Матеріали до теми випускної роботи: Про автора
Машини точкового контактного зварювання (МТКЗ) широко використовуються в промисловості та на їх частку доводиться більш ніж 40% всіх зварних з'єднань. МТКЗ великої потужності, працюючи у повторно-короткочасному режимі, спричиняють серйозні труднощі при живленні їх електричною енергією, тому, що вони створюють графіки навантаження у вигляді прямокутних піків і пауз, що чергуються протягом зварювання і характеризуються короткими (до декількох періодів) імпульсами струму, що досягають сотен Ампер при малих коефіцієнтах включення і відповідно малих коефіцієнтах використання встановленої потужності. У цих випадках основним вимогам до магістральної цехової мережі є забезпечення на виводах будь-який включеній машини номінальної напруги, для того, щоб виключити непровар контакту, тобто брак продукції.
Актуальність даної розробки, обумовлена тим що при швидко зростаючому застосуванні контактної електрозварки, встає необхідність знизити капітальні витрати на мережу, що живить групу машин контактного зварювання, шляхом розробки більш точного методу для розрахунку пікових струмів і відхилення напруги на затискачах МТКЗ, тому, що існуюча методика спирається на приблизний розрахунок пікових струмів і відхилення напруг, що призводить до похибки і необхідності вибирати живильну мережу з певним запасом при цьому збільшуються капітальні витрати на саму мережу.
Мета роботи підвищення ефективності системи електропостачання групи машин контактного зварювання за рахунок зниження капітальних витрат на мережу за умови забезпечення необхідного рівня напруги шляхом розробки більш точного методу визначення пікових струмів і втрат напруги.
Початок розвитку теорії навантажень в СРСР покладено в роботах Тихонова В.П., Копитова Н.В., Каялова Г.М., Лівшиця Д.С., Мукосеева Ю.Л. та ін.. У 1961р. ГПІ «Тяжпромелектропроект» були випущені "Тимчасові керівні вказівки за визначенням електричних навантажень промислових підприємств", в основу яких покладено метод упорядкованих діаграм. Слід відзначити, що всі запропоновані методи розрахунку можуть бути застосовані до основних загальнопромислових установок, які мають відносно рівномірний графік 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 та їх частоти були закладені в методі імовірнісного моделювання графіка навантаження Каялова Г.М. [4], а потім розвинуто в роботах Курінного Е.Г.. Цьому питанню присвячені також роботи Штейніке Г.А. [6], Вагіна Г.Я. [7] і Мухи В.П [8].
В [8] запропоновано метод визначення відхилень напруги на затискачах МТКС із заданою 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 в даному напрямку, слід відзначити роботи Адамса А., Фішера Д., Джонсона А. [10], Міллера К. [11].
При розрахунку електричних навантажень у мережах контактного електрозварювання визначаються наступні значення навантажень:
- ефективне (середньо квадратичне) - для вибору мереж за нагрівом й вибору засобів компенсації реактивної потужності;
- пікове - 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 його 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.
Одним з методів розрахунку пікових навантажень електрозварювальних машин є метод, в основу якого покладена двоступінчаста впорядкована діаграма [3].
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 [1] 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 двоступеневої моделі є впорядкована діаграма (ВД) навантажень машин, що враховує як імпульсів, так і відносні тривалості . Двоступенева 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 похибку, 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 двоступеневій 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.
Розрахунок відхилення напруги заснован на використанні впорядкованої діаграми втрат напруги та її двоступеневої моделі (як і при визначенні розрахункового піку навантаження). У цьому випадку замість струму i-ої зварювальної машини 
, буде братися втрата напруги від джерела живлення до її затискачів. Вважається, що напруга на шинах джерела живлення дорівнює номінальній.
Втрата напруги на ділянці мережі у відсотках:
,
де - зварювальний струм i-ої зварювальної машини, А;
- довжина ділянки мережі від шин ТП до точки підключення зварювальної машини, км;
- питомий активний і індуктивний опір мережі, до якої підключена зварювальна машина, Ом / км
- коефіцієнти електричного навантаження i-ої машини;
a - коефіцієнт, який враховує тип зварювальних машин: однофазні, включені на лінійну напругу; двофазні, включені між двома лінійними напругами, наприклад між 
і 
, і трифазні.
