Реферат


Вступ

Машини точкового контактного зварювання (МТКЗ) мають широке поширення в промисловості. Однак існує ряд проблем, пов'язаних з проектуванням мереж живлення МТКЗ, а так само їх експлуатацією. Завдяки тому, що ці машини мають мале значення коефіцієнта включення і великі навантаження, то у випадку одночасного включення, вони створюють в електричних мережах значні пікові навантаження і коливання напруги. Отже, живляча мережа повинна відповідати двом умовам: 1) допустимого нагріву, 2) допустимої втрати напруги.

Забезпечення на виводах будь-якої включеної машини номінальної напруги, є основною умовою, оскільки головним чином впливає на технологічний процес і якість зварювання. Залежність якості зварювання від рівня напруги показана на рисунку 1.



Рисунок 1 – Залежність зусиль розриву точок від напруги при точковому зварюванні виробів зі сталі 08кп при товщині деталей 0,8 + 0,8 мм (а), 1 + 1 мм (б), 1,5 + 1,5 (в), 2,5 + 2,5 мм (г)

Актуальність даної розробки пов'язана з інтенсивним застосуванням МТКЗ, що призводить до необхідності використання більш точних методик розрахунку втрат напруги і пікових струмів, так як існуючі методи ґрунтуються на приблизних розрахунках. Застосування більш точного методу забезпечить зменшення капітальних витрат на живильну мережу.

Мета роботи – розробка більш точного методу розрахунку втрат напруги і пікових струмів для розгалуженої мережі, яка живить групу машин точкового контактного зварювання, з метою зниження капітальних витрат на мережу при забезпеченні необхідного рівня напруги у мережі.


Огляд літературних джерел

Розвиток теорії навантажень був виконаний у роботах Тихонова В.П., Каялова Г.М., Лівшиця Д.С., Мукосеева Ю.Л. та ін. У них були запропоновані два методи визначення розрахункових навантажень: статистичний метод [1] та метод впорядкованих діаграм [2]. Обидва методи ґрунтувалися на теоретичному аналізі графіків навантаження за допомогою імовірнісних кривих розподілу, а так само на обробці даних, отриманих шляхом досліджень у діючих заводських мережах.

У “Тимчасових керівних вказівках з визначення електричних навантажень промислових підприємств", які були випущені у 1961 р., за основу був узятий метод упорядкованих діаграм. На сьогоднішній день чинні вказівки по розрахунку навантажень [3], ґрунтуються на модифікованому статистичному методі [4]. Варто відзначити, що метод упорядкованих діаграм та модифікований статистичний не можуть застосовуватися для машин контактного зварювання, так як вони створюють нерівномірний графік навантаження. Крім того, необхідно розраховувати втрати напруги в мережах живлення та визначати пікові навантаження.

Способи визначення величини пікових навантажень та їх тривалості були описані в методі імовірнісного моделювання графіка навантаження Каялова Г.М. [5], а потім розвинені в роботах Курінного Е.Г. Так само над цим питанням працювали Штейніке Г.А. [6] і Вагін Г.Я. [7].

У роботі Мухи В.П. [8], був запропонований метод визначення відхилення напруги на затискачах МТКЗ та розрахунку пікових навантажень в мережі живлення машин точкової контактної зварки із заданою вірогідністю.

Крім методів аналітичного розрахунку електричних навантажень розроблені методики статистичного моделювання [9].


Теоретичне обґрунтування аналітичного методу розрахунку максимальних струмів і втрат напруги в мережі живлення МТКЗ

Для визначення пікових навантажень у Вказівках [15], а так само в роботі Мухи В.П. [8], застосовується двоступінчаста максимальна модель, в якій максимальний пік струму визначається за сумарним навантаженням машин, час роботи яких співпав з певною ймовірністю.

При умовно зафіксованому числі одночасно включених машин m їх сумарний імпульс струму Im є випадковою величиною. Розподіл цієї величини визначається сукупністю різних наборів індивідуальних імпульсів Ir і коефіцієнтів включення kВr окремих машин в заданій групі.

Згідно із загальним принципом максимальної моделі [10] розрахунок ймовірного максимуму Ix = Im.max = F(ex) замінений більш простим. Ця модель замінює задану групу машин еквівалентної їй з тим же числом машин, але тільки з двома значеннями імпульсів струму.

В основу двоступеневої діаграми покладена впорядкована векторна діаграма (ВД) навантажень машин. Вона враховує імпульси Ir і тривалість вмикання kВr. Таку модель отримують шляхом приведення впорядкованої діаграми до найпростішої форми, що враховує імпульси двох видів: від n1 машин з найбільшим імпульсом і (n - n1) з найменшим розрахунковим імпульсом.

Значення основного параметра моделі визначається умовою рівності її площі і площі вихідної ВД:



де: .


