ДонНТУ   Портал магістрів

Удовіченко Костянтин Андрійович

Електротехнічний Факультет

Кафедра Електропостачання промислових підприємств та міст

Спеціальність Електротехнічні системи електроспоживання

Вдосконалення методів розрахунку пікових струмів і втрат напруги в електричній мережі живлення групи машин контактної зварки

Науковий керівник: к.т.н., доц. Погрібняк Наталля Миколаївна

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Огляд літературних джерел
• 2. Розрахунок пікових струмів та втрат напруги у мережі живлення машин контактної зварки, за діючими Керівними вказівками
• 3. Інші методи розрахунку пікових струмів та втрат напруги в мережі живлення машин контактного зварювання
• 4. Напрямок подальших досліджень
• Перелік посилань

Вступ

Перевагами контактного зварювання є надійність з'єднань, високий рівень автоматизації та продуктивність процесу. Саме з цих причин область застосування контактного зварювання надзвичайно велика – від космічних апаратів до плівкових мікросхем. Перевага цьому виду зварювання віддається в авіабудуванні, автомобілебудуванні, вагонобудівної і суднобудівної промисловості, при монтажі трубопроводів, рейок і при виготовленні інструменту.

Однією з основних умов вибору елементів схеми живлення машин контактного зварювання є забезпечення необхідного рівня напруги на їх виводах, та як це впливає на якість зварювання. Цей вибір ускладнюється тим, що машини контактного зварювання (МКЗ) досить потужні і працюють з малим коефіцієнтом ввімкнення. В разі одночасного включення, вони створюють значні пікові навантаження, відхилення і коливання напруги.

Актуальність даної роботи пов'язана з інтенсивним застосуванням МКЗ, що призводить до необхідності використання більш точних методик розрахунку втрат напруги і пікових струмів, так як існуючі методи ґрунтуються на приблизних розрахунках. Оскільки результат визначення втрати напруги суттєво впливає на остаточний вибір потужності трансформатора цехової трансформаторної підстанції та перетин шинопровода, що визначає капітальні витрати на електричну мережу, задача підвищення точності розрахунку є актуальною.

Мета роботи – розробка більш точного методу розрахунку втрат напруги і пікових струмів для розгалуженої мережі для зменшення капітальних витрат на мережу, що живить групу машин контактного зварювання при забезпеченні на виводах машин необхідного рівня напруги.

1. Огляд літературних джерел

Теоретичні основи аналітичного методу розрахунку пікових струмів та втрат напруги в мережі живлення МКЗ були закладені у роботах Ю.Л. Мукосєєва, Г.М. Каялова, Е. Г. Курінного, В. П. Мухи, Л. Б. Годгельфа та інших.

В цих роботах були запропоновані два методи визначення розрахункових навантажень промислових електричних мереж: статистичний метод [1] та метод впорядкованих діаграм [2]. Саме метод впорядкованих діаграм став основою Тимчасових керівних вказівок з визначення електричних навантажень промислових підприємств, які були випущені у 1961 р. та перших Керівних вказівок 1976 року. Слід відзначити, що метод упорядкованих діаграм не може застосовуватися для машин контактного зварювання, так як вони працюють в імпульсному режимі. Також не може застосовуватися для розрахунку мережі живлення МКЗ і модифікований статистичний метод, на якому ґрунтуються чинні Керівні вказівки по розрахунку навантажень [3].

У роботах Каялова Г.М. [4] був запропонований спосіб визначення величини пікових навантажень та їх тривалості за допомогою методів імовірнісного моделювання графіка навантаження. Потім ці методи були розвинені в роботах Е.Г. Курінного та Г.Я. Вагіна [5].

У роботах В.П. Мухи, Г.М. Каялова, А.А. Бадахяна, Л.Б. Годгельфа [6,7], був запропонований метод визначення відхилення напруги на затискачах МКЗ та розрахунку пікових навантажень в мережі живлення машин точкової контактної зварки із заданою імовірністю.

