Материалы по теме выпускной работы: Об авторе | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | | Индивидуальный раздел
Машины точечной контактной сварки (МТКС) широко используются в промышленности, и на их долю приходится более 40% всех сварочных соединений. МТКС большой мощности, работая в повторно-кратковременном режиме, вызывают серьезные трудности при питании их электрической энергией, т.к. они создают графики нагрузки в виде чередующихся прямоугольных пиков в течение сварки и пауз и характеризуются короткими (до нескольких периодов) импульсами тока, достигающими сотни ампер при малых коэффициентах включения и, соответственно, малых коэффициентах использования установленной мощности. В этих случаях основным требованием к магистральной цеховой сети является обеспечение на выводах любой включенной машины номинального напряжения, для того, чтобы исключить непровар контакта, т.е. брак продукции.
Актуальность данной разработки, обусловлена тем, что при быстро растущем применении контактной электросварки, встает необходимость снизить капитальные затраты на сеть, питающую группу машин контактной сварки, путем разработки более точного метода для расчета пиковых токов и отклонения напряжения на зажимах МТКС, т.к. существующая методика опирается на приблизительный расчет пиковых токов и отклонения напряжений, что приводит к погрешности и необходимости выбирать питающую сеть с некоторым запасом при этом завышаются капитальные затраты на саму сеть.
Цель работы повышение эффективности системы электроснабжения группы машин контактной сварки, за счет снижения капитальных затрат на сеть, при условии обеспечения требуемого уровня напряжения, путем разработки более точного метода определения пиковых токов и потерь напряжения
Начало развития теории нагрузок в СССР положено в работах Тихонова В. П. ,Копытова Н. В., Каялова Г. М., Лившица Д. С., Мукосеева Ю. Л. и другие. В 1961г. ГПИ «Тяжпромэлектропроект» были выпущены “Временные руководящие указания по определению электрических нагрузок промышленных предприятий”, в основу которых положен метод упорядоченных диаграмм. Cледует отметить, что все предложенные методы расчета могут быть применены к основным общепромышленным установкам, имеющим относительно равномерный график нагрузки, что не характерно для машин контактной электросварки. При проектировании электроснабжения этих потребителей возникает необходимость в определении пиковых нагрузок и потерь напряжения в питающих их сетях.
Основы определения величины пиков различной продолжительности и их частоты были заложены в методе вероятностного моделирования графика нагрузки Каялова Г. М. [5], а затем развиты в работах Куренного Э. Г. Этому вопросу посвящены также работы Штейнике Г. А. [7], Вагина Г. Я. [7] и Мухи В. П. [8].
В [8] предложен метод определения отклонений напряжения на зажимах МТКС с заданной вероятностью.
Кроме указанных выше работ с методами аналитического расчета электрических нагрузок, использующих теорию вероятностей, разработаны также методы статистического моделирования [9].
Из зарубежных авторов, работавших в данном направлении, следует отметить работы Адамса А., Фишера Д., Джонсона А. [10], Миллера К. [11].
При расчете электрических нагрузок в сетях контактной электросварки определяются следующие значения нагрузок:
- эффективная (средняя квадратическая) – для выбора сетей по нагреву и выбора средств компенсации реактивной мощности;
- пиковая – для проверки выбранных сетей по потере напряжения, на динамические усилия, на перегрев, для определения колебаний напряжения и выбора защиты сетей.
Так как большинство сварочных машин являются однофазными и двухфазными, то для более экономичного использования сетей необходимо оптимальное распределение машин по парам фаз трехфазной сети (внутреннее симметрирование). Методы расчета пиковой нагрузки от электросварочных машин зависят от степени ее воздействия на различные элементы сети. Эти воздействия могут проявляться мгновенно или за некоторый промежуток времени 
.
При оценке по мгновенным значениям за пик нагрузки принимается максимальная ордината графика нагрузки. При интегральной оценке за пик нагрузки длительностью принимается максимальное значение эффективной 
(для оценки перегрева сетей и трансформаторов от пиковых токов) или средней 
(для выбора защиты сетей и оценки влияния пиков на системы управления, защиты и сами электроприемники) нагрузки.