Рисунок 2 – Впорядкована діаграма струмів МТКЗ і її двоступенева модель

Величина розрахункового піка визначається за формулою:



де mx1 – розрахункова кількість одночасно працюючих машин з найбільшим індивідуальним імпульсом (рис.3);
mx – знаходиться за рисунком 3 в залежності від і n

Рисунок 3 – Залежність розрахункового максимуму mx числа одночасно увімкнених машин від їх загальної кількості n при різних значеннях

Визначення максимальної втрати напруги засновано на методі фіктивних навантажень, відповідно до якого сумарна втрата напруги в мережі в будь-який момент часу обумовлюється числом машин, що співпали в роботі і втратами напруги, створюваними роботою кожної машини.

Оскільки втрата напруги в мережі від роботи однієї машини пропорційна її струмовому навантаженню, її можна розглядати як фіктивне навантаження цієї машини. Це дозволяє вести розрахунок сумарної максимальної втрати напруги аналогічно розрахунку пікового струмового навантаження.

Втрати напруги, що створює окрема машина:



де – коефіцієнт, що враховує сумарні втрати напруги в живильних лініях від навантажень різних фаз машин (таб. 1);

Таблиця 1 – Значення коефіцієнта для зварювальних машин.

Тип машини Розрахункові фази
  AB BC CA
однофазні
AB 2 0,5 0,5
BC 0,5 2 0,5
CA 0,5 0,5 2
двуфазні
AB,BC 2,4 2,4 1,73
AB,CA 2,4 1,73 2,4
BC,CA 1,73 2,4 2,4
трьофазні
ABC 1,73 1,73 1,73




де rтр, xтр – активний і реактивний опір трансформатора, r0l, x0l – активний і реактивний опори ділянки електричної мережі від джерела живлення до МТКЗ.

Усереднена втрата напруги від окремої зварювальної машини:



Усереднена втрата напруги у живильній мережі від групи зварювальної машини:



Середній коефіцієнт включення фіктивних навантажень однаковий для всіх міжфазних напруг, оскільки він визначається для всіх машин групи незалежно від їх розподілу за фазами (і за потужністю):



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 ΔUmax, ΔUmin – максимальне і мінімальне значення втрати напруги. Величини mx и mx1 знаходяться аналогічно розрахунку пікового струму, що був розглянутий вище.


Метод "Граничних функцій розподілу пікових струмів і втрат напруги"

Методика розрахунку, покладена в основу діючих Вказівок [2], спирається на застосування двоступеневої моделі впорядкованої діаграми зварювальних струмів МТКЗ, що призводить до похибки і створює певний запас при виборі живильної мережі і, як наслідок, збільшує капітальні витрати на неї.

Точне рішення задачі можна отримати тільки для невеликого числа зварювальних машин у групі шляхом перебору всіх можливих варіантів одночасно включених МТКЗ, розрахунку ймовірностей збігів струмів, напруги в мережі і побудови за отриманими даними функцій розподілу пікових струмів і втрат напруги.

Однак на практиці це можливо тільки при невеликому кількості зварювальних машин з-за великої кількості варіантів включення, що значно збільшує обсяг розрахунків. Так як реальна кількість машин може досягати сотень, точний розрахунок в цьому випадку стає неможливим. Для зменшення обсягу розрахунків запропоновано метод "Граничних функцій розподілу " [11], що дозволяє визначити ділянки, необхідні для знаходження розрахункових максимальних значень, граничних функцій розподілу шуканих величин для кожної фази. Ці функції розподілу дають можливість знайти діапазон максимальних розрахункових значень втрат напруги і пікових струмів. У методі "Граничних функцій розподілу " для зменшення числа ступенів функцій розподілу всі зварювальні машини були розбиті на 7 груп в залежності від кількості фаз і того, до яких фаз підключена машина:

  • однофазні, підключені до фаз AB; BC; CA;
  • двофазні, підключені до фаз AB, BC;  BC, CA;  CA, AB;
  • трьохфазні.

При розрахунку функцій розподілу розглядаються всі можливі комбінації включення різної кількості машин з груп. Максимальні функції розподілу отримуємо, вибираючи з кожної групи необхідне число включених ЗМ найбільшої потужності, мінімальні - найменшої. У методі використовується алгоритм точного розрахунку струмів та напруг, як і при розрахунку точної функції розподілу для невеликої кількості МТКЗ.


Метод "Випадкового вибору"

Очевидно, що за розрахунковими значеннями втрат напруги, визначеними за мінімальною функцією розподілу, не можна вибрати живильну мережу, а використання максимальних функцій розподілу буде вносити певний запас, оскільки у всіх варіантах одночасного включення зварювальних машин із груп вибираються тільки найпотужніші машини.

Для отримання більш достовірних результатів розроблено новий метод "Випадкового вибору" [12], заснований на методі "Граничних функцій розподілу". У ньому, так само як і в методі "Граничних функцій розподілу", всі зварювальні машини діляться на 7 груп, а відмінність полягає в тому, що при розрахунку функцій розподілу включені зварювальні машини із кожної групи вибираються випадковим чином. Після розгляду всіх можливих варіантів, будуються функції розподілу, за якими визначаються розрахункові максимальні значення пікових струмів і втрат напруги.

