ДонНТУ   Портал магистров

Удовиченко Константин Андреевич

Электротехнический факультет

Кафедра Электроснабжение промышленных предприятий и городов

Специальность Электротехнические системы электропотребления

Усовершенствование методов расчета пиковых токов и потерь напряжения в электрической сети питания группы машин контактной сварки

Научный руководитель: к.т.н., доц. Погребняк Наталия Николаевна

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Обзор литературных источников
• 2. Расчет пиковых токов и потерь напряжения в сети питания машин контактной сварки, по действующим Руководящим указаниям
• 3. Другие методы расчета пиковых токов и потерь напряжения в сети питания МКС
• 4. Направление дальнейших исследований
• Список литературы

Введение

Преимуществами контактной сварки является надежность соединений, высокий уровень автоматизации и производительности процесса. Именно по этим причинам область применения контактной сварки чрезвычайно велика - от космических аппаратов до пленочных микросхем. Преимущество этого вида сварки отдается в авиастроении, автомобилестроении, вагоностроительной и судостроительной промышленности, при монтаже трубопроводов, рельсов и при изготовлении инструмента.

Одним из основных условий выбора элементов схемы питания машин контактной сварки является обеспечение требуемого уровня напряжения на их выводах, так как это влияет на качество сварки. Этот выбор осложняется тем, что машины контактной сварки (МКС) достаточно мощные и работают с малым коэффициентом включения. В случае одновременного включения, они создают значительные пиковые нагрузки, отклонения и колебания напряжения.

Актуальность данной работы связана с интенсивным применением МКС, что приводит к необходимости использования более точных методик расчета потерь напряжения и пиковых токов, так как существующие методы основаны на приблизительных расчетах. Поскольку результат определения потери напряжения существенно влияет на окончательный выбор мощности трансформатора цеховой трансформаторной подстанции и пересечение шинопровода, определяющий капитальные затраты на электрическую сеть, задача повышения точности расчета является актуальной.

Цель работы – разработка более точного метода расчета потерь напряжения и пиковых токов в разветвленной сети для уменьшения капитальных затрат на сеть, питающей группу машин контактной сварки при обеспечении на выводах машин необходимого уровня напряжения.

1. Обзор литературных источников

Теоретические основы аналитического метода расчета пиковых токов и потерь напряжения в сети питания МКС были заложены в работах Ю.Л. Мукосеева, Г.М. Каялова, Э.Г. Куренного, В.П. Мухи, Л.Б. Годгельфа и других.

В этих работах были предложены два метода определения расчетных нагрузок промышленных электрических сетей: статистический метод [1] и метод упорядоченных диаграмм [2]. Именно метод упорядоченных диаграмм стал основой "Временных руководящих указаний по определению электрических нагрузок промышленных предприятий", которые были выпущены в 1961 г. и первых Руководящих указаний 1976 года. Следует отметить, что метод упорядоченных диаграмм не может применяться для машин контактной сварки, так как они работают в импульсном режиме. Также не может применяться для расчета сети питания МКС и модифицированный статистический метод, на котором основываются действующие Руководящие указания по расчету нагрузок [3].

В работах Каялова Г.М. [4] был предложен способ определения величины пиковых нагрузок и их продолжительности с помощью методов вероятностного моделирования графика нагрузки. Затем эти методы были развиты в работах Э.Г. Куренного и Г.Я. Вагина [5].

В работах В.П. Мухи, Г.М. Каялова, А.А. Бадахяна, Л.Б. Годгельфа [6,7], был предложен метод определения отклонения напряжения на зажимах МКС и расчета пиковых нагрузок в сети питания машин точечной контактной сварки с заданной вероятностью.

Вместо методов аналитического расчета электрических нагрузок Ю.Л. Мукосеевым, Г.Я. Вагиным и Е.М. Червонным были разработаны методики статистического моделирования [8].

Из зарубежных авторов, работавших в данном направлении, следует отметить работы Адамса А., Фишера Д., Джонсона А. [9], Миллера К. [10].

