Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых. 2014 год by Донецкий политехник (Донецкий национальный технический университет)

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХIV Міжнародна науково-технічна конференція аспірантів і студентів

АВТОМАТИЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ ТА ПРОЦЕСІВ. ПОШУК МОЛОДИХ Збірник наукових праць

м. Донецьк 22-24 квітня 2014 р.

УДК 681.51 Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць ХІV науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 22-24 квітня 2014 р. - Донецьк, ДонНТУ, 2014. – 341 с. До збірника увійшли матеріали доповідей, представлені на ХІV науковотехнічній конференції «Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих», що проведена факультетом комп’ютерних інформаційних технологій і автоматики ДВНЗ «Донецький національний технічний університет». Збірник призначений для студентів та аспірантів вищих технічних навчальних закладів, фахівців з автоматизації технологічних процесів та виробництв. Представлені результати досліджень та розробок молодих вчених із провідних технічних вузів та наукових закладів України (Донецьк, Маріуполь, Мелітополь, Красноармійськ, Кривий Ріг), Росії (Саратов, Енгельс). Представлены результаты исследований и разработок молодых учёных из ведущих технических вузов Украины (Донецк, Мариуполь, Мелитополь, Красноармейск, Кривой Рог), России (Саратов, Энгельс). That is the collection of scientific articles of young researches from technical high schools of Ukraine (Donetsk, Mariupol, Melitopol, Krasnoarmiysk, Krivoy Rog), Russia (Saratov, Engels). Організаційний комітет: Турупалов В.В. – голова оргкомітету, Маренич К.М. – зам. голови оргкомітету, Нєєжмаков С.В. – відп. секретар, Зорі А.А., Матюхін Є.О., Воропаєва В.Я., Тарасюк В.П., Вовна О.В., Червінська Н.В., Чернишов М.М., Василець С.В., Ковальова І.В. Секретаріат оргкомітету: Артеменко О.М., Шалена С.В. Відповідальність за зміст, новизну та оригінальність наданого матеріалу несуть автори статей. Затверджено вченою радою факультету комп’ютерних інформаційних технологій і автоматики ДВНЗ «Донецький національний технічний університет». Протокол № 9 від 26.04.2014 р.

ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», 2014 р.

Проблематика удосконалення технічних засобів автоматики і телекомунікацій

Проблематика усовершенствования технических средств автоматики и телекоммуникаций Problems of Improvement of Automation and Telecommunication Technologies

УДК 621.396 ЗАДАЧА ОПТИМИЗАЦИИ РАСПОЛОЖЕНИЯ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ ГЕТЕРОГЕННОЙ СЕТИ LTE В УСЛОВИЯХ ГОРОДА Канунникова Е.П., студент; Червинский В.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Современные мобильные сети становятся все более сложными, однако стратифицированные гетерогенные сети позволяют использовать различные сетевые уровни в качестве логической сети с автоматическим управлением, прозрачным взаимодействием с другими сетями и высочайшим качеством обслуживания конечных пользователей. Главная цель при этом, которую преследует оператор при развертывании сети – это обеспечить: - эффективность инвестиций; - скорость развертывания сети; - скорость внедрения новых услуг; - использование передовых технологий, концентрация на услугах передачи данных; - масштабирование (емкость и услуги ); - надежность и гибкость; - защита инвестиций; - максимальное использование существующих ресурсов ; - минимизация операционных расходов на обслуживание сети . Но увеличение количества абонентов, требующих скоростную передачу данных, приводит к росту неравномерности нагрузки в сети. При этом на операторов сотовых сетей оказывает большое влияние ограниченность частотного ресурса и их высокая стоимость. Решить вопрос увеличения емкости сети и улучшение качества покрытия позволяет – внедрение гетерогенных сетей. Можно выделить несколько способов проектирования телекоммуникационной сети. Первый из них – Full-scale, предусматривающий полное покрытие всей территории сотами. Однако – это высокозатратная стратегия. Второй вариант – стратегия Hot-zone, которая является на сегодня наиболее популярной. Она предусматривает установление базовых станций там, где прогнозируется наибольшее количество абонентов, то есть в густо населенных районах в городах и пригородах крупных городов. Такой подход позволяет сначала развернуть сеть там, где предполагается большая абонентская база. В последнем случае оператор снижает CAPEX и OPEX, но сеть не выполняет свою главную функцию – доступности сети для абонента в любой географической точке страны. Таким образом, перед оператором возникает задача создания максимального покрытия сети и обеспечение оптимального использования ресурсов. Для выполнения данной задачи оператором предлагается совмещение двух типов планирования сети: «ковровое» покрытие

осуществляется за счет макросот, радиус которых выбирается максимально возможным, а неравномерность загрузки сети нивелируется за счет размещения микросот LTE и точек доступа Wi-Fi (рис. 1). Для анализа радиопокрытия макросоты LTE будем использовать модель распространения радиоволн для условий городской макросети COST231 Hata: LP=(44,9−6,55lg(Hb))lg(d)+45,5+(35,46–1,1Hm)lg(f)−13,82lg(Hb)+0,7Hm+Kc;

(1)

Это выражение можно привести к виду: LP=К1+К2 lg(d)+Kc;

(2)

где, L – потери на распространение радиоволн в канале, дБ; f – частота, МГц; Hb – высота антенны базовой станции, м; Hm – высота антенны UE, м; d - дальность связи, км; Kс– поправочный коэффициент потерь, дБ, который зависит от типа застройки; К1=45,5+(35,46-1,1Hm)lg(f)-13,82lg(Hb)+0,7Hm, дБ; К2=44,9-6,55lg(Hb), дБ.

(3) (4)

Рисунок 1 – Установка микросот и АР Wi-Fi для повышения емкости сети Из выражения (2) можем получить зависимость дальности связи d от потерь на распространение радиоволн Lp: 𝐿𝑝−𝐾1−𝐾𝑐 𝐾2

d=10 где, Lp принимаем равным LMAPL:

LMAPL=PEIRP−SRx+GRxA−LRxF−MBuild−MInt–Mshade+GHO;

(5) (6)

где, PEIRP – эквивалентная изотропно-излучаемая мощность, дБм; SRx – чувствительность приемника, дБм; GRxA – коэффициент усиления антенны, дБи; LRxF – потери в фидерном тракте, дБ; MBuild – запас на проникновение в помещение, дБ; MInt – запас на помехи, дБ; Mshade – запас на затенение, дБ; GHO – выигрыш от хэндовера, дБ. Таким образом, площадь покрытия 3-секторного сайта рассчитывается так: SBS=9

√3 2 𝑑 ; 8

(7)

После проведенных расчетов необходимо определить какой трафик можно будет обслужить макроуровнем сети LTE. Для системы ТDD средняя пропускная способность 1 сектора eNB может быть получена путем прямого умножения ширины канала на спектральную эффективность канала: Yсек = S×W×p%;

(8)

где S – средняя спектральная эффективность (бит/с×Гц ); W – ширина канала (МГц ); р% – процентное соотношение между частями канала выделенными под DL и UL. Средняя пропускная способность всей базовой станции eNB исчисляется путем умножения пропускной способности одного сектора на количество секторов базовой станции 𝑌𝑒𝑁𝐵 = 𝑌сек × 𝑛;

(9)

где, n – количество секторов eNB Радиус и пропускная способность микросоты LTE рассчитываются аналогично. Следующим этапом будет определение количества сайтов в запланированной сети LTE. Для расчета количества сот в сети необходимо определить общее число каналов, выделяемых для развертывания проектируемой сети LTE. Общее число каналов (ресурсных элементов) Nк рассчитывается по формуле: 𝛥𝑓

𝑁𝑘 = � 𝛥𝑓∑�;

(10)

где ΔfΣ – полоса частот, выделенная для работы сети, МГц; Δfк – полоса частот одного OFDM-символа, МГц. Под радиоканалом в сетях LTE определяется такое понятие как ресурсный блок РБ, который имеет ширину 180 кГц, Δfк=180 кГц. Далее определим число каналов Nк_сек, которое необходимо использовать для обслуживания абонентов в одном секторе одной соты: 𝑁к_сек = �(𝑁

𝑁к

кл ∙𝑀сек )

�;

(11)

где Nк - общее число каналов; Nкл - размерность кластера, выбираемое с учетом количества секторов eNB; Mсек - количество секторов eNB. Далее определим число каналов трафика в одном секторе одной соты NK∑. Число каналов трафика рассчитывается по формуле: 𝑁K∑ = 𝑁К𝑖 ∙ 𝑁К_СЕК ;

(12)

где Nкi – число каналов трафика в одном радиоканале, определяемое стандартом радиодоступа (для OFDMA Nкi = 1…3). По таблице Кендалла-Башарина определяем допустимую нагрузку на сектор одной соты Yсек при допустимом значении вероятности отказа, приняв количество каналов равным NK∑. Количество абонентов, которое будет обслуживаться одной eNB, определяется по формуле: 𝑌

сек Nаб_еNB=𝑁сек ∙ �Yаб �;

(13)

где Yаб - средняя по всем видам трафика абонентская нагрузки от одного абонента. Количество базовых станций eNB в проектируемой сети LTE найдем по формуле: 𝑁𝑒𝑁𝐵 = �𝑁

𝑁аб

аб_𝑒𝑁𝐵

�+1

(14)

где Nаб - количество потенциальных абонентов. Сравним полученное количество базовых станций со значениями, которое мы бы получили, если рассчитали его по площади покрытия. Для этого необходимо площадь подрайона разделить на площадь соты, учитывая при этом перекрытия зон сайтов 20-40 % :

N _ area =

S area ; S BS × (1 − 0,2 ÷ 0,4)

(15)

Таким образом, может наблюдаться дисбаланс между количеством базовых станций, рассчитанным по нагрузке и по радиусу покрытия. С одной стороны оператор ограничен в частотных ресурсов, а с другой наблюдается лавинообразный рост спроса абонентов на скоростную передачу данных. За счет макроуровня мы можем обеспечить равномерное «ковровое» покрытие нашего объекта проектирования. Оставшийся трафик, который не в состоянии обслужить макроуровень, будет генерироваться в местах наибольшего скопления абонентов, там установим микросоты и AP Wi–Fi. Рассчитаем трафик, который будет обслуживать макроуровень. Среднюю планируемую пропускную способность 𝑌𝑒𝑁𝐵 макроуровня проектируемой сети определим путем умножения количества eNB на среднюю пропускную способность одной eNB. Формула примет вид: 𝑌𝑚𝑎𝑐𝑟𝑜 = 𝑌𝑒𝑁𝐵 × 𝑁_𝑎𝑟𝑒𝑎 ;

(16)

Избыточный трафик будем обслуживать за счет микроуровня LTE и уровня NON-3GPP (Wi-Fi). Точки доступа Wi-Fi будут ориентированы на пассивных абонентов, которые либо не меняют своего местоположения в пространстве, либо делают это с маленькой скоростью. Микросоты рассчитаны на активных – подвижных абонентов. Данное решение упростит процесс хендовера между сетями 3GPP и NON-3GPP, снизит количество служебного трафика и вероятность обрыва соединения. Соответственно при подключении абонента к сети, в логике управления сети должны быть учтены такие параметры, как: загруженность макросоты, микросоты, скорость движения абонента, его местоположение, направление движения. Избыточный трафик будем делить между микростотами и АР Wi-Fi в соотношении 60%÷40% соответственно. Такая неравномерность связана с тем, что большинство абонентов в сети будут активными. Количество микросот определим: 𝑌∑ −𝑌𝑚𝑎𝑐𝑟𝑜

Nmicro_BTS=

𝑌𝑒𝑁𝐵 × 0,6

+1;

(17)

где, 𝑌∑ – суммарная нагрузка сети. А количество точек доступа Wi-Fi составит: 𝑌∑ −𝑌𝑚𝑎𝑐𝑟𝑜

Nwi-fi=

𝑌𝑒𝑁𝐵 × 0,4

+1;

(18)

Таким образом, можно добиться обеспечения необходимой пропускной способности сети путем оптимального размещения сот точек доступа Wi-Fi гетерогенной сети. При этом не нужно увеличивать количество базовых станций макроуровня, радиус покрытия, что произвело бы в первом случае к повышению стоимости обслуживания и построения сети, электромагнитному загрязнению пространства, а во втором к – снижению скорости передачи данных. Перечень ссылок 1. Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Юрчук А.Б. Сети мобильной связи LTE: технология и архитектура. – М.: Эко-Трендз, 2010. 2. 4G Americas. Developing Integrating High Performance HET-NET; 2012 – 57c. 3. Seppo Hämäläinen. LTE self-organising networks (SON): network management automation for operational efficiency / Henning Sanneck, Cinzia Sartori; John Wiley & Sons, 2012 – 422 c. 3. Варукина Л. Упражнение по планированию радиосетей LTE. [Електронний ресурс] – Режим доступу: http://ru-4g.livejournal.com/331813.html?view=1583653#t1583653 4. LTE Architecture [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.rcrwireless.com/mobile-backhaul/lte-network-architecture-diagram.html 6

УДК 621.315 ПЕРВИЧНАЯ СЕТЬ СВЯЗИ В НИГЕРИИ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ПО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМ ЛИНИЯМ ПЕРЕДАЧИ Kehinde Oyeniyi, студент; Волков А.Ф., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Сеть связи страны строится в соответствии с планом развития связи государства и координационных планов взаимоувязанной сети связи. Электросвязь осуществляется на основе единой технической политики с максимальной автоматизацией и компьютеризацией с целью удовлетворения потребности народного хозяйства и населения в передаче всех видов информации по всей территории страны. Она объединяет в одно целое средства электрической связи всех ведомств и министерств (кабельные, радиорелейные, оптические, воздушные, радиолинии, ионосферные линии и каналы, создаваемые через ИСЗ), направляя их развитие по единому плану, а также все сети магистральной, зоновой (областной), сельской и городской связи, обеспечивая их развитие в едином автоматизированном комплексе с единой нумерацией и коммутацией. Это позволяет в перспективе каждому абоненту одного населенного пункта иметь автоматическую связь с любым другим абонентом другого населенного пункта страны. Сеть обеспечивает передачу всех видов современной информации: телефонную, телефаксную, телеграфную, телевидение, видеотелефон, сигналы автоматического управления, данные ЭВМ и т. д. Предполагается, что в дальнейшем передача всех видов информации будет осуществляться едиными методами на основе единых технических решений [1]. В инженерном отношении сеть представляет собой широко разветвленную сеть каналов связи с большой пропускной способностью и высокой верностью передачи информации. Сеть базируется на целесообразно размещенных по стране узлах автоматической коммутации, соединенных между собой большими пучками каналов. Она включает электронновычислительные центры, в которых информация обобщается и систематизируется. Сеть связи состоит из трех основных частей: систем передачи информации (линий и аппаратуры); устройств (систем) коммутации; оконечных устройств. По капитальным затратам наибольший удельный вес занимают линейные сооружения и аппаратура передачи информации, поэтому очень важно выбрать оптимальный вариант построения сети - структуру сети. Сеть состоит из узлов (пунктов коммутации цепей, каналов) и ребер (линий связи), соединяющих эти узлы между собой. При построении сети связи исходят из стремления сделать ее экономичной и надежной. Надежность обеспечивается созданием разветвленной сети применением различных типов линий связи и прокладкой их на различных направлениях. На этих линиях организуется требуемое число каналов с обходными, резервными путями. Необходимо, чтобы каждый узел связи имел два-три обходных независимых пути к другим узлам. Возможно несколько вариантов построения сети. Наилучшие результаты дает сочетание радиальной и узловой систем. Такая система позволяет создавать разветвленную, устойчивую и в то же время довольно экономичную сеть связи. Сеть связи страны состоит из магистральных и зоновых сетей Зоновая сеть организуется в пределах одной-двух областей. Она подразделяется на внутризоновую и местную. Внутризоновая связь соединяет областной центр с районами. Местная связь включает сельскую связь и городскую связь. Сеть связи страны подразделяется на первичную и вторичную. Первичная сеть - это совокупность всех каналов без подразделения их по назначению и видам связи. В состав ее входят линии и каналообразующая аппаратура. Первичная сеть является единой для всех потребителей каналов и представляет собой базу для вторичных.

Вторичная сеть состоит из каналов одного назначения (телефонных, телеграфных, передачи данных, телевидения и т.д.), образуемых на базе первичной сети. Вторичная сеть включает коммутационные узлы, оконечные пункты и каналы, выделенные на первичной сети. В настоящей работе была поставлена задача расчета первичной сети связи в Нигерии для передачи сигналов по волоконно-оптическим линиям связи. Для передачи электрических сигналов по волоконным световодам применяют системы оптической передачи. Ее компонентами являются элетрооптический преобразователь как передатчик света в начале линии, собственно волоконно-оптическая линия и электрооптический преобразователь как приемник света на конце линии [2]. Как и в системе с металлическими проводами, имеются оконечные устройства в начале и в конце линии. Устройства, расположенные между ними, - это усилители для аналоговой передачи и регенераторы для цифровой передачи. Оптические и электрические системы передачи имеют одни и те же электрические устройства сопряжения. Это означает, что при внедрении волоконно-оптической технологии достигнута важная цель, которая, прежде всего, значительно облегчает интеграцию в существующие сети. В качестве способа передачи для волоконных световодов применяется в основном цифровая технология, так как она обеспечивает свободное сочетание скоростей передачи бит самых различных источников (телефонные сети, сети передачи данных и др.). С внедрением волоконно-оптической техники аналоговая технология передачи сигналов продолжает терять свое значение и используется лишь для специальных областей применения. Наиболее важными функциями цифровой технологии передачи является аналоговоцифровое преобразование (главным образом, речь), мультиплексирование (объединение) цифровых сигналов и передача цифровых сигналов, например, по оптическим волноводам. С внедрением цифровой технологии были созданы предпосылки для интеграции услуг, таких как телефонная связь, телекс, передача данных и телефакс. Для этих целей в рамках МСЭ-Т были разработаны системы передачи с определенными скоростями передачи бит : - плезиохронная цифровая иерархия; - синхронная цифровая иерархия. Основным преимуществом оптических и полимерных волокон в конструкциях оптических кабелей связи является спектр электромагнитных волн, свободный от других источников сигналов (рис. 1). Преимущества ВОЛП по сравнению с обычными кабельными линиями. 1. Высокая помехоустойчивость, нечувствительность к внешним электромагнитным полям и практически отсутствие перекрестных помех между отдельными волокнами, уложенными вместе в кабель. 2. Значительно большая широкополосность. 3. Малая масса и габаритные размеры. Ожидается уменьшение массы и габаритных размеров примерно в 10 раз и более по сравнению с существующими кабельными линиями связи при одинаковом числе каналов связи. Это приведет к уменьшению стоимости и времени прокладки оптического кабеля. 4. Полная электрическая изоляция между входом и выходом системы связи, поэтому не требуется общее заземление передатчика и приемника. Можно производить ремонт оптического кабеля, не выключая оборудования. 5. Отсутствие коротких замыканий, вследствие чего волоконные световоды могут быть использованы для пересечения опасных зон без боязни коротких замыканий, являющихся причиной пожара в зонах с горючими и легковоспламеняющимися средами. 6. Потенциально низкая стоимость. Хотя волоконные световоды изготавливаются из ультрачистого стекла, имеющего примеси меньше, чем несколько частей на миллион, при массовом производстве их стоимость должна быть невелика. Кроме того, в производстве волоконных световодов не используются такие дорогостоящие цветные металлы, как медь и 8

свинец, запасы которых на Земле ограничены. Стоимость же электрических линий, коаксиальных кабелей и волноводов постоянно увеличивается как с дефицитом меди, так и с удорожанием энергетических затрат на производство меди и алюминия. Волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, к которым в основном относятся дороговизна прецизионного монтажного оборудования, относительно высокая стоимость лазерных источников излучения, и требования специальной защиты волокна. Однако преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки, дальнейшие перспективы развития технологии ВОЛС в информационных сетях более чем очевидны. Систему передачи информации характеризуют два важнейших параметра: дальность передачи информации без применения ретрансляторов и скорость передачи информации при заданном уровне качества передачи информации, Развитие волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) идет по пути увеличения дальности и скорости передачи информации при сохранении (или увеличении) качества информации. Для увеличения дальности передачи информации наряду с ретрансляторами, осуществляющими преобразование оптического сигнала в электрический, усиление электрического сигнала и обратное преобразование его в оптический, в современных волоконно-оптических системах используются оптические усилители, обеспечивающие прямое усиление оптических сигналов без преобразования в электрические.

Рисунок 1 – Схема прокладки волоконно-оптической линии передачипо территории Нигерии Целью данного проекта является расчет параметровов системы связи с кольцевой топологией между городами: Абужа (Abuja), Лагос (Lagos), Порт-Харкорт (Port-harcourt), Жуз (Jos), Абужа(Abuja) и выбор необходимого оборудования.(см. рис. 1) [3]. При прокладке кабеля 9

вдоль существующих дорог общая протяженность трассы составляет почти 2500 км по сложной местности. Анализ показывает, что от 70 до 80% капитальных затрат проекта обусловлены стоимостью строительных работ. Так при цене $2,60 за метр кабельной продукции затраты на приобретение кабеля составят $6,50 млн. При проектировании линейных сооружений необходимо проводить характеристику трассы волоконно-оптической линии передачи с подробным описаием ее участков. Для каждого участка указывается марка и емкость прокладываемого оптического кабеля, технология его прокладки и т.п. Также необходимо привести данные о типе и месте положения муфт, местах установки контрольно-измерительных пунктов, а также ряд других технических вопросов. При проведении инженерного расчета параметров линейного тракта волоконнооптической линии передачи были проведены расчет длины регенерационного участка, расчет бюджета мощности с учетом ограничений по хроматической дисперсии, поляризационой модовой дисперсии, а также расчет параметров систем передачи со спектральным разделением каналов [4]. Наиболее современной технологией, используемой в настоящее время для построения сетей связи, является синхронная цифровая иерархия (СЦИ) (Synchronous Digital Hierarchy – SDH). СЦИ позволяет организовать универсальную транспортную систему, охватывающую все участки сети и выполняющую функции, как передачи информации, так и контроля и управления. Она рассчитана на транспортирование всех сигналов ПЦИ, а также всех действующих и перспективных служб, в том числе и широкополосной цифровой сети с интеграцией служб, использующей асинхронный способ переноса [5]. В СЦИ использованы последние достижения в электронике, системотехнике, вычислительной технике и т.п. Ее применение позволяет существенно сократить объем и стоимость аппаратуры, эксплуатационные расходы, сократить сроки монтажа и настройки оборудования. В то же время значительно повышаются надежность и живучесть сетей, их гибкость, качество связи. Линейные сигналы СЦИ организованы в так называемые синхронные транспортные модули STM (Synchronous Transport Module). Были проведены оценочные расчеты, которые показали, что выбранному волоконно-оптическому кабелю возможна передача сигнала STM-64 (9953,28 Мбит/с), но для этого необходима установка приемопередающего оборудования Optix 10G фирмы Huawei Technologies и применение для компенсации дисперсии модуля DK-80 Lucent Technologies. Перечень ссылок 1. Портнов Э.Л. Принципы построения первичных сетей и оптические кабельные линии связи. Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2009. – 544 с. 2. Направляющие системы электросвязи: Учебник для вузов. В 2-х томах. Т.1 – Теория передачи и влияния / В.А. Андреев, Э.Л. Портнов, Л.Н. Кочановский; под редакцией В.А. Андреева. – М.: Горячая линия – Телеком, 2009. – 424 с. 3. Направляющие системы электросвязи: Учебник для вузов. В 2-х томах. Т.2 – Проектирование строительство и техническая эксплуатация / В.А. Андреев, А.В. Бурдин, Л.Н. Кочановский; под редакцией В.А. Андреева. – М.: Горячая линия – Телеком, 2010. – 424 с. 4. Методичні рекомендації до практичних занять з дисципліни «Оптоелектронні системи зв’язку» для студентів денної, заочної та очно-заочної форми навчання напрямку підготовки 6.050903 «Телекомунікації» / Укл.: доц. Бессараб В.І., ас. Ступак Г.В. - Донецьк: ДонНТУ, 2009. – 65 с. 5. Воропаєва В.Я. Теорія телетрафіку: навч. посіб. / В.Я. Воропаєва, В.І. Бессараб, В.В. Турупалов, В.В. Червинський. – Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2011. – 202 с. Гриф МОНМС № 1/11-7538 від 10.08.2011 р.

УДК 681.3.06 МОДЕЛИ ПОМЕХ В ОДНОЧАСТОТНЫХ СЕТЯХ Геранин Р.В., аспирант; Львов А.А., проф., д.т.н.; Журавлева Е.В., студентка (Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,г. Саратов, Россия) Одночастотная сеть (ОЧС) [1] состоит из передатчиков, вещающих одинаковую цифровую информацию одновременно на одной частоте. Полезный сигнал на приемнике является суперпозицией всех сигналов, приходящих от передатчиков этой сети. Если передатчики расположены вдалеке от приемника, то некоторые из этих сигналов могут вызвать внутрисимвольные помехи и превратиться в сигнал помехи из-за чрезмерной задержки. Беспроводной канал связи влияет на принимаемый сигнал в крупномасштабном и мелкомасштабном аспекте. Крупномасштабное влияние включает в себя изменение средней мощности принимаемого сигнала на значительных расстояниях, сравнимых с длиной волны сигнала, в то время как мелкомасштабное влияние включает в себя колебания мощности принимаемого сигнала на расстояниях, соразмерных с длиной волны. Широкомасштабное влияние разлагается на прогнозируемую и стохастическую составляющие потерь в тракте передачи. Прогнозируемая часть включает в себя потери, зависящие от расстояния. Улучшенные модели распространения также учитывают дополнительные особенности рельефа, такие как лиственные деревья, неровность территории и профиль ландшафта на пути сигнала. Точность прогнозируемых потерь в канале обусловлена разрешением базы данных ландшафта. В обычных ландшафтных базах данных информация о высотах доступна в разрешении от 50×50 м до 1000×1000 м. Широко используемые модели не выигрывают от применения разрешений выше указанных, так как их точность ограничена и другими факторами, которые сложно смоделировать. На малой территории, например, 100×100 м, мощность принимаемого сигнала изменяется случайным образом в зависимости от неровности территории (теневое затухание). Статистика данного типа изменений обычно характеризуется логарифмически нормальным распределением [1]. Таким образом, подобная модель распространения используется для оценки средней принятой локальной мощности в близости от приемника, а теневое затухание моделируется с помощью дополнительной случайной компоненты. Основным параметром системы в рассматриваемой качественной модели является отношение сигнал/помеха (ОСП). Предположим, что приемник готов принять информацию, которую вещает ОЧС. Тогда передаваемый мультиплексированный сигнал с ортогональным частотным разделением (МСОЧР), преобразованный в низкочастотную область определяется следующим образом [2]:

sb(t) =

Nc −1

∑

k =0

ak(0)e

j2πk t Tu

− Tg ≤ t ≤ Tu ,

(1)

где ak( 0 ) – информационный символ в поднесущей k в течение 0-го блочного интервала МСОЧР, Tg – длительность защитного интервала, Tu – длительность полезной части сигнала. Множественные копии сигнала поступают на антенну приемника с различными задержками. Это обусловлено двумя причинами: естественная дисперсия вызывается переотражениями вблизи приемника, а искусственная задержка, вызывается приемом одинакового сигнала от различных передатчиков с различными задержками. Т.к. длительность блока Tt = Tu + Tg в ОЧС велика по сравнению с естественной временной дисперсией, влиянием последней можно пренебречь. Таким образом, принятый на приемнике сигнал можно записать в виде: 11

r (t ) = ∑ δ i sb (t − τ i ) + z (t ) + n(t )

(2)

i =1

где N – общее количество передатчиков в ОЧС, τi – задержка распространения от передатчика i до приемника, δi – ослабление сигнала от i-го передатчика, представляемое гауссовским процессом со средней мощностью

{ }

Pr,i = E δi = Pr,i ⋅10ζ i / 10 2

(3)

Pr,i представляет собой мощность на входе приемника от передатчика i; ζi – гауссова случайная переменная с дисперсией σ ζ2 , описывающая локальное затухание. Аддитивная часть z(t) в (2) представляет внешнюю помеху от других ОЧС, использующих одинаковый частотный диапазон; n(t) – фоновый шум. Принятый сигнал r(t) затем поступает на демодулятор МСОЧР. Предположим, что приемник синхронизируется по первой пришедшей копии сигнала, а также, что из N копий сигнала N+ копий приходят в течение защитного интервала, остальные N – N+ копий приходят после защитного интервала, но до окончания блока МСОЧР. В канале с медленно меняющимися характеристиками ослабление сигнала можно считать постоянным в течение приема всего блока МСОЧР. Тогда принятый сигнал на поднесущей частоте k имеет вид [2]: rk = [H (k ) − G ' (k , k )]ak( 0 ) −

N c −1

l = 0,l ≠ k

l =0

∑ G'(k , l )al(0) +

∑ G ' (k , l )a

( −1) l

+ zk + nk

(4)

где H(k) – передаточная функция канала на поднесущей частоте k: N

H (k ) = ∑ δ i e

− j 2πk

− j 2π ( l − k )

τi Tu

G ' (k , l ) =

i =1

G (k ) − G (l ) j 2π (l − k ) Tu

(5)

где G(k) – передаточная функция для N – N+: G (k ) =

∑δ e

i =1+ N +

− j 2πk

τi Tu

(6)

Принятый сигнал rk состоит из двух основных частей: полезной части, в которой переносится информационный символ ak( 0 ) и части с помехами, являющейся линейной комбинацией фонового шума, внешних помех и взаимных помех (внутриканальных и внутрисимвольных). Необходимо отметить, что вся информация, приходящая во время защитного интервала, соответствуют полезной части сигнала, в то время как остальная информация соответствует как полезной части, так и части с помехами. Отношение между средними энергиями данных двух частей сигнала представляет собой отношение сигнала к помехе плюс шум, обозначаемое как Г. Данное отношение используется в качестве меры качества работы приемника в данном местоположении. Из (4) подобное отношение можно получить следующим образом:

Γ =

E{| H (k ) + G' (k, k ) |2} N −1 E{| G' (k, k ) |2}+ 2∑l =c0,l ≠k E{| G' (k, l) |2}+ Z0 + N0

(7)

где для упрощения предположим, что E{| al |2} = 1 для всех l. N0 обозначает мощность фонового шума в приемнике, Z0 – мощность помех от соседних каналов (от передатчиков других ОЧС, использующих одинаковый частотный диапазон), которые можно записать в виде:

Z0 =

N +K

∑ Pr,i ,

(8)

i = N +1

где K – количество источников помех от других ОЧС. Заменяя H(k) и G′(k,l) их выражениями в (7) и взяв средние значения, ОСП можно определить как

Γ =U = I

∑i =1 Pr,iω(τ i − τ 0) N N +E ∑i =1 Pr,i[1 − ω(τ i − τ 0)] + ∑i = N +1 Pr,i + N0 N

(9)

где U и I обозначают полную полезную мощность и полную мощность помех соответственно. Функция ω(τ–τ0) является весовой функцией, зависящей от типа окна приемника и метода модуляции [2, 3], и является функцией от задержки сигнала τi по отношению к начальной точке окна модуляции приемника τ0. Для весовой функции ω(∆τ) применяется следующая квадратичная форма если 0 ≤ ∆τ < Tg ω(∆τ ) = 1, 2   Tu − ∆τ +T g   , если Tg ≤ ∆τ < T f  Tu   в остальных случаях. 0,

(10)

Длина квадратичной части определяется Tf, где Tf = Tu + Tg в цифровом аудио вещании и Tf = 2Tg в цифровом видео вещании [3]. Данная квадратичная функция показана на рисунке 1, на котором видно, что в зависимости от соответствующей задержки распространения, принимаемый от передатчика сигнал i может входить в полезную часть, часть помех или в обе части принятого сигнала. Рисунок также показывает, что все части, принимаемые в течение защитного интервала, не вносят каких-либо помех.

Рисунок 1 – Весовая функция для цифрового аудио и видео вещания Полная полезная энергия зависит от начальной точки τ0 окна модуляции приемника. Временная синхронизация обеспечивает точное генерирование окна быстрого преобразования Фурье; ее можно рассматривать как основу символьной и кадровой синхронизации. Для синхронизации кадров модулятор использует специальный символ (называемый «нулевым») в кадре. Для синхронизации символов (прецизионной временной) основным критерием является максимизация ОСП. Приемнику необходимо выбрать начальную точку окна таким образом, чтобы полезная принятая энергия сигналов была максимальной, кроме того, необходимо минимизировать общую энергию помех. Начальная 13

точка называется точкой временной синхронизации. В моделях с простым приемником модуляционное окно начинается по приходу первого принятого сигнала. На рисунке 2 приведены результаты проведенного моделирования. Показаны требуемые отношения сигнал/помеха, обеспечивающие относительную частоту ошибок (BER), в зависимости от модуляционной спектральной эффективности [4] при различных видах модуляции. Здесь же показана нижняя граница Шеннона, соответствующая минимально возможному ОСП, при котором теоретически реализуется прием сигнала с заданным BER, но для этого требуется использовать максимально помехоустойчивое кодирование сигналов.

Рисунок 2 – Зависимости требуемых отношений сигнал/помеха (ОСП), обеспечивающие относительную частоту ошибок BER < 10–5, от модуляционной спектральной эффективности для различных видов модуляции: ФМ – фазовая манипуляция, КАМ – квадратурная амплитудная манипуляция. Из рисунка видно, что фазовая манипуляция менее эффективна в смысле рассматриваемого критерия, чем квадратурная амплитудная модуляция, поскольку требует большего отношения сигнал/помеха (примерно на 6 дБ на каждый бит/(Гц⋅сек). Перечень ссылок 1. Сергиенко, А. Б. Цифровая обработка сигналов / А. Б. Сергиенко – М. : Питер, 2002. – 608 с. 2. Яцкeвич В.А. Измерение параметров СВЧ узлов // Измерительная техника, 1999. – № 3. – С. 43-46. 3. Никулин С.М., Салов А.Н. Влияние помех в COFDM // Радиотехника, № 7, 1997. – С. 70-72. 4. “Digital Video Broadcasting”, ETSI, Online: http://www.etsi.org/broadcast/dvb.htm,October 2005.

УДК 681.5.03 МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ОЧЕРЕДЕЙ В СРЕДЕ GPSS WORLD Жуковская Д.А., студент (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) При работе компьютерной сети с использованием технологии Ethernet процент потерянных пакетов составляет немалую часть от всего передаваемого трафика, поскольку оборудование не способно обработать абсолютно все пакеты. Следовательно, необходимо каждый раз при приеме пакета делать выбор, принимать его на обработку или удалить из очереди. Для осуществления данного выбора у каждого пакета необходим один или несколько критериев, по которым будет осуществляться выбор. Таким образом, следует разработать несколько алгоритмов для осуществления данного выбора при приеме пакета на вход коммутационного оборудования. Также следует принять во внимание техническую возможность коммутационного оборудования, т.е. маршрутизаторов и коммутаторов 2 и 3 уровня, поскольку от нее зависит производительность обработки трафика [1]. Цель работы – разработка моделей алгоритмов обработки очередей в коммутационном оборудовании. Большинство современных маршрутизаторов имеют встроенные функции организации очередей. Для предоставления временных гарантий чувствительным к задержкам приложениям наиболее часто используется метод приоритетных очередей. Данный метод может применяться для передачи аудио- и видеоинформации, когда не требуется высокое качество. Для доставки аудио- и видеоинформации с высоким качеством необходимо гарантировать низкую задержку и небольшой эффект дрожания. Этого трудно добиться в сетях без значительных накладных расходов при резервировании буферного пространства маршрутизаторов и без реализации сложных алгоритмов обработки очередей [2]. На данный метод не существует единого стандарта. Отдельные его части описаны в разных стандартах. Каждый производитель сетевого оборудования реализует в своих изделиях собственные алгоритмы обработки очередей. Алгоритм Drop Tail – отбрасывание хвоста. Один из простейших алгоритмов AQM для управления переполнением очередей маршрутизаторов. В Drop Tail трафик не разделяется по типам пакетов, каждый пакет обрабатывается одинаково. Когда очередь заполняется до некоторого заданного максимального размера, все вновь поступающие пакеты отбрасываются, пока очередь не будет иметь место, достаточное для поступления входящего трафика. На рисунке 1представлена Q-схема обслуживания алгоритма Drop Tail с одним процессором без QoS, где Г – источник заявок, ПР – обработка центральным процессором.

Рисунок 1 – Q-схема обслуживания алгоритма Drop tail Очереди на основе классов (Class-Based Queuing, CBQ) – это алгоритм, при котором трафик делится на несколько классов. Каждый класс имеет собственную очередь и ему 15

выделяется некоторая часть пропускной способности канала. Основными целями работы алгоритма CBQ являются: поддержка соединений, которые нуждаются в гарантированной полосе пропускания; поддержка необходимого QoS; обеспечение распределения ресурсов между соединениями. Взвешенная справедливая очередь (Weighted Fair Queuing, WFQ) – частный случай CBQ, когда классам соответствуют независимые потоки. Каждому классу соответствует одна очередь FIFO и ей отводится некоторая часть пропускной способности канала. При этом происходит перераспределение пропускной способности между потоками. Выделение дополнительной пропускной способности для больших потоков позволяет уменьшить задержку при их обработке. На рисунке 2 представлена Q-схема обслуживания алгоритма WFQ с одним процессором, где Г – источник заявок, Qi – присвоения класса и выделение пропускной способности, ПР – обработка центральным процессором.

Рисунок 2 – Q-схема обслуживания алгоритма WFQ Очередь с приоритетами (PQ) – это алгоритм, при котором несколько простых очередей образуют одну более сложную очередь. Трафик распределяется между этими очередями в соответствии с заданными критериями. При этом трафик отправляется в порядке строгой очередности: первым – трафик с высоким приоритетом, вторым – со средним и т. д. Его целью является регулировать использования одного канала передачи данных несколькими конкурирующими потоками, где под потоком понимается очередь пакетов данных (смешанный трафик) [3]. На рисунке 3 представлена Q-схема обслуживания модели приоритетного обслуживания, где Г – источник заявок, Qj – буфер j-го порта, ПРj – обработка процессором j-го порта, Пр сорт – обработка приоритетных очередей, Пр ц – обработка пакета центральным процессором, Vl, Vc, Vh – определение очередей с высоким приоритетом, средним и низким.

Рисунок 3 – Q-схема обслуживания модели приоритетного обслуживания Для построения данных моделей больше всего подходит язык моделирования GPSS, поскольку это средство моделирования позволяет организовывать работу в реальном времени дискретно-стохастические схемы. Альтернативным вариантом могло бы служить 16

написание программы модели на языке C++, но основной проблемой при данном подходе является задание реального времени. Сущность метода статистического моделирования сводится к построению для процесса функционирования исследуемой системы S некоторого моделирующего алгоритма, имитирующего поведение и взаимодействие элементов системы с учетом случайных входных воздействий и воздействий внешней среды Е, и реализации этого алгоритма с использованием программно-технических средств ЭВМ [4]. В языке GPSS возможность задания функций распределения случайных величин ограничена заданием их в табличном виде путем аппроксимации непрерывными функциями. Поэтому можно задать только те функции, которые легко преобразовать для новых значений параметров. К таким функциям, например, относится функция экспоненциального распределения с параметром λ=1, а также функция стандартного нормального распределения с математическим ожиданием m=0 и стандартным отклонением σ=1. Пуассоновский входящий поток описывается таким образом: вероятность поступления k заявок пуассоновского потока в течение интервала t составляет:

p k (t ) =

e − λt ( λ t ) k , k = 1, 2, 3... k!

(1)

где λ – интенсивность потока. Интервалы времени между соседними заявками пуассоновского потока распределены по экспоненциальному закону. Согласно методу обратной функции, можно получить ряд чисел, которые имеют экспоненциальное распределение, если ряд случайных чисел R, равномерно распределенных на интервале [0,1], преобразовать в соответствии с функцией, обратной к экспоненциальной функции распределения: t j = F −1 ( x) = −

1 , λ ln(r j )

(2)

где t j – j-й разыгранный интервал времени поступления, 1/λ -средний интервал времени поступления, rj – j-е число в последовательности случайных чисел R с равномерным распределением на интервале [0, 1] [5]. Разработчиками GPSS была осуществлена аппроксимация функции F-1(x), обратной к экспоненциальной функции распределения с параметром λ=1. Таким образом, функция F-1(x) была заменена 23 отрезками, которые использовались для преобразования значений RNj в значение - ln(RNj). Функция XPDIS определяет экспоненциальное распределение с интенсивностью λ=1: Пуассоновский входящий поток с интенсивностью λ, отличной от единицы, моделируется с помощью блока GENERATE, таким образом: в качестве операнда А используют среднее значение интервалов времени 1/λ, где λ – интенсивность пуассоновского потока; в качестве операнда В используют СЧА – значение функции XPDIS, операторы определения и описания которой приведены выше [4]. XPDIS FUNCTION RN1,C24 0,0/.100,.104/.2,.222/.300,.355/.400,.509/.500,.690/.600,.915/.700,1.200.750,1.380/.800,1.600 /.840,1.830/.880,2.120/.900,2.30/.920,2.520/.940,2.810.950,2.990/.960,3.200/.970,3.500/.980,3.90/. 990,4.600/.995,5.300/.998,6.200.999,7/1,8 При имитационном моделировании выделяют три представления времени: реальное, модельное (системное) и машинное время. Система моделирования GPSS основана на переходе требований (транзактов) от блока к блоку (от оператора к оператору) в определенные моменты времени. Исходные данные: средний интервал между пакетами данных – 25 ед. вр.; емкости накопителей – 20; время передачи пакета данных по ДКС – 20 ед. вр.; время передачи подтверждения по ДКС – 1 ед. вр.; время обработки пакета в ЦП – 2 ед. вр. 17

Результаты моделирования приведены в виде гистограммы, где указано количество пакетов, которые не получили обслуживания (рис. 4), где В - трафик высокого приоритета, С - средней и Н - низкого.

Рисунок 4 – Результаты моделирования алгоритмов в среде GPSS World По результатам моделирования, можно сделать вывод, что при использовании алгоритма Drop Tail количество пакетов, которые не получили обслуживание составляет 162. Используя алгоритм WFQ (распределения пропускной способности в процентах) имеем: при отведении 50% пропускной способности на 1ю очередь и по 25% на 2ю и 3ю потери составляют 18 пакетов, при отведении 50% для 2ой очереди и по 25% для 1ой и 3й – 44 пакета, при 50% для 3й и по 25% для 1ой и 2ой – 36 пакетов. Лучший результат показал алгоритм приоритетных очередей: при максимальной интенсивности входного высокоприоритетного и средней интенсивности середньоприоритетного и низкоприоритетного трафика не обслуженных осталось 14 пакетов, при средней интенсивности входного высокоприоритетного, середньоприоритетного и низкоприоритетного трафика – 37 пакетов, при максимальной интенсивности входного середньоприоритетного и средней интенсивности высокоприоритетного и низкоприоритетного трафиков – 24 пакета. Следовательно, путем проведения различных экспериментов определено, что использование алгоритма приоритетных очередей позволяет уменьшить потери важной информации, чувствительной к задержкам. Этим доказано, что данный алгоритм значительно повышает показатели качества при передаче аудио- и видеоинформации. Перечень ссылок 1. Благодаров А.В., Пылькин А.Н., Скуднев Д.М., Шибанов А.П. Моделирование и синтез оптимальной структуры сети Ethernet. Изд: «Горячая линия-Телеком», 2011г, 112 с. 2. Алексеев Е.Б., Гордиенко В.Н., Крухмалев В.В. Проектирование и техническая эксплуатация цифровых телекоммуникационных систем и сетей. под редакцией В.Н. Гордиенко и М.С. Тверецкого. Изд: «Горячая линия-Телеком»: 2-е изд., испр., 2012г, 392 с. 3. Демидов А.С., Косиор А.В., Воропаева В.Я. Анализ динамики загруженности корневых маршрутизаторов информационных систем при внедрении мультимедийных услуг // ІV міжнародна науково-технічна конференція «Проблеми телекомунікацій», м. Київ, 20 – 23 квітня 2010 р. // Збірник тез. К.: НТУУ «КПІ», 2010. С. 141. 4. Шрайбер Т. Дж. Моделирование на GPSS. Пер. с англ. В. И. Гаргера, И. Л. Шмуйловича под ред. М. А. Файнберг. М. Машиностроение. 1980г. 592 с. 5. Воропаєва В.Я. Теорія телетрафіку: навч. посіб. / В.Я. Воропаєва, В.І. Бессараб, В.В. Турупалов, В.В. Червинський. – Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2011. – 202 с. Гриф МОНМС № 1/11-7538 від 10.08.2011р.

УДК 621.396 АНТИКОЛЛИЗИОННЫЕ АЛГОРИТМЫ RFID-СИСТЕМ, РЕАЛИЗУЕМЫЕ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ Кабакчей В.И., студент (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) В последнее время получила широкое распространение бесконтактная радиочастотная идентификация (RFID), относящаяся к средствам беспроводной электронной идентификации объектов различной физической природы. Объектом идентификации может быть человек, животное, транспортное средство, контейнер с грузом, оборудование, изделие в процессе производства, ценные предметы, различные товары, и т.п. [1]. RFID-система состоит из двух основных компонентов – транспондера (метки), закрепляемого на объекте, который должен пройти процедуру идентификации и считывателя (считывающего устройства) или ридера, которое предназначено для считывания данных с метки[2]. Главной задачей при проектировании систем радиочастотной идентификации (RFID) является проблема наиболее быстрого и безошибочного считывания информации с транспондеров. При этом необходимо учитывать возможность возникновения коллизий и принимать меры по их устранению. Когда в рабочей зоне ридера находится одна метка, считывание информации происходит, как правило, безошибочно. Однако, когда в поле ридера попадает несколько меток, возникает ситуация коллизии, что влечет за собой проблему правильной идентификации каждой отдельно взятой метки и безошибочного считывания информации с нее. Следовательно, с возрастанием количества меток в поле ридера возрастает вероятность ситуаций коллизии и как следствие – неправильное чтение информации. Задача безошибочного получения информации, передаваемой с метки, является первостепенной. Поэтому возникает необходимость решения антиколлизионных задач. Промышленные считыватели могут одновременно считывать множество RFID-меток, используя так называемые антиколлизионные методы. ”Из соображений конкуренции производители подобных систем, как правило, не сообщают информацию об используемых в их устройствах методах предупреждения коллизий. Также достаточно мало информации по этому вопросу приводится в специализированной технической литературе, так что из нее вы также не сможете получить ясное представление об использованных методах [3].” Цель данной работы - принципиально понять производительность протоколов Aloha путем математического анализа, моделирования. В протоколе Aloha максимальная пропускная способность канала cоставляет всего лишь 18,4%[4]. Пусть поступающая нагрузка G соответствует количеству транспондеров, которые одновременно ведут передачу в момент времени t 0 (т.е. G принимает значения 0, 1,2, 3, ...). Среднее значение поступающей нагрузки G соответствует среднему значению в течение промежутка времени Т и может быть выражено с помощью длительности передачи одного пакета данных τ следующим образом: mτm

G = ∑1

rm .

(1)

Здесь m принимает значения 1, 2, 3,... и показывает количество транспондеров имеющееся в данной системе, rm = 0, 1, 2, ... — это количество пакетов данных, которое пересылается за время наблюдения T транспондером под номером m. Пропускная способность S равняется 1 на протяжении того отрезка времени, когда пакеты данных передаются без ошибок (коллизии между пакетами данных отсутствуют), в остальных случаях пропускная способность равна 0, так как пакеты данных либо не

передаются, либо из-за коллизий передаваемые данные не могут быть корректно прочитаны. Средняя пропускная способность S для какого-либо канала передачи данных может быть выражена с помощью поступающей нагрузки G следующим образом:

S = Ge ( −2G ) .

(2)

Если рассматривать пропускную способность S в зависимости от поступающей нагрузки G (рис. 1), то максимум пропускной способности находится при G = 0.5 и соответствует значению 18.4%. При небольшом значении поступающей нагрузки канал передачи данных большую часть времени не используется, по мере увеличения поступающей нагрузки быстро возрастает количество коллизий между отдельными транспондерами. При этом около 80% пропускной способности канала остается неиспользуемой. Пропускная способность S

0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0

Поступающая нагрузка G Рисунок 1 – Пропускная способность метода Aloha В протоколе Aloha с использованием временных слотов (FSA) канал разделяется на слоты, и только один пакет передается в каждом слоте. Теоретическая максимальная пропускная способность повышается до 36,8%. Предположим, что имеется n не идентифицированных меток и параметр (число слотов, доступных для меток) содержит N слотов, и что каждая метка случайным образом выбирает слот из параметра с одинаковой вероятностью 1/N. Вероятность того, что k меток одновременно передадут информацию в один слот:

 n  1   1 P(k ) =    1 −   k  N   N  k

n−k

(3)

Из уравнения (3), вероятность того, что метки идентифицируются после одного цикла передачи параметра, может быть получена следующим образом:

 n  1   1 N * P (1) = N *    1 −   1  N   N  1

n −1

 n  1 =  1 −   1  N 

n −1

(4)

В общем случае пропускная способность RFID с N слотами и n идентифицированными метками определяется следующим образом: T ( n, N ) =

nидентифицированных N

 n  1   1 = P (1) =    1 −  N  1  N  

n −1

(5)

Максимальная пропускная способность достигается при ∂T/∂N=0. В соответствии с (4) и (5), это условие может быть выражено как: n=

1 . N ln N −1

(6)

На практике длина параметра всегда больше, чем 1. Поэтому n ≈ N может быть получено из (6) когда N >> 1 . Соответственно максимальная пропускная способность может быть вычислена из формулы (5). Рис. 2 показывает пропускную способность системы RFID как функцию, зависящую от количества меток при различной длине параметра. Когда количество меток равно длине параметра, пропускная способность достигает максимального значения и приблизительно равна 36,8%, рассчитанному теоретически.

Пропускная способность

0,4 0,35 0,3 0,25 N=15

0,2

N=32 0,15

N=64

0,1

N=128

0,05 0 0

100 120 140 160 180 200

Количество меток Рисунок 2 – Зависимость пропускной способности RFID-системы от количества меток для алгоритма Aloha с использованием временных слотов Оценена эффективность антиколлизионных алгоритмов Aloha для паccивных меток с помощью математического анализа и моделирования. Данный комплексный подход позволяет лучше понять теоретическую и практическую производительности RFID системы и проблемы, которые существуют в улучшении практической производительности в промышленных условиях. Перечень ссылок 1. Джхунян В.Л. Электронная идентификация. Бесконтактные электронные идентификаторы и смарт-карты / В.Л. Джхунян, В.Ф. Шаньгин. – М.:NT Press, 2004 – 696с. 2. Воропаева В.Я., Клочко А.Ю. Проблема выбора системы автоматизации библиотечной деятельности для библиотечно-информационного центра ДонНТУ / В.Я. Воропаєва, А.Ю. Клочко // Система обслуговування користувачів у вузівській бібліотеці: матеріали Всеукраїнської наукової ювілейної конференції, 1-3 жовт. 2009 р., Дніпропетровськ. - Дніпропетровськ, НГУ, 2009. - С. 50-53 3. Финкенцеллер К. Справочник по RFID. Технические основы и практическое применение индуктивных радиоустройств, транспондеров и бесконтактных чип-карт / К. Финкенцеллер – М. : Издательский дом ”Додэка-XXI”, 2008 – 489 с. 4. Т. Шарфельд Системы RFID низкой стоимости / с Приложениями И. Девиля, Ж. Дамура, Н. Чаркани, С. Корнеева и А. Гуларии. Перевод с английского и научная редакция С. Корнеева. – М. : Издательство «Горячая линия - Телеком», 2006 – 197 с.

УДК 621.395 МОДЕРНИЗАЦИЯ МАГИСТРАЛЬНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ Г. ДОНЕЦКА НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЙ METRO ETHERNET Матеуш Монтейру, студент; Червинский В.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) На сегодняшний день телекоммуникационным операторам приходится удовлетворять потребности клиентов в передаче разнообразного трафика и предоставлять клиентам большой спектр услуг. Среди них наиболее популярными сегодня являются: передача традиционного трафика телефонии, организация доступа в Интернет, предоставление квартирным абонентам услуг телевизионного вещания. Городские сети (Metropolitan Arеа Networks), которые обеспечивают широкополосный доступ, становятся все более популярным решением, предоставляя большую пропускную способность по низким ценам. Между тем, существующие каналы передачи данных не всегда подходят для предоставления современных услуг Triple Play. Увеличение объемов услуг, которые предоставляются, принуждает провайдеров параллельно развивать несколько разных сетей. Это требует больших расходов и часто связано со значительными техническими трудностями. Мультисервисная сеть Metro Ethernet - это единая городская инфраструктура, которая использует единую среду для передачи разных типов трафика. Она позволяет уменьшить разнообразие типов оборудования, применять единые стандарты и единую кабельную систему, централизовано управлять коммуникационной средой для предоставления наиболее полного спектра услуг. Целью данной работы является обеспечение необходимой зоны обслуживания телекоммуникационной сети Metro Ethrenet с высоким уровнем качества сервисов на всей территории города Донецка. В разработанной сети будут предоставляться следующие сетевые услуги: − услуги VoIP; − услуги Интернет; − услуги IPTV; − услуги хранения и передачи файлов (музыка, видео, фото, информация) на базе FTP сервера; − услуги Game-сервера. В соответствии с маркетинговым прогнозом количество потенциальных абонентов в 9 районах города (по данным ПАО «Укртелеком») представлено в таблице 1. Таблица 1 – Данные маркетингового прогноза абонентов Район города Население Кол-во потенц. Кол-во потенц. района абонентов на абонентов на 2014г., чел 2014 г., чел. 2016г., чел. Буденовский 90781 9078 10894 Ворошиловский 91181 18236 21883 Калининский 102085 15313 18375 Киевский 134701 24246 29095 Кировский 159722 19167 23000 Куйбышевский 111171 11117 13341 Ленинский 102255 15338 18406 Петровский 80443 8044 9653 Пролетарский 95961 9596 11515 Итого 968300 130136 156163 22

Кол-во потенц. абонентов на 2020г., чел. 14162 28448 23888 37824 29900 17343 23928 12549 14970 203012

В соответствии с разработанной информационной моделью, доступ ко всем ресурсам сети имеют активные абоненты; базовые абоненты не используют услуги Game Server; эконом-абоненты используют только услуги Интернет и VoIP; бизнес абонентам необходимы все услуги, кроме IPTV, при этом они на высоком уровне используют услуги Интернет и, особенно VoIP. Согласно данным существующего в районе обслуживания распределения нагрузки, часть VoIP трафика в направлении ТфОП составляет 67% от общего рассчитанного трафика, т.е. 6957 Эрл. Таким образом, на направлении VoIP-шлюз – ТфОП необходимо 4 канала STM-1. В сети передачи данных на уровне магистральной транспортной сети уровня ядра необходимо использовать каналы 10 Gigabit Ethernet с агрегацией трафика. Внешний канал Интернет должен поддерживать пропускную способность на уровне 200 Гбит/с, для чего также необходимо использовать каналы 10 Gigabit Ethernet с агрегацией трафика. В направлении серверов FTP и GAME необходим канал 10 Gigabit Ethernet. Предполагается построение сети по смешанной топологии (тип топологии будет зависеть от уровня сети). На уровне ядра будет использована «ячеистая» топология, в основе которой лежит объединение топологий «кольцо» между маршрутизаторами ядра. Топология сети представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Топология сети на карте города На уровне магистральной сети будет использоваться технология Metro Ethernet – 10 GE+MPLS. В качестве технологии доступа наибольшим образом подходит технология FTTB, как экономически обоснованная для густонаселенных районов. На некоторых участках сети, особенно в районах с частной застройкой будет использоваться технология FTTN, которая наиболее удобна для частного сектора. Технология Fast Ethernet (100 Base-TX) обеспечит подключение абонентов к сети предоставления услуг Triple Play (высокоскоростная передача данных, предоставление услуг телефонии на базе VoIP, услуги IPTV). Среди большого количества производителей сетевого оборудования компания Cisco является признанным лидером по производству оборудования для построения сетей Ethernet масштабов телекоммуникационного оператора, использование которого предоставляет много гибких решений при проектировании сети. Согласно требованиям, поставленых к оборудованию, рассчитанных уровней нагрузки и выбранных технологий сформированы критерии выбора оборудования, учитывая требования к нему. Требования к оборудованию уровня доступа: − обеспечение необходимой пропускной способности от 100 Мбит/с до 1 Гбит/с; − поддержка выбранной технологии доступа (Ethernet); − наличие 48 портов Fast Ethernet и 4 портов Gigabit Ethernet; − поддержка VLAN для услуг на уровне пользователя; − реализация сетевых правил и приоритетов; 23

− надежность. Учитывая особенности сетей масштаба крупного города, на уровне доступа рационально использовать 48 – портовые коммутаторы для обеспечения допустимого значения стоимости одного порта на абонента. Сравнительный анализ показал, что лучшим вариантом будет коммутатор Catalyst 3560, который имеет высокую производительность, что очень важно с учетом дальнейшего развития сети и низкую задержку, которая обеспечит необходимое качество обработки чувствительного к задержкам трафика. Основные требования к оборудованию уровня распределения: − агрегация сетевого трафика, поступающего от уровня доступа; − наличие не менее 128 портов Gigabit Ethernet; − изоляция топологических изменений в сети, протокол MSTP; − маршрутизация и суммирования маршрутов, протокол OSPF; − оптимальная маршрутизация мультикастових потоков, протокол GMRP; − реализация сетевых правил и приоритетов обслуживания; − динамическая регистрация и оптимизация пропуска VLAN, протокол GVRP; − копирование широковещательных пакетов через VLAN (cross-VLAN multicast copy); − высокая надежность; − обеспечение необходимой пропускной способности согласно потребностям абонентов; − поддержка выбранных технологий доступа; − модульность структуры для обеспечения гибкости; − переконфигурирование оборудования при изменениях в сети. Также характерной особенностью сети г.Донецк является очень большое количество сетей доступа, которые будут подключаться к одному коммутатору распределения. Таким образом, оборудование должно выполнять перечисленные функции, и, учитывая интенсивность трафика сети, необходим коммутатор с большим количеством гигабитных портов (с возможностью объединения в стеки), высокой производительностью и сравнительно маленькой задержкой обработки пакетов. Учитывая расширение сети в будущем, желательно предоставить возможность подключения 10 – гигабитных линий. Учитывая эти факторы, на основе сравнительного анализа коммутаторов 3 уровня для крупных сетей выбран коммутатор типа Catalyst 6509. Коммутаторы уровня распределения будут подключаться к мощным маршрутизаторам ядра, которые будут агрегировать трафик всей сети. Учитывая тот факт, что сеть доступа и распределения будет построена на оборудовании Cisco, для ядра также будем использовать маршрутизатор этого производителя с целью обеспечения совместимости, управляемости, безопасности и масштабируемости сети. Основные требования к маршрутизаторам ядра: − наличие от 4 до 6 портов Gigabit Ethernet для подключения коммутаторов уровня распределения и 2-4 портов 10 Gigabit Ethernet для соединения маршрутизаторов уровня ядра между собой; − оптимизация и суммирования маршрутов, протокол OSPF; − транзитный пропуск внешнего трафика, протокол BGP; − оптимальная маршрутизация мультикастовых потоков; − реализация VLAN, Cross VLAN-mapping; − поддержка протоколов высоконадежного подключения, VRRP; − изоляция топологических изменений в сети, протокол MSTP; − поддержка NAT; − динамическая регистрация и оптимальный пропуск VLAN, GVRP; − надежность, резервирование по питанию и управлению. Учитывая требования к маршрутизаторам ядра, предлагается использовать 24

маршрутизаторы Cisco серии 7600 OSR, а именно Cisco 7603 – благодаря наличию необходимого количества гигабитных портов и 2 или 4 (в зависимости от конфигурации) 10ти гигабитных портов. Данный маршрутизатор Cisco разработан для построения глобальных и городских сетей. Его основной задачей является обеспечение работы на скоростях, равных пропускной способности оптических каналов. Кроме того, маршрутизаторы серии Cisco 7600 обеспечивают производительность равную нескольким Гбит/с из расчета на слот, выпускаются в разных конфигурациях и поддерживают улучшенные модули оптических интерфейсов для предоставления высокопроизводительных услуг. Для подключения внутренних серверов, IP-PBX и IPTV-станции к маршрутизатору уровня ядра будет использоваться также коммутатор 3 уровня серии Cisco Catalyst 6500 (Cisco Catalyst 6503 - он отличается от коммутаторов уровня распределения лишь количеством слотов). Прогнозируется 555651 потенциальных абонентов услуги IP-телефонии, которое было основополагающим при выборе IP PBX. Требования к ІP-PBX: − поддержка протокола H.323; − возможность обслуживания до 1 000 000 абонентов; − поддержка функций VoIP-шлюза; − наличие интерфейсов FE,FE,STM-16; − поддержка сбора статистики и биллинга. Среди многих АТС рассмотрим две, которые рассчитаны на наибольшее количество абонентов - BTS 10200 и Siemens HiPath8000 (в линейке оборудования Cisco подходящего оборудования нет). Сравнительный анализ показал, что по параметрам больше всего подходит Cisco BTS 10200. В проектированной сети емкость системы достаточно большая, поэтому функциональность коммуникационного сервера, медиасервера и системы администрирования нельзя объединить на одном сервере (в отличие от небольших сетей). Одним из основных компонентов будущей сети является главная станция IPTV. Учитывая все вышесказанные особенности сети, можно сформировать ряд критериев для выбора главной станции IPTV. Основные требования для главной станции IPTV: − возможность получать входной видеоконтент со многих источников в разных цифровых форматах; − полная гибкость в обработке видеопотока (трансрейтинг, транскодинг, энкодинг, мультиплексирование, поддержка адресации трафика multicast и unicast); − MPEG-2 и MPEG-4 – кодирование и транскодирование; − поддержка систем условного доступа DVB CAS и IP CAS. На сегодняшний день существует несколько крупных производителей оборудования для IPTV – станций. Основные из них – Scopus Video Networks, Terayon Communication Systems, Optibase и Tandberg Television. Наиболее продуктивным решением в данном случае является использование оборудования компании Tandberg Television – IPTV–платформы iPlex, которая удовлетворяет всем поставленным требованиям и позволит эффективнее использовать полосу пропускания каналов. Это обусловлено тем, что для передачи видео качества HDTV необходима довольно широкая полоса пропускания (6-12 Мбит/с). А алгоритмы кодирования видео, которые используются в платформе iPlex, предоставляют существенный выигрыш в скорости потока. Для данного случая, используя MPEG-4, можно кодировать HDTV – программы в поток со скоростью 4 Мбит/с, обеспечивая высокое качество видео. В зависимости от количества абонентов сети и требованиям к качеству их обслуживания может использоваться комплекс с 1, 2 или 3 платформ. Для сети города 25

Донецка хватит 1 платформы iPlex. Структурная схема разработанной сети приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Структурная схема разработанной сети Перечень ссылок 1. Воропаева, В.Я. Красикова, А.С. Получение оптимальных значений коэффициента загрузки ячейки с учетом особенностей энергетических соотношений HSDPA // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск 23 (201). - Донецьк, ДонНТУ, 2012. С - 77-82 2. Климов И.А., Червинская Н.В. Сравнение протоколов маршрутизации для мобильных Ad-hoc сетей. Збірник наукових праць XIII Міжнародної науково-технічної конференції «Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих», 14-17 травня 2013. – ДонНТУ, 2013. – 441с. - С.76-80 3. Назаренко С.В., Червинский В.В. Телекоммуникационная сеть нового поколения для условий г. Шымкент (Казахстан) // Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць ХІII науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 14-17 травня 2013 р. - Донецьк, ДонНТУ, 2013. – 441 с. – С. 62-64 4. Обзор продуктоов и решений компании Cisco Systems/Г. Большаков и др. – Киев: Cisco Systems, 2002. -84с. 5. Филимонов Ю.А. Построение мультисервисных сетей Ethernet. СПб.: БХВ– Петербург, 2007. – 592с.:ил.

УДК 621.395 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВИДЕОКОДЕКОВ И СПОСОБОВ ПЕРЕДАЧИ МУЛЬТИМЕДИЙНОГО ТРАФИКА В МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЯХ Несмеянов О.В., студент; Червинский В.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Современные IP-сети создавались для передачи трафика данных, особенностью которого является неравномерность передачи и требование к целостности передаваемых данных. Например, архивный файл должен быть передан с максимальной скоростью и без ошибок. Трафик данных нечувствителен к временным параметрам. При просмотре содержимого веб-сайта задержка отображения web-страницы в пределах нескольких секунд несущественна. Мультимедийный трафик носит иной характер. При передаче мультимедийного трафика данные должны передаваться равномерным потоком. При этом важными параметрами является задержка пакета и дисперсия задержки (джиттер), в то время как допускается частичная потеря данных. Это объясняется тем, что передаваемая информация должна воспроизводиться незамедлительно. Если при передаче аудиотрафика был потерян один пакет за секунду, то пользователь этого скорее всего не заметит. Если же пакеты будут иметь высокую задержку или высокую дисперсию задержки, то на приёмной стороне звук будет прерываться, и качество окажется неудовлетворительным. При проектировании телекоммуникационных систем решается задача расчета параметров информационных потоков, передающихся по каналам связи данной системы, при решении которой применяются классические модели информационных потоков. Данные модели не учитывают такие свойства информационных потоков, как высокая пачечность и наличие долговременных зависимостей. Задачей данного исследования является анализ способов доставки видео контента конечному пользователю, исследование существующих видеокодеков и разработка требований, принципов и методики прогнозирования характеристик мультисервисных сетей, пригодных для анализа мультимедийного трафика. Основной целью дальнейшей работы выступает разработка метода расчета параметров информационных потоков, передающихся по каналам связи мультисервисной сети при предоставлении услуг «Triple play». Для достижения этой цели первоочередной является анализ современных способов передачи мультмедийной информации, в частности, видеопотоков. Одновременная передача информации обо всех элементах изображения требует значительной пропускной способности каналов связи. Проблему переполнения каналов связи решает принцип последовательной во времени передачи информации об отдельных элементах изображения. Кадр – это массив всех пикселей, видимых камерой в данный момент времени. Плоский кадр имеет два измерения, которые отвечают за вертикальное и горизонтальное разрешение. Сжатие видео означает уменьшение количества данных, используемых для представления видеоизображений. Оно может быть без потерь, так чтобы результат декомпрессии полностью соответствовал оригиналу. Однако коэффициент сжатия при этом будет незначительным. Поэтому все существующие на сегодня кодеки реализуют сжатие с потерями. Основными типами протоколов сжатия для аудиовизуального ряда являются H.261, H.263 от ITU-T (International Telecommunication Union) и MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 (Moving Pictures Experts Group) от ISO/IEC (International Organization for Standardization / International Engineering Consortium). Имеются также объединенные стандарты H.262/MPEG-2 и H.264/MPEG-4.

Наиболее часто применяемая технология, позволяющая повысить степень сжатия, это компенсация движения. Ее использование означает, что последующие кадры в потоке используют похожесть областей в предыдущих кадрах для увеличения степени сжатия. То есть только небольшая часть кадров, называемая ключевыми (I кадр), кодируется полностью и может быть отображена без привлечения дополнительных данных. Для восстановления оставшихся кадров кодируется разница между соседними кадрами. Особенности кодирования данной разницы и есть основная суть стандартов на компрессию видео. На сегодня практически все алгоритмы сжатия видео (например, стандарты, принятые ITU-T или ISO) используют дискретное косинусное преобразование (DCT) или его модификации для устранения пространственной избыточности. Использование большинства методов сжатия (таких как дискретное косинусное преобразование и дискретное вейвлет преобразование) влечет также использование процесса квантования. Квантование может быть как скалярным, так и векторным, тем не менее, большинство практических схем сжатия используют скалярное квантование, вследствие его простоты. H.261 — стандарт сжатия видео, принятый в 1990 году международной организацией ITU. Первоначально он был разработан для передачи по каналам ISDN, на которых ширина потоков данных кратна 64 Kbps. Алгоритм стандарта был предназначен для работы с потоками от 40 Kbps и до 2 Mbps при очень высоких характеристиках качества связи: потери пакетов не превышают 0,005%, вариация задержки (джиттер) вообще отсутствует. Стандарт поддерживал CIF и QCIF размеры кадров с разрешениями 352x288 и 176x144 соответственно. H.261 предполагает восстановление кадра из предыдущего (Ркадр) методом движущихся векторов и квантования разницы для блоков 8 на 8 пикселей. H.263 представляет собой развитие стандарта H.261, предыдущей разработки ITU-T — стандарта видеосжатия, и алгоритмов MPEG-1 и MPEG-2. Стандарт H.263 был первоначально разработан ITU-T для передачи видео с постоянной, фиксированной скоростью в разнообразных транспортных телекоммуникационных системах. Стандарт первоначально базировался на H.324 (PSTN и другие системы видеоконференций и голосовой связи), но впоследствии нашёл применение в H.323 (видеоконференции, основанные на RTP/IP), H.320 (видеоконференции, основанные на ISDN). В нем впервые были применены потоковые аудио, видео и специальный тип передачи управляющей информации SIP. MPEG-2 — название группы стандартов цифрового кодирования видео и аудио сигналов, одобренных ISO — Международной Организацией по стандартизации/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG). MPEG-2 используется для общего сжатия движущихся изображений и звука и определяет формат видео-потока, который может быть представлен как три типа кадра — независимо сжатые кадры (I-кадры), кадры, сжатые с использованием предсказания движения в одном направлении (P-кадры) и кадры, сжатые с использованием предсказания движения в двух направлениях (B-кадры). Соответствующие группы кадров от одного I-кадра до другого образуют GOP — Group Of Pictures — группу кадров. Обычно используются потоки в 25 или 29,97 кадров в секунду. MPEG-2 поддерживает видео и в прогрессивной, и в чересстрочной развертке. H.264, MPEG-4 Part 10 (включая AVC, Advanced Video Coding) — стандарт сжатия видео, предназначенный для достижения высокой степени сжатия видеопотока при сохранении высокого качества. Он был создан ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) совместно с ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG) в рамках совместной программы Joint Video Team (JVT). Стандарты ITU-T H.264 и ISO/IEC MPEG-4 Part 10 (формально, ISO/IEC 14496-10) технически полностью идентичны. MPEG-4 включает в себя многие функции MPEG-1, MPEG-2 и других подобных стандартов, добавляя такие функции, как поддержка языка виртуальной разметки VRML для показа 3D объектов, объектноориентированные файлы, поддержка управления правами и разные типы интерактивного содержимого. Стандарт H.264/AVC/MPEG-4 Part 10 включает ряд новых возможностей, основные из них: многокадровое предсказание, позволяется использование до 32 ссылок на 28

другие кадры, тогда как раннее число ссылок ограничено одним или, в случае B-кадров, двумя кадрами. Компенсация движения с переменным размером блока (от 16x16 до 4x4 пикселя) позволяет крайне точно выделять области движения. Сжатие макроблоков без потерь, гибкие функции чересстрочного сжатия, адаптивный выбор кодеком между размерами блока 4x4 и 8x8, логарифмическое управление длиной шага для упрощения распределения битрейта кодером и вычисления обратной длины квантования, новые функции устойчивости к ошибкам и т.д. В сетях, наподобие Ethernet (при любой скорости), пакеты перемещаются через сеть. В каждом пакете отведено место для Заголовка, Данных и Кода проверки ошибок (CRC). Не смотря на то, что сети постоянно эволюционируют, большинство современных сетей продолжают перемещать безымянные пакеты, без указания того, что передаётся: видео или звук и т.д. Соответственно невозможно установить приоритеты или задействовать механизмы важности для тех или иных данных. И пакеты с видео данными в реальном времени, до сих пор путешествуют по безграничным сетям, рискуя разделить такую же судьбу, как и менее важные данные. Когда Ethernet пакеты используются для передачи видео, то один Ethernet пакет нагружает себя семью MPEG Transport Stream пакетами, каждый из которых длиною в 188 байт. В идеальном случае, они аккуратно упаковываются в Ethernet пакеты и поочерёдно передаются в сеть, с определёнными интервалами. На приёмной стороне Ethernet пакеты вскрываются, из них извлекаются MPEG пакеты, которые упорядочиваются и посылаются на декодер и далее декодированное видео отображается на мониторе (рисунок 1).

Рисунок 1 – Идеальный видео поток Однако в реальных условиях, интервал передачи пакетов не соблюдается. Вследствие чего, буфер приёмника то переполняется, то опустошается, что приводит к ухудшению качества сигнала. Увеличение размеров буфера, может стать спасением, но это в свою очередь удорожит систему и внесёт дополнительные задержки. В идеальном случае, пакеты с видеоданными аккуратно упаковываются в Ethernet пакеты и прибывают на приёмник соблюдая определённую регулярность и порядок. Однако джиттер и другие аномалии могут привести к опустошению или переполнению принимающего буфера (в приемнике), что незамедлительно скажется на качестве отображаемого видео сигнала. На рисунках 2 и 3 показаны возможные сценарии ухудшения качества сигнала. IneoQuest, Cisco и другие компании, создали систему измерений, индицирующих уровень качества сети, которая передаёт потоковые медиа данные. Она называется Индекс доставки медиа данных (Media Delivery Index – MDI) . Её предназначение, в обеспечении пользователя информацией о качестве транспортировки видео через сеть IP. При большом упрощении , можно сказать, что долговременная скорость Ethernet потока должны быть равна скорости транспортного потока MPEG. Например: MPEG поток 3.75Mb/s , должен проходить по сетям, которые выдерживают долговременную нагрузку скоростью не менее чем 3.75Mb/s. Значение MDI является производным от множества показателей и рейтингов. Оно выражается как Фактор Задержки (Delay Factor ): Media Loss %. Фактор задержки - это ёмкость буфера, необходимая для устранения джиттера в сети, и так же соотноситься с 29

задержкой, внесённой в систему сетью . Показатель потери медиа данных Media Loss Rate (MLR) – это полное количество потерянных пакетов в единицу времени (обычно 1 сек).

Рисунок 2 – Плохой видео поток, приведший к опустошению приёмного буфера

Рисунок 3 – Плохой видео поток, Джиттер и переполнение приёмного буфера Ввиду того, что потери пакетов и буферизация являются критическими факторами для реконструкции исходного потока данных, можно предположить, что использование избыточной упреждающей коррекции FEC в купе с огромным размером буфера, могут снять проблему, но это не лучший вариант, так как избыточность FEC и увеличенная ёмкость буфера, увеличат поток данных и задержку системы соответственно. Ни то, ни другое, не исправят проблемы всей сети. Мультимедийный трафик в мультисервисных сетях распространяется с помощью многоадресной рассылки multicast, а также с помощью одноадресной (unicast) передачи данных. Unicast трафик (индивидуальный) используется, прежде всего, для сервисов «персонального» характера. Каждый абонент может запросить персональный видео–контент в произвольное, удобное ему время. В unicast пакетах адреса хостов назначаются двум конечным устройствам и используются как IP адрес источника и IP адрес получателя. В качестве IP адреса назначения используется конкретный IP адрес устройства, для которого этот пакет предназначен. Данный адрес состоит из порции адреса сети (в которой находится 30

это устройство) и порции адреса хоста (определяющей это конкретное устойчиво в его сети). Это все приводит к возможности маршрутизации unicast пакетов по всей сети в целом. При unicast передаче данных для каждого клиента сервер должен формировать отдельный поток данных. Из этого следует что для этого необходимо значительная мощностью сервера и при большом количестве клиентов огромная пропускная способность. При multicast мультиплексор формирует один поток данных к которому могут подключаться разные группы клиентов. Данный метод предназначен для доставки данных группе абонентов и применяется при организации телетрансляций и других услуг массового пользования. Для идентификации групп каналов используется специально зарезервированный для этих целей при разработке протокола IP диапазон адресов – от 224.0.0.0 до 239.255.255.255 (класс D). Multicast предусматривает передачу информации от источника к абонентским мультиплексорам или коммутаторам одним потоком, транслируя далее ее только на те порты, которые эту информацию заказывали. Multicast позволяет существенно сэкономить полосу пропускания в транспортной сети, не требуя отдельного потока для каждого канала к каждому зрителю. Хосты, которые хотят получить определенные multicast данные, называются multicast клиентами, которые используют сервисы инициированные (начатые) клиентскими программами для рассылки multicast данных группам. Каждая multicast группа представляет собой один multicast IP адрес назначения. Когда хост рассылает данные для группы, хост помещает multicast IP адрес в заголовок пакета (в раздел пункта назначения). Естественно, самым эффективным способом передачи трафика IPTV является multicast. Основными условиями, необходимыми для качественного оказания сервиса операторами связи, внедряющими multicast-доставку видео на своей сети являются: − гарантированная полоса пропускания; − малая задержка распространения; − небольшая вариация задержки (DF); − передача трафика с наименьшим количеством потерь. При этом возникают и следующие задачи: − сохранение простоты эксплуатации сети; − оптимизация нагрузки; − минимизация времени обнаружения и устранения аварийных ситуаций. На данный момент пока не существует универсального способа решения этих задач. Более того, применяемые методы различаются в зависимости от уровня сети, дизайна и используемого оборудования. Таким образом, решение вышеперечисленных задач для условий современных сетей доступа является актуальным. Перечень ссылок 1. Ватолин Д., Ратушняк А., Смирнов М, Юкин В. Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео. - М.: Диалог-МИФИ, 2003. - 384 с. 2. International Telecommunication Union, “Advanced video coding for generic audiovisual services - Recommendation H.264”, 2010. 3. International Telecommunication Union, “Information technology - Generic coding of moving pictures and information: Video - Recommendation H.262”, 2000. 4. International Telecommunication Union, “Video coding for low bit rate communication - Recommendation H.263”, 2005. 5. ISO/IEC, “MPEG-1 (Coding of moving pictures and associated audio for digital storage media at up to about 1,5 Mbit/s)”, ISO/IEC 11172, 1993. 6. ISO/IEC, “MPEG-2 (Generic coding of moving pictures and associated audio information)”, ISO/IEC 13818, 2007. 7. ISO/IEC, “MPEG-4 (Coding of audio-visual objects)”, ISO/IEC 14496, 2010. 8. ISO/IEC, “MPEG-4 Part 10: Advanced Video Coding”, ISO/IEC 14496-10, 2010. 31

УДК 621.446 ВИБІР ОПТИМАЛЬНОГО МІСЦЯ РОЗТАШУВАННЯ РЕТРАНСЛЯТОРА ВІДНОСНО БС У МЕРЕЖІ LTE Юшкевич Ю.О., студентка (ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк, Україна) На сучасному етапі розвитку світових телекомунікаційних технологій в області мобільного зв’язку актуальними є розробка і впровадження стандартів четвертого покоління (4G), які забезпечують більш високу швидкість передачі даних, і, відповідно, підвищення якості послуг, при загальному зниженні видатків на експлуатацію телекомунікаційного обладнання. Однією з найбільш актуальних технологій є Long Term Evolution (LTE), яка є розвитком мереж UMTS третього покоління. Наразі існує стандарт 3GPP LTE-Advanced, який є покращенням стандарту LTE та офіційним бездротовим стандартом зв’язку 4-го покоління. Для більш ефективного планування мережі у стандарті LTE-Advanced з’явилися ретранслятори (Relay Node, RN) [1]. При передачі даних від мобільної станції (МС) до базової станції (БС) можуть виникнути проблеми, пов’язані з тим, що потужність передачі МС обмежена потужністю її акумулятора, тому якщо абонент знаходиться, наприклад, на межі стільника, швидкість передачі даних у каналі Uplink (UL) може бути дуже низькою. Один із варіантів вирішення цієї проблеми – використання проміжної БС, яка підсилюватиме сигнал від МС і передаватиме його далі. Цей принцип і називається ретрансляцією, а проміжна БС – ретранслятором. Використання ретранслятора замість звичайної БС передбачає деякі переваги. Оскільки ретранслятор не розподіляє ресурси і не взаємодіє з опорною мережею, він є більш простим і, відповідно, дешевшим пристроєм, ніж БС. До того ж, встановлювати ретранслятор простіше, ніж БС, достатньо з’єднання з мережею електричного живлення. При встановленні ретранслятора виникає питання щодо його оптимального розташування. Існує кілька шляхів впровадження ретрансляції в мережі. Тут буде розглянуто один стільник LTE і один ретранслятор типу I (внутрішньосмуговий напівдуплексний) [2], для якого розраховується оптимальне місце встановлення. Для умов густонаселеного міста розраховане значення радіусу стільника складає 400 м (для часового дуплексу (Time Division Duplex, TDD), конфігурації кадру 2, ширини частотної смуги 10 МГц). Для розрахунку радіусу стільника використано модель розповсюдження радіохвиль для міської макромережі COST231 Hata з 3GPP TS 25.996 v9.0.0 [3]. Розраховане значення максимально допустимих втрат складає 124,05 дБ, коефіцієнт втрат при розповсюдженні сигналів 𝛼 = 3,53 (для міських умов). Схема планування використовує алгоритм Fair Work Conserving (FWC) [4]. Потужність МС 200 мВт (23 дБм). Ширина частотної смуги 10 МГц, що відповідає 50 ресурсним блокам. Розмір файлу, який передає МС, 1 Мб. Абоненти підключаються до стільника зі швидкістю 𝜆, яка може змінюватися. Модель стільника показано на рисунку 1. Для спрощення розрахунків стільник поділено на частини – зони і сектори. Перетин зони і сектора – геометричний сектор. МС розташовано в геометричних секторах. Щоб мати можливість використовувати рівномірний розподіл для розташування МС, всі геометричні сектори мають однакову площу. Радіус зони 𝑥 прийнято рівнім 𝑟𝑥 . Радіуси зон розраховують наступним чином: 𝑟𝑥+1

∫𝑟

де 𝑟0 = 0, м; 𝐶 −площа однієї зони, м2 .

