Автореферат з магістрської роботи за темою:

«Розрахунок напруг в електричній мережі, від якої живляться машини контактного зварювання»

        Вступ

      Машини точкового контактного зварювання (МТКЗ) великої потужності викликають значні утруднення при живленні їх електричною енергією, тому що працюючи в повторно-короткочасному режимі вони створюють графіки навантаження у вигляді прямокутних піків, що чергуються протягом зварювання й пауз і характеризуються короткими (до декількох періодів) імпульсами струму, що досягають тисячі амперів при малих коефіцієнтах включення й відповідно малих коефіцієнтах використання встановленої потужності. У цих випадках вирішальними вимогами до магістральної цехової мережі є забезпечення на виводах будь-якої включеної машини напруги, що практично виключає непровар контакту, тобто брак продукції.
        Основною проблемою в електропостачанні таких машин є правильний розрахунок їх електричних навантажень. Мережа для живлення електрозварювальних машин повинна задовольняти двом основним вимогам: 1) припустимій температурі нагрівання; 2) припустимій величині втрати напруги. Друге із зазначених вище умов впливає на технологію і якість зварювання, а також на витрати електроенергії і її втрати.

        Актуальність даної розробки, а саме точного методу розрахунку відхилення напруг на затискачах МТКЗ і пікового струму в мережі живлення, що може виникнути із заданої ймовірністю, обумовлена швидко зростаючим застосуванням контактного електрозварювання. При цьому враховано, що ймовірність одержання фактичного навантаження, більше розрахункового максимального імпульсу мала, але зневага нею приводить до необґрунтовано різкого збільшення розрахункового максимального імпульсу.

        Мета роботи - розробка точного методу визначення відхилення напруги на затискачах машин контактного зварювання й пікового струму в мережі їх живлення, що може виникнути із заданою ймовірністю.

        Огляд літературних джерел

        Початок розвитку теорії навантажень у колишньому СРСР покладено в роботах Копитова Н.В., Тихонова В.П., Каялова Г.М., Лівшиця Д.С., Мукосєєва Ю.Л. та ін.. На основі глибокого теоретичного аналізу графіків навантаження за допомогою імовірнісних кривих розподілу й обробки даних досліджень діючих заводських електричних мереж були запропоновані два методи визначення розрахункових навантажень: метод упорядкованих діаграм [1] і статистичний метод [2].
        В 1961р. ГПІ «Тяжпромелектропроектом» були випущені “Тимчасові провідні вказівки по визначенню електричних навантажень промислових підприємств”, в основу яких покладено метод упорядкованих діаграм. Однак слід зазначити, що всі запропоновані авторами методи розрахунку можуть бути застосовані до установок, що мають відносно рівномірні графіки навантаження, що не характерно для машин контактного електрозварювання. При проектуванні електропостачання цих споживачів виникає необхідність у визначенні пікових навантажень і втрат напруги в живильних мережах.
       Основи визначення величини піків різної тривалості і їхніх частот були закладені в методі імовірнісного моделювання графіка навантаження Каялова Г.М. [5], а потім розвинені в роботах Курінного Э.Г. Цьому питанню присвячені також роботи Штейнике Г.А. [6] і Вагіна Г.Я. [7].
        В [3,8] запропановано метод визначення відхилень напруги на затискачах МТКЗ з відповідною ймовірністю.
       Крім зазначених вище робіт з методами аналітичного розрахунку електричних навантажень, що використовують теорію ймовірностей, розроблені також методи статистичного моделювання [9].
       Із закордонних авторів, що працювали у даному напрямку, слід зазначити роботи Адамса А., Фішера Д., Джонсона А. [10], Міллера К. [11].