Замість методів аналітичного розрахунку електричних навантажень Ю.Л. Мукосєєвим, Г.Я. Вагіним та Е.М. Червонним були розроблені методики статистичного моделювання [8].

Із закордонних авторів, що працювали у даному напрямку, слід зазначити роботи Адамса А., Фішера Д., Джонсона А. [9], Міллера К. [10].

2. Розрахунок пікових струмів та втрат напруги у мережі живлення машин контактної зварки, за діючими Керівними вказівками

Ця методика розрахунку дає найбільш точні результати розрахунку коли у якості вхідних даних використовують технологічні графіки навантаження МКЗ.

У разі відсутності цих даних розрахунок навантажень виконується за допомогою середньостатистичних коефіцієнтів завантаження і ввімкнення, що визначені в результаті дослідження зварювального устаткування більшості виробництв автомобілебудування.

Розрахунок навантажень виконують в два етапи. На першому етапі визначається орієнтовна ефективна потужність машин контактного зварювання.

На другому етапі розрахунків виконується розподіл МКЗ по фазам живлячої мережі, виконується остаточний розрахунок: визначення ефективної та пікової потужності, втрати напруги, пікових струмів та вибір всіх елементів мережі.

Розрахунок виконується у наступній послідовності:

1. Визначається орієнтована ефективна потужність групи МКЗ S_еф, кВ•А за формулою:
   (1.1)

   де S_c – середня споживана потужність кожної машини, ;

   S_е² – ефективна потужність, ;

2. Виконується розподіл МКЗ за фазами таким чином, щоб забезпечити рівномірне завантаження всіх фаз мережі.

   а) Якщо значення k_е значно відрізняються, то розподіл виконується за сумою ефективних потужностей зварювальних машин (ЗМ). Ефективна потужність однієї ЗМ розраховується за формулою:

   (1.2)

   б) якщо значення k_е незначно відрізняються, то розподіл виконується за сумою середніх потужностей ЗМ. Середня потужність однієї ЗМ розраховується за формулою:

   (1.3)

   де S_у - установлена потужність зварювальних трансформаторів машин (кВА) при номінальній паспортній тривалості ввімкнення.

   Нерівномірність завантаження фаз має не перевищувати 15%.

3. Визначаємо індивідуальні пікові струми i_п , для кожної МКЗ, причому

   а) якщо у якості вихідних даних прийняті установлені потужності зварювальних трансформаторів та середньостатистичні значення k_з , розрахунки виконуються за формулами:

   – для однофазних ЗМ:

   (1.4)

   – для спільної фази у разі підключення двохфазних ЗМ:

   (1.5)

   – для інших фаз у разі підключення двохфазних ЗМ:

   (1.6)

   – для трифазних ЗМ:

   (1.7)

   б) Якщо у якості вихідних даних використовуються графіки навантаження ЗМ або розрахункові технологічні дані, розрахунки виконуються за формулами:

   – для однофазних ЗМ:

   (1.8)

   – для спільної фази у разі підключення двохфазних ЗМ:

   (1.9)

   – для інших фаз у разі підключення двохфазних ЗМ:

   (1.10)

   – для трифазних ЗМ:

   (1.11)

   де S_п – пікова потужність ЗМ (кВА).

4. Визначаються середні навантаження ліній, що живлять, як арифметична сума середніх струмів всіх ЗМ, підключених до даної фази за формулою:
   (1.12)

   де – середнє навантаження окремої ЗМ;

   i _п – струм, що споживається цією ЗМ за час зварювання.

5. Визначаються дисперсії струмів для групи ЗМ за формулою:
   (1.13)

   при k_в≤ 0,15

   (1.14)
6. Уточнюється ефективне навантаження за групами ЗМ:
   (1.15)

   Пікове навантаження для групи ЗМ

   (1.16)

   де β – імовірнісний коефіцієнт.