2. Расчет пиковых токов и потерь напряжения в сети питания машин контактной сварки, по действующим Руководящим указаниям

Эта методика расчета дает наиболее точные результаты расчета когда в качестве входных данных используют технологические графики нагрузки МКС.

В случае отсутствия этих данных расчет нагрузок выполняется с помощью среднестатистических коэффициентов загрузки и включения, которые определены в результате исследования сварочного оборудования большинства производств автомобилестроения.

Расчет нагрузок выполняют в два этапа. На первом этапе определяется ориентировочная эффективная мощность машин контактной сварки.

На втором этапе расчетов выполняется распределение МКС по фазам питающей сети, выполняется окончательный расчет: определение эффективной и пиковой мощности, потери напряжения, пиковых токов и выбор всех элементов сети.

Расчет выполняется в следующей последовательности:

1. Определяется ориентировочная эффективная мощность группы МКС S_еф, кВА МКС по формуле:
   (1.1)

   где S_c – средняя потребляемая мощность каждой машины, ;

   S_е² – эффективная мощность, ;

2. Выполняется распределение МКС по фазам таким образом, чтобы обеспечить равномерную загрузку всех фаз сети.

   а) Если значение k_в значительно отличаются, то распределение выполняется по сумме эффективных мощностей сварочных машин (СМ). Эффективная мощность одной СМ рассчитывается по формуле:

   (1.2)

   б) если значения k_в незначительно отличаются, то распределение производится по сумме средних мощностей СМ. Средняя мощность одной СМ рассчитывается по формуле:

   (1.3)

   где S_у – установленная мощность сварочных трансформаторов машин (кВА) при номинальной паспортной продолжительности включения.

   Неравномерность загрузки фаз не должна превышать 15%.

3. Определяем индивидуальные пиковые токи i_п , от каждой МКС, причем

   а) если в качестве исходных данных приняты установленные мощности сварочных трансформаторов и среднестатистические значения k_з , расчеты выполняются по формулам:

   - для однофазних СМ:

   (1.4)

   – для совместной фазы в случае подключения двухфазных СМ:

   (1.5)

   – для других фаз при подключении двухфазных СМ:

   (1.6)

   – для трехфазных СМ:

   (1.7)

   б) Если в качестве исходных данных используются графики нагрузки СМ или расчетные технологические данные, расчеты производятся по формулам:

   – для однофазних СМ:

   (1.8)

   – для совместной фазы в случае подключения двухфазных СМ:

   (1.9)

   – для других фаз при подключении двухфазных СМ:

   (1.10)

   – для трехфазных СМ:

   (1.11)

   где S_п – пиковая мощность СМ (кВА).

4. Средние нагрузки линий определяются, как арифметическая сумма средних токов всех СМ, подключенных к данной фазе по формуле:
   (1.12)

   где – средняя нагрузка отдельной СМ;

   i _п – ток, потребляемый этой СМ за время сварки.

5. Определяются дисперсии токов для группы СМ по формуле:
   (1.13)

   при k_в≤ 0,15

   (1.14)
6. Уточняется эффективное нагрузки по группам СМ:
   (1.15)

   Пиковая нагрузка для группы СМ:

   (1.16)

   где β – вероятностный коэффициент.

   Пиковая нагрузка определяется суммарной нагрузкой совпавших в работе МКС. Вероятность превышения расчетного значения пиковой нагрузки E_к принимается равной 0,001. Для группы машин с одинаковыми пиковыми i_п каждой машины коэффициент β определяется по рис. 1 для фактических . Для группы машин с различными индивидуальными пиковыми токами коэффициент β определяется по рис. 1 для значений ,

   где n_e – эффективное число машин с одинаковым индивидуальным пиковым током i_ПЕ , создающих то же значение средней нагрузки I , эффективной нагрузки I_e и дисперсии DI , что и фактическое количество машин с различными индивидуальными пиковыми токами.