𝑥

2𝜋𝑟 𝑑𝑟 = 𝐶,

𝜋𝑟 2 | 𝑟𝑥+1 =𝐶 𝑟𝑥 2 2 𝜋𝑟𝑥+1 − 𝜋𝑟𝑥 = 𝐶

(1)

Рисунок 1 – Модель стільника З формули (1): 𝐶

𝑟𝑥+1 = �𝜋 + 𝑟𝑥2

Щоб отримати значення 𝐶, площі однієї зони, треба розділити площу стільника на загальну кількість зон (𝑧𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ): 2 𝜋𝑟𝑐𝑒𝑙𝑙

𝐶=𝑧

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

Розрахунок для стільника радіусу 400 м, поділеного на 10 зон наведено в таблиці 1 Таблиця 1 – Розрахунок відстані від центру стільника до зон Зона 1 2 3 4 5 6 7 Відстань, м 126 178 219 253 283 310 335

8 358

9 379

10 400

Для прийняття мобільною станцією рішення, до чого слід підключитися – до БС чи до ретранслятора, треба визначити, яка зі станцій забезпечує вищу швидкість передачі даних. Швидкість передачі є функцією, яка залежить від відстані між МС та БС або ретранслятором. Також треба враховувати, що трафік абонента, який обслуговується ретранслятором, спочатку передається на ретранслятор, а потім на БС. БС розташовано в центрі стільника, ретранслятор також має певні координати (зона та сектор) (див. рис. 2). Якщо відома відстань між МС та БС і між БС та ретранслятором, можна розрахувати швидкість передачі даних [5]. Відстань між БС і МС – це відстань від центру стільника до певної зони (табл. 1). Розрахунок відстані між МС та ретранслятором здійснюється за формулою (2): 𝑑2 = 𝑟12 + 𝑟22 − 2𝑟1 𝑟2 cos 𝜑, (2) де 𝑑 − відстань між МС та ретранслятором, м; 𝑟1 , 𝑟2 − відстані між БС і МС, БС і ретранслятором відповідно, м; 𝜑 − кут між МС і ретранслятором. Тепер, щоб визначити, коли слід підключатися до ретранслятора, треба розрахувати, за яких умов ретранслятор ближче до МС, ніж БС: 𝑟12 + 𝑟22 − 2𝑟1 𝑟2 cos 𝜑 < 𝑟12 𝑟22 − 2𝑟1 𝑟2 cos 𝜑 < 0 𝑟2 𝑟1 > 2 cos , 𝜑 cos 𝜑 > 0 33

(3)

Рисунок 2 – Приклад розташування БС, МС і ретранслятора Для розрахунку ефективної пропускної здатності у висхідному напрямку (Uplink, UL), користуються теоремою Шеннона-Хартлі, згідно з якою, пропускна здатність 𝐶 каналу, яка є теоретичною верхньою межею швидкості передачі даних, що можуть бути передані з заданою середньою потужністю сигналу 𝑆, дорівнює: 𝑆

𝐶 = 𝐵 log 2 �1 + 𝑁� ,

(4)

𝐿(𝑑) = 𝐿𝑀𝐴𝑃𝐿 + 10𝛼 log10 (𝑑),

(5)

де 𝐶 − пропускна здатність каналу, біт/с; 𝐵 −смуга пропускання, кГц; 𝑆 − потужність 𝑆 корисного сигналу, Вт; 𝑁 −потужність шумового сигналу, Вт; 𝑁 − співвідношення сигнал/шум. Потужність прийнятого сигналу 𝑃𝑟𝑥 є функцією, яка залежить від відстані 𝑑 між МС та ретранслятором і потужності переданого сигналу 𝑃𝑡𝑥 . Модель COST231 Hata встановлює зв’язок між відстанню і втратами: де 𝐿𝑀𝐴𝑃𝐿 − максимально допустимі втрати, дБ. Виходячи з (5) потужність прийнятого сигналу 𝑃𝑟𝑥 в дБ розраховують за (6): 𝑃𝑟𝑥 = 𝑃𝑡𝑥 − 𝐿(𝑑)

(6)

або в лінійному масштабі:

𝐿(𝑑) = 10 𝑃

𝑡𝑥 𝑃𝑟𝑥 = 𝐿(𝑑)

𝐿𝑀𝐴𝑃𝐿 10

∙ 𝑑𝑎 = 𝜖 ∙ 𝑑𝑎

При використанні технології LTE максимальна пропускна здатність не досягається, але, згідно з 3GPP Release 11, швидкість передачі даних у каналі UL пропорційна максимальній пропускній здатності з коефіцієнтом пропорційності 𝜎 = 0,4. З урахуванням втрат при розповсюдженні сигналу отримують: 𝑆

𝐶 = 0,4 · 𝑁𝑅𝐵 · 180 · log 2 �1 + 𝑁� ,

де 𝑁𝑅𝐵 − кількість виділених абонентові РБ. Приймаючи до уваги те, що ретранслятор зменшує ефективну пропускну здатність вдвічі, нерівність (3) можна представити як (7): 1 2

(0,4 · 𝑁𝑅𝐵 · 180) log 2 �1 + 𝐿(𝑟

𝑆

2 )·𝑁·𝑁𝑅𝐵

� > (0,4 · 𝑁𝑅𝐵 · 180) log 2 �1 + 𝐿(𝑟

𝑆

1 )·𝑁·𝑁𝑅𝐵

�,

(7)

Графік залежності оптимальної відстані від БС до місця встановлення ретранслятора залежно від кількості РБ, які можуть бути виділені абоненту, показано на рисунку 3 (результати моделювання наведено для стільника радіусом 400 м). З графіка видно, що використання більшої кількості РБ для надання послуг МС веде до збільшення зони

обслуговування ретранслятора. Враховуючи те, що треба визначити, як місце встановлення ретранслятора впливає на швидкість передачі даних і, що 𝑆(𝑟) = 𝑃𝑟𝑥 (𝑟), з (4) отримують: 𝑑𝐶 𝑑𝑟

−𝐵𝑊

𝜖𝑃 (1+ 𝛼𝑡𝑥 ) ln(2) 𝑟 𝑁

𝜖𝑃

𝑡𝑥 ∙ 𝑟 𝛼+1

Для потрібних значень 𝑟 має місце наступне: 𝜖𝑃𝑡𝑥 𝑟 𝛼𝑁

≫1

Кількість ресурсних блоків

З цього видно, що змінення швидкості передачі даних практично не залежить від 𝑃𝑡𝑥 . Зона обслуговування ретранслятора більше, коли користувачам призначається багато РБ, тому що невелика кількість РБ забезпечує вищу швидкість передачі даних на один РБ, ніж велика 51 46 41 36 31 26 21 16 11 6 1

5 100

150

2 200

300

Відстань, м

Рисунок 3 – Графік залежності відстані між БС та ретранслятором від кількості РБ Для вивчення впливу ретранслятора на роботу стільника обрано ретранслятори типу І, для них вже існують стандарти в рамках LTE-Advanced, тоді як ретранслятори ІІ типу знаходяться на стадії розробки. В якості алгоритму планування обрано алгоритм FWC. Оптимальну відстань від ретранслятора до базової станції LTE отримано на основі моделювання для стільника з радіусом 400 м. З отриманих результатів моделювання можна зробити висновок, що чим більше ресурсних блоків виділяє базова станція абонентові, тим ближче до неї треба встановлювати ретранслятор. Отримані результати можуть бути використані при плануванні мережі стандарту LTE-Advanced. Перелік посилань 1. Report ITU-R M.2134. Requirements related to technical performance for IMT-Advanced radio interfaces 2. 3GPP TR 36.814 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects (Release 9) 3. Бенавидес Э.Э., Дегтяренко И.В. Разработка модели балансирования нагрузки на базовые станции в сетях LTE. [Електронний ресурс] // Електронний архів Донецького національного технічного університету. Режим доступу: http://ea.donntu.edu.ua/handle/123456789/20226 4. Dimitrova, D.C.; Berg, H. van den; Litjens, R.; Heijenk, G. “Scheduling Strategies for LTE Uplink with Flow Behaviour Analysis” [Електронний ресурс] // Сайт Yumpu. - Режим доступу: http://www.yumpu.com/en/document/view/6202911/scheduling-strategies-for-lte-uplink-with-flowbehaviour-analysis 5. D.H. te Hennepe. Analysing uplink performance in relay-enabled LTE-networks. [Електронний ресурс] // Офіційний сайт університету Твенте. - Режим доступу: http://www.utwente.nl/ewi/dacs/assignments/completed/bachelor/reports/2012-hennepe.pdf

Автоматизація, електрообладнання і комп’ютерно-інтегровані засоби управління на підприємствах паливно-енергетичної галузі

Автоматизация, электрооборудование и компьютерно-интегрированные средства управления на предприятиях топливно-энергетической отрасли Control Systems, Electric Equipment and Computer-Integrated Controls for Fuel and Energy Industry УДК 622.647.1-87 ПОВЫШЕНИЕ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВУХСКОРОСТНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ГОРНОЙ МАШИНЫ НА ОСНОВЕ НОВЫХ ПОДХОДОВ К УПРАВЛЕНИЮ КОММУТАЦИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ Косяков И.С., студент; Маренич К.Н., проф., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Двухскоростные асинхронные двигатели (АД) получили широкое распространение, в частности в электроприводах скребковых конвейеров. Специфика конструкции его привода (применение не регулируемого по скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и гидромуфты) обусловливает высокоинтенсивный разгон скребковой цепи (с рывком в начале пуска) и выполнение доставочных операций на высокой (номинальной) скорости. Все это представляет опасность травматизма персонала и требует совершенствования конструкции привода. Двухскоростной асинхронный двигатель является эффективным техническим решением. Малая (ползучая) скорость конвейера применяется для перемещения материалов и деталей, при ремонтно-наладочных работах и как предупредительная скорость перед включением. Наличие двух скоростей привода обеспечивается двумя статорными обмотками, с 12 и 4 полюсами, на одном магнитопроводе. Особенность двухскоростного АД состоит в том, что в процессе его работы в отходящем присоединении отключенной обмотки статора наводится трансформаторная ЭДС. Экспериментально полученные осциллограммы изменения ЭДС АД типа ЕКВФ 355L12 /4 в отключенной обмотке статора при электропитании другой свидетельствуют, что при работе АД с номинальной угловой скоростью в обмотке пониженной скорости (ОПС) генерируется трехфазная ЭДС. Она представляется двумя составляющими: высокочастотной с частотой f1 = 1650 Гц и амплитудой Um1 ≈ 100 В, и несущей с частотой f2 = 143 Гц и амплитудой Um2 ≈ 142 В. При подключении ОПС к питающей сети в обмотке номинальной скорости (ОНС) генерируется ЭДС частотой f = 650 Гц. Определены действующие значения индуктируемых ЭДС в фазах отключенных от сети питания обмоток статора являются следующими : в обмотке пониженной скорости ЕОПС = 145 В; в обмотке номинальной скорости ЕОНШ = 33 В. [1] Как показали исследования, трансформаторные ЭДС в отходящем присоединении неподключенной обмотки статора двухскоростного АД имеют сложную форму, которая формируется совокупностью высокочастотными периодическими гармониками. В свою очередь высокие гармоники существенно уменьшают емкостное сопротивление силового 36

кабеля, что создает опасность электропоражения человека при прикосновении к изоляции кабеля отходящего присоединения неподключенной обмотки статора. Известное техническое решение (рис 1) обеспечивает распространение функции защиты от утечки тока на землю на силовые присоединения отключенной от сети питания обмотки статора двухскоростного асинхронного двигателя, опасными по фактору электропоражения человека, как во время электропитания другой статорной обмотки, так и после отключения асинхронного двигателя от источника электропитания, на интервале пребывания в состоянии свободного выбега[Патент на изобретение №103735 Украина МПК Н02Н3/00 «Устройство определения состояния утечки тока на землю в сети двухскоростного асинхронного двигателя»].

Рисунок 1 – Схема устройства определения утечки тока на землю в присоединении отключенной обмотки статора двухскоростного асинхронного двигателя Однако при использовании данного технического решения происходит лишь распространение защиты от утечек тока на землю со стороны КТП, но не исключается опасный для человека фактор. На рис. 2 представлена схема технической реализации усовершенствованного устройства, обеспечивающего более высокий уровень электробезопасности при эксплуатации двухскоростного асинхронного двигателя. Принцип его работы заключается в управлении коммутационными процессами, на основе использования переключений рабочей обмотки статора двухскоростного АД. [2]

Для реализации функции переключения рабочей обмотки статора двухскоростного АД используется двухполюсный контактор с положением «нейтраль». При получении соответствующего сигнала контактор переключается в заданное положение, а при исчезновении сигнала переводится в режим «нейтраль». Полезный эффект эксплуатации технического решения с применением микропроцессорной системы, управляющей коммутационными аппаратами обмоток статора двухскоростного АД следующий. SA

Статор 1

АД

Статор 2

TV1

АЗ КТП

«Земля»

Iупр

Iс

Iупр Блок обработки Блок управления Пульт диспетчера сигналов и подачи контакторами Iинф Uк команд

Рисунок 2 – Схема реализации ТС для управления коммутационными процессами при управлении двухскоростным АД Данное техническое решение позволяет использовать для подключения двухскоростного АД только один кабель и постоянно контролировать его параметры изоляции штатными средствами защиты от утечек тока на землю. Перечень ссылок 1. Автоматичний захист електроустаткування шахт від аварійних станів і небезпек: А 22 навч. посіб. Для вищ. навч. закл./ К.М. Маренич, І.В. Ковальова. – Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2013. – 199 с 2. Патент на изобретение №103735 Украина МПК Н02Н3/00 «Устройство определения состояния утечки тока на землю в сети двухскоростного асинхронного двигателя» К.Н. Маренич, И.В. Ковалева. Заявлено а2012/4770, 24.12.2012 года. Опубликовано 11.11.2013. Бюл. №21

УДК 621.3 ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПО ДОБЫЧЕ МЕТАНА Авраменко Н.А., магистрант; Рак А.Н., доц., к.т.н.; Зиновьев С.Н., доц., к.т.н. (Красноармейский индустриальный институт ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Красноармейск, Украина) Износ основного технологического оборудования предприятий горнометаллургической, углехимической и др. отраслей перерабатывающей промышленности первого рода (моральный износ), устаревшие технологии производства и зависимость от практически одного поставщика энергоносителей требует поиска новых источников. В настоящее время проводятся изыскательские работы по добыче сланцевого газа, ведется строительство терминалов по приему сжиженного газа, расширяется строительство ветроэнергетических и гелиоэлектростанций. Но это всё в несколько отдаленной перспективе. Поскольку Украина обладает ещё достаточными запасами каменного угля, то на его добычу необходимо посмотреть под иным углом. При добыче каменного угля высвобождается рудничный газ, который содержит метан. Ресурсы шахтного метана в Украине по различным источникам отличаются от приведенных в табл. 1. По данным бывшего Государственного комитета Украины по геологии ресурсы метана, рассчитанные, по шахтным полям и участкам, подлежащим дегазации, т.е. содержащим более 10 м3 метана на 1 т горной массы, составляют 1083 млрд.м3, в том числе в рабочих угольных пластах 562 млрд.м3, в нерабочих – 521 млрд.м3 (1988 г.). С учетом газа, содержащегося во вмещающих породах и скоплениях, общие запасы газа в украинской части Донбасса оценивались в 1,3 трлн.м3, из них извлекаемые могут составить 850 млрд.м3. Таблица 1 – Запасы метана угольных пластов в основных угледобывающих странах

мира.

Страна

Запасы угля, млрд. т

Россия Китай Канада Австралия США Германия Польша Великобритания Украина Казахстан ЮАР, Зимбабве, Ботсвана Индия

6500 4000 7000 1700 3900 320 160 190 140 170

Запасы шахтного метана, трлн. м3 17–113 30–35 5,7–76 8,5–14,2 11,3 2,8 2,8 1,7 1,7 1,1

150

0,9

160

0,9

Приведенные данные относятся к числу наиболее пессимистических, так как, по мнению некоторых геологов Украины, они получены при разведке на уголь, которая выполнена до глубины 1200 м и лишь по некоторым регионам Донбасса – до глубины 1800 м. По оптимистическим прогнозам, при постановке специальных разведочных работ на газ до глубин 5000–5500 м запасы метана угольных месторождений могут быть существенно увеличены. Рассчитанные по принятой, в частности в США, методике, в основу которой 39

положена плотность ресурса на единицу площади, ресурсы шахтного метана в Украине оцениваются величиной около 12 трлн.м3 с учетом метана вмещающих пород. При этом средняя плотность ресурсов метана в угольных пластах юго-западной части Донбасса по расчетам украинских и американских геологов составляет от 90 до 107 млн.м3/км2. Однако большинство украинских геологов оценивает ресурсы шахтного метана в Украине в 2,5– 3,0 трлн.м3. Метан в углях находится в сорбированном на поверхности угольных частиц состоянии, а также в растворенном в органике угольного вещества и свободном состоянии в транс портных и закрытых каналах и порах. Таблица 2 – Среднее содержание газа-метана в угольных пластах в зависимости от марки угля. Марка угля

Обозначение

длиннопламенные газовые жирные коксующиеся тощие антрациты

Д Г Ж К Т А

Средняя метаноносность, м /т. сухой беззольной массы 0–5 5–15 10–20 10–25 10–30 15–35 3

Содержание газа в угле зависит от глубины залегания пластов, степени метаморфизма углей, условий залегания (структуры), многих других факторов. Согласно ряду исследований, средние значения природной метаноносности углей при переходе их от длиннопламенных и газовых к антрацитам возрастают от 8–10 до 30–40, а в суперантрацитах резко снижаются до минимальных значений – 0,3–0,5 м3/т сухой беззольной массы. Газоносность многих пластов составляет 20–60 м3/т добытого угля и более. Изменение метаноносности в отдельно взятом пласте с ростом глубины его залегания характеризуется максимальным темпом увеличения в начальной стадии и замедленным темпом при достижении глубин 600–1000м, где газоносность углей достигает сорбционной емкости и стабилизируется. Средние значения газоносности вмещающих пород колеблются в пределах от 0,2–0,3 до 1,0–1,5 м3/т пород, а максимальные значения достигают 1,6–3,6 м3/т. Учитывая большую толщину пластов вмещающих пород, общее содержание метана в них может быть весьма значительным и представлять промышленный интерес для его добычи. Считается установленным, что до глубин 1200–1300м природное метаносодержание в угольных пластах рабочей мощности составляет 40–50% общего объема ресурсов метана, на долю угольных пластов и пропластков нерабочей мощности (менее 0,5 м) приходится 20–30% ресурса и на долю вмещающих пород – 30–40%. Угольные пласты с высокой газоносностью могут рассматриваться и разрабатываться как комплексные месторождения угля и газа, так как количество выделяющегося газа в ряде случаев приближается к 100 м3/т, что в пересчете на теплотворную способность составляет более 10% калорийности угля. До последнего времени извлечение метана угольных пластов определялось исключительно требованиями безопасности. Извлечение метана осуществляется системами подземной и поверхностной дегазации через скважины, пробуренные из подземных горных выработок и с поверхности земли. В 80-е годы прошедшего столетия в Донецком бассейне дегазация осуществлялась на 115–120 шахтах из 272, эффективность извлечения метана не превышала 25%. Из ежегодно извлекаемых 800 млн.м3 метана использовалось не более 10%, в основном для отопления шахтных котельных. Анализ деятельности объединения «Донецкуголь» за 10 лет показал, что из всего количества метана, выделившегося при добыче угля, 80% выброшено в атмосферу системами вентиляции шахт, 18% извлечено системами подземной дегазации шахт и 2% – через скважины, пробуренные с поверхности. 40

Метан, содержащийся в вентиляционной смеси, имеет концентрацию 0,2–0,6%. Такая смесь может использоваться как дутьевой воздух энергетических установок, однако эта технология не нашла практического применения. В полученной в процессе подземной дегазации метановоздушной смеси его концентрация достигает на некоторых шахтах 60%, но обычно находится в пределах 25–30%, что ограничивает ее использование в энергетических целях. Обращение с этим газом представляет комплексную задачу, имеющую отчасти различные целевые установки. Под землёй рудничный газ является опасным. При определённых концентрациях он взрывоопасен и представляет угрозу для жизни шахтеров. Таблица 3 – Допустимые нормы содержания метана в горных выработках. Поступающая на выемочный участок, в очистные выработки, к забоям тупиковых выработок и в камеры Исходящая струя крыла, шахты Исходящая из очистной или тупиковой У места взрывных работ Местное скопление

более 0,5%. более 0,75% -более. 1% до 1% (при 1% и более ВР запрещены). более 2%

Надежное удаление выделяемого газа при помощи системы вентиляции и эффективная дегазация приобретают, тем самым, жизненно важное значение. Таким образом, возможно избежать несчастных случаев в шахтах, увеличить продолжительность работы и объём добычи. В то же время сокращение выбросов метана в атмосферу является первоочередной задачей по охране окружающей среды. При прекращении добычи угля и закрытии шахт в ряде западноевропейских стран, а также в Украине происходят сложные газодинамические процессы. При закрытии шахты из нарушенного горного массива и оставшихся целиков в шахтное пространство продолжает выделяться метан, который постепенно вытесняет из него воздух, при этом в шахте создается газовоздушная смесь с концентрацией метана в среднем 50%. Одновременно происходит сложный газообмен между атмосферным воздухом и шахтным пространством. Через неуплотненный шахтный ствол и прочие неплотности при повышении атмосферного давления воздух поступает в шахту, имеет место и обратный процесс. После остановки шахты поднимается уровень шахтных вод. Если он достигает нижней части шахтного ствола, метан или метановоздушная смесь, давление которых повышается, ищут выход в атмосферу через различные неплотности, а также накапливаются под плотными породами и куполами. Выбросы в атмосферу случаются в непредвиденных местах и могут быть чрезвычайно опасными. Для предотвращения отрицательных явлений, связанных с поведением шахтного метана при закрытии шахт, применяют откачку воды из шахты; бурение дегазационных шпуров (скважин) в местах скопления метана в шахтном пространстве; установление обратных клапанов в шахтном стволе во избежание подсосов воздуха в шахту. Наиболее радикальными для предотвращения вредного влияния на окружающую среду выбросов метана из закрытых шахт являются его организованная добыча и подача в газопроводы или использование как топлива для котельных или энергоустановок. Положительный многолетний опыт утилизации метана из остановленной шахты накоплены во Франции; в последние годы успешная коммерческая добыча газа из закрытых шахт осуществляется в Германии. В Украине возможный уровень добычи шахтного метана оценивается в 6–7 млрд.м3. Территориально месторождения шахтного метана находятся вблизи потенциальных потребителей тепловой и электрической энергии, что увеличивает перспективность его использования, в частности в децентрализованной энергетике. Рудничный газ (CH4) в 2 раза более вреден для окружающей среды, чем двуокись углерода (СО2). Если же его использовать на элекростанциях, возможно генерирование

элетрической и тепловой энергии. Энергетическая утилизация рудничного газа вносит существенный вклад в сокращение выбросов СО2. Выводы. В горной промышленности Украины поточная дегазация имеет и свои негативные стороны. Многие шахты, не имея средств (а может, и желания) покупать и монтировать когенерационные установки, останавливаются на полпути – газ из пластов извлекают, но потом просто выбрасывают в атмосферу. Такими действиями руководство шахт пытается обезопасить работу шахтеров. А тем временем Украина занимает пятое место в мире по объемам выбросов метана из угольных месторождений.[3]. Вот когда выражение “Деньги на ветер” приобретает буквальный смысл. В странах, где добыча шахтного метана началась еще в 80-х годах прошлого века, сегодня работают уже и на закрытых шахтах. Так метан добывают в угольных бассейнах Нор-Па-де-Кале (Франция), Эно (Бельгия) и Остравско-Карвинском (Чехия). Из закрытых шахт добывается газ, содержащий от 50 до 80% метана, что позволяет использовать его на теплоэлектростанциях.[2] Трудно не согласится, что в Украине это случится еще нескоро, ибо сегодня из закрытых шахт и воду-то откачивать не всегда успевают, не то, что газ. О реализации широкомасштабных проектов добычи метана как альтернативы природному газу пока говорить не приходится. Медленное развитие метановых проектов связано, прежде всего, с их дороговизной. Нужна специальная техника, которая в Украине не производится, чтобы адаптировать к условиям Донбасса технологии, позволяющие добывать значительные объемы метана. Практика показывает, что без активного участия государства в начальной фазе метановых проектов дело не сдвигается с места. Только при активной поддержке государства, например, в США и Австралии проекты смогли приобрести такие масштабы, что их реализацию подхватили частные компании и превратили в хороший бизнес. Пока все оценки метанового потенциала Украины приблизительны, но оптимисты говорят о том, что в идеале страна могла бы обеспечивать себя газом собственной добычи, по меньшей мере, столетие. Извлечь шахтный метан из-под земли – сложно и тяжело. Однако альтернатива еще печальнее – думать о том, что наше завтра зависит от импортеров газа в Украину и от их настроения. Перечень ссылок 1. Ильяшов М.А., Левит В.В., Филатов Ю.В. Очерки о метаоугольной отрасли. – Киев: Наукова Думка, 2011. – 280 с. 2. Метан: не грозный, а выгодный. http://www.isd.com.ua/press/news/article.html?id=1011 3. Метан (материал из MiningWiki). http://miningwiki.ru/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BD 4. ШАХТНЫЙ МЕТАН И СЛАНЦЕВЫЙ ГАЗ: украинские проекты. http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=7463

УДК 622.48 АВТОМАТИЗАЦИЯ ШАХТНОЙ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ С НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМ КИПЯЩИМ СЛОЕМ Войтов А.Ю., студент; Неежмаков С.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Повышение цен на энергоносители, дефицит собственных топливных ресурсов, снижение качества угля, рост требований к уменьшению загрязнения окружающей среды требуют внедрения в производство более совершенного метода сжигания угля. Именно наличие топливно-энергетических ресурсов определяют темпы и масштабы развития отдельных районов промышленного и сельскохозяйственного производства. Главными задачами являются обеспечение комплексной переработки сырья, создание ресурсосберегающей техники и технологий, сокращение потерь и отходов. В последние годы во многих странах структурная перестройка топливного баланса с целью уменьшения зависимости от нефти и газа возродила интерес к угольной тематике. В настоящее время данным требованиям удовлетворяют котельные установки с топкой низкотемпературного кипящего слоя (НТКС). Топливо в топках НТКС сжигается в псевдоожиженном слое, что способствует существенному улучшению доступа кислорода к топливу в процессе горения, повышенной теплоотдачи к поверхностям нагрева, а также более полному сгоранию топлива. Благодаря внедрению этой технологии становится возможным использовать отходы углеобогащения и угледобычи, нетрадиционные и низкосортные виды топлива (щепа и другие древесные отходы, торф, шламы и др.), при этом допуская сжигание различных видов топлива в одном топочном устройстве. Применение технологии сжигания топлива в кипящем слое обеспечивает выполнение жестких экологических норм по выбросам SО2 и NO2 без сооружения дополнительных установок по серо- и азотоочистке. Однако, практическая реализация этого способа в промышленных установках связана с преодолением ряда трудностей, свойственных специфике данного технологического процесса.[1] Комплекс теплотехнического оборудования и устройств, связанных технологической зависимостью при выработке пара или горячей воды и расположенный в специальном помещении, называют котельной установкой. По характеру обслуживания потребителей котельные установки подразделяют на отопительные, отопительно-производительные и энергетические. По роду вырабатываемого теплоносителя они подразделяются на паровые и водогрейные. К отопительным котельным, которые, как правило, бывают водогрейными относятся установки, вырабатывающие теплоэнергию лишь в течение отопительного сезона. Отопительно-производительные котельные (обычно паровые) вырабатывают тепло не только для отопления, но и для вентиляции, горячего водоснабжения и технологических процессов. Такие котельные преимущественно работают круглосуточно. К энергетическим котельным относятся установки, которые вырабатывают помимо тепла посредством турбогенераторов и электроэнергию. В промышленных котельных с котлами малой и средней мощности способ сжигания твердого топлива в топках с плотным слоем является преобладающим. Такие топочные устройства просты в эксплуатации, пригодны для работы на углях различных сортов в широком диапазоне нагрузок, имеют наибольшие расходы электрической энергии на собственные нужды, не требуют больших объемов топочных камер и дорогостоящих пылеприготовительных устройств.[2] Конструкция котельной установки с низкотемпературным кипящим слоем представлена на рис. 1. Внизу на воздухораспределительной решетке 1 расположен кипящий слой 2 с подачей первичного дутья по тракту 3 от вентилятора 4. В надслоевом объёме 5 на участках 6 43

набегания потока установлены сопла 7 вторичного дутья. Сопла 7 вторичного дутья ориентированы тангенциально к условному телу вращения 8 и направлены в сторону застойных зон 9, в корень восходящего из кипящего слоя потока. Движение частиц в восходящем потоке и после их сепарации в топке совпадают с вихревым течением, горение и топочные процессы равномерно распространяются во всём объёме топки над слоем. Профиль надслоевого объема образован обмуровкой 10 и топочными экранами 11. Дымоходы топки имеют золоосадительные бункера 12 с эжекторами 13 возврата уноса, которые, как и система пневмозаброса топлива 14, трактами 15 вторичного дутья подключены к вентилятору 4. Должны быть в наличии и другие элементы, необходимые для эксплуатации и обслуживания топки кипящего слоя.

Рисунок 1 – Котельная установка с НТКС Подача вторичного дутья из участков набегания через сопла, тангенциально в сторону застойных зон усиливает индуцированное частицами вихревой течение, улучшает перемешивание, выгорания, конвективный теплообмен, сепарацию и содержание в надслоевом объеме частиц, вынесенных из кипящего слоя. При этом струи вторичного дутья легко пронизывают восходящий поток, концентрируясь под участком набегания, и доля вторичного дутья может быть малой. Эта судьба определяется независимо и, прежде всего, из условий организации высокоэффективного топочного процесса. Богатые кислородом струи вторичного дутья легко проникают в вихревой объем, застойные зоны 9 и в корень восходящего из кипящего слоя потока. Определены характеристики работы топки: - Глубина регулирования нагрузки - до 28 %; - Температура слоя 840 - 980 °С; - Устойчивая работа в безшлаковочном режиме при внешних возмущениях.[3] Разработаны следующие требования к системе автоматизации: 44

- обеспечить автоматический розжиг котельной установки с НТКС; - предусмотреть автоматическое управление загрузочного устройства твердого топлива в котлоагрегат; - обеспечить автоматический контроль технических параметров установки (температуру, разряжение); - обеспечить автоматическую защиту установки от аварийных режимов; - обеспечить сигнализацию котельной установки с НТКС; - обеспечить стабилизацию температуры кипящего слоя в котлоагрегате. БИ

В сеть

ИМ ПУ ПД

Термопара

Дифманом етр

ПДуВ БСЗ

МК

БВК ПГор

Дифманом етр

ИП

ПМЗ БП

Рисунок 2 – Структурная схема устройства управления котельной установки с низкотемпературным кипящим слоем В функции разрабатываемой системы автоматизации котельной установки с НТКС входит: 1) Включение и выключение магнитного пускателя дымососа; 2) Включение и выключение магнитного пускателя дутьевых вентилятора; 3) Включение и выключение магнитного пускателя механического заброса; 4) Включение и выключение воспалительного электрода горелки; 5) Контроль рабочих параметров котельной установки: - разряжение воздуха в котлоагрегате; - температура кипящего слоя в котлоагрекате; - давление воздуха в нагнетательном трубопроводе; - температура пламени горелки; 6) Защита от перегрева электродвигателя: - дымососа; - дутьевого вентилятора; - механического заброса; 7) Обеспечение рабочей сигнализации; - наличия питания устройства; - включение / выключение всех компонентов (дымососа, дутьевого вентилятора, механический заброс, горелка); 8) Обеспечение аварийной сигнализации: 45

- температура слоя выше/ниже нормы; - давление в котле выше/ниже нормы; 9) Вывод информации в промышленную информационную сеть. Структурная схема устройства управления котельной установки с низкотемпературным кипящим слоем приведена на рис. 2. На структурной схеме показаны термопара и дифманометры, которые передают аналоговый сигнал на блок согласования и защиты (БСЗ), там сигнал преобразуется и передается на микроконтроллер (МК), далее сигнал поступает на блок исполнения команд (БИК), на интерфейсный модуль (ИМ), затем в сеть и на блок индикации (БИ). Из блока выполнения команд сигнал поступает непосредственно на пускатели: пускатель дымососа (ПД) , пускатель дутьевого вентилятора (ПДув), пускатель горелки (ПГор), пускатель механического заброса (ПМЗ), которые в свою очередь запускают оборудования котельной установки: дымосос, дутьевой вентилятор, механический упрек и горелку. Вся схема востребована через источник питания (ИП) и блок питания (БП), потому что микроконтроллер питается от 5В. Функциональная схема устройства управления шахтной котельной установки с низкотемпературным кипящим слоем изображена на рис. 3.

Рисунок 3 - Функциональная схема устройства управления шахтной котельной установки с низкотемпературным кипящим слоем Перечень ссылок 1. Вискин Ж. В., Шелудченко В. И. и др. Сжигание угля в кипящем слое и утилизация его отходов — Донецк: Типография “Новый мир”, 1997. — 284 с. 2. Махорин К. Е. Сжигание топлива в псевдоожиженном слое / К. Е. Махорин, П. А. Хинкис К.: Наукова думка, 1989. – 204 с. 3. Шайхед О.В. Конструкция топки для сжигания углей в низкотемпературном кипящем слое – Донецк, 2009. – 116 с. 46

УДК 622.647 АВТОМАТИЗОВАНЕ РЕГУЛЮВАННЯ ШВИДКОСТІ СТРІЧКОВОГО КОНВЕЄРУ Глянь Д.В., студент; Ешан Р.В., асистент (ДВНЗ «Донецький національний технічний університет, м. Донецьк», Україна) У вугільній промисловості стрічкові конвеєри є одним з найбільш поширених засобів транспортування вугілля. Вантажопотік з лави не є постійною величиною, внаслідок чого значну частину часу конвеєр працює з неповним завантаженням. Потужність приводних двигунів конвеєрів досягає сотень кіловат, тому поліпшення енергетичних показників приводу дозволить зменшити витрати на електроенергію. Для вирішення цього завдання доцільно регулювати швидкість руху стрічки залежно від вантажопотоку [1]. Використання частотно-регульованого приводу стрічкових конвеєрів є одним з найважливіших шляхів розвитку цього виду транспорту. Результати експлуатаційних досліджень, проведених у шахті WESTFALEN в Німеччині підтвердили, що в реальних умовах експлуатації швидкість стрічки конвеєра з чотирма привідними двигунами потужністю 80кВт кожний, з живленням від частотних перетворювачів була значно нижча за номінальну (Vn = 3,8 м/с) [2]. Зі швидкістю у відрізку до 1 м/с (до 0,25Vn) конвеєр працював 46.7% відсотків усього часу роботи, зі швидкістю 12,5 м/с (0,25-0,65 Vn) – 42,3% усього часу роботи, а зі швидкістю 2,5-3,8 м/с (0,65-1 Vn) – 10,1% усього часу роботи.

Рисунок 1 – Діаграма швидкості стрічкового конвеєра напротязі доби на шахті WESTFALEN При використання частотного перетворювача в приводі стрічкового конвеєра досягається наступний технічний ефект: - високий КПД конвеєра з частотним перетворювачем; - вирівнювання моментів приводних двигунів конвеєра з живленням від частотних перетворювачів; - менше роздроблення породи в місцях пересипу; - оберігання електричних двигунів приводів від можливих перевантажень і пошкоджень; - економія електричної енергії; - зменшення зносу обкладинок гальм конвеєра; 47

- підвищення ресурсу частин, які обертаються (ролики, барабани), а також зменшення зносу стрічки за рахунок зменшення кількості обертів; - можливість плавного пуску приводу конвеєра. Моделювання роботи стрічкового конвеєру 1Л800Д показало різницю між постійним та змінним (реальним) вантажопотоком та витрати електричної енергії у цих випадках. Алгоритм полягає в розрахунку масиву миттєвої потужності конвеєра при змінному вантажопотоці.

𝑁=

[0.06 ∙ (𝐿 ∙ 𝑞𝑟 + 𝐿 ∙ 56.3) ∙ 1.05 ∙ 𝑣] 1.1 ∙ 102 ∙ 0.862 0.96

Після введення необхідної інформації відбувається моделювання стрічки конвеєра, вона представлена масивом з числом елементів рівним l/v. Потім розраховується потужність двигуна на холостому ходу. Імітація руху стрічки моделюється за допомогою підпрограми зсуву: масив розподілення вантажу на стрічці зсувається на одиницю вправо так, що останнє значення видаляється з масиву (вихід вантажу з стрічки), першому значенню зрушеного масиву присвоюється нове значення згідно з поточним вантажопотоком. Програма запам'ятовує значення миттєвого вантажопотоку та миттєвої потужності приводного електродвигуна конвеєра за певний період моделювання і розраховує кількість перевезеного вантажу та затрачену на це електричну енергію за зміну або за добу. Розрахунки показали, що зміна швидкості конвеєрної стрічки в залежності від вантажопотоку дозволяє економити значну кількість електричної енергії (Рис. 2).

Рисунок 2 – Витрати електроенергії на переміщення 1т вантажу Для реалізації пропонується використовувати наступну систему автоматичного регулювання (САР) швидкістю стрічкового конвеєра (Рис. 3). Необхідно проводити 2 вимірювання: швидкість стрічки конвеєра і маса завантаженого вугілля. Сигнал з датчика ваги КВ і датчика швидкості ДШ надходить до САР. Живлення схеми здійснюється з іскробезпечного блоку живлення. Датчик швидкості підключений до схеми через узгоджувальний пристрій. Як засіб вимірювання швидкості використовується датчик ДКС або аналогічні йому. У блоці розміщена узгоджувальна схема, яка виконує функції зниження рівня напруги з датчика швидкості і гальванічної розв'язки його приєднання до САР. Датчик ваги розташовується на початку конвеєра, або на попередньому, що дає можливість швидше реагувати на зміни вантажопотоку. В умовах вугільної шахти рекомендується використовувати тензорезистивні конвеєрні ваги, вони є більш надійними засобами вимірювання, і так само прості в обслуговуванні і експлуатації в порівнянні з оптичними і гідравлічними датчиками. 48

САР обробляє сигнали з датчиків і через інтерфейс RS- 485 видає регулюючий вплив на перетворювач частоти ПЧ, до якого підключений електродвигун Дв приводу конвеєра. Для контролю роботи пристрою в блоці присутній рідкокристалічний індикатор, на який виводиться інформація про швидкість і продуктивності конвеєра. Напруга на перетворювач частоти подається через пускач П.

Рисунок 3 – Структурна схема системи автоматичного регулювання швидкості стрічкового конвеєру Також така система повинна бути узгоджена з пристроями керування конвеєрами. Існуючі системи автоматизації не передбачаюсь регулювання швидкості, вони одразу вимикають приводні двигуни уразі зниження швидкості стрічки до 75% від номінальної [3]. Отже для успішного використання САР швидкості необхідно розробити нову апаратуру керування конвеєрами або удосконалити існуючу. САР спільно з перетворювачем частоти повинні підтримувати сталість коефіцієнта відношення вантажопотік/швидкість: 𝑞𝑟 𝑘= = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡, 𝑣 де qr - маса вугілля на одному погонному метрі стрічки попереднього конвеєра; v - швидкість поточного конвеєра. При зменшенні надходження вугілля на стрічку конвеєра qr зменшується, внаслідок чого коефіцієнт k теж зменшується. САР реєструє зміни і плавно регулює швидкість, поки k не досягне необхідного значення. Таким чином, регулювання швидкості руху приводного двигуна стрічкового конвеєру в залежності від вантажопотоку дозволить знизити витрати електричної енергії, збільшити ефективність використання стрічки, підвищити термін її служби, що важливо в умовах низької рентабельності шахт. Перелік посилань 1. Гаврилов П.Д., Гимельшейн Л.Я., Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов. –М.:Недра, 1985.-214с. 2. Заклика М., Колек М., Тытко С. Ленточные конвейеры с регулируемой скоростью. 3. Батицкий В.А., Куроедов В.И., Рыжков А.А. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности. –М.:Недра, 1991.-303с.: ил.

УДК 621.316.7 ИССЛЕДОВАНИЕ САУ ВСТРОЕННОЙ СИСТЕМОЙ ПОДАЧИ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ТОРМОЗАМИ СКОЛЬЖЕНИЯ ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ Горбовский И. В., магистрант (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) В настоящее время в системах подачи очистных комбайнов используются приводы с электромагнитным тормозом скольжения (ЭМТ). Такие приводы имеют высокую надежность, малую мощность управления и достаточно низкую стоимость. Они позволяют обеспечивать глубокое регулирование скоростью подачи очистного комбайна. Однако, независимо от применяемого привода подачи при работе на пластах с большими углами наклона (до 35 градусов) существенным недостатком встроенной системы подачи очистных комбайнов является плохая стабилизация скорости подачи, т.е. существуют проблема управления скоростью подачи при регулировании нагрузки, когда очистной комбайн движется со скоростью, превышающей заданную, а также предохранения от самопроизвольного движения очистного комбайна. Решением данной проблемы является реализация рационального способа автоматического управления двумя приводами подачи для снижения уровня динамических нагрузок узлов очистного комбайна и системы подачи, распределение мощности между двумя приводами подачи за счет включения двух приводов одновременно. При включении второго (тормозящего) привода подачи параллельно первому (ведущему) приводу подачи для компенсации скатывающей силы, система подачи будет полностью управляема. На основании модели привода подачи, в котором в качестве вариатора скорости используется ЭМТ, представленной в работе [2] была получена модель работы очистного комбайна с двумя встроенными приводами подачи с ЭМТ. Для автоматического управления скоростью и нагрузкой очистного комбайна каждый привод подачи оснащен своим ЭМТ. Скорость подачи и тяговое усилие изменяются с помощью автоматического регулирования тока возбуждения ЭМТ. В дополнении к математической модели привода подачи было составлено дифференциальное уравнение, которое описывает движение комбайна с массой:

dVк Fв + Fн − FТР − FТ = , dt m

(1.1)

где Fв – сила, действующая на ведущий привод; Fн – сила, действующая на очистной комбайн из-за угла наклона; FТР – сила трения в опорах очистного комбайна; FТ – сила, действующая на тормозящий привод подачи; Vк – текущая линейная скорость вала приводной звезды; m – масса очистного комбайна; Сила трения вычисляется по формуле:

FТР = m * g * cos α * µ ,

(1.2)

где µ – коэффициент трения; Сила, вызванная работой очистного комбайна на наклонной плоскости вычисляется по формуле: Fн = m * g * sin α , где sin α – угол наклона очистного комбайна;

(1.3)

yз

1 T4 p + 1

uТ

T p +1 kид 2 T3 p + 1

f 4 ( y3 )

uТ

1 Lp

Rу

1 Lp

i •

1 T1 p + 1

i •

M (i)

•

f1 (ϕ ' )

Mн

S 1

Jуp

ω0

ϕ'

Рисунок 1 - Структурная схема модели очистного комбайна с двумя встроенными приводами подачи с ЭМТ.

f 2 ( y2 )

M (i, S )

M (S )

•

1 p

ω0 ϕ

Силы, действующие на тормозящий и ведущий приводы подачи вычисляются по формуле: FТ = Fв = M / R з ,

(1.4)

где M – максимальный момент привода подачи ЭМТ; Rз – радиус приводной звезды; Структурная схема модели очистного комбайна с двумя встроенными приводами подачи с ЭМТ представлена на рис. 1. Модель реализована и исследована в среде SIMULINK. Смоделируем движением комбайна на холостом ходу с углом наклона поверхности равным 35 градусам (рис.2). 0.8 w i1 i2

0.7

w,rad/c , i*0.1,A

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.5

1.5

2.5 t,с

3.5

4.5

Рисунок 2 - Зависимость скорости подачи очистного комбайна от тока Скорость движения очистного комбайна составляет 0,25 рад/с, при этом ток первого (ведущего) привода практически равен 0 А, а ток второго привода равен 8 А. Это говорит о том, что вся нагрузка приходится на тормозящий привод. При этом оба привода не могут обеспечить заданную скорость движения очистного комбайна. В то же время это говорит о том, что при должном распределении нагрузки между приводами система будет полностью управляема. Выводы 1. Разработана математическая модель в виде дифференциального уравнения, которое описывает движение очистного комбайна по наклонной поверхности. 2. Разработана модель работы очистного комбайна с двумя встроенными приводами подачи с ЭМТ. 3. Исследования показывают, что за счет предложенного варианта управления возможно обеспечение управляемости скоростью подачи комбайна на пластах с большими углами наклона. Перечень ссылок 1. Поцепаев В.В. исследование динамики и выбор рациональных параметров вынесенного привода подачи очистных комбайнов: автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. / Поцепаев В.В. — М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1986. — 14 с. 2. Дубинин С.В., Поцепаев В.В. Система автоматической стабилизации скорости вынесенного привода подачи с электромагнитным тормозом скольжения для горных машин. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. - Вип. 22 (200). – с.6 – 10.

УДК 621.647 УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЗАЦИИ УСТАНОВКИ ВОДЯНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ Городецкий В.О., студент; Жовтобрух С.А., ассистент (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Шахтные конвейеры являются не только основным элементом системы транспортирования полезного ископаемого на горном предприятии, но и источником возникновения подземных пожаров [1]. Для прогноза и оценки пожароопасности подземных ленточных конвейеров, определения вероятности возникновения и развития пожара в конвейерном штреке используются методы системного анализа. Такой подход к прогнозу возможности возникновения пожароопасной ситуации требует учета основных взаимосвязей между элементами оборудования, выявления роли каждого из них в общем процессе функционирования системы пожаротушения, а процесс ее проектирования может быть сведен к итерационному процессу последовательного чередования анализа и синтеза до тех пор, пока на основе обратной связи не будет обеспечен требуемый уровень пожаробезопасности. Анализ причин возникновения пожаров позволяет выделить следующие причины возгорания на конвейерном транспорте: наличие трения при пробуксовке ленты на приводных барабанах, а также о невращающиеся концевые или натяжные барабаны, ролики, став конвейера; возникновения короткого замыкания в электрооборудовании ленточного конвейера или в электрической сети; возгорание от посторонних источников [1, 2]. Исходя из правил безопасности, приводные станции ленточных конвейеров должны быть оборудованы стационарными автоматическими установками пожаротушения. На горных предприятиях, в основном, используются системы локального водяного пожаротушения [3,4]. Главная цель указанных систем пожаротушения ленточных конвейеров заключается в снижении уровня пожароопасности и уменьшении времени реагирования на возникновение, упреждение и устранение чрезвычайных ситуаций. Для повышения эффективности автоматических систем пожаротушения объектов конвейерного транспорта необходима реализация следующих задач: контроль давления воды в начале и конце пожарного трубопровода; зональное тушение пожара на объекте; подача необходимого расхода воды; непрерывный контроль концентрации угарного газа в конвейерном штреке; сигнализация при возникновении пожароопасных ситуаций; обеспечение включения пожарной насосной установки при возникновении пожара; защитное отключение всех работающих объектов на контролируемом участке; передача текущей информации на пульт горного диспетчера. Для решения перечисленных задач предложено устройство автоматизации установки водяного пожаротушения ленточных конвейеров, отличающееся от существующих решений конструктивной и функциональной частью. Структурная схема устройства автоматизации приведена на рисунке 1. В состав устройства автоматизации установки водяного пожаротушения ленточных конвейеров входят: датчики температуры ТХ2061 (ДТП), датчики угарного газа ADT-131110 (ДСО), блоки контроля положения задвижек на распылителях по длине пожарного трубопровода (БСС), внешний источник питания ИП-36 (ИП), блок питания (БП), блок согласования входных сигналов с датчиков (БСЗ), микроконтроллер (МК), интерфейсный модуль (ИМ), блок сигнализации (БСИ), блок выдачи оперативной информации (БВИ). Управляющие воздействия, формируемые устройством автоматизации, поступают на блок управления аппаратуры АУК-1М (БУ АУК-1М), пускатели приводных двигателей конвейера 53

(ПВИ ЭД), пускатель насосной установки водяного пожаротушения (ПВИ ПН), пускатели приводов задвижек (ПВИ ЭДВ)

Рисунок 1 - Структурная схема устройства автоматизации установки водяного пожаротушения ленточных конвейеров Особенностью работы устройства автоматизации установки водяного пожаротушения ленточных конвейеров является непрерывный контроль давления воды в пожарном трубопроводе (так при давлении менее 0,6 мПа конвейер не запустится) и температуры на приводных барабанах (рабочая температура не должна превышать 72oC). В случае, когда температура и концентрация угарного газа превысят пороговые значения, произойдет включение звуковой сигнализации, отключение конвейера, включение установки водяного пожаротушения. По сигналам от датчиков температуры начнется поочередное открытие задвижек на распылителях пожарного трубопровода до полной ликвидации очага возгарания. Таким образом, использование датчиков непрерывного контроля концентрации угарного газа и температуры нагрева ленты в контрольных точках по всей длине конвейера позволит повысить эффективность системы пожаротушения ленточных конвейеров за счет своевременного и быстрого реагирования на предпосылки возникновения пожара. Управление задвижками на распылителях по длине пожарного трубопровода обеспечит равномерное распределение давления воды и зональное тушение пожара. Перечень ссылок 1. Булгаков Ю.Ф. Тушение пожаров в угольных шахтах: Рекламно-издательское агентство ДонНТУ, 17.01.2001г 2. Основные принципы системного подхода к обеспечению безопасности и эффективности тушения экзогенных пожаров в угольных шахтах/ Ю.Ф. Булгаков // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр./ НИИГД.- Донецк, 1998.-С. 36-40. 3. Требования к шахтным автоматическим установкам и системам пожаротушения/ Ю.Ф. Булгаков // Горноспасательное дело: Сб.науч. тр. НИИГД.- Донецк, 1998.-С. 46-51. 4. Нормативно-правовий акт охорони праці НПАОП 10.0-1.01-05 Правила безпеки у вугільних шахтах. -К.: 2005, - 398 с.

УДК 622.272 УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКАМИ ГЛАВНОГО ВОДООТЛИВА Донченко В.В., студент; Гавриленко Б.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Ведение горных работ связано с увеличением глубины, загазованности, повышением температур, увеличением водопритоков шахты. Существующие средства не могут обеспечивать откачку воды с такой глубины. Поэтому на шахтах используется многоступенчатый водоотлив, однако применение этого способа требует решения ряда проблем: • обеспечение согласованного управления насосными установками; • регулирования возможность включения насосных установок в период максимума нагрузок энергосистемы; • необходимость дистанционного контроля состояния насосных агрегатов и аварийного уровня воды в водосборнике; • контроль возникновения утечке жидкости в трубопроводах. Так как существующая аппаратура ВАВ-1М не обеспечивает решение этих задач, на базе микроконтроллера разработана система управления работой водоотлива, состоящая из двух подсистем: локальной автоматизации і-й насосной станции - блок управления і-той насосной установки (БУН) и координирующего блока – (КБ). Блок КБ осуществляет постоянную двустороннюю связь с всеми модулями БУН . В начале программы происходит опрос всех БУН, расположенных погоризонтно, если на некоторой из установок возникла аварийная ситуация, устройство формирует команду соответствующему БУН на её отключение и включение резервной насосной установки. Блок управления насосной станцией (БУН) обеспечивает стандартные функции существующей аппаратуры автоматизации водоотливных установок по включению, отключению и контролю работы насосных установок, а также определения времени возможного изменения уровня воды в водосборнике и передачу этой информации на верхний уровень управления. Координирующий блок представляет собой программируемый микроконтроллер ATmega8L – (рис. 1) На рисунке 1 обозначен: МК - блок микроконтроллера; БУН1-БУН4 - блоки управления і-ми насосными установками ; УСИУ - устройство сопряжения с исполнительными устройствами; УСД - устройство согласования с датчиками; БППИ - блок приема передачи информации.

Рисунок 1 – Структурная схема устройства управления насосными установками 55

Блок МК выполняет следующие основные функции: • обрабатывает информацию, поступающую от датчиков уровня и с блоков управления насосными агрегатами; • осуществляет двухстороннюю связь с координирующим блоком КБ; • формирует команды на включение и отключение насосной установки; • выдает необходимую информацию на блок индикации и управления. На рисунке 2 представлена структурная схема координирующего блока, состоящая из: МК - блок микроконтроллера; БППИ - блок приема-передачи информации; БСК - блок согласования с компьютером; Блок МК выполняет все функции по обработке поступающей информации от БУН, а блок БППИ осуществляет двухстороннюю связь с модулями управления насосными установками. Блок БСК согласовывает по величине и форме выходные сигналы микроконтроллера и входные сигналы компьютера.

Рисунок 2 – Структурная схема координирующего устройства Техническая реализация устройства выполнена на базе микроконтроллера типа ATmega8L- 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением, а передача и приём данных осуществляется с использованием интерфейса RS 485, где используется одна витая пара проводов. Применение разработанного устройства управления насосными агрегатами позволяет повысить эффективность работы водоотливной установки за счет уменьшения непроизводительных затрат времени на ее работу и уменьшения количества аварийных ситуаций. Перечень ссылок 1. Автоматизация подземных горных работ / Под ред. Проф. А.А. Иванова – К.: Вища школа, 1987 – 328с. 2. Шевчук С.П. Повышение эффективности водоотливных установок - К.: Техника, 1991. - 53с. 3. Правила устройства электроустановок / Минэнерго СССР. – 6-е изд. перер. и доп. М: Энергоатомиздат, 1985. – 640с. 4. Микроконтроллеры и микроЭВМ. Справочник. /А.В. Боборыкин и др. - М.: МИКАП, 1994. –243с.

УДК 622.53

АВТОМАТИЧНЕ ПОГОДЖЕННЯ РЕЖИМІВ РОБОТИ ВОДОВІДЛИВНИХ УСТАНОВОК СТУПЕНЕВОГО ВОДОВІДЛИВУ В ПЕРІОДИ ТАРИФНИХ ОБМЕЖЕНЬ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ШАХТИ НА ДОБОВОМУ ІНТЕРВАЛІ ЧАСУ Дубінка К.С., студент; Оголобченко О.С., доц., к.т.н. (ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецк, Україна) Електропостачання шахт частіше здійснюється від енергопостачальних організацій централізованих енергосистем [1]. Взаємовідношення між споживачами й енергопостачальними організаціями визначені у “Правилах користування електричною енергією” Ними встановлюються умови щодо дотримання режимів електроспоживання і регулювання добового графіка навантажень підприємства. Електропостачальна організація погоджує також договірні значення електричної потужності, що споживач заявляє і повинен виконувати в періоди максимуму активних навантажень в енергосистемі. Години максимуму навантажень фіксуються в договорі і не повинні перевищувати наступних установлених на добовому інтервалі часу значень: з жовтня по березень: ранком - 2 години, увечері - 4 години; із квітня по вересень: ранком - 3 години, увечері - 2 години. При диференційованому тарифі також установлюються періоди часу, у межах яких різна оплата споживаної електроенергії. Одним із способів регулювання добового графіка навантажень на шахтах є використання споживачів - регуляторів (СР), які відповідно з вимогами правил безпеки у вугільних шахтах можуть відключатися або переводитися на знижене електроспоживання в періоди тарифних обмежень електропостачання шахти на добовому інтервалі часу (пікові періоди). Одним з таких СР є водовідливні установки, які характеризуються великою енергоємністю (у середньому 17% від установленої потужності шахти) і вільним циклічним графіком роботи з технологічними перервами, що дає можливість сполучати останні з піковими періодами [2]. При цьому в передпіковий період водозбірник водовідливної установки повинен мати свобідний об’єм від води, щоб при виключених водовідливних установках водозбірник зміг акумулювати воду, яка потрапляє до водозбірника. Сучасні шахти мають велику глибину розробки, роботи ведуться на різних горизонтах, що обумовлює використання ступеневого водовідливу для перекачки води з одного горизонту на інший і далі на поверхню шахти. Це складний, гідравлічно розв’язаний комплекс насосних установок з водозбірниками. Гідравлічна схема ступеневого водовідливу шахти показана на рисунку 1.

Q2 ГВУ

Qпр2 Нв

Q1 ДВУ

Нн

Qпр1 Нв Нн

Рисунок 1 - Гідравлічна схема ступеневого водовідливу шахти

На рисунку 1 позначено Qпр1 і Qпр2 – змінні припливи води, що надходять в водозбірники дільничної (ДВУ) і головної (ГВУ) водовідливних установок шахти, Нв і Нн – верхній і нижній рівні заповнення водою водозбірника, Q1 і Q2 - подача насосів відповідно дільничної (ДВУ) і головної (ГВУ) водовідливних установок. У роботі [2] описані способи автоматичного управління водовідливною установкою з обліком пікових періодів у системі електропостачання шахти: спосіб примусового включення за часом з наступним регулюванням подачі, спосіб управління за трьома точками і спосіб примусового включення за часом. Зазначені способи управління можуть бути застосовані тільки при управлінні одноступеневим водовідливом, наприклад, спосіб примусового включення за часом використовується в алгоритмі управління апаратури автоматизації насосної станції типу ВАВ.1М. При управлінні ступеневим водовідливом необхідно ураховувати те, що приплив води до водовідливної установки визначається не тільки припливом води з гірничих виробок горизонту, але і подачею водовідливної установки з нижнього горизонту, що викликає коливання часу заповнення водозбірника в широкому діапазоні часу. Тому, в роботі пропонується наступний спосіб автоматичного погодження режимів роботи водовідливних установок ступеневого водовідливу в періоди тарифних обмежень електропостачання шахти на добовому інтервалі часу. В результаті аналізу поточного рівня води у водозбірниках, прогнозного припливу води до них в піковий період, свобідного об’єму водозбірників на початок пікового періоду формується команда на відключення водовідливних установок. Причому пріоритетним є відключення головної водовідливної установки. Далі, відповідно до свобідного об’єму водозбірника головної водовідливної установки формуються команди на регулювання подачі дільничних водовідливних установок таким чином, щоб свобідний об’єм водозбірника головної водовідливної установки заповнювався сумарною подачею всіх працюючих дільничних водовідливних установок в піковий період без переповнення водою водозбірника. Так, час заповнення TЗГВУ водою свобідного об’єма водозбірника Vсв (t 1 ) на момент часу t1 головної водовідливної установки визначається як: TЗГВУ =

Vсв ( t 1 ) , час Q пр2 + Q 1

де: Vсв (t 1 ) = V - Vв (t 1 ) , м3 V - загальний об' єм водозбірника; Vв (t 1 ) = H(t 1 ) ⋅ S, - заповнений об'єм на момент часу t1; S – площа водозбірника; H(t1) – рівень води у водозбірнику на момент часу t1. – величини змінного природного припливу води з гірничих виробок у водозбірник головної водовідливної установки. Q1 – подача дільничної водовідливної установки. Величина << Q1, тому величина Q1 визначає час TЗГВУ . Таким чином, відповідно до пропонуємого способу управління, шляхом регулювання подачі Q1 необхідно забезпечити такий час TЗГВУ , щоб задовольнялось рівняння: TЗГВУ ≥Tmax.

часу.

де: Tmax – період тарифних обмежень електропостачання шахти на добовому інтервалі

Для розрахунку необхідної подачі Q1 при управлінні ступеневим водовідливом з урахуванням періодів тарифних обмежень електропостачання шахти на добовому інтервалі часу розроблена програма у системі MathCAD, яка моделює зміну рівня води у водозбірнику водовідливної установки при змінному припливу води у водозбірник. Для прикладу, на 58

рисунку 2 приведений графік зміни рівня води в водозбірнику головної водовідливної установки горизонту 229м, в який вода перекачується дільничною водовідливною установкою горизонту 758м шахти ім. М.І.Калініна (тип насосу ЦНС 300х600, площа водозбірника S=500 м2).

Рисунок 2 - Графік зміни рівня води у водозбірнику головної водовідливної установки На рисунку 2 позначено: крива Н2 - зміна рівня води у водозбірнику головної водовідливної установки при номінальній подачі дільничної водовідливної установки Q1=300 м3/год; крива Н1 - зміна рівня води у водозбірнику головної водовідливної установки при подачі дільничної водовідливної установки Q1=150 м3/год; інтервал часу - час заповнення водою водозбірника без регулювання подачі дільничної водовідливної установки; інтервал часу - час заповнення водою водозбірника з регулюванням подачі дільничної водовідливної установки; інтервал часу Tmax – період тарифних обмежень електропостачання шахти на добовому інтервалі часу. Для реалізації нового способу автоматичного погодження режимів роботи водовідливних установок ступеневого водовідливу пропонується двохрівнева комп’ютерно – інтегрована система управління з використанням промислової шини. На верхньому рівні управління розташована робоча станція оператора, однією із функцій якої є координація роботи всіх водовідливних установок шахти з урахуванням періодів тарифних обмежень електропостачання шахти на добовому інтервалі часу. На нижньому рівні управління розташовані локальні програмовано логічні контролери (PLC) управління водовідливними установками, як головною так і дільничними установками. Кількість їх визначається кількістю водовідливних установок у складі комплексу водовідливу шахти з розрахунку один контролер PLC управляє однією водовідливною установкою. Однією із функцій контролера є регулювання подачі водовідливної установки. Як відомо регулювання подачі водовідливної установки можливо здійснювати різними способами, найбільш поширеними є зміна частоти обертання приводного електродвигуна і зміна характеристики мережі за допомогою керованої засувки [3]. Кожний спосіб регулювання має як свої переваги, так і недоліки. В роботі прийнятий спосіб регулювання подачі водовідливної установки за допомогою керованої засувки який не потребує використання перетворювача частоти обертання потужного високовольтного електродвигуна в спеціальному для шахт виконанні. Важливим питанням для системи автоматичного регулювання (САР) подачі є вибір закону регулювання. В роботі здійснено дослідження на ЕОМ за допомогою пакету Matlab у підсистемі Simulink системи автоматичного регулювання водовідливної установки типу ЦНС 300х600 з керованою засувкою типу ЗГП 250 і трубопровідною мережею горизонту 758 м шахти ім. М.І.Калініна. 59

Функціональна схема системи САР водовідливної установки з керованою засувкою автоматичного регулювання зображена на рисунку 3. Qз(p)

Wз ( р )

W р ( p)

Wт р ( p )

Wн ( p )

Qф(p)

Кос

Рисунок 3 – Функціональна схема системи САР водовідливної установки з керованою засувкою автоматичного регулювання На рисунку 3 позначено: 1) Wз(р) - передавальна функція засувки з електроприводом,

W з ( р) = k з

k пр р(T м p + 1) ,

де kз – коефіцієнт опору засувки, k=2,5; kпр - передавальний коефіцієнт електроприводу засувки (˚/В∙с), kпр=18; Tм – постійна часу, Tм=0,076 с [4]. 2) Wтр ( p ) - передавальна функція трубопровідної мережі, Wтр ( p ) =

k e − pτ Tp + 1

де k – передавальний коефіцієнт, k = 0,009; T – постійна часу, Т=23,55c; τ – запізнювання, τ =2,045 c [4]. 3) Wн ( р ) - передавальна функція насоса, Wн ( р ) =

k Ts + 1

де k – передавальний коефіцієнт, k = 0,3; T – постійна часу, T=1c [4]. 4) Qз(p) – задане значення подачі водовідливної установки, яке формується на верхньому рівні управління. 5) Qф(p) – фактичне значення подачі водовідливної установки. 6) Кос – коефіцієнт зворотнього зв`язку, Кос=1. Структурна схема математичного опису системи САР водовідливної установки з керованою засувкою наведена на рисунку 4.

Рисунок 4 – Структурна схема математичного опису системи САР водовідливної установки з керованою засувкою 60

В результаті дослідження на ЕОМ системи САР встановлено, що найбільш технічно прийнятним є ПІД-регулятор. При цьому отримано графік перехідного процесу, що зображений на рисунку 5.

Рисунок 5 – Графік перехідного процесу в САР водовідливної установки з керованою засувкою У відповідності з отриманим графіком визначили величину перерегулювання:

σ=

hmax − hy hy

⋅100% =

1,08 − 1 ⋅100% = 8% 1

Час перехідного процесу tp= 37,2 с. Таким чином, отримані показники якості системи CАР водовідливної установки з керованою засувкою, які задовольняють вимогам до процесу регулювання - процес стійкий, відсутні небезпечні коливання. Перелік посилань 1. Разумний Ю.Т. Режими електроспоживання вугільних шахт: Навч. посібник. Дніпропетровськ, Національна гірнича академія України, 2002. -126 с. 2. Данильчук Г.И., Шевчук С.П., Василенко П.К. Автоматизация электропотребления водоотливных установок - К.: Техника, 1981. - 102с. 3. Папаяни Ф. А., Трейнер Н. Б.,Никитин В. И., Чернышев Ю. И., Оверко В. М. Центробежные насосы и трубопроводные сети в горной промышленности: Справочное пособие / Ф. А. Папаяни, Н. Б. Трейнер, В. И. Никитин, Ю. И. Чернышев, В. М. Оверко. Под общ. ред. Ф. А. Папаяни и Н. Б. Трейнера. – Донецк: ООО "Східний видавничий дім", 2011. – 334 с. 4. Никулин Э.К., Неежмаков С.В. Математическое описание основных звеньев системы автоматического регулирования водоотливной установки/ Никулин Э.К., Неежмаков С.В.// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: “Обчислювальна техніка та автоматизація”. Випуск 2. – Донецьк: ДонНТУ, 2013.

УДК 622.3.002.5 УСТРОЙСТО АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ НАГРУЗКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ШАХТНОГО ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА Зиняр Д.А., студент; Ставицкий В.Н., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Основным средством доставки грузов на современных горнодобывающих предприятиях является конвейерный транспорт. Ленточные конвейеры (ЛК) эффективно заменяют локомотивную и канатную откатку, что обусловлено такими их преимуществами, как непрерывность, широкие возможности для автоматизации, возможность транспортирования грузов в наклонных выработках, простота наращивания и разветвления линии, относительная безопасность. Дальнейшее совершенствование конвейеров связано с разработкой систем, оптимизирующих режим их работы по критерию минимизации затрат на транспортировку полезного ископаемого. Анализ тенденций развития угольной промышленности в последнее десятилетие показывает, что применение прогрессивных систем разработки и современной интенсивной технологии выемочных работ, увеличение скорости продвижения очистных и подготовительных выработок далеко не всегда сопровождается проработкой вопросов оптимизации работы технологического оборудования, экономного расходования электроэнергии и материальных ресурсов. Стремление к удешевлению и повышению надежности ЛК обусловило широкое применение в них нерегулируемого привода на основе асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором (АД). Однако, как показывает анализ факторов, определяющих режим работы ЛК, нерегулируемый привод не обладает достаточной эффективностью. Из-за неравномерной работы добычных участков ленточные конвейеры, эксплуатируемые на шахтах и рудниках, часто не используются на проектную мощность, а доля холостых, или близких к ним режимов, составляет значительную часть рабочего времени. Поэтому одним из важнейших параметров, влияющих на производительность, надежность и экономичность конвейерной установки, является скорость движения ленты. Процесс транспортировки угля сопровождает высокая неравномерность грузопотоков, поступающих на транспортные установки, так как конвейерная линия по своему технологическому назначению является транспортным объектом, обслуживающим очистной забой. Технологические паузы в работе выемочных комбайнов, в том числе при аварийной остановке лавы, и периодическое изменение их скорости перемещения вдоль линии очистного забоя являются причиной неравномерности или отсутствия грузопотоков, которые также отражаются на загрузке конвейера. В настоящее время на угольных предприятиях для повышение эффективности конвейерного транспорта применяются угольные аккумулирующие бункеры и предлагается регулирование скорости движения конвейерной ленты с использованием частотно - регулируемого привода (ЧРП). В современных ленточных конвейерах применяют нерегулируемый асинхронный электропривод. Несмотря на значительный объем проводимых исследований. Исключение составляют бункерные накопительные системы магистральных конвейерных линий. Для участковых конвейеров использование подобных систем нецелесообразно ввиду значительности капитальных затрат на их реализацию, ограниченного срока эксплуатации, обусловленного сроком отработки лавы, и нестабильности положения из-за перемещения лавы. Регулируемый привод практически единственная альтернатива в данных условиях. В зависимости от объёма грузопотока значение тягового усилия при постоянной скорости изменяется в несколько раз, тем самым меняется нагрузка двигателя и, как следствие, его скольжение. Поскольку оптимальное скольжение соответствует максимуму коэффициента мощности и КПД, необходимо регулирование скорости движения ленты для 62

достижения оптимальной работы ЭП. Предположения подтверждаются результатами математического моделирования работы ленточного конвейера (рисунок 1 - 3) в условиях переменного грузопотока. По представленным ниже диаграммам видно, что при отсутствии регулирования скорости, статический момент сопротивления электродвигателя, в зависимости от грузопотока, значительно варьируется, что негативно сказывается на надёжности двигателя и рациональности его энергопотребления. Если же регулировать скорость в зависимости от грузопотока можно добиться оптимальных значений энергетических показателей электропривода ленточного конвейера, а также увеличить срок службы грузонесущего органа. Отсюда следует, что применение плавного регулирования линейной скорости ленты, например с помощью частотно-регулируемого электропривода, позволяет снизить энергопотребление по сравнению с нерегулируемым электроприводом.

Рисунок 1- Результаты моделирования грузопотока

Рисунок 2 - Результаты моделирования нагрузки на привод ленточного конвейера

Рисунок 3 - Функция массы груза на ленте m и статического момента сопротивления на валу двигателя Mc. Для расширения функциональности аппаратуры САУКЛ и решения проблемы с перегрузкой привода конвейера и нецелесообразным экономическим использованием, разработано устройство на микропроцессорной основе, которое будет выполнять функцию регулирования скорости конвейерной линии в зависимости от поступающего грузопотока на ленту. Структурная схема устройства приведена на рисунке 4.

БП

ДВ

БИ

БС

МК ДС

БС

на ЧП

БС

Рисунок 4 - Структурная схема устройства регулирования и формирования заданной скорости На рисунке 4 показаны: БП – блок питания; БС – блок согласования; ДВ – датчик веса; ДС – датчик скорости; МК – микроконтроллер; БИ – блок индикации; Устройство формирования заданной скорости (УФС) состоит из блока датчиков, микропроцессора и блока сигнализации включающего в себя LCD дисплей. Основой устройства является микроконтроллер. Датчик веса располагается на предыдущем конвейере, это дает возможность быстрее реагировать на изменения грузопотока. Используется тензорезистивный датчик веса, они рекомендованы к использованию в условиях шахты. Сигналы от датчика скорости (через гальваническую развязку) и датчика веса (через интерфейс токовая петля) предаются на аналоговый вход микроконтроллера. Модуль АЦП, который входит в его состав преобразует данную информацию в двоичный код с целью дальнейшей обработки. Происходит вычисление фактического грузопотока на 64

ленте и сравнение его с заданным. В зависимости от разности этих значений вырабатывается сигнал управления, который достигает конечного адресата – преобразователя частоты, к которому подключен электродвигатель привода конвейера. Для контроля работы устройства в блоке присутствует жидкокристаллический индикатор, на который выводится информация о скорости и производительности конвейера. Количество угля на ленте, т.е. масса поступающего груза, является изменяющимся параметром, а скорость – регулируемым. Диапазон регулировки скорости конвейера устанавливается в пределах от 0,1V до 1,0V, где V – номинальная скорость. Регулирование скорости производится по сигналу УФС. При нулевой загрузке ленты скорость ее не превышает 0,1 от номинальной. При нарастании грузопотока и достижении уровня груза выше установленной величины выдается сигнал на увеличение скорости ленты. Скорость ленты будет увеличиваться до тех пор пока уровень груза не станет ниже установленной величины. За счет обратной связи УФС – преобразователь производится автоматическое поддержание уровня груза на заданном уровне. УФС совместно с преобразователем частоты должен поддерживать постоянство коэффициента отношения грузопоток/скорость:

𝑘=𝑞r/𝑣=𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡, (1)

где qr – масса угля на одном погонном метре ленты предыдущего конвейера; v – скорость текущего конвейера. Для настройки устройства необходимо знать технические характеристики конвейеров: номинальную скорость текущего конвейера, и qr при номинальной производительности предыдущего конвейера:

𝑞𝑟=(𝑄∙𝑔)/(3,6∙𝑣) (2)

где Q – производительность предыдущего конвейера, g = 9,8 м/с2 – ускорение свободного падения, v – скорость текущего конвейера. При уменьшении поступления угля на ленту конвейера 𝑞𝑟 уменьшается, вследствие чего коэффициент k тоже уменьшается. УФС регистрирует изменения и подает сигнал на плавное регулирование скорости, пока k не достигнет требуемого значения. Для управления и безопасной работы конвейер должен быть подключен к аппаратуре автоматизированного управления. Перечень ссылок 1. Малиновский А.К. Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников. – М., Недра, 1987.-280с. 2. Дмитриева В.В. Разработка и исследование системы автоматической стабилизации погонной нагрузки магистрального конвейера: дис. кандидата техн. наук: 05.13.06 / Дмитриева Валерия Валерьевна. – М., 2005. – 173 c. 3. Гаврилов П.Д., Гимельштейн Л.Я., Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов. Учебник для ВУЗов. М.: Недра, 1985. – 216с. 4. Энергосберегающий асинхронный электропривод. Под ред. И. Я. Браславского – М.: Academa, 2004. – 202 с. 5. Запенин И.В., Бельфор В.Е., Селищев Ю.А. Моделирование переходных процессов ленточных конвейеров. – М.: Недра, 1969.

УДК 621.446 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ НАГРУЗКОЙ ОЧИСТНОГО КОМБАЙНА С ВЫНЕСЕННОЙ СИСТЕМОЙ ПОДАЧИ Зубарев С.Г., магистрант; Дубинин С.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Основной функцией современного автоматического регулятора нагрузки является оптимизация режима работы очистного комбайна с обеспечением максимальной производительности и исключением опасных перегрузок электроприводов и исполнительных органов. Характерной особенностью современных очистных комбайнов с вынесенной системой подачи (ВСП) является наличие длинных участков тяговой цепи до 300-400м, относительно большая инерционность управления электромагнитными муфтами скольжения (ЭМС) вследствие значительной индуктивности (до 50 Гн) их обмоток возбуждения. Эти факторы обуславливают большую длительность переходных процессов в ВСП при воздействии внешних возмущений в виде внезапного изменения сопротивления резанию горного массива и недостаточно высокое быстродействие защиты от перегрузок исполнительных органов комбайна. С целью обоснования способов повышения эффективности защиты от внезапных перегрузок и улучшения динамических свойств системы, проведено компьютерное моделирование переходных процессов в ВСП. Схема замещения ВСП (рис.1) содержит модели тянущего 1 и подтягивающего 2 электроприводов подачи с соответствующими ЭМС 3 и 4. Приводы 1 и 2 связаны между собой и комбайном 5 тяговой цепью с рабочим участком 6 и холостыми участками - нижним 7 и верхним 8. Диссипативные свойства участков тяговой цепи учтены коэффициентами потерь βр, βн и βв. Частота вращения тянущего привода измеряется тахогенераторным датчиком скорости 9[1,2]. Нагрузка на исполнительные органы очистного комбайна описывается как функция скорости подачи комбайна и величины сопротивления резанию горного массива [3].

Рисунок 1 – Схема замещения вынесенной системы подачи очистного комбайна 66

Сигнал обратной связи по скорости формируется преобразователем 10 частоты выходного сигнала тахогенератора 9 в сигнал U д , пропорционального скорости подачи комбайна. Сигнал U д поступает на вход корректирующего звена 11, обеспечивающего коррекцию АФЧХ с требуемым запасом устойчивости системы. Скорректированный сигнал обратной связи подается на вход элемента сравнения 12, где сравнивается с сигналом уставки по скорости U уст и сигналом, сформированным блоком регулирования нагрузки БРН. Сигнал

рассогласования ξ , поступает на усилитель сигнала управления 13, где усиливается и подается на вход тиристорного преобразователя 14, Тиристорный преобразователь подает в обмотку возбуждения электромагнитной муфты скольжения ток, обеспечивающий требуемую величину скорости подачи. Для структурного соответствия звеньев модели реальной системе управления выходные сигналы каждого звена ограничены нелинейными звеньями 16,17,18. Автоматическое регулирование нагрузки и защиту от перегрузок обеспечивает блок БРН путем корректирования уставки по скорости подачи комбайна. Процесс формирования динамических перегрузок на исполнительных органах комбайна представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Процесс формирования динамических перегрузок на исполнительных органах комбайна: 1- момент нагрузки на исполнительные органы комбайна, 2 – уставка по скорости подачи комбайна Uуст, Ми – момент нагрузки исполнительных органов комбайна, Мн – номинальный момент нагрузки. Особенностью формирования повышенного момента Ми на исполнительных органах комбайна с ВСП является медленное уменьшение перегрузки даже после снижения заданной скорости подачи до нуля. Причиной этому является большой запас энергии упругого натяжения длинных тяговых цепей ВСП и низкое быстродействие ЭМС. В связи с тем, что изменение данных параметров ВСП практически не реализуемо, рассмотрена возможность предварительного снижения скорости подачи комбайна перед моментом существенного изменения механических свойств угольного пласта. Возможность прогноза момента возникновения перегрузки обусловлена относительно медленным изменением механических свойств угольного пласта по подвиганию лавы от предыдущей стружки к последующей. Таким образом, проведя анализ механических свойств в процессе выемки угля на предыдущем цикле работы, можно осуществить прогноз реакции забоя на исполнительные 67

органы комбайна на следующем цикле работы. При этом, предварительное снижение скорости подачи комбайна перед резким изменением механических свойств пласта, может существенно улучшить переходные процессы системы в сторону снижения динамических перегрузок (рисунок 3).

Рисунок 3 - Процесс формирования динамических перегрузок на исполнительных органах комбайна при предварительном снижении скорости подачи комбайна: 1- момент нагрузки на исполнительные органы комбайна, 2 – уставка по скорости подачи комбайна Uуст, Ми – момент нагрузки исполнительных органов комбайна, Мн – номинальный момент нагрузки Исследованиями, проведенными при помощи компьютерного моделирования, обосновано время, необходимое для осуществления предварительного снижения скорости подачи. Установлено, что плавное снижение скорости в течение от 2с до 5с может снизить амплитуду динамических нагрузок в системе в 1,5 – 2 раза. Данные функции можно осуществить при помощи системы автоматического программного управления, которая реализует анализ механических свойств угольного пласта по длине лавы, для предварительной коррекции уставки по скорости на следующих циклах работы горной машины. Дальнейшие исследования целесообразно посвятить обоснованию параметров системы программного управления нагрузкой комбайна с ВСП и способов анализа механических свойств угольного пласта в процессе работы горной машины. Перечень ссылок 1. Серов Л.А. Устройства управления и системы регулирования угледобывающих машин / Серов Л.А. — М.: Недра, 1995. — 167 с. 2. Санченко А.П., Дубинин С.В. Исследование автоматизированной двухприводной вынесенной системы подачи очистного комбайна и определение ее оптимальных параметров/Автоматизация технологических объектов и процессов. Сборник научных статей VII Международной научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 26-28 апреля 2007р. / Санченко А.П., Дубинин С.В. — Донецк: ДонНТУ, 2007. 3. Бойко Н.Г. – Динамика привода исполнительного органа очистных комбайнов и его характеристики при случайном возмущении: Наукові праці ДонНТУ, серія: Гірничо-електромеханічна, випуск17(157), 2009г. 68

УДК 621.446 ИССЛЕДОВАНИЕСИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИГЛАВНОЙ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ УСТАНОВКИ ШАХТЫ Карпуша А.В., магистрант; Неежмаков С.В., доц., к.т.н.; Никулин Э.К. доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) В силу ограниченного пространства и не малой глубины, подземные горные выработки подвержены скоплению различных вредностей природного и техногенного характера, что в свою очередь неизбежно воздействует на людей, находящихся в горной выработке. Это приводит к ухудшению условий труда, к ухудшению здоровья рабочих, все это ограничивает возможности проведения производственных процессов. Поэтому, одним из важнейших звеньев сложной технологической системы шахты, является система вентиляции шахтных выработок, перед которой стоит задача борьбы с вредностями в поземных горных выработках – их разжижение подаваемым в выработки свежего воздуха до допустимых концентраций. От надежной, безотказной работы системы проветривания полностью зависит безопасность, а зачастую и жизни людей, работающих в шахте. В связи с необходимостью наличия в шахтных условиях надежного, необходимой мощности и управляемого источника сил движения воздуха, в качестве основного источника этих сил используется вентилятор. В частности, в горной отрасли на привод вентиляторов, обслуживающих шахту, уходит до 8-10% электроэнергии расходуемой всей шахтой. Поэтому, создание высокоэкономичных вентиляторов и правильное их использование имеет большое экономическое значение. Рассмотрим способ регулирования производительностью вентиляторной установки с помощью системы автоматического регулирования (САР). Для этого представим структурную схему нашей САР производительностью вентиляторной установки (ВУ), составленную в математическом пакете MATLAB, рисунок 1.

Рисунок 1 – структурная схема системы автоматического регулирования (САР) производительностью вентиляторной установки На структурной схеме представлены:Wпид(р) – передаточная функция ПИДрегулятора; Wэдв(р) – передаточная функция электромагнитной составляющей двигателя;Wмдв(р) – передаточная функция механической составляющей двигателя; Wред(р) – передаточная функция редуктора; Wву(р) – передаточная функция вентиляторной установки; Wдп(р) – передаточная функция датчика производительности. САР вентиляторной установки действует следующим образом: напряжение Uф, соответствующее фактической производительности вентилятора сравнивается с уставкой Uз, и разность этих напряжений является заданием для регулятора. Затем ПИД-регулятор вырабатывает сигнал управления и воздействует на двигатель направляющего аппарата лопаток вентиляторной установки. Применение ПИД-регулятора позволяет регулировать производительность за счет воздействия на двигатель направляющего аппарата вентилятора. 69

В качестве привода для поворота лопаток направляющего вентилятора рассмотрен асинхронный двигатель типа 4А100L3У3. Передаточная функция двигателя делится на две составляющие: 1. Передаточная функция электромагнитной составляющей двигателя. 𝐾дв

𝑊эдв(𝑝) =

𝑇э∙𝑝+1

0,008∙𝑝+1

;

где Кдв – коэффициент передачи двигателя,Кдв=3; Тэ – постоянная времени электромагнитной составляющей двигателя, Тэ=0,008с; Тогда 𝑊эдв(𝑝) =

Тэ =

𝐿2 `` 𝑅2 `

0,008∙𝑝+1

;

L2`` - эквивалентная приведенная индуктивность обмотки ротора. L2``=0,000637Гн. R2` - приведенное активное сопротивление ротора. R2`=0,079Ом Тогда Тэ=0,008с. 2. Передаточная функция механической составляющей двигателя.

𝑊мдв(𝑝) =

Тм∙р+1

;

0,0586∙р+1

где Тм– постоянная времени механической составляющей двигателя, Тм=0,0586с. Тогда 𝑊мдв(𝑝) =

Тм =

𝐽Ω0

0,0586∙р+1

Мп.ф.

;

J – момент инерции двигателя. 𝐽 = 0,1кг ∙ м2 ; рад Ω0 – синхронная угловая скорость двигателя.Ω0 = 149,73 с ; Mп.ф. – фиктивное значение пускового момента. Мп. ф. = 255Н ∙ м; Передаточная функция вентиляторной установки имеет вид:

𝑊ву(р) =

Кву

Тву∙р+1

где Кву – коэффициент вентиляторной установки Кву=30; Тву – постоянная времени вентиляторной установки, Тву=0,384с;

Тву =

𝐿𝑎 ∙ 𝑙 ; 𝑅 ∙ 𝑄в + 𝑅в

La=2461,12нс2/м5– акустическая масса участка выработки; l=800м – длина участка выработки; R=56,4∙103 нс2/м5 – аэродинамическое сопротивление сети; Qв=90м3/с – производительность вентилятора; Rв=56,4∙103нс2/м5 – внутреннее сопротивление вентилятора. Передаточную функцию редуктора при моделировании мы сымитировали с помощью блока ограничения скорости изменения сигнала “RateLimiter”, в котором задали уровень ограничения скорости при увеличении сигнала в 20с. Передаточная функция датчика производительности имеет вид:

𝑊дп(р) = 70

Тдп∙р+1

;

где Тдп=0,001с – постоянная времени датчика производительности. Передаточная функция ПИД-регулятора имеет вид:

𝑊пид(р) =

𝛽(Ти∙р+1)(Тд∙р+1) Ти∙р

Задавшись автоматическими настройками ПИД-регулятора мы получили следующие значения постоянных времени: Тд=0 – постоянная времени дифференцирующей составляющей регулятора; Ти=0,0102с – постоянная времени интегрирующей составляющей регулятора. Результаты моделирования показаны в графике переходного процесса, на рисунке 2.

Рисунок 2 – Переходный процесс системы автоматического регулирования (САР) производительности вентиляторной установки. По полученному переходному процессу получаем следующие данные: величина перерегулирования составляет не более 9%, а время переходного процесса составляет 12 секунд.По этим данным можно сказать, что наша САР является эффективной для достижения наилучших показателей производительности вентиляторной установки. Список ссылок 1. Черных И.В.. «Simulink: Инструмент моделирования динамических систем». www.exponenta.ru 2. Братченко Б.Ф., «Стационарные установки шахт». – М., «Недра», 1977. – 440с. 3. Батицкий В. А. «АСУ ТП в горной промышленности». Москва, «Недра», 1991.

УДК 622.457 РЕГУЛИРОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ МЕТАНА В ШАХТНОЙ АТМОСФЕРЕ Кузнецов Р.Е., студент; Ешан Р.В., ассистент (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Современное горное предприятие немыслимо без принудительной вентиляции. Прекращение проветривания влечет за собой остановку всего технологического комплекса шахты или рудника, к выводу людей на поверхность, прекращению работы всех машин и механизмов. От надежной, безотказной работы системы проветривания полностью зависит безопасность, а зачастую и жизнь людей, работающих в шахте. С ростом глубины разработки, мощности и количество электрооборудования в шахте возникает опасность возникновения аварийных ситуаций. Анализ аварийности на предприятиях угольной промышленности показывает, что предотвращение или спасение горнорабочих во время аварийной ситуации во многом зависит от возможности регулирования вентиляционного режима. В аварийной обстановке чрезвычайно важно не только быстро и правильно выбрать оптимальный режим проветривания выработок, но и оперативно осуществить его. Управление проветриванием выработок производится с помощью имеющихся в шахте вентиляционных сооружений.[1] Одна из наиболее распространенных аварийных ситуаций это внезапный выброс метана. Для решения этой проблемы рекомендуется применять в выработках, примыкающих к газонасыщенным выработанным пространствам или расположенных за последними способ борьбы путем повышения вентиляционного давления. Увеличение давление воздуха на аварийном участке возможно путем оперативного управления проветриванием, за счет перераспределения воздуха в выработках аварийного участка. Искусственное перераспределение воздуха осуществляется с помощью вентиляционных сооружения, которые изменяют аэродинамическое сопротивление выработки. Регулятор расхода воздуха (РРВ) является основным средством оперативного управления воздухораспределением в широком диапазоне регулирования. Он должен обеспечивать поддержание расхода воздуха в выработках на заданном уровне при изменениях аэродинамического сопротивления шахтной вентиляционной сети (ШВС) или режима работы вентилятора главного проветривания (ГВП), обеспечение распределения воздуха по выработкам ШВС, пропуск транспортных средств, проход людей. Данное устройство размещают в вентиляционных перемычках, а так же воздуховодах. Основная задача рассматриваемой системы – обеспечить требуемые правилами безопасности режимы проветривания выемочных участков в условиях высокой интенсивности угледобычи. Режимы характеризуются величинами расхода воздуха Q и концентрацией метана C (%) в заданных пунктах схемы проветривания (исходящая струя лавы, участка и др.). В установившихся режимах параметры Q и C связаны формулой

С=

𝑄м

𝑄м+𝑄

∗ 100,

где Qм – суммарный дебит метана, поступающего в вентиляционную струю до пункта контроля. Поскольку поддержание заданного режима проветривания представляет собой целенаправленное изменение Q и С, эти параметры являются взаимосвязанными регулируемыми величинами схем проветривания выемочных участков. Управляющим воздействиями, изменяющими величину Q в заданных пунктах схемы проветривания участка, могут быть депрессия участка, депрессия подсвежающих выработок и регулируемые аэродинамические сопротивления, устанавливаемые в выработках схемы. Возмущающими воздействиями, влияющими на величину С, являются источники газовыделения, расположенные в зоне действия воздушной струи с расходом Q до пункта 72

измерения. Непостоянство дебитов источников газовыделения приводит к изменениям концентрации С. Поддержание С на заданном уровне обеспечивается регулированием расхода воздуха Q, который по отношению к концентрации может рассматриваться как управляющее воздействие. На рисунке 1 А) изображен регулятор общий вид, на рисунке 1 Б) В) Г) регулятор в закрытом, открытом и промежуточном положениях.

Регулятор состоит из привода 1, соединенного с верхней частью вала 2, снабженного звездочками 8, неподвижных цапф 4, пластинчатых цепей 5,концы которых присоединены шарнирно к срединам шарниров 6, объединяющих звенья 7 в штору в форме шарнирного четырехзвенника переменного объема. На верхних концах шарниров 6 установлены ролики 8, которые входят в направляющие 9, жестко прикрепленные к раме 10, которая содержит уплотнение 11. Актуальной проблемой есть создание новых автоматизированных систем регулирующих расход воздуха в вентиляционных выработках, обеспечивающих широкий диапазон и глубину регулирования, а так же уменьшающих количество технических средств для регулирования (двери, ляды, кроссинги, перемычки и т.д.). Автоматизированное устройство является ответственным сооружением, которое должно обеспечивать определенный порядок операций, выполнение различных блокировок, сигнализаций, дистанционного и местного управления. Эти функции должны обеспечиваться аппаратурой управления

Структурная схема регулятора расхода воздуха изображена на рисунке 2 .

На рисунке 2 приняты следующие обозначения: ДП – датчики концевых положений вентиляционной двери; ДСВ – датчик скорости воздуха; ДПД – датчик положения вентиляционной двери; БСЗ – блок согласования и защиты; МК – микроконтроллер; ПМУ – пульт местного управления; БВКУ – блок вывода команд управления; ПВИ – пускатель электропривода вентиляционной двери; БПД – блок передачи данных; БП – блок питания; ИП – источник питания; ЭВМ АСУ ТП – автоматизированная система управления процессом проветривания. Уравнение изменение концентрации метана в лаве может быть представлено в таком виде: 𝑑𝐶л 𝑑𝑡

= 𝑉л−1 ∗ 𝑄м.л. − 𝑉л−1 ∗ 𝐾д ∗ 𝑄 ∗ 𝐶л ,,

где Qмл,Сл – векторы дебитов и концентраций метана в лавах, Кд – коэффициент доставки, Q – расход воздуха в лаве [2]. Была разработана математическая модель изменения выделения метана в лаве. На ее основе производился расчет концентрации метана. Во время работы комбайна в промежутки с [0;500] и [1200;2000] ,метан превышает допустимые нормы концентрации в 1% в лаве, поэтому необходимо оптимизация системы управления. График изменения концентрации метана изображен на рисунке 3.