   Пікове навантаження визначається сумарним навантаженням співпавших в роботі МКЗ. Імовірність перевищення розрахункового пікового навантаження E_к приймається рівною 0,001. Для групи машин з однаковими піковими i_п кожної машини коефіцієнт β визначається за рис. 1 для фактичних . Для групи машин з різними індивідуальними піковими струмами коефіцієнт β визначається за рис. 1 для значень ,

   де n_e - ефективне число машин з однаковим індивідуальним піковим струмом i_ПЕ , що створюють те саме значення середнього навантаження I , ефективного навантаження I_e та дисперсії DI , що і фактична кількість машин з різними індивідуальними піковими струмами.

   (1.17)
   

   Рисунок 1 – Крива для визначення імовірнісного β в функції при E_к = 0,001

7. Розрахунок максимальних втрат напруги виконується у наступній послідовності:

   а) визначається питомий опір мережі;

   б) розраховується значення втрати напруги ΔU_n , що створює кожна ЗМ за формулою (1.18);

   (1.18)

   де α – 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 l від машини до підстанції:

   (1.19)

   в) виконується розрахунок усередненої втрати напруги ΔU , що створює кожна ЗМ за формулою:

   (1.20)

   г) розраховується середній коефіцієнт ввімкнення, який для всіх між фазних напруг є однаковим, так як усі машини групи впливають на втрату кожної лінійної напруги

   (1.21)

   ґ) усереднена дисперсія втрати напруги розраховується за наступною формулою:

   (1.22)

   д) максимальна втрата напруги в силу принципу фіктивних навантажень розраховується аналогічно піковим токам

   (1.23)

   Сумарна втрата напруги у кожний момент часу залежить від кількості ЗМ, що співпали в одночасній роботі, та їх фіктивним навантаженням. Тому визначення розрахункових осереднених значень втрат напруги ΔU виконується аналогічно розрахунку максимального навантаження.

Максимально припустиме значення втрати напруги складає 10% [11].

Метод, який застосовується у діючих Керівних вказівках має похибку розрахунку пікових струмів та втрат напруги мережі, що живить МКЗ, тому що для визначення максимальних розрахункових значень пікових струмів і втрати напруги необхідно знати їх функції розподілу, які неможливо отримати через великий обсяг обчислень. Тому при визначенні максимальних розрахункових значень пікових струмів і втрати напруги прийняття статистичного коефіцієнта за кривою, наведеною у діючих Керівних вказівках, не є обґрунтованим. Значення статистичного коефіцієнта для розрахунку пікового струму і втрати напруги у діючих Керівних вказівках рекомендується приймати по єдиній кривій, однак функції розподілу пікових струмів і втрат напруги для однієї групи МКЗ можуть відрізнятися, оскільки на величину втрати напруги, а значить і на функцію її розподілу, на відміну від пікового струму, впливають ще й відстані від джерела живлення до місць підключення МКЗ. Отже, застосування єдиної кривої для визначення статистичного коефіцієнта є сумнівним. Також, втрати лінійних напруг, створювані двохфазними МКЗ, визначається із застосуванням усереднених коефіцієнтів, через що правильний результат для двохфазних машин може бути отриманий тільки при великій їх кількості і рівномірному розподілу між фазами та за відстанню від джерела живлення.

3. Інші методи розрахунку пікових струмів та втрат напруги в мережі живлення МКЗ

Погрішність попередньої методики [7] пов’язана із застосуванням двохступеневих впорядкованих діаграм пікових струмів і втрат напруги замість їх фактичних функцій розподілу, що призводить до похибки і створює певний запас при виборі живильної мережі і, як наслідок, збільшує капітальні витрати на неї. Крім того, в ній, при визначенні втрат напруги, створюваних двохфазними машинами, використовується такий самий підхід, як і як і в діючих Керівних вказівках.