| Тип машин | AB | BC | CA |
| Однофазні AB | 2 | 0,5 | 0,5 |
| BC | 0,5 | 2 | 0,5 |
| CA | 0,5 | 0,5 | 2 |
| Двофазні AB,BC | 2,4 | 2,4 | 1,73 |
| AB,CA | 2,4 | 1,73 | 2,4 |
| BC,CA | 1,73 | 2,4 | 2,4 |
| Трифазні ABC | 1,73 | 1,73 | 1,73 |
Таблиця 1 – Значення коефіцієнта а для зварювальних машин
З рівності площ впорядкованої діаграми та її двоступеневої моделі знаходиться кількість зварювальних машин, що створюють максимальну втрату напруги
,
звідки 
Розрахункова втрата напруги визначається за формулою: 
Тут 
, 
- максимальне і мінімальне значення втрати напруги.
Величини 
і 
знаходяться по залежностям: 
і 
Дана методика [7] розрахунку втрати напруги дає певне завищення, що забезпечує фактично більш високий рівень напруги на затискачах зварювальної машини.
Одним з методів розрахунку величини, частоти і тривалості окремих ступеней сумарного графіка навантаження є метод статистичного моделювання графіків навантаження на ЕОМ [1].
Метод дозволяє отримати велику кількість реалізацій сумарного графіка навантаження при зміні в кожній реалізації моментів включення машин за випадковим законом. У результаті розрахунку проектувальник отримує дані з величини, тривалості і частоті ступеней пікового струму групового графіка навантаження. Знаючи ці дані, можна розрахувати коливання напруги в мережі і 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 в різко змінному режимі (дугові печі, прокатні стани, преси, кранові двигуни і т.д.).
Робота [13] присвячена визначенню розрахункового електричного навантаження за нагрівом електричної мережі, яка живить групу машин контактного зварювання. У методі прийнято допущення про рівність коефіцієнтів потужності всіх зварювальних машин, тому розрахунок проводиться за повними навантаженнями зварювальних машин. Потужності одно й двофазних зварювальних машин приводяться до потужностей трифазних зварювальних машин за допомогою відповідних коефіцієнтів. Розрахункове навантаження за нагрівом приймається рівним ефективному навантаженню групи зварювальних машин. Розглядаються випадки різних режимів роботи МТКЗ: незалежний, по черзі і одночасно. Розрахункове навантаження за нагрівом визначено таким чином, що є дещо менше фактичного оскільки не враховується дисперсія температури перегріву провідника.
У роботах [14,15] розрахунок пікових навантажень і втрат напруги також ведеться по повній потужності. На відміну від діючих вказівок, пропонується визначати замість числа одночасно включених зварювальних машин, кількість зварювальних машин, тривалість одночасної роботи яких становить 40% часу зварювання (часу формування литого ядра, протягом якого напруга на затискачах МКЗ не повинна знижуватися нижче допустимої). Такий підхід призводить до зменшення розрахункового значення пікового навантаження у порівнянні з діючими вказівками. Перевагою методу є врахування тривалості одночасного включення зварювальних машин. Розглянуті методи, як і діючі вказівки, базуються на наближеному розрахунку потужностей (у діючих вказівках - струмів), які протікають на ділянках мережі, що може призводити до похибки. Крім того, в цих роботах передбачається, що коефіцієнти потужності зварювальних машин однакові. Наведені в статтях приклади дозволять зіставити запропоновані їх автором методи і ті , що розробляються в магістерській роботі, оцінити вплив прийнятих припущень на точність визначення пікових струмів і втрат напруги.
У статті [16] запропоновано метод розрахунку втрат напруги в розгалужених петльових мережах електропостачання групи зварювальних машин. Розрахунок базується на послідовному спрощенні схеми заміщення електричної мережі для електрично найбільш віддаленої машини контактного зварювання. Метод є трудомістким, оскільки вимагає виконання численних перетворень схеми заміщення, його не можна зіставити з методом, що розробляється в магістерській роботі, який поки що дозволяє виконати розрахунок тільки для нерозгалуженого шинопровода.
У [17] з метою скорочення обсягу розрахунків запропоновано визначення меж інтервалів можливих значень пікових струмів і втрат напруги за граничними (максимальною і мінімальною) функціями розподілу. Запропоновано рішення задачі для випадку живлення групи зварювальних машин, підключених до нерозгалуженого шинопроводу. У методі забезпечений розрахунок струмів і напруг у всіх гілках мережі для будь-якої групи зварювальних машин та перебір всіх варіантів ввімкнення зварювальних машин з визначенням їх ймовірності.