   (1.17)
   

   Рисунок 1 – Кривая для определения вероятностного β в функции при E_к

7. Расчет максимальных потерь напряжения выполняется в следующей последовательности:

   а) определяется удельное сопротивление сети;

   б) рассчитывается значение потери напряжения ΔU_n , которую создает каждая СМ по формуле (1.18);

   (1.18)

   где α – коэффициент, учитывающий суммарные потери напряжения в питающих линиях от нагрузок различных фаз машин;

   z – удельная потеря напряжения в питающей сети, включая цеховой трансформатор, отнесенная к 1–А тока нагрузки данной машины, при длине магистрали l от машины к подстанции:

   (1.19)

   в) выполняется расчет усредненной потери напряжения ΔU , которую создает каждая СМ по формуле:

   (1.20)

   г) рассчитывается средний коэффициент включения, который для всех междуфазных напряжений одинаков, так как все машины группы влияют на потерю каждого линейного напряжения

   (1.21)

   д) усредненная дисперсия потери напряжения рассчитывается по следующей формуле:

   (1.22)

   е) максимальная потеря напряжения в силу принципа фиктивных нагрузок рассчитывается аналогично пиковым токам

   (1.23)

   Суммарная потеря напряжения в каждый момент времени зависит от количества СМ, совпавших в одновременной работе, и их фиктивным нагрузкам. Поэтому определение расчетных усредненных значений потерь напряжения ΔU выполняется аналогично расчету максимальной нагрузки.

Максимально допустимое значение потери напряжения составляет 10% [11].

Метод, который применяется в действующих Руководящих указаниях имеет погрешность расчета пиковых токов и потерь напряжения, питающего МКС, потому что для определения максимальных расчетных значений пиковых токов и потери напряжения необходимо знать их функции распределения, которые невозможно получить из-за большого объема вычислений. Поэтому при определении максимальных расчетных значений пиковых токов и потери напряжения принятия статистического коэффициента по кривой, приведенной в действующих Руководящих указаниях, не является обоснованным. Значение статистического коэффициента для расчета пикового тока и потери напряжения в действующих Руководящих указаниях рекомендуется принимать по единой кривой, однако функции распределения пиковых токов и потерь напряжения для одной группы МКС могут отличаться, поскольку на величину потери напряжения, а значит и на функцию ее распределения, в отличие от пикового тока, влияют еще и расстояния от источника питания до мест подключения МКС. Так, применение единой кривой для определения статистического коэффициента сомнительно. Также, потери линейных напряжений, создаваемые двухфазным МКС, определяется с применением усредненных коэффициентов, через что правильный результат для двухфазных машин может быть получен только при большом их количестве и равномерному распределению между фазами и по расстоянию от источника питания.

3. Другие методы расчета пиковых токов и потерь напряжения в сети питания МКС

Погрешность предыдущей методики [7], связанная с применением двухступенчатой упорядоченной диаграммы пиковых токов и потерь напряжения вместо их фактических функций распределения, приводит к погрешности и создает определенный запас при выборе питающей сети и, как следствие, увеличивает капитальные затраты на нее. Кроме того, в ней, при определении потерь напряжения, создаваемых двухфазным машинами, используется такой же подход, как и в действующих Руководящих указаниях.

В квалификационной работе магистра Воротникова С.А. [12] для расчета пиковых токов и потерь напряжения в сети питания МКЗ был предложен метод "Граничных функций распределения пиковых токов и потерь напряжения" (ГФР). Согласно этому методу для уменьшения количества ступеней функции распределения все машины делятся на 7 групп в зависимости от количества фаз и того, к каким фазам подключена машина. При расчете функции распределения рассматриваются все возможные комбинации включения разного количества машин из групп (это значительно уменьшает объем вычислений по сравнению с расчетом функций распределения путем перебора всех возможных вариантов одновременного включения СМ). Максимальные функции распределения получаем, выбирая каждый раз из каждой группы необходимое число включенных машин большой мощности, минимальные - наименьшей. Однако, по минимальным функциями распределения нельзя выбрать питающую сеть, а по максимальным будет существенный запас.