Метод "Випадкового вибору" буде вдосконалено шляхом врахування фактичних значень коефіцієнтів включення зварювальних машин при випадковому виборі включених машин з групи. В існуючій версії методу ймовірності включення машин однакові, а в модифікованій - вони будуть залежати від їх коефіцієнтів включення. Другим способом підвищення точності методу "Випадкового вибору" є розрахунок декількох функцій розподілу однієї і тієї ж величини з подальшим усередненням розрахункових значень, визначених за кожною з них.


Інші методи розрахунку

В [13,14] пропонується вести розрахунок пікових навантажень, як і навантажень за нагрівом, за повною потужністю. Заздалегідь розподіляють одно- і двофазні МТКЗ в трифазній мережі. Умови та порядок такого розподілу наведено в [10].

Знаходження розрахункового пікового навантаження ведеться за найбільш завантаженим плечем трифазної мережі. При цьому навантаження кожної однофазної і двофазної машини приводять до навантаження трифазної



де – коефіцієнт приведення, рівний: 2 – для однофазних машин, які підключають на напругу розрахункового плеча; 0,5 – для однофазних МТКЗ, які включають на дві інші міжфазні напруги.

Для двофазних МТКЗ застосовують одну із формул



Перша – якщо двофазна машина включається тільки одним плечем на розрахункову напругу; друга – якщо не включається жодним плечем. Якщо , отримуємо:



Умовою такого приведення є рівність падіння напруги в трифазній мережі, яке утворюють одно- або двофазні МТКЗ і приведена трифазна машина.

Для подолання труднощів подальшого розрахунку, група трифазних і приведених до них машин замінюються однією машиною з максимальною потужністю  та умовною   кількістю ЗМ з однаковою умовною потужністю   кожної машини. Величини і визначаються за формулами:


де  – умовний коефіцієнт включення однієї машини після заміни, рівний середньому значенню коефіцієнтів всіх МТКЗ.

Так як втрати напруги під час пікових навантажень пропорційні величинам цих навантажень, методи розрахунку імовірнісних втрат напруги аналогічні методам розрахунку ймовірнісних пікових навантажень, наведених вище.

Порядок розрахунку наступний:

  1. Для кожної i-ої машини розраховують величину втрати напруги, отриманої на тих ділянках мережі до розрахункової ЗМ, по яких протікає потужність і-ої машини.
  2. Розраховують умовну величину групового коефіцієнта включення Ky.y., який приймають рівним середньому значенням індивідуальних Ky.і.;
  3. Вибирають розрахункову машину з максимальною втратою напруги. Інші (n-1) ЗМ з різними Ky.і. і ΔUі замінюють умовною кількістю nу машин з однаковим Ky.y. і ΔUі.у; величиною Ky.і. та ΔUі розраховують за формулами, аналогічним тим, за якими розраховувалися пікові навантаження: у них повні потужності заміняють на відповідні втрати напруги:


  4. Знаходять величину еквівалентних перекриттів х на інтервалі часу, де – середнє значення часу зварювання для всих ЗМ, за імовірнісними кривими. На рис. 4, 5 наведені ймовірнісні криві для і відповідно.


    5. Рисунок 4 – Криві за


    Рисунок 5 – Криві за

  5. Знаходять величину за виразом
Напрямок подальших досліджень

Надалі планується на основі запропонованих методів розробити універсальну методику, що дозволяє розраховувати розгалужені мережі та мережі з двостороннім живленням машин точкового контактного зварювання, провести порівняння розроблених методів з методами, запропонованими в [13,14].


Література
  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. – C. 4–27
  4. Жохов Б.Д. Анализ причин завышения расчетных нагрузок и возможной их коррекции // Промышленная энергетика. – 1989. – №7. – C. 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. Вагин Г.Я. Режимы электросварочных машин. – М.: Энергия, 1975. – 189 c.
  11. Воротніков С.О. Розрахунок напруг у електричній мережі, від якої живляться машини контактної зварки. Кваліфікаційна робота магістра – Донецьк, ДонНТУ, 2009. – 100 с.
  12. Болотнов Д.В. Розрахунок максимальних струмів і втрат напруги в електричних мережах живлення машин контактної електричної зварки. Кваліфікаційна робота магістра – Донецьк, ДонНТУ, 2010. – 100 с.
  13. Денисенко М.А Розрахунок пікових навантажень,що створюють установки для контактного електрозварювання в електричних мережах //Промелектро (Інформаційний збірник). – 2009. – №4. – C. 8–18
  14. Денисенко М.А Розрахунок втрат напруги в електричних мережах, що живлять установки для контактного електрозварювання //Промелектро(Інформаційний збірник). – 2009. – №5. – C. 31–40
  15. Теоретические основы аналитического метода максимальных токов и потерь напряжения в сетях контактной электросварки. / Г.М. Каялов, В.П. Муха, А.А. Бадахян, Л.Б. Годгельф // Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок. – Москва.: ГПИ Тяжпромэлектропроект. – 1976. – №3. – С. 3–9