Для обчислення струмів і напруг усіх гілок електричної мережі застосовані закони Ома і Кірхгофа. Оскільки при розрахунку функції розподілу пікових струмів і втрат напруги визначення струмів і напруг необхідно виконувати багатократно для різних груп ввімкнених зварювальних машин, що відрізняються кількістю фаз, потужністю, відстанню від джерела живлення, розроблений алгоритм автоматичного формування матриць з’єднань, контурів, опорів, вектора ЕРС.
Ідея метода полягає в тому, що з метою зменшення кількості сходинок на функціях розподілу всі зварювальні машини розподіляються на 7 груп (розрядів) в залежності від кількості фаз та до яких фаз підключена зварювальна машина:
- однофазні, підключені до фаз АB; BC; CA – три групи;
- двохфазні, підключені до фаз AB, BC; BC, CA; CA, AB - три групи;
- трифазні ABC.
При розрахунку функції розподілу надалі розглядатимуться не всі можливі комбінації ввімкнення зварювальних машин, а всі можливі комбінації ввімкнення різної кількості машин з груп, це забезпечує зменшення кількості сходинок на функції розподілу. При виконанні розрахунку для отримання абсцис граничних (максимальної і мінімальної) функцій розподілу пікових струмів та втрат напруг для кожної комбінації кількості ввімкнених машин з групи розрахунок виконуватиметься двічі: для найбільш потужних зварювальних машин з кожної групи – отримаємо максимальну функцію розподілу та для зварювальних машин найменшої потужності – ця інформація необхідна для мінімальної функції розподілу.
Алгоритм метода:
- всі МКЗ розподіляються за фазами мережі, що їх живить;
- виконується розподіл МКЗ за групами в залежності від кількості фаз та від того, на яку лінійну напругу підключена зварювальна машина;
- у кожній групі зварювальні машини сортуються за зростанням потужності;
- розраховується функція розподілу кількості ввімкнених машин і за нею визначається кількість одночасно ввімкнених машин, ймовірність перевищення якої не більша за задану граничну ймовірність ;
- розраховуються пікові струми та втрати напруг для всіх можливих варіантів ввімкнення зварювальних машин з сформованих груп при загальній кількості машин від 1 однієї до . Причому пікові струми та втрати напруги розраховуються для двох граничних випадків: коли з групи ввімкнута певна кількість зварювальних машин найбільшої потужності та найменшої (відповідно для максимальної та мінімальної функції розподілу). Результати розрахунків (пікові струми, втрати напруги разом з ймовірністю їх виникнення) зберігаються у відповідних масивах;
- виконується впорядкування результатів розрахунків за зростанням пікових струмів та втрат напруги та розраховуються ділянки максимальних і мінімальних функцій розподілу цих величин (для кількості ввімкнених зварювальних машин від 1 до ) із врахуванням сходинки функції розподілу, що відповідає випадку, коли всі зварювальні машини відключені;
- за отриманими функціями розподілу визначаються максимальні розрахункові (за мінімальною та максимальною граничними функціями розподілу) значення пікових струмів та втрат напруги.
Таким чином, запропонований метод дозволяє отримати цілком достовірний діапазон максимальних розрахункових значень пікових струмів та втрат напруг у мережі, що живить групу машин контактної зварки з заданою граничною ймовірністю.
У магістерській роботі передбачається вдосконалення і тестування запропонованого в роботі [17] методу. Модифікація алгоритму буде полягати в тому що при розрахунку ділянок функцій розподілу пікових струмів і втрат напруги з кожної групи зварювальних машин для розрахунку втрат напруги і пікових струмів будуть вибиратися зварювальні машини випадковим чином, на відміну від запропонованого раніше методу в якому для розрахунку граничних функцій розподілу бралися машини найменшої (для мінімальної функції розподілу) або найбільшої (максимальна функція розподілу) потужності. Правомірність такого підходу може бути доведена для відносно невеликого числа зварювальних машин (16-20), оскільки при збільшенні числа зварювальних машин виникає необхідність розгляду велику кількість варіантів їх одночасного включення і розрахунок вимагає значних витрат часу. У роботі передбачається зіставлення ефективності і точності запропонованого методу з діючими вказівками [3] та методами запропонованими в [2,13-16].