Для получения более достоверных результатов разработан метод "Случайного выбора" (СВ) (квалификационная работа магистра Болотнова Д.В. [13]). Согласно ему сварочные машины разделяются также на 7 групп. Необходимое количество включенных СМ при расчете ступеней функций распределения пиковых токов и потери напряжения, в отличие от метода ГФР, избирается случайным образом. После обработки всех возможных вариантов, строятся функции распределения, по которым определяются расчетные максимальные значения, которые могут произойти с заданной вероятностью (0,999).

Так как, вопреки ожиданиям, точность метода СВ оказалась недостаточной [13]), в квалификационной работе магистра Мухина В.В. [14] был предложен метод «Многократного случайного выбора» (МСВ). Идея метода заключается в расчете нескольких «случайных» функций распределения по методу СВ и определению по ним средней функции распределения путем усреднения абсцисс для каждой ступени функции распределения.

Разработанные в работах [12,13] методы предназначены для расчета неразветвленного шинопровода, но такой шинопровод встречается гораздо реже, чем разветвленный. В [14] разработана методика и алгоритм применения методов ГФР, СВ и МСВ для разветвленного шинопровода.

В [14] выполнено сравнение методов ГФР, СВ и МСВ, действующих Руководящих указаний и их предыдущей редакции на примере результатов расчета потери линейного напряжения АВ в цеховой электрической сети напряжением 380 В на главном участке разветвленного шинопровода, от которого получают питания 55 одно-, двух-и трехфазных МКС различной мощности (от 20 до 495 кВА).

На рис. 2 представлены максимальная и минимальная функции распределения по методу «ГФР» (красного и синего цветов соответственно), максимальные расчетные значения потери напряжения, определенные пи ним, и 60 функций распределения, полученные методом случайного выбора.

На рис. 3 и 4 приведены усредненные функции распределения при различном количестве усредненных функций.

Полученные результаты свидетельствуют, что если количество усредненных функций распределения превышает 20, результирующие функции распределения мало отличаются друг от друга. При этом максимальное расчетное значение потери напряжения, определенное по ним, почти не меняется.

Далее сравним полученные результаты определения максимального расчетного значения потери линейного напряжения АВ в зависимости от количества усредненных результатов, которые были получены другими методами.

4. Направление дальнейших исследований

В дальнейшем планируется выполнить сравнение функций распределения, полученных методом МСВ с точными (для относительно небольших групп МКС), разработать новый метод, для которого не выполняются расчеты токов и напряжений всех ветвей сети при расчете каждой ступени функций распределения пиковых токов и потерь напряжения. Повышение точности этого метода будут получено путем изменения принципа распределения МКС на группы: для расчета каждой функции распределения разделения машин на группы будет отличаться и выполняться в зависимости от воздействия каждой МКС на соответствующую потерю напряжения или пиковый ток.

Список литературы

1. Мешель Б.С. Применение математической статистики для определения электрических нагрузок промышленных предприятий. Энергосбыт Киевэнерго, Киев, 1958. – 128 c.
2. 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.
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. Каялов Г.М. Принцип максимума средней нагрузки в расчетах электрических сетей. ИВУЗ, Электромеханика, 1964. – №3. – c.8–11.
5. 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.
6. 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.
7. Каялов Г.М. 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. – М.: ГПИ Тяжпромэлектропроект, 1976. - №3. - С. 3-9.
8. 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.
9. Adams C., Fetcher J., Johnson A. The design of low-voltage welding power distribution // Tr. AIEE. - 1944. - v. 63 - p. 571-577.
10. Adler H.A., Miller K.W., A new approach to probability problems in electrical engineering // Tr. AIEE. - 1946. - v. 65 - p. 630-632.
11. Вагин Г.Я. Режимы электросварочных машин. – М.: Энергия, 1975. – 189 c.
12. Воротніков С.О. Розрахунок напруг у електричній мережі, від якої живляться машини контактної зварки. Кваліфікаційна робота магістра – Донецьк, ДонНТУ, 2009. – 100 с.
13. 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.
14. Мухін В.В. Розрахунок пікових струмів і втрат напруги в електричній мережі живлення групи машин точкової контактної зварки. Кваліфікаційна робота магістра – Донецьк, ДонНТУ, 2012. – 89 с.