Пиковая нагрузка электросварочных машин лежит в пределах: 
, где 
– максимальный расчетный пик.
В основу действующих указаний по расчету максимальных токов и потерь напряжений в сетях питающих установки контактной сварки [3] положен метод, в котором расчет выполняется по двухступенчатой упорядоченной диаграмме индивидуальных нагрузок электросварочных машин
Максимальный пик тока определяется по суммарной нагрузке машин, совпавших по времени в работе (с определенной вероятностью). При условно зафиксированном числе m одновременно включенных машин их суммарный импульс тока 
- случайная величина, распределение которой определяется совокупностью различных наборов индивидуальных импульсов (принято, что каждая машина имеет цикл сварки только с одним прямоугольным импульсом тока) 
и коэффициентов включения 
отдельных машин в заданной группе. Согласно общему принципу максимальной модели [1] расчет вероятного максимума 
заменен более простым. Эта модель заменяет заданную группу машин эквивалентной ей с тем же числом машин, но только с двумя значениями импульсов тока. Благодаря этому возможные значения случайной величины 
для эквивалентной группы оказываются одинаковыми, так, что 
становится детерминированной величиной. Это позволяет надежно определять 
по соответствующим 
стандартным графикам.
Основой двухступенчатой модели является упорядоченная диаграмма (УД) нагрузок машин, которая учитывает как импульсов, так и относительные длительности . Двухступенчатая модель получается путем приведения УД к простейшей форме, включающей импульсы только двух типов: от 
машин с наибольшим индивидуальным импульсом 
и 
с наименьшим расчетным импульсом . Это исключает погрешность, которая может возникнуть при наличии в группе лишь нескольких малых машин, практически не влияющих на . При этом значение основного параметра модели определяется условием равенства ее площади и площади исходной УД:
, откуда: 
.
Замена исходной группы машин группой, отвечающей двухступенчатой модели, обеспечивает некоторый запас надежности в расчетном значении максимального импульса групповой нагрузки. Последнее определяется по формуле: 
,
где и - расчетные числа одновременно работающих машин, определенные по стандартным графикам – соответственно для всего числа машин n при 
и для числа машин при 
, причем 
есть среднее значение 
для наибольшей группы машин.
При таком методе расчета достигается большая точность определения максимального пика нагрузки с весьма малой вероятностью его превышения, однако невозможно оценить влияние этого пика на динамическую устойчивость и перегрев элементов сети, потери и колебания напряжения и другие факторы.
Расчет отклонения напряжения основан на использовании упорядоченной диаграммы потерь напряжения и ее двухступенчатой модели (как и при определении расчетного пика нагрузки). В этом случае вместо тока i-ой сварочной машины 
, берется потеря напряжения от источника питания до ее
зажимов. Считается, что напряжение на шинах источника питания равно номинальному.
Потеря напряжения на участке сети в процентах:
,
где - сварочный ток i-ой сварочной машины, А; 
- длина участка сети от шин ТП до точки подключения сварочной машины, км;
- удельное активное и индуктивное сопротивления сети, к которой
подключена сварочная машина, Ом/км
- коэффициенты электрической нагрузки i-ой машины;
a - коэффициент, который учитывает тип сварочных машин: однофазные,
включенные на линейное напряжение; двухфазные, включенные между двумя линейными напряжениями, например между 
и 
, и трехфазные.
| Тип машин | AB | BC | CA |
| Однофазные AB | 2 | 0,5 | 0,5 |
| BC | 0,5 | 2 | 0,5 |
| CA | 0,5 | 0,5 | 2 |
| Двухфазные AB,BC | 2,4 | 2,4 | 1,73 |
| AB,CA | 2,4 | 1,73 | 2,4 |
| BC,CA | 1,73 | 2,4 | 2,4 |
| Трехфазные ABC | 1,73 | 1,73 | 1,73 |
Таблица 1– Значение коэффициента а для сварочных машин
Из равенства площадей упорядоченной диаграммы и ее двухступенчатой модели находится количество сварочных машин, создающих максимальную потерю напряжения
откуда 
Расчетная потеря напряжения определяется по формуле:
Здесь 
, 
- максимальное и минимальное значение потери напряжения.