        Методи розрахунку максимальних струмів і втрат напруги в мережах контактного електрозварювання

        Загальні положення

        При розрахунку електричних навантажень у мережах контактного електрозварювання визначаються наступні значення навантажень:
       - ефективна (середня квадратична) - для вибору мереж по нагріванню й вибору засобів компенсації реактивної потужності;
       - пікова - для перевірки обраних мереж по втраті напруги, на динамічні зусилля, на перегрів, для визначення коливань напруги й вибору захисту мереж.
       Тому що більшість зварювальних машин є однофазними й двофазними, то для більш економічного використання мереж потрібен оптимальний розподіл машин по парах фаз трифазної мережі (внутрішнє симетрування). Методи розрахунку пікового навантаження від електрозварювальних машин залежать від ступеня її впливу на різні елементи мережі. Ці впливи можуть проявлятися миттєво або за деякий проміжок часу .
        При оцінці за миттєвим значенням за пік навантаження приймається максимальна ордината графіка навантаження. При інтегральній оцінці за пік навантаження тривалістю приймається максимальне значення ефективного (для оцінки перегріву мереж і трансформаторів від пікових струмів) або середнього (для вибору захисту мереж і оцінки впливу піків на системи керування, захисту та самі електроприймачі) навантаження.

       Пікове навантаження електрозварювальних машин лежить у межах: , де – максимальний розрахунковий пік.

        Методи аналітичного розрахунку піків струму

       Одним з методів розрахунку пікових навантажень електрозварювальних машин є метод, в основу якого покладена двоступінчаста впорядкована діаграма [12].
       Максимальний пік струму визначається по сумарному навантаженню машин, що збіглися за часом у роботі (з певною ймовірністю). При умовно зафіксованому числі m одночасно включених машин їхній сумарний імпульс струму випадкова величина, розподіл якої визначається сукупністю різних наборів індивідуальних імпульсів (прийнято, що кожна машина має цикл зварювання тільки з одним прямокутним імпульсом струму) і коефіцієнтів включення окремих машин у заданій групі. Відповідно до загального принципу максимальної моделі [12] розрахунок імовірного максимуму замінений більш простим. Ця модель заміняє задану групу машин еквівалентною їй з тим же числом машин, але тільки із двома значеннями імпульсів струму. Завдяки цьому можливі значення випадкової величини для еквівалентної групи виявляються однаковими, так, що стає детермінованою величиною. Це дозволяє надійно визначати за відповідаючими стандартними графіками.
       Основою двоступінчастої моделі є впорядкована діаграма (ВД) навантажень машин, що враховує як імпульсів, так і відносні тривалості . Двоступінчаста модель отримується шляхом приведення ВД до найпростішої форми, що включає імпульси тільки двох типів: від машин з найбільшим індивідуальним імпульсом і з найменшим розрахунковим імпульсом . Це виключає погрішність, що може виникнути при наявності в групі лише декількох малих машин, що практично не впливають на . При цьому значення основного параметру моделі визначається умовою рівності її площі й площі вихідної ВД:
, звідки: .
        Заміна вихідної групи машин групою, що відповідає двоступінчастої моделі, забезпечує деякий запас надійності в розрахунковому значенні максимального імпульсу групового навантаження. Останнє визначається за формулою:
,
        де і - розрахункові числа одночасно працюючих машин, відповідно для всього числа машин n при й для числа машин при , причому є середнє значення для найбільшої групи машин.
       При такому методі розрахунку досягається більша точність визначення максимального піка навантаження з досить малою ймовірністю його перевищення, однак неможливо оцінити вплив цього піка на динамічну стійкість і перегрів елементів мережі, втрати й коливання напруги та інші фактори.

        Методика визначення втрат напруги

        Визначення максимальної втрати напруги в наведених варіантах розрахунку максимальних піків навантаження зварювальних машин засновано на методі фіктивних навантажень, відповідно до якого сумарна втрата напруги в мережі в будь-який момент часу обумовлюється числом машин, що збіглися в роботі, і втратами напруги, створюваними роботою кожної машини.
       Оскільки втрата напруги в мережі від роботи однієї машини пропорційна її навантаженню, її можна розглядати як фіктивне навантаження цієї машини. Це дозволяє вести розрахунок сумарної максимальної втрати напруги аналогічно розрахунку пікового струмового навантаження.
       Втрата напруги, що викликає окрема машина, В:
,
       де - коефіцієнт, що враховує сумарні втрати напруги в живильних лініях від навантажень різних фаз машин;
       z - питома втрата напруги в живильній мережі, включаючи цеховий трансформатор, віднесена до 1 А струму навантаження даної машини, при довжині магістралі від машини до підстанції:
.
       Усереднена втрата напруги від окремої зварювальної машини, В:
.
       Усереднена втрата напруги в живильній мережі від групи машин, В:
.
       Середній коефіцієнт включення фіктивних навантажень однаковий для всіх міжфазних напруг, оскільки він визначається для всіх машин групи незалежно від їхнього розподілу по фазах (і по потужності):
.
       Усереднена дисперсія втрати напруги в живильній мережі від групи машин, В:
,
при .
       Максимальна втрата напруги з урахуванням фіктивних навантажень розраховується аналогічно піковому навантаженню:
,
.