При использовании регулятора расхода воздуха, оперативно реагирующего на необходимость изменения скорости воздуха подаваемого в лаву, за счет регулирования аэродинамического сопротивления воздушного окна, путем изменения положения вентиляционной двери. Полученная диаграмма изменения концентрации метана во времени при регулировании расхода воздуха представлена на рисунке 4

Как видно из второго графика, при увеличении скорости воздуха в выработке, во время работы комбайна, концентрация метана будет оставаться в допустимых нормах. Перспективами развития данного объекта является разработка алгоритмов управления при аварийных ситуациях связанных с пожарной опасностью, так как при данных авариях, необходимо не допустить распространение метана в зонах с пожаром. Перечень ссылок 1. Аварийные вентиляционные режимы в угольных шахтах. –М.: Недра, 1992. – 206 с. Болбат И.Е., Лебедев В.И., Трофимов В.А. 2. Моделирование динамических процессов рудничной аэрологии. Абрамов Ф.А., Фельдман Л.П., Святный В.А. – Киев: Наук. Думка, 1981. – 284 с. 75

УДК 621.316 ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ МИКРОСЕТЕЙ ИЛИ ВИРТУАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ В ДОНБАССЕ Кузнецов П. А. студент; Соленый С. В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Электроэнергетика является составляющей частью энергетического комплекса Украины. Она влияет не только на развитие народного хозяйства, но и на территориальную организацию производственных сил. Строительство мощных линий электропередач дает возможность осваивать топливные ресурсы независимо от отдаленности районов потребления. Достаточное количество электроэнергии притягивает к себе предприятия и производства, в которых доля топливно-энергетических затрат в себестоимости готовой продукции значительно больше по сравнению с традиционными отраслями промышленности. Электроэнергетика имеет большое значение для специализации районов. В ряде районов Украины (Донбасс, Приднепровье) она определяет их производственную специализацию, является основой формирования территориально-производственных комплексов. Электроэнергетика – капиталоемкая составляющая топливно-энергетического комплекса какой-либо страны, его базовая отрасль. Ей отводится ведущая роль в развитии научно-технического прогресса. В развитии и размещении электроэнергетики в Украине определяющими являются такие принципы: концентрация производства электроэнергии вследствие строительства больших районных электростанций, которые используют дешевое топливо и гидроэнергоресурсы; комбинирование производства электроэнергии и тепла с целью теплоснабжения городов и индустриальных центров; широкое освоение гидроэнергоресурсов с учетом комплексного решения задач электроэнергетики, транспорта, водоснабжения, ирригации и рыбной промышленности; опережающее развитие атомной энергетики, особенно в районах с напряженным топливно-энергетическим балансом. Размещение электроэнергетики зависит в основном от двух факторов: наличия топливно-энергетических ресурсов и потребителей электроэнергии. Сейчас почти треть электроэнергии производится в районах потребления и больше 2/3 потребляется в районах ее производства. Пока что место строительства ДРЕС выбирают на основании сравнения экономических показателей транспортировки топлива и электроэнергии с учетом экологической обстановки. Технический прогресс может резко изменить географию электростанций. Если ученые создадут высокоэффективные методы транспортировки электроэнергии на большие расстояния, то строительство ДРЕС буде происходить в большинстве случаев в восточных районах Украины. Электроэнергия производится по большей части за счет не возобновляемых источников – угля, нефти, природного газа. Возобновляемым источником энергии является гидроэнергетика. Все электростанции Украины разделяют на четыре вида. В основу разделения входит используемый ресурс: - тепловые электростанции, которые работают на твердом, жидком и газообразном топливе. Их разделяют на конденсатные и теплоэлектроцентрали; - гидравлические, которые используют соответствующие гидроресурсы и разделяются на гидроэлектростанции, гидростимулирующие и приливные; - атомные, которые используют обогащенный уран или другие радиоактивные элементы; - электростанции, которые используют нетрадиционные источники энергии. На рис. 1 приведена диаграмма мощностей электростанций Украины: 1 – ТЭС; 2 – АЭС; 3 – ГЭС. 76

Рисунок 1 - Диаграмма мощностей электростанций Украины Однако, большинство элементов электросети сейчас нуждается в капитальном ремонте. «Если дальше медлить с модернизацией, то в ближайшем будущем уже некуда будет инвестировать». «Учитывая состояние сетей и оборудования, мы просто обязаны инвестировать в отрасль». «Износ электросетей Украины составляет более 50%» [2]. Однако, наши энергосети нуждаются не в простой реконструкции, а в изменении принципа учета, распределения и производства энергии, в интеграции систем и элементов концепции Smart Grid. В настоящее время украинские электросети, создававшиеся по радиальному принципу (питание энергией потребителей от одного крупного источника) уже испытывают ряд серьезных проблем в связи с нехваткой вырабатываемой электроэнергии. Частые отключения, падение напряжения в сети, ухудшение качества электроэнергии – все это является поводом для реорганизации электросети. Анализ работ [1, 3, 4] позволил сформировать следующую концепцию – вместе с реконструкцией существующих крупных электростанций необходимо интегрировать в систему электроснабжения мелкие «виртуальные» электростанции или так называемые микросети. Виртуальная электростанция – это структура, состоящая из объектов распределенной генерации, потребителей и систем аккумулирования энергии. Виртуальные электростанции – часть технологии умных электросетей, идея которых состоит в объединении всех производителей и потребителей энергии с помощью информационной сети [3, 4]. Как и централизованные электросети виртуальные электростанции, могут генерировать, распределять и вырабатывать электроэнергию для нужд потребителей. Отличие «умных» или smart микросетей состоит в том, что они обладают более высоким уровнем гибкости, позволяют подключать в свою структуру широкий диапазон генераторов, таких как возобновляемые источники энергии ВИЭ и компактные когенерационные станции, производящие электроэнергию путем переработки бытовых отходов или отходов (побочных продуктов) промышленности [3, 4]. Внедрение компактных когенерационных модулей особенно целесообразно в нашем регионе из-за наличия большого количества метана, получаемого при добыче каменного угля, который на данный момент практически не утилизируется, коксовых газов и отходов химической промышленности. Утилизация этих веществ поможет не только увеличить количество производимой электроэнергии, но и улучшит экологическое состояние в регионе. С экономической точки зрения это целесообразно уменьшением платежей по квотам, выделяемым согласно Киотскому протоколу. Пример реализуемой сети представлен на рис. 2. 77

Место соединения с вышестоящей системой

Система когенерации

Ячейки аккумуляции и хранения энергии

Центральный узел управления Умные дома Заправка электромобилей Солнечная электростанция ТЭС Ветровые станции

Рисунок 2 – Пример реализации микросети Функционировать микросеть может следующим образом. Центральный компьютер, ответственный за «умные функции» будет соединен с терминалом действующей более крупной электросети. Внутри он будет производить контрольно-учетные операции между потребителями, когенерационными станциями, аккумуляторными устройствами, ВИЭ и электромобилями. Выработанная микросетью электроэнергия может быть использована потребителем целиком, накоплена на случай пикового использования или отдана в сеть с целью получения прибыли. Мониторинг и информационный обмен будет обеспечиваться в режиме реального времени, что позволит мгновенно отрабатывать все поставки. Преимуществом внедрения микросетей является то, что они позволят эффективно внедрять в общую энергосистему компактные и альтернативные источники электроэнергии. Децентрализация потребителей так же благоприятно повлияет на общую техническую картину. Автономные энергетические образования помогут снизить нагрузку. Известно, что КПД одного большого источника энергии всегда больше, чем суммарный КПД нескольких малых. Однако, с использованием цифровых контроллеров и средств мониторинга эти две цифры становятся примерно равными. А использование нескольких малых источников исключает необходимость строительства длинных магистралей для передачи электроэнергии, что значительно повысит КПД всего процесса производства и транспортировки энергии. Являясь автономными или подключенными к национальной энергетической сети, не производящими вредных выбросов, микросети могут быть размещены в непосредственной близости от потребителей или населенных пунктов. Это будет снижать потери в линиях от передачи энергии по проводам, повышая КПД с 43-40 до 80% . Внедрение когенерационных установок в микросетях позволит использовать выработанное тепло для обогрева зданий или дальнейшей его переработке в электрическую 78

энергию. Донбасс является в этом плане перспективным регионом из-за наличия большого числа шахт и заводов. Особенностью добычи угля с большой глубины (800-1600 м) является большая температура и огромная (до 70 км) протяженность шахтных выработок. Ежегодно в Донбассе из шахт откачивается и сбрасывается в гидрографическую сеть почти 900 млн м3 т воды, 50% которой по своему химическому составу нейтральны. Их температура в точке сброса составляет 15-25 0С [5]. Эту воду можно использовать для обогрева зданий и технических нужд, уменьшая расход энергии и не возобновляемого топлива. В перерасчете ежегодно в атмосферу выбрасывается около 15 ГДж низкопотенциальной теплоты. Эту энергию возможно использовать для обогрева шахтных стволов и бытовых помещений в зимнее время. На сегодняшний день внедрение микросетей с когенерационными установками в Донбассе целесообразно из-за наличия огромного количества не утилизируемого метана, который может быть переработан в электроэнергию, выбрасываемого в атмосферу как побочный продукт добычи каменного угля. В списке основных преимуществ можно выделить следующее: - качество производимой электроэнергии будет улучшено применением новых технологий. Пользователь сам сможет делать выбор по качеству закупаемой электроэнергии; - двусторонний обмен потоком электроэнергии. Излишки произведенного электричества смогут отдаваться в сеть; - самодиагностика оборудования и его работа не «на износ» до поломки, а «на предупреждение» и выдача возможных вариантов решения проблемы; - улучшение состояния окружающей среды за счет утилизации отходов производства и использования ВИЭ; - использование накопителей для резервирования энергии из ВИЭ. Положительный опыт эксплуатации когенерацинных станций предприятий «Шахта им. А. Ф. Засядько», Шахтного управления «Покровская глубокая» показывает, что утилизация метана для совместного производства тепла и энергии приносит огромную прибыль не только предприятию, но и оказывает положительный эффект на природу близлежащих населенных пунктов. Опрос жителей частных секторов г. Донецка, выполненный в рамках исследования: хутор «Широкий»; коттеджный городок «Хорошово»; частные сектора Калининского и Щегловского районов показал, что жители заинтересованы во внедрении виртуальных электростанций и микросетей, а также не выражают опасений по поводу их размещения вблизи населенных пунктов. Перечень ссылок 1. Д. Толмачев «Роль и перспектива отдельных энергоносителей в энергетики Украины» // «Экономист» №7-8, 2000 г. стр. 38. 2. Официальный портал о системе Smart Grid http://smartgrid.ru [Электронный источник]. Главная/ Схема http://smartgrid.ru/schemes. 3. Кузнецов П. А., Борщевский С. В. Материалы 9-ой международной научнотехнической конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики», «Использование когенерационных станций на загазованных шахтах Донбасса», Минск, 2013. 4. Б. Б. Кобец, ,И. О. Волкова «Инновационное развитие электроэнергетике на базе концепции Smart Grid». – М.: ИАЦ Энергия, 2010. – 208 с. 5. Матлак Е. С., Рудакова Ю. Ю., Жилин М. В. «Когенерация нетрадиционных (альтернативных) тепловых ресурсов горного производства». Вісті Донецького гірничого інституту. Науково-технічний журнал гірничого профілю. Випуск 1, 2009; стр. 218.

УДК 622:621.316 МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕЖДУФАЗНОГО ДУГОВОГО ЗАМЫКАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЗАЩИТЫ Курбанова В.С., студент; Маренич К.Н., проф., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Одним из факторов пожароопасности при эксплуатации промышленных электротехнических комплексов являются междуфазные дуговые замыкания. Их основной причиной являются повышение междуфазной проводимости вследствие ухудшения изоляции, влияния сырости, запыления. Кроме этого, одной из причин междуфазного дугообразования является междуфазный дуговой пробой при малых расстояниях между проводниками разных фаз [1]. Особенность процесса заключается в том, что ток в цепи дугового замыкания, будучи достаточным для воспламенения изоляции, оказывается меньшим тока короткого замыкания в связи с токоограничивающим действием электрической дуги. Поэтому максимальные токовые защиты не способны реагировать на данный аварийный процесс, что требует создания специальных защит. Учитывая, что асинхронный двигатель является активной, электрогенерирующей машиной, практическую актуальность представляет задача выявления дугового замыкания техническими средствами со стороны АД и отключение его энергетического потока. С этой целью научный и практический интерес представляет исследование данного процесса с учетом стохастического изменения проводимости электрической дуги. Рассмотрим цепь шахтной электрической сети, которая состоит из питающего трансформатора Т, асинхронного двигателя АД и гибкого соединительного кабеля (рис.1) . Предлагается схема защиты от дуговых замыканий, принцип действия которой основан на анализе информационного сигнала по переменной составляющей выпрямленного напряжения созданного вторичным током на нагрузке выпрямителя. Т.о., сниматься информационный сигнал будет в точках А и В обозначенных на рис. 1.

Рисунок 1 – Принципиальная схема исследуемой цепи Возникновение и протекание дуговых замыканий характеризуется асимметрией токов и напряжений, следовательно ожидается что в измеряемых цепях амплитуда переменной составляющей напряжения будет возрастать. Для детального исследования данного процесса можно использовать программный пакет Electronics Workbench. Однако, проблемным остается вопрос отсутствия имитатора тока. Данное техническое противоречие предложено реализовать схемой (рис.2.), корда дугу представляют в виде активного сопротивления.

Рисунок 2 – Схема программной реализации предложенной модели В результате проведенного исследования согласно предложенной модели, был получен информационный сигнал определенной формы. Ему соответствует участок t0-t1 на осциллографе (рис.4). Исходя из полученной модели участка электрической цепи в шахтной сети, произведем моделирование возникновения междуфазного КЗ фазе С сети (рис. 3, А), а также стохастического изменения состояния фазы С (рис. 3, Б) .

Рисунок 3 – Схемы реализации предложенных моделей. А- модель междуфазного КЗ в исследуемой цепи; Б - моделирование стохастического состояния одной из фаз сети. На рис. 4 изображено изменение информационного параметра на выходе схемы в момент переключения ключа ТD (рис.3, А). Из осциллограммы видно, что в точке t1 наблюдается резкий скачок напряжения в момент возникновения асимметрии напряжений в трехфазной сети.

Рисунок 4. – Изменение информационного параметра Но в точности дуга представляет собой совокупность стохастически изменяющихся состояний (воспламенение, обрыв цепи, закорачивание, наличие малого активного сопротивления). Их моделирование возможно провести с помощью схемы приведенной на рис.3, Б. В результате на выходе данной схемы информационный сигнал имеет форму отличную от первоначальной модели, а в момент переключения ключа ТD (рис.3) наблюдается быстрый рост напряжения на выходе схемы (рис. 5) .

Рисунок 5 – Изменение информационного параметра В результате выполненной работы, построенных моделей и полученных данных, можно сделать взвод о приемлемости использованных схем для выявления междуфазных дуговых замыкании техническими средствами функционирующими со стороны статора двигателя. Перечень ссылок 1. Жуков В.В. Короткие замыкания в электроустановках напряжением до 1 кВ. М.2004. — 192 c.

УДК 622.012:621.316 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО ТОКООГРАНИЧЕНИЯ РУДНИЧНОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА Леухин С.Г., студент; Ковалёва И.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Междуфазное короткое замыкание (к.з.) является одним из наиболее опасных аварийных состояний шахтной электросети, которое может привести не только к перегреву и повреждению элементов электрооборудования, но и вызвать пожар или взрыв метановоздушной смеси. Поэтому борьба с короткими замыканиями, причинами их возникновения, а также поиск путей повышения надежности электроснабжения является актуальной задачей. Рост энерговооруженности машин и механизмов технологических установок электрооборудования со сниженными электрическими обусловливает применение

сопротивлениями силовых цепей (трансформаторные подстанции и асинхронные двигатели повышенной мощности; магистральные и гибкие кабели повышенного сечения), перевод электросети на более высокие уровни номинального напряжения. Это в еще большей степени способствует увеличению токов короткого замыкания в силовых цепях электротехнических комплексов технологических участков.

В связи с этим, практическую актуальность представляет разработка устройства автоматического ограничения тока короткого замыкания в кабельных линиях очистных и подготовительных забоев, где велика вероятность их частого повреждения. Кроме того, уменьшение тока короткого замыкания приводит к возможности создания кабелей, обеспечивающих пожаро- и взрывобезопасность их эксплуатации. До настоящего времени задача ограничения тока короткого замыкания в шахтных низковольтных электросетях не решена, поскольку возможность применения существующих средств (токоограничивающих реакторов) ограничивается их значительными габаритами и резким снижением качества напряжения (падение напряжения превышает 10%), что затрудняет пуск электродвигателей. Поэтому практический интерес представляет устройство, схема которого приведена на рис. 1. Устройство содержит управляемый реактор (в блоке ограничения тока БОТ), подключенный в фазы сети между источником питания и защищаемым присоединением. В нормальном режиме эксплуатации через включенные встречно рабочие обмотки L1; L2; L3 и обмотки управления L4; L5; L6 фаз реактора протекает номинальный ток линии. В этом случае, поскольку рабочие обмотки и обмотки управления является геометрически совместимыми в пространстве и охватывают определенное сечение магнитной цепи, их магнитные потоки будут полностью скомпенсированы, а величина индуктивного сопротивления реактора будет близка к нулю. Падение напряжения на реакторе будет определяться, главным образом, незначительной величиной активного сопротивления обмоток. В случае возникновения короткого замыкания в контролируемой линии исчезают управляющие сигналы с выходов блока контроля тока БКТ: напряжение в месте короткого замыкания стремится к нулю – сигнал от трансформатора через выпрямители Z1 – Z3 перестает поступать на управляющие электроды симисторов VS1 – VS3 (полупроводниковые ключи), и отключаются обмотки управления L4; L5; L6. При этом имеет место быстрая разкомпенсация магнитных потоков обмоток. Магнитные потоки рабочих фазных обмоток L1; L2; L3 существенно увеличиваются и этим повышается их индуктивное сопротивление. Применение управляемого реактора позволяет в автоматическом режиме скачкообразно повысить сопротивление фаз электрического присоединения с коротким замыканием и этим уменьшить ток в этом присоединении до величины, соразмерной с рабочим током. Ограничение тока короткого замыкания осуществляется с незначительной задержкой, обусловленной временем отключения симисторов. 83

Рисунок 1 – Схема средств автоматического ограничения тока короткого замыкания Быстродействие защиты позволяет выполнить токоограничивающее влияние даже на ударный ток короткого замыкания, который возникает не позднее 2 - го периода частоты сети после момента возникновения короткого замыкания. Эффективность предложенного принципа автоматического ограничения тока короткого замыкания может быть доказана на основании компьютерного моделирования низковольтного электротехнического комплекса участка шахты в состоянии короткого замыкания с учетом действия предлагаемого устройства. Для моделирования принят электротехнический комплекс, состоящий из следующих элементов: питающая трансформаторная подстанция типа ТПВП-630; магистральный кабель типа ЭВТ 3×95 длиной 30 м; гибкий кабель типа КГЕШ 3×70 длиной 300 м. Величина линейного напряжения, принятого на участке – 1140 В, короткое замыкание произошло в середине гибкого кабеля. В результате выполненных исследований компьютерной модели получены соответствующие зависимости изменения тока в месте повреждения (рис. 2, рис. 3). Продолжительность аварийного режима короткого замыкания в случае отсутствия предлагаемого устройства токоограничения (рис. 2) определяется временем срабатывания максимальной токовой защиты и коммутационной аппаратуры (в соответствии с нормативными документами – 0,2 с).

На рис. 3 представлена осциллограмма тока трехфазного короткого замыкания в этой же линии, но с учетом действия устройства автоматического ограничения тока короткого замыкания. В данном случае время действия опасного тока сведено к минимально возможному значению, при котором можно практически исключить возможность воспламенения метано-воздушной смеси, возникновения пожара, а также значительно увеличить ресурс коммутационной аппаратуры в связи с облегчением отключения напряжения питания в режиме короткого замыкания.

1 0 Рисунок 2 - Осциллограмма трехфазногок.з. к.з (показан (показан ток фазе) Рисунок 2 – Осциллограмма токатока трехфазного токв одной в одной фазе)

Рисунок 3 - Осциллограмма тока трехфазного короткого замыкания, с учетом действия устройства автоматического ограничения тока к.з.

Предлагаемое устройство работает в автоматическом режиме и обладает высоким быстродействием, поскольку реагирует на факт возникновения аварийного режима короткого замыкания, а не на величину тока, что позволяет не допустить развития ударного тока короткого замыкания и устранить влияние на элементы электрооборудования и кабельную сеть электродинамических перегрузок. После срабатывания устройства, выполнения защитного ограничения тока короткого замыкания и снятия питающего напряжения происходит самовосстановление в исходное состояние без дополнительных управляющих сигналов и коммутаций, что обеспечивает высокую функциональную надежность устройства. Работа устройства не влияет на параметры электроснабжения и характеризуется отсутствием потерь напряжения в пусковых и установившихся режимах. Сравнительно небольшие габариты и универсальность применения в сравнении с существующими реакторами позволяют внедрить предлагаемое устройство автоматического ограничения тока короткого замыкания в сетях подземного электроснабжения напряжением 660 В и 1140 В. Таким образом, обоснована актуальность анализа процессов в электротехническом комплексе технологического участка шахты в случае возникновения аварийного состояния междуфазного короткого замыкания с целью обоснования устройства автоматического ограничения тока короткого замыкания и разработан вариант технической реализации такого устройства. Предложенная компьютерная модель электротехнического комплекса технологического участка шахты в состоянии короткого замыкания в гибком кабеле питания асинхронного двигателя позволила установить характер изменения величины силы тока короткого замыкания с учетом работы предлагаемого устройства автоматического токоограничения и без. Анализ полученных диаграмм изменения величины силы тока короткого замыкания в сети с управляемыми токоограничивающими реакторами в фазах подтверждает их эффективность, а внедрение предлагаемого устройства создает условия для безопасного применения электроэнергии в шахтах, опасных по газу и пыли. Перечень ссылок 1. Справочник энергетика угольной шахты / [Дзюбан В.С., Ширнин И.Г., Ванеев Б.Н., Гостищев В.М.]; под общ. ред. Ванеева Б.Н. – [2-е изд.] – Донецк, ООО «Юго-Восток Ltd.», 2001 – Т2, - С. 404-418. 2. Маренич К.Н. Моделирование процесса короткого замыкания в низковольтном электротехническом комплексе участка шахты с учетом влияния электропотребителя / К.Н.Маренич, И.В. Ковалева // Научные труды ДонНТУ, серия электротехника и энергетика. - Донецк: ДонНТУ, 2007. - Вып. 7 (128). - С.146 -149 . 3. Муравьев В.П. Расчет электрических сетей угольных предприятий / В.П. Муравьев. – М.: изд- во «Надра», 1975. - с. 184. 4. Авт. свид. 913516 СССР, МПК Н02Н9/02 Токоограничивающее устройство / В.А.Машкин, Л.С. Беспалов, В.Г. Савельев. (СССР) - №3000759/24-07. Заявл. 25.07.1980. Опубл. 15.03.1982. Бюл. №10. 5. Перехідні процеси в системах електропостачання: підручник для вузів. / [Г.Г Півняк, В.М.Винославський, А.Я. Рибалко, Л.І. Несен]; під ред. Г.Г. Півняка. – [2-е вид., доправ. та доп.]. – Дніпропетровськ: НГУ, 2002. – 579 с.

УДК 621.3 ПРИСТРОЇ ПЛАВНОГО ПУСКУ ШАХТНИХ КОНВЕЄРІВ Лопашов Є.М. магістрант; Рак О.М., доц., к.т.н.; Зінов’єв С.М., доц., к.т.н. (Красноармійський індустріальний інститут ДВНЗ «Донецький національний університет», м. Красноармійськ, Україна)

технічний

Переважна більшість гірничих машин вугільних шахт працюють у важких високо навантажених режимах і оснащені при цьому нерегульованими електроприводами на основі вибухозахищених асинхронних електродвигунів. Це обумовлює підвищений знос їх елементів з причини високих динамічних навантажень, ривків, великих пускових струмів, що виникають в основному в початковий момент при пуску. Крім того, швидкий розгін машин найчастіше є причиною підвищеного травматизму обслуговуючого персоналу. Особливо гостро стоїть ця проблема при управлінні як скребковими конвеєрами, так і стрічковими, у яких прямий пуск є причиною пориву ланцюга або дорогої стрічки, а відповідно - простою і втрати видобутку вугілля. Застосовувані методи зниження динамічних навантажень за допомогою турбомуфт, електромагнітних муфт і двошвидкісних електродвигунів мають ряд відомих недоліків і не забезпечують повною мірою надійний та ефективний захист машин, оскільки: - прямий пуск з турбомуфтою характеризується низькою надійністю і високою трудомісткістю обслуговування, і при цьому не вирішується проблема динамічних ударів в конвеєрному ставі і великих механічних навантажень на стрічку; - пуск асинхронного двигуна при переході з однієї швидкості на іншу за схемою «зіркатрикутник» або з перемиканням його незалежних обмоток статора викликає великі піки пускових струму і моменту при перемиканнях, з причини чого виникають механічні перевантаження, які часто призводять до пошкоджень обладнання. Найбільш ефективним способом пуску і управління приводами, виключає перераховані вище недоліки, є застосування перетворювачів частоти. Однак висока вартість і складність обслуговування, а також проблеми охолодження перешкоджають їх широкому поширенню в умовах шахт. Вибухозахищені пристрої плавного пуску конвеєрів випускаються рядом зарубіжних і вітчизняних фірм про недоліки і переваги яких більше досконало можна ознайомитись в [1]. В УкрНДІВЕ створений вибухозахищений комплектний пристрій плавного пуску типу КУВПП-250УХЛ5, призначений для плавного пуску трифазних асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором, що використовуються в приводі стрічкових конвеєрів та інших гірничих машин у вугільних шахтах, небезпечних по газу або вугільному пилу [2-4]. В основу роботи пристрою плавного пуску покладений принцип живлення трифазного асинхронного двигуна шляхом поступового збільшення напруги при пуску, що забезпечується тиристорним перемикачем (ТП), який складається з шести тиристорів увімкнених по два зустрічно-паралельно в кожній фазі мережі живлення. На рис. 1 показаний принцип регулювання кута відкривання тиристорів. Тиристорний перемикач дозволяє плавно змінювати напругу при постійній частоті мережі за рахунок моменту відкривання тиристора. Управління швидкістю наростання вихідної напруги забезпечується мікропроцесорним блоком управління (МБУ). Пусковий момент двигуна змінюється пропорційно квадрату напруги при фіксованій частоті. Плавне збільшення напруги виключає кидок струму в момент вмикання, при цьому також виключається механічний удар в системі двигун-редуктор гірничої машини. Структурна схема пристрою приведена на рис. 2. У програму мікропроцесора МБУ закладена функція контролю струму навантаження. Ця функція виконує захист від переривання фази, захист від перевантаження двигуна і

підтримує кратність обмеження пускового струму по відношенню до номінального, що задається користувачем за допомогою перемикачів. U

Рисунок 1 – Принцип регулювання струму при пуску електродвигуна

Рисунок 2 – Структурна схема пристрою плавного пуску: ДТ - датчик струму; БКЗ - блок комплексної захисту; МБУ - мікропроцесорний блок управління; ТП - тиристорний перемикач;КМ - контактор вакуумний; М - асинхронний двигун Алгоритм роботи МБУ побудований таким чином, щоб при виконанні команди «ПУСК» забезпечити бездугову комутацію контакторів, тобто вмикається КМ2, відкриваються тиристори, вмикається КМ1, закриваються тиристори, відключається КМ2. При виконанні команди «СТОП» вмикається КМ2, відкриваються тиристори, відключається КМ1, закриваються тиристори, відключається КМ2.

Використані при розробці пристрою схемні і конструктивні рішення дозволили розмістити його у вибухонепроникній оболонці пускача ПВР-Р, яка серійно виготовляється. Пристрій плавного пуску (рис.3) має один транзитний вхід, три введення для підключення силових кабелів і чотири введення для підключення гнучких кабелів. Вводи для підключення силових кабелів розраховані на підключення як гнучких, так і броньованих кабелів з можливістю виконання сухої обробки.

Рисунок 3 – Загальний вигляд комплектного пристрою плавного пуску КУВПП-250М У корпусі пристрою розташовані роз'єднувач, панель з двома контакторами на струм 250 і 160 А відповідно, два датчика струму типу ДТ-3, трансформатор напруги, два блоки форсованого включення контакторів (БФВ) і вивідні ізолятори. Розроблений вибухозахищений пристрій плавного пуску асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором надійно забезпечує зниження пускових струмів і динамічних ударів і може застосовуватися для керування стрічковими конвеєрами, насосами, вентиляторами, канатно-крісельними дорогами, компресорами та іншими машинами. Застосування пристроїв дозволить продовжити термін служби як самого електродвигуна, так і гірничої машини. Перелік посилань 1. Ставицкий В.Н., Маренич К.Н. Полупроводниковый преобразователь для автоматизированного электропривода горной машины. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск 58. – Донецьк: ДонНТУ, 2003. – с. 122 – 129 2. «Макеевский завод шахтной автоматики». Электронный ресурс. Режим доступа: http://mzsha.inf.ua 3. Ставицкий В.Н., Горбунов Е.Ю. Применение широтно-импульсного регулирования переменного напряжения в устройстве плавного пуска (УПП) привода ленточного конвейера. // Материалы IX Международной научно-технической студенческой конференции. – Донецк: ДонНТУ, 2010. – с. 133 – 136 4. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М: Издательский дом Додэка-XXI, 2001. – 384 с. 5. Технические средства автоматизации в горной промышленности: Учебное пособие / В.И. Груба, Э.К. Никулин, А.С. Оголобченко. – К.: ИСМО, 1998. – 373 с.

УДК 621.51 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ КОМПРЕССОРЕ Лоскутов Р.И., магистрант; Василец С.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) В настоящее время металлургия является основным потребителем сжатого кислорода, который применяется при производстве чугуна и стали (конвертерное производство стали, электросталеплавильное производство и кислородное дутье в доменных печах). Для получения кислорода используются воздухоразделительные установки (ВРУ), которые включают оборудование для сжатия и очистки атмосферного воздуха, его охлаждения до криогенных температур, разделения методом ректификации, нагрева полученных продуктов, их компремирования и перекачки. Режим работы ВРУ характеризуется изменяющимся потреблением пневмоэнергии, что изменяет нагрузку турбокомпрессорной установки и может привести к недопустимым колебаниям давления в сети [1]. В настоящее время регулирование производительности центробежных компрессоров выполняется дросселированием. Такой способ регулирования приводит к большим потерям энергии потока сжатого воздуха и сужает диапазон регулирования давления и является экономически невыгодным [2]. Кроме того, дросселирование потока сжатого воздуха может привести к возникновению помпажа компрессора. В связи с этим актуальной представляется задача создания системы частотного управления электроприводом компрессорных установок, препятствующих появлению предпомпажных состояний. Обоснование структуры и рациональных значений параметров такой системы возможно путем ее математического моделирования. В данной работе рассматривается вопрос создания математической модели центробежного компрессора как основного компонента турбокомпрессорной установки.

Рисунок 1 – Схема системы компрессора Для описания динамики компрессора использована модель Мура–Грейтцера [3,4,5]: l d Φ (ψ c ( Φ ) −ψ ) ; = lc  dt  d 1 = ψ ( Φ − ΦT ) ,  dt 4 B 2lc

(1)

где Φ – расход воздуха через компрессор; ψ – степень сжатия воздушного потока компрессором; В – параметр Грейтцера; lc = lвх + lк + lвых; lвх – длина всасывающей трубы; lк – длина компрессора; lвых – длина трубы на нагнетании компрессора; ФT – расход сети; 90

Uτ - относительное время, где U – тангенциальная скорость в среднем диаметре, R R – средний радиус компрессора, t – реальное время. Предусматривается, что компрессор с равномерным течением по окружности имеет характеристику ψc(Φ) в виде кубической зависимости: t=

3  3 Φ  1 Φ   ψ c (Φ ) = ψ c 0 (ω ) + H (ω ) ⋅ 1 +  − 1 −  − 1 ,  2  W (ω )  2  W (ω )  

(2)

где ψ c 0 (ω ) = K k ω 2 – сжатие при отсутствии расхода; W = kwω – полуширина газодинамической характеристики; H = kHω2 - полувысота газодинамической характеристики; Kk, kH, kw - конструктивные коэффициенты компрессора; ω – скорость вращения ротора компрессора. В уравнениях (1), (2) критерий B, предложенный Грейтцером [5], учитывает частоту вращения ротора компрессора. При значениях B > Bкр возникает помпаж, в случае B < Bкр – оборотный срыв, причем Bкр – критическое значение параметра Грейтцера. Параметр B определяется из выражения: B=

U 2a s

Vp Ac l c

U 2ω н l c

(3)

где as – скорость звука; Vp – объем ресивера; Ac – площадь трубопровода компрессора; ωн – номинальная частота вращения ротора компрессора. Объединим уравнения (1) и (2) в матричное дифференциальное уравнение: d X = C1 ⋅ X + C 2 , dt

[Φ

где X =

(4)

a ψ ( Φ )  0 −a1  , C2 =  1 c  - матричные   a2 0   −a2 ΦT 

ψ ] - вектор переменных состояний; C1 =  T

1 1 ; a2 = . 4 B 2lc lc Структурная схема компьютерной модели, соответствующая уравнению (4), показана на рисунке 2.

коэффициенты; a1 =

[0;0]

1.4

1/u(2)

f(u)

u^2

-1

Matrix Multiply

Gain1

Divide1

1 s Integrator

Matrix Concatenate

Add2

Add1

c2 0

-K-

-Kc1

Divide2 Divide

w(15000)

3000

-1 Add

Gain4

Divide4

Add3

Divide3 0.6 Ft

t Clock

3/2 u^3

-K-

Gain2 1/2

Kh Add4

Gain3

Рисунок 2 – Структурная схема модели центробежного компрессора 91

PCI

Рассмотрим компрессорную установку при следующих значениях параметров: Vp = 1,5м2; H = 0,18Па; W = 0,25кг/с; Aс = 0,01м2; as = 340м/с; Lc = 3м; ψ c 0 (ω ) = 0,3о.е; B = 1,497о.е; R = 0,1м; lвх = 1м; lвых = 2м; U = 114м/с; ω = 3000рад/с; ФТ = 0,5м3/мин. Графики переменных состояния при запуске компрессора, полученные в результате моделирования, показаны на рисунке 3.

а)

б) Рисунок 3 – Графики переменных состояния, полученные в результате моделирования: а - расход воздуха через компрессор, б – степень сжатия воздушного потока Обоснованная математическая модель центробежного компрессора в форме матричного дифференциального уравнения может быть использована при моделировании компрессорной установки с частотно-регулируемым электроприводом. Перечень ссылок 1. Проектирование и эксплуатация промышленных центробежных компрессоров / [И.Г.Хисамаев, В.А.Максимов, Г.С.Баткис, Я.З.Гузельбаев]. – Казань: Изд-во «ФЭН», 2010. – 671с. 2. Турбокомпрессоры: Учеб. пособие / Ю. Б. Галеркин, Л. И. Козаченко. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. – 374 с.. 3. F. K. Moore, “A theory of rotating stall of multistage axial compressors: Part 1, 2, and 3,” - J. Eng. Gas Turbines Power, vol. 106, 1984. - Р. 313–336. 4. F.K. Moore and E.M. Greitzer. A theory of post stall transients in a axial compressor systems: Part I - Development of equations. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1986. — P. 68—76. 5. E.M. Greitzer. Surge and Rotating stall in axial flow compressors, Part I: Theoretical compression system model. Journal of Engineering for Power, — 1976. — P. 190—198.

УДК 621.313 РАСПРЕДЕЛЕННАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Макуха Ю.А., студент; Чашко М.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Красноармейский индустриальный институт», г. Красноармейск, Украина)

Интенсивность солнечного излучения

Скорость ветра

Устройство управления К11

ВГ

ПЭ К31

К21

К41 К61

К5

СБ

АК

Рисунок 1 – Объект с распределенной генерацией: – энергия, – информация и управление 93

Резервный источник энергии

Работа посвящена взаимодействию между генераторами и потребителями электрической энергии при использовании возобновляемых источников энергии. Актуальность ее обусловлена возможностью отказаться от использования нефти, газа, угля для выработки электричества и возможностью отказаться от централизованного электроснабжения объектов, удаленных от линий электропередач. В настоящее время в мире развивается концепция Smart Grid [1], предполагающая переход от выработки электроэнергии централизовано на крупных электростанциях и передаче ее потребителям на расстояния десятки и сотни километров к выработке ее вблизи потребителей (ферм, жилых домов и т.п.) из возобновляемых источников (ветер, солнечная батарея). Государства Европейского Союза планируют к 2020 году довести часть производства электроэнергии из альтернативных источников энергии до 20%. В этих странах серьезно обсуждается вопрос отказа от ископаемых видов топлива к 2050 году и построения энергетического комплекса, исключительно на основе альтернативных, возобновляемых источников энергии. Особенностью альтернативных источников [2] является неравномерная и неуправляемая интенсивность потока энергии во времени, как правило, не совпадающая с интенсивностью, необходимой потребителю. Для согласования генерируемого и потребляемого потоков энергии используется аккумулятор. Очевидна необходимость управления потоками энергии между ветрогенератором, солнечной батареей, аккумулятором и потребителем, обеспечивающего надежное и бесперебойное электропотребление, независимое от состояния внешних потоков – ветра и солнца. Современная электроника способна обеспечить коммутацию и преобразование параметров электроэнергии, но для управления ею нужен алгоритм Ц е л ь р а б о т ы – предложить алгоритм управления потоками электроэнергии, учитывающий ее неравномерную генерацию из окружающей среды – в зависимости от скорости ветра и интенсивности солнечного излучения. М а т е р и а л ы и р е з у л ь т а т ы и с с л е д о в а н и я . Схема исследуемого объекта изображена ниже (рис. 1)

Объект представляет собой локализованный в пространстве потребитель электроэнергии (ПЭ), соединенный электрически через ключи или преобразователи (К1÷К6) с солнечной батареей (СБ), ветрогенератором (ВГ), аккумулятором (АК) и резервным источником, которым может быть дизель-генератор или линия электропередачи от централизованного источника. При работе системы распределенной генерации устройство управления сравнивает потоки энергии от внешних по отношению к потребителю источников с мощностью, необходимой потребителю. В зависимости от значений этих потоков потребитель подключается к тому или иному источнику энергии. Ниже (рис. 2) представлена блок-схема, реализующая алгоритм работы устройства управления.

РВГ = 0; РСБ = 0 РАБ ≥ РП

+ К6

К4

РВГ = 0; РСБ = 0 РАБ ≤РП

РВГ = 0; РСБ < РП РАБ ≥ РП – РСБ

К1+ К3 К2 + К5

К3+К4

5 РВГ + РСБ ≥ РП

РВГ < РП; РСБ = 0 РАБ ≥ РП – РВГ

К1+ К3

+ К1+К4

РВГ < РП; РСБ < РП РВГ + РСБ ≥ РП

Рисунок 2 – Блок-схема устройства управления распределенной генерацией. На схеме обозначено: РВГ – мощность ВГ; РСБ – мощность СБ; РАБ – мощность АК; РП – мощность нагрузки. Если нет ветра и солнца, но аккумулятор заряжен в достаточной степени, чтобы обеспечить необходимую потребителю мощность (ситуация 1 на блок-схеме), устройство управления дает команду на включение К4, которым потребителю подается энергия от аккумуляторной батареи.

К4 представляет собой инвертор, преобразующий напряжение постоянного тока в трехфазное напряжение стандартной частоты, если в составе потребителя есть асинхронные двигатели. Если электроэнергия нужна потребителю только для обогрева, освещения и т.п., К4 представляет собой регулятор напряжения, согласующий параметры энергии аккумулятора с параметрами потребителя. Если нет ветра и интенсивность солнечного излучения такова, что СБ не может обеспечить мощность, необходимую потребителю (ситуация 2 на блок-схеме), включаются К3 и К4, так чтобы потребитель питался от солнечной батареи и аккумулятора. Устройство К3 обеспечивает работу СБ при максимально возможном КПД. Если нет солнца и скорость ветра такова, что ВГ не может обеспечить мощность, необходимую потребителю (ситуация 3 на блок-схеме), включаются К1 и К4, так чтобы потребитель питался от ветрогенератора и аккумулятора. Устройство К1 преобразует напряжение ветрогенератора к значению, необходимому потребителю. Если скорость ветра и интенсивность солнечного излучения таковы, что ВГ и СБ каждый в отдельности не могут обеспечить мощность потребителя (ситуация 4 на блоксхеме), работают устройства К1 и К3, так что потребитель питается одновременно от обоих источников, К1 и К3 согласуют параллельную работу источников, так чтобы энергия не перетекала от одного к другому. Если скорость ветра и интенсивность солнечного излучения таковы, что ВГ и СБ генерируют бòльшую мощность, чем мощность потребителя (ситуация 5 на блок-схеме), включаются устройства К1, К2, К3 и К5, так чтобы обеспечить энергией потребителя, а избыток энергии идет на зарядку аккумуляторной батареи. Указанные устройства обеспечивают энергетически рациональный режим генераторов и аккумулятора. Если скорость ветра и солнечное излучение не обеспечивают мощность потребителя, а аккумуляторная батарея разряжена (ситуация 6 на блок-схеме), дается команда на включение резервного источника устройством К6. Резервным источником может быть дизель-генератор или линия электропередачи. При реализации описанного алгоритма необходимо сочетать динамические параметры генераторов электроэнергии с периодом работы устройства управления: если, например, снижение мощности солнечной батареи произойдет раньше, чем устройство управления его обнаружит и компенсирует, потребитель будет обесточен или вынужден снизить потребляемую мощность. Выводы. При распределенной генерации возможно обеспечить потребителя необходимым потоком энергии при использовании предложенного выше алгоритма. Устройство управления для реализации алгоритма должно иметь динамические параметры, соответствующие параметрам генераторов. Непременное условие распределенной генерации – генерируемое за год количество энергии должно быть не меньше количества энергии, полученной потребителем за тот же период. Перечень ссылок 1. Распределенная генерация электроэнергии - важное условие развития альтернативной энергетики. http://www.alterenergy.info/interesting-facts/123-the-distributedgeneration/ 2. Распределенная генерация. http://www.alterenergy.info/

УДК 621.31 ПЕРЕДАЧА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ СЕТЬ Мельник А. А., студент; Чашко М.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Красноармейский индустриальный институт», г. Красноармейск, Украина) Работа посвящена использованию солнечной батареи (СБ) как элемента электрической системы. В настоящее время в мире развивается концепция Smart Grid, интеллектуальной энергосистемы, предполагающей объединение в одну электрическую сеть различных источников электроэнергии, в частности, солнечных батарей [1]. Особенность работы СБ на сеть состоит в необходимости поддерживать максимально возможный КПД и постоянное напряжение, равное напряжению сети, при изменении условий освещения. Цель работы – предложить устройства, обеспечивающие согласование параметров СБ как генератора электроэнергии с системой электропередачи. Материалы и результаты исследования. Исходные положения таковы. Напряжение выходное СБ сравнительно невысоко и не может быть повышено последовательным соединением элементов из-за опасности электрического пробоя. Напряжение же системы, в которую передается энергия – тысячи вольт. Отсюда задача – повысить напряжение СБ до напряжения высоковольтной сети средствами электроники. СБ преобразует энергию солнечного света в энергию постоянного электрического тока. А в системе, в которую передается энергия, она циркулирует в виде трехфазного переменного тока. Отсюда следующая задача – преобразовать ток СБ в переменный трехфазный. СБ является источником тока, который зависит от потока света. С изменением освещенности изменяется мощность СБ, КПД же ее желательно поддерживать максимально возможным. Поэтому следующая задача – с изменением условий освещенности так изменять ток нагрузки, чтобы КПД было максимально возможным. Структура устройства передачи энергии СБ в сеть представлено на рис. 1.

сеть

dc/dc

СБ

инвертор

трансформатор

Рисунок 1 – Преобразование энергии солнечной батареи для передачи в сеть. Устройство содержит солнечную батарею, повышающий напряжение dc/dc конвертор, инвертор и повышающий трансформатор. При работе устройства солнечная батарея преобразует солнечное излучение в электрический ток напряжением несколько десятков вольт. Dc/dc конвертор повышает напряжение до сотен вольт и передает на инвертор. Инвертор выполняет функции преобразования постоянного тока в переменный трехфазный и управления током, передаваемым в сеть. трансформатор повышает выходное напряжение 96

инвертора до напряжения сети. В результате энергия солнечного излучения передается в сеть высокого напряжения. Электрическая схема преобразования показана на рис. 2. dc/ac dc/dc CБ Устройство управления

Рисунок 2 – Преобразование солнечной энергии в 3-х фазное напряжение. В качестве силовых элементов преобразователя применены транзисторы IGBT, работающие в ключевом режиме. Устройство управления обеспечивает необходимую частоту и скважность их переключения. Для поддержания максимально возможного КПД необходимо сравнивать мощность, передаваемую в сеть, с текущей мощностью СБ и поддерживать их отношение максимальным:

η=

PC = ηmax , PCБ

где η – КПД устройства передачи энергии; РС – мощность, передаваемая в сеть, ВА; РСБ – мощность, преобразованная СБ из солнечного излучения, ВА. Соответственно, устройство управления преобразованием энергии солнечной в электрическую должно 1. определять РСБ и РС; 2. отношение РС к РСБ; 3. изменять РС так, чтобы при изменении РСБ КПД оставался максимально возможным для текущего значения РСБ. Выводы. Современная полупроводниковая техника обеспечивают возможность передачи солнечной энергии в магистраль электропередачи. Для обеспечения максимального использования солнечной батареи необходимо измерять мощность солнечного излучения и мощность электрической энергии, передаваемой в сеть. Реализация алгоритма максимизации КПД обеспечивается изменением угла включения ключей инвертора. Перечень ссылок 1. Каргиев М. В. Распределенная генерация энергии с использованием возобновляемых источников энергии/ Каргиев М. В. // Еnergy fresh, 2010, № 1, С. 42 – 46.

УДК 621.313.333-71.3 ОБЗОР ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СКРЕБКОВЫХ КОВЕЙЕРОВ Миненко А.В., студент; Гусаров А.А., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Введение. Асинхронные электродвигатели (АД) скребковых конвейеров оказывают существенное влияние на эксплуатационные свойства и надежность всей транспортной системы доставки угля из лавы до откаточного штрека и относятся к числу наиболее напряженных электрических машин по нагреву, испытываемым нагрузкам, моментам (номинальным, пусковым и максимальным), количеству тепла в обмотках статора и ротора, и другим параметрам. Существующие мощности обдуваемых двигателей недостаточны для привода конвейеров длиной 300 м и более. Эти двигатели (двигатели типа 2 ЭДКО ФВ-250) с успехом применяются для длин лав в 200 метров и менее [1]. Требования эксплуатации таковы, что возникает необходимость наращивать мощность двигателей скребковых конвейеров без существенного увеличения габаритов и массы. Для повышения мощности АД в существующих габаритах необходимо более эффективное интенсивное охлаждение. Перед электромашиностроителями стоят две физические взаимоисключающие задачи: повышение энергетических показателей и снижение материалоемкости электрических машин, в том числе и взрывозащищенного исполнения. Электрические машины потребляют 80% электроэнергии вырабатываемой в стране, почти 100% меди, 100% электротехнической стали и электроизоляции, которую Украина закупает за рубежом. Признано, что энерго- и ресурсосбережение является одним из главных аспектов обеспечения национальной экономической безопасности Украины. В связи с этим ведутся поиски замены обдуваемой системы вентиляции новыми системами охлаждения. Переход на новую систему охлаждения обусловлен соотношением потерь мощности в обмотках и поверхностью охлаждения двигателя. Потери в обмотках и стали растут пропорционально кубу линейных размеров машины I a , Da ( PM ≡ I a3 , Pст ≡ I a3 ), а поверхность охлаждения S охл пропорциональна квадрату линейных размеров ( S охл ≡ I a2 ≡ Da2 ). Основное содержание исследований. Из выше приведенных зависимостей следует, что система охлаждения малоэффективна и требуется или увеличить размеры активных частей машины (снизив электромагнитные нагрузки) или усилить отвод тепла от них. В условиях угольной промышленности увеличение размеров недопустимо (ограничено пространство). Поэтому с увеличением мощности и габаритных размеров двигателей растут требования к системам охлаждения: усиливать внутреннюю вентиляцию или создавать параллельный путь тепловому потоку от ротора к наружному воздуху (окружающей среде). Наиболее полные исследования взрывозащищенных АД с обдуваемым охлаждением приведен в [2]. Сделан вывод о необходимости замены обдуваемого охлаждения применением центробежных двухфазных термосифонов установленных в аксиальные каналы ротора и охлаждение их наружным воздухом. Получено снижение температуры ротора на 35-85 ̊ С, статора на 14-25 ̊ С, увеличение мощности на 20-50%, увеличение КПД на 1,8%. Мощность энергосберегающих АД может быть повышена применением одноконтурной системы охлаждения жидким теплоносителем, например – водой. Особенность системы охлаждения – разомкнутость для подачи и сброса теплоносителя. Одноконтурная система охлаждения мало эффективна, требуемый теплосъем с активных частей АД обеспечивается альтернативным путем – осуществляется переход на

двух контурную систему охлаждения, где внутренний контур с жидким теплоносителем (вода) замкнут, а наружный (воздух) разомкнут по отношению к окружающей среде. Тяжелые условия эксплуатации АД скребкового конвейера (тяжелые условия пуска) энерговооруженность АД повышается переходом от односкоростных двигателей на двухскоростные. Недостаток односкоростных АД – возникает опасность доставки в лаву при высоких скоростях длинномерных материалов, что сопровождается высокой степенью опасности для обслуживающего персонала. Создание двухскоростных АД с нормальной и пониженной частотой вращения (1:3) целесообразна. Диапазон частот вращения 1:3 полезен не только с целью безопасности в работе, но полезен и для экономии электроэнергии при недогрузках конвейера. Другим направлением повышения мощности энергосберегающих АД, повышением энергетических показателей является повышение КПД и cos ϕ . Эта проблема может быть решена путем перехода от АД с литой алюминиевой короткозамкнутой обмоткой ротора на АД с литой медной короткозамкнутой обмоткой ротора. Исследования показывают [3], что в АД мощностью 18 кВт с медной литой короткозамкнутой обмоткой ротора потери в обмотке ротора снижаются на 40%, общая сумма потерь – на 23%, температура – на 29% по сравнению с литой алюминиевой короткозамкнутой обмоткой ротора. Двигатели с медной литой обмоткой ротора дорогие, но срок окупаемости – короткий (10000 часов при расчетном сроке службы 50000 часов). Помимо экономии Электроматериалов повышение КПД (94-96%) позволяет уменьшить выбросы СО2 в атмосферу, потери в стали уменьшаются на 12%, уменьшается потребляемая мощность (при одинаковых размерах активных частей АД), ток и потери в обмотке статора снижаются на 15%, коэффициент увеличения мощности составляет 1,25, а КПД возрастает на 2,5%, возрастает cos ϕ на 0.05 и критический момент на 60%, что увеличивает перегрузочную способность и надежность АД, пусковой момент увеличивается на 30-40%. Выводы. 1. Приведенный обзор и анализ влияния конструктивных решений и технических параметров на эксплуатационную надежность и энергосбережение взрывозащищенных АД с короткозамкнутым ротором для привода конвейера обуславливает создание двигателей с повышенным ресурсом. 2. Применение новых электротехнических материалов (обмотка ротора – литая медная) увеличит стоимость машины, которая быстро окупится, а учитывая простоту и сравнительно невысокую стоимость АД с короткозамкнутым ротором, они могут успешно конкурировать с другими видами регулируемых приводов, применяемых в механизмах с тяжелыми условиями пуска, каким и является пуск двигателя скребкового конвейера. Перечень ссылок 1. Дмитренко Ю.И. Разработка и исследование взрывозащитного электродвигателя ВАЖТ 63-4 с водяным охлаждением для привода скребковых конвейеров СК-38, СК-45 / Ю.И. Дмитренко, В.Н. Зиборив, И.Г. Ширнин // Взрывозащищенное оборудование (разработка и исследование) Гипронисэлектрошахт – М.:Энергия, 1968. – вып. 7. 2. Бойко И.Г. Возможность перехода от одноконтурной схемы охлаждения взрывобезопасных специальных электродвигателей на двухконтурную / И.Г. Бойко, П.П. Ткачук // Взрывозащищенное электрооборудование. Сб. науч. Тр. Укр. НИИВЭ. – Донецк: ООО «Юго-Восток Лтд», 2004. – с. 184-193. 3. Чувашев В.А. Энергосберегающие асинхронные двигатели с литой медной обмоткой ротора / В.А. Чувашев, Ю.Н. Папазов, В.Ю. Чуванков и др. // Уголь Украины, №5, 2007, Киев «Техника».

УДК 621.314 ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХМЕХАНИЗМОВ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК Момот В.Э., доц., к.т.н.; Ткачук О.Р., магистрант (ГВУЗ «Криворожский национальный университет», г. Кривой Рог, Украина) Внедрение во всех отраслях промышленности энергосберегающих технологий ставит важнейшие задачи повышения энергетической эффективности эксплуатации электроприводов насосов, вентиляторов, дымососов производств горячего водоснабжения. Как показывают исследования [1], тепло полезно используется только на 30% (с учетом ненормативных потерь тепла через ограждающие конструкции, потерь, связанных с несовершенством внутренних инженерных систем и др.), т.е. коэффициент энергетической эффективности существующей централизованной системы тепло-водоснабжения не превышает 0.3. В последние годы широкое развитие во всех отраслях получил регулируемый асинхронный электропривод на базе преобразователей частоты (ПЧ-АД), обеспечивающий экономию электроэнергии на 30% и более [2]. Однако само по себе оснащение механизмов частотно-регулируемым электроприводом не гарантирует экономии электроэнергии, а должно быть технически и экономически обосновано применительно к конкретным условиям эксплуатации с определением количественной оценки диапазона регулирования, технологических требований, энергетических и режимных характеристик. Целью работы является анализ состояния электропотребления и оценка потенциала энергосбережения наиболее энергоемких центробежных механизмов типовой районной котельной с использованием частотно-регулируемых электроприводов. Большинство действующих котельных установок централизованного тепловодоснабжения характеризуются не регулируемыми электроприводами центробежных механизмов суммарной установленной мощностью около 3МВт, большими диапазонами изменения расхода, переменным характером нагрузки, низкой управляемостью технологическими параметрами, значительными мощностями электрооборудования, работающего, как правило, в недогружених режимах. На первом этапе роботы выполнен анализ электропотребления с целью дальнейшего обоснования экономической эффективности мощных регулируемых приводов дымососов типовой районной котельной с 6-ю водогрейными котлами типа КВГМ. Суммарная установленная мощность центробежных механизмов типовой районной котельной г. Кривова Рога представлена в виде диаграммы (рис.1)

Рисунок 1 – Диаграмма суммарной установленной мощности центробежных механизмов котельной

100

Из диаграммы. наглядно видно потребляемая мощность каждого из механизмов котельной. Расчетами тоже подтверждено, что наибольшее значение электроэнергии потребляют сетевые насосы и дымососы. На примере диаграммы расхода дымовых газов дымососа за отопительный период (2012-2013 гг.) при механическом регулировании (рис.2), аэродинамической характеристики дымососа ДН-22-0,65 и паспортных данных приводного двигателя типа А4 ДА304 мощностью 500кВт, напряжением 6кВ и номинальной скоростью 1500 об/мин, определена потребляемая мощность дымососа в номинальном режиме роботы (с учетом КПД дымососа и КПД двигателя).

Q⋅H Р = = потр η ⋅ η дв

м3 ⋅ 3332 Па с = 343,7 кВт 0,83 ⋅ 0,925

79,2

Рисунок 2 – Диаграмма расхода дымовых газов за отопительный период при механическом регулировании При этом за отопительный период 6 мес (4368ч), интервалы времени составляют: t1=120ч; t2=120ч; t3=624ч; t4=120ч;t5=120ч; t6=1800ч; t7=360ч; t8=528ч; t9=216ч; t10=240ч; t11=120ч. Исходя из известных законов пропорциональности, рассчитывались значения скорости двигателя и потребляемой мощности (Р') при повышении производительности дымососа с: 25%до 75% и с 75% до 100%, при снижениипроизводительности из 100% до 75%, с 75% до 50% и с 50% до 25%, а также при установившейся производительности. Графический вид зависимостей показан на рис.3; рис.4.

Рисунок 3 – Зависимость потребляемой мощности P=f(Q) и скорости n=f(Q) от производительности дымососа

Рисунок 4 – Расчетная зависимость потребляемой мощности от изменения скорости

101

С учетом временных интервалов отопительного периода (рис.2) расход электроэнергии при повышении производительности составит: из 25% до 75%: Э1 = ((5,37 + 145,6)/2) ⋅ 624 = 47102,64 кВт/ч; из 75%до 100%: Э 2 = ((145,6 + 343,7)/2) ⋅120 = 29358 кВт/ч; Расход электроэнергии при снижении производительности: из 100% до 75%: Э 3 = ((145,6 + 343,7)/2) ⋅ 360 = 88074 кВ/ч; из 75% до 50%: Э 4 = ((145,6 + 42,96)/2) ⋅ 216 = 16304,76 кВт/ч; из 50% до 25%: Э 5 = ((42,96 + 5,37)/2) ⋅120 = 2899,8 кВт/ч. В установившемся режиме роботы дымососа в интервалы времени 2,4,6,8,10 (рис.2).

Э 6 = 5,37 ⋅120 + 145,6 ⋅120 + 343,7 ⋅1800 + 145,6 ⋅ 528 + 42,96 ⋅ 240 = 723963,6 кВт/ч Суммарный расход электроэнергии с регулируемым электроприводом с учетом реальной роботы дымососа составляет: Э рег = Э1 + Э 2 + Э 3 + Э 4 + Э 5 + Э 6 = 907702,8 кВт/ч.

Расход электроэнергии без использования регулируемого электропривода дымососа будет равен: Э рег = Р потр ⋅ Т = 343,7 ⋅ 4368 = 1527489 кВт/ч. Таким образом, затраты электроэнергии дымососа при роботе с регулируемым электроприводом составляет роботы без (907702,8 / 1527489,6) ⋅100% = 60% от регулируемого электропривода. При этом стоимость электроэнергии: - при использовании регулируемого электропривода: С = Э рег ⋅ Ц = 907702,8 ⋅ 0,52 = 472005,5 грн;

- без использования регулируемого электропривода: С = Э н.рег ⋅ Ц = 1527489,6 ⋅ 0,52 = 79429,6 грн;

где Ц – стоимость одного кВт/ч электроэнергии на предприятии. Произведенный анализ электропотребления позволяет снизить затраты на электроэнергию при регулировании производительности одного дымососа примерно в 1,7 раза, что при установленных 6 дымососов одной типовой районной котельной составляет около 5,0млн.грн.Однако при модернизации производств централизованного тепловодоснабжения необходимы уточнения режимных характеристик автоматизированных электроприводов механизмов, а также экономических показателей с учетом затрат на приобретение нового электрооборудования. При этом существующая система управления технологическим оборудованием также требует значительной модернизации. Необходима замена устаревших средств КИП и А и внедрение новой автоматизированной системы управления технологическими процессами на базе современного программно-технического комплекса. Перечень ссылок 1.Шарипов А.Я. Энергоэффективные и энергосберегающие технологии в системе теплоснабжения жилого района. Энергосбережение №5/2001; 2. Радимов С.Н. Потенциал энергоснабжения наиболее широко используемых агрегатов и установок. Реализация потенциала средствами электропривода. «Экологические системы» №8, 2007.

102

УДК 622.4 ПРИСТРІЙ УПРАВЛІННЯ І ДІАГНОСТИКИ ТЕМПЕРАТУРНИХ РЕЖИМІВ РОБОТИ СТРІЧКОВОГО КОНВЕЄРУ Ніженець Т.В., студент; Гавриленко Б.В., доц., к.т.н., (PhD) (ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк, Україна) Сучасні шахти характеризуються великими масштабами і високою концентрацією вугільного виробництва з використанням високопродуктивної вугільної техніки зі складними механічними і електричними системами. Ефективність вуглевидобутку в значній мірі залежить від чіткості і надійності роботи шахтного транспорту, тому процес транспортування вугілля вимагає великої надійності, ефективності, високого ККД. У вугільних шахтах і рудниках для доставки вугілля з вибою, а також для транспортування його по збірним штрекам, бремсбергам, ухилам і похилим стовбурам нині широко застосовуються стрічкові конвеєри. Це складні об'єкти автоматизації як з позиції управління ними, так і забезпечення безпеки експлуатації. Основною задачею автоматизації конвеєрних ліній є централізоване управління процесом пуску і зупинки конвеєрів з одночасним забезпеченням їх автоматичного захисту з метою зменшення енерговитрат і зниження витрати матеріалів. Крім того, все більш актуальним стає завдання автоматичного регулювання температурних режимів роботи стрічкового конвеєру. Однією з причин, що призводять до перегріву конвеєрної стрічки є її надмірній натяг або прослизання, тому важливо запобігти и попередити аварійні теплові режими роботи конвеєрів за допомогою функції автоматичного контролю і забезпечення оптимального натягу конвеєрної стрічки у системі автоматизації. Підвищене зношування механічних частин стрічкового конвеєра, влучення вугільного пилу в роликоопори також призводять до нагрівання стрічки і приводного барабану до неприпустимих температур. Для оцінки нагрівання конвеєрної стрічки в залежності від рівня її сумарного натягу збігаючої та набігаючої гілок промоделюємо цей процес за допомогою пакету інженерних розрахунків MathCAD. Вхідними параметрами для розрахунків обираємо технологічні параметри для магістрального стрічкового конвеєру 1Л800Д, а саме: - довжина конвеєру – 800 м; - діаметр приводного барабану – 840 мм; - діаметр приводного барабану з футеровкою – 842 мм; - ширина приводного барабану – 1150 мм; - ширина стрічки – 1000 мм; - швидкість стрічки – 2 м/с; - кут охвату барабана стрічкою - 4π/3 рад.

Рисунок 1 – Структурна схема пари приводний барабан – стрічка 103

На рис. 1 зазначено: S1 та S2 – натяг гілок стрічки; Q1 - кількість тепла, відведена випромінюванням; Q2 - кількість тепла, відведена природною конвекцією; Q3 - кількість тепла, відведена вимушеною конвекцією. Тепло, утворене в результаті тертя барабана о стрічку, буде витрачатися на нагрів цих елементів, і відводитися випромінюванням, природною конвекцією від ділянки стрічки і вимушеної конвекцією від торцевих поверхонь барабана. Рівняння теплового балансу [2] для нагріву приводного барабана і стрічки має вигляд, ккал: T ⋅ QУТВ = QНБ + Т ⋅ (Q1 + Q2 + Q3 ), де Qутв – кількість тепла, утворена під час роботи конвеєру, ккал/год; Qнб - кількість тепла, що витрачається на нагрівання барабану и стрічки, ккал; Q1 - кількість тепла, відведена випромінюванням, ккал/год; Q2 - кількість тепла, відведена природною конвекцією, ккал/год; Q3 - кількість тепла, відведена вимушеною конвекцією, ккал/год; T – час роботи конвеєру. Результат моделювання представлений на рисунку 2.

Рисунок 2 – Залежність температури нагріву стрічки і приводного барабану від часу нагрівання при різних натягах: ◊ - сумарний натяг набігаючої та збігаючої гілок стрічки 7,4 кН, ∆ - сумарний натяг набігаючої та збігаючої гілок стрічки 10 кН. Аналіз залежності на рис. 2 свідчить про те, що конвеєрна стрічка в однакових умовах швидше нагріється при більшому значенні сумарного натягу. Наразі не існує систем автоматичного управління стрічковими конвеєрами, які б втілювали у собі функції автоматичного контролю теплових режимів роботи стрічкового конвеєру. Більшість систем автоматизації, які застосовуються на шахтах, виконані із застосуванням застарілої елементної бази, що обмежує функціональні можливості апаратури. Надійність і безпека роботи конвеєрів знижується також через часті відмовлення релейних і напівпровідникових елементів, викликаних нестабільністю їхньої роботи і швидким зносом контактних груп. Базова апаратура автоматизації АУК-1М [1] виконує функції контролю і управління роботою стаціонарних ліній (до трьох відгалужень) і напівстаціонарних нерозгалужених ліній, які складаються з стрічкових і скребкових конвеєрів з числом конвеєрів в лінії до 10. До наступного часу апаратура АУК-1М не використовує функцію контролю температури роликів, конвеєрної стрічки та приводного барабану, а також не контролюється 104

натяг тягового органу, що значно зменшує безпеку підземного транспорту на шахті. Розширимо функціональні можливості апаратури АУК-1М впровадженням у склад системи автоматизації пристрою управління і діагностики температурних режимів роботи стрічкового конвеєру за рахунок контролю температури стрічки, приводного барабану та роликоопор, а також формування сигналу управління стрічковим конвеєром у разі виявлення аварійних значень технологічних параметрів, що контролюються. Структура пристрою наведена на рис.3.

Рисунок 3 – Структурна схема пристрою управління На структурній схемі (рис. 3) прийняті наступні скорочення: УУ – пристрій управління; Д – датчики; ДЖ – зовнішнє джерело живлення; ББ – блок живлення схеми; БУС – блок узгодження сигналів; МК – мікроконтролер; БВКУ – блок виводу команд управління; ППК – пускач приводу конвеєра; БИС – блок індикації та сигналізації; БПД – блок передачі даних; ПД – пульт диспетчеру шахти. Наведена схема живиться від зовнішнього джерела живлення ДЖ (наприклад джерелом живлення може бути пристрій сигналізації та телефонного зв’язку УСТ) за допомогою блоку живлення БЖ, який перетворює напругу, що надходить до нього, до потрібного рівня у 5 В. Сигнали з технологічних датчиків надходять до блоку узгодження сигналів, який перетворює сигнали для подачі до мікроконтролера. В залежності від рівня сигналів мікроконтролер формує управляючий сигнал, який через блок виводу команд управління БВКУ надходить до пускача конвеєру ППК, блоку індикації та сигналізації БИС, та блоку передачі даних БПД, котрий в свою чергу передає сигнал на пульт диспетчеру ПД. Як правило, пожежі відбуваються на приводних станціях і на лінійній частині конвеєра. Велика протяжність конвеєрних ліній і непередбачуваність місця спалаху ускладнює процес контролю температурних режимів. В якості температурного датчика для контролю температури уздовж всієї довжини стрічкового конвеєру і попередження займання конвеєрної стрічки обираємо лінійний температурний сповіщувач (термокабель) PHSC, виробництва компанії Protectowire (США). Лінійний тепловий сповіщувач PHSC являє собою кабель, який дозволяє виявити джерело перегріву в будь-якому місці на всьому його протязі. Термокабель PHSC - це єдиний датчик безперервної дії і застосовується в тих випадках, коли умови експлуатації не дозволяють установку і використання звичайних датчиків, а в умовах підвищеної вибухонебезпечності застосування термокабеля є оптимальним рішенням. 105

Наразі випускають декілька типів термокабелю. Обираємо термокабель типу TRI. PHSC TRI-Wire є унікальним тепловим детектором, який може генерувати окремо сигнал спрацювання («Предтревога») і сигнал пожежної тривоги в залежності від встановлених температурних порогів. Для інтегрування термокабелю з пристроєм управління приймаємо інтерфейсні модулі типу МИП, вони призначені для контролю стану термокабеля типу PHSC (Protectowire Inc) по всій довжині і видачі дискретних сигналів про стан термокабеля в зовнішні ланцюги. Згідно структурної схеми пристрою управління розроблена його функціональна схема, яка наведена на рисунку 4.

Рисунок 4 – Функціональна схема пристрою управління На функціональній схемі зазначені: Z1, Z, STU – відповідно випрямляч, фільтр і стабілізатор напруги. Являють собою блок живлення (БЖ), який перетворює напругу, що подається від зовнішнього джерела живлення (ДЖ) для подальшої подачі на микроконтролер; DD1 – інтерфейс RS–485, призначений для передачі керуючих впливів на відповідні технологічні ланцюжки; HL 1- HL 4 - світлова індикація; HD - рідкокристалічний дисплей; DA1-DA2 – транзисторні оптопари. Виконують функцію гальванічної розв’язки і іскробезпеки при узгодженні дискретних сигналів з датчиків та мікроконтролером; DD0 – мікроконтролер ATMega16; SB1, SB2 – відповідно кнопки пуск та стоп; К1 - K3 електромагнітні реле, що здійснюють включення аварійної звукової сигналізації, відключення приводу конвеєра та включення пускача приводу натяжної станції конвеєра відповідно. Таким чином, використання пристрою управління тепловими режимами роботи стрічкового конвеєру у складі базової апаратури автоматизації АУК-1М дозволяє запобігти перегріву, і як наслідок, займання конвеєрної стрічки. Це допоможе зменшити аварійність роботи стрічкового конвеєру, а також зменшити матеріальні витрати на відновлення конвеєрної стрічки, оскільки вона є найдорожчим елементом конвеєру. Перелік посилань 1. Справочник по автоматизации шахтного конвейерного транспорта / Н.И. Стадник, В.Г. Ильюшенко, С.И. Егоров и др. – К.: Техника, 1992. – 438с. 2. Д.В.Хананов, А.Я.Грудачев. Аналіз процесів нагріву конвеєрної стрічки при повній пробуксовці приводного барабана шахтного конвеєра в аварійному режимі роботи. 106

УДК 622.3.0025-83-52 ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГЛАВНЫХ ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ШАХТ Остапенко О.А., студент; Момот В.Е., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Криворожский национальный университет», г. Кривой Рог, Украина) Вентиляторные установки главного проветривания являются одними из наиболее ответственными и наиболее энергоемкими агрегатами шахт. Режимы работы вентилятора изменяются и зависят от многих факторов, прежде всего от изменения аэродинамического сопротивления вентиляционной сети. Параметры расхода и депрессии изменяются в большом диапазоне в процессе эксплуатации шахты. Поэтому, для повышения эффективности работы главных вентиляторных установок (ГВУ) необходимо обеспечивать зону экономичных режимов средствами электропривода[1]. Обследования Криворожского бассейна показали, что большинство вентиляторных установок шахт имеют КПД значительно ниже нормы (60%, а в некоторых случаях 30…40%). Только 22% вентиляторов работают в зоне экономичного использования. Фактически удельный расход мощности в 1,5…2 раза превышает допустимую величину, а общая стоимость перерасхода электроэнергии приводами главных вентиляторов составляет четвертую часть расхода электроэнергии всеми установками за год.[2] На первом этапе работы был проведен статистический анализ и расчет долевого электропотребления разными службами шахт ПАТ «Криворожского железорудного комбината» (КЖРК). Результаты расчетов представлены в виде диаграмм (рис.1) и выполнялись по формуле. 3

η kl =

∑W

ikl

i =1

∑∑W k =1 i =1

⋅ 100% ,

ikl

де η kl − долевое электропотребление k − ой службы шахты КЖРК при l − ому режиме, %;

Wikl − электропотребление k − ой службы шахты КЗРК за i − ый день при l − ому режиме, кВт·час; i = 1,2,3 − дни статистической выборки, k = 1,2,3,4 − службы скиповой подъемной установки (СПУ), вентиляции, водоотлива и ДСФ шахт, соответственно, l = 1,2,3,4 − пиковый, дневной, ночной и суточный режимы электропотребление службами шахт. Из диаграмм видно, что вентиляторные установки работают, в среднем, из 47%-ым потреблением электроэнергии в пиковом режиме, от суммарного электропотребления основных служб щахт. На втором этапе работы выполнялось экономическое обоснование энергетической эффективности работы ГВУ КЖРК. Автоматическое регулирование подачи воздуха ГВУ на базе управляемого электропривода позволяет сократить общие расходы электроэнергии, что подтверждается следующими расчетами. Мощность потребляемая одним вентилятором типа ВЦД 31,5А: Pел1 =

U л1 ⋅ cos ϕ ⋅ 3 ⋅ I cн ⋅ η дв , 1000

107

Pел1 =

6кВ ⋅ 0,9 ⋅ 3 ⋅ 141А ⋅ 0,953 = 1256,8кВт 1000

где Uл1= 6 кВ линейное напряжение электродвигателя; cosφ = 0.9 коэффициент мощности электродвигателя; Iсн = 141 А номинальный ток электродвигателя; ηдв = 0,953 КПД электродвигателя. Долевое энергопотребление разных служб, в пиковое время

Долевое энергопотребление разных служб, в дневное время

34,4

29,1

33,4

20,9

20 11,2

12,7

11,3

Вентиляция

СПУ

Водоотлив

ДСФ

СПУ

Долевое энергопотребление разных служб, в ночное время

Вентиляция

ДСФ

33,7

35 30

Водоотлив

Долевое энергопотребление разных служб, за сутки в целом

52,1

28,6

28,1

50 20

30 20

23,5

9,6

17,2

7,2

0 СПУ

Вентиляция

Водоотлив

ДСФ

СПУ

Вентиляция

Водоотлив

ДСФ

Рис. 1 – Диаграммы долевого электропотребления шахтных, стационарных установок Для обеспечения технологических параметров в номинальном режиме эксплуатации потребляемая мощность составляет:

Pтехн1

 Q ⋅ H1   + ∆P , Pтехн1 =  1  η1 ⋅ 1000   200 м 3 с ⋅ 5000 Па   + 20кВт = 1182,79кВт , =  ⋅ 0 , 86 1000  

где :Q1 = 200 м3/с производительность вентилятора; H1 = 5000 Па – номинальное давление; η1 = 0,86 КПД вентилятора ВЦД 31,5А; ΔР = потери в трансформаторе, преобразователе, двигателе. Потери электроэнергии электропривода вентилятора за 1 час работы составляют:

∆W1 = ( Pел1 − Pтехн1 ) ⋅ 1ч , ∆W1 = (1256,8кВт − 1182,79кВт) ⋅ 1ч = 74,01кВт ⋅ ч .

108

Учитывая трехзонный тариф за сутки, рассчитывались суммарные затраты на электроэнергию вентилятором, по 3-зоному тарифу в год:

C m1

C m 1 = ∆W 1 ⋅ ( C пик ⋅ 6 + С день ⋅ 11 + С ночь ⋅ 7 ) ⋅ 365 , = 74,01кВт ⋅ ч ⋅ (0,47505 ⋅ 6 + 0,26918 ⋅ 11 + 0,06598 ⋅ 7) ⋅ 365 = 169500 грн ,

где Спик = 0,47505 грн – стоимость электроэнергии за 1 кВт⋅ч в «пиковое» время; Сдень = 0,26918 грн стоимость электроэнергии за 1 кВт⋅ч в «дневное» время; Сночь = 0,06598 грн стоимость электроэнергии за 1 кВт⋅ч в «ночное» время. При электрическом способе управления производительностью вентилятора для обеспечения технологических режимов, потребляемая мощности будет изменяться:

U л1 ⋅ cos ϕ ⋅ 3 ⋅ I c ⋅ η дв , 1000 6кВ ⋅ 0,9 ⋅ 3 ⋅ 137 А ⋅ 0,953 = = 1219кВт , 1000 Pел 2 =

Pел 2

где Iс = 137 А фазный ток электродвигателя в регулируемом электроприводе. Тогда, потери электроэнергии механизма вентилятора в 1 час работы будут составлять:

∆W2 = ( Pел 2 − Pтехн 2 ) ⋅1ч , ∆W2 = (1203,32кВт − 1182,79кВт) ⋅ 1год = 37 кВт ⋅ ч , а суммарное количество затрат по 3-зоному тарифу за год составит:

C m2

C m 2 = ∆W 2 ⋅ ( C пик ⋅ 6 + С день ⋅ 11 + С ночь ⋅ 7 ) ⋅ 365 , = 37кВт ⋅ ч ⋅ (0,47505 ⋅ 6 + 0,26918 ⋅ 11 + 0,06598 ⋅ 7) ⋅ 365 = 85000ч .

Таким образом, расход электроэнергии при управлении технологическими параметрами вентиляторов с регулируемым электроприводом уменьшаются почти в два раза, а это позволяет повысить экономичность их работы, сократить общие потери электроэнергии на их приводе и следовательно по шахте в целом. При исследовании моделей системы автоматического регулируемого электропривода переменного тока на базе преобразователя частоты подтверждается возможность стабилизации заданной производительности ГВУ согласно с потребностями производства. Выполненные расчеты в дальнейшем могут быть уточнены при модернизации ГВУ с учетом затрат на новое электрооборудование Перечень ссылок 1. Чермалых В.М. Системы привода и автоматики рудничных стационарных машин и установок: учебное пособие [для студентов высших учебных заведений]/ Чермалых В.М., Родькин Д.И., Каневский В.В. М.:Недра, 1976. – 295с. 2. Закладной О.М., Енергозбереження засобами промислового електропривода: Навчальний посібник [для студентів вищих начальних закладів]/ Закладной О.М., Праховник А.В., Соловей О.І К.: Кондор, 2005. – 408с.

109

УДК 62.585.3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ Португальская Е.Ю., студент; Галаганюк Л.Д., студент; Василец С.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) В настоящее время в угольной промышленности наблюдаются тенденции к внедрению частотно-регулируемого асинхронного электропривода (ЧРАЭП). Основными достоинствами ЧРАЭП, по сравнению с электроприводом постоянного тока, является высокая надежность благодаря отсутствию коллекторного узла. Энергоэффективности Разработка в последние годы мощных полупроводниковых приборов (IGBT-транзисторов и др.) способствовала бурному внедрению в промышленности современные бюджетных преобразователей частоты ведущих мировых производителей: Siemens, SchneiderElectric,Danfoss. На шахтах Украины внедряются частотные преобразователи. В частности, очистные комбайны КДК400, УКН400 и др. оснащаются частотнорегулируемыми приводами подачи (с двигателями ЭКВ3-30-6, ЭКВ4-30 соответственно). Для подземных подъемных машин институт УкрНИИВЭ разработал взрывозащищенный преобразователь частоты типа ПЧВ-250 У5, для подземных ленточных конвейеров – типа ПЧВ-К У5 [1].Однако, внедрение ЧРАЭП должно сопровождаться усовершенствованием методики выбора преобразователя, оценки параметров переходных и установившихся процессов, что определяет актуальность моделирования частотно-управляемого электродвигателя. Цель работы - разработка компьютерной модели частотно-управляемого асинхронного электродвигателя, которая позволяет рассчитать переходные и установившиеся процессы. Математическая модель объекта исследований включает уравнения состояния асинхронного двигателя и источники ЭДС, выходное напряжение которых повторяет напряжение на выходе преобразователя частоты. Уравнения, описывающие асинхронный двигатель, составляются при следующих допущениях [3]: обмотки двигателя симметричны и соединены по схеме «звезда», не учитываются эффекты насыщения стали и вытеснения тока в роторе, не учитывается зубчатость магнитопроводов статора и ротора. При использовании метода пространственного вектора, система уравнений, описывающая асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, имеет вид [4]:

dψ s  u s = Rs is + dt ;  dψ r  − jωψ r ; 0 = Rr i r + dt   dω  J dt = M − M c . 

(1)

где Rs , Rr – сопротивления статора и ротора; Lsl , Lrl –индуктивности рассеяния статора и ротора; Lm – индуктивность намагничивания; u s , i s – пространственные вектора напряжения и тока статора; i r -пространственный вектор тока ротора;ψ s , ψ r - пространственные вектора потокосцепления статора и ротора; J - момент инерции ротора; М – электромагнитный момент; M c - момент сопротивления; ω - частота вращения ротора.

110

Рисунок 1 – Схема замещения асинхронного двигателя Раскладывая комплексы пространственных векторов системы (1) на действительную и мнимую составляющие и приводя полученные уравнения к матричной форме, получим матричное дифференциальное уравнение состояния двигателя: L⋅

dx = u+ R⋅x + M , dt

(2)

где L, R - матрицы индуктивностей обмоток и активных сопротивлений статора; X , U векторы переменных состояния и напряжения, причем  Ls 0  L =  Lm  0  0

0 0 0 isα   − Rs i   0 0 0 − Rs 0   sβ   0 0 0 0 ; X = irα  ; R =  0 0 − Rr     Lm 0 Lr 0 0 0 irβ   0  ω   0 0 0 0 1 0 0 0   usα    0 u    sβ − ω ( Lr ⋅ irβ + Lm ⋅ isβ )  ; U =  0  M =     ω ( Lr ⋅ irβ + Lm ⋅ isα )   0 Mc   3  0   2 J Lm (irα ⋅ isβ − irβ ⋅ isα ) − J  . 0 Ls

0 Lm

0 0 0 − Rr 0

0 0  0 ;  0 0

Преобразователи частоты, собранные по схеме «выпрямитель – автономный инвертор напряжения», могут функционировать при двух основных законах управления ключами инвертора: базовый закон коммутации и широтно-импульсная модуляция [3]. Базовый закон коммутации заключается в том, что инвертирование, т.е. преобразования постоянного напряжения источника питания в трехфазное переменное напряжение необходимой частоты на выходных зажимах А, В, С инвертора осуществляется коммутацией ключей в плечах моста с определенной частотой и в определенной последовательности. Форма выходного напряжения инвертора определяется прежде всего выбранным законом переключения ключей. Структурная схема комплектной модули объекта исследования приведена на рис. 2, где обозначено: 1 – матрица индуктивностей, 2- напряжение на выходе автономного инвертора, 3- матрица активных сопротивлений, 4 – уравнения асинхронного двигателя, 5 –интегратор, 6 – значения выходных сигналов.

111

Рисунок 2 - Компьютерная модель частотно-регулируемого асинхронного двигателя Действительная и мнимая составляющие выходного напряжение автономного инвертора, который функционирует согласно базовому закону коммутации, моделируются блоками RepeatingSequence(2),параметры которых следующие:Timevalues - вектор значений времени, в которых заданы значения выходной величины;Outputvalues - вектор значений выходной величины, которые она должна принять в указанные в первом векторе соответствующие моменты времени.Блоки обеспечивают генерирование колебаний с периодом, равным разности между последним значением вектора Timevalues и значением первого его элемента. Форма сигнала представляет собой ломаную, проходящую через точки с указанными в векторах Timevalues и Outputvalues координатами. При численном моделировании рассматривалось функционирование асинхронного двигателя типаЭДКОФВ315М4, параметры которого следующие: номинальная мощность 160 кВт, синхронная частотавращения 1500 об/мин, номинальное линейное напряжения 660В, Rs = 7,58 ⋅ 10−3 Oм, Lsl = 1,91 ⋅ 10 −3 Гн, Rr = 9,1 ⋅ 10 −3 Ом, Lrl = 1,91 ⋅ 10 −3 Гн, Lm = 5,46 ⋅ 10 −2 Гн, J = 2 кг ⋅ м 2 В результате моделирования получены графики токов статора двигателя при напряжении 660В и частотах 20Гц и 50Гц (рис. 3).

112

Рисунок 3 – Кривые мгновенных значений действительной и мнимой составляющих токов статора двигателя при частоте входного напряжения 20 Гц (а) и 50Гц (б) Таким образом, разработанная компьютерная модель частотно-управляемого асинхронного электродвигателя может быть использована для расчетов переходных и установившихся процессов в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе горной машины. Перечень ссылок 1. http://ukrniive.com.ua/ 2.СивокобиленкоВ.Ф. Математична модель електротехнічного комплексу шахти з перетворювачами частоти / Сивокобиленко В.Ф., ВасилецьС.В. //Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія “Електротехніка та електроенергетика”. – Донецьк, ДонНТУ, 2013. – Вип. 1(14)’2013. – С.250-255. 3.ШрейнерР.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты / Р.Т. Шрейнер. – Екатеринбург: УРО РАН, 2000. – 654 с. 4.Моделювнняелектромеханічних систем: Підручник / ЧорнийО.П., Луговой А.В., РодькінД.Й., СисюкГ.Ю., Садовой О.В.– Кременчук, 2001. – 410 с. 5.WildiTheodoreElectricalmachines, drivesandpowersystems / 5-th ed. - USA, NewJersey, PearsonEducation., Inc., 2002. - 907p.

