Показательным примером
процесса, требующего, как и в предыдущем случае, введения процедуры
дозирования, является процесс управления машинами, предназначенными для
контактной точечной сварки. Функции дозирования выполняются здесь аппаратурой управления,
в результате работы которой осуществляется: включение, регулирование и
выключение сварочного тока; регулирование последовательности и
продолжительности отдельных операций цикла сварки, в том числе и времени
протекания тока.
В большинстве машин контактной
точечной сварки, используемых в машиностроении, управление производится с
помощью регуляторов циклов сварки (РЦС, РВИ и др.) в зависимости от выбранной
циклограммы работы машины. Такие регуляторы производят импульсное, синхронное с
сетью включение вентилей контактора, обеспечивают фазовое регулирование
действующего значения сварочного тока, устанавливают заданную
последовательность включения блоков машины и определяют продолжительность их
работы.
Еще большими
возможностями регулирования, чем в машинах с РЦС, обладает аппаратура
управления контактной сваркой с замкнутыми системами автоматического
регулирования на основе микроЭВМ и средств микропроцессорной техники, которая
может реализовывать сложные алгоритмы управления циклом контактной сварки, применять
расчетные методы при определении параметров ее режимов и производить выбор
наиболее оптимальной программы действий. Следует отметить, что при рассмотрении
алгоритма управления машиной контактной сварки с замкнутой системой контроля
рабочая программа позволяет производить своевременное изменение величины
сварочного тока или длительности процесса сварки для получения качественных
соединений. Однако такие системы являются дорогостоящими и сложными в
эксплуатации, поэтому не имеют широкого распространения.
Для сварки изделий из
легких сплавов, легированных и жаропрочных сталей, а также из сплавов других
цветных металлов серийно выпускаются конденсаторные машины. В этих машинах
сварку производят за счет энергии, запасенной в батарее электролитических низковольтных
конденсаторов, которые заряжаются от сети переменного тока до определенного
напряжения через управляемый выпрямитель. Переключающим устройством батарею
разряжают через первичную обмотку сварочного трансформатора, а на сварочном
токе во вторичной обмотке этого трансформатора осуществляют сварку. Доза
энергии определяется уровнем заряда конденсаторов. К преимуществам машин для
конденсаторной сварки следует отнести стабильность сварочного импульса, к
недостаткам - сложность и более высокую стоимость.
Для проведения точечной
микросварки выпускаются конденсаторные машины малой мощности, применяемые в
приборостроении, радиоэлектронике, электротехнике и в других отраслях
промышленности.
Крупногабаритные
громоздкие изделия, точечная сварка которых затруднена или невозможна на
стационарных сварочных машинах, сваривают с помощью подвесных машин или клещей
со встроенными трансформаторами. Особенно широко применяются такие машины в
автомобилестроении, а также для сварки арматурных каркасов железобетонных изделий
и т.п. Машины комплектуются тиристорными контакторами и регуляторами цикла
сварки.
На качество сварки
существенное влияние оказывают возмущения, связанные с изменением сопротивления
между электродами от произвольных колебаний диаметра электрода, усилия сжатия и
шунтирования тока. Поэтому для стабилизации качества сварки в схему
фазорегулятора вводятся дополнительно узлы автоматической стабилизации
сварочного тока и напряжения на электродах. Однако поддержание на постоянном
уровне величины сварочного тока в течение времени горения электрической дуги
является трудновыполнимой задачей, так как в рабочих режимах ток дуги
изменяется в широких пределах, поэтому речь идет лишь об относительной
стабилизации данного параметра в некотором диапазоне.
Наиболее распространенными
на производстве являются однофазные машины точечной сварки переменного тока
средней мощности (типа МТ, МТП), работающие в малых и средних предприятиях в
различных отраслях промышленности. В результате отсутствия во многих из них
регуляторов цикла сварки управление машинами осуществляется вручную. Поэтому
качество сварки полностью зависит от мастерства операторов.
Для каждого металла и
любой толщины свариваемых деталей можно найти некоторый оптимальный режим,
который обеспечивал бы получение сварных соединений необходимого качества.
Использование дозирующих устройств открывает широкие возможности
программирования процессов сварки и электронагрева.
Для сварочных процессов
характерны некоторые особенности точного дозирования, которые возникают из-за специфики
точечной сварки. Они заключаются в быстротечности данного процесса (0,08¸1,0 с), в минимальной протяженности
зоны термического влияния, в нестабильности переходных контактных сопротивлений
электродов, в резких изменениях основных электрических параметров: сварочного
тока (для однофазных машин переменного тока 3 ¸ 20 кА) и напряжения между
электродами [16].
Наличие таких
особенностей предъявляет дополнительные требования, как к измерительной
аппаратуре, так и к аппаратуре управления сварочными машинами, которая должна
обладать высокой чувствительностью, малой инерционностью, точностью работы и
одновременно иметь высокую помехозащищенность и эксплуатационную надежность.
Таким требованиям может отвечать только аппаратура, созданная на базе
электронных компонентов.