Величины 
и 
находятся по зависимостям: 
и 
Данная методика расчета потери напряжения дает некоторое завышение, что обеспечивает фактически более высокий уровень напряжения на зажимах сварочной машины.
Одним из методов расчета величины, частоты и продолжительности отдельных ступеней суммарного графика нагрузки является метод статистического моделирования графиков нагрузки на ЭВМ [1].
Метод позволяет получить большое число реализаций суммарного графика нагрузок при изменении в каждой реализации моментов включения машин по случайному закону. В результате расчета проектировщик получает данные о величине, продолжительности и частоте ступеней пикового тока группового графика нагрузки. Зная эти данные, можно рассчитать колебания напряжения в сети и выбрать аппараты защиты групповых сетей.
Этот метод позволяет рассчитывать пиковые нагрузки машин с любой формой графиков нагрузки, а также может быть использован для расчета пиковых нагрузок от любых электроприемников, работающих в резко переменном режиме (дуговые печи, прокатные станы, прессы, крановые двигатели и т.д.).
Работа [13] посвящена определению расчетной электрической нагрузки по нагреву электрической сети, питающей группу машин контактной сварки. В методе принято допущение о равенстве коэффициентов мощности всех сварочных машин, потому расчет ведется по полным нагрузкам сварочных машин. Мощности одно и двуфазных сварочных машин приводятся к мощностям трехфазных сварочных машин с помощью соответствующих коэффициентов. Расчетная нагрузка по нагреву принимается равной эффективной нагрузке группы сварочных машин. Рассматриваются случаи различных режимов работы МКС: независимый, по очереди и одновременный. Расчетная нагрузка по нагреву определенная таким образом, получается несколько меньше фактической, поскольку не учитывается дисперсия температуры перегрева проводника.
В работах [14,15] расчет пиковых нагрузок и потерь напряжения также ведется по полным мощностям. В отличие от действующих указаний, предлагается определять вместо числа одновременно включения сварочных машин, количество сварочных машин, длительность одновременной работы которых составляет 40% времени сварки (времени формирования литого ядра, в течении которого напряжение на зажимах МКС не должно снижаться ниже допустимого). Такой подход приводит к уменьшению расчетного значения пиковой нагрузки по сравнению с действующими указаниями. Достоинством метода является учет длительности одновременного включения сварочных машин. Рассматриваемые методы, как и действующие указания, базируются на приближенном расчете мощностей (в действующих указаниях - токов) протекающих на участках сети, что может приводить к погрешности. Кроме того, в этих работах предполагается, что коэффициенты мощности сварочных машин одинаковы. Приведенные в статьях примеры позволят сопоставить предложенные их автором методы и разрабатываемые в магистерской работе, оценить влияние принятых допущений на точность определения пиковых токов и потерь напряжения.
В статье [16] предложен метод расчета потерь напряжения в разветвленных петлевых сетях электроснабжения группы сварочных машин. Расчет базируется на последовательном упрощении схемы замещения электрической сети для электрически наиболее удаленной машины контактной сварки. Метод является трудоемким, поскольку требует выполнения многочисленных преобразований схемы замещения, его нельзя сопоставить с разрабатываемым в магистерской работе методом, который пока позволяет выполнить расчет только для неразветвленного шинопровода.
В [17] с целью сокращения обьема расчетов предложено определение пределов интервалов возможных значений пиковых токов и потери напряжения по граничным (максимальной и минимальной) функциям распределения. Предложено решение задачи для случая питания группы сварочных машин, подключенных к неразветвленному шинопроводу. В методе обеспечен расчет токов и напряжения во всех ветвях для какой-либо группы сварочных машин и перебор всех вариантов включения сварочных машин с определением их вероятности.