113

УДК 622.012 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАГРУЗКИ ПРИВОДА ОЧИСТНОГО КОМБАЙНА С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ПОДАЧИ Проценко А.С., студент; Ставицкий В.Н., доц., к.т.н. (ГВУЗ Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Украина) Эффективность работы шахты напрямую зависит от эффективного использования добывающего оборудования. Работа с пластами малой мощности на глубоких горизонтах, а также необходимость более точного определения местоположения, предполагает увеличение скорости срабатывания различных элементов автоматики и повышение надежности для обеспечения безопасной работы обслуживающего персонала и предохранения оборудования от различных негативных факторов рабочего процесса. В связи с этим проблемам автоматики и автоматизации уделяется значительное внимание. Одной из актуальных задач в области автоматизации добычных комбайнов является задача совершенствования средств регулирования нагрузки на привод. Существующие устройства рассчитаны на работу с объемным гидроприводом, не могут быть использованы для работы с современными комбайнами с частотно-регулируемым приводом подачи, поэтому задача совершенствования устройства автоматического регулирования нагрузки и скорости подачи добычного комбайна с частотно-регулируемым приводом актуальна на сегодняшний день. Электропривод очистных комбайнов включает нерегулируемый, как правило двухдвигательный, асинхронный электропривод резания и регулируемый привод механизма подачи. В качестве привода механизма подачи применяются следующие системы: гидравлический привод (комбайны К101, 1ГШ68,2ГШ68, КШ1КГУ, КШ3М); электропривод с электромагнитной муфтой (комбайны К103М, КА90, К85); тиристорный электропривод постоянного тока (комбайны 1КШЭ, КСП, К10П) и интенсивно развивающийся частотнорегулируемый электропривод (ЧРЭП).Длительный опыт применения первых трех из указанных выше систем привода показал следующее.Гидравлический привод, обладая хорошими массогабаритными параметрами и простыми средствами ограничения перегрузок, имеет существенные недостатки - низкие КПД, надежность и долговечность, высокую чувствительность к чистоте рабочей жидкости. Кроме того, при создании привода с высокими силовыми и скоростными параметрами из-за больших потерь мощности возникают трудности с охлаждением привода. Электропривод с электромагнитной муфтой скольжения, простой в регулировании скорости подачи, имеет низкий КПД особенно в диапазоне скоростей подачи в два и больше раз ниже максимальной, невысокую надежность муфты. Также проблематично охлаждение привода при высоких мощностях привода подачи из-за больших потерь мощности. Электропривод постоянного тока имеет высокий КПД, достаточную надежность, позволяет получить высокие силовые и скоростные параметры механизма подачи. Однако двигатель постоянного тока имеет в 2...2,4 раза большие габариты и стоимость по сравнению с асинхронным двигателем (АД) при одной и той же мощности, что приводит к увеличению габаритов очистных комбайнов, работающих в ограниченных пространствах горных выработок.В связи с вышеизложенным в последнее десятилетие ведутся исследовательские и опытно-конструкторские работы по применению для механизмов подачи очистных комбайнов частотно-регулируемого электропривода (ЧРЭП), включающего преобразователь частоты (ПЧ) и асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором. ЧРЭП имеет высокие КПД и надежность, адаптированный к тяжелым условиям эксплуатации горной промышленности надежный и простой АД, и электронный ПЧ на современных силовых ключах. 114

Одним из устройств широко применяемым для автоматизации очистных комбайнов является автоматический регулятор нагрузки очистного комбайна типа УРАН.1М. Предназначен для управления режимами работы комбайнов с механизмом подачи 1Г 405 путём автоматического изменения скорости подачи. Структурная схема регулятора нагрузки очистного комбайна типа УРАН. 1М приведена на рисунке 1 на схеме обозначены: ДТ – датчики тока; ДС – датчики скорости; ЗС – задатчики скорости; ЭГР - электрогидрораспределитель; УРАН-устройство регулирования нагрузки. ДС ЭГР ДТ

УРАН ЗС

ПУСК

Рисунок 1-Структурная схема регулятора нагрузки очистного комбайна типа УРАН. 1М. Автоматический регулятор нагрузки очистного комбайна типа УРАН. 1М рассчитан на работу с комбайнами с гидравлической системой подачи и не может быть использован для работы с современными комбайнами с частотно-регулируемым приводом подачи, поэтому задача - доработать регулятор нагрузки на работу с встроеннымчастотнорегулируемымэлектроприводоммеханизмаподачиочистного комбайна. Структурная схема разрабатываемого устройства приведена на рисунке 2. БС

ИДС

ДТ ПЧ

УРАН

ЗС

ПУСК

Рисунок 2 – Структурная схема совершенствованного регулятора нагрузки и скорости подачи УРАН на работу с электрической подающей частью На схеме обозначены: ДТ – датчики тока; ДС – датчик скорости; ЗС – задатчик скорости; БС- блок согласования импульсного датчика скорости с частью аппаратуры УРАН и выходного сигнала части аппаратуры УРАН с преобразователем частоты; M- асинхронный электродвигатель; ПЧ-преобразователь частоты; УРАН- устройство регулирования нагрузки.

115

Для работы регулятора нагрузки УРАН с комбайнами с электрической подающей частью, необходимо согласовать импульсный датчик скорости и преобразователь частоты с частью аппаратуры УРАН. Рассмотрим блок согласования. Структурная схема разрабатываемого блока согласования приведена на рисунке3. На схеме обозначены: МУ - масштабирующее устройство; АО - амплитудный ограничитель; МК – микроконтроллер; ПИ - приёмник интерфейса (микросхема); УС – устройство согласования ; ЦАП -цифро-аналоговый преобразователь; УМ – усилитель мощности. Контур 2 УРАН

МУ

ПЧ

ПИ

АО МК

ЦАП

УС

ИДС

УМ

УРАН

БП

Контур 1

Рисунок 3-Структурная схема блока согласования Работа структурной схемы блока согласования заключается в следующем. В схеме присутствует два контура. Контур 1 обеспечивает согласование импульсного датчика скорости с частью аппаратуры УРАН, контур 2 согласует выходной сигнал аппаратуры УРАН с преобразователем частоты. Рассмотрим контур 1. От датчика скорости поступает импульсный сигнал, и поступает на устройство согласования. Далее сигналы поступают на микроконтроллер (МК). МК обрабатывает их и подает на цифро-аналоговый преобразователь, где происходит преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал. Далее сигнал поступает на усилитель мощности. Усиленный сигнал идет на регулятор нагрузи. Рассмотрим контур 2.От блока УРАН подается постоянное напряжение 24В, и поступает на масштабирующее устройство, где происходит понижение входного сигнала до 5В. После прохода через масштабирующее устройство сигналы идут на АО. Амплитудный ограничитель обеспечивает защиту входа микроконтроллера от перегрузок. Далее сигналы поступают на микроконтроллер. МК собирает информацию, обрабатывает её и подает на преобразователь интерфейса. После чего сигналы поступают на преобразователь частоты. Таким образом, разработанные технические решения позволят использовать существующую аппаратуру УРАН для автоматизации комбайнов с ЧРЭП, не требуя разработки новых устройств. Перечень ссылок 1.Батицкий В.А., Куроедов В.И., Рыжков А.А. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности: Учебник для техникумов.-2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1991.-303 с. 2.Автоматизация процессов подземных горных работ / Под ред. проф. А.А.Иванова. – К.; Донецк: Вища школа. Головное изд-во, 1987. – 328 с. 3.А.К. Малиновский. Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников. – М., Недра, 1987.

116

УДК 62-551.454 ПРИМЕНЕНИЕ ФИЛЬТРА СКОЛЬЗЯЩЕГО СРЕДНЕГО ПРИ СИНТЕЗЕ САУ КАМЕРНОЙ ПЕЧИ В ПУЛЬСИРУЮЩЕМ РЕЖИМЕ Скоробогатова И.В., аспирант; Гавриленко Б.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Поддержание заданной карты нагрева заготовок металла зависит от качества переходных процессов по установлению температуры в рабочем пространстве камерной печи. Регулирование температуры продуктов сгорания осуществляется при помощи ПИДрегулятора. Указанный тип регулятора реализует пропорционально-интегральнодифференциальный закон управления: τ 1 dε u( τ ) = kp ⋅ ε + ⋅ ∫ εdτ + Td ⋅ , Tu 0 dτ где Tu − постоянная времени интегрирования, kp − коэффициент пропорционирования, Td − постоянная времени дифференцирования. Применение ПИД-регулятора в системе автоматического управления (САУ) камерной печи в пульсирующем режиме имеет ряд преимуществ по сравнению с П- и ПИрегуляторами. При установлении температуры в печи ниже заданной температуры, согласно режимной карте, регулятор выдает управляющее воздействие на открытие клапана энергоносителя. Так как камерная печь уже разогрета до начальной температуры печи tp n , то после появления управляющего сигнала с П-регулятора температура продуктов сгорания будет возрастать время τ и затем снижаться. При этом в системе управления наблюдаются затухающие колебания, а стабилизация температуры в печи произойдет через время перерегулирования. kp При дальнейшем увеличении коэффициента передачи возникает автоколебательный режим. Переходная характеристика температуры в печи получена в результате моделирования в среде MATLAB (рис.1). 1800

1600

1400

1200

T, 0C

1000

800

600

400

200

-200 0

time, sec

Рисунок 1 – Переходная характеристика температуры в рабочем пространстве камерной печи при kp = 20 117

Таким образом, применение П-регулятора приводит к появлению рассогласования между уставкой и фактическим значением температуры продуктов сгорания. Дополнительное применение интегрирующего канала позволяет скомпенсировать статическую ошибку. В соответствии с ПИ-законом регулирования для рассмотренного случая, клапан срабатывает согласно его быстродействию и дополнительно перемещается со скоростью, пропорциональной отклонению температуры в печи. Следовательно, исчезает статическая ошибка, но в тоже увеличивается время переходного процесса. Управление по производной является быстрым способом управления, следовательно, включение дифференциального канала в систему управления позволит увеличить темп динамических характеристик. Таким образом, ПИД-регулятор прогнозирует ожидаемую ошибку за счет дифференциальной составляющей, воздействует на объект управления пропорционально отклонению, интегралу этого отклонения и скорости изменения температуры в печи. К достоинствам ПИД-регулятора также относятся простота построения и низкая стоимость. Однако практическая реализация ПИД-регуляторов при термической обработке заготовок металла в камерной печи в энергосберегающем режиме вызывает ряд трудностей. В частности, это обусловлено необходимостью плавной смены настроек регулятора при переходе из режима основного нагрева в режим выдержки, наличием нелинейностей в исполнительных механизмах подачи топлива и воздуха и ограничениями, вызванными пропускной способностью регулирующих органов и мощностью применяемого типа горелочных устройств. Особенностью пульсирующего режима сжигания топлива при синтезе системы управления является синхронизация в подаче энергоносителя и работа на низких частотах переключения клапанов, что предполагает увеличение быстродействия системы [1]. Полученные при моделировании переходные процессы по установлению расхода газа в пульсирующем режиме предполагают изменение настроек регулятора с заданной технологическими условиями частотой (рис.2).

Рисунок 2 – Переходные процессы по установлению расхода газа в пульсирующем режиме 118

При этом качество переходных процессов по установлению температуры в камерной печи зависит от помех, возникающих при настройке Д-компоненты ПИД-регулятора. Дифференциальный канал дополнительно усиливает высокочастотные и низкочастотные помехи. Камерная печь как объект управления представляет низкочастотный фильтр, поэтому помехи измерений практически не проникают по контуру регулирования температуры, но одновременно снижают точность и увеличивают погрешность измерений параметров теплового процесса. Высокочастотные помехи приводят к износу газо- и воздухопровода, и увеличивают износ исполнительных механизмов подачи энергоносителя [2]. В случае, когда данные по измерению температуры в камерной печи сильно зашумлены, необходимо произвести их сглаживание. Для подавления возникающих помех и шумов последовательно с ПИД-регулятором включают сглаживающий фильтр (рис.3). Ɛ(p) Wpid(p)

F(p) y *(p)

y(p)

UR(τ) KMK

Wum(p)

f(p)

Wo(p) n(p)

Т*(p)

Wsf(p)

Рисунок 3 – Включение фильтра в САУ работой камерной печи В соответствии с рисунком 3 выразим связь между заданным значением температуры и выходным сигналом [3]:

Wo( p ) ⋅ Wpid ( p ) ⋅ Wf ( p ) ⋅ y* + 1 + Wo( p ) ⋅ Wpid ( p ) ⋅ Ws( p ) Wo( p ) Wo( p ) ⋅ Wpid ( p ) ⋅ Wsf ( p ) + ⋅f − ⋅n 1 + Wo( p ) ⋅ Wpid ( p ) ⋅ Ws( p ) 1 + Wo( p ) ⋅ Wpid ( p ) ⋅ Ws( p ) Wo( p ) ⋅ Wpid ( p ) ⋅ Wf ( p ) y= ⋅ y* + 1 + Wo( p ) ⋅ Wpid ( p ) ⋅ Ws( p ) Wo( p ) 1 + ⋅f + ⋅n 1 + Wo( p ) ⋅ Wpid ( p ) ⋅ Ws( p ) 1 + Wo( p ) ⋅ Wpid ( p ) ⋅ Ws( p ) Wpid ( p ) ⋅ Wf ( p ) u= ⋅ y* − 1 + Wo( p ) ⋅ Wpid ( p ) ⋅ Ws( p ) , Wo( p ) ⋅ Wpid ( p ) ⋅ Wsf ( p ) Wo( p ) ⋅ Wpid ( p ) ⋅ Wsf ( p ) ⋅f − ⋅n − 1 + Wo( p ) ⋅ Wpid ( p ) ⋅ Ws( p ) 1 + Wo( p ) ⋅ Wpid ( p ) ⋅ Ws( p ) x=

a1 ⋅ Tu ⋅ Td ⋅ p 2 + a 2 ⋅ Tu ⋅ p + 1 1 + Td ⋅ p ) ; F ( p ) = или где Wpid ( p ) = kp ⋅ ( 1 + Tu ⋅ p Tu ⋅ Td ⋅ p 2 + Tu ⋅ p + 1 1 a1 + + a 2 ⋅ Td ⋅ p Tu ⋅ p 1 F( p ) = Wsf ( p ) = ; 2 2 1 Tsf ⋅ p 1+ + Td ⋅ p + Tsf ⋅ p + 1 Tu ⋅ p 2 Постоянная времени фильтра определяется с учетом колебательности M : 1 Tf ( p ) = ⋅ M 2 −1 wf

119

При моделировании в среде MATLAB получены динамические характеристики температуры в печи, представленные на рисунках 4 и 5. 1800 1600 1400 1200

T,0C

1000 800 600 400 200 0 -200 0

time, sec

Рисунок 4 – Переходный процесс по установлению температуры КП без фильтра 1800 1600 1400 1200

T, 0C

1000 800 600 400 200 0 -200 0

time,sec

Рисунок 5 – Переходный процесс по установлению температуры КП с фильтром Применение фильтра в дифференциальном канале устраняет помехи выходной величины ПИД-регулятора и позволяет получить плавную динамическую характеристику (рис.5). Так как сглаживание приводит к невыполнению условия нормального распределения ошибки по температуре продуктов сгорания, то данная операция применяется только для получения информации о возможном выборе типа математической модели, а процесс подбора параметров модели осуществляется для первоначальных исходных данных. Перечень ссылок 1. Скоробогатова І. В. Спосіб інтенсифікації конвективного теплообміну/ Бірюков О. Б., Гавриленко Б. В., Гнітійов П. О. // патент України на корисну модель № 85127 від 11.11.2013 р. 2. Денисенко В.В. ПИД – регуляторы: вопросы реализации. Ч. 2.//Современные технологии автоматизации – 2008. - №1. – с. 86-97. 3. Astrom K. J. Advanced PID control/ K. J. Astrom, T. Hagglund – ISA (The instrumentation, Systems, and Automation Society), 2006 – 460 p.

120

УДК 625.46 ПЕРЕВАГИ ВИКОРИСТАННЯ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ ПЕРЕД ДВИГУНАМИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ У ВАГОНАХ МІСЬКОГО ТРАМВАЮ Сокур І.М., магістрант; Моргун М.Г., магістрант; Максимов М.М., доц., к.т.н. (ДВНЗ «Криворізький національний університет», м. Кривий Ріг, Україна ) Питання модернізації міського електротранспорту в даний час є особливо актуальними. Переважна кількість існуючого парку машин (як трамваїв, так і тролейбусів) за своїми технічними характеристиками, ергономічним показникам, рівнем комфорту та дизайну морально і технічно застаріла. У зв’язку з цим головними завданнями модернізації є: зниження енергоспоживання, зменшення експлуатаційних витрат, підвищення надійності при одночасному поліпшенні споживчих показників трамваїв і тролейбусів, як для пасажирів, так і для водіїв і обслуговуючого персоналу. Досягти значних результатів у покращенні показників роботи неможливо без модернізації електрообладнання. Перспективним напрямком в цій області є застосування електроприводів змінного струму з короткозамкненими асинхронними двигунами, що живляться від напівпровідникових перетворювачів частоти з мікропроцесорними системами управління. [1] На основі вимог технологічного процесу роботи був обраний перетворювач частоти. Перетворювач містить вхідний фільтр, що зменшує вплив пристрою на сусідні споживачі; транзисторний буферний конвертор, формуючий необхідну напругу постійного струму, що забезпечує рекуперацію енергії та захисні функції; блок розсіювання енергії, що забезпечує гальмування двигунів при відсутності можливості рекуперації, і автономний інвертор напруги з широтно-імпульсною модуляцією. Елементною основою силової схеми перетворювача є IGBT-модулі. Трамвайний вагон комплектується двома однотипними перетворювачами частоти, кожен з яких живить два асинхронних короткозамкнених двигуна. Передбачена можливість руху трамваю від кожного з перетворювачів окремо. Система управління перетворювачем забезпечує роботу автономного інвертора в режимі широтно-імпульсної модуляції, компенсацію «мертвого часу» та падіння напруги на силових ключах інвертора. Застосовано спеціальний алгоритм модуляції, що дозволяє збільшити максимальну діючу напругу на виході інвертора. [2] Мережа постійного струму

Вхідний фільтр

Буферний конвертор

Автономний інвертор напруги

Блок розсіювання енергії Тягові двигуни

Рисунок 1- Спрощена функціональна схема перетворювача Для забезпечення найбільш ефективної роботи системи використовується закон частотного регулювання на основі постійності повного потокозчеплення обмотки статора. У режимі сталостіψ 1 повністю компенсується падіння напруги на активних опорах статора. Цим усувається вплив активних опорів на головний потік двигуна. Порівняння режимів пропорційного управління та сталості потокозчеплення обмотки статора з енергетичних показників показує істотну перевагу останнього при низьких частотах і зміну навантаження двигуна в широких межах. Сумарні втрати АД в режиміψ 1 = ψ 1ном менше, а коефіцієнт корисної дії вище. [3]

121

Аналітичні вирази абсолютного ковзання та електромагнітного моменту в критичній точці при лінійному магнітному колі АД і нехтуванні витісненням струму в роторі мають такий вигляд:

β к = ± R2 ⋅ М к* = ±

X 0 ⋅ X 1σ

X 0 + X 1σ ; + X 0 ⋅ X 2σ + X 1σ ⋅ X 2σ

R2 ⋅ X 02 δ 1ном ⋅ ⋅ψ 12 . β ном 2 ⋅ ( Х 0 + Х 1σ ) ⋅ ( Х 0 ⋅ Х 1σ + Х 0 ⋅ Х 2σ + Х 1σ ⋅ Х 2σ )

У цьому режимі абсолютне ковзання β к і момент М к* не залежать від частоти і будуть мати ті ж значення, що і при ω1* = ω1ном = 1, якщо забезпечується сталістьψ 1 = ψ 1ном , тобто забезпечується те потокозчеплення, яке має місце при номінальному режимі роботи двигуна. Загальний характер поведінки втрат при фіксованому значенні моменту і зміну швидкості двигуна зберігається, тобто зменшення частоти приводить до зменшення втрат в системі ПЧ-АД. У цілому коефіцієнт корисної дії електропривода в режиміψ 1 = ψ 1ном більше в порівнянні з режимом пропорційного управління.

Рисунок 2 – Енергетичні характеристики сумарних втрат (а) та ККД (б) системи у режимі ψ 1 = ψ 1ном Аналіз характеристик АД в режимі 𝜓𝜓1 = 𝜓𝜓1ном показує, що при всіх частотах двигун працює в умовах, найбільш близьких до умов його роботи при номінальній частоті, а його ковзання β к і момент М к* з лінійною характеристикою намагнічування постійні і залежать лише від його параметрів. Здійснення закону управління при сталості потокозчеплення статора складніше, тому що напруга на статорі в цьому випадку має змінюватися у функції частоти ω1* і навантаження М * . Реалізувати такий закон управління в параметричній формі не уявляється можливим. На практиці режим постійності повного потокозчеплення обмотки статора ψ 1 = const забезпечується регулюванням безпосередньо ψ 1 або e1 , для чого в системах автоматичного управління передбачаються відповідні датчики або обчислювачі. При заміні двигуна постійного струму на двигун змінного струму досягається велика економія витрат на ремонт, електроенергію і поточні витрати, що робить двигун змінного струму економічним по експлуатаційним витратам. Також слід врахувати, що термін служби асинхронного двигуна у два рази перевищує термін служби двигуна постійного струму. Перелік посилань 1. Браславский И. Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод. ‒ М.: Academa, 2004. ‒ 202 с. 2. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными электродвигателями. ‒ 2-е изд., доп. ‒ М.: Наука, 1966. ‒ 297 с. 3. Маевский О. А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. ‒ М.: Энергия, 1978. ‒ 320 с. 122

УДК 047.58 МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ВИДОБУВНОГО КОМБАЙНУ Ставицький В.М.., доц., к.т.н.; Капустняк Д.Л., студент (ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк, Україна) Збільшення глибини гірничих виробок, погіршення умов, в яких працює видобувна техніка призводить до підвищення вимог до надійності та диапазону регулювання основних технологічних параметрів. Існуючі засоби регулювання (найпоширеніші варіанти – вбудована система з гідравлічним приводом та віднесена система (ВСП) з електромагнітними муфтами ковзання (ЕМК)) не задовольняють сучасним вимогам, що призводить до необхідності розробки нових технічних рішень автоматизації технологічних процесів. Розрахункова схема моделі видобувного комбайну з ВСП наведена на рис.1. З метою спрощення моделі при її складанні врахувуються наступні обмеження: v N

Fспр

Fт

G·sin Fтр

G·cosγ

Рисунок 1 – Розрахункова схема видобувного комбайну з ВСП 1) міцність вугільного масиву розглядається як функція, що представляє собою залежність випадкової нормально розподіленої величини від координати залягання в пласті А(х) (рис.2); таке представлення дозволяє врахувати наявність випадкових твердих включень в пласті, які характеризуються більш високою міцністю; 2) з усіх зусиль, що визначають рух комбайну враховуються наступні: - стискальне зусилля Fт, яке створюється приводом ВСП; - сила тертя комбайну Fтр під час його руху по ставу конвеєра; - складова сили спротиву руху, обумовлена вагою комбайну і ухилом лави (G·sinγ); - основна складова сили спротиву Fспр, обумовлена опором, який створює вугільний А(х) А(х)

Аср

х Рисунок 2 – Випадкова залежність міцності вугільного масиву у вибої 123

масив під час переміщення комбайну по вибою; 3) комбайн рухається з нижньої частини вибою у верхню частину; 4) стискальне (тягове) зусилля створюється тільки одним (для розглянутого випадку – верхнім) приводом ВСП; нижній привод ВСП створює зусилля, яке підтягує холосту (нижню) ланку тягового ланцюга і на рух комбайну майже не впливає. Враховуючи вказані обмеження, можна, спираючись на 2-ий закон Ньютона записати рівняння руху комбайну (1): m⋅

dv п = Fт − mg ⋅ sin( γ ) − Fтр − Fспр dt

(1)

де vп – швидкість пересування комбайну; γ – кут падіння пласту; m – маса комбайну. Сила тертя визначається на основі співвідношення (2): Fтр = f ⋅ mg ⋅ cos( γ )

(2)

де f – коефіціент сухого тертя комбайну, який тягнеться по поверхні ставу конвеєра. Тягове зусилля визначається системою управління, яка впливаючи на ЕМК, забезпечує прискорення або уповільнення комбайну в залежності від навантаження електропривода виконавчого органу. Закон керування приводом пересування, а отже, і стискальне зусилля визначається наступним чином: якщо Iв ≤ Iном Fт max ,   1.05Iном − Iи  Fт =  , якщо Iв > Iном 21 ⋅ Fт max ⋅   1 . 05 I ном   

(3)

де Fт max – максимально припустиме стискальне зусилля комбайну; Iв – струм, що споживається приводом виконавчого органу; Iном – номінальний струм привода виконавчого органу. Вказаний закон керування має дві зони і забезпечує створення максимального стискального зусилля в режимі неповного навантаження (зона 1) і інтенсивне зменшення стискального зусилля в разі перевантаження привода виконавчого органу (зона 2). Якщо струм, що споживається приводом виконавчого органу, перевищує більше як на 5% номінальне значення, стискальне зусилля стає нульовим. Описаний закон керування може бути проіллюстрований діаграмою на рис. 3. Контрольованим параметром, що визначає режим роботи ВСП є струм Iв, що споживається приводом виконавчого органу. В реальних умовах інформація про нього Fт Fт max

0 Iном 1.05Iном Рисунок 3 – Закон керування приводом пересування 124

Iв

надходить від датчика струму. Для визначення цієї величини в процесі моделювання доцільно скористатись спрощеною методикою, викладеною в [1]. Згідно з вказаною методикою активна потужність Рв, якою характеризується робота привода виконавчого органу комбайну, може бути представлена двома складовими: - постійною складовою ав, яка визначає умовну потужність, яку б привод виконавчого органу споживав від мережи в режимі нульової швидкості пересування; - змінною складовою bв, яка визначає збільшення споживаної потужності в разі збільшення швидкості пересування на 1м/хв.

Pв = a в + b в ⋅ v п a в = 0.0025

bв = 2

v в n pp η

(α + β ⋅ A )

B⋅H ⋅δ ⋅A η

(4) (5) (6)

де vв – швидкість руху різців, які знаходяться на виконавчому органі; η – ККД механізму пересування; B – ширина захвату; Н – потужність пласту; А – міцність вугільного масиву; α, β, δ – коефіціенти, що визначаються маркою вугілля і його крихко-пластичними властивостями [1]. Кількість різців виконавчого органу npр, які одночасно контактують з вибоєм, визначається на основі співвідношення (7): n рр = 0.5n р Н / D

(7)

де np – кількість різців на виконавчому органі; D – діаметр виконавчого органу. Струм, що споживається приводом виконавчого органу, може бути визначений на основі активної потужності: Pв (8) Iв = 3 ⋅ U н ⋅ cos(ϕ) Враховуючи співвідношення (4) – (8), а також випадкову функціональну залежність А(х) міцності вугільного масиву від координати знаходження в лаві, отримана залежність величини струму Iв від швидкості і місця знаходження комбайну у видобувному вибої. Місце знаходження комбайну в лаві визначається шляхом інтегрування швидкості пересування. Отримані рівняння і статичні залежності були використані для складання математичної моделі роботи видобувного комбайну з ВСП. Модель реалізована засобами системи математичних розрахунків MathCAD. Отримана модель може бути використана для дослідження роботи комбайну в режимах стабілізації навантаження і швидкості, а також для обгрунтування технічних рішень, спрямованих на удосконалення системи автоматизації видобувного комбайну. На рис.4 наведені діаграми, які іллюструють процес роботи комбайна в режимі стабілізації швидкості. На фоні незмінної швидкості пересування спостерігаються коливання навантаження виконавчого органу, що пояснюється зміною міцності вугільного масиву в процесі переміщення комбайну у вибої. Доволі тривалі перевантаження, амплітуда яких може досягати 20...30%, можуть спричинити перегрів і відключення двигуна комбайну. З іншого боку, спостерігаються доволі тривалі інтервали недонавантаженої роботи. Це є чинником, що зменшує продуктивність роботи комбайну.

125

vп(t)

t Iв(t) Iном

Iв(t)

t Рисунок 4 – Режим стабілізації швидкості На рис.5 наведені діаграми, які іллюструють процес роботи комбайна в режимі стабілізації навантаження. Спостерігається відсутність значних змін струму, що споживається двигуном привода виконавчого органу, не дивлячись на такі ж самі коливання міцності вугільного масиву. Результат досягнуто за рахунок застосування керування швидкістю пересування комбайну. Стабільна робота привода виконавчого органу, який є найпотужнішим силовим агрегатом комбайну, забезпезпечує безвідмовність і високу продуктивність роботи комбайну. На рис.6 наведена іллюстрація, що підтверджує відсутність втрати продуктивності в режимі стабілізації навантаження. Діаграми, наведені на рис.5, дозволяють виявити один з недоліків базової системи керування приводом пересування на основі застосування ЕМК. Він полягає в обмеженості максимальної швидкості пересування комбайну УКД200 паспортною величиною 5м/хв. Це не дозволяє в разі можливості збільшити швидкість, а отже, і продуктивність роботи комбайну при відпрацьовуванні м’яких ділянок пласту (кінцева зона верхньої діаграми). Причина цього полягає, перед усім, в недостатній енергетичній ефективності привода пересування з ЕМК, оскільки остання характеризується доволі низьким ККД. З результатів моделювання випливає наступне: 1) При відпрацьовуванні тонких пластів найбільш безпечним і ефективним є використання комбайнів з ВСП. Отже, використання базового комбайну УКД200-250 за даних умов є цілком виправданим. 2) Задля забезпеченння безвідмовної високопродуктивної роботи комбайна в умовах коливань міцності пласта необхідно застосовувати режим стабілізації навантаження, який реалізується шляхом регулювання швтидкості пересування;

126

vп(t) vср

vп(t)

t Iв(t) Iном

Iв(t)

t Рисунок 5 – Режим стабілізації навантаження 3) Використання ЕМК в складі винесеної системи привода пересування комбайна призводить до погіршення його енергетичних характеристик, а отже обмежує його продуктивність і зменшує надійність. 4) Забезпечити високі експлуатаційні показники роботи комбайна можна, якщо впровадити пряме регулювання двигуном системи пересування, наприклад, за рахунок впровадження засобів частотного регулювання двигунів винесеної системи привода пересування. При цьому усувається ЕМК, яка є основним джерелом втрат енергії, відсутня необхідність в переробці конструкції комбайну, оскільки ПЧ розміщується на штреках, в х(t) Стабілізація навантаження

Стабілізація швидкості t Рисунок 6 – Рух комбайну у вибої

127

безпосередній близькості від приводів ВСП. Це, в свою чергу, обумовлює відсутність жорстких вимог до габаритів ПЧ, в якості яких можуть застосовуватись вибухозахищені перетворювачі, що серійно виробляються. Розташування ПЧ поряд з двигунами ВСП усуває необхідність вирішення питань електробезпеки, пов’язаних з витоками на землю в мережі зі змінною напругою високої частоти. 5) Існуючі засоби автоматизації комбайнів з ВСП (КД-А, КУУВ-ВСП) мають схожу структуру і розраховані на експлуатацію разом з приводами, до складу яких входять ЕМК. За відсутності ЕМК і наявності замість них ПЧ виникає необхідність в модернізації вказаних засобів автоматизації – розробці нових блоків або адаптації існуючих для нових умов. 6) Аналіз структурної схеми апаратури КД-А свідчить про необхідність удосконалення системи РНШ шляхом її переробки і адаптації до умов роботи з ПЧ, які серійно виробляються. Схема модернізованої винесеної системи привода пересування, яка враховує наведені вище зауваження, наведена на рис.7. ~ Датчик струму

БКДК

Датчик струму Датчик струму

АД різання

АД пересування 1

Регулятор навантаження і швидкості (модернізований) РНС-М

комбайн

АД пересування 2

ВСП комбайна

БКДП

ПЧ 2

Управління

Датчик швидкості

ПЧ 1

Датчик швидкості

Задатчик швидкості

КД-А

До тягового органу

Рисунок 7 – Структурна схема автоматизованої системи управління модернізованою ВСП видобувного комбайну Перелік посилань 1. Методические указания «Выбор средств механизации очистных работ и определение рационального режима работы выемочной машины». – Донецк, ДонНТУ, 2002. - 47с.

128

УДК 622, 647.7 ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПА УПРАВЛЕНИЯ И СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОТРАНСПОРТНЫМ КОМПЛЕКСОМ ШАХТЫ Семенова Ю.А., студент; Оголобченко А.С., доц., к.т.н (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) В настоящее время на гидрошахтах могут быть эффективно применены гидравлический и механический способ выемки угля: механический - с помощью очистных комбайнов и гидравлический - с помощью гидромониторов. В этом случае транспортирование угля из добычных забоев на поверхность шахты осуществляется комбинированным способом - от добычных участков с комбайновой выемкой угля с помощью ленточных конвейеров, а от добычных участков с гидравлической выемкой угля гидротранспортом. Таким образом, гидротранспортный комплекс шахты как объект управления состоит из ряда локальных объектов управления (см. рисунок 1): гидроподъёмная установка (ГПУ), осуществляющая транспортирование гидросмеси с пульповодосборника на поверхность шахты до обогатительной фабрики (ОФ); углесосная установка (УУ), осуществляющая перекачку гидросмеси от добычных участков с гидравлической выемкой угля в пульповодосборник гидроподъёмной установки; ленточный конвейер, который транспортирует уголь от добычного участка с комбайновой выемкой угля; водоотливная установка (ВУ), осуществляющая перекачивание воды с горных выработок добычного участка с комбайновой выемкой угля в пульповодосборник гидроподъёмной установки.

Рисунок 1 - Гидравлическая схема гидротранспортного комплекса Также на рисунке 1 изображена трасса безнапорного гидротранспорта, куда сбрасывается с конвейера уголь через дробилку и одновременно подаётся вода на смыв от насосной установки (НУ) с поверхности шахты. Далее гидросмесь безнапорным потоком поступает в пульповодосборник гидроподъёмной установки. Таким образом в гидротранспортном комплексе шахты выход одного локального объекта является входом последующего объекта, взаимосвязанных между собой единством технологического процесса. Также характерной особенностью работы гидротранспортного комплекса шахты является неравномерность грузопотока, поступающего к нему, что обусловлено технологией выемки угля в забоях. В работе предложено, для обеспечения эффективности и ритмичности работы гидротранспортного комплекса шахты управление таким объектом осуществлять по

129

двухуровневой системе управления, на верхнем уровне которой осуществляется координация работы всех технологических установок комплекса, а на нижнем - управление отдельными технологическими установками. Управление на всех уровнях должно осуществляться в соответствии с условиями критериев управления. Глобальный критерий для координации работы гидротранспортного комплекса шахты в целом формулируется как: обеспечение непрерывной работы гидротранспортного комплекса шахты в условиях отклонения потоков гидросмеси от расчетных значений при минимально необходимом расходе воды и электроэнергии на 1 тонну транспортируемой горной массы. Требование непрерывной готовности работы гидротранспортного комплекса диктуется случайным характером потребности в гидроэнергии и поступлении горной массы в транспортируемую сеть из забоев. Требование минимально необходимого расхода воды в системе гидротранспорта обусловлено необходимостью обеспечения: максимальной эффективности работы технологических установок, минимальных эксплуатационных затрат на содержание гидротранспортного комплекса и поддержание максимальной пропускной способностью его по горной массе. Требования минимального необходимого расхода электроэнергии обусловлено высокой энергоёмкостью технологических установок, так как в качестве приводных электродвигателей насосов и углесосов используются мощные от 630 кВт до 1500кВт электродвигатели. Так как гидротранспортный комплекс состоит из совокупности объектов, то условия глобального критерия управления выполняется частично при управлении каждым объектом комплекса в соответствии с локальным критерием управления. Углесосная установка представляет собой узел сосредоточения гидросмеси с углесосом. Возмущение (колебание притока гидросмеси от забоев) на неё распространяется по безнапорному каналу. Углесосная установка по отношению к возмущению ведёт себя как безинерционное звено, а по отношению к управляющим воздействиям - как инерционное. Период инерционности (переключения режимов) достигает 10 минут и более. Емкость её пульповодосборника недостаточная для компенсации возможных возмущений. Для углесосной установки локальный критерий управления Ф1 (Тэ) может быть представлен как: Ф1 (Т Э ) => WP* = WP − ∆WP → max,

при Wmin ≤ Wt ≤ Wmax, ,

где: Wt , Wmin , Wmax - соответственно текущий объем заполнения, верхнее и нижнее значение регулирующей (рабочей) емкости пульповодосборнике, м, Тэ - период определения * эффективности, изменение, WP - объем эффективно используемой части регулирующей емкости Wp пульповодосборника, характеризующий амплитуду колебаний объема (уровня), м3, ∆Wp - неэффективно используемая часть Wp, обусловлена максимальной величиной абсолютной погрешности принятого способа управления углесосных установкой, м3. Управляемой переменной является подача углесосной установки, которая зависит от текущего режима работы (разрегулирование, зарегулирование). Поток гидросмеси от углесосной установки является нагрузкой для последующего звена гидротранспортного комплекса шахты - гидроподъёма. Для гидроподьемной установки критерий управления Ф2 (Тэ) может быть представлен в форме выполнения ограничений: г г Wmin ≤ Wt г ≤ Wmax

у у Qmin ≤ Qtу ≤ Qmax

130

где: Wmin , Wt , Wmax - соответственно текущий объем заполнения, нижнее и верхнее значения рабочей емкости пульповодосборника гидроподъёмной установки; у у Qmin , Q у , Qmax - текущая минимально допустимая и максимально возможная подача

углесоса гидроподъемной установки. Qmin определяется из расчёта: скорость скорость у

подъёма выше критической при Wt ≤ Wmin , Qmax определяется максимально возможным числом работающих углесосов, обеспечивающих граничное значение к.п.д. Управление гидроподъёмной установкой в соответствии с указанным критерием может быть осуществлено как за счет управления совокупностью работающих углесосов (то есть нагрузкой на гидроподьем), так и за счет управления подачей углесосов. Локальный критерий управления подачей воды в трассу безнапорного гидротранспорта Ф3 (Тэ) может быть представлен как: в Q в → Qmin ,

в в где: Q , Qmin - фактический и минимально необходимый расход воды, м3/с, в Значение Qmin , определяется по формуле:

в р пр Qmin = Qmin + Qmin .

Минимально необходимое количество воды, подаваемое для безнапорного гидротранспорта при работающей конвейерной линии определяется по формуле: р Qmin = Qт qвρ −1.

где: Qт - транспортирующая способность потока м3/с; ρ - плотность води кг/м3; qв удельный расход воды м3/кг. Величина удельного расход воды определяется как:

qв = K н' ( K1'i −1 − K 2' i 0,5 + K 3 ), где: Кн - коэффициент, учитывающий неточности уложенных желобов; Кн = 1,2- 1,5; Кі эмпирические коэффициенты, зависящие от свойств транспортируемого материала, их значения для наиболее часто встречающихся условий гидрошахт приведены в соответствующих таблицах [1]. Минимальное количество воды, необходимое для промывок желобов после отключения ленточной конвейерной линии определяется как: пр р n . Qmin τ min = Qmin

где:

n τ min

- минимальное необходимое время промывки пульповоде, с. n = 1,1Lтр (Vкр ) −1 , τ min

Lтр м/с.

- длина безнапорной трассы, м;

Vкр

- критическая скорость гидротранспортировки

Таким образом, суть управления подачей воды в трассу безнапорного гидротранспорта сводится к обеспечению минимально необходимого количества води, подаваемой для безнапорного гидротранспорта при работающей конвейерной линии и обеспечению минимально необходимого времени промывки трассы при отключении ленточной конвейерной линии с последующим отключением насосов станции НС. Водоотливная установка ВУ не является гидротранспортной установкой, она 131

предназначена для перекачивания воды от добычных участков с комбайновой выемкой угля в пульповодосборник гидроподъёмной установки, что влияет на соотношение Т:Ж гидросмеси, а следовательно на эффективность работы гидроподъёмной установки. Также водоотливная установкам является крупным потребителей электроэнергии и имеет свободный цикл работы с технологическими перерывами, что даёт возможность совмещать работу ВУ с периодами тарифных ограничений электроснабжения шахты на суточном интервале времени (пиковые периоды), то есть использовать водоотливную установку как потребителя регулятора в системе электроснабжения, что имеет важное значение [2]. Таким образом, локальный критерий управления водоотливной установкой Ф4 (Тэ) может быть представлен как обеспечение графика работы водоотливной установки только вне зоны пиковых периодов. При этом в перед пиковый период водосборник водоотливной установки должен иметь свободный объем от воды, чтобы при выключенных водоотливной установки водосборник аккумулировал воду с горных выработок. В работе [2] описаны способы автоматического управления водоотливной установкой с учетом пиковых периодов в системе электроснабжения шахты: способ принудительного включения по времени с последующим регулированием подачи, способ управления по трем точкам и способ принудительного включения по времени. Для условий гидротранспортного комплекса шахты может быть использован способ принудительного включения по времени, который используется в алгоритме управления аппаратуры автоматизации насосной станции типа ВАВ.1М. Для автоматического управления гидротранспортным комплексом шахты в соответствии с указанными критериями управления предлагается двухуровневая компьютерной - интегрированная система управления с использованием промышленной шины Структура системы управления приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема компьютерной - интегрированной системы автоматического управления гидротранспортным комплексом шахты Система управления относится по классификации систем управления к PLC-системе. На верхнем уровне управления расположена рабочая станция оператора гидротранспортного комплекса (РСО) и представляет собой персональный компьютер Станция РСО обеспечивает выполнение следующих функций: - согласование работы технологических установок гидротранспортного комплекса шахты в режимах пуска, рабочем режиме и останова; - выбор момента перевода работы технологических установок гидротранспортного комплекса в энергосберегающий режим с учётом пиковых нагрузок в системе 132

электроснабжения шахты; - прогнозирование состояния уровня воды в водосборниках водоотливных установок, гидросмеси в пульповодосборниках углесосных установок и гидроподъёмной установке; - обработка и отображение в табличном и графическом виде в виде интерактивных графических мнемосхем на мнемощите, мониторе или панелях визуализации оператора гидротранспортного комплекса шахты следующей информации: текущий уровень воды в водосборниках водоотливных установок; текущий уровень гидросмеси в пульповодосборниках углесоных установок; текущий уровень гидросмеси в пульповодосборнике гидроподъёмной установки; работа насосных и углесосных установок (включено, выключено); подача насосных и углесосных установок; аварийное состояние водоотливных и углесосных установок с расшифровкой вида неисправности; текущий расход электроэнергии водоотливными и углесосными установками; работа углесосной установки в зарегулированном или разрегулированом режимах; работа конвейерной линии(включено, выключено); наличие подачи воды на смыв угля в трассе безнапорного гидротранспорта; - ведение базы данных с технологической информацией, ее архивирование и резервирование; - генерирование отчетов о работе гидротранспортного комплекса шахты; - дистанционное управление рабочим и резервным насосами, углесосами, задвижками (включить – выключить). На нижнем уровне управления находятся программируемые логические контроллеры (PLC1 – PLC4) для управления конкретной технологической установкой, блоки датчиков (БД1-БД4) и блоки исполнительных механизмов (БМ1-БМ4) (см.рисунок 2), Для обеспечения искрозащиты промышленных контроллеров PLC применены искробезопасные разделительные преобразователи (ИРП). Физическую и логическую связь между промышленными контроллерами и станцией РСО в единую систему автоматического управления процессом управления гидротранспортным комплексом шахты обеспечивает промышленная сеть, например, Profibus. Контроллер PLC1 используется для управления углесосной установкой и выполняет следующие функции: - включение и выключение гидроподъёмной углесосной установки по определенному алгоритму в зависимости от уровня гидросмеси в водосборнике или по команде от станции РСО системы; - обеспечение непрерывной работы углесосной установки при неравномерном поступлении в пульповодосборник гидросмеси путём перевода работы углесоса с гидросмеси на воду; - контроль уровня гидросмеси в пульповодосборнике, подачи углесосной установки, давления в нагнетательном трубопроводе, температуры подшипников углесосного агрегата, расход электроэнергии, нагрузку на приводной электродвигатель; - обеспечение гидравлических и электрических защит углесосной установки. - передачу и приём информации от станции РСО; - регулирование подачи углесосной установки (обеспечивается системой автоматического регулирования САР). Способы автоматического регулирования подачи углесосных установок по технической сущности делятся на две группы [1]: регулирование без предварительного перевода углесоса на воду; регулирование с предварительным таким переводом. Рекомендуется применение второго способа регулирования. Этот способ основан на использовании специального всасывающего устройства УВ-5, с помощью которого возможно перевести работу углесоса с гидросмеси на воду без остановки углесоса. Суть способа регулирования заключается в предварительном переводе углесоса на воду, полной промывке транспортного трубопровода на максимальной подаче углесоса за счет воды, содержащейся в пульповодосборнике, с 133

последующим дросселированием трубопровода задвижкой. Время работы углесосной установки на пониженной подаче (режим зарегулирования) зависит от величины запаса емкости зумпфа пульповодосборника, предназначенной для этой цели, а также от расчетной величины минимальной подачи углесоса в зарегулированном режиме и производительности забоев, обслуживаемых данной углесосной установкой. Основной задачей указанного режима является поддержание работы углесосной установки при ограниченности емкости зумпфа пульповодосборника и неравномерном притоке гидросмеси от забоев. Контроллер PLC2 предназначен для управления гидроподъёмной установкой и выполняет следующие функции: - включение и выключение гидроподъёмной установки по определенному алгоритму в зависимости от уровня гидросмеси в водосборнике или по команде РСО системы; - обеспечение непрерывной работы гидроподъёмной установки при неравномерном поступлении в пульповодосборник гидросмеси путём перевода работы углесоса с гидросмеси на воду; - контроль уровня гидросмеси в пульповодосборнике, подачи гидроподъёмной установки, давления в нагнетательном трубопроводе, температуры подшипников углесосного агрегата, расход электроэнергии, нагрузки на приводной электродвигатель; - обеспечение гидравлических и электрических защит гидроподъёмной установки; - передачу и приём информации от станции РСО; - индикация о режимах работы гидроподъёмной установки, контроллера PLC и других технических средств автоматизации. Контроллер PLC3 предназначен для управления водоотливной установкой и выполняет следующие функции: - подача предупредительного сигнала при включении водоотливной установки; - включение, выключение водоотливной установки в зависимости от уровня воды в водосборнике или по команде станции РСО системы; - автоматическая заливку водоотливной установки перед её включением; - управление водоотливной установкой с учетом периодов тарифных ограничений электроснабжения шахты на суточном интервале времени; - контроль уровня воды в водосборнике, подачи водоотливной установки, давления, вакуума в воды в нагнетательном трубопроводе, вакуума во всасывающем, температуры подшипников водоотливного агрегата, расход электроэнергии, нагрузку на приводной электродвигатель; - обеспечение гидравлических и электрических защит водоотливной установки, защиту от кавитации. - передачу и приём информации от станции РСО; - индикация о режимах работы водоотливной установки, контроллера PLC и других технических средств автоматизации. Контроллер PLC4 предназначен для управления подачей воды в трассу безнапорного гидротранспорта и выполняет следующие функции: - открытие и закрытие задвижки на трубопроводе, подающем воду на смыв горной массы, которая поступает от конвейера в трассу безнапорного гидротранспорта; - формирование выдержки времени на промывку трассы безнапорного гидротранспорта при выключении конвейерной линии. - передачу и приём информации от станции РСО. Перечень ссылок 1. Груба В.И., Ф.О. Папаяни, Никулин Э.К., Оголобченко А.С. - Основы управления гидроэнерготранспортными системами., - Донецк: Донбасс, 1993. - 225 с. 2. Данильчук Г.И., Шевчук С.П., Василенко П.К. Автоматизация электропотреблениия водоотливных установок - К.: Техника, 1981. - 102с.

134

УДК 621.3 ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УТИЛИЗАЦИИ РУДНИЧНОГО ГАЗА Тимошков В,А., студент; Рак А.Н., доц., к.т.н.; Саулин В.К., ст.пр. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) При добыче каменного угля высвобождается рудничный газ. Обращение с этим газом, который содержит метан представляет собой комплексную задачу, имеющую отчасти различные целевые установки. Под землей рудничный газ является опасным. При определенных концентрациях оно взрывоопасен и представляет угрозу для жизни шахтеров [1]. Надежное удаление выделяемого газа при помощи системы вентиляции и эффективная дегазация приобретают тем самым, жизненно важное значение. Таким образом, возможно избежать несчастных случаев в шахтах, увеличить продолжительность работы и объем добычи. В то же время, сокращение выбросов метана в атмосферу является первоочередной задачей по охране окружающей среды [2]. Рудничный газ (СН4) в 21 раз более вреден для окружающей среды, чем двуокись углерода (СО2). Если же его использовать на электростанциях, возможно генерирование электрической и тепловой энергии. Энергетическая утилизация рудничного газа вносит вклад в сокращение выбросов СО2. Еще одним преимуществом сжигания рудничного газа в электростанциях является, вытекающая из этого, экономия первичных энергоносителей, обеспечивается долгосрочное сохранение природных ресурсов. Это отличная причина для систематического и эффективного использования рудничного газа. При энергетическом использовании рудничного газа требуется внедрение специальных установок и газогенераторов, поскольку концентрация метана колеблется от 30 до 80% от объема всего газа. Прежде чем перейти к технической реализации проекта и выбору того или иного генерирующего оборудования необходимо сначала остановимся на вопросе его добычи. Существуют два принципиально разных способа добычи угольного метана: шахтный (на полях действующих шахт) и скважинный. Шахтный способ является неотъемлемой частью технологии подземной добычи угля дегазации. Объемы получаемого метана при этом невелики, и газ используется, в основном, для собственных нужд угледобывающих предприятий непосредственно в районе угледобычи. На рис.1 приведена схема добычи метана на поле действующей шахты.

Рисунок 1 – Схема добычи шахтного метана 135

При разработке угольных месторождений метан частично выделяется из угольного массива в, так называемом, каптажном виде и системой вентиляции шахты удаляется из шахты на поверхность и выбрасывается в окружающую среду, тем самым, ухудшая экологическую обстановку. Поэтому здесь возникает еще одна проблема извлечения метана из газо-воздушной смеси. Оставшаяся часть метана находится в угольном массиве и требует применения дополнительных средств и методов [2]. Скважинный способ добычи является промышленным. Метан при этом рассматривается уже не как попутный продукт при добыче угля, а как самостоятельное полезное ископаемое. Разработка метаноугольных месторождений с добычей метана в промышленных масштабах производится с применением специальных технологий интенсификации газоотдачи пластов (самые распространенные варианты - гидроразрыв пласта, закачка через скважину воздуха или воздухо-воздушной смеси, воздействие на пласт током.

Рисунок 2 – Схема добычи метана скважинным способом Газ, получаемый из скважин, при заблаговременной дегазации является практически чистым метаном. Согласно экспериментальным данным, в таких скважинах 50% метана высокой чистоты получается в режиме самоистечения, а 50% - при вакуумировании скважин. Такое природное свойство метана позволяет наиболее квалифицированно применять его в быту, энергетике металлургии, химии, биохимической промышленности. Метан получаемый из угленосной толщи. Практически не содержит серы, что позволяет использовать его в газотурбинных установках. Наиболее целесообразно использовать метан, добываемый из скважин, для следующих целей: - получения электроэнергии и тепла; - получения химических продуктов; - получение белка. К плюсам относится и то, что газ из угля может быть сжижен и перевезен потребителю в низкотемпературной цистерне. Например, в цистерне объемом 26м3 можно перевезти 9т метана. Основными проблемами утилизации шахтного метана являются нестабильная концентрация последнего, колебания дебита метана в широких пределах, повышенная влажность метановоздушных смесей и сложность передачи метана при постоянном развитии горных работ. Газ, извлекаемый через скважины, пробуренные в разгруженный от горного давления в массив, имеет большой разброс по концентрации метана в газовой смеси и

136

дебитам. Газ из неразгруженного массива содержит до 98% метана в смеси, но его дебит непостоянен. Таким образом, значительная часть газа, которая содержит менее 50%, в основном будет использована для выработки электроэнергии, и оставшийся объем нууждается в предварительном обогащении. Когенерационая установка - это использование первичного источника энергии - газа, для получения двух форм энергии - тепловой и электрической. Когенерационные установки позволяют использовать тепловую энергию, которая обычно улетучивается в атмосферу вместе с дымовыми газами. При использовании когенераторной установки значительно возрастает общий коэффициент использования топлива. Использование когенерационной установки в значительной степени сокращает расходы на энергообеспечение. Когенераторная установка это энергетическая независимость потребителей, надежная подача энергии и существенное снижение затрат на получение тепловой энергии. Примерный КПД когенераторной устновки приведен на рис.3. Когенерационные системы состоят из следующих основных частей: двигатель Рисунок 3 – КПД когенераторной (основной); электрический генератор; утилизатор установки тепловой энергии; модуль управления. К основным преимуществам когенерационных установок относятся: - увеличение эффективности использования топлива благодаря более высокому КПД; - снижение вредных выбросов в атмосферу по сравнению с раздельным производством тепла и электроэнергии; - уменьшение затрат на передачу электроэнергии, т.к. когенерационные установки размещаются в местах потребления тепловой и электрической энергии, потери в сетях практически отсутствуют; - бесшумность и экологичность оборудования; - обеспечение собственных потребностей котельной в электроэнергии. Выводы: 1. Практика показала, что для успешной утилизации шахтного газа нужно проводить большую подготовительную работу по дегазации метана, наиболее эффективными оказываются вертикальные скважины с поверхности и откачивания газа из изолированных выработанных пространств. При утилизации шахтного газа когенерационными установками основная прибыль (50-70%) получается от реализации эмиссионных сертификатов, примерно одна треть от выработки электроэнергии и небольшой процент от использования тепла. 2. Экономия от реализации электричества и тепловой энергии, за короткий срок, покрывают все расходы на когенераторную электростанцию. Окупаемость вложений в когенерационную установку происходит быстрее окупаемости средств, затраченных на подключение к тепловым сетям, обеспечивая тем самым, устойчивый возврат вложений в когенеоационную установку. Компактные, экологически безопасные, когенераторные электростанции покрывают дефицит мощностей в больших городах. 3. Срок эксплуатации когенерационных установок составляет примерно 25-30 лет, в течение которых они могут окупиться раз десять. Перечень ссылок 1. Колосюк В.П. Техника безопасности при эксплуатации рудничных электроустановок. - М. Недра, 1987. – 135 с. 2. Ильяшов М.А., Левит В.В., Филатов Ю.В. Очерки о метаноугольной отрасли. – Киев: Наукова думка, 2011. – 280с. 137

УДК 622.412 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ГАЗОВОЙ ЗАЩИТЫ УЧАСТКА ШАХТЫ Федорченко А.А., магистрант; Василец С.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) В ходе расследования причин возникновения крупных аварий на угольных шахтах Украины, связанных со взрывом метано-воздушной смеси и внезапными выбросами угля и газа [1], было установлено, что в подавляющем большинстве случаев контроль содержания метана в атмосфере горных выработок осуществлялся неудовлетворительно: во всех 33-х рассматриваемых случаях срок эксплуатации газоанализаторов превысил нормативы эксплуатации; в 23-х случаях поверка газоанализаторов проводилась несвоевременно или не проводилась; в 14-ти случаях качество регулировки газоанализаторов было неудовлетворительно. Совершенствование стационарной аппаратуры автоматической газовой защиты шахт возможно путем внедрения датчиков телеизмерения со смещенным нулем, разработки рабочей станции обработки информации и принятия решений повышенной надежности с использованием ненагруженного резерва, разработки схем автоматического включения резерва. Однако, анализ результатов расследования аварий на шахтах [2], приводит к выводу о несовершенстве структуры стационарных систем автоматической газовой защиты. Существующая аппаратура автоматической газовой защиты (АГЗ) типа «Метан» предполагает контроль содержания метана на свежей и исходящей струе лавы [3] и, с помощью аппарата сигнализации, выполнение автоматического защитного отключения электрооборудования лавы в случае недопустимого повышения концентрации СН4. Непосредственно в забое функционирует комбайновое метановое реле ТМРК-3, однако оно не интегрировано в систему АГЗ участка и служит только для остановки комбайна при повышенной концентрации метана. Также к недостаткам относится низкое быстродействие, поскольку из-за отсутствия контроля содержания метана непосредственно в очистном забое участка, имеет место запаздывание при выявлении существующими датчиками газодинамических явлений в лаве. Запаздывание датчика метана складывается из задержки датчика (единицы секунд) и времени транспортного запаздывания, которое определяется скоростью движения воздуха и длиной выработки. Согласно Правил безопасности [4], допустимая скорость движения воздуха по выработкам vдоп = 0,25÷4 м/с. При длине очистного забоя от 200 до 250 м, транспортная составляющая запаздывания может составлять от 50 до 1000 с (рисунок 1), что является недопустимым. Задачей работы является повышение эффективности функционирования автоматической газовой защиты участка шахты за счет повышения быстродействия. Для повышения быстродействия АГЗ предлагается интеграция мобильного компонента в систему автоматической газовой защиты. В настоящее время распространены шахтные головные светильники, со встроенным датчиком концентрации метана, в частности СМГВ.1А.Р.05, KLW4LMX и пр. Перспективным направлением в развитии шахтных информационно управляющих систем являются системы позиционирования горнорабочих, типа СПГТ-41. Вполне логичным является объединение этих технологий в одну. Результаты измерения со встроенного в головной светильник датчика будут использоваться не только для сигнализации аэрогазовой обстановки горнорабочему, но и, вместе с персональным идентификатором, могут транслироваться в систему позиционирования. Структурная схема предлагаемого портативного блока измерения концентрации метана и позиционирования приведена на рисунке 2. Датчик метана, через блок согласования подает результаты измерений на вход встроенного в микроконтроллер (МК) аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Выборка результатов измерений сохраняется во внутренней памяти 138

МК. В случае, если микроконтроллер через приемник получает сигнал от метки системы позиционирования, он передает в систему позиционирования не только идентификатор, но и усредненное и максимально зарегистрированное с момента последнего обращения значение концентрации метана. При этом функция оповещения горнорабочего миганием лампы сохранена (блок сигнализации). Таким образом, имеется возможность контролировать значение концентрации метана во всех выработках, в которых находится персонал. Данная технология позволит дополнить стационарные системы газовой защиты на добычных и подготовительных участках, а также контролировать значительное пространство горных выработок, без внедрения дорогостоящей и требующей постоянного обслуживания инфраструктуры стационарных систем.

Рисунок 1 – Графики зависимостей транспортного запаздывания измерения концентрации метана от скорости воздуха и длины очистной выработки для датчика, расположенного на вентиляционном штреке

Рисунок 2 – Структурная схема портативного блока измерения концентрации метана и позиционирования Кроме того, для повышения быстродействия АГЗ предлагается установка стационарных датчиков на секциях крепи забоя. Данное решение позволит сократить время транспортного запаздывания при возникновении газодинамических явлений. Предлагается устанавливать выносные датчики метана, с помощью подвески к секциям механизированной 139

крепи. При постановке данной задачи возникает два основных вопроса: определение оптимального количества датчиков и выбор интерфейса телеизмерения. Количество дополнительных датчиков определяет время транспортного запаздывания: L Tзап = в , vв

(1)

где Lв – длина выработки между датчиками метана, vв – скорость воздуха в выработке. Так как скорость воздуха в очистном забое величина нерегулируемая, то для снижения величины запаздывания необходимо уменьшить расстояние между соседними датчиками. Если принять оптимальное значение величины транспортного запаздывания, то необходимое количество датчиков метана в очистном забое составляет: T Lв . n = зап = Tопт vвTопт

(2)

Например, для лавы длиной 200 м, скорость движения воздуха в которой 4 м/с, а оптимальное время запаздывания принято равным 10 с, количество датчиков метана в забое равно 5. При использовании для данных датчиков стандартных интерфейсов типа «токовая петля» необходимо значительно увеличивать количество сигнальных проводников. В данном случае целесообразно использовать цифровой интерфейс передачи данных, например RS485. В таком случае, для всей группы датчиков имеется возможность использовать одну линию связи. Так, для датчика ДМВ, вместо стандартного преобразователя параметров измерительного, необходимо использовать драйверную схему, для преобразования сигнала датчика в цифровой код. Для интеграции данных датчиков с рабочей станцией обработки информации и принятия решений будет использоваться контроллер-концентратор, непрерывно опрашивающий датчики забоя, и в случае необходимости прерывающий алгоритм работы контроллера рабочей станции, и выдачей ему информации об аварийной ситуации. На рисунке 3, приведена структура системы мониторинга аэрогазового состояния добычного участка. На рисунке представлены: АРМ – автоматизированное рабочее место диспетчера шахты, РСОИиПР – рабочая станция обработки информации и принятия решений, КК – контроллер концентратор, КТП – комплектная трансформаторная подстанция, Др – драйвер забойного датчика метана, ДСН4, ДСО, ДСО2 – датчики концентрации метана, угарного и углекислого газов соответственно, ДСВ – датчик скорости воздуха, ДТВ – датчик температуры воздуха, ДВВ – датчик влажности воздуха. В данном случае взаимодействие РСОИиПР с АРМ позволяет не только регистрировать и архивировать аэрогазовую обстановку на участке, но и получать информацию об опасных значениях концентрации метана, передаваемую от системы позиционирования. Интеграция средств автоматизации системы позиционирования и системы АГЗ на уровне добычного участка нецелесообразна, ввиду необходимости непрерывной обработки информации от мобильных датчиков, что требует значительных вычислительных мощностей, а следовательно еще одного вычислительного комплекса, частично дублирующего функции АРМ диспетчера. Контроль скорости воздуха позволяет оценивать текущую величину транспортного запаздывания при измерении концентрации. Датчики угарного и углекислого газов в данной системе применяются для идентификации пожаров и процессов низкотемпературного окисления угля, а также для регистрации, с целью дальнейшего применения в системе управления охраной труда в процессах паспортизации и аттестации рабочих мест. Датчики температуры и влажности воздуха позволяют регистрировать санитарно-гигиенические условия труда. Датчики метана, устанавливаемые в лаве, благодаря наличию КК не загружают РСОИиПР избыточной информацией, а использование

140

стандартного интерфейса передачи данных позволяет обеспечивать взаимодействие со стационарной частью системы, без внесения изменений в ее структуру.

Рисунок 3 – Усовершенствованная структура системы автоматической газовой защиты добычного участка шахты Предлагаемые изменения структуры автоматической газовой защиты позволят повысить быстродействие АГЗ участка шахты. Перечень ссылок

1. Кашуба И.О. Оценка эффективности контроля содержания метана в рудничной

атмосфере при крупных авариях в угольных шахтах / О.И. Кашуба, В.Н. Медведев, О.А. Демченко // Науковий вісник УкрНДІПБ, 2012, №1(25). – С. 68-78. 2. Расследование и предотвращение аварий на угольных шахтах: в III т. / [А.М. Брюханов, В.И. Бережинский, В.П. Колосюк и др]; под ред А.М. Брюханова. Т I – Донецк: Вебер, 2004. – 548 с. 3. Басовский Б.И. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы / Басовский Б.И., Биренберг И.Э., Карпов Е.Ф. – М.: Недра, 1984 – 284 с. 4. НПАОП 10.0-1.01-10. Правила безпеки у вугільних шахтах. Наказ Державного комітету України з промислової безпеки, охорони праці та гірничого нагляду №62 від 23.03.2010. -150с. 141

УДК 628.440.22 ОБ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ЗАПОРОЖСКОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АТОМНОЙ СТАНЦИИ ПРИ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ Хукаленко Д.В., студент; Ковалев А.П., проф., д.т.н.; Солёный С.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) В Украине на Запорожской АЭС за интервал времени с 2007-2011 гг. Было зафиксировано 6 аварий. Вариационный ряд интервалов времени между аварий прошедших на Запорожской АЭС следующие ξ:{48, 240, 624, 2736, 6336}. Представленная статистика не будет противоречить экспоненциальной функции распределения по критерию согласно Барлетта, если соблюдается условие [1]: 2 2 X 0,95; r −1 ≤ BR ≤ X 0,05; r −1 ,

где 1 r 2r[ln( t r ) − ( ∑ ln ξi )] r r i =1 , Br = (r + 1) 1+ 6r

(1)

ξi – случайный интервал времени между авариями на АЭС (i = 1,5 ); r – число аварий на АЭС; r t r = ∑ ξi ; i =1 2 2 X 0,95; r −1 и X 0,05; r −1 – находятся с помощью таблицы 5 из [1]. Используя формулу (1) находим B6 = 9,26. Используя таблицу 4 из [1] находим: 2 2 X 0,05;r −1 = 0, 71 и X 0,05; r −1 = 9, 49 . Следовательно, функция распределения интервалов времени между авариями не противоречит экспоненциальной функции: − χt (2) F (t ) = 1 − e , где 5 ∑ ξi 1 9984 1 Tч i == χ = = 1997 . ;= T n 5

Таким образом:

⋅ −4⋅t . F (t ) = 1 − e−510

Полученная функция распределения (2) позволяет проанализировать вероятность возникновения аварий в течении времени t на данной АЭС. Например. Определить вероятность того, что на Запорожской АЭС в течении t = 8760 ч произойдет авария. Используя формулу (2) получим: ⋅ −4⋅8760 = F (8760) = 1 − e−510 0,987 . Перечень ссылок 1. К. Капур, Л. Ламберсон. Надежность и проектирование систем. Мир. Москва, 1980 – 604 с. 142

УДК 622.012.2:621.316 ОБОСНОВАНИЕ СРЕДСТВА МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ С ФУНКЦИЕЙ УСКОРЕННОГО СРАБАТЫВАНИЯ Шелудяков И.Ю., студент; Ковалёва И.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Одним из наиболее опасных аварийных состояний шахтного низковольтного электротехнического комплекса (ЭТК) является режим междуфазного короткого замыкания (к.з.). Величина силы тока к.з., ограниченная незначительными активно-индуктивными сопротивлениями сети до места замыкания, может достигать нескольких тысяч Ампер, а выделяемая при этом тепловая энергия в аварийном присоединении способна привести не только к повреждению электрооборудования, но и вызвать пожар в шахте или взрыв метановоздушной смеси. Особенно актуальны эти особенности для шахт Донбасса, где добыча ведется на больших глубинах и сопровождается значительным выделением метана. Существующие средства максимальной токовой защиты (МТЗ) в шахтном участковом электротехническом комплексе отрабатывают функцию выявления тока к.з. со стороны комплектной трансформаторной подстанции и отключения напряжения питания этого источника от электрического присоединения, в котором возникло междуфазное короткое замыкание. Основной принцип обнаружения тока к.з., который отрабатывается средствами МТЗ шахтных участковых сетей (УМЗ, ПМЗ и др.), состоит в контроле величины тока в присоединении и сравнении этого тока с заранее заданной уставкой и дальнейшем формировании команды на отключение коммутационного аппарата в случае превышения этим током величины уставки. Однако такой принцип предполагает определенную задержку во времени при выявлении процесса к.з., что обусловлено необходимостью достижения током выбранной уставки. Кроме того, не исключена вероятность ошибки персонала при расчете и настройке уставок срабатывания средств максимальной токовой защиты. Поэтому практический интерес представляет исследование характера переходного процесса при возникновении режима к.з. с целью выявления параметров, сопровождающих короткое замыкание в присоединении с активно-индуктивной нагрузкой (питающий трансформатор, кабельная сеть, асинхронный двигатель), и обоснование средства автоматической защиты от токов к.з. с функцией ускоренного срабатывания, построенного на автономном принципе обнаружения аварийного процесса без вмешательства обслуживающего персонала. Исследование процессов в электротехническом комплексе в состоянии трехфазного короткого замыкания может быть выполнено средствами компьютерного моделирования с учётом следующих допущений: в исходном состоянии в электросети действует трёхфазная система номинальных напряжений промышленной частоты; короткое замыкание – трёхфазное, симметричное; место возникновения – гибкий кабель присоединения асинхронного двигателя к пускателю. С учётом существующих тенденций построения схем электроснабжения технологических участков угольных шахт для исследования принимаем ЭТК, состоящий из следующих элементов: трансформаторная подстанция КТПВ-630; гибкий кабель КГЭШ 3×70 длиной 200 м (к.з. происходит в середине кабеля); магистральный кабель марки ЭВБВ 3×120 длиной 10 м с паспортными параметрами активных и индуктивных сопротивлений проводников при величине номинального линейного действующего напряжения сети 660 В. В результате выполненных исследований компьютерной модели шахтной участковой электросети (рис. 1 – 3) установлен характер изменения тока к.з. с учётом конкретных параметров сети. Переходный процесс сопровождается возникновением апериодической составляющей тока короткого замыкания на начальном этапе существования аварийного состояния, обусловленной наличием активно - индуктивных сопротивлений от питающей трансформаторной подстанции до места замыкания. 143

I,A

t,c

Рисунок 1 - Переходный процесс трехфазного короткого замыкания, фаза А I,A

t,c

Рисунок 2 - Переходный процесс трехфазного короткого замыкания, фаза В I,A

t,c

Рисунок 3 - Переходный процесс трехфазного короткого замыкания, фаза С

144

Принципиально важным является обоснование автономного принципа выявления состояния короткого замыкания на начальном этапе его существования с целью построения МТЗ повышенного быстродействия. Выявление начала режима к.з. в участковом электротехническом комплексе может быть основано на определении наличия апериодической составляющей тока, т.е. на контроле несимметрии полного тока короткого замыкания относительно оси времени. В частности, примером технической реализации этого принципа может служить схема, представленная на рис. 4.

DA S

SET

CLR

RP TA1

DD1

I U

TA2

I U

RP TA3

I U Рисунок 4 - Схема средства автоматического защиты от короткого замыкания с функцией ускоренного срабатывания При наличии напряжения в сети сигналы от датчиков тока ТА1-ТА3 через делитель напряжения RP подаются на аналогово-цифровой преобразователь. Полученный сигнал поступает в блок ввода - вывода информации микроконтроллера (DD1), который производит обработку данных в соответствии с алгоритмом работы (рис. 5) и, в случае возникновения короткого замыкания, передает сигнал об аварийной ситуации в блок управления VT, который отключает коммутационный аппарат аварийного присоединения, а также в блок световой индикации HL. Принцип действия основан на контроле длительности интервалов несовпадения выходных импульсов датчиков тока U1 – U3 и дополнительных последовательностей импульсов U4 – U6, сформированных микропроцессорной системой контроля. В нормальном режиме электропитания продолжительность и скважность каждого из этих импульсов составляет π радиан, а фазовый сдвиг между импульсами двух смежных фаз – π/3 рад. При несовпадение входных импульсов и дополнительных импульсов соответствующих фаз (U1 и U4; U2 и U5; U3 и U6) формируются сигналы U7 - U9. Продолжительность каждого из этих сигналов составляет разницу между длительностью импульсов при нормальном режиме электропитания и фактически существующих импульсов, поступающих от датчиков тока. В момент времени КЗ происходит короткое замыкание в питающем кабеле электросети. Длительность и скважность импульсов U1, U2, U3 изменяется, что обусловлено наличием апериодической составляющей тока к.з. и, соответственно, несимметрией полного тока. Это приводит к формированию сигналов U7 - U9 и появлению импульса на выходе (сигнал U10), поступающего на исполнительное устройство, коммутирующее цепи управления силовым

145

коммутационным аппаратом, выполняющим быстродействующее защитное отключение напряжения питания. U1 t,c U2 t,c U3 t,c U4 t,c U5 t,c U6 t,c U7 t,c U8 t,c U9 t,c U10 ?

Кз

t,c

Рисунок 5 – Алгоритм работы средства автоматического защиты от короткого замыкания с функцией ускоренного срабатывания Таким образом, предложенная компьютерная модель и обоснованные допущения позволили установить характер изменения параметров тока короткого замыкания, состоящего из периодической и апериодической составляющих. Несимметрия полного тока к.з. относительно оси времени (обусловлена наличием апериодической составляющей) однозначно свидетельствует о начальном этапе существования режима короткого замыкания в ЭТК участка шахты. Обоснован алгоритм работы и схема устройства автоматической защиты от токов короткого замыкания с функцией ускоренного срабатывания, работа которого основана на контроле указанного параметра. Перечень ссылок 1. Справочник энергетика угольной шахты / [Дзюбан В.С., Ширнин И.Г., Ванеев Б.Н., Гостищев В.М.]; под общ. ред. Ванеева Б.Н. – [2-е изд.] – Донецк, ООО «Юго-Восток Ltd.», 2001 – Т2, - С. 404-418. 2. Переходные процессы в системах электроснабжения: учебник [для студентов высших учебных заведений] / [Пивняк Г.Г., Винославский В.Н., Рыбалко А.Я., Незен Л.И.]; под ред. академика НАН Украины Пивняка Г.Г. - [3-е изд.]. - М. Энергоатомиздат; Днепропетровск. НГУ, 2003.- 548 с. 3. Муравьев В.П. Расчет электрических сетей угольных предприятий / В.П. Муравьев. – М.: изд- во «Надра», 1975. - 184 с. 4. Маренич К.М. Електрообладнання технологічних установок гірничих підприємств: підручник [для студентів вищих навч. закл.] / К.М. Маренич, В.В. Калінін, Ю.В. Товстик;І.Я Лізан, В.В. Коломієць. – Донецьк: ДонНТУ, Харків: УІПА, 2009. – 372 с.

146

УДК 621.313 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СКРЕБКОВЫХ КОНВЕЙЕРОВ Дроняк В.Ю., студент; Гусаров А.А., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Введение. Современные экономические условия ставят задачу продления срока службы оборудования, которое можно обеспечить не только соответствующей эксплуатацией, но и правильным выбором электротехнических характеристик двигателей электропривода, работающего в различных режимах работы. Работа асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором зависит от температуры в рабочем режиме. Поэтому создание методики определения характеристик АД с короткозамкнутым ротором, находящих широкое применение в угольной промышленности, в частности в приводах скребкового конвейера, является важной задачей. Условия эксплуатации АД в очистном забое характеризуется нестабильностью момента сопротивления, слабой освещенностью, запыленностью, большой влажностью окружающего воздуха. Сложны условия транспортирования, монтажа и обслуживания. Фактический режим работы АД конвейеров связан с частичными пусками, поэтому режим работы – смешанный S1/S4, т.е. в одном случае часть времени двигатель работает в продолжительном режиме S1, в другом – в повторно-кратковременном режиме S3 или S4 ГОСТ 183-74. Для этих режимов промышленностью изготовляются серии односкоростных и двухскоростных электродвигателей взрывозащищенного исполнения. Все они отличаются пусковыми моментами, маховыми массами, кратностью пусковых токов, скольжениями (номинальными и критическими) потерями в номинальном режиме и в режиме короткого замыкания, кратностью пусковых токов и др. в сравнении с взрывозащищенными АД общепромышленного исполнения. Основное содержание исследований. Определение значений токов и вращающих моментов осуществляется по формулам: Номинальный ток

Iн =

1000 P2 3U н cos ϕη

, А,

где U н – номинальное линейное напряжение, В; P2 – номинальная мощность, кВт; η – К.П.Д., % ; cosφ – коэффициент мощности. Начальный пусковой ток

IП = IH ⋅ Номинальный момент

MH =

IП , А. IH

975000 P1 , Нм, n1 (100 − S H )

где n1 – синхронная частота вращения, 1/мин.; S H – номинальное скольжение, %. Начальный пусковой вращающий момент

MП = MH ⋅

MП , Нм. MH

147

Максимальный вращающий момент

M МАКС = M H ⋅

M МАКС , Нм. MH

Значения пускового тока, пускового и максимального моментов не зависят от режима работы электродвигателя. Допустимые значения мощности или тока в режимах S2-S4 ограничиваются: а) греющими потерями, определяющими температуру обмоток и зависящими от режима работы; б) механическими нагрузками, определяющими долговечность подшипников и зависящими от способа сочленения исполнительного механизма с двигателем. Мощность(механическую нагрузку) из условия долговечности подшипников и прогиба вала принимают P ′ < P2

M МАКС , кВт. MH

Пересчет тока или мощности в режиме S2 p∆Py ( S 1) − Pж

IS2 = IH ⋅

∆P∑ ( S 1) − Pж

, А,

где I H – номинальный ток двигателя в режиме S1, А; p – коэффициент зависящий от длительности перегрузки (tНАГР) в режиме S2

1− e

при tНАГР=1,0 и 1,5 часа p=

t НАГР T

1 t θ ′ 1НАГР 1 − e .12T

θ гдеТ – постоянная времени нагрева, ч.; θ′ – коэффициент, равный 0,87; θ ∆P∑ (S 1) – допустимая величина суммы греющих потерь в режиме S1,

 100  K Д − 0.5 K МЕХ − ∆P∑ ( S 1) = P2  − 1 + η 100   η

  , кВт, 

где P2 – номинальная мощность, кВт, в режиме S1, η – К.П.Д., %; K Д – коэффициент добавочных потерь, равный 1,66 для двигателей 2р=4; K МЕХ – коэффициент добавочных потерь, равный 0,98% при 2р=4. Потери в магнитопроводе (стали) P=

K C K f P2 100

, кВт,

где K C – коэффициент потерь в стали (железе), равный 2; K f – коэффициент изменения потерь в железе в зависимости от изменения частоты тока K f =1,0 при f= 50 Гц; K f =1,08 при f=60 Гц. 148

Промежуток времени, по истечению которого в режиме S2 допустимо повторное включение двигателя должен быть при независимом охлаждении двигателя t ост ≥ 3.5T , ч,

при охлаждении двигателя в состоянии покоя (при остановке) t ост ≥ 3.5

T , ч,

где β – коэффициент ухудшения охлаждения обмоток статора, не обдуваемого двигателя, равный 0,2. Пересчет тока или мощности двигателя для режима S4 следует производить

IS4 ≤ IH

∆P∑ ( S 4 ) − PC ∆P∑ ( S 1) − PC

, А,

где ∆P∑ (S 4 ) – допустимая величина суммы греющих потерь электроэнергии в режиме S4 определяется по формуле

∆P∑ ( S 4 )

P t A F1  F1  ∆P∑ ( S 1) t ц ⋅ aξ + ξ ′′ + (1 − ξ ′ − ξ ′′) β  − F1( П + M n ) 2.5 2500 2.5  2.5  = , кВт, tц

2 GД дв2 + GД мех где F1 = – коэффициент инерции, GД дв2 2 – маховые мощности двигателя и исполнительного механизма приведенного к GД дв2 и GД мех

валу движения, H ⋅ м 2 ; tц – 3600/2 -продолжительность цикла, сек.; Z – число включений в час; t n – продолжительность пуска, сек.; AП – количество тепла, выделившегося в обмотках статора и ротора за время пуска, Вт ⋅ с .; ПВ F1 tр = tц − t П – продолжительность работы с установившейся частотой вращения; 100 2.5 t t ПВ – продолжительность включения, %, ξ ′ = П и ξ ′′ = Р – отношения продолжительности tц tц пуска (при F1=2,5) и работы под нагрузкой к продолжительности цикла; 2 1+ β + β 2 a= ⋅ – коэффициент ухудшения охлаждения обмотки статора в течение времени 3 1+ β пуска двигателя. Значения t n и AП соответствуют при 50 Гц частоте вращения 1500 1/мин

 n коэффициенте F1=2,5 и вращающем моменте нагрузки M НАГР = M H ⋅   nH величинам: t n = 1.1 − 1.2a , AП = 195000 − 230000 Вт ⋅ с за время пуска. В данном случае M H – номинальный момент двигателя, Нм. S nн = nc (1 − н ) - номинальная частота вращения, 1 / мин , 100 nc - синхронная частота вращения, мин −1 , S н - номинальное скольжение. 149

  – определенным 

В режиме S4, при сохранении номинальной мощности двигателя, частоту включений в час можно рассчитать:

Z≤

F1 F1 3600 ⋅ 2.5 ⋅ 1000   ∆P∑ ( S 1) aξ ′ + (1 − ξ ′ − ξ ′′) β  , вкл/час. AП F1 2.5 2.5  

Выводы: 1. Асинхронные двигатели шахтных скребковых конвейеров эксплуатируются в продолжительном режиме S1 и в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками с продолжительностью включения (ПВ) от 15 до 60% при коэффициенте инерции F1 от 1,2 до 10, условное обозначение режима S4 ГОСТ 183-74. 2. Свойства электроприводов скребковых конвейеров и других шахтных машин и механизмовпо конструктивным особенностям и электрическим характеристикам в дальнейшем будут более глубокими. Перечень ссылок 1. ГОСТ 183-74 Машины электрические. Общие технические требования. М.1975.43с. 2. ПоволоцкийМ.Е. Проектирование асинхронных электродвигателей. Куйбышевское издательство, 1970, -376с.

УДК 622.647 АВТОМАТИЗАЦИЯ ПУСКА ДВУХСКОРОСТНОГО ДВИГАТЕЛЯ СКРЕБКОВОГО КОНВЕЙЕРА Гузенко А.В студент; Ковалев Е.Б., проф., д.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Угольная шахта это место, которое требует важных и своевременных решений по устранению имеющихся проблем и модернизации текущего оборудования для повышения производительности. Важной задачей технического процесса на угольных шахтах является широкое внедрение высокопроизводительных добычных комплексов, оснащенных современным взрывобезопасным электрооборудованием. Их внедрение обеспечивает значительное повышение производительности работы предприятия. Высокая эффективность добычи угля зависит от надежности работы конвейерного транспорта, который является основным в процессе транспортировки материалов. В настоящее время в качестве забойных конвейеров значительно преобладают скребковые конвейеры, которые являются практически единственным средством доставки угля по очистному забою. Для ведущих угледобывающих шахт характерно повышение степени концентрации горных работ, рост нагрузки на очистной забой, при сокращении их числа и одновременном увеличении длины и скорости подвигания. Все эти причины обуславливают повышение нагрузки на забойный скребковый конвейер. Как следствие, разрабатываются и внедряются в производство скребковые конвейеры все большей длины и с более мощными приводами. Целью работы является усовершенствование автоматизации управления рабочими режимами двухскоростного электропривода скребкового конвейера, путем внедрения новых технических решений в существующую аппаратуру управления пуском, переключением частот вращения двухскоростного двигателя введением тиристорных переключающих элементов. Подобное решение является актуальным и позволит существенно улучшить процесс эксплуатации скребкового конвейера. 150

Поскольку конвейеры предназначены не только для транспортирования полезных грузов, но и для перевозки людей, особого значения приобретают вопрос надежной и безопасной эксплуатации конвейерных линий. Эти вопросы, а также вопрос техникоэкономической эффективности конвейерного транспорта могут успешно решаться только в результате комплексной механизации и автоматизации управления и контроля работы конвейерных линий. Согласно [1] в настоящее время практически на всех скребковых конвейерах применяется нерегулируемый привод с асинхронным электродвигателем с глубокопазным ротором, гидромуфтой и обычным редуктором. Турбомуфта начинает передавать момент двигателя в зоне максимального значения, где ток падает в 1,5 раза по сравнению с пусковым, однако в 5 раз превышает номинальный, т. е. уменьшение момента все еще велико. При трогании высвобождается запасенная во вращающихся частях привода кинетическая энергия, пропорциональная сумме маховых моментов ротора, ведущего колеса турбомуфты и квадрату числа оборотов во время трогания, причем при реверсировании запас кинетической энергии увеличивается в 4 раза. Следовательно, трогание конвейера будет сопровождаться "ударом момента". Именно поэтому такой тип привода обеспечивает трогание конвейера со "слипшимся" насыпным грузом при частых пусках-реверсах (режим "раскачки"). Многолетний опыт применения скребковых конвейеров, в приводе которых установлены гидродинамические муфты, выявил ряд существенных недостатков: низкую надежность; выход из строя двигателей из-за попадания на обмотку статора рабочей жидкости гидродинамической муфты; неравномерность нагрузки в многодвигательном приводе из-за невозможности поддерживать в процессе эксплуатации одинаковую степень заполнения муфт. Наиболее перспективным для освоения является нерегулируемый привод с короткозамкнутым асинхронным электродвигателем с глубокопазным ротором и переключаемым числом пар полюсов. С целью повышения надежности работы возникает задача управления переключением частот вращения многоскоростного двигателя скребкового конвейера. Объектом исследований стал двухскоростной электропривод скребкового конвейера. Математическое моделирование процесса пуска и изменения скорости вращения двухскоростного электродвигателя, позволило провести анализ работы конвейера, были сформулированы требования к блоку управления пуском и переключения скоростей двухскоростного двигателя скребкового конвейера, также была усовершенствована аппаратура автоматизации и определены оптимальные параметры блока автоматизации управления приводом. Модернизированная схема подключения электропривода двухскоростного конвейера, по сравнению со стандартной схемой, обладает рядом преимуществ: 1. В результате замены контакторного включения двигателя в сеть на тиристорное: – освобождается один магнитный пускатель; – освобождается один силовой кабель от магнитного пускателя до конвейера. – повышается безопасность энергоснабжения привода, поскольку отсутствует кабель, подсоединенный к отключенной обмотке но, в котором имеется наведенная в двигателе ЭДС. 2. В результате того, что переключение скоростей вращения двигателя осуществляется не на основе выдержки времени между моментом отключения одной скорости и моментом включения другой, а по величине остаточной ЭДС на зажимах двигателя исключается возможность остановки конвейера во время переключения. Перечень ссылок 1. Стадник Н.И., Сергеев А.В., Медников А.В. Система управления и привод забойныхскребковыхконвейеров. – Уголь Украины, сентябрь, 2003. – 55с.

151

Сучасні системи управління і автоматики

Современные системы управления и автоматики Actual Control and Automation Systems

УДК 62-50 ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІКИ СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ ТЕМПЕРАТУРОЮ НА ВИХОДІ З ТЕПЛООБМІННИКА ЗМІШАННЯ Кравченко А.Д., студент; Жукова Н.В., доц., к.т.н. (ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк, Україна) Загальна постановка проблеми. Регулювання теплообмінників змішання полягає в підтримці заданого значення температури вихідного потоку шляхом зміни витрати одного з теплоносіїв за умови, що основним джерелом збурень є витрата і температура другого потоку, а температура першого потоку і питомі теплоємності речовин постійні. В якості базового об'єкту управління для дослідження системи автоматичного управління температурою на виході з теплообмінника обраний технологічний процес (ТП) охолодження сірководневих газів з 750 ° С до 450 ° С, шляхом їх змішування з повітрям [1]. Аналіз процесу охолодження сірководневих газів як об'єкту управління, показав, що витрата сірководневого газу G2 і температура газу є основним джерелом збурень, а подача повітря G1 - керуючим впливом, температура повітря приймається постійною [2] . Авторами в [2] був проведений аналіз математичної моделі об'єкта. Аналіз показав, що при звичайних збуреннях, спостережуваних на практиці, помилка в результаті лінеаризації може виявитися істотною. При збільшенні витрати газів на 30 % порівняно із заданим, коефіцієнт посилення по керуючому впливу може змінитися на 5-20%, а по збурювальному на 25-40% від розрахункових, залежно від співвідношення витрат G1 і G2 . Також було показано, що стабілізація відношення витрат G1 / G2 = γ ° дозволяє зменшити вплив нелінійності в математичній моделі, оскільки за відсутності інших збурень, крім G2 , забезпечуватиметься сталість вихідної температури. Наявність інших джерел обурення, крім витрати газу, потребують введення корекції γ ° [2]. Аналіз структурних схем систем автоматичного управління об'єктами даного класу показав, що добре зарекомендували себе комбіновані автоматичні системи регулювання, в яких забезпечується компенсація основних збурень і вводиться зворотній зв'язок по регульованою координаті. На рис. 1 наведені функціональна і структурна схеми системи автоматичного регулювання температури вихідного потоку з внутрішнім регулятором співвідношення витрат G1 і G2 , таким, що G1 = γ( T ) ⋅ G2 . При наявності інших збурень, наприклад, зміна тепловтрат в навколишнє середовище, така структура буде підтримувати температуру вихідного потоку в заданих межах. Таким чином, метою даної статті є дослідження динаміки представленої САР, аналіз показників якості при зміні збурювальних впливів. Методика вирішення задачі.