В кваліфікаційній роботі магістра Воротнікова С.О. [12] для розрахунку пікових струмів та втрат напруги в мережі живлення МКЗ був запропонований метод Граничних функцій розподілу пікових струмів і втрат напруги (ГФР). Згідно з ним для зменшення кількості ступенів функції розподілу всі машини розподіляються на 7 груп в залежності від кількості фаз і того, до яких фазам підключена машина. При розрахунку функції розподілу розглядаються всі можливі комбінації включення різної кількості машин з груп (це значно зменшує обсяг обчислень у порівнянні з розрахунком функцій розподілу шляхом перебору усіх можливих варіантів одночасного ввімкнення зварювальних машин). Максимальні функції розподілу отримуємо, вибираючи кожного разу з кожної групи необхідне число ввімкнених машин найбільшої потужності, мінімальні – найменшою. Однак, за мінімальними функціями розподілу не можна вибрати живильну мережу, а за максимальними буде істотний запас.

Для отримання більш достовірних результатів розроблено метод Випадкового вибору (ВВ) (кваліфікаційна робота магістра Болотнова Д.В. [13]). Згідно з ним зварювальні машини розділяються також на 7 груп. Необхідна кількість ввімкнених ЗМ при розрахунку сходинок функцій розподілу пікових струмів і втрати напруги, на відміну від метода ГФР, обирається випадковим чином. Після обробки всіх можливих варіантів, будуються функції розподілу, за якими визначаються розрахункові максимальні значення, які можуть статися з заданою ймовірністю (0,999).

Оскільки, попре сподівання, точність методу ВВ виявилась недостатньою [13]). В кваліфікаційній роботі магістра Мухіна В.В. [14] був запропонований метод Багатократного випадкового вибору (БВВ). Ідея методу полягає у розрахунку кількох «випадкових» функцій розподілу за методом ВВ та визначенні за ними середньої функції розподілу шляхом усереднення абсцис для кожної сходинки функції розподілу.

Розроблені у роботах [12,13] методи призначені для неразголуженого шинопровода, але такий шинопровід зустрічається набагато менше за розгалужений. В [14] розроблена методика та алгоритм застосування методів ГФР, ВВ та БВВ для розгалуженого шинопровода.

У [14] виконане порівняння методів ГФР, ВВ та БВВ, діючих Керівних вказівок та їх попередньої редакції на прикладі результатів розрахунку втрати лінійної напруги АВ в цеховій електричній мережі напругою 380 В на головній ділянці розгалуженого шинопровода, від якого отримують живлення 55 одно-, двох- та трифазних МКЗ різної потужності (від 20 до 495 кВА).

На рис. 2 представлені максимальна та мінімальна функції розподілу за методом ГФР (червоного та синього кольорів відповідно), максимальні розрахункові значення втрати напруги, визначені за ними, та 60 функцій розподілу, отриманих методом випадкового вибору.

На рис. 3 та 4 наведені усереднені функції розподілу при різній кількості осереднених функцій.

Отримані результати свідчать, що якщо кількість осереднених функцій розподілу перевищує 20, результуючі функції розподілу мало відрізняються одна від одної. При цьому максимальне розрахункове значення втрати напруги , визначене за ними, майже не змінюється.

Далі порівняємо отримані результати визначення максимального розрахункового значення втрати лінійної напруги АВ в залежності від кількості осереднень з результатами, що були отримані іншими методами.

4. Напрямок подальших досліджень

Надалі планується виконати порівняння функцій розподілу, отриманих методом БВВ з точними (для відносно невеликих груп МКЗ), розробити новий метод, для якого не будуть виконуватись розрахунки струмів і напруг усіх гілок мережі при розрахунку кожної сходинки функцій розподілу пікових струмів і втрат напруги. Підвищення точності цього метода буде отримано шляхом зміни принципу розподілу МКЗ на групи: для розрахунку кожної функції розподілу розділення машин на групи буде відрізнятись та виконуватись в залежності від впливу кожної МКЗ на відповідну втрату напруги або піковий струм.

Перелік посилань

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.