Включение в состав
аппаратуры управления средств дозирования электрической энергии, которые в
процессе сварки будут учитывать в реальном режиме времени изменения основных
электрических параметров процесса, приведет к стабилизации теплового импульса,
выделяемого в зоне точечной сварки, что главным образом отразится на качестве
сварных соединений.
Еще одной отраслью
промышленности, где дозирование электрической энергии непосредственно применяется
в технологическом процессе, является сталелитейная отрасль. Здесь для
автоматического управления электрическими режимами работы электропечных
трансформаторов дуговых сталеплавильных печей (ДСП) используются дозаторы
энергии совместно с программно-логическими устройствами [17]. Первостепенной
функцией таких устройств является программирование расхода электроэнергии при
проведении плавок.
Основной задачей
регулирования электрического режима является ввод в печь максимально возможной
активной мощности в соответствии с возможностями трансформатора. Регулируемой
величиной в дуговых сталеплавильных печах является полезная активная мощность
дуг, поэтому при регулировании подвергаются контролю напряжения и токи фаз.
Данные дозаторы энергии
разработаны ВНИИР и ВНИИЭТО совместно с заводом «Большевик» (г. Ленинград) и с
СПКТБ электротермического оборудования ПО «Сибэлектротерм».
Применение дозатора для
такого чрезвычайно энергоемкого процесса, каким является электродуговая плавка
в ДСП, в первую очередь обусловлено экономией электрической энергии за счет ее
рационального использования с целью ограничения непроизводительных расходов.
1.4 О
средствах учета электрической энергии, используемых в электротехнологиях
На протяжении последних
десятилетий измерение расхода активной электрической энергии в цепях
переменного тока для промышленных целей и бытовых нужд производится с помощью
индукционных счетчиков переменного тока номинальной частотой 40-60 Гц (ГОСТ
6570-75) [18].
Принцип действия
индукционного измерительного механизма таких счетчиков основан на
взаимодействии двух или нескольких переменных магнитных потоков с токами,
индуктированными ими в подвижном алюминиевом диске. Возникающий при этом в
подвижном элементе счетчика вращающий момент пропорционален активной мощности.
Для учета израсходованной энергии с помощью счетного механизма осуществляется
подсчет количества оборотов диска.
В настоящее время среди
наиболее распространенных приборов для учета активной энергии можно выделить
однофазные счетчики киловатт-часов типов СО-И445, СО-И446, СО-И449 2-го класса
точности, трехфазные счетчики киловатт-часов типов СА3-И674, СА3-И675,
СА3-И681, СА3-И682 1-го класса точности и СА3-И670, СА3-И672, СА3-И677,
СА3-И678 2-го класса точности [7].
С ростом мощностей и
расширением ассортимента электрических нагрузок в сетях электроснабжения
современных потребителей электроэнергии возрастает уровень нелинейных искажений
токов и напряжений, который в отдельных случаях может достигать значений до
20%. В этих условиях индукционные счетчики, работающие в узком диапазоне
частот, дают дополнительную погрешность до 10% [19]. Поэтому неотложной задачей
времени стало внедрение в производство цифровых электронных счетчиков,
способных прийти на смену электромеханическим.
В связи с интенсивным
развитием цифровой электронной техники появилась возможность проектирования
более точных, чувствительных и быстродействующих цифровых средств измерений
электрической мощности и энергии. Такие приборы были разработаны на базе, так
называемых, предвключенных модулей, которые представляют собой аналоговые
измерительные преобразователи мощности (ИПМ). Например, электронные приборы для
измерения мощности строятся на основе измерительного преобразователя мощности в
напряжение, на выходе которого устанавливается магнитоэлектрический
измерительный механизм со шкалой, градуированной в единицах мощности.
Наиболее распространенный
принцип построения электронных счетчиков электроэнергии, выпускаемых на данный
момент промышленностью, состоит в дополнении к ИПМ преобразователя напряжения в
частоту и подсчете импульсов на выходе этого преобразователя.
В качестве предвключенных
приборов в модульном исполнении выпускаются измерительные преобразователи
активной, реактивной и полной мощностей переменного тока, предназначенные для
работы, как в однофазных, так и в трехфазных цепях для измерения мощности и
энергии.
В основе работы
преобразователя активной мощности лежит реализация зависимости
,
где Р – измеряемая
мощность; Т – период тока i и напряжения u
на нагрузке. Наиболее ответственным элементом исследуемого преобразователя
является устройство перемножения текущих значений напряжения u(t) и тока i(t).
Академик П.П. Орнатский
разделяет структуры существующих цифровых измерителей мощности по следующим
принципам построения [19]:
структуры с
промежуточными аналоговыми преобразованиями мощности в информативный параметр
электрического сигнала и с последующим преобразованием аналог – код (рисунок
1.2, а);
структуры с
преобразованием информативных параметров входных сигналов в код и определением
результата при помощи цифровых вычислительных устройств (микропроцессоров)
(рисунок 1.2, б).
а)
б)
Рисунок 1.2 - Структуры
цифровых измерителей мощности:
а) – с аналоговым
преобразователем мощности; б) – с кодированием мгновенных значений тока и
напряжения и последующим цифровым вычислением значения мощности
В настоящее время в
энергетике используются преимущественно структуры с аналоговыми ИПМ, например,
в системах электропередачи, на АСУ ТП энергообъектов, на электротранспорте.