152

Розглянемо роботу САР температури вихідного потоку. В якості виконавчого механізму виберемо двигун постійного струму (ДПТ). Цей механізм дозволяє відкрити заслінку тільки в допустимих межах. 1 2

G2 Регулятор 2

FFC

Тгаз

γ°

G1 FE

Камера смешения

Объект R

Твых

Регулятор 1

а)

Твых°

б)

Рисунок 1 – Функціональна (а) і структурна (б) схеми САР вихідної температури з корекцією коефіцієнта за температурою сумарного потоку Нехай співвідношення витрати газів і повітря таке, що гази, що виходять з теплообмінника, мають температуру 450 С°. Тоді на виході випрямляча - нуль вольт, ДПТ не обертається і заслінка перебуває у фіксованому положенні. При збільшенні обурення (збільшення витрати сірководневого газу), як результат почне збільшуватися температура вихідних газів. Це призведе до того , що помилка неузгодженості почне зростати, що в свою чергу викличе збільшення сигналу на виході регулятора співвідношення, а також напруги на виході керованого випрямляча. Двигун почне обертатися, повертаючи заслінку в сторону відкривання, що справить до збільшення подачі повітря в камеру змішування. Це призведе до деякого зниження температури вихідного потоку. Якщо подача сірководневого газу буде продовжувати лінійно збільшуватися, то в результаті перехідного процесу помилка регулювання стабілізується, заслінка буде відкриватися все більше, з постійною швидкістю. По досягненню подачі повітря деякої постійної величини, двигун призведе заслінку до такого положення, при якому помилка стане рівною нулю, двигун зупиниться і температура на виході теплообмінника буде дорівнює 450 С °. При різких змінах подачі сірководневого газу в камеру змішування з'являється інерційно - коливальні властивості САР і на деякий час перехідний процес може зробити температуру коливальної. Для того, щоб уникнути такого режиму, коли помилки стабілізації можуть перевищити допустимі значення, технологією заборонено збільшувати швидкість подачі сірководневого газу в піч - котел більше ніж 1500 м3/год [1]. Схема моделювання розглянутої САР наведена на рис. 2. Основна задача синтезу САР полягає у виборі закону регулювання та визначенні настроювальних параметрів регулятора. З практики застосування регуляторів співвідношення потоків [3] приймаємо ПІ-закон управління: t

1 u (t ) = К p e(t ) + ∫ е(t )dt , Tи 0

де К p - пропорційна складова; K и =

1 - інтегральна складова; e(t ) = Tзад (t ) − Toc (t ) Ти

помилка регулювания. Значення параметрів настройки, досить близькі до оптимальних, отримані в результаті дослідження динаміки замкнутої системи. В якості методу знаходження 153

настроювальних параметрів регулятора обраний метод автоматичної настройки блоку PID control пакета моделювання Matlab, оскільки методи автоматичної оптимізації є потужним засобом сучасних промислових контролерів. Метод автоматичної настройки грунтується на трьох етапах: ідентифікації моделі об'єкта, визначенні параметрів регулятора і настройку параметрів. Вибір вищезгаданого методу обумовлений тим, що параметри регулятора, що визначаються за існуючої і широко поширеною методикою Зіглера і Нікольса потім настроюються вручну або автоматично у процесі аналізу динаміки САР [3-6].

Рисунок 2 - Схема моделювання САР температури сірководневих газів на виході з теплообмінника На рис.3 наведені графіки перехідної характеристики температури на виході з теплообмінника при параметрах регулятора, розрахованих за вище названої методикою і оптимізованих за допомогою автоматичного налаштування. Зміна подачі сірководневих газів здійснюється таким чином: на 150 секунді - відбувається зменшення швидкості подачі на 100 м3/год. і на 300 секунді - збільшення швидкості подачі на 200 м3/год. від номінального значення. Номінальна подача повітря становить 1200 м3/год. 750 700 650

T,grad

600 550 500 450 400 350 300

100

150

200

250

300

350

t,c

Рисунок 3 - Перехідна характеристика температури вихідного потоку при зміні подачі газу З рис.3 видно, що перехідна характеристика температури з регулятором, налаштованим вручну носить аперіодичний характер, час регулювання складає t p = 150 с. 154

Перехідний процес по температурі з оптимальними параметрами більш швидкодіючий: час регулювання складає t p = 50 с, перерегулювання σ = 10%. Час відпрацювання обурючого впливу по подачі газу становить в обох випадках близько 30 с. Дані показники є задовільними. На рис. 4, 5 наведені перехідні характеристики впливу, що задає, по витраті повітря і кута відкриття регулюючого органу для внутрішнього регулятора співвідношення витрат, тобто G1 = γ( T ) ⋅ G2 . Коефіцієнт співвідношення G1 / G2 = γ ° коригується у відповідність з можливим обуренням по витраті газу. 0.35

G1=gamma(T)*G2,m3/c

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

100

150

200

250

300

350

t,c

Рисунок 4 - Перехідна характеристика завдання витрати повітря у відповідність із коефіцієнтом співвідношення γ ° при зміні подачі газу 90 80 70

PO,grad

60 50 40 30 20 10 0

100

150

200

250

300

350

t,c

Рисунок 5 - Перехідна характеристика кута відкриття заслінки при зміні подачі газу Як видно з графіка перехідна характеристика кута відкриття регулюючого органу не виходить за межі технологічних обмежень, що свідчить нормальному режимі роботи САР.

155

У досліджуваній САР проведено аналіз на підвищену сприйнятливість до наявності шумів в сигналі помилки, який поступає на регулятор температури. Для цього на вихід суматора головного зворотного зв'язку поданий сигнал з генератора білого нормального шуму. Заданий широкосмуговий гаусовський шум зі стандартним відхиленням, рівним 10 С°. Як видно, з рис.3. САР легко справляється зі своєю задачею стеження та стабілізації. Таким чином, результати моделювання показали працездатність каскадної САР і можливість застосування таких систем, основними показниками якості яких виступають: - відсутність статичної помилки; - час регулювання - порядку 100 сек; - аперіодичний характер перехідних процесів з допустимим перерегулюванням до 10 %; - задовільний час відпрацювання сигналів уставок і обурень порядку 30 сек; - компенсація як контрольованих, так і неконтрольованих збурень за рахунок обраного принципу управління по відхиленню з підлеглим регулюванням. Висновки: 1. Розглянуто технологічний процес охолодження сірководневих газів як об'єкт управління. Основним джерелом збурень є витрата і температура газу, а температура повітря і питомі теплоємності речовин постійні. В якості базового об'єкту управління для дослідження системи автоматичного управління температурою на виході з теплообмінника обраний технологічний процес охолодження сірководневих газів з 750 ° С до 450 ° С. 2. Показано, що стабілізація відношення витрат G1 / G2 = γ ° дозволяє зменшити вплив нелінійності в математичній моделі. Аналіз структурних схем систем автоматичного управління об'єктами даного класу показав, що добре зарекомендували себе комбіновані автоматичні системи регулювання, в яких забезпечується компенсація основних збурень і вводиться зворотній зв'язок по регульованою координаті. 3. Результати моделювання каскадної САР з різними варіантами налаштувань ПІрегуляторів показали задовільні показники якості системи. Перехідна характеристика температури з регулятором, налаштованим вручну носить аперіодичний характер, час регулювання складає t p = 150 с. Перехідний процес по температурі з оптимальними параметрами більш швидкодіючий: час регулювання складає t p = 50 с, перерегулювання

σ = 10%. Час відпрацювання обурювального впливу по подачі газу становить в обох випадках близько 30 с. 4. У досліджуваній САР проведено аналіз на підвищену сприйнятливість до наявності шумів в сигналі помилки, який поступає на регулятор температури. При подачи білого нормального шуму із стандартним відхиленням, рівним 10 С° САР повністю справляється із задачею стеження та стабілізації. Перелік посилань: 1. Производственная инструкция аппаратчика производства серной кислоты Авдеевского коксохимического завода. Авдеевка 2013. – 57с. 2. ХVI Международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2014»: материалы конференции (26–28 марта 2014 г.): в 5 ч.; ч. 1. –Ухта: УГТУ, 2013. 3. В. Денисенко ПИД регуляторы: вопросы реализации (часть вторая): http://www.cta.ru 4. Кузьменко Н.В. Автоматизация технологических процессов и производств: Учеб. Пособие – Ангарск 2005, АГТА. – 78с. 5. Клиначёв Н. В. Теория систем автоматического регулирования и управления: Учебно-методический комплекс. - Offline версия 3.6. - Челябинск, 2005. - 652 файлa, ил. http://model.exponenta.ru/tau_lec. 6. Сучасна теорія управління динамічних систем: навч. посіб. /Рафіков Г.Ш., Жукова Н.В., Чернишев М.М., Федюн Р.В., Червинський В.В. – Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2012. – 300 с. Гриф МОНмолодьспорту України № 1/11-4117 від 27.03.12 р. 156

УДК 621.783.22:681.5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СИМУЛЯТОРА РАБОТЫ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ МЕТОДИЧЕСКОЙ ПЕЧИ С ШАГАЮЩИМИ БАЛКАМИ В КОМПЛЕКСЕ С СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ Забильская М.В., магистрант; Симкин А.И., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, Украина) Целью данной работы является создание компьютерной программы симулятора работы нагревательной методической печи, моделирующей совместную работу объекта управления и АСУ ТП. Данный симулятор может быть использован в следующих целях: − обучение студентов и технического персонала; − отладка алгоритмов управления АСУ ТП методической печи с шагающими балками; − оценка различных режимов работы объекта. Методические печи предназначены для нагрева металла перед прокаткой и относятся к печам непрерывного действия. В ней металл нагревается в результате радиационного теплообмена (от стен и свода печи и продуктов сгорания топлива) и конвективного теплообмена, возникающего при соприкосновении металла с продуктами сгорания. Методическая печь состоит из рабочего пространства, где происходит сжигание топлива и нагрев металла, и ряда систем: отопления, транспортировки заготовок, охлаждения элементов печи, управления тепловым режимом и др. Схематический вид семизонной методической печи с шагающими балками представлен на рис.1. Металл в своем движении последовательно проходит зоны печи: 1 - методическую (зона предварительного нагрева); 2,3 - сварочную, в которой осуществляется быстрый нагрев металла и 4 - томильную, где происходит выравнивание температур по сечению заготовки.

Рисунок 1 - Схематический вид семизонной методической печи Основные контролируемые параметры печи: − для каждой зоны: температура в рабочем пространстве, расходы природного газа и воздуха на горение, температура воздуха; − общие на печь: давление в рабочем пространстве, расход газа и воздуха на печь, химический состав отходящих газов. Соответственно в каждой зоне печи необходимо функционирование двух систем регулирования: температуры в зоне и соотношения газ-воздух. Кроме того, необходима стабилизация давления в печи. Эти системы в имитаторе реализуются программно. Функции управления нагревом сводятся к расчету заданных значений температуры греющей среды и коэффициента расхода воздуха в каждой зоне печи, давления в печи. Структура симулятора представлена на рис.2. Модуль HMI (от англ. human-machine interface — «человеко-машинный интерфейс») предназначен для визуализации технологического процесса, реализации ввода исходных данных, построения диаграмм и трендов.

157

Модуль работы с БД используется в режиме имитации работы печи, для чтения данных с БД, а также в режиме замкнутого управления для ведения БД. Геометрическая модель печи описывает реальную геометрию рабочего пространства печи. Данная модель используется для определения местонахождения конкретной заготовки в данный момент времени. Модель нагрева слябов предназначена для обеспечения системы информацией о текущей температуре заготовок и о возможной траектории нагрева в будущем в зависимости от предполагаемых условий нагрева. Для описания внутренней задачи расчета нагрева предполагается использовать трехмерное уравнение теплопроводности. Результаты расчета модели нагрева слябов в виде задания на температуру греющей среды поступают в модель системы автоматического регулирования.

Рисунок 2 - Структурная схема симулятора Проектируемый симулятор должен обеспечивать возможность работы модели в нескольких режимах: − режим имитации работы печи в реальном времени. В данном режиме симулятор использует реальные данные работы агрегата, полученные в процессе его эксплуатации и занесенные в базу данных. При включенном режиме имитации параллельно могут функционировать модели с целью определения их точности; − режим моделирования работы методической печи. Данный режим использует заданные начальные параметры садки, заданные значения температур в зонах и др. для моделирования протекания технологического процесса. Пользователь может наблюдать за ходом процесса, однако вносить изменения не может; − режим ручного регулирования (с использованием советчика, основанного на моделировании процесса, и без него). В этом режиме пользователь вручную изменяет управляющие воздействия, такие как расход газа в зонах, скорость движения заготовок и др. Работа данного режима возможна в двух состояниях: с советчиком и без. С использованием советчика программа работает в ритме процесса в разомкнутом контуре, т. е. выходы АСУ не связаны с органами управляющими процессом. Управляющие воздействия фактически осуществляются пользователем, и именно ему решать использовать указания от ЭВМ или нет; − режим замкнутого управления. В этой схеме АСУТП используется в замкнутом контуре, т.е. установки регуляторам задаются непосредственно программой. Задачей данного режима является поддержание ТП вблизи оптимальной рабочей точки путем оперативного воздействия на него. Работа входной части системы, и вычисление управляющих воздействий мало отличается от работы системы управления в режиме советчика. Однако, после вычислений заданных значений (уставок) последние преобразовываются в величины, которые можно использовать для изменения заданий в системы регулирования. В ходе проектирования необходимо решить следующие задачи: − реализация математических моделей; − реализация управляющего алгоритма для автоматического управления процессом;

158

− реализация графического отображения информации, протекания некоторых процессов и производственных этапов и создание виртуального пульта управления для проведения нагрева в ручном режиме. Кроме выше перечисленных моделей, необходимо реализовать решение следующих задач: − расчет предполагаемого нахождения сляба в печи; − расчет заданных значений в зоны регулирования; − визуализация движения нагреваемых заготовок в рабочем пространстве печи. Рассмотрим блок схему расчета задания в САР температуры в зоне методической печи (рис.3). Алгоритм выработки в системе управляющего воздействия включает в себя решения двух задач: 1. Генерирование оптимального температурного профиля печи. 2. Расчет заданных значений температуры в САР температуры в зонах печи. Генерирование оптимального температурного профиля осуществляется на основе банка данных, полученных заранее путем имитационного моделирования. В течение эксплуатации температурный профиль может корректироваться на основании требований технологии нагрева конкретных марок сталей и статистических расчетов. Задание для томильной зоны определяется заданной температурой нагрева для конкретной группы нагрева. Начало

Входные параметры: S, V, марка стали

Расчет Рп и tБ = f(Pп) 5

Расчет отклонения

Генерирование оптимальной траектории нагрева

∆tnm

Нахождение среднемассовой температуры

Определяем задание для регулятора

tnm=fm(An) 4

Конец

Рисунок 3 - Блок схема расчета задания в САР температуры в зоне методической печи Предполагается реализовать данный симулятор в рамках магистерской работы с помощью программного пакета Borland C++ Builder 6. Перечень ссылок 1. Харисон Т. Управляющие вычислительные машины в АСУ технологическими процессами. Т. 1-2 - М: Мир, 1976-1062 с. 2. Климовицкий М.Д., Копелович А.П. Автоматический контроль и регулирование в черной металлургии – М.: Металлургия, 1967 – 787с. 3. Контроль и управление параметрами теплового режима в АСУТП нагрева-тельных печей и колодцев Вестник Приазов. гос. техн. ун–та: сб. науч. тр. / ПГТУ. – Мариуполь, 1996. – № 2. – С. 181–184. 4. Ревун М.П., Гранковский В.И. Автоматическое управление нагревом металла – К.: Техника, 1973 – 138с. 159

УДК 66-52:66(075) РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ САУ ПРОТИВОТОЧНЫМ ТЕПЛООБМЕННЫМ АППАРАТОМ Зайцев В.А., студент (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Актуальность. Теплообменные аппараты являются неотъемлемой частью большинства технологических процессов, поэтому задача автоматизации противоточных теплообменных аппаратов является весьма важной вследствие существенной энергоемкости теплообменников и их широкой распространенности в промышленной практике. Процессы передачи тепла с помощью теплообменников от одной жидкой среды к другой находят очень широкое применение в промышленной и коммунальной сфере, бытовом секторе. Часто мы просто пользуемся результатом теплообмена, не придавая этому никакого значения, не видя самого процесса. Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния. Цель. Повышение качества процесса управления системой автоматического управления теплообменным аппаратом за счет обзора известных решений управления теплообменниками, а также его анализа как объекта управления. Постановка задачи. Моделирование процесса управления температурой технологического потока на выходе из теплообменника при действии возмущающих воздействий и анализ качества управления теплообменным аппаратом. Теплообменный аппарат как объект управления. С учетом реальных условий работы, все существенные факторы, влияющие на процесс теплообмена, разбиваются на следующие группы [2]: 1. Контролируемые возмущения – это те возмущения, которые можно измерить, но невозможно или недопустимо стабилизировать (расход питания, подаваемого непосредственно из предыдущего аппарата; температура окружающей среды и т.п.). Для исследуемого процесса такими возмущениями являются: температура теплоносителя Твхгор , а также температура и расход нагреваемого потока Твххол, Gхол на входе в аппарат. 2. Неконтролируемые возмущения – возмущения, которые невозможно или нецелесообразно измерять непосредственно. Первые – это падение активности катализатора изменение коэффициентов тепло- и массопередачи и т.п. В качестве неконтролируемых возмущений в данном объекте может выступать накипь, образовавшаяся на поверхности трубок внутри теплообменника, а также давление пара, участвующего в теплообмене. 3. Выходные переменные. Из их числа выбирают регулируемые координаты. При построении замкнутых систем регулирования в качестве регулируемых координат выбирают технологические параметры, изменение которых свидетельствует о нарушении материального или теплового баланса в аппарате. К ним относятся: температуры теплоносителей Твыхгор и Твыххол. 4. Управляющие переменные – входные сигналы объекта управления, с помощью которых можно влиять на режим работы объекта: величина расхода теплоносителя Gгор. На рисунке 1 показана структурная схема поверхностного теплообменника.

160

Gхол Твххол Твхгор Твыхгор Gгор

Твыххол

Рисунок 1 – Схема взаимосвязей между переменными в теплообменном аппарате Регулирование поверхностных противоточных теплообменников заключается в поддержании постоянства температуры одного из теплоносителей на выходе из теплообменника, например, Tx2.

Tr1

Tr2 q

Tx2

Tx1

Рисунок 2 – Структурная схема поверхностного противоточного теплообменника Температура Tx2 зависит от скорости передачи тепла или теплового потока q через стенку; в свою очередь эта температура определяется движущей силой процесса или средним температурным напором Tcр. Для проведения моделирования зададимся начальными данными: F=282 м2 – поверхность теплообменника υ1= υ2=4400 м3/ч – объемная скорость рабочих сред c1= c2=0,33 м3*град – удельная теплоемкость сред α1= α2=12 м2*ч*град – коэффициент теплоотдачи G=5400 кг – вес теплообменных труб сст=0,115 кг*град – удельная теплоемкость материала поверхности теплообмена при установившемся режиме Т1н=470 0С – температура первичного теплоносителя Т2н=50 0С – температура вторичного теплоносителя С учетом изложенного выше математическая модель в рассматриваемой задаче примет вид:

Tвых1 =

dQ 2 * 1 + 2Т ст − Т вх1 α1 F1 dt

Tвых 2 = −

dQ2 2 * + 2Т ст − Т вх 2 α 2 F2 dt

Т ст − Т ст 0 =

1 t dQ1 dQ1 )dt − ∫( dt G ст с ст 0 dt

dQ1 = υ1 c1(Tвых1 − Т вх1 ) dt dQ2 = υ 2 c 2 (Tвых 2 − Т вх 2 ) dt 161

Рисунок 3 – Схема моделирования САУ Исходя из теплообменника:

данной

математической

модели,

составим

схему

моделирования

Рисунок 4 – Схема моделирования противоточным теплообменным аппаратом Для регулирования требуемой температуры на выходе из теплообменника будем изменять расход горячего теплоносителя с помощью автоматически настроенного ПИконтроллера. В результате моделирования получаем следующие переходные процессы:

Рисунок 5 – Переходная характеристика горячего теплоносителя на выходе из теплообменника 162

Рисунок 6 – Переходная характеристика холодного теплоносителя на выходе из теплообменника Как видим полученные переходные характеристики имеют хорошие показатели качества управления системы: перерегулирование около 5%, время переходного процесса порядка 15 с. Выводы. 1. Выделены существенные факторы, влияющие на процесс автоматизации. 2. Анализ теплообменного аппарата как объекта управления показал, что исследуемый объект автоматизации является сложным, многомерным и многосвязным объектом управления, что не учтено существующими системами автоматического управления. 3. Исходя из полученной математической модели и проведенного моделирования системы автоматического управления теплообменным аппаратом установлено, что данная модель теплообменника имеет хорошие показатели качества управления при правильно настроенном ПИ-регуляторе. Перечень ссылок 1. Дудников Е.Г. Автоматическое управление в химической промышленности/ Е.Г. Дудников, А.В. Казаков, Ю.Н. Софиева, А.Э. Софиев, А.М. Цирлин – Москва: Химия, 1987. – 368 с. 2. Лапшенков Г.И. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности/ Г.И. Лапшенков, Л.М. Полоцкий – Москва: Химия, 1982. – 377 с. 3. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии/ И.Л. Иоффе – Л.: Химия, 1991. – 352 с. 4. Чернышев Н.Н. Математическое описание процесса теплообмена в противоточных теплообменных аппаратах / Н.Н. Чернышев, В.В. Турупалов, А.А. Прядко // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Сер. обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 21 (183). – Донецьк: ДонНТУ. – 2011, С. 55-60. 5. Чернышев Н.Н. Настройка регуляторов температуры газов в системе автоматического управления производства серной кислоты / Н.Н. Чернышев // Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова, гол. ред. В.Ф.Євдокимов. – Київ: Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова, 2012. – Випуск 65. – С. 101-107.

163

УДК 624.86

МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПАССАЖИРСКИМ ЛИФТОМ Косьяненко Л. Ф., студент (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк Украина) Обзор объекта. Сегодня уже трудно представить себе украинский город без работающего вертикального транспорта. Для огромного количества людей нормальная работа лифтового хозяйства является синонимом нормальной жизни. Качественная работа лифтов и подъемных механизмов и их надежность остается одним из ключевых аспектов в деле обеспечения безопасности жилых и общественных зданий, поэтому необходимо непрерывное развитие и модернизация лифтовых систем управления. В качестве объекта исследования был взят лифт многоэтажного здания. Основными частями лифта являются: лебёдка, кабина, противовес, направляющие для кабины и противовеса, двери шахты, ограничитель скорости, тяговые канаты и канат ограничителя скорости, узлы и детали приямка, электрооборудование и электроразводка. Кинематическая схема лифта представлена на рис. 1.1. Лифт имеет полиспастную подвеску с кратностью полиспаста 2, при которой тяговые канаты 1, сходящие с канатоведущего шкива 2, огибает полиспастный блок 3 на кабине 4 и противовесе 5 и крепятся к верхнему перекрытию шахты в машинном помещении. Перемещение кабины и противовеса по направляющим осуществляется лебёдкой 6, установленной в машинном помещении, с помощью тяговых канатов 1. Там же размещены ограничители скорости, контроллер, вводное устройство. Лифт комплектуется специализированным контроллером.

6 DШ

υ mПР ⋅ g

( mKГ+ m ) ⋅ g Рисунок 1 – Cхема лифта 164

При нажатии кнопки вызывного аппарата в электроаппаратуру управления лифтом подается электрический импульс (вызов). Если кабина находится на остановке, с которой поступил вызов, открываются двери кабины и шахты на данной остановке. Если кабина в другом месте, подается команда на её движение. В обмотку электродвигателя лебёдки и катушки электромагнитных тормозов подаётся напряжение, тормоза отпускают, и ротор электродвигателя приходит в движение. При подходе кабины к требуемой посадочной площадке система управления лифтом по сигналу датчиков точной остановки переключает электродвигатель лебёдки на работу с пониженной частотой вращения ротора. Скорость движения кабины снижается, подаётся команда на остановку, и в момент, когда порог кабины совмещается с уровнем порога двери шахты, кабина останавливается, вступает в действие тормоз, включается в работу привод дверей, и двери кабины и шахты открываются. На лифте с системой управления от контроллера происходит бесступенчатое регулирование частоты вращения ротора двигателя посредством системы частотного регулирования, что обеспечивает плавные остановку и пуск кабины. При нажатии кнопки приказа на панели управления, расположенной в кабине, закрываются двери кабины и шахты, кабина отправляется на посадочную площадку, кнопка приказа которой нажата. После прибытия на требуемую посадочную площадку и выхода пассажиров двери закрываются, кабина стоит до тех пор, пока не будет нажата кнопка любого вызывного аппарата. Движение кабины возможно только при исправности всех блокировочных и предохранительных устройств. Срабатывание любого предохранительного устройства приводит к размыканию цепи управления и остановке кабины. Постановка задач исследования. Целью данной работы является улучшение динамических характеристик системы управления лифтом в переходных режимах работы . Для достижения поставленной цели не обходимо сформулировать основне задачи работы: 1. Разработать математическую модель системы управлени лифтом на базе ПИД регулятора. 2. Синтезировать иммитационную модель данной системы. 3. Исследовать динамические характеристики системы управления при помощи математической модели. Измерение текущего значения скорости производится при помощи устройства контвроля скорости УКС-01 . Обработка данных и выдача сигналов управления на двигатель будет производиться при помощи программируемого логического контроллера (ПЛК). При помощи герконовых датчиков, находящихся на каждом этаже и поверхности кабины, будут контролироваться процессы разгона-торможения лифта.. Также будут установлены следующие измерительные датчики и приборы: – прибор контроля открытия-закрытия дверей БАРЬЕР-1М ; – датчик температуры; –датчик момента; – модуль логики для контроля загруженности кабины КПЛ 1.1. Для устранения аварийной ситуации при превышении максимального уровня загрузки кабины на диспетчерскую панель, а с нее на лифтовой индикатор поступает сигнал о перегрузки.. При превышении безопасной скорости кабины поступает сигнал на ПЛК, а при его помощи осуществляется аварийная остановка лифта. Моделирование узла. Получение математической модели асинхронного двигателя, лежащего в основе работы лифта, является основой общей модели объекта. По известным паспортным данным двигателя серии 4 А мощности 5,5 кВт [1] произведем следующие необходимые расчеты: 165

Номинальный фазный ток статора

Р2 н ⋅ 103 5.5 ⋅ 103 = = 11.467 А. I1н = 3 ⋅ U1н ⋅ η н ⋅ cos ϕ н 3 ⋅ 220 ⋅ 0.855 ⋅ 0.85

(1.1)

Базисное значение сопротивления U 1н 220 = = 19.186 Ом. I1н 11.467

1.2)

ω1 = 2 ⋅ π ⋅ f1 = 2 ⋅ 3.14 ⋅ 50 = 314 с-1.

(1.3)

Z баз =

Угловая частота тока

Реактивное сопротивление рассеяния статора в относительных единицах Х1*=

2 ⋅ Х `1* ⋅ X m* X m* + X

+ 4 ⋅ X `1* ⋅ X m*

2 ⋅ 0.078 ⋅ 2.8 2.8 + 2.8 2 + 4 ⋅ 0.078 ⋅ 2.8

= 0.0759 .

(1.4)

Коэффициент, связывающий параметры машины в Т и Г-образной схемах замещения с1 =

Х `1* 0.078 = = 1.027 . X 1* 0.0759

(1.5)

Реактивное сопротивление рассеяния фазы статора Х `1* ⋅Z баз 0.078 ⋅19.186 = = 1.457 Ом. c1 1.027

X1 =

(1.6)

Активное сопротивление фазы статора R1 = RS =

R`1* ⋅Z баз 0.064 ⋅19.186 = = 1.1955 Ом. 1.027 с1

(1.7)

Индуктивность рассеяния фазы статора L1S =

ω1

1.457 = 0.0046 Гн. 314

(1.8)

Реактивное сопротивление рассеяния фазы ротора X `2 =

Х ``2* ⋅Z баз 0.13 ⋅19.186 = = 2.365 Ом. 1.027 2 c12

(1.9)

Активное сопротивление фазы ротора R`2 = R`R =

R``2* ⋅Z баз 0.041 ⋅19.186 = = 0.7456 Ом. с12 1.027 2

(1.10)

Индуктивность рассеяния фазы ротора L2 S =

X `2

ω1

2.365 = 0.0075 Гн. 314

Реактивное сопротивление взаимоиндукции 166

(1.11)

X m = Х m* ⋅ Z баз = 2.8 ⋅19.186 = 53.72 Ом.

(1.12)

Индуктивность взаимоиндукции Lm =

Xm 53.72 = = 0.114 Гн. 1.5 ⋅ ω1 1.5 ⋅ 314

(1.13)

Рисунок 2 – Имитационная модель лифта с контролем по скорости Для поддержания скорости на нужном уровне выберем ПИД регулятор-наиболее эффективный и распространенный вид регулятора, обеспечивающий достаточно высокую точность при управлении различными процессами. Известно, что данный регулятор следует выбирать для систем регулирования [2], с относительно малым уровнем шумов и величиной запаздывания в объекте управления. Для синтеза регулятора применим метод Зиглера–Никольса. 1. Выставляем все коэффициенты (Kp, Ki, Kd) в 0. 2. Начинаем постепенно увеличивать значение Kp и следим за реакцией системы. Нам нужно добиться, чтобы в системе начались устойчивые колебания (вызванные перерегулированием). Увеличиваем Kp, пока колебания системы не стабилизируются (перестанут затухать). Запоминаем текущее значение Kp (обозначим его Ku) и замеряем период колебаний системы (Tu). По результатам Kp=52, Tu=0.9. 3. Теперь используем полученные значения Ku и Tu для расчета всех параметров ПИД регулятора по формулам: Kp = 0.6 * Ku; Kp = 31,2 Ki = 2 * Kp / Tu; Ki = 69,3 Kd = Kp * Tu / 8; Kd = 3,51 Данные настройки подставим в ПИД регулятор и промоделируем систему и оценим полученные результаты [3]. Рассмотрим следующий вариант движений-остановок лифта: -лифт стоит на 3-ем этаже, в него заходит 1 человек, этаж назначения -5. Результаты моделирования: 167

Рисунок 3 – Графики управляющего тока, линейной скорости перемещения лифта, момента сопротивления, перемещения кабины Выводы. Была спроектирована САУ процесса управления перемещения кабины лифта. Был рассмотрен процесс работы объекта, его технологическая схема, а также цель проектирования САУ. Были определены задачи, необходимые системе для достижения поставленной цели. Были получены и проанализированы переходные процессы данных моделей. Момент сопротивления и управляющий токовый сигнал , при различных условиях меняется, однако по графикам видно , что заданное воздействие отрабатывается и на выходе мы получаем требуемую скорость с минимальными отклонениями от заданных на входе значений. В дальнейшем в систему будут внесены нелинейности и будет выяснен наилучший способ их отработки для достижения поставленной цели. Перечень ссылок 1. Кравчик А.Э., Шлаф М.М., Афонин В.И., Соболенская Е.А. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/А90 – М.: Энергоиздат, 1982. 504 с., ил. 2 Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс. - СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005. 512 с.: ил. 3 Герман - Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие – СПб.: Корона принт, 2001. 320 с., ил.. Герман - Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие – СПб.: Корона принт, 2001. 320 с., ил.

168

УДК 622.788.36:681.5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СИМУЛЯТОРА РАБОТЫ СИСТЕМЫ ДОЗИРОВАНИЯ ШИХТЫ НА АГЛОФАБРИКЕ Кочнев А.Е., магистрант; Симкин А.И., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, Украина) Целью данной работы является создание компьютерной программы-симулятора работы участка дозирования аглофабрики, моделирующей совместную работу объекта управления и АСУ ТП. Данный симулятор может быть использован в следующих целях: − обучение студентов и технического персонала; − отладка алгоритмов управления, реализуемых системой автоматизации; − оценка различных режимов работы объекта. Для достижения поставленной задачи необходимо решить следующие задачи: − реализовать модель распределения шихт, имитирующая работу системы дозирования аглофабрики; − реализовать управляющий алгоритм для автоматического управления процессом; − обеспечить графическую иллюстрацию процесса для придания реальности наблюдаемых производственных этапов и реализовать виртуальный пульт управления в случае ручного управления; − разработать структурированную базу данных дозируемых материалов; При дозировании компонентов аглошихты используют один из трех возможных алгоритмов: − индивидуальное (независимое) дозирование каждого компонента; − дозирование компонентов по общей массе шихты; − дозирование компонентов по трудно дозируемому компоненту. Каждый из алгоритмов выбирается в зависимости от технологии и конкретной ситуации. Система автоматического индивидуального массового дозирования используется, когда стабильны физические и химические свойства компонентов. Основной недостаток – неустойчивая работа при изменении значения общей массы шихты и "подвисания" материала в одном из бункеров. Система автоматического дозирования по общей массе шихты, используется тогда, когда необходим контроль и правильная работа отделений дозирования и спекания. В этой системе используется значение общей массы шихты, которое поступает из отделения спекания. Основное преимущество системы: обеспечивает заданную массу шихты с заданным химическим составом. Недостаток: система неадекватно работает при "подвисании" материала в одном из бункеров. Система автоматического дозирования по трудно дозируемому компоненту решает проблему "подвисания" материала в одном из бункеров. Непрерывность процесса подготовки материалов требует обеспечения безаварийной работы систем управления весовым дозированием и транспортировки материалов. Такие системы характеризуются применением в своем составе механических вращающихся узлов, преобразователей частоты, электродвигателей. Структура разрабатываемого приложения, созданная с применением поставленной задачей, приведена на рис. 1. Математическое обеспечение этой подсистемы базируется на решении уравнений материального баланса шихты, баланса основности, материального баланса. Подобное решение позволяет уменьшить влияние возмущающих воздействий на процесс дозирования.

169

Алгоритм автоматического управления

Математическая модель системы весодозирования

Советчик

ПЛК

Система визуализации

Ручное управление процессом

Модуль расчета Уравнений шихты

СУБД

Рисунок 1 – Структура имитационной модели дозирования шихты. Автоматическое управление процессом. Протекание процесса дозирования производится в замкнутом контуре. Все входящие воздействия поступают непосредственно с математической модели и используются для поддержания оптимальных заданных параметров системы. Также предусмотрена возможность перевода управления в ручной режим с использованием или без использования режима советчика. Модуль работы с БД используется в режиме имитации работы печи для чтения данных с БД, а также в режиме замкнутого управления для ведения БД. Ручное управление процессом. Управляющие воздействия задаются инженером или технологом. Данный режим работает в разомкнутом контуре, во избежание наложения управляющих сигналов ручного и автоматического процесса управления. Алгоритм автоматического управления дозированием. В подготовке шихтовых материалов решающее значение имеет обеспечение непрерывного и точного весового дозирования. Передаточная функция дозатора представлена, как

𝑊𝑝 (𝑝) = 𝑘𝑒 −𝑝𝜏

(1)

где k – коэффициент передачи; 𝜏 – время запаздывания. Частью комплекса весового дозирования является бункер. Этот объект является астатическим, его передаточную функцию представим выражением

𝑊𝑖𝑎 (𝑝) =

𝑘𝑖𝑎 𝛿

𝑒 −𝑝𝜏𝑖𝑎

(2)

Исходя из выражений (1) и (2), можно представить математическую модель ленточного весоизмерителя и бункера, как последовательное включение интегрирующего и запаздывающего звена. Опишем цифровую обработку математической модели. Предположим, что до внесения возмущения по заданию, объект управления находится в состоянии динамического равновесия при 𝑥𝑡 = 𝑥з . Внесенное возмущение вызовет изменение регулируемой величины от заданного значения, которое можно описать дифференциальным уравнением Тоб 𝑥 ′ + 𝑥 = 𝑘𝑜б 𝑦

(3)

В выражении (3) 𝑥 = 𝑥т −𝑥з – отклонение заданного значения регулируемой величины от текущего (величина, противоположная по знаку сигналу ошибки).

Перечень ссылок 1. Усреднение руд. Зарайский В. Н., Николаев К. П. – М.: Недра, 1975, 295с. 2. Контроль и автоматизация процессов переработки сыпучих материалов. Пугачев А. В. – М.: Атомиздат, 1977, 147с. 3. Автоматическое управление загрузкой бункеров шихтовыми материалами – Шаповаленко В. В. : Автоматизация и вычислительная техника. 1995. 4. Комбинорованные системы дозирования шихты - Грузда Д.Д. Сталь, №6 1989.

170

УДК 624.86 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ САУ ВОДОНАПОРНОГО УЗЛА «МУШКЕТОВСКИЙ» Г. ДОНЕЦК Краснодед А. И., студент; Хорхордин А. В., проф., к.т.н.; Батыр С. С., асс. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Система водоснабжения представляет собой комплекс сооружений для обеспечения определенной группы потребителей (данного объекта) водой в требуемых количествах и требуемого качества. Кроме того, система водоснабжения должна обладать определенной степенью надежности, то есть обеспечивать снабжение потребителей водой без недопустимого снижения установленных показателей своей работы в отношении количества или качества подаваемой воды (перерывы или снижение подачи воды или ухудшение ее качества в недопустимых пределах). Технологическая схема Мушкетовского водонапорного узла приведена на рис.1. Современный водопровод — система непрерывного водоснабжения потребителей, предназначенная для проведения воды для питья и технических целей из одного места в другое - к водопользователю (городские и промышленные помещения) преимущественно по подземным трубам или каналам.

Рисунок 1 – Технологическая схема узла Вода поступает на водонапорный узел из канала «Серверский Донец-Донбасс» по трубе большого сечения (1500мм) под высоким давлением непрерывно. Регулировать поступление воды можно только через оператора узла канала в директивном режиме: в заданное время увеличитьуменьшить подачу воды. Из одной общей трубы под давлением идет распределение воды в 6

171

вспомогательных сосудов баков-накопителей, объемом 5 тыс м3 каждый. Уровень воды в баках накопителя ограничен lmax, lmin м; Перед и после каждого бака-накопителя находятся вентили подачи воды в емкости и вывода воды из бака-накопителя, которые регулируют напор подаваемой жидкости. Из бака-накопителя вода перекачивается центробежными насосами в водопроводную сеть к потребителям. Эти насосы создают давление в потребительской водонапорной сети. Вода от насосов проходит через общий коллектор высокого давления и направляется в 4 исходящие трубы. Поток к потребителям регулируется вентилями подачи воды к потребителям. Одновременно могут работать до 3-ех насосов. 4й насос постоянно находится в режиме горячий резерв. Режим предусматривает, что для ввода насоса в эксплуатацию достаточно нажать кнопку. Насос заполнен водой и готов к работе, вентиль запуска воды в насос открыт, вентиль вывода воды из насоса закрыт. Давление в насосах контролируется с помощью датчиков давления и изменяется с помощью частотных преобразователей. Давление во всех трубах должно быть одинаковым, чтобы избежать перебоев, поэтому датчики давления расположены на общей трубе, общем коллекторе и на каждой трубе вывода воды к потребителям. Вентили перераспределения предназначены для распределения воды между емкостями и насосами. При условии работы только 1го, 3го и 4го центробежного насоса второй автоматически перекрывается вентилями. Тогда вода поступает в открытые насосы и непосредственно в общую распределительную трубу к потребителям. Таким образом, вода из любой желаемой емкости попадает к потребителю через работоспособный насос. Вентилями управляет специальный исполнительный механизм. Данные с него поступают на блок управления. Данные с датчиков и расходомеров поступают на блок измерений. Постановка задач исследования. Для повышения энергоэффективности водонапорного узла и уменьшения времени его реакции на изменение нагрузки САУ объекта должна выполнять следующие задачи: 1. Поддерживать давление в общем коллекторе и трубопроводах к потребителям при непостоянной нагрузке. Во всех трубах и насосах должно быть одинаковое давление. Это необходимо для того, чтобы вода не изменила свое направление движения, что может остановить работу всего узла. 2. Поддерживать заданные параметры эксплуатации оборудования узла: − выходное давление – 6,5 ± 5% [Атм]; − расход воды питающей узел удерживать в пределах [900 – 1700] м3/сут; − уровни воды в баках – от 1м до 9м; − давление и обороты насосов – 6,2 – 6,5 Атм. 3. Минимизировать энергопотребление узла. Решение задач. Для достижения поставленной цели необходимо спроектировать систему автоматизации, которая будет получать всю необходимую информацию о параметрах системы, которые характеризуют и влияют на ее работу. Основная задача САУ – поддержка давления при непостоянном водопотреблении. Измерение текущего значения давления производится при помощи датчиков давления. Обработка данных и выдача сигналов управления на насосы и задвижки будет производиться при помощи программируемого логического контроллера (ПЛК). Аналогично будут контролироваться уровни воды в баках, температура насосов, расход воды. Для этого будут установлены следующие измерительные датчики: – датчик уровня; – датчик температуры; – расходомер. Для устранения аварийной ситуации при превышении максимального уровня воды в бакенакопителе/опустошении минимального уровня, необходимо перекрыть/открыть соответствующие вентили. При выходе давления в общем коллекторе за допустимый предел требуется 172

включить/отключить насос и отрегулировать угол поворота вентилей. При перегреве насоса его необходимо остановить и ввести в работу резервный . При аварийной ситуации с захватом воздуха насосом требуется остановить насос, открыть воду для заполнения, спустить воздух и включить насос на малый разгон. Далее разогнать до обычной скорости (или помпаж). Моделирование узла. Для контроля уровня воды в баках разработаем математическую модель и проведем моделирование. В качестве регулятора уровня используем ПИД-регулятор с автонастройкой. Расчет коэффициента регулирующего органа: 𝐾=

𝐹𝑚𝑎𝑥 − 𝐹𝑚𝑖𝑛 1500 = = 0.0046 𝛼𝑚𝑎𝑥 − 𝛼𝑚𝑖𝑛 90 ∗ 3600

(1)

Уравнение уровня воды в баках-накопителях: 𝑑𝐿

𝑆СЕЧ 𝑑𝑡 = 𝐹𝑖𝑛 − 𝐹𝑜𝑢𝑡

(2)

1 𝑑𝐿 1 (𝐹𝑖𝑛 − 𝐹𝑜𝑢𝑡 ) = (𝐹 − 𝐹𝑜𝑢𝑡 ), = 𝑑𝑡 𝑆СЕЧ 500 𝑖𝑛

(3)

где 𝑆сеч – площадь поперечного сечения бака-накопителя. Расчет передаточной функции исполнительного механизма: 𝑊(𝑠) =

𝐾ДВ ТДВ 𝑠 + 1

(4)

90 = 5,63 (5) 20 − 4 Для моделирования баков-накопителей разработана реализация в пакете Simulink. Схема модели приведена на рис.2. 𝐾ДВ =

Scope1 Рас ход

P(s)

PI(s)

PID Controller1

PID Controller

90/(20-4)

-K-

1/500

0.1s+1 Step1

Transfer Fcn2

Rate Limiter

Gain4

Gain1

1 s Integrator

Scope2 Уровень

Signal 2

Scope4

Signal Builder

Рисунок 2 – Имитационная модель уровня воды в баке-накопителе Результаты моделирования приведены на рис. 4.а. Уровень воды в баке за 600 с поднялся от 0 до 8 м, далее наблюдается незначительное перерегулирование и колебательный процесс, который, однако, не влияет на качество работы. Регулятор справляется с поставленной задачей. Далее необходимо разработать систему для контроля давления воды в трубопроводе. Для этого разработаем математическую модель насоса. Зависимости, которые описывают физические процессы внутри насоса, довольно сложные и носят нелинейный характер. Поэтому вместо уравнений будем использовать табличные функции, полученные по экспериментальным данным. Согласно выбранной модели насоса, представим его характеристики: зависимость расхода Q, [м3/ч] от мощности N, [кВт]. Представим эту зависимость в виде массива чисел: N = [270,300,310,380,400,450,510], кВт ;Q = [0,200,450,800,1000,1400,2000], м3/ч 173

y PI(s) Step2

To Workspace1

PID Controller1

In1

Out1

1/3600

K*u Gain6

20s+1

Transfer Fcn4

Transfer Fcn5

Scope8

Lookup Table2

t Clock

560/0.5

20s+1

Dead Zone1

To Workspace 270 Constant1

Signal 1

Signal Builder2

Рисунок 3 – Имитационная модель поддержания давления в общем коллекторе

Рисунок 4 – а) Уровень воды в баке-накопителе, м б)Переходный процесс давления, кПа Для исследования разработаем модель в пакете Simulink (см. рис.3) и получим график изменения давления при включении дополнительного потребителя (см. рис.4.б). В системе использован ПИД-регулятор с автонастройкой, наблюдается колебательный переходной процесс, что допустимо, но не желательно. Можно сделать вывод о том, что использование ПИД-регуляторов для поддержания заданного давления воды возможно, но не обеспечивает эффективную работу насосов. В рамках совершенствования системы управления узла необходимо разработать регулятор, который обеспечит изменение давления воды в выходном коллекторе без колебаний. При разработке регулятора можно использовать методику выбора параметров на основе преобразования Мебиуса [3]. Выводы. Разработанная модель САУ водонапорного узла позволяет промоделировать процесс водоснабжения. Опираясь на разработанные модели можно более детально изучить её сильные и слабые стороны для дальнейшего усовершенствования. Для повышения энергоэффективности системы необходимо повысить качество регулирования, минимизировав колебания и перерегулирование. Перечень ссылок 1. Наказ Міністерства житлово-комунального господарства від 06.09.10 р. № 316 «Щодо розроблення схем оптимізації роботи централізованих систем водопостачання населених пунктів України». 2. Кожинов И.В. Устранение потерь воды при эксплуатации систем водоснабжения/ И.В. Кожинов, Р.Г. Добровольский/ 2-е изд., перераб. и доп.-М: Стойиздат, 1988г. – 348 с. 3. Хорхордин А. В. О выборе параметров преобразования Мебиуса при конструировании стабилизирующих регуляторов / А.В. Хорхордин, С.С. Батыр, А.А. Безрук.//Науковi працi Донецького Нацiонального технiчного унiверситету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск 2 (25). - Донецьк, ДонНТУ, 2013. С 152-159

174

УДК 669.162.1.06 ОПТИМІЗАЦІЯ ДОЛІ ПОВЕРНЕННЯ АГЛОМЕРАТУ В АГЛОШИХТУ Майстренко В.Н., магiстрант; Кравченко В. П. доц., к.т.н. (ДВНЗ «Приазовський технічний університет», м. Маріуполь, Україна) Багато технологічних процесів використовують повертання на свій вхід частини готового, або проміжного продукту. Такі процеси називають технологічними процесами з рециклом. Для керування процесами з рециклом важливо встановити таку долю повертання (рециклу) α , яка б забезпечувала максимальну продуктивність готового продукту при заданій його якості. Тобто для таких процесів виникає задача їх оптимізації по долі рециклу. Рецикл і стан устаткування в ланцюзі технологічного зворотного зв'язку впливають на спектральну щільність якісних характеристик агломерату. В даній роботі розглянута задача оптимізації технологічного процесу виробництва агломерату на агломашині конвеєрного типу. Використання: для спікання агломерату та випалу окатишів, тобто для окускования сипучих матеріалів, у чорній і кольоровій металургії. Сутність: агломераційна і обпалювальна машина конвеєрного типу включає головний і середню частини на каркасі з рейковими напрямними, візки з ходовими та вантажними роликами і рухому розвантажувальну частину з напрямними для ходових роликів візків на щоках. Напрямні на щоках виконані з продовженням криволінійної ділянки прямолінійним ділянкою на кінці, каркас середній частині в місці стиковки з розвантажувальної частиною забезпечений опорами для нижніх рейкових направляючих і консольно прикріпленими до них і до опор додатковими напрямними паралельно рейковим, взаємодіючими з вантажними роликами візків, а верхні напрямні для вантажних роликів прикріплені консольно до верхньої частини каркаса і до рейкових напрямних паралельно їм, при цьому вільні кінці консолей розташовані паралельно прямолінійним ділянкам напрямних на щоках. Все це дозволяє підвищити надійність вузлів стиковки верхніх і нижніх направляючих середній частині машини з напрямними розвантажувальної частини. Для забезпечення роботи машини між візками при різних ступенях нагріву спікальних або випалювальних візків розвантажувальна частина виконана рухомою. З'єднання рухомої розвантажувальної частини з середньою частиною містить рейкові напрямні на нижньому шляху руху, закріплені здебільшого на каркасі, середній частині, а вільними кінцями припущення в розвантажувальну частину під криволінійні напрямні з опертям на ролики, встановлені в розвантажувальної частини. Для переходу візків по рейкових напрямних з середньої частини в розвантажувальну частину в утворився розрив між торцями напрямних встановлені стійки. При виробництві агломерату передбачається обов’язкове повертання і додавання в аглошихту частини α готового аглоспеку. Зі збільшенням α покращується газопроникливість аглошихти, а значить збільшується вертикальна швидкість спікання аглошихти і відповідно збільшується продуктивність агломашини по аглоспеку Qасп. Але збільшення α, в свою чергу, зменшує кількість готового агломерату, оскільки: 𝑄агл = (1 − 𝛼)𝑄асп;

(1-1)

Тому треба пов’язати газопроникливість шару аглошихти з величиною α, і знайти таке значення αопт, яке дає максимальний вихід готового агломерату. Для вирішення цієї задачі було використано рівняння Дарсі-Вейсбаха [1]. Втрати тиску ∆Р на шарі аглошихти товщиною Н згідно цього рівняння визначаються так: ∆𝑃 = 𝜆

ш 𝑣 2 𝜌 (1−𝑚) 𝜌но г

𝑑

Тут 𝜆 - коефіцієнт опору шихти проходженню газу; 175

𝑚3

𝑇

�𝑇0 � Н; ср

(1-2)

d - середній діаметр грудочок шихти [м] ; m- коефіцієнт порозності шару шихти; v- швидкість фільтрації газу через шар шихти [м/c]; 𝜌г - густина газу [кг/м3]; ш 𝜌но - густина аглошихти початкова (без додавання повертання) 𝑇0 - нормальна температура газу [°К]; 𝑇ср - робоча середня температура газу [°К]; H - висота шару шихти [м]. При додаванні в аглошихту частини α повертання аглоспеку покращується газопроникливість шару шихти, а значить збільшується кількість газів Qг, які проходять через шихту, а це зменшує перепад ∆𝑃, тобто: ∆𝑃 = 𝑎 − 𝑏 𝑄г2 ;

(1-3)

В свою чергу, це призводить до збільшення продуктивності агломашини по аглоспеку 𝑄сп і відповідно по агломерату 𝑄агл: 𝑄2

агл 2 ∆𝑃 = 𝑎 − 𝑏 (𝑘02 𝑄сп ) = 𝑎 − 𝑘2 (1−𝛼)² :

(1-4)

Де b, 𝑘2 - коефіцієнти пропорційності. Введення обертання в аглошихту відповідно змінює і всі інші параметри, які входять у вираз (1-2). Ступінь цієї зміни відображено відповідними коефіцієнтами 𝑘1 , 𝑘3, 𝑘4 . З урахуванням цих позначень та припущень рівняння (1-2) тепер запишемо так: 𝑄2

агл 𝑎 − 𝑘2 (1−𝛼) 2 =

ш −𝑘 𝛼) (1− 𝑚 𝑘 𝛼) 𝑣 2 𝜌 3,47(𝜌но 3 0 1 0 г 𝑇0 �𝑇 � Н; (𝑑0 + 𝑘4 𝛼)(𝑚0 + 𝑘1 𝛼)3𝑘2 2 ср

(1-5)

Використовуючи це рівняння, знайдемо для параметрів наведених у Таблиці 1 кількість виробленого агломерату при різній кількості (долі) повертання α ( Таблиця 2). Величини параметрів, які використовувались при розрахунках, взяті для агломашини конвеєрного типу продуктивністю 125 т/г. Таблиця 1 - Значення параметрів у рівнянні (1-5) d0 м

0,005

0,2

3,9

200

0,008

0,3

ш 𝜌но 𝜌г кг/м3 кг/м3

1700

1,224

a мм в.ст 12000

V0 To м/с °К

Tср °К

6,2

973

273

Таблиця 2 - Вихід годного агломерату при різній долі α повертання у аглошихті. α 0 Qагл(кг/с) 29,38

0,05 33,25

0,1 35,01

0,15 35,54

0,2 35,22

0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 34,34 33,03 31,42 29,57 27,54

Згідно розрахункам оптимальне значення долі оберту αопт складає 0.15. Для інших умов роботи агломашини ця величина може бути іншою. Перелік посилань 1. В.И Коротич Теоретические основы окомкования железорудных материалов /В.И. Коротич М: Металлургия, 1978 - 151 с. 2. Смит О.Дж.М. Автоматическое регулирование /О.Дж.Смит Смит И: Физ.-мат. литературы, 1962 – 847с.

176

УДК 66.074.51+662.769.1 ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ КОЛОШНИКОВОГО ГАЗА В СКРУББЕРЕ МОКРОЙ ОЧИСТКИ Махсма М.Е., студент; Кравченко В.П., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, Украина) Колошниковый газ, который является попутным продуктом доменной печи, на большинстве печей очищается от пыли в газоочистительных станциях [1, 2] с использованием специальныхустановок - скрубберов мокрой очистки (Рис. 1). В скруббере происходит основное очищения газа от пыли. Концентрация пыли уменьшается от 30-50г/м3 на входе скруббера, до 5-10 г/м3 на его выходе. При этом эффективность такой очистки зависит от многих факторов - параметров скруббера, размера капель воды в скруббере, плотности орошения газа водой, количества воды на один кубический метр очищающего газа, скорости движения газа и т.п.

Рисунок 1 - Скруббер мокрой очистки В работе поставлена задача - оценить влияние отдельных факторов на эффективность очистки колошникового газа в скруббере мокрой очистки. При этом эффективностьоценивалась по соотношению концентрации пыли в газе на входе и выходе скруббера. Для этого была использована модель осаждения частиц пыли на каплях воды в противотоке газа и воды в скруббере [1]. Обозначим: С1 - концентрация пыли в газе на входе скруббера [г/м3]; С2 - концентрация пыли в газе на выходе скруббера [г/м3]; u - скорость движения газа [м / с]; v - скорость движения воды [м / с]; ω = u + v - относительная скорость осаждения частиц пыли на каплях в противотоке [м / с]; 177

𝑉𝑉в

m=𝑉𝑉г [ м3воды / м3 газа ];

m - показатель орошения, т.е. отношение количества воды Vвк количеству газа Vг dк - диаметр капли воды, которая захватывает частицы пыли [м] h - высота элементарного объема, в котором происходит захват частиц пыли каплями [м]; Н - высота скруббера [м]; ηΣ - суммарный коэффициент увлечения частиц сферической каплей воды. Будем рассматривать процесс захвата каплями воды частиц пыли в элементарном объеме при следующих условиях: 1) капли распределены равномерно по объему; 2) процесс изотермический, без фазовых переходов; 3) частицы имеют скорость газа и улавливаются только каплями в результате столкновений при наличии относительной скорости. С учетом этих предположений получим для элементарного объема скруббера дифференциальное уравнение: 𝑑𝑑𝑑𝑑

=− 𝐶𝐶

m 2

𝜔𝜔 𝜂𝜂𝜂𝜂

𝜐𝜐 𝑑𝑑к

dh;

(1)

Интегрируя уравнение(1-1) в пределах от С1 до С2 и от 0 до Н, получим : 3

𝜔𝜔 𝜂𝜂𝜂𝜂

C2= C1𝜀𝜀 − 2 m 𝜐𝜐 𝑑𝑑 к dh ,

(2)

Используя это уравнение, найдем для заданной концентрации пыли С1 на входе скруббера, концентрацию пыли на его выходе С2 для различной степени распыления воды (dк) и различных расходах воды на очистку Vв. При этом для улучшения степени очистки надо уменьшать диаметр капель и увеличивать скорость v их движения (Рис.2). Концентрация пыли в газе на выходе при различных параметрах 50

dк=0,5 мм; v=20 м/с; u=2,55 м/с

Концентрация пыли, г/м³

45 40

dк=0,5 мм; v=5 м/с; u=2,55 м/с

35 30

dк=1 мм; v=5 м/с; u=2,55 м/с

25 20

dк=1 мм; v=20 м/с; u=2,55 м/с

15 10

dк=0,5 мм; v=20 м/с; u=3,125 м/с

5 0 0 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 Расход воды, л·час/м³ Рисунок 2 - Концентрация пыли в газе на выходе

Наиболее оптимальным является режим очистки при dк = 0,5 мм, скорости движения капель v = 20м / с и скорости газа u = 2,55 м / с (Рис.3).

178

Концентрация пыли, г/м³

Оптимальная зависимость концентрации пыли в газе на выходе от расхода воды 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0

2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 Расход воды, л·час/м³

Рисунок - 3 Оптимальный режим очистки колошникового газа для скруббера диаметром dскр = 5 м

Концентрация пыли, г/м³

На эффективность очистки влияют также конструктивные параметры скруббера, что подтверждается расчетами при различных значениях его диаметра (Рис.4). Концентрация пыли в газе на выходе при различном диаметре скруббера

50 40

dскр=5 м

dскр=8 м

dскр=10 м

10 0 0

2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 Расход воды, л·час/м³

Рисунок 4 - Концентрация пыли в газе на выходе скруббера при различных его диаметрах Таким образом, для нахождения оптимального режима очистки при проектировании газоочистительных станции нужно в первую очередь подобрать соответствующие размеры скруббера, а затем рассчитать значения скорости движения газа и воды и интенсивность орошениягаза. Перечень ссылок 1. В.В. Белоусов «Теоретические основы процессов газоочистки», «Металлургия», 1998, 255 стр. 2. С.Б. Старк «Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве», М.: «Металлургия», 1990, 250 стр.

179

УДК 669.162.26:684.5 СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АРХИВНОЙ БАЗЫ ДАННЫХ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ Мордвицкий Э.М., магистрант; Воротникова З.Е., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, Украина) К настоящему времени достаточно отработаны информационные системы доменного процесса, но роль субъективного фактора опытного оператора-технолога в управлении доменной печью является все еще ключевой. К тому же, одна из главных проблем математического моделирования доменного процесса связана с разрешением противоречия между сложностью моделируемого процесса и необходимостью решения технологических задач в одном темпе с процессом за заданный интервал времени, с использованием реально имеющейся информации. Применение полных моделей доменного процесса, решить эту проблему, не позволяет [1]. В настоящее время среди существующих на доменных печах мира интегрированных компьютерных систем контроля и управления лишь некоторые включают в свои состав модельные системы управления технологическим режимом доменной плавки. Очень редко эти сложные системы оперативного управления доменным процессом тиражируются, так как для эффективной их эксплуатации они должны быть адаптированы к условиям работы конкретной печи. В связи с этим, остаются актуальными системы поддержки принятия решений, работающие в режиме советчика оператора доменной печи. Задача разрабатываемой системы состоит в, структуризации и систематизации данных, снятых с контроллеров. Проводится статистический анализ данных; прогнозирование хода плавки в реальном времени на основании анализа текущего состояния процесса и архивной БД; визуализация информации о возможном протекании технологического процесса на основании сделанного прогноза. На первом этапе исследований рассматривались контролируемые параметры состояния технологического процесса выплавки чугуна при нормальном ходе печи. Данные поступают с датчиков контроля технологических параметров, установленных на доменной печи, на сервер АСУТП. В системе контролируются следующие параметры: 1) температуры холодного и горячего дутья, колошникового газа в газоотводах и по радиусу колошника, огнеупорной кладки печи и ее фундамента, поступающей и отходящей из охладительной арматуры воды и воздуха, охлаждающего лещадь, купола воздухонагревателя и продуктов горения, отходящих из воздухонагревателя; 2) давление холодного и горячего дутья, перепады давления газа в нижней, средней и верхней части шахты, природного газа, воды, поступающей в охладительную арматуру, пара в межконусном пространстве и пара, подаваемого под большой конус; 3) расход дутья, природного газа, кислорода, подаваемого в печь, расход дутья и природного газа, подаваемого на каждую фурму, влажность дутья; 4) состав колошникового газа, продуктов горения воздухонагревателей, содержание в дутье кислорода и влажность дутья; 5) уровень шихтовых материалов в печи; 6) число подач, загруженных в печь, число скипов в подаче, угол поворота ВРШ; 7) масса и химический состав агломерата, кокса и добавок к каждой подаче. Эти данные достаточно полно характеризуют текущее состояние системы, которое зависит от предыдущего состояния и управляющих воздействий, которые в свою очередь складываются из качества и способа загрузки шихтовых материалов, состава и режима дутья, времени слива чугуна и шлака. 180

Способ загрузки шихтовых материалов, их количество и состав определяют регулирование доменного процесса сверху. Возможность изменения параметров шихтовых материалов в широких пределах отсутствует — работа ведется с теми материалами, которые поступают. Существует возможность «доводки» материалов с помощью различных легирующих элементов, используя известняк, богатые рудой присадки. Качественные и количественные характеристики шихтовых материалов оцениваются технологами по мере прихода сырья и формирования подач, на основе проведенных на предприятии анализов. Оценка состояния системы проводится также, при помощи статистических характеристик временных рядов контролируемых технологических параметров: В ходе доменной плавки контролируется большой набор технологических параметров. Для анализа в системе был выбран наиболее презентативный набор параметров. Список параметров определяется технологическими специалистами и может изменяться по ходу наработки системы с целью уточнения общих характеристик. Данные, поступают на сервер с контроллеров каждые 3 секунды. Временные ряды значений контролируемых параметров, полученные за цикл плавки (с момента начала слива чугуна до следующего слива), сглаживаются (например: с помощью экспоненциального алгоритма с выбором оптимального параметра [2]), сжимаются (например: с помощью алгоритмов тригонометрической аппроксимации данных [3]) и их модели хранятся в базе данных. Так как обработка данных в виде моделей требует большого объема вычислительной работы и, следовательно, машинного времени, что затрудняет использование их в системах реального времени, модели задействуются лишь на этапе визуализации результатов прогноза. В базу данных для каждого цикла плавки записываются значения «характерных показателей» для временных рядов контролируемых технологических параметров. Основная проблема здесь состоит в выборе системы характерных показателей, обеспечивающих формирование критериев их подобия (близости) или отличия. Для решения этой задачи могут быть выбраны следующие статистические характеристики [4]: 1) среднеквадратичное отклонение контролируемых параметров от их математического ожидания; 2) смещение математического ожидания от нормативного значения; 3) вероятности отклонения контролируемой величины в определенный момент времени от ее математического ожидания на нормативное значение; 4) относительное числу отклонений контролируемой величины, находящихся в фиксированной области или соответствующее время; 5) максимальное непрерывное время нахождения значений в некоторой области; 6) суммарное непрерывное время нахождения контролируемого параметра в некоторой области дольше заданного порога. При помощи динамического расчета статистических характеристик контролируемых параметров в системе проводится оценка качества регулирования в контрольных точках в течение каждого цикла плавки, предусмотрена возможность задания контрольных точек (например: каждые 10 минут). В каждой контрольной точке качество управления по каждому технологическому параметру рассчитывается по следующим выборкам: суточной (24 часа), за смену (8 часов), за цикл плавки, за час, за 30 минут, за 15 минут, за 5 минут Выбор вида «характерного показателя», для каждого контролируемого параметра должен осуществляться экспертом исходя из накопленного опыта. В зависимости от нормативного характера поведения конкретного контролируемого параметра или группы параметров, частный критерий качества регулирования строится как взвешенная аддитивная свертка, включающая один или несколько видов статистических характеристик. При проведении экспериментов с системой были использованы нормативные данные из технологической инструкции и рекомендации обслуживающего персонала домны №2 МК «Азовсталь» г. Мариуполя. В БД также записываются данные, полученные из лаборатории, о температуре слива, качестве и количестве выплавленного чугуна и шлака [5].

181

Сформированная, выше описанным способом, БД хранит достаточно полную информацию о технологическом процессе и может использоваться в оперативном режиме для принятия решений в ходе управления. Схема данных приведена на рис.1.

Рисунок 2 – Схема данных Обработка информации о технологическом процессе происходит в несколько этапов: − формирование БД характерных параметров для каждого цикла плавки. − обработка записей БД – группирование циклов плавок и запись в БД номера материнской и дочерней плавки. − формирование записи для текущего цикла плавки. Динамический расчет характерных параметров и запись их в БД. − прогноз, по мере поступления новых данных, о принадлежности цикла плавки к некоторому классу. − выбор из спрогнозированного класса «лучшего», «худшего» и «типичного» циклов плавки из некоторой окрестности текущего цикла. − визуализация возможных сценариев развития событий. − перегруппирование циклов плавок в БД по мере поступления новой информации. − оценка качества прогноза. Формирование записи в БД для текущего цикла плавки ведется динамически по мере получения необходимой информации. При этом, через некоторые промежутки времени, в имеющейся БД проводится поиск циклов, некоторым образом «схожих» с текущим, и выводятся данные о режимах управления для лучшего и худшего сценария развития событий. Данные о текущем цикле плавки на этом этапе являются не полными: часть данных (например: о шихтовых материалах и режимах дутья) могут быть сформированы до начала цикла и в процессе лишь корректироваться, часть (например: о выплавленном чугуне)– будут известны лишь после окончания цикла, а основная часть – вычисляется динамически по мере получения данных, что создает сложности на стадии идентификации плавки. Каждый последующий прогноз будет более точным, т.к. он использует более полные данные о ходе плавки. Очевидно, что решение указанной задачи существенно облегчается, если предварительно сгруппировать записи БД в группы, содержащие циклы плавки, в определенном смысле близкие по структуре. Для решения этой вспомогательной задачи можно использовать известные методы кластеризации, такие, как перегруппированная 182

кластеризация (relocation clustering), агломеративная иерархическая кластеризация, метод kсреднего, метод нечеткого c-среднего и другие. При проектировании системы, для решения этой задачи использовалась иерархическая кластеризация, которая не требует задания исходного числа кластеров, а позволяет найти их в процессе выполнения процедуры кластеризации. В качестве метрики было выбрано Евклидовое расстояние, «характерные показатели» предварительно нормировались. На рис.2. показана полученная дендрограмма для фрагмента БД (за 20 суток).

Рисунок 2 – Дендрограмма групп Отдельно проводится группирование циклов плавки по качеству, температуре и количеству выплавленного чугуна и шлака. Эти данные используются при настройке порогов для разделения множества циклов плавки на классы. По результатам кластеризации для каждого цикла плавки в БД вносятся данные о том к какому классу он принадлежит, и к какому классу отнесен предшествующий цикл. По мере формирования данных о текущем цикле в каждой контрольной течке, независимо, проводится прогнозирование принадлежности цикла к некоторому классу с использованием метрической классификации. Притяжение осуществляется к ближайшему центру масс, т.е. к тому кластеру расстояние от объекта до центра масс которого, наименьшее. В качестве прогнозного значения выбирается класс, наиболее часто встречающийся в предшествующих контрольных точках текущего цикла. Данные о прогнозе записываются во вспомогательную таблицу и используются для оценки качества прогнозирования. Качество прогноза напрямую зависит от представительности данных в БД. В таблице приведены данные о качестве прогноза на фрагменте БД. Таблица 1 Результаты промежуточных прогнозов Номер класса 1 2 3 4 5

0 40 65 90 65 70

Количество правильно классифицированных объектов в каждой контрольной точки, % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 43 56 55 59 62 68 75 77 87 87 88 90 92 95 55 60 67 68 67 69 73 76 78 90 91 91 93 93 90 91 90 91 92 91 93 94 94 93 95 95 97 97 66 66 65 68 67 70 77 79 85 86 86 90 92 94 77 81 80 82 82 81 88 89 89 88 90 91 92 92

15 96 97 97 95 95

Для каждой контрольной точки по результатам прогноза выбираются «лучший», «худший» и «типичный» циклы, которые выводятся на экран. «Лучший» и «худший» циклы 183

выбираются в зависимости от величины критерия качества чугуна, который показывает величину отклонения качества чугуна от нормы по спрогнозированной группе. «Типичный» цикл – выбирается случайным образом по гистограмме из диапазона значений критериев качества чугуна, в который попало наибольшее количество циклов. Для расчета качества чугуна вводится критерий, как расстояние от точки, образованной нормированными значениями параметров качества чугуна для заданного цикла плавки в пространстве контролируемых параметров чугуна, до центра диапазонов норм параметров для чугуна необходимого качества. K i = ρ ( xi , a ) где a – координаты центра диапазонов нормы параметров качества чугуна; xi – координаты i-го цикла плавки в пространстве параметров качества чугуна. Каждые сутки рассчитывается качество группирования циклов в БД по формуле: Ф0 = ∑ y∈Y

{

1 Ky

∑ρ

i: yi = y

( xi , µi ) → max

}

где K y = xi ∈ X l yi = y - кластер у,

µ i - центр масс кластера у. Ф1 = ∑ ρ 2 ( µ y , µ ) → max y∈Y

где µ - центр масс всей выборки у. Ф = Ф0 / Ф1 → min Если качество группирования ухудшается более чем на 10 % (параметр может регулироваться) агломеративная иерархическая процедура группирования запускается снова, чтобы уточнить границы классов. Установленные на производстве АСУТП собирают и хранят данные о контролируемых параметрах в течение уже продолжительного времени. Предложенная система извлечения и визуализации знаний, заключенных в этих «сырых» данных может быть использована при принятии решений в реальном времени как советчик оператора доменной печи. В перспективе, для лучшей кластеризации, можно использовать другие методы. Например, c-среднее – нечеткая кластеризация, которая позволит определить в какой степени тот или иной ряд относится к какому-то кластеру. Представляет интерес так же использование комплексных показателей для оптимизации объема БД, что, также, позволит снизить размерность задач и повысить быстродействие. Перечень ссылок 1. Спирин Н.А. Оптимизация и идентификация технологических процессов в металлургии: учебное пособие для вузов / Н.А. Спирин [ и др.]. – Екатеринбург: Уральский государственный технический университет – УПИ, 2006. – 306 с. 2. Лукашин Ю.П. Адаптивные методы краткосрочного прогнозирования временных рядов: учебное пособие / Ю.П. Лукашин. — М.: Финансы и статистика, 2003. – 416 с. 3. Жук В.В. Тригонометрические ряды Фурье и элементы теории аппроксимации: учебное пособие / В.В. Жук, Г.И. Натансон.— Л.: ЛГУ, 1983. — 188 с. 4. Статистические методы контроля качества продукции: пер. с англ. / Л. Ноулер [и др.] – 2-е русск. изд. М.: Издательство стандартов, 1989. – 96 с. 5. Технологическая инструкция. Производство чугунка: ТИ 232-1-2007 / ОАО «МК «Азовсталь» . – Мариуполь, 2007. – 73 с. 184

УДК 629.7.051 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЛЕТА КОНВЕРТОПЛАНА Пихно Э.В., студент; Федюн Р.В. доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Конвертопланы в настоящее время, по ряду причин, не являются распространенным видом транспорта, единственная страна-производитель конвертопланов – США, - успешно использует их в военно-транспортных целях. Конвертоплан совмещает в себе преимущества самолетов и вертолетов, такие как: возможность вертикальных взлета и посадки, большая скорость движения (502 км/ч против 350 км/ч у вертолетов), большая грузоподъемность, большая дальность работы, высокая надежность. Однако из-за особенностей конструкции управление конвертопланом лежит исключительно на пилотах. Большая сложность разработки и управления в настоящее время и препятствует широкому распространению конвертопланов. Однако учитывая их преимущества, это очень полезное и интересное транспортное средство, которое можно использовать как в военных, так и в гражданских целях. При преодолении трудностей автоматизации, конвертопланы возможно использовать очень широко. Небольшие модели (весом до 5 кг) могут выполнять самые разные функции. Например, быстрая доставка почты в пределах района города, аэрофотосъемка с небольшой высоты для большой детализации снимков, картография, визуальное наблюдение за событиями и многое другое. Крупные модели смогут выполнять роль автономных транспортных средств, средств наблюдения. В работе должны быть решены следующие задачи: - разработать математическую модель конвертоплана и произвести исследование динамических характеристик; - синтезировать регуляторы по контурам управления скоростью и высотой; - оценить эффективность полученного решения. Для моделирования конвертоплана требовалось разработать математическую модель и на основе нее программу для моделирования. Основной проблемой является нелинейность системы, которую стандартными методами обойти невозможно в данной ситуации. Математическую модель конвертоплана можно составить используя базовые физические законы, такие как, например, второй закон Ньютона, закон братьев Райт, закон распределения плотности воздуха (барометрическая формула) и другие. В общем виде конвертоплан описывается следующей системой:

(1)

185

В данной системе (1) представлены следующие элементы: а) вектор ускорения, который зависит от массы m, общей силы тяги сопротивление закрылков

, общей силы сопротивления

, сопротивление руля высоты

, подъемная сила от закрылков

, силы тяжести

и закрылками

, подъемная сила крыльев

; б) ускорения по углам Эйлера,

который зависят от векторов тяги каждого из двигателей между двигателями

, массы и расстояния

. Однако данная система описывает непрерывную

нелинейную систему, а в современных условиях следует рассматривать дискретные, т.к. подавляющее большинство управляющих контроллеров – цифровые. Так же, можно несколько более идеализировать систему и для упрощения убрать из системы сопротивления от закрылков и руля высоты, убрать изменение плотности с высотой (в данной системе оно представлено в составе сил, а не в явном виде). Итак, упрощенная цифровая система имеет следующий вид:

(2)

Данная модель (2) означает, что существуют дискретные шаги, на каждом из которых рассчитывается соответствующее значение ускорения, скорости и перемещения (как линейного, так и углового). На нулевом шаге рассчитывается ускорение, которое повлияет на скорость на первом шаге, а скорость повлияет на перемещение уже на втором шаге. При этом, чем больше период дискретизации T, тем дольше будет задержка. Для начала, рассмотрим случай, когда конвертоплан взлетает в режиме вертикального полета. Начальными условиями являются: нулевая тяга двигателей , нулевая высота

, положение двигателей имеет нулевые углы поворота

закрылки и руль высоты не участвуют. При старте двигателей в реальности происходит раскручивание пропеллеров по апериодическому процессу первого порядка (упрощенно), вместе с этим постепенно увеличивается и сила тяги. Конвертоплан будет стоять на земле до тех пор, пока . Когда же сила тяги, которая в данном случае будет выступать в роли подъемной силы, превысит силу тяжести, начнется взлет конвертоплана. Зная массу, можно достаточно просто определить требуемую для взлета силу: Приняв массу конвертоплана в модели 2 кг,

186

получаем требуемую силу

. При моделировании примем, что

обороты роторов изменяются по линейному закону, и получим следующий график (рис.1):

Рисунок 1 – График ускорения при линейном возрастании оборотов двигателей. Ось абсцисс – время, с, ось ординат -ускорение м/с^2 *10-1 По данному графику видно, что некоторое время ускорения нет, что подтверждает неравенство . Данный график соответствует 15000 об/мин, предельно допустимых оборотах для винтовых движетелей. Как видно, график имеет четкий апериодический вид, при этом немного увеличилось время «мертвой зоны». Введя простой ПИ-регулятор, можно просто задавать необходимую высоту, а конвертоплан сам поднимется на нее. Для данного контура был синтезирован ПИрегулятор с коэффициентами P = 0.834 и Ti = 8.13. Далее, произведем моделирование с выходом конвертоплана из вертикального режима полета в горизонтальный. При моделировании получаем следующий результат (рис.2):

Рисунок 2 – График зависимости скорости с регулятором высоты. Ось абсцисс – время, c, ось ординат – скорость, км/ч На представленном графике видно, что максимальная скорость модели превышает 250 км/ч. Точное ее максимальное значение – 279,8 км/ч. Для небольшой модели это правдивое значение, т.к. есть пропеллерные модели, имеющие скорость полета до 390 км/ч [1]. Для проверки модели возьмем параметры реального конвертоплана V-22 Osprey: площадь ометаемой поверхности роторов 422 м2, площадь крыла 38 м2, максимальная скорость вращения – 7000 об/мин, коэффициент аэродинамического сопротивления 1.19. 187

Практическая максимальная скорость на уровне моря составляет 396 км/ч, на максимальной высоте – до 580 км/ч [2]. Приблизительное время набора максимальной скорости – 3 минуты. Внесем в программу данные коэффициенты и промоделируем. Результат представлен на рисунке 3:

Рисунок 3 – График зависимости скорости от времени для модели с параметрами конвертоплана V-22 Osprey. Ось абсцисс – время, с, ось ординат – скорость, км/ч На графике есть непродолжительный перегиб длительностью порядка 7 секунд, соответствующий переходу из вертолетного режима в самолетный, а затем происходит постепенный набор скорости. Как видно из графика, максимальная скорость составляет почти 400 км/ч. Точное же значение при t = 220 с составляет 399,63 км/ч. Таким образом, модель полностью подтверждает реальные данные, и расхождение по максимальному значению составляет всего 0.9%. По времени набора максимальной скорости так же модель дает достоверный результат – конвертоплан набрал скорость в 396 км/ч немногим более, чем за 3 минуты, а точнее за 3 минуты и 13 секунд. Следует отметить, что для синтеза коэффициентов регулятора использовался метод Коэна-Куна, который позволяет по полученным без регулятора графикам получить достаточно оптимальные коэффициенты регулирования [3]. Выводы. В результате работы были получены непрерывная и цифровая математическая модели, а так же регуляторы по контурам высоты и скорости. При разработке математической модели особое внимание уделялось балансу между полнотой описания и сложностью. При переводе непрерывной модели в цифровую так же были введены допущения по условиям работы, которые позволили еще более упростить модель. Проведя моделирование было установлено, что модель достаточно точно описывает поведение конвертоплана. На основании разработанной модели и проведенного моделирования были разработаны ПИрегуляторы по контурам высоты и скорости. Моделирование с регуляторами показало достаточную эффективность такого решения: система действует не хуже опытных пилотов, однако за счет данной автоматизации возможно значительно упростить их задачи. Перечень ссылок 1. Книга рекордов Гиннеса. Режим доступа: http://guinness.h12.ru/hob_mod.htm 2. Электронная энциклопедия «Википедия», «Конвертоплан Bell V-22 Osprey». Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Bell_V-22_Osprey 3. Официальный сайт Мичиганского Технического Университета. Метод Коэна-Куна для настройки регуляторов. Режим доступа: http://www.chem.mtu.edu/~tbco/cm416/cctune.html 4. М.А. Айзерман, «Классическая механика», изд. Физматлит, М. 2005г. 188

УДК 66-5 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ МОДЕЛЬЮ РЕАКТОРА ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ Прасолова А.А., студентка; Ошовский В.В., доц., к.т.н.; Швец И. И., доц., к.х.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Целью данной работы является разработка системы автоматического управления и регулирования работы лабораторной модели реактора идеального смешения (РИС). Построенная модель предназначается для обучения студентов работе с промышленными реакторами. Лабораторный реактор управляется согласно таким же принципам, как и промышленный, но в случае ошибки обучающегося сбой его работы не приведет к негативным последствиям. Комплексной автоматизации и механизации производств химической промышленности уделяется огромное внимание, поскольку протекание химико-технологических процессов характеризуется сложностью, высокой скоростью и чувствительностью к отклонениям от заданных режимов, вредностью среды рабочей зоны, взрыво-, пожароопасностью перерабатываемых веществ. Современная автоматизация предприятия химической промышленности широко используется для оптимизации таких важных показателей работы химического предприятия, как уровень безопасности персонала, защита окружающей среды, соответствие стандартам контроля качества. Внедрение автоматизации технологических процессов химической промышленности приводит к снижению себестоимости продукции, а также максимальному повышению эффективности производства товаров массового потребления, спец. химикатов, органических (неорганических) продуктов, как с непрерывными, так и периодическими процессами предприятий химической промышленности. На основе современных технологий автоматизации химической промышленности ее производственные данные становятся базой для принятия управленческих решений. Развитие микроэлектроники и ее широкое применений изделий в химикотехнологическом производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса. Несмотря на то, что микроконтроллеры AVR появились на рынке около 15 лет назад, их популярность до сих пор очень высока. Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицирующимися, адаптивными. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при низкой стоимости. Микроконтроллеры представляют собой эффективное средство автоматизации разнообразных объектов и процессов. В нашей лабораторной модели реактора идеального смешения используется плата Arduino Uno с микроконтроллером ATmega328P. Arduino - аппаратная вычислительная платформа, основными компонентами которой являются простая плата ввода / вывода и среда разработки на языке Arduino. Arduino может использоваться как для создания автономных интерактивных объектов, так и подключаться к программному обеспечению, выполняемому на компьютере. В настоящее время универсальные микроконтроллеры часто используются при разработке «интеллектуальных» датчиков, лабораторных приборов и контроллеров сбора данных. Такие микроконтроллеры обладают достаточно богатым арсеналом встроенных 189

периферийных устройств, быстродействием и памятью, обеспечивающие управление, оцифровку, предварительную обработку и накопление информации с датчиков. Наш лабораторный реактор представляет собой емкость, в ней находятся такие устройства, которыми и будет управлять микроконтроллер: - 4 электронагревателя; - 2 мешалки; - 2 охладителя; - датчик температуры; Для включения электронагревателя, мешалки или охладителя микроконтроллер должен выдать различные сигналы низкого уровня на соответствующую линию порта вывода, сигнал проходит через резистор и попадает на транзистор IRF640, ко второй ноге резистора подключено: в первом случае реле которое включает и выключает нагреватели, подсоединенные к 12В блока питания, во втором случае на мешалки, подключенные к 5В блока питания, в третьем случае охладители которые подключены к 12В. Третья нога транзистора подключена к общему проводу блока питания и к общему проводу нашего микроконтроллера. Датчик температуры – dallas18b20 – работа которого основана на изменении термосопротивления датчика в зависимости от температуры. Результатом работы является система автоматического контроля и управления лабораторной моделью реактором идеального смешения. Измеряется параметр температуры среды в реакторе и на основе его значения согласно заданному алгоритму регулируется работа мешалки, нагревательных элементов и охладителей. Работа системы всесторонне протестирована на прототипе РИС и готова к установке лабораторной модели. При помощи среды разработки Arduino и готовых библиотек была написана программа для контроля и управления реактором идеального смешения. Алгоритм работы представлен далее. Действия, выполняемые единожды при включении микроконтроллера, алгоритм изображен на рисунке 1: Начало

Определение пинов для входящих сигналов от термометра и исходящих сигналов от микроконтроллера к мешалке, нагревателям и кулерам, включение режима авторегулирования Проверка подключения термометра

Конец

Рисунок 1 - Действия, выполняемые единожды при включении микроконтроллера После этого в бесконечном цикле во время работы микроконтроллера выполняются следующие действия, блок-схема изображена на рисунке 2:

190

Начало

Получение данных о температуре

Режим авторегулиров ания

Текущая температура больше заданной

Включить мешалку и кулеры, выключить нагреватели

Выключить кулеры, нагреватели, мпешалку

Текущая температура меньше заданной

Нажат переключатель режима регулирования

Включить нагреватели и мешалку, отключить кулеры

Включение режима ручного регулирования

Нажат переключатель работы мешалки

Изменить состояние мешалки

Изменить состояние кулеров

Изменить состояние нагревателей

Нажат переключатель работы кулеров

Нажат переключатель работы нагревателей

Конец

Рисунок 2 – алгоритм действий, выполняемых в бесконечном цикле Схема подключения приборов контроля и управления изображена на рисунке 3.

191

192

Рисунок 3 – Схема подключения элементов управления и контроля реактора идеального смешения

УДК 66-933.6 РЕГУЛИРОВАНИЕ РH-ПАРАМЕТРА ПРОЦЕССА ХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ ТЭС Федюн Р.В. доц., к.т.н.; Табаленкова Т.В., студентка (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) В настоящее время вода широко используется в различных отраслях промышленности в качестве теплоносителя, в том числе и в тепловой энергетике, но она не может применяться в теплоэнергетических установках без предварительной обработки, поскольку современные тепловые электростанции (ТЭС) в энергетическом цикле используют воду высокого качества. Проблема автоматизации процессов химической очистки воды на тепловых электрических станциях (ТЭС) является актуальной вследствие следующих обстоятельств: 1. Технологический процесс химической подготовки воды в существенной степени является определяющим для эффективной работы основного оборудования теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и теплосетей, что, в частности, свидетельствует о высокой социальной значимости данного технологического процесса. 2. Оборудование подпитки теплосети весьма громоздко, рассредоточено на большой площади химического цеха и частично за его пределами, что затрудняет организацию эффективного управления процессом вручную. 3. Технологический процесс химической подготовки воды относится к классу дискретно-непрерывных процессов, а при большой протяженности транспортных потоков принятие оперативных решений без автоматизированного и рационального распределения информации затруднительно. 4. Наличие потоков, содержащих агрессивные компоненты, требует непрерывного контроля состояния запорно-регулирующей арматуры и трубопроводов. Осветление воды состоит из двух процессов: известкования и коагуляции. Известкование исходной воды осуществляется для снижения щелочности, частичного умягчения, снижения солесодержания воды, а так же для выравнивания значения pHпараметра до необходимого. При совмещении процессов известкования и коагуляции полнее удаляются взвешенные и органические вещества, соединения кремния и железа. При известковании в обрабатываемую воду подается насыщенный раствор извести или известковое молоко, где содержание Ca (OH ) 2 превышает растворимость на 10 – 20% [1]. Перед тем как попасть в осветлитель, вода проходит предварительный нагрев воды в подогревателе сырой воды до 30ᶱС. Вода поступает через распределительное устройство в воздухоотделитель, оттуда по отводящей линии через регулирующее сопло направляется в смесительную часть нижнего конуса осветлителя. Сюда же подается известковое молоко и раствор коагулянта. Перемешивание воды и реагентов обеспечивается за счет тангенциального подвода воды в коническую часть корпуса [2]. Технологическая схема объекта представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Технологическая схема процесса химической очистки воды 193

Целью процесса коагулирования совмещенного с известкованием является получение на выходе воды с заданными показателями качества, значение рH которой будет соответствовать необходимому. Таким образом, цель работы сводится к регулированию рHпараметра за счет изменения расхода щелочи и кислоты. Анализ технологического процесса как объекта управления с точки зрения материальных потоков представлен на рисунке 2. Подогревая вода Fв Осветленная вода

Щелочь Fщел

Осветитель

QpH

Кислота Fкис

Рисунок 2 – Схема материальных потоков и их информационных переменных процессов коагуляции и известкования в осветлителе Параметр рH необходимо поддерживать в диапазоне значений 10,1 – 10,2. Расход подогретой воды будет являться возмущением для данного процесса. Регулятор соотношения позволяет управлять, контролировать и изменять уровень рH. Изначально в осветлителе находится вода, нагретая до определенной температуре. Первым веществом подается кислота, расход которой определяется экспериментальными методом и колеблется в пределах от 0,25-0,75 мг-экв/л. Далее в зависимости от расхода кислоты будет определен расход щелочи. Расход кислоты (Fкис) является ведущим потоком, а расход щелочи (Fщел) – ведомым. Тогда основной технологической целью процессов коагуляции и известкования является получение очищенной воды с pH = 10,2 , а целью управления будет стабилизация значения рH на выходе установки для процесса осветления воды[3]. На основе полученных сведений, представим структурную схему процесса осветления и отобразим ее на рисунке 3.