        Статистичне моделювання графіків навантаження на ЕОМ

        Одним з методів розрахунку величини, частоти й тривалості окремих ступенів сумарного графіка навантаження є метод статистичного моделювання графіків навантаження на ЕОМ [12]. Його сутність складається в побудові для досліджуваного процесу відповідного моделюючого алгоритму, що імітує за допомогою операцій машини поводження елементів складної системи й взаємодії між ними з обліком випадкових факторів.
       Для групи незалежно працюючих машин для будь-якого моменту часу t величина групового навантаження I(t) є випадковою величиною. Моделюючий алгоритм представляється у вигляді структурної схеми, що містить послідовність операторів, кожний з яких зображує певну групу операцій. Закон зміни моментів включення зварювальних машин закладений у програму розрахунку.
       Метод дозволяє одержати велику кількість реалізацій сумарного графіка навантажень при зміні в кожній реалізації моментів включення машин за випадковим законом. У результаті розрахунку проектувальник одержує дані по величині, тривалості й частоті ступенів пікового струму групового графіка навантаження. Знаючи ці дані, можна розрахувати коливання напруги мережі й вибрати апарати захисту групових мереж.
       Цей метод дозволяє розраховувати пікові навантаження машин з будь-якою формою графіків навантаження, а також може бути використаний для розрахунку пікових навантажень від будь-яких електроприймачів, що працюють у різко змінному режимі (дугові печі, прокатні стани, преси, кранові двигуни й т.д.).

        Розрахунок напруг у мережі, що живлить машини контактного зварювання

        Для визначення виникнення відхилення напруги в мережі живлення МТКЗ із заданою ймовірністю необхідно розрахувати функцію розподілу напруг наприкінці ділянки мережі (наприклад, нерозгалуженого шинопровода). Для цього необхідно виконати розрахунок втрат напруги й пікових струмів для всіх варіантів одночасного включення МТКЗ.
       З метою зменшення обсягу обчислень пропонується розраховувати не всю функцію розподілу, а тільки її ділянку (рис. 1), що відповідає заданої ймовірності . Найменша напруга наприкінці шинопровода відповідає випадку, коли усі n машин включені одночасно. Імовірність цього випадку:
,
        де - коефіцієнт включення i- тої машини контактного зварювання.
       Далі виконується розрахунок напруг і струмів ділянок мережі за умови почергового відключення зварювальних машин: спочатку по однієї, потім – всі варіанти відключення двох, трьох машин і т.д. Наприклад, перша ступінь функції розподілу (крапка 1 на рис. 1) буде відповідати випадку, коли відключена одна машина з номером , що викликає найменше зниження напруги наприкінці мережі. Імовірність цього випадку:
.
        Процес триває доти, поки не буде досягнута умова:
,
        де k - кількість розрахованих сходів функції розподілу;
        - коефіцієнт запасу, що враховує необхідність розрахунку ділянки функції розподілу з певним запасом. Це пов'язано з тим, що неможливо без виконання розрахунків визначити при якій кількості і яких саме включених зварювальних машин одержимо чергову ступінь функції розподілу.
        Далі отриману частину ступенів функції розподілу необхідно впорядкувати по зростанню напруги до найбільш віддаленої від джерела живлення МТКЗ і визначити напругу на ній з імовірністю .