Структуры с преобразованием информативных параметров
входных сигналов в код предполагают цифровое перемножение их мгновенных
значений с последующим осреднением результатов.
При этом значение
измеряемой мощности NW будет определяться из выражения
, (1.5)
где n – число мгновенных значений Nu(kTд) и Ni(kTд) обоих сигналов в дискретные моменты
времени за период Т с шагом дискретизации Тд.
Данная структура содержит
два преобразователя мгновенных значений u(t) и i(t) в код, микропроцессор и цифровое счетное устройство.
Применение этого метода
является наиболее эффективным в цепях с сигналами низких и инфранизких частот,
что обусловлено ограниченным быстродействием.
Более высокое
быстродействие, чем в предыдущем примере обеспечивает реализация структур с
цифровым перемножением интегральных значений входных сигналов, однако при этом
требуется дополнительно преобразовывать в цифровой код косинус угла фазового
сдвига между током и напряжением исследуемой цепи. Недостатком такого метода
является возникновение дополнительных погрешностей из-за отклонения форм кривых
входных сигналов от синусоидальных.
Применение так
называемого вычислительного преобразователя с использованием микропроцессорных
структур, не приобрело широкого распространения и встречается, в основном, в
области низких частот. Вызвано это тем, что в части быстродействия и точности
такие преобразователи не вполне отвечают необходимым требованиям, а их
приборная реализация сопряжена с большим расходом оборудования [20].
Электронные счетчики
активной энергии строятся на основе аналогового преобразователя мощности с
последующим интегрированием его выходной величины в соответствии с зависимостью
. (1.6)
Схема такого счетчика
показана на рисунке 1.3, где ПМН – преобразователь мощности в
напряжение, представленный на рис.4, а; ПНЧ – преобразователь напряжения
в частоту; СИ – счетчик импульсов. Как было показано, UВЫХ пропорционально активной мощности Р.
С помощью ПНЧ напряжение UВЫХ преобразуется в частоту f импульсов, которая таким образом пропорциональна мощности Р.
Выходные импульсы ПНЧ подсчитываются счетчиком импульсов СИ,
показания которого пропорциональны активной энергии Wа.
Рисунок 1.3 - Структурная
схема электронного счетчика активной энергии
Наибольшее
распространение в системах учета тепловой и электрической энергии получили
импульсные перемножающие устройства (ИПУ) с широтно-импульсной (ШИМ) и
амплитудной модуляцией (АМ), которые обеспечивают высокую статическую точность,
достигающую значения 0,01% [21, 22], как в цепях постоянного тока, так и в
цепях переменного (однофазного, трехфазного) тока с синусоидальной или
несинусоидальной формой сигнала. Например, на этом принципе работают
измерительные преобразователи мощности Е748, Ф5139, счетчик для учета энергии
на электротранспорте Ф440, активно-реактивные счетчики электрической энергии –
однофазный Ф441 и трехфазный счетчик Ф652.
В промышленности и для
хозяйственных нужд используется большое разнообразие электрических счетчиков,
применяемых для учета расхода электрической энергии в цепях переменного или
постоянного тока, которые имеют в качестве измерительных устройств индукционную
или электронную системы, однако ни один из известных типов счетчиков не
предназначен для дозирования энергии, т.е. не снабжен устройствами для задания
дозы и подачи управляющих сигналов на своевременное включение-отключение
источников энергии от нагрузки.
Цифровые измерительные
приборы с подобными - предвключенными - измерительными преобразователями были
разработаны для решения наиболее насущных задач в различных областях науки,
техники, энергетики, народного хозяйства для измерения электрической энергии,
электрической мощности, параметров магнитных цепей, массы изделий, температуры
и т.п. Внедрение таких приборов в производство позволило решить проблему
автоматизации измерительных процедур, требующих непрерывного контроля
технологических параметров в течение длительных периодов времени.
Наиболее высокую
эффективность принесло применение таких приборов в энергетике, где для
обеспечения экономного расходования энергоресурсов и глубокого изучения
энергетических аспектов различных процессов необходимы точные быстродействующие
и чувствительные цифровые средства измерения электрической мощности и энергии.
Широкое применение нашли измерительные преобразователи мощности (ИПМ) в ваттметрах
и счетчиках электроэнергии в энергетике и на электротранспорте.
Электронный счетчик
электрической энергии должен реализовывать процедуру вычисления интеграла от
произведения мгновенных значений напряжения и тока нагрузки, поэтому в его
состав должны входить первичные преобразователи напряжения, тока, множительное
и интегрирующее устройства.
Известны различные
варианты построения схем электронных счетчиков, предназначенных для систем
учета и контроля электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях
переменного тока, где используются аналоговые множительные устройства с
широтно-импульсной и амплитудной модуляцией с последующим преобразованием
полученного напряжения в частоту. К таковым можно отнести, например, счетчики
типа Ф441, Ф652 и т.п.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
|