Рисунок 3 – Структурная схема САУ pH-параметра в осветителе Объект управления – осветитель описывается дифференциальным уравнением первого порядка с запаздывание, и поэтому его математическое описание имеет следующий вид:

194

W ( p) =

k e − pτ Tp + 1

Для применяемого объекта эти значения k = 0,02 Т = 25 с τ = 9 с. Вентиль выполняет функции регулирующего органа. Примем, что подача щелочи, осуществляемая вентилем, пропорциональна углу ее открытия, изменяющегося от 00 до 900 . Это значит, что при максимальном открытии вентиля, равном 900 , подача щелочи в осветитель максимальная и она, равна 1920 мг-экв/час. Значит, вентиль может быть промоделирован пропорциональным звеном (усилителем), коэффициент усиления которого равен k = 1920 / 90 = 21,34 (мг-экв/час)/(градус поворота)[4]. Поскольку в данной системе необходимы два регулятора, то для внешнего контура управления выбран ПИД-регулятор [5], с передаточной функцией в следующей форме: WP ( p) = k П +

kИ + TД p . р

На основе рекомендуемых значений и путём экспериментального уточнения были получены настройки k п = 2,8 , k и = 0,1 , Т Д = 2,8 . Для внутреннего контура управления ПДрегулятор с передаточной функцией, которая представлена в следующим видом: WP ( p) = k П + Т Д р

Для данного регулятора получены настройки: k p = 1 , T Д = 1 . Получив математическое описание всех необходимых компонентов, была собрана модель САУ процесса осветления воды в пакете Matlab.

Рисунок 4 – Модель САУ процесса осветления воды при использовании выбранных законов регулирования Результаты моделирования динамических процессов в САУ представлены на рисунках 5, 6, 7. Анализ результатов моделирования показал удовлетворительное качество переходных процессов в рассмотренном контуре управления. Моделирование процесса осветления показало положительный результат (рисунок 5), поскольку время, за которое устанавливается значение, составляет 100 с, что соответсвует техническим требованиям. Установившееся значение соответствует требуемому рH=10,2. Отсутствует перерегулирование. А также по графику видно, что в системе присутствует запаздывание τ=9сек

195

Рисунок 5 – Переходный процесс в САУ процесса осветления с ПИД и ПД-законом управления. По переходной характеристике, представленной на рисунке 6, можно говорить о правильной и эффективной работе регулирующего органа, поскольку максимальный угол открытия вентиля составляет 430 . Как показывает практика, регулирующие органы не работают на максимальных номинальных углах, что составляет 90ᶱ.

Рисунок 6 – Переходная характеристика, соответствующая положению регулирующего органа Возмущающее воздействие приводит к небольшим допустимым отклонениям, которые восстанавливаются за допустимый промежуток времени, а именно 50 с, как показано на

196

рисунке 7. Таким образом, предложенные законы регулирования с полученными настроечными параметрами подходят для САУ процесса химической очистки воды.

Рисунок 7 – Переходная характеристика САУ химической очистки воды с учетом возмущающих воздействий Выводы. 1. Выполненный анализ процесса химической очистки воды позволил представить его с точки зрения автоматического управления. 2. Предложенные математические модели процесса химической очистки воды позволили исследовать динамические процессы в объекте управления, по результатам которых сделан вывод о необходимости синтеза новых алгоритмов управления. 3. Использование предложенных регуляторов с соответствующими настройками позволило устранить статическую ошибку, улучшить динамические показатели качества, что подтверждается результатами моделирования. Перечень ссылок 1. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии – 2е здание, дополн. – М.: Госхимиздат, 1962. – 846 с. 2. Федюн Р.В., Попов В.А., Найденова Т.В. Принципы построения динамической модели процесса биохимической водоочистки. Наукові праці ДонНТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск 20 (158).- Донецк, ДВНЗ “ДонНТУ”, 2010. – с. 30 – 37. 3. Федюн Р.В., Найдьонова Т.В., Юрченко Р.В. Математична модель технологічного процесу біохімічного водоочищення. Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск - 22(200) - Донецьк, ДонНТУ, 2012.- с. 48-55. 4. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления.- М.: Лаборатория Базовых знаний.- 2002 - 832 с. 5. Лукас В.А. Теория управления техническими системами. Учебный курс для вузов. Екатеринбург: Издательство УГГГА, 2002.- 675 с.

197

УДК 681.51:669.187.2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ДОЗИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЗАГРУЗКЕ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ Яковлева Н.С., студент; Червинская Н.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) В настоящий период электродуговые печи являются самыми перспективными и экологически чистыми сталеплавильными агрегатами, используемыми для получения высококачественной стали или прецизионных сплавов заданного химического состава. В современных условиях дуговые сталеплавильные печи (ДСП) все больше начинают использоваться как высокоэффективные технологические агрегаты для расплавления шихтовых материалов. Для электросталеплавильных цехов характерна организация выплавки и разливки стали в одном здании – главном здании цеха [1]. В нем же часто организовано хранение запаса лома и его загрузка в корзины, хранение оперативного запаса сыпучих материалов и металлизированных окатышей, внепечная обработка стали, подготовка ковшей, а в ряде цехов с разливкой стали в изложницы предусмотрены участки обдирки и термообработки слитков. Основными линиями грузопотоков электросталеплавильного цеха являются: доставка и загрузка стального лома, а в некоторых цехах также металлизированных окатышей; доставка и загрузка в печь шлакообразующих материалов; доставка и загрузка в печь ферросплавов; транспортирование ковшей с жидкой сталью к месту разливки и установкам внепечной обработки; разливка и уборка слитков или литых заготовок и т.д. В течение длительного времени устройство электросталеплавильных цехов и организация в них грузопотоков, особенно на отечественных заводах, были относительно стабильными и характеризовались наличием в главном здании шихтового, печного и разливочного пролетов. Последние годы характеризуются поисками и разработкой большого числа новых проектных решений по электросталеплавильным цехам, что объясняется многими факторами: ростом объема грузопотоков, вынесением части технологических операций из печи в ковш и переходом на непрерывную разливку стали, необходимостью повышения уровня механизации и улучшения условий труда, возросшими требованиями по охране окружающей среды [2]. В настоящее время поставлено множество задач, связанных с увеличением производительности выплавки стали и ее качества, среди них одними из наиболее проблемных являются задачи автоматизации процессов доставки, дозирования и загрузки сыпучих материалов, а также отдачи материалов в печь. В ДСП шлакообразующие и углеродистые материалы в бадью и печь поступают с помощью системы непрерывной загрузки (тракт сыпучих), включающий узел приема и распределения материалов, доставленных от поставщиков (автотранспортом), расходные бункера, транспортеры и весодозирующие устройства [3]. В печь эти материалы попадают через специальное отверстие в своде. Существующая система автоматизации тракта сыпучих материалов осуществляется полностью в ручном и полуавтоматическом режиме. Эти режимы обладают следующими главными недостатками: -ручное отслеживание оператором положения конвейера; -ручное отслеживание оператором включение/выключение заслонок бункеров; -весомая погрешность, т.к система не автоматизирована и рассчитана на точность и внимательность оператора. Задача заключается в том, чтобы реализовать автоматический режим управления трактом во взаимодействии с системами автоматического ведения плавки, который бы 198

позволял автоматически контролировать положение конвейера и дозировать нужный материал. Целью управления трактом сыпучих материалов является дозирование материала и перемещение конвейера на заданную позицию. Таким образом, цель исследования сводится к регулированию позиции конвейера и массы нужного материала. На рис.1 изображена обобщенная схема тракта сыпучих материалов.

Рисунок 1 – Обобщенная функциональная схема загрузки шихты в печь Приходящий материал в вагонах выгружается в начальный бункер. Далее с помощью открывающейся заслонки высыпается на конвейерную ленту 1. В зависимости от приходящего материала конвейерная лента 2 устанавливается в нужную позицию (двигается вправо-влево) к нужному бункеру. Материал высыпается в указанный бункер. Далее нужное количество этого материала (в зависимости от качества нужной стали) высыпается в общий дозирующий бункер. Сыпучий материал с помощью открывающейся заслонки высыпается на конвейерную ленту 3 и поступает непосредственно в печь. На схеме рис. 1 изображены конвейеры, расходные бункеры, взвешивающие дозаторы, клапаны вытяжки пыли под каждым дозатором. Также введены следующие обозначения: ДТ1, ДТ2, ДТ3 – датчики температуры; ДМ1, ДМ2, ДМ3, ДМ4, ДМ5, ДМ6, ДМ7, ДМ8, ДМ9, ДМ10, ДМ11– датчики веса; ДВ1, ДВ2 – датчики влажности; ДСК1,ДСК2 и ДСК3 – датчики схода конвейерной ленты; ИМ1, ИМ2 и ИМ3– исполнительные механизмы, регулирующие работу двигателей конвейеров. Для реализации задачи автоматизации требуется знать необходимую массу материала, а также номер необходимого бункера с определенным нужным материалом(позицию), к которому будет подъезжать конвейер, что и является входными параметрами в нашей системе. Возмущающими воздействиями для системы будут служить погрешности измерения массы и положения конвейера. Для получения заданной массы и заданного положения конвейера, необходимо контролировать перемещение конвейера, а также массу материала которая подается в бункер. На следующем этапе работы была разработана модель перемещения конвейера в пакете Matlab Simulink (рис. 2). Сигнал с задающего устройства поступает на ПИ-регулятор в схеме, с помощью которого и будет осуществляться достижение заданного показателя качества системы. Сигнал, поступивший на исполнительный механизм, будет приводить в движение объект управления (конвейер). Выходом будет требуемая позиция конвейера. 199

Рисунок 2 – Структурная схема в Matlab перемещения конвейера В результате моделирования был получен следующий график переходного процесса (рис.3):

,с

Рисунок 3 – График переходного процесса Как видно из графика, показатели качества переходного процесса удовлетворяют заданным (не более 5 сек). Установившееся значение соответствует требуемому перемещению в 5 м. Присутствует перерегулирование, однако оно является допустимым при перемещении, к тому же величина перерегулирования невелика (не более 2%), что позволяет начать выгрузку уже с 7-8 секунды. Также была разработана модель автоматической системы дозирования сыпучего материала в пакете Matlab Simulink (рис. 4).

Рисунок 4 – Схема моделирования автоматической системы дозирования сыпучих материалов 200

В модели присутствуют блоки: - моделирующие объект управления: вибропитатель с заданной производительностью, звено транспортной задержки (время падения дозируемого материала) и интегратор (растущая масса бункера-дозатора); - моделирующие преобразователь частоты: датчик интенсивности на входе преобразователя, пропорциональное звено, ограничение выходной частоты на верхнем и нижнем уровнях; - имитирующие отключение электропривода при уменьшении ошибки дозирования ниже заданного уровня; - задания на вес, регулятор веса; - моделирующие квантование сигнала задания на скорость по времени и уровню. Датчик веса в модели имеет единичный коэффициент передачи. Выполнив моделирование, получим график (рис. 5):

Рисунок 5 – График дозирования материала 250 кг На графике можно пронаблюдать: текущий вес m, задание на вес mз и ошибку по весу δ. По графику видно, что 250 кг материала выгружаются менее чем за 10 сек., что соответствует заданной производительности данного бункера (150 тонн/час). Моделирование начинается с 1 секунды, но происходит задержка на 2 секунды в блоке задержки. Можно увидеть, что нет перерегулирования, что очень важно при дозировании материала. При этом материал выгружается достаточно быстро (около 8 сек). В установившемся режиме величина выданного груза устанавливается в 250 кг, т.е. можно сделать вывод, что задание выполнено. Таким образом, проведено моделирования системы дозирования сыпучих материалов для одного бункера и одного конвейера. Исследования показали допустимое время переходного процесса и отсутствие перерегулирования. Дальнейшая задача заключается в исследовании общей системы управления всеми бункерами как единого целого. Перечень ссылок 1. Производство стали в электропечах (электрометаллургия) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.markmet.ru/tehnologiya_metallov/proizvodstvo-stali-velektropechakh-elektrometallurgiya 2. АСУТП сталеплавильного производства[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.oracul.org/partners/demz/ 3. Рябов А.В. Современные способы выплавки стали в дуговых печах / А.В.Рябов, И.В.Чуманов, М.В.Шишимиров // Начальное пособие.- М.: Теплотехніка, 2007. - 192 с.

201

Електронна техніка в засобах автоматизації, діагностики і компютерно-інтегрованого управління

Электронная техника в средствах автоматизации, диагностики и компьютерно-интегрированного управления Electronic Devices of Computer-Based Control Circuits, Applied for Automation and Diagnosing Purposes УДК 62-519 ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО СТЕНДА ПО ИЗУЧЕНИЮ КИНЕТИКИ РЕАКЦИЙ С УЧАСТИЕМ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ Листопад Г.И., студент; Кузнецов Д.Н., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) На металлургическом факультете ДонНТУ создан и внедрен в эксплуатацию учебноисследовательский стенд по изучению кинетики реакций с участием газовой фазы. Данный стенд используется для определения температур протекания реакций разложения различных веществ с измерением объема выделяющегося при разложении газа. На данный момент уровень автоматизации данного стенда низкий и актуальной является задача разработки электронной системы, которая бы обеспечила работу стенда в автоматическом режиме с регистрацией данных на персональном компьютере (ПК), что значительно упростит процедуру проведения исследований, увеличит точность и достоверность получаемых результатов и повысит результативность в целом. Целью работы является обоснование структурной схемы электронной системы лабораторного стенда по изучению кинетики реакций с участием газовой фазы. Схема лабораторного стенда представлена на рисунке 1. Стенд обеспечивает нагрев и разложение исходного вещества на химические составляющие при постоянном давлении с регистрацией температуры разложения и объема выделившегося газа. Стенд функционирует следующим образом. Исследуемое вещество, например карбонат кальция, помещается в герметичную колбу, которая нагревается с помощью электропечи мощностью ~500Вт. В процессе нагревания при определенной температуре вследствие химической реакции разложения из вещества выделяется газ, что приводит к повышению давления в рабочем объеме колбы. Изменение давления регистрируется датчиком дифференциального давления, который измеряет разность между давлением в колбе P1 и атмосферным давлением Pатм. Необходимым условием протекания реакции является обеспечение постоянного давления в колбе на уровне атмосферного ∆P = P1 − Pàòì .

(1)

Для этого используется цилиндр с поршнем и двигатель, который перемещает поршень, тем самым увеличивая или уменьшая давление. Объем выделившегося газа определяется по положению поршня. Для этого на валу двигателя закреплен ползунок реохорда. При повышении температуры в какой-то момент времени начинается реакция, при которой регистрируется кривая разложения исследуемого вещества. Типовой вид зависимости объема выделившегося газа V при изменении температуры Т для реакции разложения карбоната кальция (мела) представлен на рисунке 2. 202

Рисунок 1 – Схема лабораторного стенда

Рисунок 2 – График развития реакции разложения карбоната кальция Карбонат кальция в момент времени t1 при нагревании до T=900 °C расщепляется на негашеную известь CaO и углекислый газ CO2 согласно уравнению: CaCO3 ↔ CaO + CO2 ↑

(2)

Реакция разложения карбоната кальция является обратимой реакцией и при снижении температуры протекает в обратном направлении с уменьшением объема газа. На рисунке 3 представлена предложенная структурная схема разрабатываемой электронной системы. Система работает под управлением микропроцессорного (МП) модуля, который обеспечивает выполнение в автоматическом режиме следующих основных функций: – нагрев и остывание электропечи с реализацией заданного закона изменения температуры; – измерение текущей температуры в печи; – измерение текущего давления в рабочем объеме колбы; – поддержание давления в колбе неизменным и равным атмосферному давлению путем управления направлением и скоростью вращения двигателя постоянного тока, вал которого перемещает поршень в цилиндре насоса; 203

– измерение текущего объема выделившегося в результате реакции разложения исследуемого вещества объема газа путем определения положения поршня в цилиндре насоса; – обмен данными с ПК. В качестве датчика температуры используется термопара типа платина-платинородий с верхним пределом измерений Tmax=1400 °C. Слабый сигнал термопары усиливается электронным усилителем с коэффициентом усиления по напряжению равным 120.

Рисунок 3 – Предложенная структурная схема разрабатываемой электронной системы В роли датчика давления выбран интегральный датчик дифференциального давления MPXV7002DP компании WINSTAR, со следующими характеристиками: – диапазон измеряемых давлений, кПа ±2; – максимальный выходной сигнал, мВ ±2500; – чувствительность, В/кПа 1; – температурный диапазон, °С -40…+125. Объем газов в колбе измеряется при помощи реохорда, подвижный ползунок которого перемещается вместе с поршнем. Для этого определяется текущее положение поршня x и осуществляется вычисление объема газов V по формуле V = S ⋅ ( x − x0 ) ,

(3)

где S – площадь поршня (основания цилиндра), x0 – исходное положение поршня при комнатной температуре. Для перемещения поршня используется двигатель постоянного тока с редуктором. Драйвер двигателя обеспечивает вращение вперед-назад и регулирование частоты оборотов. Выводы. Предложенная структура электронной системы обеспечивает автоматический разогрев печи по заданному закону изменения температуры с поддержанием неизменного давления в рабочем объеме и регистрацией контролируемых параметров (температуры и объема выделившегося газа) на ПК, что значительно упрощает процедуру проведения исследований, повышает их точность, достоверность и результативность. Перечень ссылок 1. Заика В.И. Исследование водородной хрупкости высокопрочных сталей и разработка способов ее устранения //Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Донецк: ДонНТУ.-1980 2. Большая энциклопедия нефти и газа, разложение карбоната кальция – URL:http://www.ngpedia.ru/id363276p1.html 3. Технический паспорт электронных компонентов – URL: http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/fairchild/MOC3062-M.pdf 204

УДК 621.446 ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ПЛАВНОГО ПУСКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ НА БАЗЕ УСТРОЙСТВА Altistart_48_ATS48D17Q Березняк В.В., студент; Чекавский Г.С., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Реализация плавного пуска, как известно, необходима для того, чтобы обеспечить разгона асинхронного двигателя (АД) с заданным значением тока, существенно меньшем, чем при прямом (неконтролируемом) пуске. Это позволяет также предотвратить преждевременный выход из строя АД и приводимых в движение механизмов, увеличить ресурс коммутационной аппаратуры, обеспечить возможность управления электроприводом с использованием современных средств автоматизации. Кроме того, применение современных устройств плавного пуска (УПП) позволяет снизить потребляемую активную мощность, существенно снизить потребление реактивной мощности, снизить уровень шума, уменьшить вибрацию электродвигателя. Традиционной областью использования УПП являются конвейеры, центробежные насосы, подъемники и подобные механизмы. Комплектные УПП широко представлены на рынке электротехнической продукции, имеют относительно невысокую стоимость и традиционно применяются для привода механизмов, требующих мягкого пуска, но не требующие регулирования скорости. Умения проводить подключение, настройку и эксплуатацию УПП входит в набор навыков, которыми должен владеть инженер-электромеханик. Цель работы – разработать экспериментальный стенд для исследования системы плавного пуска АД на базе устройства Altistart-48 (рис.1) фирмы Schneider Electric [1]. Место установки стенда – кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок» (ЭАПУ) ДонНТУ, лаборатория систем управления электроприводами.

а)

б) Рисунок 1 – Устройство плавного пуска Altistart-48: а – внешний вид; б – общая схема подключения.

Тип системы плавного пуска, принятой к установке – Altistart_48_ATS48D17Q (17А, 170-460В). Устройство плавного пуска во время разгона постепенно увеличивает среднее значение подводимого к двигателю напряжения с помощью фазового управления, обеспечивает переключение на сеть при достижении рабочей скорости, а также реализует три вида торможения: управляемое замедление, динамическое торможение и выбегом. Пусковой ток АД ограничивают, как правило, на уровне, в 2-3 раза превышающем номинальное значение. В состав устройства Altistart_48_ATS48D17Q входят силовой блок с встречнопараллельно включенными тиристорами (рис.1б) и параметрируемый блок регулирования. 205

В качестве одного из важных требований к стенду на основе УПП было обеспечение связи с персональным компьютером, для чего использован последовательный многоточечный интерфейс RS 485 в устройстве Altistart_48_ATS48D17Q, поддерживающий связь по протоколу Modbus. Специальное программное обеспечение PowerSuite предоставляет широкий набор возможностей, в частности, визуализация коммуникационных параметров, сравнение и редактирование настроек, вывод и сортировка параметров устройства, вывод численных значений отдельных параметров АД (сos φ, температура, ток, время работы, активная мощность, момент АД), вывод сообщений, информирующих о текущем режиме работы. В качестве приводимых во вращение двигателей рассматриваются трехфазные АД: • АИР100S2 номинальной мощностью 4,5 кВт (~380 В, 50 Гц, 1440 об/мин, 14 А); • АИР80В4/2У3 мощностью 1,5 кВт/2,2 кВт (380 В, 50 Гц, 1410/2760 об/мин, 3,8А/4,6А) Подключение двигателей в стенде может быть выполнено поочередно (в зависимости от исследуемых функций УПП) либо каскадно (последовательно) с использованием соответствующих схем подключения УПП и АД. Двигатель АИР100S2 имеет мощность, соизмеримую с мощностью УПП, поэтому при приведении во вращения такого двигателя доступен наиболее полный набор функций УПП, связанных с контролем параметров режима работы. Двигатель АИР80В4/2У3 позволяет использовать весьма ограниченный набор функций, управление этим двигателем организовано с целью сравнения плавного пуска АД с использованием УПП со ступенчатым способом пуска АД (рассмотрение этой опции стенда здесь не выполняется). При разработке принципиальной схемы стенда с реализацией основных функций УПП были использованы схемы включения обмоток АД, показанные на рис.2.

а) б) Рисунок 2 – Схема подключения обмоток АД по схеме «звезда» (а) и «треугольник» (б). Схема рис.2а использована для подключения двигателя АИР100S2, схема 2б может быть использована для подключения обмотки высокой скорости двигателя АИР80В4/2У3. Обратим также внимание на возможность реализации схемы плавного пуска (рис.3) двигателя мощностью, несколько превышающей паспортную мощность УПП (до 1,73 раза). Применение такой схемы пуска допустимо, если имеется доступ к началам и концам обмоток статора АД; при этом остановку АД следует предполагать выбегом, а функции каскадного пуска и предварительного нагрева не использовать. 206

Реализация в стенде каскадной схемы пуска двух указанных двигателей с помощью одного устройства Altistart_48_ATS48D17Q, показанной на рис.4, с контролем работы каждого из двигателей также представляет интерес. Данная схема может быть рекомендована к использованию для плавного пуска двигателей, которые не требуют частых пусков, например, для АД привода центробежного насоса на насосных станциях.

Рисунок 4 – Каскадный пуск и остановка нескольких двигателей одним устройством Altistart. Для выполнения подключения управляющих сигналов УПП, получения дискретной и аналоговой информации о состоянии УПП используется клеммник устройства Altistart_48_ATS48D17Q (рис.5), который вынесен на переднюю панель стенда. 207

Рисунок 5 – Клеммник управления Разработанный стенд предназначен для проведения лабораторного практикума в учебном процессе по кафедре ЭАПУ, а также имеет перспективу к расширению для выполнения научно-исследовательской работы. Перечень ссылок 1. Устройство плавного пуска Altistart 48. Руководство по эксплуатации. – Schneider Electric.

УДК 621.446 ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЦЕПИ С ЁМКОСТЬЮ И НЕЛИНЕЙНЫМ РЕЗИСТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ Смирнов В.А., студент; Фёдоров М.М., проф., д.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Особенности переходных процессов в цепи с ёмкостью и нелинейным резистивным элементом рассмотрим на примере подключения этой цепи к источнику постоянного напряжения (рис.1)

Рисунок 1 – Подключение цепи RС с нелинейным резистором к источнику постоянного напряжения ВАХ н.с. 1 и 2 на начальных этапах имеют повышенное сопротивление, которое постепенно падает до 100 Ом, а н.с. 3 и 4 наоборот – пониженное сопротивление, которое повышается до 100 Ом. На первом этапе аппроксимируем ВАХ полиномом девятой степени (1). Получены аналитические выражения, описывающие каждую кривую. (1) Нелинейные сопротивления (н.с.) заданы вольтамперной характеристикой (ВАХ) (рис. 2) 208

НС1 НС2 ЛС5 НС3 НС4

Рисунок 2 – ВАХ нелинейных элементов Коэффициенты полиномов приведены в таблице 1. Таблица 1 – Значение коэффициентов аппроксимирующего полинома U(I)1 U(I)2 U(I)3 U(I)4

24801 0 60626 23423

-129359 0 -257153 -106189

288768 0 450901 205927

-361533 0 -425870 -221218

279587 160 23787 142601

-138716 750 -81499 -55561

44498 1228 17083 12410

-9126 906 -1977 -1357

1181 367 118 65

0 0 0 0

Переходные процессы в цепи RС описаны уравнением (2). (2) Расчёт переходных процессов осуществляется численным методом, согласно которому напряжение в момент времени определяется формулой (3): , где:

– напряжение на ёмкости в момент времени – напряжение на ёмкости в момент времени

(3)

; ;

– приращение напряжения на ёмкости на промежутке времени Величину где:

выбираем из условия

– время переходного процесса в цепи R-С с линейным резистивным элементом,

величина которого равна r=100 Ом – Количество точек, равное (100-1000).

209

Время переходного процесса

определяется по формуле (4): (4)

Для определения приращения напряжения

воспользуемся дифференциальным

уравнением цепи (1): (5) Величина r определяется на каждом этапе. Использовав полученный алгоритм, были рассчитаны переходные процессы для четырёх случаев с нелинейным резистивным элементом и для одного случая с линейным резистором, которые приведены на рисунке 3.

Рисунок 3 - Графики переходных процессов Кривая 5 показывает переходный процесс с линейным резистивным элементом. Кривые 4 и 5 (вогнутые) имеют меньшее время переходного процесса, нежели кривая 3, а кривые 1 и 2 (выгнутые) имеют большее время переходного процесса. Выгнутые кривые имеют большее сопротивление и поэтому переходный процесс затянут, у вогнутых кривых – ускорен. Отсюда делаем вывод, что чем больше вогнута кривая – тем скорее наш переходный процесс. И наоборот. Перечень ссылок 1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. учебн. пособие [для студентов, вузов] / Москва: Высшая школа, 1996. – 623с. 2. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. Линейные электрические цепи. Учебник для ВУЗов. М.: Энергия, 1978 – 592 стр. 3. Зевеке Г.В., Ионкин П Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. М.: Энергия, 1975. – 752 с.: ил..А., Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей. 4. Божко В.В. Степенные полиномы, конспект лекций. 210

УДК 621.316.722 ВЫБОР ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ (ОПН) ДЛЯ МОЛНИЕЗАЩИТЫ В TN– S, TN– C– S СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Бершадский И. А., доц., д.т.н.; Шестаков А.С., студент (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) В данной статье будут рассмотрены системы типа TN – S, TN – C – S (рисунок 1). Особенностями таких систем являются: для TN –S – глухозаземленная нейтраль и подвод заземления к потребителю от источника электропитания, для TN – C – S – глухозаземленная нейтраль и линия совмещенной нейтрали с землёй, которые разделяются около электрощита.

Рисунок 1 – Системы электропитания типаTN – S,TN – C – S Схема устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) в рассматриваемом случае имеет варисторы установленные между «фазами и нейтралью» а также между «нейтралью и заземлением», так как мы применяем систему электропитания здания TN – S, TN – C – S (рисунок 2).

Рисунок 2 –Схема подключения ограничителей перенапряжения (ОПН) для систем TN – S и TN – C – S На рисунке 3 показано два способа подводки электропитания к зданию: • кабельная – подземная линия ; • воздушная линия электропитания.

211

Рисунок 3 – Различные виды подвода электропитания к зданию В том случае, если здание имеет воздушную подводку электропитания, требуется применение дополнительных элементов ОПН (на базе варисторов) устанавливаемые на опорах. В качестве примера можно привести модули защиты Protec А или Protec AQ производства фирмы «Искра Защита» (рисунок 4).

Рисунок 4 – Protec А или Protec AQ производства фирмы«Искра Защита» Модули защиты Protec А отличаются от Protec AQ наличием индикатора срабатывания. Фирмой «Искра Защита» производится три варианта для монтажа данных модулей на провод электросети (рисунок 5).

Рисунок 5 – Три вида монтажных клемм для Protec А или Protec AQ

212

За номинальное рабочее напряжение сети принимаем стандартное - 380/220 В. Исходя из этого параметра задается номинальное напряжение срабатывания модулей ОПН, Uc=275В. Для упрощения расчета импульсных токов и выбора соответствующих им модулей ОПН, любое здание принимается как электрически не связанное с другими. Как показано на Рисунке 7 50% значения тока от импульсных перенапряжений (Iimp1=100 кА) принимает система заземления здания. В соответствии со стандартами МЭК все неэлектрические коммуникации здания (водоснабжения, газа, канализации) должны быть соединены с системой заземления с помощью устройств выравнивания потенциала. Модули защиты Prospark и EPZ100 производства фирмы «Искра Защита» (Рисунок 6) представляют собой разрядник, служащий для выравнивания потенциалов между металлическими частями здания, системами коммуникаций и заземления. Модуль защиты EPZ100 имеет влагозащищенный корпус для установки в земле.

Рисунок 6 – Модули защиты Prospark и EPZ100 производства фирмы«Искра Защита»

Рисунок 7 – Распространение импульсных токов при прямом попадании молнии в здание, имеющее из коммуникаций только электропитание

213

Оставшиеся 50% значения токов от импульсных перенапряжений (Iimp1=100кА) распределяются между проводами электрических коммуникаций здания (электропитание, телефон, Интернет и т.д.). В данной статье мы рассматриваем частный случай, когда распределение токов происходит только между проводами системы электропитания здания. Соответственно, Iimp на каждый провод кабеля будет составлять Iimp2=20кА. На Рисунке 7 показано, каким образом распределяются импульсные токи в электросети здания, не имеющего электрической связи с другими объектами. Выбирая модули ОПН для ГРЩ нужно помнить, что эти модули должны соответствовать I классу оборудования защиты. В предыдущем пункте мы выяснили, что Iimp2 действующий на модули ОПН составляет 20кА. Это позволяет нам предложить два варианта модулей ОПН: Вариант№1. Система ограничителей перенапряжения может состоять из отдельных модулей. Элементы Protec BS 25 на базе варисторов станавливаются между«фазой» и«нейтралью» и между«землей» и«нулем» (Рисунок 8).

Рисунок 8 – Схема подключения и принципиальная схема ОПН (4+0) ГРЩ, вариант №1 Вариант №2. Система ограничителей перенапряжения состоит из модуля Probloc BS 100 (4+0) «Искра Защита» со схемой соединения аналогичной варианту №1» (Рисунок 9).

Рисунок 9 – Схема подключения и принципиальная схема ОПН (4+0) ГРЩ, вариант №2 Перечень ссылок 1. «Я электрик!» Электронный электротехнический журнал / Выпуск №11. URL : www.electrolibrary.info 2. Инструкция по эксплуатации ограничителей перенапряжения (ОПН) [Электронный ресурс]. URL : www.ruscable.ru/doc/documentation/instruction-13.html 214

УДК 621.791.76 ВДОСКОНАЛЕННЯ АЛГОРИТМІВ РОЗРАХУНКУ ПІКОВИХ СТРУМІВ І ВТРАТ НАПРУГИ В МЕРЕЖІ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ГРУПИ МАШИН КОНТАКТНОЇ ЗВАРКИ Гірько В.О., студент; Єгорова І.В., магістр; Погрібняк Н.М., доц., к.т.н. (ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк, Україна) Широке поширення контактної зварки та особливості роботи машин контактної зварки (МКЗ) залишають актуальним питання вдосконалення методів розрахунків пікових струмів і втрат напруги, оскільки ці величини є визначальними для вибору елементів мережі, отже капітальних витрат на неї, та забезпечення необхідного рівня напруги в мережі, оскільки зниження напруги понад 10% призводить до браку зварних з’єднань. В теперішній час розрахунки пікових струмів і втрат напруги виконуються за діючими Вказівками [1, 2]. Заслуговує також уваги попередня редакція Керівних Вказівок [3]. Рішенням задачі є максимальні розрахункові значення пікових струмів і втрат напруги, визначені з граничною йовірність ex = 0,001 [1 -3]. Для цього необхідно отримати функції розподілу цих величин. При великій кількості МКЗ в групі, функції розподілу мають таку велику кількість сходинок, що точний їх розрахунок є неможливим, тому у [1-3] застосовані приблизні методи визначення розрахункових значень пікових струмів і втрат напруги, а на кафедрі «Електропостачання промислових підприємств і міст» ДонНТУ розроблялись приблизні методи визначення функцій розподілу. Найкращім результатом цієї роботи є комплексний диференційний метод (КДМ) [4], недоліком якого є розрахунок функції розподілу за середнім значенням коефіцієнтів ввімкнення усіх МКЗ, що призводить до похибки у разі значної відмінності коєфіцієнтів ввімкнення окремих МКЗ. Метою роботи є зменшення капітальних витрат на мережі електропостачання груп машин контактної зварки при забезпеченні необхідного для отримання якісних зварних з’єднань рівня напруги шляхом вдосконалення алгоритму визначення приблизних функцій розподілу пікових струмів і втрат напруги з врахуванням ймовірностей ввімкнення окремих зварювальних машин. У новому методі, як і в [4], з метою зменшення обсягу розрахунків, функції розподілу з запасом ∆ex розраховується до досягнення ними значення 1 − ex + ∆ex . Такий підхід тим більше скорочує обсяг розрахунків, чим меньші коєфіцієнти ввімкнення мають МКЗ. Алгоритм методу складається з таких етапів: 1. Для кожної зварювальної машини розраховують пікові струми всіх фаз та падіння кожної лінійної напруги за законами Ома і Кірхгофа в комплексній формі для випадку ввімкнення однієї цієї зварювальної машини. Приведемо приклад для однофазної зварювальної машини, підключеної на лінійну напругу до фаз АВ (рис. 1). На схемі E A , E В , E С - ЕРС фаз, z т , z ш , z зм - опори трансформатора цехової ТП, шинопровода та зварювальної машини відповідно. Формули для розрахунку пікових струмів всіх фаз в комплексній формі:

IA =

E A − E B ; 2 z т + 2 z ш + z зм  ; IB = − I� A I�C = 0 .

Формули для розрахунку падінь кожної лінійної напруги в комплексній формі:

∆U AB = E A − E B − IA ⋅ z зм = 2 IA ( z т + z ш ) ; 215

∆U BС = − IA ( z т + z ш ) ; ∆U CA = − IA ( z т + z ш ) .

Аналогічний розрахунок виконується і для однофазних зварювальних машин, підключених на інші напруги, двофазних та трифазних МКЗ. 2. Кожна з функцій розподілу (по три функції розподілу пікових струмів фаз та втрат

Рисунок 1 – Схема підключення однофазної зварювальної машини на напругу АВ лінійних напруг) розраховується окремо. 3. Для розрахунку функції розподілу, зварювальні машини розподіляють по групах. Такий розподіл виконується на початковому етапі розрахунку кожної функції розподілу з метою зменшення кількості її сходинок, а отже і обсягу розрахунків. Розподіл виконується таким чином, щоб у одній групі опинились зварювальні машини, вектори пікових струмів або падінь напруг яких (в залежності від того, функція розподілу якої величини розраховується) відрізнялись один від одного якомога меньше і за модулем і за фазою. Кількість груп впливає на точність і час розрахунку: чим більше вона буде - тим вище буде точність і більшою тривалість розрахунків. Опитним шляхом визначено, що з прийнятною точністю і відносно невеликим часом розрахунків кулькість груп має не перевищувати 7. 4. Для кожної групи розраховується: - середне значення пікового струму або втрати напруги з урахуванням фактичних коєфіцієнтів ввімкнення кожної МКЗ за формулою (формула записана для пікових струмів):

iпик ср =

∑i ⋅ k ∑k пикj

вj

- таблиця ймовірностей ввімкнення усіх кількостей зварювальних машин з групи, починаючи з відключеного стану до випадку ввімкнення усіх машин. Ймовірність ввімкнення mг машин з групи з загальною кількістю машин nг складає: Cnmг m г г

p = ∑∏ k вi ⋅ j =1 i =1

де

mг

n г − mг

∏ (1 − k

– кількість комбінацій з nг по mг .

216

i =1

вi

(1)

Ймовірність кожної комбінації вмикання зварювальних машин розраховується з урахування того, яка машина ввімкнена, а яка відключена. Ймовірність ввімкнення зварювальної машини дорівнює її коефіцієнту ввімкнення kв, а ймовірність вимкнення складає (1-kв). Отже, враховуються фактичні коефіцієнти ввімкнення кожної МКЗ замість середнього. Для кожної групи результати розрахунку ймовірностей всіх варіантів ввімкнення різних кількостей зварювальних машин з групи зберігаються в вигляді масивів, дані з яких використовуються при розрахунку ймовірності кожної сходинки функції розподілу. 5. Перебираються всі варіанти можливого ввімкнення різної кількості зварювальних машин з груп. При розрахунку ймовірності кожної комбінації використовуються ймовірності ввімкнення поточної кількості машин з групи, розраховані за виразом (1). При розрахунку функції розподілу пікового струму, сумарний піковий струм ввімкнених машин розраховується за виразом w

iпик = ∑ mгj ⋅ iпик ср j , j =1

де w -кількість груп. Розрахнок виконується із застосуванням середніх значень пікових струмів груп в комплексному вигляді. Отже, струми окремих машин складаються геометрично. Для побудови функції розподілу надалі береться модуль сумарного струму. Якщо розраховується функція розподілу втрати напруги, геометрично сумуються середні значення падінь напруги, створювані ввімкненими машинами з груп. Далі визначаємо напругу в кінці шинопровода як геометричну різницю напруги на джерелі живлення та сумарного падіння напруги, створюванного групою МКЗ. Втрата напруги розраховується як різниця модулів напруг на джерелі живлення і в кінці шинопроводу. 6. Далі, наприклад, при побудові функції розподілу пікових струмів, отримані значення пікових струмів і їх ймовірностей сортуються за зростанням пікових струмів та за їх ймовірностями розраховується функція розподілу. 7. На останньому етапі знаходимо максимальне розрахункове значення відповідної величини, яке є абсцисою точки перетину функції розподілу та значення імовірності 1 − ex . Для знаходження максимальних розрахункових значень всіх необхідних струмів та втрат напруги ці дії виконуються 6 разів. Даний метод був перевірений на декількох прикладах, в яких кількість зварювальних машин в групі дорівнювала 16. Порівняння виконувалось відносно теоретичної функції розподілу, яка розраховується цілком шляхом перебору всіх можливих варіантів одночасного ввімкнення машин контактної зварки. Отримана за прикладом функція розподілу струму наведені на рис. 2. На ньому: теоретична функція розподілу (крива 1) та функція розподілу, що була обчислена за новим методом ( крива 2) практично збігаються, а комплексний диференційний метод (крива 3) дає дещо гірший результат. Результати дозволяють порівняти новий метод та КДМ один з одним та з теоретичною функцією розподілу, а також з результатами, що були отримані за методиками діючих (точка 5) та попередніх Керівних Вказівок (точка 4). На рис. 3 представлені діаграми діапазонів похибок визначення пікових струмів (рис. 3а) і втрати напруги (рис. 3б): 1- попередня редакція Керівних Вказівок, 2 – діючі Вказівки, 3 – КДМ, 4 – новий метод. Діаграми отримані за результатами всебічної перевірки розробленого і комплексного диференційного методів на великій кількості різнотипних прикладів. Розроблений метод має найменшу похибку. Ця похибка є додатною, що створює невеликий запас. Результати показали, що новий метод дає кращі результати ніж попередні методи розрахунків пікових струмів і втрат напруги, це демонструють наочно діаграми похибок. Завдяки новому методу розрахунків пікових струмів і втрат напруги, розрахувавши усі ділянки мережі ми отримуємо дані, які є визначальними для вибору обладнання, тому більш

217

точний розрахунок допомагає зменшити капітальні витрати на мережу живлення та забезпечити необхідний рівень напруги.

Рисунок 2 – Функції розподілу лінійного струму фази А

а)

б)

Рисунок 3 – Діаграми похибок визначення пікових струмів (а) і втрати напруги (б) Перелік посилань 1. Рекомендации по расчету электрических нагрузок и выбору сетей, питающих установки для контактной сварки / ВНИПИ ТПЭП (Москва) и Горьковское отделение ГПИ Электропроект. Шифр М788-917.1983 г. 2. Справочник по проектированию электроснабжения/ Под ред. Ю.Г. Барыбина и др. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с. 3. Инструктивные указания по проектированию электрических промышленных установок. Тяжпромэлектропроект, 1976, №3. – С. 3-9. 4. Погрібняк Н.М., Удовіченко К.А., Єгорова І.В. Вдосконалений метод розрахунку пікових струмів і втрат напруги в мережі електропостачання групи машин контактної зварки // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: “Електротехніка і енергетика”. - Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2013.- №1(14). – С. 217-221

218

УДК 621. 313. 333. 018 ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ ПОТЕРЬ В КИНЕМАТИЧЕСКИ СВЯЗАННЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ Заяц Д. В., студент; Пеньков О. В. ст. пр. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Изменяющиеся производственные требования к качеству технологических процессов, внедрение высоких технологий обуславливают тенденцию внедрения различных электромеханических систем, с помощью которых поступающая электроэнергия преобразуется в механическую и доставляется к рабочему органу, в различные отрасли народного хозяйства. Энергоемкость технологического процесса или производственного механизма зависит от особенностей его работы, способов управления протоком электроэнергии. Современные технологические процессы и механизмы требуют регулирования технологических параметров и протекают оптимально, если в системе управления предусмотрена возможность осуществлять различные корректирующие воздействия. Применение управляемого электропривода в сочетании с автоматизированными системами позволит более гибко, плавно, динамично и энергетически экономнее воздействовать на производственный процесс. Согласно [1, 2] на мировом рынке из общего числа продаваемых регулируемых приводов электроприводы переменного тока составили более 82 %. Это объясняется тем, что в диапазоне мощностей до 100 кВт их производится в 40 – 50 раз больше, чем двигателей постоянного тока. Массовое применение регулируемых электроприводов привело к тому, что современный электропривод является не только энергопотребляющей составляющей, но и средством управления технологическими процессами. В связи с постоянным ростом цен на электроэнергию и ограниченными возможностями увеличения мощности энергогенерирующих систем проблема энергосбережения стало одним из приоритетных направлений технической политики многих стран мира. Внедрение энергосберегающих технологий позволяет наиболее дешевым и безопасным способом увеличения энергогенерирующих мощностей. Материальные затраты на экономию 1 кВт мощности обходятся в 4 – 5 раз дешевле, чем стоимость вновь вводимого 1 кВт мощности. Из сопоставления различных способов управления асинхронными двигателями можно выделить три направления снижения потребления энергии данными машинами. Первое направление предусматривает мероприятия для снижения потерь энергии в пускотормозных режимах, равномерное распределение нагрузки между кинематически связанными двигателями. Второе направление связано с использованием менее энергозатратного со стороны электропривода управления производственным процессом. Третье направление – использование энергосберегающих технологий. Выработка рекомендаций или мероприятий по энергосбережению требует комплексного подхода. В асинхронном двигателе существуют два вида потерь: постоянные и переменные. Постоянные потери не зависят от момента нагрузки на валу и их принято считать неизменными на рабочем участке механической характеристики двигателя. Переменные потери зависят от нагрузки. Для улучшения качества динамических процессов некоторые электроприводы механизмов выполняют многодвигательными. В этих механизмах скорость двигателей одинакова, а распределение статической нагрузки может быть неравномерным. На рис. 1 представлены механические характеристики двух асинхронных машин 4А160М4У3 Р2н =18.5 кВт, U1н = 220 В, n2н =1465 об/мин. При одинаковой частоте вращения статические моменты Мс1 и Мс2 соответственно определяются соотношением (1):

с1

= М с + ∆М с ;

с2

= М с − ∆М с ,

где Мс – статический момент нагрузки, ΔМс – отклонение статического момента. 219

(1)

3 2.4 M( S )

1.8

M2( S ) 1.2 0.6 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

Рисунок 1 – Зависимость М = f(S) для асинхронных двигателей Представленные на рис. 1 механические характеристики имеют разную жесткость. Как следствие работа при различных скольжениях. Причина неравномерного нагружения двигателей кроется в неодинаковости электромагнитных параметров двигателей, вызванные технологией изготовления или ремонтными мероприятиями, так в различии настроек в системе управления. При таком режиме работы в обмотках статора и ротора будут наблюдаться разные электрические потери. На рис. 2 представлены результаты расчета влияния неравномерности распределения нагрузок на потери энергии кинематически связанных двигателей при нагрузке на валу Мс = 0.5 Мн и номинальном напряжении сети. 600

450 ∆Pд

300

150

0 0

0.1

0.2 ∆Mc

0.3

0.4

Рисунок 2 – Зависимость ΔРД = f (ΔМс) в обмотках асинхронного двигателя Из анализа результатов расчета следует, что энергосберегающий эффект при выравнивании нагрузок двигателей невелик. Затраты на выравнивание нагрузок кинематически связанных двигателей незначительны. При реостатном способе регулирования скорости – более тщательный выбор дополнительных сопротивлений в цепи ротора. В случае частотного управления – точная настройка различных узлов системы управления электропривода, формирование определенного значения магнитного потока в зависимости от режима работы. При массовом применении таких приводов суммарная экономия энергии весьма ощутима. Перечень ссылок 1. Омельяненко В. И. Анализ и сравнение перспективных тяговых электродвигателей/ В. И. Омельяненко. – Залізничний транспорт Украини. -2008. -№ 2/1. – С. 26-31 2. Копылов И. П., Горяинов Ф. А. Проектирование электрических машин / И. П. Копылов, Ф. А. Горяинов. – М.: Энергия, 1980. - 496 с. 220

УДК 621.446 ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ В РАЗВЕТВЛЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ Заец Д.В., студент; Погромский Д.Г., студент (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) При расчете и анализе переходных процессов в выражения для свободных составляющих входят постоянные интегрирования которые определяются с помощью начальных условий. Под начальными условиями в электрических цепях понимают значение токов и напряжений, а также их производных в момент времени t=0. Методику определения начальных условий рассмотрим на конкретном примере (рис.1)

Рисунок 1– Исходная электрическая схема В предлагаемой схеме в момент коммутации была подключена ветвь с резистивным сопротивлением r6 . Схема содержит три реактивных элемента; индуктивности 𝐿𝐿1 и 𝐿𝐿3 , а так же емкость 𝐶𝐶5 . Это означает, что характеристическое уравнение имеет третий порядок.Следовательно выражение для свободных составляющих каждого тока (напряжения) входят по три постоянных интегрированных, для определения которых необходимо знать начальные значения токов (напряжений), а так же их первых и вторых производных. Ниже приводятся рекомендованный порядок их определения. 1. На первом этапе определяем независимые начальные условия. 𝑖𝑖1 = 𝑖𝑖𝐿𝐿1 (0) = 𝑖𝑖𝐿𝐿1 (0−)𝑢𝑢𝑐𝑐 (0) = 𝑢𝑢𝑐𝑐 (0−)𝑖𝑖𝐿𝐿3 (0) = 𝑖𝑖𝐿𝐿3 (0−)

(1)

Для определения независимых начальных условий необходимо рассматривать схему в состоянии до коммутации, схема будет иметь вид (рис.2) Возможны варианты источников питания постоянного, переменного тока, синусоидального или не синусоидального тока. 1.1.Расмотрим вариант с использованием источником постоянного тока (Е1 , Е4 ). Принимая во внимание, что при постоянном токе𝑋𝑋𝐿𝐿 = 0 и 𝑋𝑋𝑐𝑐 = ∞ схема имеет вид (рис.3). Из схемы следует. Согласно второму закону Кирхгофа. 𝑖𝑖1 (0−) = 𝑟𝑟

𝐸𝐸1 −𝐸𝐸4

1 +𝑟𝑟2 +𝑟𝑟4

𝑖𝑖1 (0−) = 0𝑢𝑢𝑐𝑐 (0−) = 𝑖𝑖1 (0) ∙ 𝑟𝑟2 = 0

221

(2)

Рисунок 2– Исходнаясхема до коммутации.

Рисунок 3– Исходная схема до коммутации при источниках питания постоянного тока 1.2.Источник синусоидального напряжения. В этом случае используя символический метод, рассчитываются комплексы тока в ветвях с индуктивностью 𝐼𝐼1 = 𝐼𝐼𝐿𝐿1 = 𝐼𝐼1 𝑒𝑒 𝑗𝑗 𝛹𝛹𝑖𝑖 1 и 𝐼𝐼3 = 𝐼𝐼𝐿𝐿3 = 𝐼𝐼3 𝑒𝑒 𝑗𝑗 𝛹𝛹 𝑖𝑖 3 , а так же напряжение на емкости𝑈𝑈𝑐𝑐 = 𝑈𝑈𝑐𝑐5 = 𝑈𝑈5 𝑒𝑒 𝑗𝑗 𝛹𝛹𝑖𝑖 1 , с их помощью записывают мгновенные значения соответственно равны. 𝑖𝑖1 = 𝐼𝐼1 √2𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(𝜔𝜔𝜔𝜔 + 𝛹𝛹𝑖𝑖1 )

𝑖𝑖3 = 𝐼𝐼3 √2𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(𝜔𝜔𝜔𝜔 + 𝛹𝛹𝑖𝑖3 )

Тогда начальные условия равны:

𝑢𝑢𝑐𝑐 = 𝑈𝑈𝑐𝑐 √2𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(𝜔𝜔𝜔𝜔 + 𝛹𝛹𝑢𝑢 𝑐𝑐 ) 𝑖𝑖1 (0−) = 𝐼𝐼1 √2𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝛹𝛹𝑖𝑖1

𝑖𝑖3 (0−) = 𝐼𝐼3 √2𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝛹𝛹𝑖𝑖3

𝑢𝑢𝑐𝑐 (0−) = 𝑈𝑈𝑐𝑐 √2𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝛹𝛹𝑢𝑢 𝑐𝑐

2.Определяем зависимые начальные условия. В этом случае используем вспомогательную схему (рис.4). Правило составления схемы : 1) Ключ ставим в положение после коммутации. 2) Индуктивность заменяем источниками тока 𝑖𝑖𝐿𝐿1 , 𝑖𝑖𝐿𝐿2 . 3) Емкость заменяем источником напряжения. ЭДС которого будет равна 𝑢𝑢𝑐𝑐 . В результате получим схему только с резистивными элементами. И ее состояние может быть описано системой алгебраических уравнений по первому и второму Закону Кирхгофа. Либо другими методами основанными на законах Кирхгофа. В данном случае удобно использовать метод контурных токов (МКТ). 222

Рисунок 4– Вспомогательнаясхема для определения зависимых начальных условий Данная схема содержит три контура, их контурные токи соответственно равны. 𝑖𝑖𝐼𝐼 = 𝑖𝑖𝐿𝐿1 𝑖𝑖𝐼𝐼𝐼𝐼 = 𝑖𝑖𝐿𝐿3

следовательно

𝑖𝑖𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 (𝑟𝑟4 + 𝑟𝑟6 ) − 𝑖𝑖𝐼𝐼 𝑟𝑟4 = 𝑒𝑒4 − 𝑢𝑢𝐶𝐶5 𝑖𝑖𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 =

𝑒𝑒4 + 𝑖𝑖𝐿𝐿1 𝑟𝑟4 − 𝑢𝑢𝐶𝐶5 𝑟𝑟4 + 𝑟𝑟6

Токи в ветвях соответственно равны.

𝑖𝑖1 = 𝑖𝑖𝐼𝐼 = 𝑖𝑖𝐿𝐿1 𝑖𝑖3 = 𝑖𝑖𝐼𝐼𝐼𝐼 = 𝑖𝑖𝐿𝐿3

Тогда токи в оставшихся ветвях соответственно равны. 𝑖𝑖6 = 𝑖𝑖𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 =

𝑒𝑒4 − 𝑢𝑢𝑐𝑐5 + 𝑖𝑖𝐿𝐿1 𝑟𝑟4 𝑟𝑟4 + 𝑟𝑟6

𝑖𝑖2 = 𝑖𝑖𝐼𝐼 − 𝑖𝑖𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 = 𝑖𝑖𝐿𝐿1

𝑖𝑖4 = 𝑖𝑖𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 − 𝑖𝑖𝐼𝐼 =

𝑖𝑖5 = 𝑖𝑖𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 − 𝑖𝑖𝐼𝐼𝐼𝐼 =

𝑒𝑒4 −𝑢𝑢 𝑐𝑐 5 +𝑖𝑖 𝐿𝐿 1 𝑟𝑟4 𝑟𝑟4 +𝑟𝑟6

𝑒𝑒4 − 𝑢𝑢𝑐𝑐5 − 𝑖𝑖𝐿𝐿1 𝑟𝑟4 − 𝑖𝑖𝐿𝐿1 𝑟𝑟4 + 𝑟𝑟6

𝑒𝑒4 − 𝑢𝑢𝑐𝑐5 − 𝑖𝑖𝐿𝐿1 𝑟𝑟4 − 𝑖𝑖𝐿𝐿3 𝑟𝑟4 + 𝑟𝑟6

Тогда начальные значения этих токов соответственно равны. 𝑖𝑖6 (0) = 𝑖𝑖𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 (0) =

𝑒𝑒4 (0) − 𝑢𝑢𝑐𝑐5 (0) + 𝑖𝑖𝐿𝐿1 (0)𝑟𝑟4 𝑟𝑟4 + 𝑟𝑟6

𝑖𝑖2 (0) = 𝑖𝑖𝐼𝐼 (0) − 𝑖𝑖𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 (0) = 𝑖𝑖𝐿𝐿1 (0) − 𝑖𝑖𝐿𝐿3 (0) 𝑖𝑖4 (0) = 𝑖𝑖𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 (0) − 𝑖𝑖𝐼𝐼 (0) = 𝑖𝑖6 (0) − 𝑖𝑖𝐿𝐿1 (0)

𝑖𝑖5 (0) = 𝑖𝑖𝐼𝐼𝐼𝐼 (0) − 𝑖𝑖𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 (0) = 𝑖𝑖𝐿𝐿3 (0) − 𝑖𝑖6 (0)

3. Определим начальные условия для первых производных. Их рекомендуется определять в том же порядке, а именно:

𝑖𝑖𝐿𝐿′ 1 (0), 𝑖𝑖𝐿𝐿′ 3 (0), 𝑢𝑢𝑐𝑐′ (0), 𝑖𝑖6′ (0), 𝑖𝑖2′ (0), 𝑖𝑖4′ (0), 𝑖𝑖5′ (0)

3.1.Определить начальные условия для первой производной 𝑖𝑖𝐿𝐿′ 1 (0), 𝑖𝑖𝐿𝐿′ 3 (0). 223

(3)

𝑑𝑑𝑑𝑑

Для их определения примем во внимание что 𝑢𝑢𝐿𝐿 = 𝐿𝐿 𝑑𝑑𝑑𝑑 Из второго законна Кирхгофа для первого контура следует.

𝑢𝑢𝐿𝐿1 + 𝑖𝑖2 𝑟𝑟2 − 𝑖𝑖4 𝑟𝑟4 + 𝑖𝑖1 𝑟𝑟1 = 𝑒𝑒1 − 𝑒𝑒4

тогда 𝑖𝑖𝐿𝐿′ 1 (0) =

(4)

𝑑𝑑𝑖𝑖1 (0) 1 = (𝑒𝑒1 (0) − 𝑒𝑒4 (0) − 𝑖𝑖2 (0)𝑟𝑟2 + 𝑖𝑖4 (0)𝑟𝑟4 − 𝑖𝑖1 (0)𝑟𝑟1 ) 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐿𝐿1

Составим уравнение для второго контура по второму Закону Кирхгофа. 𝑢𝑢𝐿𝐿3 − 𝑖𝑖2 𝑟𝑟2 + 𝑖𝑖3 𝑟𝑟3 = 𝑢𝑢𝑐𝑐5

следовательно 𝑖𝑖𝐿𝐿′ 3 (0) =

(5)

𝑑𝑑𝑖𝑖3 (0) 1 = (𝑈𝑈𝑐𝑐5 (0) + 𝑖𝑖2 (0)𝑟𝑟2 − 𝑖𝑖3 (0)𝑟𝑟3 ) 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐿𝐿3

3.2.Определим 𝑢𝑢𝑐𝑐′ (0). Для этого используем условие. 𝑖𝑖𝐶𝐶 = 𝐶𝐶

тогда

3.3.Определим

𝑖𝑖6′ (0), 𝑖𝑖2′ (0), 𝑖𝑖4′ (0), 𝑖𝑖5′ (0).

начальные

𝑑𝑑𝑢𝑢 𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑑𝑑

=>𝑢𝑢𝐶𝐶′ = С 𝑖𝑖𝐶𝐶 1

𝑢𝑢𝐶𝐶′ 5 (0)=𝐶𝐶 𝑖𝑖5 (0) условия

для

(6)

первой

производной

токов

Для их определения используется ранее полученные выражения (3) для этих токов путем взятия производных от левой и правой части выражений. При этом следует иметь в виду, что производные от ЭДС постоянного тока равны нулю, а от ЭДС синусоидально тока e = 𝐸𝐸𝑚𝑚 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠⁡ ⁡ (𝜔𝜔𝜔𝜔 + 𝛹𝛹𝑒𝑒 ) равны 𝑒𝑒 ′ (𝑡𝑡) = 𝜔𝜔𝐸𝐸𝑚𝑚 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(𝜔𝜔𝜔𝜔 + 𝛹𝛹𝑒𝑒 ), следовательно𝑒𝑒 ′ (0) = 𝜔𝜔𝐸𝐸𝑚𝑚 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝛹𝛹𝑒𝑒 . Используя полученные ранее выражения берем от левой и правой части производную. В результате имеем: 𝑖𝑖6′ (0)

𝑒𝑒4′ (0) − 𝑖𝑖𝐿𝐿′ 1 (0)𝑟𝑟4 − 𝑢𝑢𝐶𝐶′ 5 (0) = 𝑟𝑟4 + 𝑟𝑟6

𝑖𝑖2′ (0) = 𝑖𝑖𝐿𝐿′ 1 (0) − 𝑖𝑖𝐿𝐿′ 3 (0)

𝑖𝑖𝐿𝐿′ 4 (0) = 𝑖𝑖6′ (0) − 𝑖𝑖𝐿𝐿′ 1 (0) 𝑖𝑖5′ (0) = 𝑖𝑖𝐿𝐿′ 3 (0) − 𝑖𝑖6′ (0)

(7)

4.Определяем начальные условия для вторых производных. Их необходимо определять в том же порядке:𝑖𝑖𝐿𝐿′′1 (0), 𝑖𝑖𝐿𝐿′′3 (0), 𝑢𝑢𝑐𝑐′′ (0), 𝑖𝑖6′′ (0), 𝑖𝑖2′′ (0), 𝑖𝑖4′′ (0), 𝑖𝑖5′′ (0). При этом используем ранее полученные выражения для получения начальных условий путем взятия производной в левой и правой части. 4.1 Для определения 𝑖𝑖𝐿𝐿′′1 и𝑖𝑖𝐿𝐿′′3 используем выражение 4 и 5. 𝑖𝑖𝐿𝐿′ 1 (0) =

𝑑𝑑𝑖𝑖1 (0) 1 = (𝑒𝑒1 (0) − 𝑒𝑒4 (0) − 𝑖𝑖2 (0)𝑟𝑟2 + 𝑖𝑖4 (0)𝑟𝑟4 − 𝑖𝑖1 (0)𝑟𝑟1 ) 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐿𝐿1

𝑖𝑖𝐿𝐿′ 3 (0) =

𝑑𝑑𝑖𝑖3 (0) 1 = (𝑈𝑈𝑐𝑐5 (0) + 𝑖𝑖2 (0)𝑟𝑟2 − 𝑖𝑖3 (0)𝑟𝑟3 ) 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐿𝐿3

4.2 Величину𝑢𝑢𝑐𝑐′′ (0) определяют с использованием выражения 6. 1

𝑢𝑢𝐶𝐶′′ (0)=𝐶𝐶 𝑖𝑖5′ (0) 5

224

4.3

Определим

𝑖𝑖6′′ (0), 𝑖𝑖2′′ (0), 𝑖𝑖4′′ (0), 𝑖𝑖5′′ (0).

начальные

условия

для

второй

производной

токов

Используя полученные ранее выражения берем от левой и правой части производную. В результате имеем: 𝑖𝑖6′′ (0)

𝑒𝑒4′′ (0) − 𝑖𝑖𝐿𝐿′′1 (0)𝑟𝑟4 − 𝑢𝑢𝐶𝐶′′5 (0) = 𝑟𝑟4 + 𝑟𝑟6

𝑖𝑖2′′ (0) = 𝑖𝑖𝐿𝐿′′1 (0) − 𝑖𝑖𝐿𝐿′′3 (0) 𝑖𝑖𝐿𝐿′′4 (0) = 𝑖𝑖6′′ (0) − 𝑖𝑖𝐿𝐿′′1 (0) 𝑖𝑖5′′ (0) = 𝑖𝑖𝐿𝐿′′3 (0) − 𝑖𝑖6′′ (0)

Полученный алгоритм может использоваться для нахождения начальных условий более высокой производной, путем последовательного взятия производной от левой и правой частей в соответственных выражениях. Перечень ссылок 1. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В. Основы теории цепей. – М. : Энергия, 1989.- 530 с

УДК 621.446 ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЦЕПИ С ИНДУКТИВНОСТЬЮ И НЕЛИНЕЙНЫМ РЕЗИСТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ Тимонин И.С., студент; Фёдоров М.М., проф., д.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Особенности переходных процессов в цепи с индуктивностью и нелинейным резистивным элементом рассмотрим на примере подключения, этой цепи, к источнику постоянного напряжения (рис.1)

Рисунок 1 – Подключение цепи RL с нелинейным резистором к источнику постоянного напряжения Нелинейные сопротивления (н.с.) заданы вольтамперной характеристикой (ВАХ) (рис. 2) ВАХ нелинейных сопротивлений 1-го и 2-го, на начальных этапах имеют повышенное сопротивление и в принужденном режиме составляют 100 Ом, а ВАХ нелинейных сопротивлений 3-го и 4-го имеют пониженное сопротивление, которое в принужденном режиме также 100 Ом.

225

НС1 НС2

НС3

НС4

Рисунок 2 – Вольтамперная характеристика нелинейных элементов На первом этапе использую аппроксимацию полиномами заданных кривых – получены аналитические выражения вида (1), описывающие каждую кривую.

𝑈𝑈(𝐼𝐼) = 𝑏𝑏1 𝑥𝑥 9 + 𝑏𝑏2 𝑥𝑥 8 + 𝑏𝑏3 𝑥𝑥 7 + 𝑏𝑏4 𝑥𝑥 6 + 𝑏𝑏5 𝑥𝑥 5 + 𝑏𝑏6 𝑥𝑥 4 + 𝑏𝑏7 𝑥𝑥 3 + 𝑏𝑏8 𝑥𝑥 2 + 𝑏𝑏9 𝑥𝑥 + 𝑏𝑏10 (1)

Их представляю в виде таблицы коэффициентов.

Таблица 1-значение коэффициентов аппроксимирующих функций

U(I)1 U(I)2 U(I)3 U(I)4

24801 0 60626 23423

-129359 0 -257153 -106189

288768 0 450901 205927

-361533 0 -425870 -221218

279587 160 23787 142601

-138716 750 -81499 -55561

44498 1228 17083 12410

-9126 906 -1977 -1357

1181 367 118 65

0 0 0 0

Переходные процессы в цепи RL описаны уравнением (2) на основании законов Кирхгофа.

𝑈𝑈 = 𝑢𝑢𝑟𝑟 + 𝐿𝐿

𝑑𝑑𝑑𝑑

(2)

Расчёт переходных процессов осуществляется численным методом, согласно которому ток в момент времени 𝑡𝑡𝑘𝑘 определяется формулой (3):

𝑖𝑖𝑘𝑘+1 = 𝑖𝑖𝑘𝑘 + ∆𝑖𝑖𝑘𝑘 ,

где: 𝑖𝑖𝑘𝑘 – ток в момент времени 𝑡𝑡𝑘𝑘 , 𝑖𝑖𝑘𝑘 – ток в момент времени 𝑡𝑡𝑘𝑘 + ∆𝑡𝑡, ∆𝑖𝑖𝑘𝑘 – приращение тока на промежутке времени ∆𝑡𝑡. Величину ∆𝑡𝑡𝑘𝑘 выбираем из условия ∆𝑡𝑡 =

𝑡𝑡 пп 𝑁𝑁

(3)

где: 𝑡𝑡пп – время переходного процесса в цепи R-L с линейным резистивным элементом, величина которого r=100 Ом 𝑁𝑁 – Количество точек, равное (100-1000). 226

Время переходного процесса 𝑡𝑡пп определяется по формуле (4):

𝑡𝑡пп = 4𝜏𝜏 = 4

𝐿𝐿 𝑟𝑟

(4)

Для определения приращения тока ∆𝑖𝑖𝑘𝑘 воспользуемся дифференциальным уравнением цепи (5):

∆𝑖𝑖𝑘𝑘 =

𝑈𝑈−𝑢𝑢 𝑟𝑟 𝐿𝐿

∗ ∆𝑡𝑡

(5)

Используя полученный алгоритм, были рассчитаны переходные процессы для четырёх случаев с нелинейным резистивным элементом и для одного случая с линейным резистором, которые приведены на рисунке 3.

i,A

4 5

t,мкс Рисунок 3 – Графики переходных процессов Из этих кривых следует: между кривыми ВАХ и кривыми переходных процессов наблюдается зависимость, которая выражена степенью выпуклости кривых, изображенных на рисунке 2. Кривая 5 показывает переходный процесс с линейным резистивным элементом, для кривой 1 и 2 (резистивный элемент нелинейный) длительность переходного процесса больше, а для кривой 4 и 3 – меньше. Перечень ссылок 1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Учебн. пособие [для студентов, вузов] / Москва: Высшая школа, 1996. – 623с. 2. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. Линейные электрические цепи. Учебник для ВУЗов. М.: Энергия, 1978 – 592 стр. 3. Зевеке Г.В., Ионкин П. Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. М.: Энергия, 1975. – 752 с.: ил..А., Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей 4 . Божко В.В. Степенные полиномы, конспект лекций. 227

УДК 621.3341.572 ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ОДНОФАЗНЫМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ МЕХАНИЗМОМ ТИПА "МЭО" Квасница А.В., студент; Добровольская Л.А., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г.Маруполь, Украина) Уже давно в производстве используются механические регулирующие элементы (например, заслонки), приводимые в движение механизмами электрическими однооборотными (МЭО). Это связано с простотой обслуживания, надежностью работы данных механизмов и нежеланием большинства владельцев производства вкладывать средства в модернизацию производства. Однофазный МЭО (далее просто МЭО), при всех его достоинствах, обладает и рядом недостатков: работа в импульсном режиме (есть только два состояния: остановки и рабочего хода), необходимость постоянства нагрузки на валу (из-за использования фазосдвигающего конденсатора). Главный минус импульсного режима работы заключается в том, что при запуске электродвигателя у последнего занижен пусковой момент вследствие превышения пусковым током номинального и изменения сдвига фаз. В некоторых схемах для пуска асинхронного электродвигателя применяют подключение дополнительного (пускового) конденсатора на время пуска для сохранения сдвига фаз при увеличении тока через статор. Второй недостаток импульсного режима - из-за резкого старта двигателя происходит ударное воздействие на механическую часть регулирующего органа, что неблагоприятно сказывается на его надежности и, как следствие, сроке эксплуатации. В настоящее время для снижения пагубности ударного воздействия на механизм в управляющих контроллерах применяют ограничение управляющего воздействия по минимуму, т.е. для снижения частоты пусков МЭО выбирается (принимается) минимальное изменение управляющего сигнала, при котором происходит включение МЭО. При этом в контроллере происходит "накопление" управляющего воздействия и при достижении выбранного минимума происходит его отработка. Устранить оба недостатка МЭО без внесения изменений в механическую часть контура регулирования можно осуществить путем замены ПБР (пускателя бесконтактного реверсивного) частотным преобразователем. При этом также можно произвести замену импульсного (дискретного) управления непрерывным (стандартным токовым сигналом), если это осуществимо без значительных затрат на переделку/перенастройку регулятора (контроллера). Особенности частотного управления. Принцип частотного метода регулирования скорости АД заключается в том, что, изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением (1) при неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора. ω0 =

2πf1 p

(1)

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью. Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения АД, поэтому потери мощности при регулировании невелики. Помимо регулирования частоты питающего напряжения необходимо также регулировать и его амплитуду, чтобы снизить потери мощности и не допустить перегрева АД. При постоянстве момента на валу во всем диапазоне оборотов (а это применимо к упомянутому регулирующему органу) напряжение должно иметь амплитуду в соответствии с выражением (2), где const определяется из номинального режима работы АД. 228

U1 =

f1 const

(2)

АД малой мощности (как в МЭО), по сравнению с АД большой мощности имеют ощутимую потерю мощности в активном сопротивлении обмоток статора. Это необходимо учитывать при определении амплитуды питающего напряжения МЭО. Определяется данная потеря по закону Ома и, в соответствии с изложенным, выражение (2) примет вид (3), где r активное сопротивление обмотки статора (каждой из двух фаз), а I0 - ток фазы в номинальном режиме работы АД. U1 =

f1 + I0r const

(3)

Однофазный МЭО по сути является двухфазным. Вторая фаза получается за счет фазосдвигающего конденсатора в конструкции (схеме) механизма. С учетом всех требований можно получить формулы для определения мгновенного напряжения фаз в зависимости от частоты (4, 5). U1ф1 ( f1 , t ) =

f1 cos(2πf1 ) + I 0 r const

(4)

U1ф 2 ( f1 , t ) =

f1 sin( 2πf1 ) + I 0 r const

(5)

Выбор функциональной схемы преобразователя. В качестве преобразователей "напряжение - частота", обеспечивающих условие (2), в последнее время применяются два типа схем. Оба типа состоят из сетевого выпрямителя, промежуточного контура постоянного тока и преобразователя постоянного тока в переменный (инвертора), рисунок 1. На рисунке 1, а показан преобразователь, получивший наименование Uпреобразователя с изменяемым напряжением в промежуточном контуре. В этой схеме напряжение сети сначала преобразуется в постоянное, а затем в следующем звене оно превращается в напряжение постоянного тока изменяемой величины. Конденсатор в промежуточном контуре служит энергонакопителем. Инвертор распределяет напряжение постоянного тока в форме блоков на фазы двигателя. Напряжение и частота вращения устанавливаются раздельно. Примененный в схеме конденсатор замедляет изменение напряжения, что отрицательно влияет на динамику привода. На рисунке 2, б показана схема U-преобразователя с жестко установленным напряжением в промежуточном контуре. В этой схеме U-преобразователь с широтноимпульсной модуляцией регулирует и частоту и амплитуду питающего напряжения. Величина напряжения регулируется соотношением ширины импульса и паузы (рисунок 2). Схема, изображенная на рисунке 2, б более универсальная и простая в реализации, учитывая то, что управляться ключи будут микроконтроллером. Дополнительные возможности. МЭО в своем составе имеет датчик положения вала, которое прямолинейно или по некоторой зависимости соответствует реальному положению рабочего органа (а по сути и регулируемой величине). Поэтому в преобразователь можно заложить функцию вывода реального значения регулируемой величины. Полный рабочий ход МЭО почти никогда не используется и это можно учесть при формировании сигнала о реальном значении регулируемой величины. Пусть направление изменения регулируемой величины соответствует изменению сигнала датчика МЭО и выходной сигнал изменяется в пределах 4-20 мА. Тогда значение сигнала в произвольный момент времени будет определяться (6), где Дт - текущее значение сигнала датчика, Дн - значение сигнала датчика при срабатывании начального (нижнего) конечника МЭО, Дк - значение сигнала датчика при срабатывании конечного (верхнего) конечника МЭО.

229

Рисунок 1 – Варианты функциональных схем с частотными преобразователями а - преобразователь U с регулируемым напряжением промежуточного контура; б преобразователь U с нерегулируемым напряжением промежуточного контура; СУ - система управления; D - двухфазный электродвигатель

Рисунок 2 – Графики напряжения и длительности импульсов на выходе преобразователя I=

Дт − Дн ×16 + 4 Дк − Дн

(6)

Поскольку в данном выражении все величины возможно получить от датчика (крайние значения снимаются при срабатывании конечников), то на преобразователе можно реализовать функцию автонастройки: как получения точной зависимости (6), так и выставления пределов с целью дальнейшего использования. Реализация функции "формирования выходного сигнала" позволяет использовать в качестве управляющего непрерывный сигнал (вместо импульсного управления). В этом случае комплекс "частотный преобразователь - МЭО" предстает уже в виде замкнутой следящей системы. В случае применения не простого сетевого выпрямителя, а с корректором коэффициента мощности, можно устранить влияние перепадов напряжения сети на режим работы МЭО.

230

УДК 621.313 СПОСІБ БЕЗДАТЧИКОВОГО КЕРУВАННЯ АСИНХРОННИМИ ДВИГУНАМИ З ВИКОРИСТАННЯМ СТРУМУ НУЛЬОВОЇ ПОСЛІДОВНОСТІ Козакевич І.А., асистент (ДВНЗ «Криворізький національний університет», м. Кривий Ріг, Україна) Бездатчикове векторне керування [1] асинхронними двигунами передбачає відсутність будь-яких датчиків на валу та всередині машини, використовуючи оцінювання відповідних змінних стану приводу на основі математичної моделі. При цьому більшість існуючих способів бездатчикової оцінки базуються на використанні ідеалізованої математичної моделі асинхронного двигуна, що призводить до суттєвих проблем при роботі на низьких частотах обертів. Саме через це для синтезу систем з широким діапазоном керування є необхідність застосовувати оцінювання з використанням анізотропних властивостей двигуна. У літературі [2] представлено спосіб діагностики несправностей двигуна на основі аналізу струму нульової послідовності для випадку з’єднання обмоток двигуна у трикутник. Тому є доцільним проаналізувати можливість використання струму нульової послідовності для аналізу положення вісі анізотропії асинхронного двигуна. Розширення діапазону керування частоти обертання бездатчикових приводів можливе лише за рахунок покращення характеристик способів оцінювання потокозчеплення та частоти обертів ротора двигуна при роботі на частотах обертів, що є близькими до нуля. Модель ідеалізованого асинхронного двигуна не здатна задовольнити цим вимогам. Способи бездатчикової ідентифікації, що базуються на анізотропних властивостях машини, передбачають введення високочастотної напруги або тестових векторів до основної напруги, що живить двигун. При цьому аналізується струмовий відгук на введену додаткову напругу та визначається положення вісі анізотропії. Оскільки у двигунів, обмотки яких з’єднано у трикутник, наявність анізотропій призводить до появи струму нульової послідовності, то слід дослідити можливість використання цього сигналу для бездатчикової оцінки невимірюваних змінних стану. Рівняння електричної рівноваги статорних ланцюгів асинхронного двигуна можуть бути записані так: v A = LσA

di A dψ A ; + i A RA + dt dt

(1)

vB = LσB

diB dψ B ; + iB RB + dt dt

(2)

vC = LσC

diC dψ C , + iC RC + dt dt

(3)

де v A , vB , vC – напруги живлення обмоток двигуна; i A , iB , iC – фазні статорні струми; LσA , LσB , LσC – індуктивності розсіяння обмоток; RA , RB , RC – активні опори обмоток; dψ A dψ B dψ C , , – протиЕРС двигуна. dt dt dt Неоднорідність асинхронної машини, що викликана наявністю насичення сталі або наявністю дискретних роторних стержнів призводить до змін індуктивностей розсіяння в залежності від положення вісі відповідної анізотропії. Допускаючи припущення щодо синусоїдального характеру модуляції індуктивності, що створюється анізотропією, можемо записати:

231

0  la (t ) 0  L =  0 lb (t ) 0 ;  0 0 lc (t )

(4)

la (t ) = l0 + lан cos 2θ ан ;

(5)

2π   lb (t ) = l0 + lан cos 2θ ан − ; 3  

(6)

2π   lс (t ) = l0 + lан cos 2θ ан + ; 3  

(7)

де L – матриця власних індуктивностей машини, l0 – постійна складова індуктивності обмоток машини, lан – складова індуктивності обмоток, що модулюється наявністю анізотропією машини, θ ан – положення вісі анізотропії відносно вісі обмотки А двигуна. V3 V2 З метою визначення положення вісі анізотропії використовується введення високочастотного сигналу до напруги статора двигуна або використання тестових векторів. Введення високочастотного сигналу є V1 небажаним з точки зору виникнення додаткових втрат V4 енергії, виникнення акустичних шумів та поява пульсацій електромагнітного моменту. Тому більш раціональним рішенням є введення двох тестових векторів на періоді широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Оскільки у V6 V5 більшості сучасних частотно-керованих приводах застосовується автономний інвертор напруги, то доцільно Рисунок 1 – Тестові вектори використати в якості тестових векторів ті, що напруги відповідають базовим векторам схеми. Такі вектори представлені на рис. 1. Знаходження положення вісі анізотропії не викликає жодних ускладнень за умови, що у виміряних значеннях індуктивності розсіяння спостерігається вплив лише однієї анізотропної властивості. Але виконання цієї умови є досить складним для реальної асинхронної машини, що має дві значні анізотропні властивості: та, що пов’язана зі зміною індуктивності внаслідок насичення сталі під впливом основного потоку, а також та, що пов’язана з наявністю на роторі дискретних стержнів. Для зменшення впливу стержнів ротора на роботу машини передбачено використання скошених пазів, але, як показують дослідження [3], це не дозволяє знизити модуляцію до рівня, на якому можна було б знехтувати нею. Зміна індуктивності розсіяння за умови одночасного впливу анізотропії, що пов’язана з насиченням, та анізотропії роторних стержнів може бути записана так:

(

)

LσA = Lσс + Lσн cos(2ωнt ) + Lσрс cos nω рсt + ϕ0 ;

(8)

2π  2π    + ϕ0  ; LσB = Lσс + Lσн cos 2ω н t −  + Lσрс cos nω рс t − 3 3    

(9)

2π 2π     LσC = Lσс + Lσн cos 2ω н t + + ϕ0  ,  + Lσрс cos nω рс t + 3 3    

(10)

де Lσс – середнє значення індуктивності розсіяння, Lσн – складова індуктивності розсіяння, що модулюється наявністю анізотропії насичення машини, Lσрс – складова індуктивності розсіяння, що модулюється наявністю роторних стержнів машини, ω н – частота обертання вісі анізотропії, що викликана наявністю анізотропії насичення, що відповідає частоті 232

обертання поля машини, n – кількість роторних стержнів машини, ω рс – частота обертання ротора двигуна, ϕ 0 – початковий кут положення анізотропії, що пов’язана з наявністю роторних стержнів. Розглянемо рівняння стану асинхронного двигуна при прикладанні тестового вектора V1 . Еквівалентна схема системи зображена на рис. 3. Систему рівнянь можна записати так:

TШІМ A B

diab  Vпост = Eab + Lσab dt ;  dibc  ; 0 = Ebc + Lσbc dt  dica  − Vпост = Eca + Lσca dt . 

а)

V1V4

V3V6

V5V2

(11)

Струм нульової послідовності для такого випадку можна виразити з системи (11) таким чином:

TШІМ A

di0 Vпост Vпост E ab E E = − − − bc − ca dt Lσab Lσca Lσab Lσbc Lσca

. (12)

B C

б) Рисунок 2 – Форма сигналів керування інвертором без введення тестових векторів (а) та з введенням тестових векторів (б)

di0 ≈ Vпост dt

При роботі в зоні низьких частот обертів протиЕРС двигуна є малою у порівнянні з напругою ланки постійного струму інвертора, тому нею можна знехтувати: di0 Vпост Vпост = − . dt Lσab Lσca

(13)

Підставивши (8)-(10) в (13) маємо:

π π    − 3 Lσн sin  2ωнt +  − 3 Lσрс sin  nω рсt + + ϕ0  3 3    = Lσс 2

 π π    = k  Lσн sin  2ωнt +  + Lσрс sin  nω рсt + + ϕ 0   3 3    

(14)

Таким чином, рівняння (14) доводить, що сигнал похідної струму нульової послідовності представляє собою суму двох складових: перша модулюється анізотропією насичення π  Lσн sin  2ω н t +  , 3 

а друга – наявністю дискретних роторних стержнів Lσрс sin nω рс t + + ϕ 0  . При 



цьому актуальною є проблема розділення цих складових для створення можливостей окремого оцінювання положення ротора двигуна та напрямку основного потоку. З метою аналізу була складена дискретно-польова модель у середовищі Ansoft Maxwell 3D. Результати моделювання роботи системи представлені на рис. 4-5. З них видно, що при роботі на низьких частотах обертів похибка оцінки величини частоти обертів досліджуваним способом не перевищує 3%. Проведене дослідження підтвердило можливість використання сигналу струму нульової послідовності для визначення положення вісі анізотропії і, як наслідок, положення вектора основного потоку машини або ротора двигуна в залежності від характеру анізотропії. При цьому для досягнення задовільних характеристик щодо точності оцінки невимірюваних 233

змінних стану є необхідність застосування датчика похідної струму. Перевагою даного способу перед відомими є можливість застосування лише одного датчика замість трьох. В подальшому слід вдосконалити досліджуваний спосіб за рахунок покращення можливостей розділення впливу анізотропій різного типу. AH

датчик похІдної струму

Eab

Vпост

Lσab iab B

ica

Ebc

Lσca

Lσbc

~E ibc

Рисунок 3 – Схема заміщення системи частотно-керованого приводу при прикладанні тестового вектора V1

Рисунок 4 – Графік сигналу завдання частоти обертів двигуна та оцінка частоти обертів, отримана за допомогою досліджуваного способу

Рисунок 5 – Графік кута повороту ротора двигуна, отриманий досліджуваним способом

Перелік посиланнь 1. Vas P. Sensorless vector and direct torque control. – Oxford: Oxford University Press, 1998. – 356 p. 2. Gyftakis K.N., Kappatou J.C. The zero-sequence current as a generalized diagnostic mean in Δ-connected three-phase induction motors // IEEE Transactions on Energy Conversion, vol.29, №1, 2014. 3. Пересада С.М., Дымко С.С. Прямое векторное управление моментом асинхронных двигателей с максимизацией соотношения момент-ток // Электромеханические и энергосберегающие системы. – Кременчук: КрНУ, 2011. – Вип 3/2011 (15). – С. 16-20. 234

УДК 621.313 СОЛНЕЧНОЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ ЛОКАЛЬНОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ Коробко С.В., студент; Чашко М.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Красноармейский индустриальный институт», г. Красноармейск, Украина) Работа посвящена применению солнечной батареи для электропитания дачи, фермы и т.п. В настоящее время в мире развивается применение возобновляемых источников энергии, главным образом солнечных батарей и ветрогенераторов, для замены традиционного электропитания от централизованных источников по линиям электропередач [1]. Особенностями солнечных батарей является зависимость от внешних условий (положения солнца над горизонтом и наличия облачности), сравнительно невысокое выходное напряжение, постоянный ток на выходе. Они обусловливают необходимость применения в системах питания аккумулятора и электронных регулирующих устройств. Ц е л ь р а б о т ы – предложить устройства, обеспечивающие электропитание локального объекта от солнечной батареи. Материалы и результаты исследования. Исходные положения таковы. С о л н е ч н а я б а т а р е я является источником тока, значение которого зависит от потока света. Батарея выполнена из элементов, соединенных последовательно в ветви – для получения достаточного выходного напряжения, а ветви соединены параллельно – для получения достаточного тока. Напряжение выходное батареи не может быть очень высоким во избежание пробоя солнечного элемента на подложку. Ограничений же по суммарному току нет – количество параллельных ветвей может быть как угодно большим. Л о к а л ь н ы й о б ъ е к т содержит потребители электроэнергии: освещение, нагрев и охлаждение, насосы и вентиляторы, сравнительно удаленные объекты, например, флигели, птичники и т.п. На основании изложенного предложены схемы согласования солнечной батареи и электропотребителей. Для освещения, нагрева и охлаждения применено напряжение однофазного переменного тока стандартного значения, например, 220 В. Для возможности применения обычного оборудования, рассчитанного на это напряжение. Непосредственным источником энергии должна стать аккумуляторная батарея, постоянное напряжение которой преобразуется в переменное напряжение промышленной частоты и стандартного значения. Электрическая схема устройства представлена на рис. 1.

dc/dc

dc/ac

AБ

CБ

Рисунок 1 – Устройство преобразования энергии солнечной батареи.

235

Ориентировочное значение напряжения, на которое следует выбирать аккумулятор и полупроводниковые преобразователи, определяются из следующих соображений. Амплитудное значение первой гармоники напряжения вида прямоугольных знакопеременных импульсов длиной половина периода [2, с.551]

U1 A = 4U АБ π ,

(1)

где U1A – амплитуда 1й гармоники выходного напряжения инвертора, В; UAБ – напряжение аккумуляторной батареи, В, Относительно действующего значения

U 1 A = 2U Д ,

(2)

где UД – действующее значение выходного напряжения инвертора, В. Отсюда следует, что UАБ ≈ 1,1 UД. В частности, для напряжения 220 В необходимое напряжение батареи составляет приблизительно 250 В. Следующая группа потребителей – ирригация и отдаленные объекты. Их особенности в применении трехфазных электрических двигателей стандартного напряжения и частоты, например, 380 В 50 Гц, а для передачи электроэнергии на расстояние целесообразно применить более высокое напряжение – для уменьшения потерь при передаче. Непосредственным источником энергии также является аккумуляторная батарея, заряжаемая от солнечной батареи. Напряжение батареи преобразуется в трехфазное напряжение промышленной частоты и стандартного значения. Электрическая схема устройства представлена на рис. 2.