Рисунок 1 - Функція розподілу напруг
        Для такого підходу необхідне застосування спеціально розробленої програми для визначення струмів і напруг кожної ділянки мережі при будь-якій кількості підключених одно-, двох- і трифазних машин різної потужності уздовж шинопровода.
        Вихідними даними для цієї програми є номінальні потужності зварювальних машин , активні й реактивні питомі опори шинопровода і , номінальна напруга , коефіцієнт потужності та відстань L від МТКЗ до джерела живлення. Розрахунок зручніше виконати одним з матричних методів. У програмі застосований метод розрахунку за законами Ома й Кірхгофа. Запропоновано алгоритм автоматичного формування необхідних для розрахунку матриць з'єднань П, контурів Г, а також матриці опорів Z, вектора ЕРС E і вектора джерел струму . Рішення системи лінійних рівнянь у матричному виді:

       дає напруги U й струми I ділянок мережі.

       Далі наведено графічне моделювання мережі та ймовірна зміна рівня напруги на затискачах МТКЗ, які отримають живлення від нерозгалуженого шинопроводу на напрузі 380 В. Програма забезпечує розрахунок напруг на машинах точкової контактної зварки (одно-, двох- і трифазних) при будь-якому їх підключенні до шинопроводу.

        Висновки

       Запропоновано новий, теоретично обґрунтований метод рішення завдання визначення імпульсу навантаження й розрахункової втрати напруги із програмою розрахунку напруг на затискачах МТКЗ, які живляться від нерозгалуженого шинопровода з напругою 380 В.
       Практичне значення роботи полягає в тому, що даний метод розрахунку навантажень МТКЗ дозволяє досить швидко й з необхідною точністю зробити розрахунок навантажень для будь-яких типів зварювальних машин і автоматичних потокових ліній, вибрати основні елементи мережі (перетин живильної лінії, силовий трансформатор), що забезпечують припустиму втрату напруги в них.

        Перелік посилань

1. Каялов Г.М. Определение расчетных нагрузок промышленных электрических сетей по методу упорядоченных диаграмм нагрузок // Материалы научно-технического совещания по определению электрических нагрузок и регулированию напряжения промышленных предприятий. Госэнергоатомиздат, 1958, вып.3.-c.14-16
2. Мешель Б.С. Применение математической статистики для определения электрических нагрузок промышленных предприятий. Энергосбыт Киевэнерго, Киев, 1958.-128 c.
3. Руководящий технический материал. Указания по расчету электрических нагрузок: РТМ 36.18.32.4-92: Утв. ВНИПИ Тяжпромэлектропроект: Введен с 01.01.93 // Инструктивные и информационные материалы по проектированию электроустановок. – М.: ВНИПИ Тяжпромэлектропроект. – 1992. – № 6-7. – с. 4-27
4. Жохов Б.Д. Анализ причин завышения расчетных нагрузок и возможной их коррекции // Промышленная энергетика. – 1989. – №7. – с.17-21
5. Каялов Г.М. Принцип максимума средней нагрузки в расчетах электрических сетей. ИВУЗ, Электромеханика, 1964.- №3.-c.8-11
6. Штейнике Г.А. Применение теории вероятностей и математической статистики для определения электрических нагрузок точечных машин контактной сварки. Труды Горьковского политехнического института, 1961, т.XVII, вып.2
7. Вагин Г.Я. Исследование режимов работы и расчет пиковых нагрузок машин контактной электросварки. //Электрические сети и системы, Межведомственный республиканский научно-технический сборник, 1970, вып.7. -c.8-10
8. Муха В.П. Вопросы теории и расчета электрических нагрузок и потерь напряжения в сетях контактной электросварки. // Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Ростовский-на-Дону институт инженеров железнодорожного транспорта, 1975.-204 c.
9. Мукосеев Ю.Л., Вагин Г.Я., Червонный Е.М. Расчет суммарной нагрузки машин контактной сварки методом статистического моделирования на ЦВМ. // Электричество. 1972,- №6.-c.1-9
10. Adams C., Fetcher J., Johnson A. The design of low-voltage welding power distribution // Tr. AIEE. - 1944. - v. 63 - p. 571-577
11. Adler H.A., Miller K.W., A new approach to probability problems in electrical engineering // Tr. AIEE. - 1946. - v. 65 - p. 630-632
12. Вагин Г.Я. Режимы электросварочных машин. -М.: Энергия, 1975.-189 c.