Для вычисления токов и напряжений всех ветвей электрической сети применяются законы Ома и Кирхгофа. Поскольку при расчете функции распределения пиковых токов и потерь напряжения определение токов и напряжения необходимо выполнять многократно для разных групп включенных сварочных машин, отличающихся количеством фаз, мощностью, расстоянием от источника питания, разработан алгоритм автоматического формирования матриц соединений, контуров, сопротивлений, вектора ЭДС.
Идея метода граничных функций распределения состоит в том, что с целью уменьшения количества ступей на функциях распределения все сварочные машины делятся на 7 групп (разрядов) в зависимости от количества фаз и к каким фазам подключена сварочная машина:
- однофазные, подключенные к фазам АB; BC; CA - три группы;
- двухфазные, подключенные к фазам AB, BC; BC, CA; CA, AB - три группы;
- трехфазные ABC.
При расчете функций распределения в дальнейшем будут рассматриваться не все возможные комбинации включения сварочных машин, а все возможные комбинации включения разного количества машин из групп, это обеспечивает уменьшение количества ступеней на функции распределения. При выполнении расчета для получения абсцисс предельных (максимальной и минимальной) функций распределения пиковых токов и потери напряжения для каждой комбинации количества включенных машин из группы расчет выполняться дважды: для наиболее мощных сварочных машин из каждой группы - получается максимальная функция распределения и для сварочных машин наименьшей мощности - эта информация необходима для минимальной функции распределения.
Алгоритм метода:
- Все МКС распределяются по фазам сети,которые их питают.
- Выполняется распределение МКС по группам в зависимости от количества фаз и от того, на какое линейное напряжение подключена сварочная машина;
- В каждой группе сварочные машины сортируются по возрастанию мощности;
- Рассчитывается функция распределения количества включенных машин и по ней определяется количество одновременно включенных машин, вероятность превышения которой не больше заданной предельной вероятности ;
- Рассчитываются пиковые токи и потери напряжения для всех возможных вариантов включения сварочных машин из сформированных групп при общем количестве машин от 1 до . Причем пиковые токи и потери напряжения рассчитываются для двух предельных случаев: когда из группы включено определенное количество сварочных машин наибольшей мощности и наименьшей (соответственно для максимальной и минимальной) функции распределения. Результаты расчетов (пиковые токи, потери напряжения вместе с вероятностью их возникновения) хранятся в соответствующих массивах;
- Выполняется сортирование результатов расчетов по возрастанию пиковых токов и потерь напряжения и рассчитываются участки максимальных и минимальных функций распределения этих величин (для количества включенных сварочных машин от 1 до ) с учетом ступени функции распределения, что соответствует случаю, когда все сварочные машины отключены;
- По полученным функциями распределения определяются максимальные расчетные (по минимальной и максимальной предельным функциям распределения) значение пиковых токов и потерь напряжения.
Таким образом, предложенный метод позволяет получить достоверный диапазон максимальных расчетных значений пиковых токов и потери напряжения в сети, питающей группу машин контактной сварки с заданной граничной вероятностью.
В магистерской работе предполагается усовершенствование и тестирование предложенного в работе [17] метода. Модификация алгоритма будет заключаться в том, что при расчете участков функций распределения пиковых токов и потерь напряжения из каждой группы сварочных машин для расчета потерь напряжения и пиковых токов будут выбираться сварочные машины случайным образом, в отличии от предложенного ранее метода в котором для расчета граничных функций распределения брались машины наименьшей (для минимальной функции распределения) или наибольшей (максимальная функция распределения) мощности. Правомерность такого подхода может быть доказана для относительно небольшого числа сварочных машин (16-20) поскольку при увеличении числа сварочных машин возникает необходимость рассмотрения большого количества вариантов их одновременного включения и расчет требует значительных затрат времени. В работе предполагается сопоставление эффективности и точности предлагаемого метода с действующими указаниями [3] и методами предложенными [2,13-16].
На рисунке 1 показан результат расчета максимальных токов и потерь напряжения для группы сварочных машин.