CБ

dc/dc

dc/ac

AБ

Рисунок 2 – Преобразование солнечной энергии в 3-х фазное напряжение. Она содержит солнечные батареи СБ, dc/dc конверторы каждой батареи, аккумулятор АБ, инвертор. При работе устройства конверторы повышают напряжение солнечной батареи до значения, обусловленного стандартным напряжением переменного тока. Этим напряжением заряжается аккумулятор. Инвертор преобразует напряжение аккумулятора в трехфазное переменное. Напряжение аккумулятора определяется амплитудным значением линейного напряжения, так что

U АБ = 2U Д . 236

(3)

Например, для напряжения переменного тока 380 В UАБ приблизительно 540 В. Ток, на который должны быть рассчитаны полупроводниковые ключи, определяется мощностью нагрузки. Он может быть определен по формуле

I ПП = РН 3U АБ ,

(4)

где IПП – среднее значение тока полупроводниковых ключей, А; РН – мощность на выходе инвертора, Вт. П л о щ а д ь С Б определяется из следующих соображений. Плотность солнечного излучения 1 кВт/м2. КПД промышленного солнечного элемента 16%. Тогда площадь СБ

S СБ =

РН , η СБ ПС γ

(5)

где ηСБ – КПД СБ, 16%, ПС – плотность солнечного излучения, кВт/м2, γ – относительная продолжительность солнечного времени в течение суток. Для мощности нагрузки 10 кВт и продолжительности солнечной части суток 12 часов необходимая площадь солнечной батареи ≈ 130 м2. Это приблизительно площадь наклонной крыши дома периметром 10х10 м. О б ъ е м а к к у м у л я т о р а . Емкость аккумулятора определяется мощностью нагрузки и интервалом времени, в течение которых солнце не освещает СБ. Если аккумулятор отдает энергию в течение t часов с нагрузкой РН, необходимый объем аккумуляторной батареи

VAБ = PH t pV ,

(6)

где VАБ – объем аккумулятора, м3; t – длительность работы батареи между зарядами, час; рV – удельная емкость аккумулятора, кВт·ч/м3. Например, при нагрузке РН=10 кВт, t = 12 час и рV= 80 кВт·ч/м3 [3], VАБ = 1,5 м3, что составляет менее 1% от объема дома указанного выше периметра. В ы в о д ы . Современная полупроводниковая техника и схемотехника обеспечивают электропитание солнечной энергией объекта, удаленного от магистралей электропередач. Площадь солнечной батареи, размещенной на крыше дома, достаточна для обеспечения электропотребителей локального объекта. Необходимый объем аккумуляторной батареи составляет незначимую величину в объеме строения. Перечень ссылок 1. Каргиев М. В. Распределенная генерация энергии с использованием возобновляемых источников энергии/ Каргиев М. В. // Еnergy fresh, 2010, № 1, С. 42 – 46. 2. Бронштейн И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов/ И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев– М.: Наука, 1981, -720 с. 3. Аккумуляторные батареи тяговые ТАБ. – http://www.zeus.ua/catalog/15/.

237

УДК 53.088 ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЯПРОЛЕТНОГО ТЕРМОАНЕМОМЕТРА Кузнецов Д.Н., доц., к.т.н.; Грюк В.И. студент (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Актуальность. Термоанемометры (ТА) нашли широкое применение для измерения скоростей газовых потоков. Они имеют высокую чувствительность в широком диапазоне измеряемых скоростей, просты в изготовлении, не содержат дорогостоящих элементов и имеют выходной электрический сигнал, не требующий дополнительного усиления. Однако существенным недостатком классических ТА постоянного тока и температуры является сильная зависимость их показаний от температуры потока газа, которая составляет 2..4 %/0С. Поэтому при выполнении измерений в неизотермических потоках показания ТА корректируют с помощью функции температурной компенсации, для определения параметров которой ТА предварительно должен пройти градуировку при различных температурах потока, что существенно усложняет процедуру градуировки и затраты на ее проведение. Таким образом, актуальной является проблема уменьшения температурной зависимости показаний ТА, что позволит упростить процедуру их градуировки и уменьшить затраты на ее проведение. Для разрешения поставленной проблемы авторами был разработан ТА, реализующий времяпролетный принцип измерения скорости потока, заключающийся в определении времени преодоления тепловой меткой известного расстояния. Целью работы является исследование времяпролетного ТА и оценка его метрологических характеристик. Датчик разработанного времяпролетного ТА состоит из двух параллельных вольфрамовых проволочек диаметром 5 мкм и длиной 5 мм, расположенных перпендикулярно потоку газа на расстоянии L=3 мм друг относительно друга (см. рис.1). Поток газа

Rt1

Rt2

v L

Рисунок 1 – Расположение чувствительных элементов датчика в потоке На первую проволочку Rt1 подаются импульсы напряжения, и она излучает тепловые метки, которые переноситься потоком газа и регистрируются при помощи второй проволочки Rt2. По времени запаздывания τ сигнала второй проволочки относительно первой определяют скорость потока v=

(1)

При этом на время распространения тепловых меток не влияет температура потока и его компонентный состав. Т.е. показания времяпролетного ТА будут инвариантны к изменениям температуры и состава потока. Функциональная схема разработанного времяпролетного ТА представлена на рисунке 2. Модуль микроконтроллера (МК) формирует сигнал нагрева заданной формы и частоты, который через цифроаналоговый преобразователь ЦАП и усилитель мощности УМ подается на первую проволочку Rt1 датчика ТА. Тепловые метки переносятся потоком и

238

регистрируются второй проволочкой Rt2, которая включена в измерительный мост термометра. Измерительный сигнал усиливается дифференциальным усилителем ДУ и через аналого-цифровой преобразователь вводится в модуль МК. Накапливаемые в результате измерений массивы данных передаются в персональный компьютер для цифровой обработки. Uоп

R1 R2 ЦАП

УМ

ДУ Rt2

Rt1

АЦП

yi xi

Модуль МК

ПК

Рисунок 2 – Функциональная схема времяпролетного ТА Авторами был изготовлен опытный образец времяпролетного ТА, реализующий описанный выше алгоритм функционирования. В качестве модуля МК использован стандартный микропроцессорный модуль Arduino Uno на базе микроконтроллера ATmega328. В состав данного МК входит 10-разрядный АЦП, однако нет встроенного ЦАП. Простейший ЦАП был реализован на базе 8-разрядного широтно-импульсного модулятора (ШИМ) с добавлением к выходу ШИМ RC-фильтра нижних частот первого порядка. В качестве исходного сигнала нагрева использовалось синусоидальное напряжение частотой 200 Гц с амплитудой и смещением 0,5 В. Частота дискретизации была выбрана равной 8 кГц. Экспериментально определено, что для уверенной регистрации слабого сигнала от воздействия тепловых меток на Rt2 коэффициент усиления дифференциального усилителя ДУ по напряжению должен составлять порядка 1000. В ходе экспериментальных исследований была выполнена градуировка разработанного ТА. Градуировка проводилась в аэродинамическом стенде АДС-200/250 в диапазоне скоростей от 1 до 4 м/с при температурах воздушного потока 25 и 40 0С. В каждой точке по скорости выполнялась регистрация исходного сигнала нагрева и усиленного принятого сигнала. Типовой вид этих сигналов приведен на рисунке 3. Из результатов видно, что принятый сигнал искажен шумами и сдвинут по фазе относительно исходного сигнала. Массивы измерительных данных накапливались и обрабатывались в компьютере. Для определения временного запаздывания принятого сигнала относительно исходного вычислялась корреляция сигналов Bxy (k ) =

239

1 n−k ∑ xi ⋅ y i + k . n − k i =1

(2)

где n – объем выборки (10000 точек), xi и yi – массивы дискретных значений исходного и принятого сигналов соответственно; k – взаимное смещение сигналов. Корреляция (2) вычислялась при различных смещениях k, строилась корреляционная функция (см. рис. 4) и определялось смещение kmax, соответствующее максимуму корреляционной функции. Исходный сигнал нагрева x(t)

Принятый сигнал y(t)

x(t), y(t)

100

t, мс

Рисунок 3 – Вид исходного и принятого сигналов Bxy(k) Bxy(0)

1.01

1.005

0.995 0

kmax

Рисунок 4 – Типовой вид корреляционной функции сигналов xi и yi В результате была найдена экспериментальная функция преобразования времяпролетного ТА – зависимость запаздывания τ от скорости воздушного потока v, представленная на рисунке 5. Из результатов следует, что с ростом скорости потока запаздывание τ стремиться не к 0, как ожидалось согласно формуле (1), а к некоторому значению τ(∞). Очевидно, это объясняется влиянием инерционности датчика и измерительных цепей ТА. Для аппроксимации экспериментальных данных градуировки ТА была предложена функция вида: B (3) τ (v ) = A + . v где А и В – постоянные коэффициенты Вычисление неизвестных коэффициентов А и В градуировочной функции (3) осуществлялось при помощи функции нелинейной регрессии GENFIT программы MathCad. В результате получили, что А=16,1 мс; В=14,8 мм. На рисунке 6 приведено распределение относительной погрешности аппроксимации по скорости потока в диапазоне исследуемых скоростей. Из результатов следует, что погрешность аппроксимации не превышает ±2 %.

240

Результаты экспериментальных исследований показали, что при изменении температуры потока с 25 0С до 40 0С функция преобразования не смещается, а значит, показания разработанного ТА инвариантны к изменениям температуры потока.

τ , мс 6

3 0

v, м/с

Рисунок 5 – Экспериментальная функция преобразования времяпролетного ТА

δ v ,% 1 0 -1 -2 0.5

1.5

2.5

3.5

v, м/с

Рисунок 6 – Распределение погрешностей аппроксимации в диапазоне скоростей Выводы: 1. Предложенное уравнение (3) градуировочной характеристики разработанного времяпролетного ТА обеспечивает аппроксимацию экспериментальных данных градуировки с относительной погрешностью по скорости не более ±2 %. 2. Показания времяпролетного ТА инвариантны к изменениям температуры потока газа, что позволяет выполнять его градуировку при произвольной температуре. Перечень ссылок 1. Кузнецов Д.Н., Чупис Д.Н., Руденко А.С. Исследование ниточного термоанемометра постоянной температуры при различных перегревах нити / Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: “Обчислювальна техніка та автоматизація”. Випуск №1(24). — Донецьк: ДонНТУ, 2013. — С.225–231.

241

УДК 621.31 ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ВЛИЯЮЩИЕ НА РАБОТУ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ Петлеванная Е.В., студентка; Левшов А.В., проф., к.т.н.

(ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина)

Введение. В современном мире, чрезвычайно актуален вопрос «зеленой энергетики». Делегаты Второго комитета 67-й сессии Генеральной Ассамблеи ООН приняли резолюцию об объявлении 2014–2024 годов Десятилетием устойчивой энергетики для всех. В резолюции «Содействие расширению использования новых и возобновляемых источников энергии» отмечается, что в настоящее время доля новых и возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе все еще невелика в силу, среди прочего, высокой стоимости соответствующих технологий. Генеральная Ассамблея ООН рекомендовала правительствам создавать благоприятные условия для популяризации и использования новых и возобновляемых источников энергии и более эффективного энергопотребления [1]. Ограниченность доступных ресурсов «традиционных» источников энергии, а также экологические проблемы их использования, позволяют судить о безусловной перспективности возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в ближайшем будущем. Одним из факторов, сдерживающих использования зеленой энергии, является более высокая стоимость конечной энергии, полученной на базе ВИЭ, по сравнению с традиционной энергией. Одним из наиболее из повсеместно доступных и перспективных ВИЭ является солнечная энергетика, позволяющая электрифицировать отдельные удаленные от электрических сетей объекты. Возможное решение по электроснабжению таких объектов представляется в виде использования фотоэлектрических модулей (ФЭМ). Однако в каждом конкретном случае необходимо технико-экономическое обоснование использования ФЭМ. Материалы и результат исследования. На всю поверхность Земли приходится около (0,85 - 1,2)×1014 кВт или (7,5 - 10)×1017 кВт×ч/год солнечного излучения (СИ). Средняя удельная величина СИ 250 Вт/м2 или 1752-2190 кВт×ч/м2×год. При этом диапазон удельного прихода СИ на Землю меняется от 170 до 1000 Вт/м2 или (17 – 100)×104 кВт×ч/км2 в зависимости от региона. Искусственные источники энергии, созданные человеком обеспечивают до 19 кВт/км2, что говорит об огромных возможностях СИ для удовлетворения потребностей человечества. Применительно к условиям Украины интенсивность СИ для различных её регионов (рис. 1). Основными факторами, влияющими на работу фотоэлектрического модуля является: интенсивность излучения, ориентация панели, температура окружающей среды, затемнение. Ориентация панели ФЭМ имеет весомое значение, так как количество солнечной энергии, поступающей на приемную площадку, определится соотношением

R(t ) = Rпр (t ) ⋅ cos ϑ °(t )

(1) 2

где R – интенсивность потока солнечного излучения на 1 м приемной площадки (Вт/м ); 2

Rпр – прямая мощность солнечного излучения (Вт/м );

ϑ ° – угол падения солнечного излучения по отношению к плоскости ФЭМ (град).

Для оценки влияния угла установки ФЭМ, рассмотрим случаи горизонтальной и наклонной приемной площадки на (рис. 2). Расчетный угол падения СИ

ϑ =θZ − β , где

ϑ ° Z - угол между направлением на солнце и вертикалью (зенитный угол); 242

(2)

β – угол наклона приемной площадки по отношению к горизонту: В случае а) β=0, т.е. ϑà = θ Z − β a = θ Z

(3)

В случае б) β>0, т.е. ϑá = θ Z − β á

(4)

Рисунок 1 – Потенциал солнечной энергии на территории Украины [2]

а)

б)

Рисунок 2 – Соотношение ϑ ° и ϑ ° Z для: а - горизонтальной приемной площадки, б - наклонной приемной площадки, α – высота (угол)солнца над горизонтом (α1= α2) [3] Очевидно, ϑа > ϑб на величину наклона β ФЭМ. Из этого следует, что в случае б) R(t)б> R(t)а.

Моделирование влияния теней произвольной формы на характеристики солнечных батарей (СБ) дает возможность оценить потери мощности при различных вариантах затенения. При частичном затенении одиночного элемента или их группы происходит снижение выходной мощности СБ вследствие уменьшения поступающей в элемент световой энергии и увеличения внутренних потерь энергии в неосвещенной части элемента. В [4] показана положительная роль шунтирующих диодов, они предохраняющих работу батареи, когда один из элементов полностью затенен (рис. 3). 243

Как и другие полупроводниковые приборы СЭ чувствительны к изменению температуры [5]. Параметром, наиболее подверженным изменению температуры, является напряжение холостого хода. Влияние увеличения температуры показано на следующем графике (рис.4).

а)

б)

Рисунок 3 – Моделирование затенения СБ: а – СБ из 18 СЭ с затененными фотоэлементами и шунтирующими диодами, б - сравнение ВАХ частично затененной и не затененной батареи [4]

Рисунок 4 - Влияние температуры на вольт-амперную характеристику (ВАХ) СЭ:1 – ВАХ при нормальной температуре в 300 К, 2 – ВАХ при повышенной температуре Напряжение холостого хода уменьшается с увеличением температуры из-за зависимости от I0 – тока холостого хода. Уравнение для I0 на одной из сторон СЭ записывается, как: Dni2 , I O = qA LN D

(5)

где q - заряд электрона; D - коэффициент диффузии неосновных носителей; L - диффузионная длина неосновных носителей; ND - коэффициент легирования; ni - собственная концентрация носителей. Многие из членов, входящих в это уравнение, зависят от температуры, но наиболее сильно эта зависимость проявляется для собственной концентрации носителей, ni. Собственная концентрация носителей зависит от энергии запрещенной зоны (чем меньше 244

ширина запрещенной зоны, тем выше концентрация) и от энергии носителей (чем выше температура, тем больше энергия). Уравнение, описывающее эти зависимости записывается так:  E ni2 = BT 3 exp − GO  kT

  ,

(6)

где T – температура; k – постоянная Больцмана; EGO - ширина запрещенной зоны; B - постоянная, не зависящая от температуры. Ток короткого замыкания при увеличении температуры, увеличивается незначительно, так как при уменьшении ширины запрещенной зоны увеличивается количество фотонов, способных создать электронно-дырочные пары [5]. Выводы. Представленные зависимости позволяют оценить влияние на работу фотопреобразователей различных внешних факторов и могут быть использованы для технической оценки эффективности их использования в системах электроснабжения. Перечень ссылок 1. Генассамблея ООН объявила 2014-2024 годы Десятилетием устойчивой энергетики http://alterenergy.in.ua/ru/news/16_10_2013.html 2. Атлас енергетичного потенціалу відновлювальних та нетрадиційних джерел енергіі України, Київ-2001. 3. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К., CОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: Учебное пособие для вузов / Под ред. В.И.Виссарионова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 4. Фролкова Н. О. Моделирование солнечных батарей на основе различных полупроводников: Автореферат, Москва 2011. 5. Электронный учебник http://pvcdrom.pveducation.org/RU/index.html

УДК 621.446 ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЦЕПИ С ЁМКОСТЬЮ, ИНДУКТИВНОСТЬЮ И НЕЛИНЕЙНЫМ РЕЗИСТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ Кордюков А.И., студент; Фёдоров М.М. проф., д.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Особенности переходных процессов в цепи с ёмкостью, индуктивностью и нелинейным резистивным элементом на примере подключения этой цепи к источнику постоянного напряжения (рис.1) Нелинейные сопротивления (н.с.) заданы вольтамперной характеристикой (ВАХ) (рис. 2) Вольт-амперная характеристика НС1 и НС2 аппроксимируется с помощью полинома 6 степени (1): (1)

245

Рисунок 1 – Подключение цепи RLС с нелинейным резистором к источнику постоянного напряжения

Рисунок 2 – ВАХ нелинейного резистора R Таблица 1 - Таблица коэффициентов Номер элемента НС1 НС2

-125.7 -3.6268

536.3 100.63

-918 -167.44

1063.2 246.97

-830.5 -133.3

373.8 56.891

-0.1 -0.0427

Линейный элемент имеет резистивное сопротивление равное . НС1 в интервале от 0 до 0.35 А имеет сопротивление больше , а на интервале от 0.35 А – меньше . НС2 в интервале от 0 до 0.6 А имеет сопротивление меньше , а в интервале от 0.6 А – больше . Переходные процессы в цепи RLС описаны системой уравнений (2)

246

(2) Расчёт переходных процессов осуществляется численным методом, согласно которому ток в момент времени определяется системой уравнений (3): (3) где: – ток на индуктивности и напряжение на конденсаторе в момент времени

;

– ток на индуктивности и напряжение на конденсаторе в момент времени

;

– приращение тока на индуктивности и напряжения на конденсаторе на промежутке времени ; Величину

выбираем из условия

, где:

– время переходного процесса в цепи R-L-С с линейным резистивным элементом, ; величина которого равна – Количество точек, равное . Величина

выбирается из условия

– предельный случай

апериодического процесса, в этом случае время переходного процесса формуле (4):

определяется по (4)

и напряжения на конденсаторе Для определения приращения тока воспользуемся системой дифференциальных уравнений цепи (3): (5) На каждом этапе величина определяется по ВАХ нелинейных элементов цепи. Использовав полученный алгоритм, были рассчитаны переходные процессы для двух случаев с нелинейным резистивным элементом и для одного случая с линейным резистором, которые приведены на рисунке 3 и 4. Выводы: Из результатов следует, что переходный процесс с НС1, у которого на первом этапе сопротивление больше 100 Ом имеет определённое приближение к колебательному процессу и переходный процесс заканчивается быстрее, так как на более поздних этапах его сопротивление возрастает. Для НС2 - картина противоположная. Переходной процесс имеет апериодический характер и длительность переходного процесса больше, чем при линейном сопротивлении, так как на поздних этапах сопротивление уменьшается.

247

Рисунок 3 – Графики изменения напряжения на ёмкости

Рисунок 4 – Графики изменения тока на индуктивности Перечень ссылок 1. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В. Основы теории цепей. – М.: Энергия, 1989.530 с. 2. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. – 9-е изд., перераб. и доп. – М.: «Высшая школа», 1996. – 638 с. 3. Программный пакет Mathlab 2013.

248

УДК 621.32 АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА ДЛЯ РАСТЕНИЙ Пихтарь О.В., студентка; Жарков В.Я., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Таврический государственный агротехнологический университет», г. Мелитополь, Украина) В настоящее время большое внимание уделяется снижению затрат на электроэнергию, поэтому предлагаем рассмотреть сравнения спектра излучения различных источников света для растений, тем самым выявить наиболее эффективные. Фотосинтез - это фотохимический процесс, при котором энергия света поглощается хлорофиллом и каротиноидами. Эта энергия используется для выработки сахарозы из углекислого газа (СО2), который поглощается листьями. Данный процесс можно представить следующим образом [1]: 6CO2 + 6H2O + световая энергия

С6Н12О6 + 6O2

(1)

Из этого следует, что важную роль в жизни растений и формирования фотосинтеза играет световая энергия. У растений за поглощение света отвечают специальные пигменты. Основные из них хлорофиллы (a, b), и каротиноиды. Хлорофиллы поглощают светло-синий и красный диапазоны, а каротиноиды - только синий диапазон. Пигменты с пиком чувствительности в красной области спектра отвечают за развитие корневой системы, созревание плодов, цветение растений. Пигменты с пиком поглощения в синей области отвечают за увеличение зеленой массы. Зеленая часть спектра излучения полезна для фотосинтеза плотных листьев и листьев нижних ярусов, куда синие и красные лучи почти не проникают. Другие части спектра растениями практически не используются. Таким образом, оптимальный состав излучения имеет следующее соотношение энергий по спектру [2]: 30% - в синей области (380-490 нм), 20 % - в зеленой области (490-590 нм), 50 % - в красной области (600 -700 нм). Рассмотрим спектры, которые воспринимает растение (рисунок 1).

Рисунок 1 – Спектры излучения, которые воспринимает растение

249

Хотя максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в "зеленой" области 550 нм (где находится и максимум чувствительности нашего глаза), поглощается хлорофиллом преимущественно синий и красный диапазон света из солнечного спектра, то есть длины волн 440-470 нм и 630-670 нм [2]. Цветной спектр, который излучает обычная лампа накаливания (рисунок 2). Максимальное излучение находится за пределами красной зоны, в области инфракрасного излучения (теплового). Лампы накаливания очень сильно нагреваются. Именно поэтому они могут нанести ожог листьям или попросту их высушить. Кроме этого, мощность светового потока от такой лампы является низкой, и ее недостаточно для нормального роста растения. У данного типа ламп наименьший коэффициент полезности по соотношению силы света приходится на ватт мощности.

Рисунок 2 – Спектр света, который излучает лампа накаливания Люминесцентные лампы - лампы дневного света (рисунок 3). В них световой поток необходимого спектра смещен в сторону синей составляющей спектра. Синий цвет, безусловно, хорош для прорастания. Красный же в данной лампе снижен. В них световой поток необходимого спектра смещен в сторону синей составляющей спектра. Мощность светового потока этой лампы значительно превышает лампы накаливания.

Рисунок 3 – Спектр излучения люминесцентной лампы В наши дни существуют специализированные люминесцентные лампы, например FLUORA (производитель OSRAM). Несмотря на то, что они выдают намного лучший спектр для растений, у них есть паразитный всплеск спектра четко зеленой составляющей, следовательно, эффективность уже далеко не 100 %. Кроме этого, данные лампы, как и все люминесцентные, склонны к истощению светового потока - деградации. Уже через 6 месяцев 250

работы в подобной лампе сила потока падает на 30 %, а через год-два - уже на 50 %. Поэтому возникает потребность в замене таких ламп каждые полгода-год. Стоимость специализированных ламп в 3-5 раз выше стоимости обычной люминесцентной лампы. Поэтому такие лампы можно диагностировать и ремонтировать, что сэкономит средства и облегчит проблему утилизации таких ламп [3,4]. Этому будет способствовать разработанный и запатентованный нами способ диагностики и ремонта электронного пускорегулирующего аппарата [4]. Сейчас постепенно внедряются светодиодные источники света, которые становятся неотъемлемой частью для развития растений (рисунок 4) [1,2].

Рисунок 4 – Спектр излучения светодиодных источников света Современные светодиоды перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра от красного до фиолетового цвета. Диапазон длин волн излучения светодиодов составляет [2]: в красной области спектра 620-635 нм, оранжевой - 610-620, желтой - 585-595, зеленой - 520535, голубой - 465-475, синий - 450-465 нм. Таким образом, составляя комбинации из светодиодов разных цветовых групп, можно получить источник света с практически любым спектральным составом в видимом диапазоне. Можно также использовать светодиодные лампы, которые легко устанавливаются в патрон Е27, и тем самым облегчить способ монтажа. С помощью светодиодных ламп каждое растение в теплице может подсвечиваться своим, "необходимым" цветом. Угол раскрытия в светодиодных тепличных светильниках от 100 до 130 градусов, а вот сама интенсивность освещения зависит от высоты подвеса лампы. Светильники, созданные специально для теплиц, отличаются, в первую очередь, антикоррозионной сталью, которая максимально устойчива к воздействию влаги. Поэтому применение светодиодных светильников в теплице будет полезно, как для потребителя, так и для растений.

Рисунок 5 – Использование светодиодных источников света в теплице

251

Производство электроэнергии в Украине постепенно уменьшается (рисунок 6), в том числе и за счет использования энергосберегающих источников света.

Рисунок 6 – Производство электроэнергии в Украине за 1990-2011 гг. Тем самым будет уменьшаться расход топлива на электростанциях, и, как следствие, уменьшаться дневные и вечерние пики нагрузок Объединенной Энергосистемы Украины и уменьшаться выбросы парниковых газов в атмосферу, способствующих потеплению климата на Земле [5]. Выводы. Сравнив спектры излучения различных источников света, можно сделать вывод, что в перспективе эффективными станут светодиоды, сегодня этому мешает их высокая цена. Использование светодиодных источников света в растениеводстве положительно влияет как на процесс формирования фотосинтеза растений, так и на экономию электроэнергии, что в свою очередь снизит дневной и вечерний пики нагрузки энергосистемы Украины и уменьшит выбросы парниковых газов в атмосферу. Применение светодиодных источников света для растений способствует улучшению фотосинтеза и имеет ряд преимуществ по сравнению с другими. Перечень ссылок 1. Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы/ И. Бахарев, А. Прокофьев, А. Туркин, А. Яковлев // СТА.- 2010.- № 2-С 5-7. 2. Гужов С. Концепция применения светильников со светодиодами совместно с традиционными источниками света/ С. Гужов, А. Полищук, А. Туркин // СТА. - 2008.- № 1-С 23-27. 3. Піхтарь О. В. Обґрунтування впровадження енергозберігаючих ламп для освітлення теплиці/О. В. Піхтарь, В. Я. Жарков// Збірник наукових праць Міжнародного семінару «Практичне природне землеробство: якість продукції, ефективність, перспективи». – Мелітополь: Люкс, 2013. – С. 301-305. 4. Патент 87588 Україна, МПК(2006) Н02М9/00, Н05В41/00. Спосіб діагностики і ремонту електронного пускорегулюючого апарата для живлення компактної люмінесцентної лампи / В.Я. Жарков, А.Я. Чураков, О.В. Піхтарь. – Заявл. 17.09.2013; Опубл. 10.02.2014.Бюл.№3. 5. Піхтарь О.В. Вплив заміни ламп розжарювання на енергоекономічні показники у деяких навчальних закладах нашого міста / О.В. Піхтарь, І.В. Коваленко, В.Я. Жарков // Матеріали науково-технічної конференції студентів та магістрантів Таврійського державного агротехнологічного університету. - Вип. ХІІ, т. ІІ Мелітополь: ТДАТУ, 2013.- С. 24-26.

252

УДК 621.316.9.064.2 ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОДНОФАЗНОГО УЗО Саенко С.А., студентка; Бершадский И.А., доц., д.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Развитие общества немыслимо без технического прогресса и совершенствования производственной сферы. Это, в свою очередь, обусловливает необходимость обеспечения безопасных условий на производстве с высокой степенью надежности, и с годами эта проблема становится все острее. Широкое использование электроэнергии во всех областях деятельности человека, неуклонный рост энерговооруженности труда, большое количество электроприборов в быту и на производстве повлекли за собой повышенную опасность поражения человека электрическим током. Электрический ток не имеет каких-либо физических признаков или свойств, по которым человек мог бы его ощущать органами чувств до момента контакта, что усугубляет его опасность для человека. Следовательно, работу по предупреждению электротравматизма следует вести путем изучения свойств и взаимосвязи всех элементов системы «человек – электроустановка – среда» с учетом их вероятностного характера и создания комплекса защитных мероприятий. Поскольку реальное значение сопротивления тела человека является величиной достаточно неопределенной и зависящей от многих факторов, для расчетной оценки опасности электропоражения в электроустановке принято использовать в качестве критерия опасности ток через тело человека, а не напряжение, приложенное к нему. Исследователями было установлено, что результат воздействия электрического тока на организм человека зависит не только от значения тока, но и от продолжительности его протекания, приложенного напряжения, пути тока через тело человека, частоты тока, формы кривой, коэффициента пульсаций и, в меньшей мере, от индивидуальных качеств человека, и других факторов. Сопротивление кожи во влажном состоянии крайне мало. При определении условий электробезопасности в электроустановке согласно ГОСТ 12.1.038-82[1], за расчетное значение сопротивления тела человека принимается 1000 Ом при приложенном напряжении 50 В и 6000 Ом при 36 В. Известно, что сопротивление внутренних органов человека не превышает 500..600 Ом. Результаты научных исследований воздействия электрического тока на человека изложены в многочисленных публикациях и послужили базой для существующих стандартов. Особого внимания заслуживают результаты фундаментальных исследований, выполненных в 1940 – 1950 гг. в Калифорнийском университете американским ученым Чарльзом Дальцилом. Профессор Ч. Дальцилл провел на большой группе добровольцев серию экспериментов по определению электрических параметров тела человека и физиологического воздействия электрического тока на человека[2]. Результаты его исследований считаются классическими и не потеряли своего значения до настоящего времени. На рисунке 1 графически представлена область предельно допустимых значений тока и длительности его протекания через человека, с вероятностью 99,5% не вызывающих фибрилляцию сердца (А – область недопустимых значений).

253

Рисунок 1 – Графическая интерпретация зависимости предельно допустимого нефибрилляционного (99,5%) тока от длительности его протекания через тело человека (А – область недопустимых значений) По Дальциллу граница областей допустимых и недопустимых значений тока через человека и длительности его протекания определяется выражением: I=

165 , T

где I – предельно допустимый ток через человека, мА; Т – длительность протекания тока через тело человека,с. Данное выражение Ч. Дальцилл считал справедливым лишь для интервала времени 0,03..3,0 с и для токов от 40 мА. Установленные ГОСТ 12.1.038-82[1] допустимые значения тока и длительности его протекания через тело человека примерно соответствуют выражению Ч.Дальцила. Данный стандарт устанавливает предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов для путей тока от одной руки к другой и от руки к ногам. Поражение человека происходит при совпадении двух факторов: вероятности того, что при прикосновении к электроустановке человек попадет под электрическое напряжение и вероятности того, что количество электричества (т.е. ток и длительность его протекания), проходящее через тело человека, превысит допустимое значение. Защитное отключение согласно классификации по ГОСТ Р МЭК 61140-2000[3] относится к категории мер защиты «Защита с помощью автоматического отключения источника питания» и осуществляет защиту человека от поражения в условиях неисправности электроустановки – повреждении или пробое изоляции электроустановки на корпус. В настоящее время защитное отключение является одним из наиболее эффективных электрозащитных средств. Устройство защитного отключения – современное, высокоэффективное, во многих случаях безальтернативное средство защиты человека от поражения электрическим током. УЗО также осуществляет защиту электроустановок от возгораний и пожаров, возникающих вследствие протекания токов утечки.

254

В основе действия защитного отключения, как электрозащитного средства, лежит принцип ограничения (за счет быстрого отключения) продолжительности протекания тока через тело человека при случайном непреднамеренном прикосновении к токоведущим частям электроустановок (прямом прикосновении) или при прикосновении к проводящим нетоковедущим элементам оборудования, оказавшимся под опасным потенциалом при повреждении изоляции (косвенном прикосновении). Из всех известных электрозащитных средств УЗО является единственным, обеспечивающим защиту человека от поражений электрическим током при прямом прикосновении к одной из токоведущих частей. Другим не менее важным свойством УЗО является его способность осуществлять защиту от возгораний и пожаров, возникающих на объектах вследствие возможных повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования. Результатом масштабного внедрения УЗО явилось отмеченное официальной статистикой во всех странах резкое, на порядок и более снижение травматизма. В настоящее время сотни миллионов УЗО успешно защищают жизнь и имущество граждан Франции, Германии, Австрии, Австралии и других стран от электропоражений и пожаров. Функционально УЗО можно определить как быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на разницу токов (дифференциальный ток) в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке. На кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий и городов» ДонНТУ планируется создание учебного лабораторного стенда «Устройство защитного отключения». На стенде используется однополюсное УЗО типа PFL6-16/1N/C/003. На лабораторном стенде выполняются работы по темам: 1. Изучение принципа действия УЗО; 2. Изучение технических параметров УЗО, характеризующих его качество и надежность; 3. Проверка отключения УЗО при воздействии различных отключающих дифференциальных токов; 4. Оценка быстродействия УЗО путем измерения времени срабатывания в различных режимах; 5. Оценка влияния тока нагрузки на точность работы УЗО; 6. Исследование работоспособности УЗО в составе электроустановки здания (выбор уставки УЗО в зависимости от значения «фонового» тока утечки); 7. Особенности применения УЗО в различных типах заземления систем (TN-S, TT, IT, TN-C-S, TN-C); 8. Исследование времятоковых характеристик УЗО под различной нагрузкой в режиме зануления; 9. Исследование времятоковых характеристик УЗО под различной нагрузкой в режиме заземления. Целью работы является изучение назначения, принципа действия, конструкции и основных технических характеристик устройства защитного отключения (УЗО). В время выполнения лабораторной работы проводятся исследования времятоковых характеристик УЗО под различной нагрузкой в режиме зануления и заземления. Работа выполняется на панели А, изображенной на рисунке 2. На панели А расположены: - двухполюсное устройство защиты от сверхтоков (автоматические выключатели с характеристикой В) «АВ1»; - УЗО типа PFL6-16/1N/C/003; - двухполюсное устройство защиты от сверхтоков (автоматические выключатели с характеристикой В) «АВ2»; - переключатель нагрузки «IН»; - регулятор дифференциального тока « I ∆ »; 255

- цифровой миллиамперметр для измерения дифференциального тока « I ∆ »; - электронный секундомер «ВРЕМЯ»; - кнопка запуска счета времени электронного секундомера «ПУСК»; - кнопка сброса показаний электронного секундомера «СБРОС»; - переключатель формы дифференциального тока «ДИФФ.ТОК»; - переключатель режима измерений «РЕЖИМ», вольтметр «UC», амперметр «IН».

Рисунок 2 – Панель «А» Результатами лабораторной работы должно быть изучение принципа действия УЗО, его технических параметров, проверка его быстродействия путем измерения времени срабатывания в различных режимах (заземление и зануление). Согласно полученным данным необходимо построить времятоковые характеристики УЗО под различной нагрузкой в режимах заземления и зануления (рис 3).

Рисунок 3 – Времятоковые характеристики УЗО А – характеристика УЗО типа S ( I ∆n = 300 мА), Б – обычное УЗО ( I ∆n = 30 мА) Перечень ссылок 1. ГОСТ 12.1.038-82 (Переизд. 2001 г.) ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов. 2. C. F. Dalziel Deleterios effects of electric shoc. Meeting of experts on electrical accidents and related matters. Geneva, 23-31 October 1961. 3. Монаков В. К. УЗО. Теория и практика. – М.: ЗАО «Энергосервис», 2007. 256

УДК 621.446 ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА И ЕЕ ПАРАМЕТРЫ Федченко Т.В., студент; Левшов А.В., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Известно несколько вариантов представления схемы замещения фотоэлектрического элемента: обобщенная (эквивалентная), с двойным экспоненциалом, упрощенная и идеализированная [1]. Наиболее рационально представляет реальный солнечный элемент, так называемая эквивалентная [2,3] схема замещения, показанная на рисунке 1. Составными элементами схемы является: источник тока, диод, шунтирующее RШ и последовательное RП сопротивления. Источник тока моделирует процесс возникновения в элементе фототока IФ под действием освещения. Диод включен в прямом направлен параллельно источнику тока. Под действием прямого смещения из-за наличия избыточных концентраций электронов в n – области элемента и избыточной концентрации дырок в его p – области через диод протекает некоторый ток IД. Шунтирующие сопротивления фотоэлемента RШ, возникает за счет наличия обратного сопротивления n – p – перехода и различных проводящих пленок или загрязнений на поверхности элемента, оно также включено параллельно источнику тока. Последовательное сопротивление RП включено последовательно с сопротивлением нагрузки RН, его составляют сопротивление контактов (главным образом переходное сопротивление полупроводник - метал) и сопротивление самого полупроводникового материала из которого изготовлен фотоэлемент (сопротивление каждой из p – и n – областей элемента. На этом сопротивлении будет теряться часть Э.Д.С., развеваемой фотоэлементом [3].

Рисунок 1 - Эквивалентная схема фотоэлемента Выражение для определения тока нагрузки [4]  q ⋅(U + I ⋅R )  Н Н П − 1 I Н = IФ − IО.Н ⋅ e А⋅k⋅T    

−

UÍ , RØ

(1)

где IО.Н – обратный ток насыщения; q – заряд электрона; k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура фотоэлемента; А – диодный фактор; UН – падение напряжение на сопротивлении нагрузки RН. Для нахождения параметров схемы замещения фотоэлемента требуются две вольт – амперные характеристики (ВАХ), такие как: световая (нагрузочная) и темновая ВАХ. На

257

рисунке 2 в одной системе координат представлены ВАХ для фотоэлемента. На нем сплошная кривая это нагрузочный участок световой характеристики (в квадранте–I); пунктирная кривая – темновая характеристика ( в квадранте–II обратная ветвь, в квадранте IV– прямая ветвь).

Рисунок 2 – Вольт – амперная характеристика ФЭ. Фотоэлемент изучают уже на протяжении длительного периода времени и разработали ряд методик, позволяющих на основании световой и темновой ВАХ солнечных элементов рассчитать значения параметров схемы замещения: RП, RШ, IО.Н и коэффициент А. Для нахождения последовательного сопротивления RП, используют часть световой характеристики, расположенной в I квадранте, и ее продолжение ( IV квадрант). Величина наклона этой прямой к оси токов характеризует последовательное сопротивление ФЭ. (смотри рисунок 3.б), RП =

∆U ПР ∆I ПР

(2)

где ∆U ПР и ∆I ПР измеряются в области, близкой к UX.X. RШ находим по обратной ветви темновой ВАХ, которая также представляет собой прямую линию. Степень наклона этой прямой к оси напряжений характеризует величину шунтирующего сопротивления фотоэлемента.(показано на рисунке 3.а ) RШ =

∆U ОБР ∆I ОБР

(3)

Обратный ток насыщения IО.Н, и коэффициент А находим по прямой ветви темновой ВАХ. Для этого воспользуемся темновой характеристикой диода и уравнением прямой в отрезках:

(

)

ln I Д + I О.Н = ln (I О.Н ) +

258

q ⋅U . A⋅k⋅T

(4)

Это уравнение применяется при расчетах только в случае больших токов (когда I Д >> I О.Н ), а также рекомбинационного механизма протекания обратного тока насыщения через n – p – переход[3]. Участок больших токов и напряжений (характерных для рабочей нагрузочной точки ФЭ) прямой ветви темновой ВАХ используется для построения зависимости ln I Д = f ( U ) . Тангенс угла наклона этой прямой равен

q A⋅k⋅T

(что позволяет рассчитать величину

параметра А), а отрезок, отсекаемый на оси ординат, дает значение определенной температуре).

ln I О. Н . (при

а) б) Рисунок 3- Обратная ветвь темновой и световой ВАХ Для фотоэлемента на базе монокристаллического кремния площадью 98см2 были найдены параметры схемы замещения, определенные по изложенной методике. В таблице 1 представлены результаты определения параметров схемы замещения. Таблица 1- Параметры схемы замещения экспериментального образца. RП (Ом)

RШ (Ом)

IО.Н (А)

0.0615

7.5

4.26 ∙10-3

3.5

В качестве световой характеристики использовалась зависимость полученная на заводе-изготовители при стандартных условиях(STK). Темновая ВАХ была получена экспериментально при помощи рекомендаций, которые изложены в [5]. Экспериментальный образец имеет следующие технические данные: ток короткого замыкания IКЗ=ISC=2850±25.6мА; напряжения холостого хода UХХ= =UOC=0.57±0.001В; 259

коэффициент заполнения FF=0.553±0.01; КПД фотоэлемента Eff=9±1.13%; напряжение при макс. мощности UМ=0.375±0.001; ток при макс. мощности IM=2390±25.6мА. На основании данных таблицы 1 была получена моделируемая характеристика фотоэлемента, которая отличаются от заводской в диапазоне напряжений U= 0.25 – 0.4 В приблизительно на 23% (показано на рисунке 4). Отклонение напряжения холостого хода моделируемой характеристики от заводской составляет ∆UХХ= 0.009 В. На рисунке 4 пунктирная кривая это заводская характеристика; сплошна кривая – моделируемая характеристика построенная на основе параметров схемы замещения (Таблица 1).

Рисунок 4 – ВАХ фотоэлемента Перечень ссылок 1. Левшов А.В., Федоров А.Ю. Математическое моделирование фотоэлектрических систем в Matlab/Simulink // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Електротехніка та енергетика» № 1 (14) – Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2013. – С. 153-158. 2. Глиберман А.Я., Зайцева А.К / Ред. П.А. Попов. Кремневые солнечные батареи. М – Л., Госэнергоиздат 1961. – 72С. 3. Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. М.: Наука, 1985, 280 С. 4. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 360С. 5. Лигачев В.А., Попов А.И. / Ред. А.И. Попов. Лабораторная работа “Спектральная чувствительность и вольт – амперная характеристика солнечного элемента” по курсу “Физика и технология приборов основе некристаллических полупроводников” - М.: изд-во МЭИ, 1999, − 15 С.

260

УДК 621.92 ОБГРУНТУВАННЯ КОНСТРУЮВАННЯ БАГАТОПОЛЮСНОГО СИНХРОННОГО ВІТРОЕЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА НА НЕОДИМОВИХ МАГНІТАХ Червонченко С.С., Прокопов Р.В., студенти; Жарков В.Я., доц., к.т.н. (ДВНЗ «Таврійський державний агротехнологічний університет», м. Мелітополь, Україна) Актуальність. Неодимові магніти стали ключовою технологічною розробкою, яка дозволяє сьогодні створювати прості та ефективні багатополюсні синхронні генератори (СГ). Теорія принципу взаємодії неодимових магнітів. Магнітне поле (МП), це розподіл силових магнітних потоків навколо магніту. Символ "В" використаний для характеристики інтенсивності області (рис. 1.). Найвища інтенсивність B буде в безпосередній близькості до магніту, силові лінії там розташовані ближче одна до одної. У МП завжди є два полюси: південний S і північний N. Для нашої мети застосовують магніти, різнойменні полюси яких розташовані симетрично щодо плоских поверхонь. Ілюстрація на рис. 2 показує як зміниться МП при зближенні магнітів і металевих предметів: ліворуч, коли є відстань між магнітом і залізною Рисунок 1 - Силові лінії МП пластиною; праворуч, якщо магніт з'єднати з навколо магніту пластиною, МП буде розподілятися по пластині, за рахунок цього з’являється можливість керувати МП і навіть посилювати їх. З підвищенням температури інтенсивність МП знижується.

Рисунок 2 – Взаємодія магнітного поля та магнітопроводу На рис. 3 видно, як змінюється МП двох паралельно розташованих магнітів. Якщо між магнітами розташовуються однойменні полюси, то відбувається взаємне відштовхування магнітів, силові лінії віддалені одна від одної (рис. 3,а). Якщо полюси різнойменні, то відбувається взаємне тяжіння (рис. 3,б), а при зближенні таких магнітів, силові лінії МП зближуються, і магнітна сила збільшується (рис. 3,в). МП, як сказано вище, кероване, і це є перевагою при проектуванні осьового генератора на постійних магнітах [1]. МП між поверхнями магнітів (зазор для внутрішнього статора), посилюється за рахунок двох факторів: перший - близьке розташування магнітів (силові лінії проходять близько одна до одної); другий - МП із зворотного боку магнітів переходить через залізну пластину до сусідніх магнітів. Іншими словами, якщо пластини ротора виготовити з немагнітного матеріалу, то загальна ефективність генератора знизитися приблизно вдвічі. Схематична конструкція дводискового ротора показана на рис. 4. 261

(а)

б)

в) Рисунок 3 – Взаємодія магнітних полів: а - магнітне відштовхування, б - магнітне притягування, в- магнітне поле при зближенні магнітів Залізо ротора Неодимові магніти Повітряний проміжок Неодимові магніти Залізо ротора Рисунок 4 – Магнітне поле дводискового ротора Таким чином, всі магніти в конструкції дводискового ротора взаємно доповнюють один одного. Щоб магнітні потоки замикалися, необхідно правильно розташувати магніти (як показано на рисунку 4: N-S-N-S… N-S), щоб отримати різноспрямовані магнітні осі [2]. Основні фізичні процеси. Магнітний потік (Ф) - це сума всіх магнітних силових ліній кола, що створюються джерелом МП (в нашому випадку - магнітом). Він аналогічний електричного струму в провіднику. Магнітна індукція В - щільність силових ліній МП, що проходить через одиницю площі поперечного перерізу магнітного кола (S), і аналогічна щільності струму у провіднику В=

Ф . S

(1)

Напруженість магнітного поля Н визначає магнітні потенціали в певних точках магнітного кола і залежить від величини магнітної індукції. Наприклад, в повітряному зазорі ,

(2)

- магнітна постійна, 4 π ×10-7 Гн/м. Різниця магнітних потенціалів UМ між певними точками магнітного кола аналогічна напрузі в електричному колі.

де

UМ = Н l,

(3)

де l - довжина магнітного кола між обраними точками. Магнітний опір Rм визначається за законом Ома аналогічно електричному опору R=U/I. Магнітна проникність матеріалу показує, у скільки разів збільшується магнітна індукція котушки при внесенні в неї осердя з цього матеріалу. При цьому у стільки ж разів

262

збільшується і індуктивність котушки. Магнітна проникність - величина не постійна і нелінійно залежить від величини магнітної індукції. При розрахунках магнітного кола враховуються магнітна проникність магнітопроводів, котрими є диски ротора, і їх геометричні розміри. Але із-за нелінійності магнітної проникності, що залежить також від сорту сталі ротора та інших параметрів, математичний розрахунок генератора виходить досить складним. Наведені вище параметри необхідні для розгляду особливостей конструювання СГ на постійних магнітах [3]. Потужність СГ, в першу чергу, залежить від кількості і енергії магнітів при певній частоті обертання ротора. Усі процеси необхідно розглядати при одній частоті обертання, наприклад, при орієнтованій середній частоті обертання ротора вітродвигуна. Чим більший діаметр дисків ротора, тим більша їхня лінійна швидкість руху і, як наслідок, більша швидкість зміни МП в котушках і більша ЕРС e генератора при інших рівних умовах e=

dФ . dt

(4)

Збільшення кількості магнітних полюсів обмотки статора при тій же частоті обертання ротора також збільшить швидкість зміни потоку, частоту і напругу змінного струму СГ. Збільшити МП в зазорах статора можна шляхом застосування такого ж типу магнітів більшого об’єму, що мають більшу енергію [1]. Для визначення енергії магнітів, що підлягають до використання, необхідно визначити їх загальний об’єм і питому енергію даного типу магнітів, тобто одного кубічного сантиметра в Джоулях. Мінімальна енергія неодимових магнітів 400 кДж/м3, а питома енергія, тобто енергія 1 см3, буде дорівнювати 0,4 Дж/см3 [1]. Якщо цей магніт за 1 секунду виконає роботу рівну 0,4 Дж, то його електрична потужність буде дорівнювати 0,4 Вт. Виходячи з цього, знаючи загальний об’єм магнітів V та прийнявши ККД генератора 0,5, можна орієнтовно розрахувати максимальну потужність проектованого генератора: Р=0,4*0,5*V [Вт]. Але потужність реального генератора залежить не тільки від енергії магнітів і частоти обертання ротора, а й від інших факторів, які простіше визначити дослідним шляхом. Генерування ЕРС в якірних обмотках. Далі перетворюємо сформоване МП в електричний струм. Для цього достатньо розмістити між магнітами якірну котушку з мідного проводу (статор) таким чином, щоб силові магнітні лінії (осі) проходили всередині якірної котушки. На рис. 5 схематично показана якірна котушка, зверху і знизу якої знаходяться магніти (умовно не показані) вже описаного дводискового ротора. Якщо обертати ротор, то напрям МП всередині котушки буде постійно змінюватися, що призведе до появи змінної ЕРС на кінцях котушки. Величина ЕРС (і ефективність генератора в цілому) залежатиме від частоти обертання ротора і від кількості витків в Рисунок 5 – Напрям котушці, а також від кількості самих котушок, діаметра мідного магнітного потоку у проводу та інших параметрів. котушці Якщо виготовити котушки з проводу малого діаметра, то в якірних котушках статора поміститися велика кількість витків, і, як наслідок, ЕРС на виході генератора буде дуже високою. При підключенні навантаження до такого генератора, напруга знизитися, оскільки провід малого діаметру не зможе забезпечити достатню силу струму. Ця ситуація буде супроводжуватися сильним нагрівом обмоток статора. Якщо виготовити обмотки з проводу великого діаметра, то в котушках статора поміститься обмежена кількість витків, в підсумку напруга на виході генератора буде низькою, але з високою здатністю навантаження. Завдання проектувальника - знайти 263

необхідний баланс параметрів, враховуючи умови експлуатації, такі як: передбачуване навантаження, середню швидкість вітру в регіоні, параметри вітроколеса [4]. Будова СГ на постійних магнітах. Конструкція запропонованого нами СГ (рис.6) складається з корпусу 1, що може бути встановлений як вертикально так і горизонтально, вихідного валу 2, що закріплений на підшипниках 3, закритих з обох сторін кришками 4 корпусу 1. На вихідному валу 2 дзеркально розташовані феромагнітні диски 5 ротора, з радіальними лініями, що утворюють парне число променів, на яких рівномірно по колу закріплені неодимові магніти 6 з чергуванням полюсів, розташованими один до одного різнойменними полюсами.

Рисунок 6 – Будова синхронного вітроелектрогенератора Між дисками 5 рухомого ротора з зазором розташований нерухомий статор 7, в площині статора перпендикулярно осі вихідного вала 2 залиті, наприклад, компаундом або епоксидною смолою, трапецієвидні обмотки 8 статора 7, з’єднані згідно послідовно. Кінці обмоток виведені на клемну коробку 9. Шпильками 10 статор 7 жорстко закріплений на корпусі 1. Вал вітроколеса 1 кінематично з’єднаний з вихідним валом 2 електрогенератора. Подана Заявка № а201400015 на корисну модель Безредукторний малопотужний вітроелектрогенератор, МПК F03D7/06, F03D1/06, який може бути використаний в запатентованій нами когенераційній ВЕУ [5]. Основні рекомендації з конструювання генераторів. Вибір деталей, розмірів та конструктивних рішень мають бути визначені до будівництва генератора з урахуванням наступних рекомендацій. 1. Відстань між сусідніми магнітами кожного ротора має бути як мінімум у півтора-два рази більше повітряного зазору, інакше між ними будуть замикатися по повітрю магнітні силові лінії, які повинні направлятися в котушки. Виходячи з цього, за кількістю призначених до установки магнітів визначається діаметр дисків ротора. 264

2. Диски ротора повинні бути з м'якої сталі (наприклад, сталь 3) і мати товщину, що виключає замикання силових ліній над ними по повітрю, тобто до них не повинні притягатися сталеві предмети з зовнішнього боку, що можна перевірити, прикріпивши кілька магнітів різнополярних і з заданою відстанню до відрізку листової сталі, призначеної для виготовлення дисків ротора. 3. Магніти рекомендується застосовувати сегментні [1], що мають мінімальне замикання силових ліній між ними по повітрю, але вони випускаються під встановлені розміри, що не завжди зручно для будови генераторів, тому краще використовувати прямокутні магніти, що зумовлено більшою площею взаємодії з котушками. Котушки сегментної форми для більшої кількості витків, з мінімальним омічним опором проводу, при тій же кількості витків і потокозчеплення порівняно з котушками іншої форми. 4. Замість поширеного методу приклеювання магнітів до дисків епоксидним клеєм, що істотно ускладнює реконструкцію і ремонт генератора, фіксувати їх кільцями з листового вологостійкого ізоляційного матеріалу товщиною 2...5 мм, в яких вирізані отвори для магнітів. Кільця кріпити до дисків гвинтами або іншим роз'ємним способом. 5. Кріплення дисків до валу вітродвигуна має передбачати усунення осьових биттів, плавне встановлення мінімальних зазорів між магнітами і котушками, а також перешкоджати зближенню протилежних магнітів на відстань, менше величини мінімального повітряного зазору, інакше роз'єднати їх буде дуже важко і можна пошкодити котушки статора. 6. Оптимальну величину повітряного зазору між магнітами ротора і кількість витків слід визначити дослідним шляхом [3]. 7. Діаметр проводу вибирають з розрахунку максимального струму споживання. Для таких котушок, з урахуванням умов їх охолодження, ПУЕ рекомендує щільність струму мідного проводу не більш 5 А/мм2. Для поліпшення охолодження внутрішні отвори котушок необхідно залишати відкритими, а їх покриття епоксидним клеєм повинно бути тонким. Ідеальною була б котушка, намотана тонкою мідною фольгою відповідного перерізу, покритої еластичним лаком або епоксидним клеєм з пластифікатором (наприклад, касторовою олією) і шириною рівною висоті котушки. 8. Для однофазного генератора кількість полюсів магнітів і котушок повинна бути однаковою і парною. Всі котушки статора з'єднуються послідовно, з чергуванням фаз, тобто незалежно від полярності МП, що проходить через котушки. 9. Для трифазного генератора кількість полюсів магнітів обирають кратним 4, а кількість котушок статора - кратним 3, всі котушки фази «А» з'єднують послідовно і синфазно, так само з'єднують і котушки фаз «В» і «С», виводи утворених обмоток кожної фази можна з'єднувати за схемами «зірки» або «трикутника». У цьому варіанті кількість котушок менше, ніж в однофазному, але для них більше місця, в результаті чого сумарна кількість витків статора виходить більшою, ніж в однофазному, при інших рівних умовах. Висновки. Рекомендації можуть бути використані для побудови безредукторної ВЕУ. Перелік посилань 1. Неодимовые магниты. Характеристики. [Електронний ресурс].- Режим доступу: http://tdm96.ru/?p=558 2. Журенков А.Н. Особенности конструирования генераторов для ВЭУ // Электрик. 2012. - №5.-С.62-65; №6.- С.44-47. 3. Вітрогенератор своїми руками. [Електронний ресурс].- Режим доступу: http://www.eveterok.ru/vefrogeneratory-dlia-nachinauhix-rezdel.php. 4. Чорненький В.А., Лучанінов В.Ю., Жарков В. Я. Розробка присадибної когенераційної вітроенергоустановки//Автоматизація технологічних об’єктів і процесів.Донецьк: ДонНТУ, 2013.- С. 300-303. 5. Пат. Україна 73286 МПК (2012.01) F03D9/00, F03D1/06 (2006.01), Н05В6/06. Присадибна когенераційна вітроенергоустановка/ В.Я.Жарков, В.Ю. Лучанінов, Д.М. Просвірін.- Опубл. 25.09.2012.- Бюл. №1. 265

УДК 621.446 МЕТОДЫ СОСТАВЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ РАЗВЕТВЛЕННОЙ СХЕМЫ Поляков Н.Е., студент (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Расчет и анализ переходных процессов основан на решении дифференциальных уравнений описывающих состояние электрической цепи. Для разветвленной электрической цепи важную роль играет метод составление характеристического уравнения. Допустим, имеется разветвлённая электрическая схема (рис.1)

Рисунок 1 - Исходная электрическая схема В момент коммутации подключается дополнительная шестая ветвь. Для расчёта переходных процессов требуется определить корни характеристических уравнений. С этой целью необходимо составить характеристические уравнения. Рассмотрим методы его получения на конкретном примере (рис.1). Система интегрально-дифференциальных уравнений описывающая состояние рассматриваемой электрической схемы при переходных процессах может быть получено с помощью законов Кирхгофа и имеет вид: +𝑖 1+𝑖 4-𝑖 3=0 -𝑖 1+𝑖 2+𝑖 3=0 -𝑖 3-𝑖 5+𝑖 6=0 𝑖 1𝑟1 + L1

1 di1 + C ∫ 𝑖 2dt - 𝑖 4𝑟4 = e1(t) - e4(t) 2 dt 266

(1)

𝑖 3𝑟3 + L3

1 di3 - 𝑖 5𝑟5 - C ∫ 𝑖 2dt =0 2 dt

𝑖 4𝑟4 + 𝑖 5𝑟5 + 𝑖 6𝑟6 = e4(t) + e6(t)

Составим систему уравнений для свободных составляющих. При этом принимаем во внимание, что свободные составляющие не зависят от внешних сил, поэтому ЭДС и токи источников равны нулю. Токи в произвольной k-той ветви равны 𝑖𝑘 = 𝐴𝑘 𝑒 𝑝𝑡 (𝐴𝑘 -постоянная интегрирования, 𝑝 -корень характеристические уравнения. Исходя из вышеизложенного напряжения на индуктивных элементах и емкостях соответственно равны. uL1св = L1 uL3 = L3

di1 св = L1pA1ept = pL1𝑖1св dt

di3св dt

= L3pA3ept=pL3𝑖3св

(2)

1 1 1 uC2 = C ∫ 𝑖 2свdt = C P A2ept = C P 𝑖2св 2

Тогда система уравнений для свободных составляющих будет иметь вид: 𝑖1св + 𝑖6св - 𝑖св = 0

-𝑖1св + 𝑖2св + 𝑖3св = 0 -𝑖3св - 𝑖5св + 𝑖св = 0

–

1 𝑖1св r1 + pL1𝑖1св + C2P 𝑖2св + 0 - 𝑖св r = 0

(3)

1 𝑖 + 𝑖3св r3 + pL3𝑖3св - 𝑖5св r5 = 0 C2P 2св 𝑖4св r4 + 𝑖3св r3 + 𝑖5св r5 = 0

Определитель системы уравнений (3) имеет вид:

∆(p) =

-1

(r1+ pL1)

1 C2 P

0 =0

(r3+ pL3) 0

(4)

Так как правая часть системы уравнений (3) равна нулю, то и определитель системы 𝛥(𝑝) = 0. После раскрытия определителя получаем характеристическое уравнение системы. Оно имеет вид: p3L1L3C2+p2C2(R2(L1+L3)+R1L3+R3L1)+p(L1+L3+C2R2(R1+R3)+R1+R3=0,

где R1=r1+

r4 r6 r4 + r6 + r5

267

(5)

r4 r5 r4 + r6 + r5

R2=

R3=r3+

r5 r6 r4 + r6 + r5

Полученное характеристическое уравнение третьего порядка, что соответствует количеству реактивных элементов исходной схемы. В результате получаем кубическое уравнение (третий порядок), что соответствует (5) и, следовательно после его решения имеем три корня. Недостатком известного вышесказанного способа является трудность раскрытия определителя высокого порядка, который имеет место для разветвлённых цепей. Ниже приводятся методы составления характеристических уравнений, в которых используется определитель более низкого порядка. На рис.2 приведена схема, составленная в соответствии с системой уравнений для свободных составляющих (3).

Рисунок 2 – Схема для свободных составляющих В приведенной схеме (рис.2) ключ k ставят в положение, занимаемое после коммутации (замкнутое), источники питания заменяют их внутренними сопротивлениями, индуктивности 1 представляем сопротивлениями в виде pL, а ёмкости C P . При применении метода 2 контурных токов (МКТ) имеем: 1 1 𝑖𝐼св (r1+ pL1+ P +r4) - 𝑖𝐼𝐼св P - 𝑖𝐼𝐼𝐼св r4 = 0 C2 C2 A

1 1 -𝑖𝐼св C P + 𝑖𝐼𝐼св(C P + r3+ pL3+r5) - 𝑖𝐼𝐼𝐼свr5 = 0 2 2 A

-𝑖𝐼св r4- 𝑖𝐼𝐼свr5+𝑖𝐼𝐼𝐼св(r4+r5+r6) = 0 268

(6)

Определитель полученной системы уменьшаем до третьего порядка, и он имеет вид: 1 (r1+ pL1+C P +r4) 2 A

∆(p) =

1 –C P 2 A

1 –C P 2

-r4 A

1 ( C P + r3+ pL3+r5) 2 A

-r4

-r5

(7)

(r4+r5+r6)

После его раскрытия получим характеристически теоретическое уравнение, совпадающее с ранее полученным.Полученный определитель уменьшился до третьего порядка и после его раскрытия получаем характеристическое уравнение, совпадающее с ранее полученным (5). Для получения характеристического уравнения можно воспользоваться и методом узловых потенциалов (МУП). Принимая φ4св=0 имеем: 1

φ1св(r1+ pL1 + r4 + r6) – φ2свr1+ r4 – φ3свr6 = 0 1

–φ1свr1+ pL1 + φ2св(r1+ pL1 + r3+ pL3 + C2p) – φ3свr3+ pL3 = 0 1

(8)

–φ1свr6 – φ2свr3+ pL3 + φ3св(r1+ pL1 + r5 + r6) = 0

Определитель полученной системы имеет вид: 1

∆(p) =

(r1+ pL1 + r4 + r6) 1

– r1+ pL1 1

– r6

– r1+ r4 1

(r1+ pL1 + r3+ pL3 + C2p) 1

–r3+ pL3

– r6

– r3+ pL3 1

(9)

(r1+ pL1 + r5 + r6)

Выводы: Таким образом, используя МКТ и МУП можно уменьшить порядок определителя и тем самым существенно облегчить полученное характеристическое уравнениеВ схеме для свободных составляющих можно осуществлять эквивалентные преобразования с целью получения более простых схем, например треугольник сопротивлений r4,r5 и r6 заменяем эквивалентной звездой сопротивлений. В этом случае схема будет иметь три ветви и два узла. При применении МКТ получим определитель второго порядка, а по МУП одно уравнение Перечень ссылок 1. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В. Основы теории цепей. – М. : Энергия, 1989.- 530 с.

269

Наукові, аналітичні та екологічні прибори і системи

Научные, аналитические и экологические приборы и системы

Special-Purpose Instrumentation and Controls Used in Research, Survey and Environment Protection Areas УДК 628.440 УДК 628.440 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОГО ШВА КОТЛА Реент А.В., студент; Рожков А.С., студент; Тарасюк В.П., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Паровые котлы, пароперегреватели, трубопроводы пара и горячей воды эксплуатируются в тяжёлых условиях, и на надежность их влияет множество факторов: механические свойства металла, неоднородность его структуры, наличие и характер остаточных напряжений, агрессивность среды, температура, длительность, эксплуатации и прочее. Необходимым условием, влияющим на надежность и безопасность котлов в период эксплуатации, является обеспечение при их изготовлении и монтаже сварных соединений, ибо дефекты в сварных швах уменьшают расчетное сечение шва и служат концентраторами напряжений [1]. Одновременное действие указанных факторов снижает работоспособность сварных соединений, а следовательно, может привести к повреждению или аварии. Дефектами заготовок и сборки изделий под сварку являются: расслоения, шлаковые включения и загрязнения на кромках; несовпадение стыкуемых плоскостей кромок; несоблюдение допусков на величину зазора между кромками и постоянство его по всей длине кромок при сборке; несоблюдение допусков по величине притупления кромок; несоответствие указаниям чертежа и инструкции по сварке угла скоса в стыковках сварных соединений с Х-, V - и U-об - разной разделкой кромок. Причинами этих дефектов являются несовершенство или неисправность приспособлений и оборудования, а также низкая квалификация рабочих, производящих механическую обработку. Выявленные дефекты следует устранить до сварки, чтобы они не привели к образованию дефектов сварки [2]. Изобретение относится к области ультразвукового контроля качества сварных швов котлов, в частности к контролю тонких сварных швов с ограниченной шириной поверхности ввода ультразвуковых колебаний вдоль швов, и может найти широкое применение в разных отраслях промышленности [3]. Способ ультразвукового контроля для определения диаметра сферических и цилиндрических дефектов котлов с помощью сдвиговых ультразвуковых волн, заключающийся в том, что излучают ультразвуковую волну в направлении дефекта, принимают и анализируют отраженный от него сигнал, измеряют интервал времени Δt между импульсом, отраженным от дефекта, и импульсом, полученным за счет сгибания дефекта ультразвуковой волной при ее двукратной трансформации на поверхности дефекта, и диаметр дефекта определяют по формуле:

270

, где - отношение скорости рэлеевской волны к скорости сдвиговой волны; Δt - временной интервал между импульсами. Указанный способ подходит для определения диаметра сферических и цилиндрических дефектов котлов, для получения информации о качестве сварного шва по всей его толщине имеет явное преимущество в том, что не зависит от толщины контролируемого шва, не требует дорогостоящей дефектоскопической аппаратуры, прост в настройке аппаратуры [3]. Однако способ имеет и свои недостатки: - предназначен только для определения диаметра; - не определяет глубины залегания выявленных дефектов в сварных швах котлов относительно поверхности ввода-приема ультразвуковых колебаний; - не определяет минимальных расстояний между дефектами (типа пор) в их цепочках по толщине сварного шва [3]. К дефектам монтажа относятся недоброкачественная сварка и попадание посторонних предметов в пароводяную систему котла. Появление свищей и разрывы стыков из–за некачественной сварки являются результатом неправильной разделки кромок стыка и его сборки, а также несоблюдения допусков и наличия непроваров. Технологические трещины, риски и расслоения металла, а также задиры на внутренней поверхности труб могут появляться при нарушении технологии изготовления, монтажа и ремонта котлов. В период эксплуатации котлов указанные дефекты приводят к образованию продольных разрывов труб. (Рис.1)

Рисунок 1 - Типичные случаи повреждения трубы из стали нижней радиационной части котла В сварных стыках труб, выполненных контактной сваркой на стыкосварочных машинах, встречаются дефекты в виде несплавления стыкуемых кромок, кольцевых трещин и перегрева прилежащего к стыку участка трубы из–за ускоренного развития ползучести, вызванной не удаленным внутренним гратом. Задачей является изучение возможности использования ультразвукового контроля сварных швов котлов малой толщины при ограниченной ширине поверхностей ввода акустических колебаний вдоль них, обеспечивающего получение технического результата, состоящего в следующем: 271

- ультразвуковой контроль сварных швов по всей их толщине; - определении глубины залегания выявляемых дефектов; - определении минимального расстояния между двумя соседними дефектами в их цепочке по глубине. Этот технический результат можно достичь за счет того, что - измеряется расстояние от дефекта до источника излучения ультразвуковых колебаний в направлении дефекта: - определяется глубина залегания выявленных дефектов относительно поверхности ввода-приема ультразвуковых колебаний по формуле:

, где hn - определяемая глубина залегания дефектов в толщине сварного шва относительно поверхности ввода-приема ультразвуковых колебаний; Ln - измеренное расстояние между дефектами и источником излучения ультразвуковых колебаний (точкой ввода этих колебаний); α - угол ввода ультразвуковых колебаний в контролируемый объект; n - натуральное число, обозначающее порядковый номер дефекта; - определяется минимальное расстояние ℓ между выявленными дефектами в их цепочке по толщине сварного шва по формуле:

, где: Ln-1 - измеренное расстояние между дефектами и источником излучения ультразвуковых колебаний (точкой ввода этих колебаний); dn - диаметр наибольшего из двух соседних дефектов. Такой способ иллюстрируется чертежами. На рисунке 2 представлены способы сканирования ультразвукового преобразователя, на фиг.1 - представлена схема ручного сканирования ультразвукового преобразователя вдоль шва, на фиг.2 - схема сканирования преобразователя при автоматизированном ультразвуковом контроле, на фиг.3 - схема, поясняющая принцип работы предлагаемого способа. На фиг.1, фиг.2, фиг.3: На рисунке обозначено: 1 - контролируемый сварной шов, 2 - одна свариваемая деталь, 3 - вторая свариваемая деталь, 4 - ультразвуковой преобразователь. На фиг.1: 5 - траектория, описываемая преобразователем 4 по поверхности детали 3, при ручном ультразвуковом контроле. На фиг 2: 6 - траектория, описываемая по поверхности детали 3 при автоматизированном ультразвуковом контроле. На фиг.3: 7 - ультразвуковая дефектоскопическая аппаратура, n и n-1 - дефекты, обнаруженные при ультразвуковом контроле, Ln и Ln-1 - расстояния соответственно между дефектами n и n-1 с одной стороны и точками ввода ультразвуковых колебаний (волн) с другой стороны, hn и hn-1 - глубины залегания соответственно дефектов n и n-1, a ℓ - расстояние между двумя соседними дефектами n и n-1. Способ осуществляется следующим образом. Вдоль шва по поверхности сварной детали 3 перемещают преобразователь 4 по схеме 5 ручного сканирования (см. фиг.1) или по схеме 6 автоматизированного сканирования (см. фиг.2) под углом а вводят в деталь 3 ультразвуковые колебания (см. фиг.3), которые проходят через сварной шов 1 и возвращаются обратно только при наличии дефекта. При обнаружении дефекта n-1 определяют его диаметр, например, по его отражательной способности (по величине максимальной амплитуды отраженного от него эхосигнала) или по прототипу изображения. Запоминают диаметр дефекта n-1. Измеряют расстояние Ln-1 (точки ввода ультразвуковых 272

колебаний в деталь 3) при максимальной амплитуде эхоимпульса от дефекта [2]. Результат измерения записывают в память дефектоскопической аппаратуры 7. Одновременно с записью величины Ln-1 в дефектоскопической аппаратуре определяют глубину залегания дефекта n-1 в сварном шве по формуле:

. Результат вычисления записывают в память дефектоскопической аппаратуры. Если дефект одиночный, запоминают его параметры: величину эквивалентности дефекта (диаметр) котла и глубину залегания его hn-1. В случае наличия еще одного или цепочки дефектов по глубине определяют диаметр следующего дефекта, запоминают его величину, измеряют расстояние его до источника ультразвуковых колебаний (точки ввода их в деталь 3) при смещении преобразователя к сварному шву 1 по схеме 5 ручного сканирования ультразвукового преобразователя 4 (точки ввода ультразвуковых колебаний в детали 3). В процессе ультразвукового контроля сварного шва 1 при поперечном (поперек шва) перемещении источника ультразвуковых колебаний (преобразователя 4) после выявления последующего дефекта и выполнения операций по определению его параметров: диаметра, расстояния до источника ультразвуковых колебаний, глубины залегания и запоминания их определяют расстояние между соседними дефектами швов котла по программе, заложенной в компьютеризированную дефектоскопическую аппаратуру 7 [3].

Рисунок 2 - Способы сканирования ультразвукового преобразователя

273

При выборе основных средств контроля сварных швов котлов, используют автоматизированный ультразвуковой контроль, который является наиболее распространенным способом неразрушающего контроля в промышленном производстве изделий различного назначения. В процессе автоматизированного ультразвукового контроля сварного шва 1 в программу аппаратуры 7 в конце контроля вводят операцию по определению цепочек пор, содержащих их в количестве не менее двух по глубине залегания в каждой цепочке, заключающуюся в том, что объединяются все дефекты со всеми их параметрами, выявленные в процессе контроля на одной и той же координате вдоль сварного шва 1 [2]. Результаты контроля сварного шва распечатывают на дефектограмме, выполненной в плане сварного шва со стороны поверхности ввода-приема ультразвуковых колебаний и в протоколе результатов контроля, в котором регистрируются одиночные дефекты с их параметрами: величиной диаметра, глубиной залегания, координатами по Х и Y в плоскости поверхности ввода-приема ультразвуковых колебаний и цепочки дефектов, где помимо параметров дефектов регистрируют величину расстояний между соседними дефектами цепочки [4]. Таким образом, предлагаемый способ ультразвукового контроля сварных швов позволяет не только определить параметры дефектов: их диаметр и глубину залегания по толщине шва, но и расстояние между соседними дефектами в цепочке пор, вытянувшейся по глубине (по толщине сварного шва), что позволяет более объективно произвести разбраковку сварного шва котла. Поэтому данный способ можно использовать как базовый при разработке электронной системы контроля состояния соединительного шва котла. Перечень ссылок 1. Способ ультразвукового контроля стыковых сварных швов. Иванов Эдуард Петрович, Чернов Сергей Сергеевич, Динисламов Риф Рафаэлович. Патент России №2395802, кл. G01N29/04. 2. Авраменко С.В. Компьютерная система мониторинга уровня жидкости в барабане котла/ С.В. Авраменко, В.П. Тарасюк// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація» - 2012. – Вип.. 22(200). – с. 135-143. 3. Технологические дефекты, возникающие при изготовлении, монтаже и ремонте котла <http://www.teplobr.ru/nadezhnost-raboty-kotelnogo-oborudovaniya/35-tehnologicheskiedefekty-voznikajushhie-pri.html> (на 03.04.14) 4. Авраменко С.В. Исследование математической модели распространения ультразвука в стенке барабана котла / С.В. Авраменко, В.П. Тарасюк// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація» 2013. – Вип.. 1(24). – с. 205-214. 5. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля /Под ред. И.Н. Ермолова. – М.Машиностроение, 1986. – 280с. с.178 6. Криворудченко В.Ф., Ахмеджанов Р.А. Современные методы технической дианостики и неразрушающего контроля деталей и узлов подвижного состава железнодорожного транспорта: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта/ Под ред. В.Ф. Криворудченко. – М.:Маршрут, 2005 – 436с. С67 7. Ермолов И. Н. Теория и практика ультразвукового контроля. - М: Машиностроение. 1981. - 240 с

274

УДК 621.3.088.7 СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ФАКТОРА НА МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВ Лактионов И.С., аспирант; Бурмистрова А. А., студент (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Общая постановка задачи исследования. С целью разработки агротехнических приемов по уходу за растениями, а также рациональных режимов полива, необходимо контролировать ряд параметров почвы, на которой они произрастают. Так как от этого, непосредственно, зависит экологическая и экономическая ситуация Украины. Одним из таких параметров является влажность почвы. Существующие методы измерения влажности почв разделяются на: прямые и косвенные. Наибольшее распространение получили измерители влажности почв, которые основаны на кондуктометрическом методе анализа. Данный факт обусловлен массогабаритными показателями измерительной аппаратуры и простотой методик измерения. Таким образом, возникает задача разработки и исследования средства измерительного контроля влажности почв. Постановка задачи исследования. Целью статьи является разработка способа повышения точности измерителя влажности почвы, за счет компенсации дестабилизирующего температурного фактора. Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи: 1) обоснован алгоритм компенсации дестабилизирующего температурного фактора; 2) проведены исследования по разработке способа уменьшения дополнительной погрешности; 3) выполнен анализ полученных результатов экспериментальных и теоретических исследований влияния температуры на точность определения влажности почвы кондуктометрическим методом. Решение поставленной задачи. На основании анализа литературы [1], за основу построения измерителя влажности почвы был принят кондуктометрический метод контроля. Одним из основных недостатков данного метода является дестабилизирующее влияние температуры на результат измерения влажности почв. В результате предварительных исследований [2] были определены рабочие диапазоны контролируемых величин: влажность почвы изменяется в диапазоне от 30 до 90 % и температура – от 10 до 30 °С. Максимально допустимая абсолютная погрешность измерения влажности почвы составляет 5 % [3]. В основу кондуктометрического метода анализа положена зависимость между удельным электрическим сопротивлением (УЭС) почвы и ее влажностью. Таким образом, влажность почвы определяется косвенным методом, путем непосредственного измерения УЭС. Проанализировав существующие средства измерения УЭС [1] установлено, что наиболее рациональным является использование четырехэлектродной измерительной установки, которая состоит и пары питающих (А и В) и пары измерительных (M и N) электродов. На основании проведенных исследований была разработана эквивалентная электрическая схема замещения четырехэлектродной измерительной установки, которая представлена на рис. 1.

Рисунок 1 – Эквивалентная электрическая схема замещения четырехэлектродной установки 275

Путем анализа схемы, представленной на рис. 1, получена формула для расчета УЭС почвы: ρ=

U MN ⋅ Rвн   l U ХХ − AB U MN  ⋅ K l MN  

(1)

где UMN – падение напряжения на измерительных электродах, В; Rвн – внутреннее сопротивление источника напряжения, Ом; UХХ – напряжение холостого хода источника сигнала, В; lAB – расстояние между питающими электродами, м; lMN – расстояние между измерительными электродами, м; K – коэффициент измерительной установки, м-1. Коэффициент измерительной установки вычисляется по формуле: K=

(1 l AM

− 1 l BM ) − (1 l AN − 1 l BN ) . 2π

(2)

На основании измеренного значения УЭС почвы может быть вычислена влажность по формуле [4]:

W =γ ⋅ρβ ,

(3)

где W – влажность почвы, %; ρ – удельное электрическое сопротивление почвы, Ом·м; γ, β – коэффициенты аппроксимации функции. На основании результатов предварительных исследований разработан макетный образец измерителя влажности почвы и проведены его лабораторные экспериментальные испытания. Макетный образец измерителя влажности почвы состоит из: 1) источника напряжения с Uxx=5 В и внутренним сопротивлением 190 Ом. Нестабильность величины внутреннего сопротивления источника составляет ±3 % в диапазоне изменения сопротивления нагрузки от 50 Ом до 1 кОм. Частота сигнала, генерируемого источником напряжения, равна 1 кГц. Форма сигнала – двухполярные прямоугольные импульсы, типа меандр. 2) блока детектирования падения напряжения между измерительными электродами (M и N), состоящего из: rms-to-dc преобразователя (конвертирует действующее значение напряжения в эквивалентное постоянное); цифрового вольтметра Unit UT71c с верхним пределом измерения 20 В, обеспечивающим погрешность измерения не более, чем ±(0,025 %+3). 3) измерительного канала (ИК) температуры, построенного на базе термоэлектрического преобразователя с предельной абсолютной погрешностью ±1 °С в диапазоне изменения температур от 0 до 70 °С. В ходе экспериментальных лабораторных исследований макетного образца средства измерительного контроля влажности почвы была снята его градуировочная характеристика. Данная характеристика была получена согласно предложенному алгоритму: − на основании методики, которая изложена в нормативном документе ГОСТ 28268-89 «Методы определения влажности, максимальной гигроскопической влажности и влажности устойчивого завядания растений» была установлена начальная масса (m0=1000±5 г) и соответствующая ей относительная влажность почвы (W0=5,0±0,3 %) [3]; − путем добавления дистиллированной воды, известной массы, изменялась относительная влажность исследуемого образца почвы в диапазоне от 30 до 90 %; − при каждом изменении относительной влажности почвы, с шагом ΔW равным 10 %, выполнялся замер падения напряжения между измерительными электродами кондуктометрической ячейки; − в условиях проведения эксперимента поддерживались постоянными: температура почвы – 20±1 °С; относительная влажность воздуха помещения лаборатории – 60±3 %. Полученная эмпирическая градуировочная характеристика и результат аппроксимации функцией (3) приведены на рис. 2. 276

t=20°С 200

ρ,Ом·м

150

100

W,% 100

Рисунок 2 – Градуировочная характеристика измерителя влажности почвы Путем аппроксимации экспериментальных данных, представленных на рис. 2, методом градиентного спуска были установлены коэффициенты уравнения (3): γ=7096, β=-1,08. Определены математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение абсолютной погрешности аппроксимации экспериментальных данных: mρ=4,7 Ом·м; σρ=±0,3 Ом·м. В результате анализа зависимости, которая представлена на рис. 2, была вычислена средняя чувствительность измерителя по влажности: SW =

∆ρ 58,1 − 161,3 = = 1,7 Ом·м/%. ∆W 90 − 30

(4)

На основании априорной информации об объекте контроля [1, 2, 4] установлено, что температура является дестабилизирующим фактором в процессе измерения влажности почвы кондуктометрическим методом. Температурная зависимость УЭС почвы описывается уравнением [4]: ρ = ρ 0 ⋅ [1 + α (t − t 0 )] ,

(5)

где ρ0 – нормальное значение УЭС, при температуре 20 °С, Ом·м; α – коэффициент аппроксимации функции температурной зависимости; t – измеренное значение температуры, °С; t0 – нормальное значение температуры, равное 20 °С. Таким образом, подставляя формулу (5) в (3), получаем выражение для расчета влажности почв с учетом температурного фактора: W = γ [ρ 0 (1 + α (t − t 0 ))]β .

(6)

Коэффициент 𝛼 был найден путем аппроксимации экспериментальных данных [4] и численно равен 0,043. На основании экспериментальных данных с учетом формулы (6), было получено семейство градуировочных характеристик измерителя влажности почвы при различных температурах, которые представлены на рис. 3. В результате анализа зависимостей, представленных на рис.3, был определен коэффициент чувствительности измерителя по температуре при средней влажности W=60 %: St =

∆ρ 121,1 − 48,3 = = 3,6 Ом·м/°С. ∆t 30 − 10

277

(7)

t=30°С t=20°С 250

t=10°С

ρ,Ом·м

200 150 100 50 0 20

W,% 100

Рисунок 3 – Семейство градуировочных характеристик измерителя влажности почвы в диапазоне изменения W от 30 до 90% и t от 10 до 30°С На основании полученного значения коэффициента чувствительности измерителя по температуре была рассчитана дополнительная погрешность измерения УЭС, которая обусловлена дестабилизирующим влиянием температуры: − при условии некомпенсированного влияния температуры: ∆ρ доп = S t ⋅ ∆t = 3,6 ⋅ (± 10 ) = ±36 Ом·м,

где St – коэффициент чувствительности по температуре; Δt – погрешность измерения температуры, равная ±10 °С. − при условии компенсированного влияния температуры с максимально допустимой погрешностью измерения температуры почвы ±0,3 °С [5]: ∆ρ доп = S t ⋅ ∆t = 3,6 ⋅ (± 0,3) = ±1,1 Ом·м.

На основании полученных значений Δρдоп с учетом чувствительности измерителя по влажности была найдена дополнительная погрешность измерения влажности почвы: − при условии некомпенсированного влияния температуры: ∆Wдоп =

∆ρ доп ± 36 = = ±21,2 %, 1,7 SW

что превышает максимально допустимую погрешность 5 % [3]. − при условии компенсированного влияния температуры: ∆Wдоп =

∆ρ доп ± 1,1 = = ±0,64 %, SW 1,7

что не превышает максимально допустимую погрешность 5 % [3]. Таким образом, учет и компенсация дестабилизирующего влияния температуры на результат измерения влажности почвы кондуктометрическим методом является обязательным условием. Следовательно, включение вспомогательного средства измерения температуры почвы в структуру измерителя влажности позволяет уменьшить дополнительную погрешность в 30 раз. Проанализировав результаты проведенных экспериментальных и теоретических исследований, была обоснована обобщенная функциональная схема средства измерительного контроля влажности почвы, которая представлена на рис. 4.

278

Ut, B АЦП АЦП

UMN, B

KODАЦП

Устройство Устройство вычисления вычисления

W=f(ρ, t)

Устройство Устройство индикации индикации

ИК ИК U UMN MN

ИК ИК температуры температуры

t, °С

ПОЧВА

Рисунок 4 – Обобщенная функциональная схема измерителя влажности почв Принцип работы разработанного измерителя основан на параллельном контроле УЭС в диапазоне от 33 до 231 Ом·м и температуры в диапазоне от 10 до 30 °С с последующим пересчетом полученных значений физических величин в относительную влажность почвы в диапазоне от 30 до 90 %. Выводы. 1. Разработан способ уменьшения дополнительной погрешности измерения влажности почвы кондуктометрическим методом. 2. В результате проведенных исследований определены основные метрологические характеристики измерителя влажности почвы: − чувствительность по влажности – 1,7 Ом·м/% в диапазоне изменения влажности от 30 до 90 %; − чувствительность по температуре – 3,6 Ом·м/°С в диапазоне изменения температуры от 10 до 30 °С; − абсолютная дополнительная погрешность измерения влажности при некомпенсированном влиянии температуры – ±21,2 %; − абсолютная дополнительная погрешность измерения влажности при компенсированном влиянии температуры – ±0,64 %. 3. Предложенный способ компенсации дестабилизирующего температурного фактора позволил уменьшить дополнительную погрешность измерения влажности в 30 раз. Перечень ссылок 1. Шеин Е.В. Курс физики почв: Учебник/ Е.В. Шеин. – М.:МГУ, 2005. – 432 с. 2. Вовна А.В. Математическая модель компьютеризированной системы измерительного контроля влажности почвы/ А.В. Вовна, И.С. Лактионов// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація». – Донецьк, 2013. – Випуск 2 (25). – с. 197 – 206. 3. Почвы. Методы определения влажности, максимальной гигроскопической влажности и влажности устойчивого завядания растений: Межгосударственный стандарт ГОСТ 28268-89. – [Действующий от 2006-01-23]. – М.: Стандартинформ, 2006. – 8 с. 4. Нерпин С.В. Физика почв/ С.В. Нерпин, А.Ф. Чудновский. – М.: Наука, 1967. – 584 с. 5. Грунты. Метод полевого определения температур: Государственный стандарт ГОСТ 25358-82. – [Действующий от 1983-07-01]. – М.: Изд-во стандартов, 1983. – 11 с.

279

УДК 662.9(083) СОЗДАНИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ТЕХНОЛОГИИ НАГРЕВА МЕТАЛЛА В КАМЕРНЫХ ПЕЧАХ С ВЫКАТНЫМ ПОДОМ Андриенко Е.Н., студент; Бирюков А.Б., проф., д.т.н.; Олешкевич Т.Г., ассистент (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Современное металлургическое производство характеризуется наличием высокопроизводительных технологических комплексов, потребляющих большое количество энергетических и сырьевых ресурсов, работающих в условиях быстро меняющихся технологических параметров и условий. В общей технологической цепи процессы тепловой обработки материалов являются важнейшими технологическими операциями. От нагрева металла в большой степени зависит качество готовой продукции, производительность прокатных станов, расход энергии и другие показатели работы прокатных цехов. Правильно выбранная технология нагрева металла в сочетании с правильным режимом его пластической деформации и охлаждения может в значительной степени локализовать отдельные дефекты литой стали, улучшить все характеристики готового сорта, и, наоборот, неудачно выбранная технология нагрева может привести к образованию новых пороков и получению окончательного брака. Поэтому необходим контроль за температурным состоянием металла и агрегата в целом на протяжении всего периода нагрева. Одним из современных направлений решения задачи повышения точности реализации операции нагрева является создание соответственных систем диагностики и компонентов прогнозного управления. Целью данной работы является создание системы диагностики процессов нагрева кузнечных слитков в камерных печах с выкатным подом. Сущность предложенной методологии заключается в использовании математического выражения для определения средней плотности теплового потока, падающего на поверхность материала, в течение краткого периода времени Δτ в зависимости от результатов замера характерных температур продуктов сгорания, расходов топлива и продуктов сгорания:

q = [V ⋅ Qнр ⋅ ∆τ − Qпот ⋅ ∆τ − V ⋅ V ух ⋅ ct ух ⋅ t ух ⋅ (1 − k ) ⋅ ∆τ −Vк ⋅ ct ух ⋅ ∆t к ] / Fм ⋅ ∆τ .

