предупреждающих и запрещающих плакатов.

К техническим мероприятиям относятся:

• Защитное заземление/зануление: Присоединение металлических корпусов оборудования, которые могут оказаться под напряжением при пробое изоляции, к заземляющему устройству. Это обеспечивает срабатывание защиты при замыкании на корпус.
• Применение устройств защитного отключения (УЗО): Для защиты людей от прямого прикосновения и предотвращения пожаров от токов утечки.
• Двойная изоляция: Использование электроинструмента с усиленной изоляцией.
• Низкое напряжение: Применение переносных светильников на напряжение не выше 42 В.

Важно помнить, что деревообрабатывающие производства, особенно зоны сушки и хранения древесины, относятся к пожароопасным зонам класса П-IIа. Это накладывает дополнительные, более жесткие требования к выбору и монтажу электрооборудования, степени защиты оболочек (IP), способам прокладки кабелей и проводов для исключения риска возгорания от искры или перегрева.

Экономическая часть и обоснование проекта

Технически совершенный проект должен быть экономически целесообразным. Экономическая часть курсовой работы позволяет оценить ориентировочные капитальные затраты на реализацию предложенных решений. Расчет сметной стоимости включает в себя несколько основных статей:

1. Стоимость оборудования и материалов. На основе разработанной спецификации составляется перечень всего необходимого оборудования (силовой трансформатор, ячейки КСО, распределительные щиты, автоматические выключатели, кабели, лотки, осветительные приборы) и определяются его рыночные цены.
2. Стоимость монтажных работ. Рассчитывается на основе сметных норм или принимается укрупненно как процент от стоимости материалов и оборудования (часто в диапазоне 40-60%).
3. Стоимость пусконаладочных работ. Включает затраты на проверку, испытания и ввод смонтированной системы в эксплуатацию (обычно 10-15% от стоимости монтажа).
4. Прочие расходы. Включают транспортные, проектные и непредвиденные расходы.

Суммирование всех этих затрат дает общую сметную стоимость проекта, которая позволяет оценить объем необходимых инвестиций для строительства или реконструкции системы электроснабжения цеха.

Заключение, где мы подводим итоги и подтверждаем достижение цели

В ходе выполнения данной курсовой работы была решена поставленная цель — разработан проект системы электроснабжения сушильной установки для древесины в составе деревообрабатывающего цеха.

На основе анализа технологического процесса были определены требования к электропитанию и составлен перечень всего необходимого оборудования. Был выполнен расчет электрических нагрузок, по результатам которого определена полная расчетная мощность объекта, составившая [итоговая расчетная мощность] кВА, и расчетный ток [значение] А. На основании этих данных была спроектирована надежная радиальная схема электроснабжения.

В рамках проекта было выбрано ключевое силовое оборудование, включая комплектную трансформаторную подстанцию мощностью [мощность ТП] кВА. Для всех отходящих линий были рассчитаны и выбраны сечения силовых кабелей с проверкой по длительно допустимому току и потере напряжения. Для обеспечения безопасности были рассчитаны токи короткого замыкания и подобраны автоматические выключатели, включая вводной автомат и аппараты защиты для отдельных потребителей.

Особое внимание было уделено вопросам охраны труда и пожарной безопасности, учитывая специфику деревообрабатывающего производства как пожароопасной зоны. В заключительной части была представлена методика расчета сметной стоимости для экономического обоснования проекта.

Таким образом, все поставленные во введении задачи были успешно выполнены, что подтверждает полноту и завершенность проделанной работы.

Список использованных источников

Ниже приведен примерный список литературы, который может быть использован при написании курсовой работы. Он должен быть оформлен в соответствии с требованиями ГОСТ.

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). 7-е изд. — М.: КноРус, 2021.
2. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий / Под ред. А.А. Федорова, Г.В. Сербиновского. — М.: Энергоатомиздат, 1986.
3. Киреева Э.А. Электроснабжение цехов промышленных предприятий: Учебное пособие. — М.: ИНФРА-М, 2018.
4. ГОСТ Р 50571.1-2009. Электроустановки низковольтные. Часть 1. Основные положения, оценка общих характеристик, термины и определения.
5. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: Учебник для вузов. — М.: Интермет Инжиниринг, 2006.
6. Орлов И.Н. Справочник по расчетам в электроустановках. — М.: Энергия, 1983.
7. Щербаков Е.Ф. Электроснабжение промышленных предприятий и установок. — М.: Высшая школа, 1991.
8. Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. — М.: Энергоатомиздат, 1987.

Приложения

В данном разделе размещаются графические и табличные материалы большого формата, которые неудобно включать в основной текст работы. Как правило, в приложения выносят:

• Приложение А: Принципиальная однолинейная схема электроснабжения цеха (формат А2/А1).
• Приложение Б: План расположения электрооборудования в цехе.
• Приложение В: Спецификация оборудования, изделий и материалов.

Список использованной литературы

1. Акимова Н.А Монтаж, техническая эксплуатация и ремонт электрического и электротехнического оборудования: Учеб. пособие для сред. проф. Обр./ Н.А Акимова [И тд ]; Под общ. ред. Н.Ф. Котеленец-2-е изд .- М.: Академия ; 2004.-296 c.
2. Боглейбтер О.И. О выборе трансформаторов тока и сечение токовых цепей при высокой постоянной времени первичной сети//Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, 2009. №8. –с 27
3. Библия электрика. ПУЭ. МПОТ; ПТЭ-Новосибирск: — Сиб.ун.; 2011.-688 с.
4. Епифанов А.П. Электропривод в сельском хозяйстве: учебное пособие –СПб.: Лань: 2010-224с.
5. Журавлева Л.В. Электро-материаловедение: учебник для нач. проф. образования/Л.В.Журавлева.-5-у изд; стер.-М.:Академия.2008.-352с.
6. Инструкция по применению и испытанию средств защиты используемых в электроустановках.-Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2005.-80с.
7. Леонидов С.Л. Об источниках бесперебойного питания и заземления// Электрооборудование: эксплуатация и ремонт.2008.№4,-с25
8. Межотраслевые правила по охране труда при эксплуатации электроустановок. -М.: Омега-Л.2006.-152с.
9. Пожарная безопасность.-Новосибирск. Рип-эл.-2006.
10. Правила проектирования и монтажа электроустановок.-М.:Омега-Л,2009.-104с.
11. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей.-:Инфра-М, 2007.-263с.
12. Правила устройств электроустановок. Седьмое издание.-СПб.:ДЕАН,2004.-176с.
13. Соловьев С.В. Особенности молнизащиты на плоских кровлях промышленных и административных зданий.//Электрооборудование: эксплуатация и ремонт.2008.№3,-с72
14. Шахавцев В.П. Расчет и проектирование схем электроснабжения. Методическое пособие для курсового проектирования.-М.: Форум: ИНФРА-М; 2008-214c.
15. Юндин М.А. Курсовое и дипломное проектирование по электроснабжению сельского хозяйства: учебное пособие:2-е изд. испр. и доп.- СПб.: Лань. 2011.-320с.