(1)

Величина тепловых потерь камеры печи рассчитывается при известном температурном состоянии футеровки в конкретный момент времени:

пот

= (t

кл (n)

−t

кл (n −1)

) ⋅ λф ⋅ Fкл /∆x, Вт.

(2)

Коэффициент рекуперации определяется как: k = Vв ⋅ св ⋅ ∆t в / V ⋅ V ух ⋅ ct ух ⋅ t ух .

(3)

Величина ∆tв определяется в результате замеров температуры холодного воздуха и его температуры в раздающем коробе перед горелками. Предложенное балансовое уравнение (1) представляет собой моментальный тепловой баланс камеры печи, который уравновешивается в результате определения текущего значения средней плотности теплового потока q, усвоенного нагреваемым металлом. Итогового коэффициента теплоотдачи к поверхности нагреваемого материала:

α ∑ = q /(t ух − t пов ),

(5)

Значение величины ͞tпов берем на основании определения температурного поля заготовки на предыдущем временном шаге. Поскольку итоговый коэффициент теплоотдачи 280

представляет собой сумму лучистой и конвективной составляющих, зная одну из них и, определив при помощи предложенной системы величину, находим величину неизвестной составляющей [3]. В случае, если неизвестной является лучистая составляющая:

α л = α ∑ − α к = [C пр (t ух ) ⋅ [((t ух + 273) / 100) 4 − ((t пов + 273) / 100) 4 ]] /(t ух − t пов )

(6)

Для случая известной зависимости приведенного коэффициента излучения от температуры и соответственно лучистой составляющей, конвективная составляющая: αк = α∑ − α л .

(7)

Зная значение αк для разных параметров технологии, можем определить значения коэффициентов критериального уравнения, описывающего конвективный теплообмен в конкретном агрегате. Наличие на каждом временном шаге обозначенного комплекса информации позволяет определять текущие значения коэффициента использования топлива и к.п.д. печи: Q η

кит

нр

−V

ух

⋅c

ух

(t) ⋅ t

ух

⋅ (1 − k)

нр

, η

кпд

q⋅F м B(τ ) ⋅ Q

(8)

нр

Использование разработанного метода проиллюстрировано на примере типовой нагревательной печи периодического действия с выкатным подом, в которой нагреваются кузнечные слитки под обработку давлением. Рассматриваемая печь имеет характерные параметры: ширину 4 м, длину 15 м, высоту печи 4 м, внутренняя поверхность кладки составляет 272 м2, внутренний объем камеры печи 240 м3. В печь помещаются 6 круглых заготовок длиной 5 м и диаметром 1 м, с плотностью стали при ее начальной температуре 7700 кг/м3 и боковой поверхностью теплообмена заготовок 94,25 м2. Топливом для печи служит природный газ имеющий теплоту сгорания 35,8 МДж/м3. Начальная температура слитков 20ОС. Коэффициент рекуперации используемого рекуператора в диапазоне используемых расходов топлива и воздуха составляет 0,3. Параметры футеровки: материал – керамоволокно; коэффициент теплопроводности λф=0,1 Вт/(м∙К); теплоемкость материала футеровки, сф=1000 Дж/(кг∙К); плотность футеровки, ρф=200 кг/м3; толщина футеровки, Sф=0,22 м. Для восстановления температурного поля заготовок в течения нагрева при помощи созданной методики использованы сигналы расходомера по топливу и термопары печной камеры, соответствующие обозначенным выше конструктивным параметрам печи и типовой технологии нагрева. Для расхода топлива (м3/с): B(τ ) = 0,31778 + 0, 000002 ⋅ τ , если 0 ≤ τ ≤ 11090;

B(τ ) = 0,34 − 0, 00002187 ⋅ (τ - 11090), если 11090 ≤ τ ≤ 20524;

B(τ ) = 0,13366 − 0, 00000876 ⋅ (τ - 20524), если 20524 ≤ τ ≤ 31694.

Для температуры дыма (°С): t

t t

ух

(τ ) = 961, 414 + 0, 02873 ⋅ τ , если 0 ≤ τ ≤ 11090;

(τ ) = 1280 − 0, 00159 ⋅ (τ - 11090), если 11090 ≤ τ ≤ 20524; (τ ) = 1265 − 0, 0004476 ⋅ (τ - 20524), если 20524 ≤ τ ≤ 31694.

Из расчета горения топлива для условий изучаемого агрегата имеем: удельный выход продуктов сгорания 11,123 м3/м3, действительное количество воздуха на горение 10,123 м3/м3. При реализации данной системы диагностики получено температурное поле заготовки, представленное на рисунке 1.

281

Рисунок 1 – Температурное поле заготовок, восстановленное при помощи системы диагностики (tд- температура дыма, °С; tп- температура поверхности заготовки, °С;tц- температура центра заготовки, °С) На рис. 2 температурное поле заготовки представлено 10 линиями (толщина заготовки от ее центра до поверхности разбита на 9 равных промежутков толщиной по 54мм). Рассчитав плотность теплового потока, падающего на поверхность материала, в течение короткого периода времени ∆τ, определяем при помощи зависимостей (8) моментальные значения КИТ и КПД. На рис. 2 представлено изменение во времени названных величин для рассматриваемого агрегата и технологи нагрева.

Рисунок 2 – Значение КИТ и КПД, восстановленное при помощи системы диагностики Таким образом, предложенная система диагностики позволяет отслеживать реальное тепловое состояние металла, осознанно корректировать режим тепловой обработки, достигать заданных параметров нагрева с более высокой точностью, затрачивая при этом, минимально необходимое количество времени и топлива, может использоваться в качестве основы создания компонентов прогнозного управления тепловой работы камерных печей с выкатным подом. Предложенная разработка предоставляет также возможность более эффективного использования энергоресурсов и контроля расхода топлива. Перечень ссылок 1.Ткаченко В.Н. Математическое моделирование, идентификация и управление технологическими процессами тепловой обработки материалов. Том 13. Серия «Задачи и методы: математика, механика. Кибернетика».– Киев: Наукова думка, 2008.– 244 с. 2.Арутюнов В.А.. Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Математическое моделирование промышленных печей: Учебник для вузов.–М.: Металлургия, 1990.– 239с. 3.Бирюков А.Б. Энергоэффективность и качество тепловой обработки материалов в печах: Монография / А.Б.Бирюков. – Донецк: Ноулидж (донецкое отделение), 2012.- 248 с. 4.Лисиенко В.Г., Волков, В.В,, Гончаров А.Л. Математическое моделирование теплообмена в печах и агрегатах.– Киев: Наукова думка, 1984.– 232с.

282

УДК 543.27.08 РАЗРАБОТКА БЛОКА КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ИЗМЕРИТЕЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ Вовна А.В., доц., к.т.н., (Ph.D.); Левшов М.М., студент (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Общая постановка проблемы. Для обеспечения работы и повышения точности измерителя концентрации кислорода, основанного на твердоэлектрлитической ячейке необходимо обеспечить ее температуру на уровне 750 °С, с точностью установки температуры не хуже ±2°C. Поэтому обоснование и разработка блока контроля и регулирования теспературы для данного вида измерителей является актуальной. Постановка задач исследования. Целью работы является повышение точности измерителя концентрации кислорода в дымовых газах котлов, за счет обеспечения контроля и учета температуры твердоэлектролитической ячейки. Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи: – оценить дополнительную погрешность контроля концентрации газа от изменения температуры; – разработка требований к установке температуры регулятором; – анализ законов регулирования температуры для твердоэлектролитической ячейки; – обоснование и расчет исполнительного нагревательного элемента; – разработать структурную схему блока контроля и регулирования температуры Результаты разработки и исследований. На основании экспериментальных данных определения э.д.с. сдвига [1] [2], которые проведены при равенстве концентраций кислорода на электродах. Температура управлялась с помощью программного регулятора. Измерения проведены в двух разных режимах: – плавное изменение температуры в диапазоне от 749 до 775°С (∆Т=26°С), при этом диапазон изменения э.д.с. сдвига составлял от 1,7 до 2,05 мВ (см. рис. 1, а); – периодическое изменение температура в диапазоне от 749,6 до 750,3°С (∆Т=0,7°С) с интервалом 10 с., диапазон изменения э.д.с. сдвига в данном эксперименте составлял от 1,85 до 2,15 мВ (см. рис. 1, б). Из анализа полученных результатов (см. рис. 1) следует, что зависимость э.д.с. от температуры более чем на порядок ниже, чем от ее производной по времени. Процессы теплопроводности, происходящие в корпусе измерительного преобразователя, имеют разные скорости распространения тепла в ячейке. Поэтому температура распределена по объему неравномерно: на торцевых поверхностях, где расположенные электроды, она имеет разное значение. В результате разницы температур в твердом электролите возникает термо-э.д.с., которая при равенстве концентраций кислорода на электродах приводит к появлению электрического напряжения на ячейке. В случае неравных концентраций кислорода темроэ.д.с. вносит дополнительную разницу потенциалов, и определения концентрации с помощью уравнения Нернста, при концентрации кислорода 10 об.% термо-э.д.с. величиной 1 мВ приводит к погрешности не более 0,3 об.% В связи с этим для уменьшения переменной составляющей э.д.с. сдвига, что в свою очередь уменьшает погрешность измерения концентрации кислорода, необходимо использовать плавный регулятор температуры чувствительного элемента. Вследствие этого температурная неравномерность по объему термоэлектролитической ячейки сводится к минимуму. Требования к установке температуры плавным регулятором[1] [3]: – номинальное значение температуры твердоэлектролитической ячейки,°С 750; – диапазон изменения установки температуры,°С от 748 до 752; – значение абсолютной погрешности установки температуры, °С ±0,3; 283

– постоянная времени терморегулятора, с не более 10. В качестве средства измерения температуры твердоэлекторлитической ячейки решено использовать платиновый терморезистор, включенный в одно из плеч измерительного моста.

U, мB 80 60 775 oC 762 oC 749 oC

40 20

СО2, об.%

а) изменение температуры в диапазоне от 749 до 775°С (∆Т=26°С)

U, мB 80 60 (750+0,3) oC

40 20 0

СО2, об.%

б) от 749,7 до 750,3°С (∆Т=0,6°С) с интервалом 10 с Рисунок 1 – Изменение напряжения на выходе ТЭЯ при изменении концентрации кислорода в диапазоне от 1 до 14 об.% при разном режиме терморегулятора Для решения задачи измерения температуры рекомендуется проводить балансировку измерительного моста при Т=0°С. Ток, протекающий через плечо измерительного моста рекомендуюется выбирать порядка (5…10) мА. Напряжение питания моста принято равным 1.5В. Напряжение на выходе измерительного моста описывается выражением [3] (1) Um(T ) = U тM ⋅

R(T ) ⋅ R3 − R2 ⋅ R4 (R(T ) + R2 ) ⋅ (R3 + R4 )

(1)

R(Т 0 = 0о С ) = R2 = R3 = R4 = 100Ом

Для приведения выгодного напряжения измерительного моста к унифицированному виду (0…5)В для удобства его дальнейшей обработки к его выходу подключен нормирующий преобразователь (рис 2).

284

U, B

T,°C

100

200 300

400 500 600 700

800

Рисунок 2 – Напряжение на выходе нормирующего преобразователя Выходной сигнал нормирующего преобразователя, несущий в себе информацию о изменении температуры поступает на астатический двухпозиционных регулятор, с зоной неоднозначности представленной выражением [4] (2).

ε=

1 1 Т 2 − Т 1 = 752 − 742 = 2°С 2 2

(2)

Установившийся режим работы блока контроля и регулирования температуры, соответствующий рис. 3, принято называть квазистационарным или режимом автоколебаний. Отличительной особенностью этого режима является наличие устойчивых гармонических колебаний температур каждого из элементов блока вокруг соответствующего им стационарного уровня. Данный режим позволит осуществить плавное регулирование температуры твердоэлектролитической ячейки.[4]

T,°C 752

3 2

750

4 5

748

6 t, cек

Рисунок 3 – График автоколебаний блока контроля и регулирования температуры В точке 1, соответствующей температуре термостатирования нагревание объекта не прекращается, а продолжается за счет нечувствительности регулятора ε дальше, до точки 2. Зона нечувствительности 2 ⋅ ε складывается в основном, из величины, обусловленной тепловой инерцией датчика и величины, обусловленной временем срабатывания реле. В точке 2 произойдет отключение нагревательного элемента. Однако температура будет

285

возрастать до точки 3 вследствие тепловой инерции объекта, а затем начнет падать по кривой 3-6. В точке 5 произойдет включение нагревателя.[4] Для составления математической модели работы регулятора в режиме автоколебаний необходимо провести ряд экспериментов для получения точных значений теплопроводностей между анализируемой газовой смесью и элементами измерителя. В качестве исполнительного нагревательного элемента выбран вольфрамовый спиральный нагревательный элемент, были рассчитаны его основные параметры: Полезное и общее количество теплоты кДж, необходимой для повышения температуры нагреваемого материала до заданной величины [5] (3). Qпол = с ⋅ m ⋅ (t к − t н ) = 0.291 ⋅ 0,15 ⋅ (750 − 165) = 25,54кДж Qобщ =

Qпол

(3)

25,52 = 31,92кДж 0,8

Мощность, кВт, нагревательного прибора определяют по формуле (4)

(0.00028 ⋅ k ⋅ Qобщ ) t

(0,00028 ⋅1,1 ⋅ 31,92) = 0,098кВт 0,1

(4)

Определение силы тока, А, нагревательного элемента для однофазной сети осуществляется по формуле (5): I=

P *1000 0,098 ⋅1000 = = 0,45 А U 220

(5)

Допустимая поверхностная удельная мощность, т.е. мощность, выделяемая с единицы внешней поверхности нагревателя (6)

β доп= β эф ⋅ α = 2 ⋅10 4 ⋅ 0,7 = 1,4 ⋅10 4

(6)

Диаметр, м, нагревателя круглого сечения (7) d =3

4 ⋅ ρ t ⋅ ( P ⋅1000) 2 4 ⋅ 4,72 ⋅10 −5 ⋅ (0,098 *1000) 2 3 = = 0,65 мм 3,132 ⋅ 220 2 ⋅1,4 ⋅10 4 π 2 ⋅ U 2 ⋅ β доп

(7)

удельное сопротивление нагревательного элемента при различной температуре нагрева (8):

ρt = ρ ⋅ k = 44,1 ⋅ 10−6 ⋅ 1,07 = 4,72 ⋅ 10−5

(8)

Длина, м, нагревательного элемента определяется по формуле [5] (9) l=3

P ⋅ 1000 ⋅ U 2 0,098 ⋅ 1000 ⋅ 2202 3 = = 3,45 м 2 4 ⋅ 3,14 ⋅ 4,72 ⋅ 10− 5 ⋅ (1,4 ⋅ 104 ) 2 4 ⋅ π ⋅ ρ t ⋅ β доп

(9)

Исходя из вышесказанного, предложена следующая структурная схема системы терморегулирования Информация об изменении температуры объекта терморегулирования ОТ через терморезистор включенный в измерительный мост ИМ поступает на нормирующий преобразователь НП. Нормирующий преобразователь НП усиливает сигнал моста, до уровня необходимого для регулятора температуры РТ. В зависимости от полученного сигнала регулятор температуры РТ изменяет подачу мощности от источника питания ИП на исполняющее устройство (нагреватель) ИУ.

286

Канал измерения температуры

ИУ

ОТ

ИМ

РТ

НП

ИП Рисунок 4 – Структурная схема системы терморегулирования Выводы. При разработке системы терморегулирования измерителя концентрации кислорода в дымовых газах котлов были получены следующие результаты: 1. Разработаны требования к установке температуры плавным регулятором: – диапазон изменения установки температуры,°С от 749 до 751; – значение абсолютной погрешности установки температуры, °С ±0,3; – постоянная времени терморегулятора, с не более 10. 2. Произведен расчет канала измерения температуры, который обеспечивает получение информации о изменении температуры твердоэлектролитической ячейки; 3. В качестве регулятора температуры был выбран астатический двухпозиционный регулятор, который обеспечит необходимую плавность изменения температуры; 4.Представлена структурная схема, состоящая из канала измерения температуры твёрдоэлектролитической ячейки, регулятора температуры, подающего мощность от источника питания на исполнительный нагревательный элемент. Данная структурная схема позволит обеспечить температуру ячейки на уровне 750 °С, с точностью установки температуры не хуже ±2°C. Перечень ссылок 1. Гофман М.А. Повышение точности измерения концентрации кислорода в цифровых твердоэлектролитных газоанализаторах / М.А. Гофман, М.В. Колечкин, О.И. Потатуркин, П.А. Чубаков // Автометрия. Российская академия наук. Сибирское отделение. – 2000. – № 6.– С. 82 – 87. 2. Вовна А.В., Левшов М.М. Разработка математической модели измерительного прибора концентрации кислорода в дымовых газах. Автоматизация технологических объектов и процессов. поиск молодых. 2013г. г. Донецк. 3.Геращенко О.А., Гордов А.Н., Лах В.И., Стаднык Б.И., Ярышев Н.А. Справочник: Температурные измерения – К.: Наукова думка, 1984 – 495 с. 4. Грабой Л.П., Ленская Л.П., Трощенко А.В. “Определение динамической ошибки регулирования двухпозиционного термостата”, Вопросы радиоэлектроники, ТРТО, вып. 1, 1971. 5. Дьяков В.И. Типовые расчеты по электрооборудованию, М., Высш. шк., 1991 – 158 с.

287

УДК 662.9 СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И МОНИТОРИНГА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ ВОЗДУШНОМ ОХЛАЖДЕНИИ В КАМЕРНОЙ ПЕЧИ Гнитиев П.А., аспирант; Бирюков А.Б., проф., д.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) В настоящее время на предприятиях все большее количество производственных процессов автоматизируется с целью повышения точности их выполнения и оптимизации. Это позволяет увеличивать производительность агрегатов, повышать их техникоэкономические показатели. В данной работе рассматривается процесс комплексной термической обработки материалов в камерной печи с выкатным подом. Данный процесс состоит из трех последовательных стадий: нагрев с определенной скоростью, выдержка и охлаждение с требуемой скоростью. На сегодняшний день суждение о тепловом состоянии металла производится достаточно условно, так как отсутствует инженерная методика, позволяющая давать точную оценку состоянию металла и, при использовании средств автоматизации, управлять процессом с высокой точностью. Процесс контроля производится методом термограмм, а именно фиксировании температуры на поверхности и внутри изделий на разных глубинах. Данная процедура производится следующим образом: в печь загружают садку с термопарами, размещенными на поверхности и внутри садки в различных местах, для этого в садке высверливают несколько отверстий. Затем производят цикл термообработки и снимают показания термопар. Полученные данные используются при последующих расчетах режимов термообработки для других заготовок. Данный способ имеет существенный недостаток, который заключается в том, что одноразово измеренная температурная характеристика процесса термической обработки и рекомендации по ее осуществлению соответствуют садке только с такими же геометрическими и массовыми параметрами. Это значит, что в случае если в печь будет помещена садка с другими характеристиками, то процесс термообработки по заданной ранее программе будет осуществлен с некоторой погрешностью, которая в конечном итоге может привести к ухудшению качества производимой продукции. Важным параметром, влияющим на качество конечных изделий является скорость охлаждения и точность поддержания заданного темпа, а значит необходимо контролировать тепловой поток, отводимый от тел в каждый момент времени. На основании вышесказанного, нами предлагается методика учета тепла, которое будет отводиться от тел в течении всего процесса воздушного охлаждения путем измерения температуры воздуха, покидающего печь и поступающего в нее. Предлагаемый способ позволит контролировать количество подаваемого охлаждающего воздуха, чтобы поддерживать заданный тепловой поток. Имея информацию о температуре поступающего воздуха и воздуха, покидающего печь можно судить о необходимом его количестве для охлаждения при поддержании неизменного теплового потока от охлаждаемых изделий к воздуху [1]: V∙Св ∙�t//в -t/в �-Qфут q= ; F где q – плотность теплового потока от охлаждаемых тел к охлаждающему воздуху, Вт/м2; V – необходимое количество воздуха для охлаждения изделий при заданном тепловом потоке, м3/с; Св – теплоемкость воздуха, Дж/(м3∙К); t/в – температура охлаждающего воздуха, °С; t//в – температура воздуха, покидающего печь, °С; F – площадь охлаждаемых тел, м2; Qфут – количество теплоты, отдаваемое футеровкой, Дж.

288

Поскольку масса футеровки современных печей во много раз меньше массы садки печи, то и потери теплоты на аккумуляцию футеровки будут достаточно малы, а значит слагаемым Qфут можно пренебречь. [2] Значение теплового потока задается в зависимости от требуемой скорости охлаждения и геометрических параметров садки. Скорость охлаждения рассчитывается по формуле [1]: k1 ∙q Сохл = ; r0 ∙ρ∙c где Сохл – скорость охлаждения заготовок, °С/ч; k1 – коэффициент материальной нагрузки; q – плотность теплового потока, Вт/м2; r0 – толщина прогреваемого слоя, м; ρ – плотность изделий, кг/м3; с – теплоемкость изделий, Дж/(кг∙К). Для реализации технологии управления необходимо разместить две термопары в каналах для подачи и удаления воздуха, регулятор, а также блок частотного управления приводом двигателя вентилятора для оперативного изменения количества подаваемого воздуха в печь. Схематичное изображение предлагаемого способа представлено на рисунке 1.

1 – термопары для измерения температур воздуха; 2 – трубопровод охлаждающего воздуха; 3 – охлаждаемые изделия; 4 – трубопровод нагретого воздуха; 5 – труба; 6 – камера печи; 7 – нагнетатель; 8 – блок частотного управления вентилятором; 9 – ПИД регулятор. Рисунок 1 – Схема размещения устройств автоматизации в камерной печи Система работает следующим образом: в регулятор закладывают необходимую скорость охлаждения; регулятор в реальном времени отслеживает разность температур воздуха, поступающего в печь и выходящего из нее и по вышеприведенной зависимости корректирует подачу воздуха для поддержания требуемого теплового потока путем воздействия на блок частотного управления вентилятора. Вывод: предлагаемая система автоматического контроля и мониторинга технологического процесса охлаждения заготовок в камерной печи позволит вести учет количества отведенной теплоты от охлаждаемых изделий, а также контролировать количество охлаждающего воздуха для поддержания заданной скорости охлаждения в течении операции. Перечень ссылок 1. Гусовский В.Л. Методики расчета нагревательных и термических печей: учебносправочное пособие / Гусовский В.Л., Лифшиц А.Е. - М.: Теплотехник, 2004. - 400 с. 2. Бирюков А.Б. Энергоэффективность и качество тепловой обработки материалов в печах: Монография / А.Б. Бирюков. – Донецк: Ноулидж, 2012 – 248 с. 289

УДК 543.25 МОДЕЛЮВАННЯ ВИМІРЮВАЛЬНОГО КАНАЛУ ВИЗНАЧЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ ІОНІВ ЗАЛІЗА У СТІЧНИХ ВОДАХ Денисов А.А., студент; Хламов М.Г., проф., к.т.н. (ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк, Україна) Проблема якості водних ресурсів є однією з основних екологічних проблем Донецької області. Водні ресурси річок і озер в Донбасі дуже скромні. Якщо при цьому врахувати невелику кількість атмосферних опадів і їх високу випаровуваність, то стане зрозумілим, чому проблема водопостачання є для краю однією з найважливіших. За даними лабораторних досліджень проб води, проведених управлінням екології та природних ресурсів, після скидання стічних вод було встановлено перевищення вмісту багатьох шкідливих речовин, серед яких є й важкі метали[1]. У таблиці 1 наведена екологічна оцінка якості води. Таблиця 1 – Екологічна оцінка якості води

Високий рівень забруднення відбувається внаслідок неефективної роботи більшості водоочисних споруд та систем водовідведення підприємств; високого антропогенного навантаження на басейн річки; недосконалості економічного механізму водокористування; виділення недостатніх коштів на водоохоронні цілі; неефективного управління і недотримання природоохоронного законодавства. Основні джерела надходження важких металів: • стічні води, що надходять з електросталеплавильного цеху (ЕСПЦ) Донецького металургійного заводу (ДМЗ); • шахтні води шахти ім. Горького та шахти ім. А.Ф. Засядька; • поверхневий стік з території міста; • розташовані поблизу річки відвали та звалища побутового сміття. Термін "важкі метали" пов'язаний з високою атомною масою. Ця характеристика зазвичай ототожнюється з поданням про високу токсичність. Однією з ознак, що дозволяє відносити метали до тяжких, є їх щільність (більше п'яти). Насамперед становлять інтерес ті метали, які найбільш широко і в значних обсягах використовуються у виробничій діяльності і в результаті накопичення в зовнішньому середовищі становлять серйозну небезпеку з точки зору їх біологічної активності та токсичних властивостей. 290

Головна небезпека важких металів полягає в тому, що вони мають властивість накопичуватися в людському організмі, викликаючи з часом серйозні проблеми зі здоров'ям. Потрапляючи в наш організм, важкі метали осідають на стінках життєво важливих органах (наприклад, в печінці чи нирках), тим самим, значно знижуючи їх фільтраційну здатність. Зважаючи на той факт, що печінка відповідає, в тому числі, за переробку шкідливих, а часом навіть отруйних речовин, а нирки відповідають за виведення цих речовин з організму, не важко уявити собі наслідки перенасичення токсинами нашого організму. Залізо — хімічна речовина, яка складається з феруму — хімічного елемента з атомним номером 26. Атомна маса заліза 55,847. Це сріблясто-сірий, пластичний і ковкий метал, який легко окиснюється, утворюючи оксиди феруму у вигляді товстої плівки (іржі), що сповільнюють подальше руйнування заліза. На зміну змісту важких металів у водоймах впливають pH, жорсткість і температура води. За інших рівних умов із зростанням температури середовища токсичність металів зростає, що, можливо, перш за все пов'язано з активізацією біологічних процесів в екосистемах, у тому числі процесами акумуляції металів. Вплив pH зводиться до того, що в кислих водах токсичність проявляється при більш низьких концентраціях, ніж у лужних. Визначенню заважають катіони, які утворюють ще менш розчинні опади, ніж іони металів, які визначаються. Якщо обчислена відносна похибка занадто висока, то слід подбати про процедуру маскування тієї чи іншої домішки. В даний час існують дві основні групи аналітичних методів для визначення важких металів: електрохімічні та спектрометричні. З розвитком мікроелектроніки електрохімічні методи отримують новий розвиток, тоді як раніше вони поступово витіснялися спектрометричними методами. Серед спектрометричних методів визначення важких металів перше місце займає атомно-абсорбційна спектрометрія з різною атомізацією зразків: атомноабсорбційна спектрометрія з полум'яною атомізацією та атомно-абсорбційна спектрометрія з електротермічної атомізацією в графітової кюветі. Основними способами визначення декількох елементів одночасно є атомна емісійна спектрометрія і мас-спектрометрія з індукційно зв'язаною плазмою. За винятком останнього решта спектрометричних методів мають занадто високу межу виявлення для визначення важких металів у воді[2]. Для розробки вимірювального каналу концентрації іонів заліза використовуємо потенціометричний метод з іоноселективними електродами (ІСЕ). Перевагами даного методу є експресність аналізу, простота обладнання, можливість проведення безперервних вимірювань на місці відбору проби. Визначенню іонів металів за допомогою ІСЕ заважають деякі органічні речовини поверхневих вод. Суть методу полягає у вимірюванні рівноважного електричного потенціалу вимірювального іоноселективного електрода щодо потенціалу електрода порівняння і обчисленні концентрації. Іоноселективні електроди - це сенсори, потенціал яких лінійно залежить від логарифма активності іона в розчині, вони дозволяють вибірково визначати активність одних іонів в присутності інших. Потенціал мембранного електрода виникає за рахунок обміну іонами між розчином і мембраною електрода. Напівпроникна мембрана відокремлює внутрішню частину електрода (внутрішній розчин) від аналізованого (зовнішнього) розчину і має здатність пропускати переважно іони одного виду. Активність іонів у внутрішньому розчині постійна[3]. Якщо розчин крім визначається іона А містить сторонні іони K, потенціал іоноселективного електрода описується рівнянням Нікольського (модифікованим рівнянням Нернста): E= const +

0, 059 lg (a A + k Aпот/ K aKnA / nK + ...) nA

де const - константа, що залежить від значень стандартних потенціалів; 𝑎А і 𝑛А , 𝑎𝐾 і 𝑛𝐾 активності і заряди основного і стороннього іонів відповідно. Коефіцієнт селективності 291

можна визначити експериментально, чим менше його величина, тим більше електрод селективний по відношенню до обумовленого іону[4]. Виконано моделювання засобу вимірювання. Параметри похибок встановлені при температурі 25°С і відсутності іонів міді; а також відсутності шумів або при шумах значно менших шуму квантування: систематична похибка – 8 × 10−6 мг/дм3 випадкова похибка 6 × 10−4 мг/дм3 максимальна похибка 0,0011 мг/дм3 макс. значення приведеної похибки 0,14% На підставі розрахунків також побудовано залежності концентрації іонів заліза від різних факторів, що впливають. Характеристику перетворення ІСЕ на залізо наведено на рисунку 1.

Рисунок 1 – Характеристика перетворення ІСЕ на залізо при зміні температури Як видно з рисунку 1, при невеликій концентрації іонів заліза - вплив температури неістотний. Проте зі збільшенням концентрації - збільшується й вплив температури. На рисунку 2 наведено характеристику перетворення при впливі іонів міді.

Рисунок 2 – Характеристика перетворення ІСЕ на іони заліза при впливі іонів міді

292

Навіть при однаковій температурі похибка при впливі іонів міді - істотно збільшується. Отже аналіз наведених даних показує, що вплив усіх факторів збільшує похибки вимірювання. Параметри похибок при зміні температури води наведено у таблиці 2. Таблиця 2 - Параметри похибок при різних значеннях температури води Значення температури, °С

систематична похибка, мг/дм3

0,2

0,09

0,017

випадкова похибка, мг/дм3

0,06

0,027

0,005

0,3

0,14

0,026

макс. похибка, мг/дм3

макс. значення приведеної похибки, %

Параметри похибок при різних значеннях концентрації іонів міді наведено у таблиці 3. Таблиця 3 - Параметри похибок при різних значеннях концентрації іонів міді Концентрація іонів міді, мг/дм𝟑 систематична похибка, мг/дм3 випадкова похибка, мг/дм3 макс. похибка, мг/дм3 макс. значення приведеної похибки, %

0,5

0,25

0,05

0,04

0,022

0,004

5 × 10−4

6 × 10−4

5 × 10−4

0,04

0,023

0,005

2,9

0,7

Фактори іонів міді та впливу температури - дуже істотні, вони сильно змінюють величину похибки вимірювання, тому необхідно передбачити відповідні засоби корекції похибки. Такими засобами можуть бути або апаратні засоби (вплив представляється у вигляді напруги і віднімається від сигналу), або алгоритмічні методи. При алгоритмічних методах в процесорний пристрій вноситься результат вимірювання температури і можливий результат вимірювання концентрації іонів міді з іншого каналу. При цьому необхідно забезпечити компенсацію цих факторів за допомогою алгоритму. Даний алгоритм буде розроблений у подальшій роботі, також як і алгоритм корекції від впливів. Буде розглянута ефективність кожного методу. Перелік посилань 1. Матеріали радіологічного центру “Стакс” 2. Камман К. - Робота з іоноселективними електродами. М.: Світ, 1980. – 268с. 3. Нікольський Б.П., Матерова Е.А. – Іоноселективні електроди. – Л: Хімія, 1980. – 206 с. 4. Шевчук І.А., Симонова Т.М. – Іоноселективні електроди в аналізі природних і промислових об'єктів. Навчальний посібник. – Донецьк: «Норд-комп'ютер», 2007. – 206 с.

293

УДК 62-519 ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПЕЧЬЮ ТАММАНА Карповский А.Ю., студент; Кузнецов Д.Н. доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Постановка проблемы. Печи сопротивления типа Таммана широко применяют в металлургии для выполнения разнообразных исследовательских работ. На металлургическом факультете ДонНТУ печь Таммана используется в качестве учебно-исследовательского стенда для выполнения лабораторных и исследовательских работ студентами, аспирантами и преподавателями. Печь позволяет проводить ряд технологических процедур, таких, к примеру, как легирование стали. На данный момент актуальной является задача повышения уровня автоматизации данного лабораторного стенда. Стоит задача разработки электронной системы контроля и управления печью Таммана, которая позволит управлять данной печной установкой с помощью компьютера, что значительно повысит эффективность проведения исследовательских работ на данной установке и достоверность получаемых результатов. Цель работы. Обоснование структурной схемы электронной системы контроля и управления печью Таммана. Принцип работы печи Таммана основан на законе Джоуля-Ленца, согласно которому количество теплоты Q, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока I на этом участке и сопротивления участка R: . В печах сопротивления тепло выделяется в нагревательных элементах и передается нагревательному телу лучеиспусканием. В качестве нагревателя в печи Таммана используют полый графитовый элемент. Элементом сопротивления является ванна расплавленного шлака. При прохождении тока, шлак разогревается до температуры 1600-1800° С, и нагревает погруженный в него электрод. Электрод с торца оплавляется, и металл в виде капель проходит через шлак, формируясь в готовый слиток. Печь питается от промышленной сети переменного тока частотой f=50 Гц через понижающий трансформатор. Напряжение на первичной обмотке , максимальное напряжение на вторичной обмотке максимальный ток в первичной обмотке ; ток во вторичной обмотке может достигать 3 кА. Электронная система должна обеспечивать плавный разогрев печи по заданному закону изменения температуры с постоянным контролем мощности, подводимой к печи и температуры внутри неё. Текущие значения контролируемых параметров должны регистрироваться и отображаться в удобном для оператора виде на компьютере. При этом необходимо реализовать 2 способа управления печью: - удаленное управление с помощью компьютера; - непосредственное ручное управление вблизи от печи. На рисунке 1 представлена предложенная структурная схема разрабатываемой электронной системы контроля и управления печью Таммана. Основным элементом электронной системы является управляющий микроконтроллер, который обеспечивает обмен данными с персональным компьютером (ПК), управление мощностью, подводимой к печи, контроль температуры в печи и тока первичной обмотки. Текущие значения контролируемых параметров передаются в ПК, где происходит их

294

первичная обработка, визуализация в удобной для оператора форме, накопление и сохранение в файл. Регулировка мощности печи осуществляется путем управления напряжением первичной обмотки с помощью силовых тиристоров ТС-160 с максимальным током Импульсы управления силовыми тиристорами поступают с микроконтроллера через оптосимистор MOC-3062, который обеспечивает гальваническую развязку силовых и слаботочных цепей. MOC-3062 содержит блок контроля перехода фазного напряжения через нуль (Zero Crossing Circuit), поэтому при включении силовых тиристоров не возникает выбросов тока и импульсных помех.

Рисунок 1 – Структурная схема электронной системы контроля и управления печью Таммана Для управления мощностью используется принцип широтно импульсной модуляции (ШИМ). При выбранном периоде ШИМ сигнала равном 1 секунде (50 периодов сетевого напряжения), управление мощностью осуществляться с разрешением в одну пятидесятую долю от максимально возможной мощности, что является достаточным для реализации различных законов регулирования температуры печи. Для измерения тока первичной обмотки используется трансформатор тока Т-0.66, преобразующий ток первичной обмотки 0..100А в выходной ток 0..5А, который с помощью шунтирующего сопротивления преобразуется в напряжение и регистрируется управляющим микроконтроллером. Для измерения температуры используется вольфрамрениевая термопара ВР5/20 с коэффициентом термоЭДС 16 мкВ/°С. Выходной сигнал термопары усиливается усилителем, с коэффициентом усиления по напряжению 250 и вводится в микроконтроллер. Выводы: Предложенная структура электронной системы обеспечивает разогрев печи Таммана по заданному закону изменения температуры с контролем подводимой к печи мощности и температуры, с возможностью дистанционного и ручного управления. Перечень ссылок 1. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Металлургия черных металлов», Раздел «Электрометаллургия стали и ферросплавов» / Сост.: А.А. Троянский, В.М. Сафонов, А.Н. Сморнов. – Донецк: ДПИ, 1993.-30с. 2. Лидефельт Х., Хассельстром П. Характеристики рабочих свойств шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали. Материалы международного конгресса. – М.: Металлургия, 1987. – 224 с.

295

УДК 681.586 ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ Коновалов Р.С., аспирант; Львов А.А., проф., д.т.н. (Энгельсское ОКБ «Сигнал» им. А.И. Глухарева, г. Энгельс, Россия) Развитие авиационной техники является одной из приоритетных задач любого государства. Неотъемлемой составной частью всех авиационных транспортных средств являются датчики давления, температуры и перемещения. Наиболее востребованными в авиационной технике являются датчики давления (далее ДД) для топливных и гидравлических систем. Одной из задач, с которыми сталкиваются разработчики при проектировании датчиковой аппаратуры, является сохранение работоспособности и заданных технических характеристик при воздействии различных дестабилизирующих факторов внешней среды (таблица 1), возникающих при эксплуатации ДД. Таблица 1 – Основные воздействующие факторы Воздействующий фактор

Характеристика воздействующего фактора

Пониженная температура Рабочая, °С окружающей среды Предельная, °С Повышенная температура Рабочая, °С окружающей среды Предельная, °С Акустический шум Диапазон частот, Гц

Значение фактора

воздействующего

Минус 55 Минус 65 125 200 10000

Уровень звукового давления, 150 дБ Случайная широкополосная Диапазон частот, Гц 500-2000 вибрация Спектральная плотность 0,025 виброускорения, g 2/Гц При воздействии указанных в таблице 1 факторов ДД должны преобразовывать давление измеряемой агрессивной среды в аналоговый или цифровой выходной сигнал. При этом предел основной погрешности измерения ДД по требованиям разработчиков перспективных объектов авиационной техники снижается с каждым годом и в настоящее время составляет не более 0,15% от верхнего предела измерения (ВПИ). Разработка соответствующих указанным требованиям ДД, применяемым в силовых установках, гидравлических и топливных системах нового поколения, требует нового подхода к проектированию датчиковой аппаратуры. В настоящее время реализовано множество типов ДД, в которых использованы различные принципы преобразования абсолютного и избыточного давления измеряемой среды (пьезорезистивный, пьезоэлектрический, ёмкостной, резонансный и др.) в выходной сигнал. Пьезорезистивный метод [1] преобразования давления относится к наиболее перспективным методам, позволяющим создать серийно выпускаемые ДД для авиационной техники, удовлетворяющие заложенным техническим требованиям. Использование в конструкции ДД пьезорезистивных преобразователей с сформированными пьезорезисторами, включенными по схеме моста Уитстона, которые изолированы с помощью p-n-переходов, ограничивает применение данного типа ДД на высоких температурах. Граница верхнего предела температуры для кремниевых преобразователей составляет +125°С. Такое ограничение вызвано шириной запрещенной 296

зоны материала. Для достижения работоспособности ДД с сохранением заданных характеристик на расширенном диапазоне температур до +200°С требуется разработка нового конструктивного исполнения пьезорезистивного преобразователя. В процессе проведения опытно-конструкторской работы, проведенной на базе предприятия ЭОКБ «Сигнал» им. А.И. Глухарева, был разработан ДД (Рисунок 1) с применением пьзорезистивного преобразователя из монокристаллического кремния. Технические характеристики разработанного ДД приведены в таблице 2. Таблица 2 – Технические характеристики ДД с применением пьезорезистивного преобразователя из монокристаллического кремния Наименование параметра Диапазон измерения давления, кгс/см².

Значение От 0,3 до 45

Перегрузочное давление, кгс/см² абс.

1,5 Рном.

Рабочая температура, °С От минус 60 до +200 включ. Погрешность измерения в рабочем диапазоне от верхнего предела диапазона измерения давления ±0.5 (при всех условиях эксплуатации), %, не более: Выходной сигнал, мВ От 100 до 120 Напряжение питания постоянного тока, мА

4 ±0,2

Вибрация в диапазоне частот от 10…2000Гц

10g

Достижение работоспособности ДД в расширенном температурном диапазоне достигнуто за счет осуществления изоляции тензорезисторов с использованием диэлектрических слоев [3], а не традиционных p-n-переходов.

Рисунок 1 – Конструкция датчика давления с применением пьезорезистивного преобразователя из монокристаллического кремния Конструктивно датчик выполнен в виде моноблока и состоит из интегрального преобразователя (ИП) абсолютного или избыточного давления (3) в зависимости от исполнения, штуцера для монтажа на объект (4), электрического соединителя типа СНЦ (7), защитного кожуха (8), разделительной мембраны (1), трубки для заполнения разделительной жидкостью (5), металлостеклянного корпуса (6) и кремнийорганической жидкости (2). Интегральный преобразователь (3) выполнен из кремниевого упругого элемента с образованными на нем кремниевых пьезорезистивных структур на диэлектрической изоляции (SiO2) [3]. Пьезорезисторы сформированы в виде моста Уитстона – электрическая цепь, используемая для измерения сопротивления (рис. 2). Выходной сигнал (Uвых) по схеме Уитстона определяется по формуле: 297

U ВЫХ = E ПИТ

R1 R3 − R2 R4 ( R1 + R4 )( R2 + R3 )

(1)

Рисунок 2 – Мостовая схема Уитстона Из формулы (1) видно, что если все сопротивления в мосту равны, то при подаче питания имеем на выходе нулевой сигнал. Однако на практике сопротивления резисторов лишь относительно равны друг другу, существует малое отклонение от номинального значения. Из-за этого на выходе возникает неприемлемый сигнал, вызванный разбросом сопротивлений, который называется начальным разбалансом моста. Монтаж ИП осуществляется к металлостеклянному корпусу через компенсирующую подложку из стекла (Pyrex) для уменьшения влияния напряжений на ИП, возникающих в конструкции датчика от внешних воздействующих факторов (ВВФ). Металлостеклянный корпус (6) изготовлен из коррозионностойкой стали, по по температурному коэффициенту линейного расширения приближенной к стеклу. В корпусе с помощью металлостеклянного спая вакуумноплотно вмонтированы электро-выводы для соединения ИП с электрическим соединителем (7). Для защиты ИП от воздействия агрессивной среды к корпусу (6) методом лазерной сварки приварена мембрана из коррозионностойкой стали. Геометрические размеры мембраны и её ход при изменении измеряемого давления определяются по формулам (2,3).

Wм = Aр ⋅ Pном ⋅ Rн4 / (E ⋅ h 3 ) ,

(2)

где Wм – ход мембраны, мм; Rн – наружный радиус мембраны, мм; ro – радиус жёсткого центра, мм; Е = 1820000 кгс/см2 – модуль упругости; Рном – номинальное давление, кгс/см2; h – толщина мембраны, мм.

Aр = 3(1 − µ 2 )(k 4 − 4k 2 ln k − 1)/ (16k 4 ),

k = Rн / rн

(3)

где μ – коэффициент Пуассона. В качестве передаточного звена от измеряемой среды к ИП выбрана полиметилсилоксановая жидкость (ПМС) 20р, коэффициент её температурного расширения приблизительно равен с температурным коэффициентом расширения корпуса. ПМС широко используется технике, благодаря высокой теплопроводности и химической инертности. Заполнение разделительной жидкостью ПМС производилось в высоком вакууме (1х10−4 мм.рт.ст.) через впаянную в корпус (6) стальную трубку (5). Предварительно перед заполнением жидкость ПМС необходимо дегазировать при температуре +60°С в течении 2 часов. Разработанная конструкция датчика благодаря наличию диэлектрических слоев в интегральном пьезопреобразователе обеспечивает работоспособность ДД в расширенном 298

диапазоне рабочих температур (от минус 600С до +2000С), смещенном в сторону высоких температур, относительно температурного диапазона традиционных ДД. Другой особенностью датчика является наличие встроенной температурной компенсации чувствительности в ИП при питании от генератора тока. Изготовленные опытные датчики абсолютного давления подтвердили заявленные характеристики при основных ВВФ на конструкторских испытаниях, проведенных на базе предприятия ОАО ЭОКБ «Сигнал» им. А.И. Глухарёва. Таблица 3 – Перечень оборудования используемого при проведении испытаний Наименование приборов(оборудования)

Тип или обозначение

Диапазон измерения

Класс точности, погрешность

Вольтметр

Agilent 34970F

0-30 В

0,005% от ИВ

Задатчик давления

Mensor CPC 6000

0 – 51 бар

0.01% от ВПИ

Источник питания постоянного тока

NI – 4110

0-100В 0-2А

0,15% от ИВ

Камера тепла-холода

ESPEC SU-261

от -60 до +150

±1ºС

Расчёт отклонения от индивидуальной линейности был проведен на основании соотношения[4]:

γ=

U sr − U n ×100% , U max − U 0

(4)

U sr = (Upr + Uobr ) / 2

(5)

U n = U o + n ⋅ (U max − U 0 ) / 5

(6)

где U sr – среднее значение выходного сигнала; U max , U 0 – соответственно верхний и нижний пределы измерений выходного сигнала; U n – линейная расчетная характеристика. Следующий этап разработки ДД с применением ИП заключается в применение усилительных и корректирующих электрических схем для создания интеллектуального ДД на расширенный температурный диапазон. Наиболее подходящей схемой для реализации поставленной задачи является применения формирователя сигнала параметрических датчиков [4]. Малогабаритные ДД нового поколения разработанные в ОАО ЭОКБ «Сигнал» им. А.И. Глухарева и изготовленные с использованием материалов, элементов и комплектующих только отечественного производства, со встроенной термокомпенсацией на всем заявленном диапазоне температур от минус 600С до +2000С, позволят провести модернизацию имеющихся и разработать новое поколение систем измерения, контроля, управления и диагностики новейших образцов воздушной техники. Перечень ссылок 1. Аш Ж и соавторы. Датчики измерительных систем: В2-х книгах. Кн. 1. Пер. с франц. – М.: Мир, 1992.-480 с., ил. 2. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник, москва: техносфера, 206.-592с. 3. В.А. Гридчин, В.М. Любимский. Тензопреобразователь давления.-Патент РФ №2329480 от 20.07.08г. 4. А.А. Львов, В.А. Пыльский. Линейная петлевая схема точной обработки сигналов датчиков. Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2004. - №2 (3). - С. 102-113. 5. Датчики давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми выходными сигналами ГСП. ГОСТ 22520-85. 299

УДК 536.51 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВИЗОРА НА БАЗЕ ИНФРАКРАСНОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ СЕРИИ MLX90614 Кузнецов Д.Н., доц., к.т.н.; Стеценко А., студент (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Актуальность. Тепловизоры применяют для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Современные тепловизоры нашли широкое применение как на крупных промышленных предприятиях, где необходим тщательный контроль за тепловым состоянием объектов, так и в небольших организациях, занимающихся поиском неисправностей сетей различного назначения. Так, сканирование тепловизором может безошибочно показать место отхода контактов в системах электропроводки. Особенно широкое применение тепловизоры получили в строительстве при оценке теплоизоляционных свойств конструкций. Так, к примеру, с помощью тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в строящемся доме и сделать вывод о качестве применяемых строительных материалов и утеплителей. Современные тепловизоры позволяют определять температуры динамических (движущихся объектов) в режиме реального времени. Однако стоят они весьма дорого (тысячи евро). В качестве дешевой альтернативы в данной работе рассматривается тепловизор сканирующего типа, выполненный на базе бесконтактного инфракрасного (ИК) датчика температуры серии MLX90614 фирмы Melexis [1]. Данный тепловизор подойдет для съемки статических объектов. Целью работы является исследование тепловизора сканирующего типа на базе ИК датчика температуры серии MLX90614 и оценка его основных метрологических характеристик: уровня собственных шумов, погрешности измерений, пространственной разрешающей способности. Принцип действия тепловизора заключается в определении поля температур исследуемой поверхности путем сканирования по сегментам. Температура сегмента измеряется с помощью бесконтактного ИК датчика температуры с узкой диаграммой направленности. Для перемещения фокуса термодатчика по сегментам используется поворотный кронштейн с двумя сервоприводами, обеспечивающий поворот датчика по горизонтали и вертикали с разрешением в 1 градус. Основным элементом тепловизора, определяющим его возможности и характеристики, является ИК датчик температуры MLX90614-ACF (см. рис. 1).

а)

б)

Рисунок 2 – Внешний вид (а) и расположение выводов (б) датчика MLX90614-ACF

300

MLX90614-ACF имеет нормированные метрологические характеристики и узкую диаграмму направленности в 10 градусов по уровню 50 % от максимальной чувствительности (см. рис. 2). Диапазон измеряемых температур датчика лежит в пределах от -70 0С до +380 0С. Основная погрешность в диапазоне измеряемых температур от 0 0С до 50 0С не превышает ±0,5 0С и достигает ±4 0С на краях рабочего диапазона измерений.

Рисунок 2 – Диаграмма направленности датчика MLX90614-ACF На рисунке 3 представлена принципиальная схема исследуемого тепловизора. Датчик температуры и два сервопривода подключаются непосредственно к стандартному микропроцессорному модулю Arduino Uno. Управление сервоприводами осуществляется с помощью сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) S1 и S2. Обмен данными с датчиком MLX90614 происходит по шине двухпроводного интерфейса I2C. ARDUINO

DIGITAL

0 1 2 3 4 5

ANALOG

SDA SCL

POWER

+5V

RESET 3V3 5V GND GND Vin

AREF GND 13 12 pwm 11 pwm 10 pwm 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Servo 1 S1 +5

S1 S2

Servo 2 S2 +5

pwm pwm pwm TX RX

S +5 Gnd

SCL SDA +5

S +5 Gnd

MLX90614 1 SCL 2 SDA 3 Vdd 4 GND

Рисунок 3 – Принципиальная схема тепловизора на базе датчика MLX90614 Тепловизор реализует следующий алгоритм работы: 1. По команде от микроконтроллера сервоприводы поворачивают кронштейн на заданный угол по вертикали и горизонтали. 2. Выдерживается некоторая пауза для установления показаний датчика температуры. 301

3. Микроконтроллер получает от датчика значение температуры данного сектора поверхности. 4. Микроконтроллер передает в компьютер температуру и угловые координаты сектора. 5. Программа на Delphi для компьютера получает измерительные данные от микроконтроллера и формирует цветную картинку теплового поля исследуемой поверхности. Опытный образец разработанного тепловизора приведен на рисунке 4. Тепловизор выполнен в бескорпусном варианте и содержит только стандартные элементы.

Рисунок 4 – Опытный образец тепловизора Основным недостатком рассматриваемого тепловизора является большое время сканирования, которое равно произведению времени измерений в точке tизм на общее число точек сканирования N t скан = N ⋅ tизм = n x ⋅ n y ⋅ tизм ,

(1)

где nx, ny – число точек по горизонтали и вертикали соответственно. Из (1) следует, что для уменьшения времени сканирования необходимо уменьшать число точек сканирования N и время измерений в точке tизм. Время измерений датчика MLX90614 зависит от настроек встроенных цифровых фильтров и может быть установлено в пределах от 0,06 до 7 секунд. В результате экспериментов выяснилось, что при уменьшении времени измерений растет уровень шумов термометра. В качестве примера на рисунка 6 и 7 приведены результаты измерений уровня шума датчика MLX90614-ACF при настройках по умолчанию и максимальном быстродействии соответственно. Из результатов следует, что выбор времени измерений является компромиссом между быстродействием и качеством измерений. Авторами было выбрано: tизм = 0,14 с; nx=60; ny =40. Расчетное время сканирования: t скан = n x ⋅ n y ⋅ tизм = 60 ⋅ 40 ⋅ 0,14 = 336 с ≈ 5,5 мин.

302

(2)

Т·10, 0С

Рисунок 5 – Шум датчика при настройках по умолчанию с быстродействием 1,33 с

Т·10, 0С

Рисунок 6 – Шум датчика при максимальном быстродействии 0,06 с На рисунке 7 представлены объекты сканирования, фарфоровая кружка с теплой водой (50 С) и охлажденная до 10 0С консервная банка. Результаты сканирования, полученные с помощью разработанного тепловизора на различных расстояниях до объектов, приведены на рисунках 8 и 9. 0

Рисунок 7 – Объекты сканирования Из результатов следует, что пространственная разрешающая способность исследуемого тепловизора примерно равна 10 градусам, время сканирования около 5,5 минут а основная погрешность измерений температуры в диапазоне от 0 до 50 0С не превышает 0,5 0С.

303

Рисунок 8 – Результаты сканирования с расстояния 0,5 метров

Рисунок 9 – Результаты сканирования с расстояния 3 метров Выводы: 1. Разработанный тепловизор пригоден для сканирования статических объектов. При стоимости менее $100 он обеспечивает пространственную разрешающую способность в 10 градусов и минимальную погрешность измерений температуры в 0,5 0С. 2. Для улучшения разрешающей способности до 5 градусов рекомендуется применить датчик с индексом I в конце (MLX90614-ACI). Перечень ссылок 1. Самодельный тепловизор на базе Arduino – Электронные данные. – Режим доступа: http://habrahabr_full.complexdoc.ru/594526.html. – Дата доступа: апрель 2014. – Загл. с экрана.

304

УДК 004: 621.398 АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ И ИСПЫТАНИЙ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ Николаенко А.Ю., студент; Львов П.А., доц., к.т.н.; Львов А.А., проф., д.т.н. (Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов, Россия) Интеллектуальные датчики давления – перспективное направление развития первичных преобразователей. К их достоинствам можно отнести возможность компенсации основных и дополнительных погрешностей, возможность оценки достоверности и обработки информации. Интеллектуальные датчики давления применяются во многих отраслях промышленности: авиация, машиностроение, энергетика, химическая промышленность. Значительную часть предприятий, выпускающих интеллектуальные датчики давления, составляют предприятия оборонно-промышленного комплекса. Увеличение заказов на поставки измерительного оборудования требуют увеличения объемов выпуска датчиков. Поэтому на этих предприятиях выполняется переход к автоматизированному производству. В рамках решения задачи автоматизации на производстве создаются системы мониторинга технологических процессов и испытания датчиков давления. Эти системы предназначены для определения и контроля параметров датчиков в нормальных и экстремальных климатических условиях. Структурная схема такой системы представлена на рисунке 1. Устройства ввода

Устройства отображения

ПК PXI 1042

Рвх

соединение с ПК

контроллер ПК управление периферийными устройствами

прием цифровых сигналов датчиков

управляющие сигналы GPIB/USB/RS232 вакуумный насос

вакуум магистраль

контроллер давления

ARINC-429 магистраль давления выходные сигналы датчиков

Д1

Д2

Дn

электрическое питание датчиков

источник питания

коллекторы

Термокамера

Рисунок 1 – Структурная схема системы В состав аппаратной части системы входит: - PXI 1042 – стойка (вмещает восемь слотов) с интегрированным контроллером, на базе процессора Intel с предустановленной ОС Windows 7; - модуль интерфейса Arinc-429; - вакуумный насос BECKER U-3.6; - задатчик давления Mensor CPC8000 – осуществляет подачу испытательного давления на датчики; - климатические камеры (камера тепла ESPEC PHH-101M, камера холода ESPEC MC811) – обеспечивают требуемые значения испытательных температур; 305

- программируемый источник питания (АКИП 1118) – обеспечивает питание датчиков, проходящих процесс стабилизации; - коллектор – осуществляет распределение испытательного давления между определенным числом датчиков. Механические характеристики датчиков давления существенно зависят от температуры, что приводит к возникновению значительной температурной составляющей погрешности измерений. При этом требования к точности измерений информации постоянно повышаются. Для обеспечения температурной независимости работы интеллектуальных датчиков давления предлагается следующая методика. Исходно предполагается, что датчик рассчитан для проведения измерений в известном диапазоне давлений [Pmin, Pmax] и известном диапазоне температур [Tmin, Tmax]. Также предполагается, что контроллер давления и климатические камеры, входящие в состав установки, позволяют устанавливать данные параметры внутри указанных диапазонов с заданной точностью. Поскольку не известен вид функциональной зависимости u = f(P,T), связывающей выходной сигнал датчика u с входным давлением P и температурой окружающей среды T, то вид функции f можно найти только приближённо в результате экспериментальных исследований с помощью методов аппроксимации характеристик датчика, полученных опытным путём. Для аппроксимации будут использоваться полиномиальные зависимости. Также предполагается наличие ошибок измерения выходных сигналов u, т.е. реально измеряется следующая величина: y = u + ξ,

(1)

где ξ – некоторая погрешность измерения. Для снижения влияния случайных ошибок измерения в каждой отдельной исследуемой экспериментально точке с координатами (Pj,Ti) проводится не одно измерение сигнала с выхода датчика, а серия из M измерений и вычисляется некоторое осреднённое значение сигнала в данной точке. На основании экспериментальных данных можно аппроксимировать характеристику датчика u = h(P) полиномом некоторой степени n: u = h(P) = a0 + a1⋅P + a2⋅P2 + … +an⋅Pn =

∑a r =0

⋅ Pr ,

(2)

где коэффициенты полинома ar (r = 0, 1, …, n) являются функциями температуры ar = gr(T). Методика поиска модели состоит из следующих этапов: 1. Получение и сбор необходимых экспериментальных данных; 2. Статистическая обработка полученных данных с определением степени полинома n и оценкой коэффициентов ar модели (2) для каждой из рассматриваемых температур Ti; 3. Нахождение функций ar = gr(T). На этапе получения экспериментальных данных диапазон давлений [Pmin, Pmax] равномерно разбивается на Np поддиапазонов, а диапазон температур [Tmin, Tmax] – на NTmax поддиапазонов. Для каждого заданного значения температуры производится получение статической характеристики датчика u(Ti) = f(P,Ti). После чего для каждого заданного значения давления осуществляется процедура измерения выборочного среднего значения выходного сигнала датчика yij и дисперсии погрешностей измерения σ ij2 в точке с координатами (Pj,Ti) по известным формулам [2]. На этапе статистической обработки экспериментальных данных проверяется гипотеза о равноточности измерений, рассчитываются весовые коэффициенты в точках (Pj,Ti) и производится процедура аппроксимации экспериментальной зависимости полиномами, в качестве которых используются полиномы Чебышёва первого порядка. Поэтому зависимость (2) заменяется зависимостью:

306

u = h(P) =

∑b

r =0

⋅ Qr (P ) ,

(3)

где Qr(P) – полином Чебышёва степени r. Методика аппроксимации экспериментальных зависимостей моделью (3): 1. Для каждого выбранного значения Ti ( i = 0 , N T max ) выполняется процедура построения полинома вида (3), определяются его степень ni и коэффициенты bri. 2. Определяется максимальная степень nmax полученных полиномов. 3. Для значений Ti, для которых степень полинома ni < nmax, строится полином степени nmax с помощью процедуры построения полинома. Процедура построения полинома выполняется в предположении, что при конкретном заданном значении температуры Ti все значения осреднённого выходного сигнала датчика yij ( j = 0, N P ) считаются равноточными, поэтому все измерения учитываются в дальнейших расчётах с одинаковыми весовыми коэффициентами wij. Для определённости будем их считать равными 1. Ниже приводятся основные расчётные формулы в предположении, что степень полинома (3) выбрана равной n. Оценки коэффициентов регрессии br находятся из соотношения: −1 bˆ = (X T X ) (X T y) ,

(4)

где: b = (b0, b1, …, bn)T – неизвестный вектор коэффициентов модели (3); b̂ – оценка данного вектора; y – вектор осреднённых измерений выходного сигнала, компоненты которого равны yij = y (Ti , Pj ) ( j = 0 , N P ); X – матрица плана эксперимента размера (NP+1)×(n+1):

 Q0 (P0 )   Q0 (P1 ) X =    Q0 PN P 

( )

Q1 (P0 )  Qn (P0 )   Q1 (P1 )  Qn (P1 )  ,      Q1 PN P  Qn PN P 

( )

(5)

( )

и –1 – операции транспонирования и нахождения обратной матрицы соответственно. Так как столбцы матрицы X ортогональны, то матрица X T X является диагональной, в T

(

диагонали которой стоят элементы: xµ =

(

)

∑ Qµ2 ( Pm ) , (µ=0, 1, …, n).

m =0

−1

Тогда обратная матрица X X тоже будет диагональной с элементами в главной диагонали, равными 1 xµ . Поэтому при увеличении степени полинома (3) на единицу нет T

(

)

−1

необходимости пересчитывать матрицу X T X , а достаточно только увеличить её размеры на 1, при этом последний диагональный элемент будет равен 1 x(n+1) , что существенно упрощает все расчёты. Остаточная дисперсия отклонения экспериментальных данных от кривой регрессии рассчитывается по формуле:

σ r2 =

 NP 2 n  NP  1 ∑ yij − ∑ b̂r  ∑ yij Qr (Pj ) . N P − ni − 1  j =0 r =0   j =0

Описание процедуры построения полинома: 1. При i=0 выбирается начальный порядок полинома (3) равным ni = 1:

307

(6)

yij = b0 + b1 ⋅ Q1 (Pj ) , ( j = 0 , N P )

2. Рассчитывается матрица плана эксперимента (5). 3. Рассчитываются оценки коэффициентов регрессии по формуле (4). 4. Вычисляется остаточная дисперсия по формуле (6). 5. Составляется F-отношение: F = M⋅ σ r2 / σ ij2 . 6. Число F сравнивается со значением γ из таблицы распределения Фишера, соответствующим заданному уровню значимости q и числам степеней свободы, с которыми подсчитаны дисперсии (в нашем случае они равны: NP–ni–1 и M–1). 7. Если F≤γ, то считается, что модель (3) адекватно описывает экспериментальные данные при температуре Ti, за оценки коэффициентов регрессии принимаются значения, полученные из (4). Далее осуществляется переход к следующему значению температуры Ti+1, для чего степень полинома (3) выбирается равной n – степени полинома на предыдущем шаге, и выполняется описанный цикл по пунктам 1°÷7°. Если F>γ, то модель считается неадекватной. Необходимо увеличить порядок полинома (3) на единицу (n+1) и повторить расчёты, начиная с п. 2°. Зависимость каждого коэффициента br от температуры определяется в виде полиномиальной зависимости вида (7): K

br = br (T) =

∑c k =0

⋅ T k , (r=0, 1, …, nmax),

(7)

где K – порядок модели; cλ – коэффициенты регрессии, оценка которых вычисляется и впоследствии заносится в память микропроцессора интеллектуального датчика. По снятому значению выходного сигнала датчика u и известной температуре T можно оценить значение входного давления P: 1. По известным коэффициентам cλk и температуре T рассчитываются значения коэффициентов характеристики датчика bλ на основании выражений (7). 2. Рассчитывается нулевое приближение искомого давления для чего зависимость (2) линеаризуется: u = b0 + b1 ⋅ P . Откуда: P(0) = (u – b0)/b1. 3. Нулевое приближение уточняется по методу Ньютона [3], используя следующее рекуррентное соотношение: P(l) = P(l–1) – h(P(l–1))/ h′(P(l–1)). Итерации продолжаются, пока не будет достигнута требуемая точность. Программно-аппаратный комплекс в целом позволил снизить трудоемкость технологических процессов контроля параметров и испытаний датчиков давления в нормальных и экстремальных климатических условиях, исключить влияние субъективного фактора за счет автоматизации операций подачи внешних воздействий и контроля выходных параметров; увеличить количество контролируемых параметров при регулировке и испытаниях выпускаемой продукции при одновременном сокращении ручного труда и повышения производительности техпроцесса в целом. Разработка программного обеспечения, реализующего предлагаемый метод, и его включение в состав автоматизированных систем позволит обеспечить температурную независимость работы интеллектуальных датчиков давления и повысить точность измерений, производимых с помощью этих датчиков. Перечень ссылок 1. Прасолов В. В. Многочлены. – М.: МЦНМО, 2003. – 336 с: 2. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений. – М.: ГИФМЛ, 1958. – 334 с. 3. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. – М.: Мир, 1985. – 509 с. 308

УДК 621.446 ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ ТЕНЗОМЕТРИИ В РАМКАХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ "ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ МАШИН" Родионов Н.А., аспирант; Сотников А.Л., доц., к.т.н. (ГВУЗ "Донецкий национальный технический университет", г. Донецк, Украина) Методы тензометрии широко используются при измерениях упругих деформаций (измерения растяжения или сжатия тел), а также их производных, выраженных в виде измерений крутящих и изгибающих моментов, воздействующих на поверхности различных деталей при их механической нагрузке [1-2]. В основу тензоментрии положен тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводника первичного преобразователя (тензодатчика) под действием механических напряжений и деформаций. Использование тензодатчиков при проведении научно-технических исследований позволяет осуществлять контроль деформаций и напряжений при воздействии статических и динамических нагрузок. Особенно актуально это в случае работы со статически неопределимыми механическими системами, параметры нагружения которых могут быть определены только косвенными эмпирическими методами. В виду вышеописанного актуальным является практическое изучение студентами инженерных специальностей основ методов тензометрии в рамках проведения соответствующих лабораторных работ, например, по дисциплине "Динамика и прочность металлургических машин". Отдельно можно выделить такую процедуру, как тарировка используемых при измерении деформаций тензорезисторов, на которых строятся тензодатчики. Тарировка тензодатчика, предназначенного для измерения напряжений в детали, выполняется с целью "привязки" значений, изменяемых пропорционально нагрузке и деформации, токовых характеристик тензодатчиков (выражаемого, как правило, в кодах аналого-цифрового преобразователя (АЦП)). С этой целью был разработан соответствующий лабораторный стенд в виде "балочки равного сопротивления изгибу" (рис. 1), который позволяет проводить тарировку тензодатчиков, установленных по схеме "мост" или "полумост" [3], косвенным методами.

Рисунок 1 – Схема тарировочной балочки: h – толщина балочки; α – угол при вершине балочки в плане; bx – ширина на расстоянии х от вершины балочки Стенд представляет собой консольно жестко закрепленную пластину в форме треугольника в плане, так называемой "балочки", к остроконечному концу которой прикладывается нагрузка G, в виде статического груза заранее известной массы (рис. 2). 309

На балочке располагаются тензодатчики: контрольный и подлежащий тарировке (рис. 3). Тарируемый датчик через основание в виде пластины клеится с помощью специального клея на поверхности балочки, что позволяет после тарировки перенести его на исследуемую деталь, без существенного искажения коэффициента тензочувствительности датчиков.

Рисунок 2 – Статическое нагружение тензометрической балочки

Рисунок 3 – Расположение контрольного и подлежащего тарировке тензодатчиков на тарировочной балочке Фольговый тензорезистор, на основе которого выполняется тензодатчик, представляет собой плоский элемент (рис. 4), состоящий из тонкой (0,015…0,03 мм) фольги 1, материал которой обладает высоким омическим сопротивлением (как правило, константан), уложенной зигзагообразно между двумя полосками специальной тонкой (0,002…0,005 мм) полимерной пленки 2. К концам фольги пайкой присоединены латунные выводы 3, служащие для соединения тензорезистора с системой тензометрических измерений. Применение константановой фольги обусловлено двумя существенными факторами: а) высоким омическим сопротивлением проводника; б) постоянством удельного сопротивления при повышении температуры до 500 °С. Например, у стали в этом же диапазоне температур удельное сопротивление увеличивается почти в восемь раз. Датчик вследствие зигзагообразной укладки фольги реагирует только в направлении оси X и не чувствителен в направлении оси У.

Рисунок 4 – Принципиальная схема устройства тензорезистора 310

Базой тензодатчика называют длину l0 прямолинейных участков проводника, из которого он изготовлен (см. рис. 3). Отношение относительного изменения сопротивления εR к относительной продольной деформации εl называют коэффициентом тензочувствительности K. Для большинства применяемых материалов он приблизительно равен: K=

εR ≅ 2. εl

Для проведения лабораторных работ по тарировке тензометричекой системы выбраны фольговые тензорезисторы типа BE120-2AA-A(11)-D с базой l0=2 мм и сопротивлением R=120 Ом. Следует учитывать, что с уменьшением базы датчика снижается его тензочувствительность из-за увеличения влияния криволинейных участков (петель датчика). Для измерения одноосных напряжений тензорезисторы наклеиваются на деформируемую балочку или исследуемую деталь и включаются в мостовую схему так, как показано на рис. 5. Один рабочий R1 и один компенсационный R2 тензорезисторы наклеиваются на верхнюю поверхность детали, а два других (R3 и R4) – на нижнюю поверхность. Рабочие тензорезисторы (R1 и R4) включаются в одни противоположные плечи моста, а компенсационные (R2 и R3) – в два других противоположных плеча. При такой схеме достигается не только температурная компенсация, но и компенсация изгибных напряжений, а чувствительность возрастает вдвое по сравнению, к примеру, с полумостовой схемой подключения.

Рисунок 5 – Схема расположения тензорезисторов на детали и порядок их включения в мостовую схему при измерении одноосных напряжений В виду конической формы, в любом сечении тарировочной балочки напряжения одинаковы и на расстоянии х от вершины равны: σx =

Mx , Wx

где Мх – изгибающий момент в сечении на расстоянии х от вершины балочки; Wx – момент сопротивления поперечного сечения. Подставляя выражение M x = Gx и Wx =

в первую формулу и приняв bx = 2 xtgα ,

311

bx h 2 6

получим σx =

3G , h 2tgα

т.е. напряжение не зависит от расстояния до вершины балочки. Зная параметры балочки h и α, и изменяя последовательно значение статического груза G (таблица 1), определяется ряд значений показаний измерительной тензометрической системы Iпр (кодов АЦП) и соответствующих им σх (рассчитанных по второй формуле в статье), по которым строится тарировочный график. В случае принятой для использования при проведении лабораторных работ тензометрической балочки, тарировочный график зависимости кодов АЦП от изменения статической нагрузки имеет вид, показанный на рис. 6. Дальнейшая аппроксимация которого полиномом 1-й степени позволяет получить соответствующую аналитическую линейную зависимость:

σ ( АЦП ) = 0,0107 + 0,0083 АЦП , где АЦП – соответствующие изменения нагружения в кодах АЦП. Таблица 1 – Геометрические размеры тензометрической балочки и параметры ее нагружения

Напряжение σх, МПа

Геометрические размеры тензометрической балочки h, мм α° 10 25

Массы статического груза G, Н Gmin 4,8

GΔ 4,8

Gmax 19,2

0 0

500 1000 Коды АЦП

1500

Рисунок 6 – Тарировочный график Последняя зависимость позволяет проводить измерения деформации исследуемой механической конструкции (или детали) после установки на нее протарированных тензодатчиков. Таким образом, разработана методика проведения лабораторной работы по тарировке тензометрических датчиков косвенным методом, с использованием тензометрической балочки равного сопротивления изгибу. Перечень ссылок 1. Совершенствование конструкции манипулятора для механизированной замены защитной огнеупорной трубы при непрерывной разливке стали / С.П. Еронько, С.В. Быковских, Н.А. Родионов, Е.В. Банных / Металлургические процессы и оборудование. – 2010. – №2. – С. 19-25. 2. Еронько С.П., Быковских С.В. Физическое моделирование процессов внепечной обработки и разливки стали. – К.: Техника, 1998 г. – 136 с. 3. Панфилов В.А. Электрические измерения. – М.: Академия, 2006. – 288 с. 312

УДК 535.345.1,62-783.1 АЛГОРИТМІЧНО-СТРУКТУРНИЙ СИНТЕЗ СИСТЕМИ КОНТРОЛЮ ВИБУХОНЕБЕЗПЕЧНИХ ГАЗОВИХ СУМІШЕЙ РУДНИЧНОЇ АТМОСФЕРИ Соломічев, Р.І., аспірант.; Вовна О.В., доц., к.т.н. (ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк, Україна) Загальна постановка проблеми. Не зважаючи на комплексне оснащення вугледобичних підприємств новою системою аерогазового захисту УТАС (уніфікована телекомунікаційна система диспетчерського контролю й автоматизованого керування гірничими машинами та технологічними комплексами), на даний час на вугільних шахтах України залишається загроза життю робітників, у тому числі, що пов’язана з утворенням вибухонебезпечних ситуацій в шахті. Як відомо, система УТАС складається з більш ніж десяти підсистем, які контролюють концентрацію метану (СН4) у виробленні, оксиду вуглецю (СО), водню (Н2), сірководню (H2S), кисню (О2), швидкість повітряного потоку, температуру навколишнього середовища, вологість повітря, концентрацію легких та важких вуглеводнів, але при цьому в системі відсутнє обладнання за контролем зваженого у повітрі вугільного пилу, який підвищує імовірність вибуху пило-газової суміші. Даний недолік пов’язаний з тим, що існуючими аспіраційними пробовідбірниками неможливо в автоматичному режимі вести безперервний контроль концентрації та дисперсності вугільного пилу, немає цілісного алгоритму визначення імовірнісних характеристик вибуховості пило-газової суміші в залежності від швидкості та вологості повітря, дисперсності зваженого пилу. Проте, розроблений оптико-абсорбційний вимірювач пилу [1] позбавлений вказаних недоліків, має високу швидкодію, точність та роздільну здатність, які дозволяють вести безперервний контроль концентрації та дисперсності вугільного пилу в системі аерогазового захисту. Постановка цілі та задач дослідження. Метою роботи є дослідження структури та алгоритму роботи інформаційно-вимірювальної системи (ІВС) контролю вибухонебезпечних газових сумішей атмосфери вугільних шахт. Для цього необхідно вирішити наступні задачі: – розробити та дослідити комплексний показник-функціонал, який визначає імовірнісні характеристики критичних меж вибуховості пило-газової суміші; – виконати структурний синтез ІВС контролю вибухонебезпечних газових сумішей, яка враховує параметри рудничної атмосфери; – скласти алгоритм роботи ІВС, який на основі вимірюваних даних буде оцінювати поточну ситуацію у шахтному виробленні та прогнозуватиме вибухонебезпечні ситуації. Вирішення задач та результати дослідження. Проведені дослідження дають основу вважати, що на вибуховість пило-газової суміші в умовах вугільних шахт вливає така невід'ємна складова як газ – метан, що у відповідній кількості істотно знижує поріг вибуховості всієї суміші. Але при відсутності метану, або незначних його концентраціях у виробленнях вугільний пил з певною концентрацією (СП, г/м3), дисперсністю (D, мкм), зольністю (Ad, відн.од), виходом летючих (VCdaf , відн.од) також становить суттєву загрозу та може спричинити вибух. Крім цього, на вибух впливає вологість повітря ( γ пов , г/м3), його швидкість та температура. Встановлено дослідженнями МакНДІ, що найвибуховіша дисперсність пилу лежіть у межах від 1 до 10 мкм – це пил, який практично не осідає за всією довжиною шахтної виробки. З досліджень [2] отримано характеристики розподілення відносних концентрацій рудничного пилу від довжини виробки l, м для різної дисперсності та швидкості повітря, які зображено на рисунку 1, де позначено: 1 – концентрація вугільного пилу з радіусом частинок r=0.5 мкм при швидкості повітря u=0,7 м/с; 2 – r=0.5 мкм, u=1,3 м/с; 3 – r=2.5 мкм, u=1,3 м/с; 4 – r=2.5 мкм, u=6 м/с. При швидкості повітря від 0,7 до 1,3 м/с (менш ніж критична) концентрація пилу з дисперсністю часток до 3 мкм залишається практично незмінною від 313

джерела пилоутворення та по всій довжині вироблення (залежності 1, 2). Крупні фракції пилу (більш ніж 3 мкм) осідають на відстані близько 20 метрів від початкового перетину при швидкості повітря менш ніж критична (залежність 3). Зі збільшенням швидкості вище критичної (більше 5 м/с) спостерігається ефект вторинного пилоутворення за рахунок пилу, який здимається з ґрунту та поверхонь виробки, що фактично підвищує її концентрацію в повітрі та відстань розповсюдження (залежність 4). Cнорм(r,l), відн. од. 1,25 1 2 4

0,75 0,5

3 1

0,25 0

l, м 100

Рисунок 1 – Характеристика розподілення концентрації пилу за довжиною вироблення Розроблена математична модель [2, 3] дає змогу встановити вибухонебезпечну концентрацію вугільного пилу в залежності від зольності, виходу летючих, вологості повітря та концентрації метану, на основі наступного рівняння: 1/ m

m     Xм β daf d daf d   Cп (VC , A , γ пов , X м ) = (δ зв (VC , A ) + ς ⋅ γ пов ) ⋅ 1 −  α    X мНПВ + ϑ ⋅ γ пов   

(1)

де XмНМВ – нижня межа вибуховості (НМВ) метану в сухому повітрі, %; ϑ – узгоджувальний коефіцієнт підвищення НМВ метану, равный ϑ = 0,009 , %/(г/м3); α = 2,34 – показник степені, який підбирається експериментальним шляхом; δ зв (VCdaf , Ad ) – НМВ зваженого вугільного повітря в сухому повітрі, г/м3; ς – коефіцієнт підвищення НМВ (в залежності від властивостей вугілля змінюється в діапазоні від 0,357 до 0,755); β = 1,65 – показник степені, α що підбирається експериментальним шляхом; m=0,66512–0,12818(Хм/(ХмНПВ + ϑ ⋅ γ пов )). Графік поверхні вибухової концентрації пилу СП г/м3, побудований за вираженням (1) від концентрації метану Хм від 0 до 4 об.% та влагонасиченості повітря γ пов від 0 до 3 г/м3 має вигляд, як показано на рисунку 2, при середніх параметрах зольності вугілля марки l1 Ad=6,3 % та виході летючих VCdaf = 41 %. СП, г/ м3 15 12 9 6 3 0 0

1 2

γВОЛ, г/м3

2 3

ХМ, Об.%

Рисунок 2 – Графік змінення вибухової концентрації вугільного пилу від концентрації метану та влагонасиченості повітря Отримана теоретична модель на основі емпіричних даних погоджується з експериментальними дослідами, що виконувалися в МакНДІ [4]. Як видно з рисунку 2, при 314

сухому повітрі та відсутності метану – вугільний пил вибухає при концентрації 12 г/м3, а при концентрації метану 1 об.% – вибухова концентрація пилу знижується у два рази при сухому повітрі. Вибухова концентрація пилу знов збільшується при підвищенні вологості в шахтному вироблені, яка виступає в ролі природного флегматизатору. Отже, на онові створеної математичної моделі, що базується на багато параметричному функціоналі (1), запропоновано структуру ІВС контролю вибухонебезпечних сумішей рудничної атмосфери (рис. 3), яка складатиметься з наступних функціональних блоків: каналу вимірювання концентрації та дисперсності вугільного пилу, каналу вимірювання концентрації метану та каналу вимірювання вологості повітря. Дані вимірювачів по черзі перетворюються до цифрового формату завдяки аналого-цифровому перетворювачу (АЦК), робота якого регулюється сигналом управління (СУАЦП) від мікропроцесору (МПС), де проходить попередня обробка та передача інформації до персонального комп’ютера (ПК). У ПК відбувається накопичення та обробка за певним алгоритмом інформації за розрахованою концентрацією та дисперсністю вугільного пилу, концентрацією метану та вологістю повітря, визначається імовірність настання вибухонебезпечної ситуації в шахтному виробленні. Так як в системі використовуються оптичні вузли, то для стабільної їх роботи потрібно забезпечити в певний момент часу очищення оглядових вікон вимірювачів, що передбачено в блоці очистки оптики (БОО). Канал вимірювання концентрації та дисперсності вугільного пилу СУСД1 СУСД2

Драйвер СД1 СД2

СУСД3 Драйвер СД3

СД1

СД2

ЗОК температурної компенсації ВОК вимірювання параметрів пилу (0..3 г/м3)

ФД1

СД3

ПК

АБПС

ФД2

ФД3

БОО

СУСД1

Канал вимірювання концентрації метану ВОК вимірювання концентрації метана (0..4 об.%)

СУАЦП

АЦП Драйвер ФД3

СУСД1 СУСД1

МПС

СУАЦП

Канал вимірювання вологості повітря (1..10 г/м3)

Рисунок 3 – Структурна схема комп’ютеризованої ІВС контролю вибухонебезпечних газових сумішей рудничної атмосфери Канал вимірювання концентрації та дисперсності вугільного пилу [5] складається з відкритого оптичного каналу (ВОК), де відбувається часткове поглинання часточками пилу зондуючого випромінювання, та закритого оптичного каналу (ЗОК) термостатування зондуючих потоків випромінювання від світлодіодів (СД1 та СД2) з різними довжинами хвиль λ1=470 нм та λ2=624 нм. На виходах ВОК та ЗОК розміщуються однакові високочутливі фотодіоди (ФД1 та ФД2), узгоджені із спектром випромінювання світлодіодів, робота яких забезпечується відповідним драйвером та сигналами управління СУСД1 та СУСД2 від МПС. Інформаційні сигнали з виходів ФД1 та ФД2 перетворюються в напругу, підсилюються в аналоговому блоці перетворення сигналу (АБПС), де також усувається похибка від температурного дрейфу нуля та масштабується вихідний сигнал для подальшої оцифровки в АЦП. Оптоелектронний блок вимірювання концентрації метану [6] складається з ВОК, де відбувається часткове поглинання молекулами метану зондуючого випромінювання від СД3 з довжиною хвилі λ1=3,6 мкм, робота якого забезпечується сигналом управління СУСД3 315

відповідного драйверу від МПС. Вихідний потік випромінювання з ВОК від СД3 надходить до ФД3, спектральна чутливість якого узгоджена зі спектром випромінювання СД3, перетворюється в сигнал напруги та масштабується до уніфікованого вигляду для подальшої цифрової обробки. Алгоритм роботи комп’ютеризованої ІВС контролю концентрації вибухонебезпечних пило-газових сумішей приведений на рисунку 4. Початок

Визначена концентрація пилу?

Визначена концентрація метану?

СУСД1

Опитування каналу вимірювання концентрації пилу 4

СУСД3

Опитування каналу вимірювання концентрації метану ХМ

СУСД2

Опитування каналу вимірювання концентрації пилу 6

Теоретичний розрахунок функції розподілення пилу за дисперсністю

Опитування каналу вимірювання вологості повітря γ пов 13

Розрахунок C П _ вибух (VCdaf , A d , γ пов , X м )

Похибка мінімальна? + +

СП_вибух > СП

Розрахунок концентрації пилу СП

Аварійне знеструмлення обладнання, дегазація, змочування пилу у виробленні 15

Очистка оптичних вухлів від забруднення

Кінець

Рисунок 4 – Блок-схема алгоритму роботи комп’ютеризованої ІВС контролю вибухонебезпечних газових сумішей рудничної атмосфери Таким чином, знаючи поточні параметри рудничної атмосфери (концентрацію вугільного пилу, метану, вологість повітря) та їх динаміку змінення, на основі запропонованого алгоритму роботи комп’ютеризованої ІВС можна зробити прогноз щодо 316

настання вибухонебезпечної ситуації у вироблені, передчасно вжити відповідні заходи, такі як знеструмлення, дегазація та змочування пилу шахтної виробки. За цим алгоритмом вираховується теоретична границя вибуховості вугільного пилу на основі співвідношення (1) та порівнюється з поточним значенням виміряної концентрації пилу: якщо поточна концентрація нижче за розраховану граничну, то це розцінюється як нормальна робоча обстановка з безаварійним режимом роботи, якщо навпаки, то це розцінюватиметься як настання аварійного режиму з вживанням відповідних заходів. Вирахувані значення граничної концентрації пилу записуються у пам’ять персонального комп’ютера та будується графік поверхні за типом, як зображено на рисунку 2 для відслідковування динаміки змінення параметрів, що контролюються. Висновки. 1. Запропоновано до використання комплексний показник-функціонал, який визначає імовірнісні характеристики критичних меж вибуховості пило-газової суміші, а саме нижню границю вибухової концентрації вугільного пилу СП з урахуванням параметрів пилу (вихід летючих VCdaf , зольність Ad), вологості повітря γ пов та концентрації метану Xм в атмосфері вугільної шахти. 2. Розроблено структуру комп’ютеризованої інформаційно-вимірювальної системи контролю вибухонебезпечних пило-газових сумішей на основі запропонованого багато параметричного функціоналу, яка в своєму складі передбачає канали вимірювання концентрації та дисперсності вугільного пилу, концентрації метану та канал вимірювання вологості повітря. 3. Розроблено алгоритм роботи комп’ютеризованої ІВС, в якому відображається принцип вимірювання параметрів пило-газових компонент, оцінювання поточної ситуації у шахтному виробленні та з урахуванням динаміки змінення цих параметрів передбачено прогнозування настання вибухонебезпечної ситуації в шахті. Перелік посилань 1. Соломичев Р.И. Разработка математической модели измерителя концентрации угольной пыли в шахте / Р.И. Соломичев // Сборник научных трудов технологического института Южного федерального университета. – Таганрог – 2013. Выпуск № 5. – С. 75 – 80. 2. Соломічев Р.І. Дослідження впливу зміни концентрації компонент пило газової суміші на поріг вибуховості в умовах вугільних шахт / А.В. Вовна, А.А. Зорі, Р.І Соломічев // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: "Обчислювальна техніка та автоматизація". Донецьк – 2012. – Випуск № 23(201)’2012. – С. 145 – 152 3. Вовна О.В. Комплексне врахування впливу компонент рудничної атмосфери при розрахунку нижньої концентраційної межі вибуховості вугільного пилу. / О.В. Вовна, А.А. Зорі, Р.І. Соломічев // Сборник тезисов докладов Первой Всеукраинской научнотехнической конференции «Современные тенденции развития приборостроения», 19-20 ноября 2012 г., г. Луганск, кафедра «Приборы», ВНУ им. В.Даля. – 2012. – С. 272 – 273. 4. Збірник інструкцій до правил безпеки у вугільних шахтах / [Відп. за випуск Г.М. Суслов, С.О. Крутенко]. – К.: Мінпаливенерго, 2003. – 480 с. 5. Соломічев Р.І. Двопроменевий спосіб вимірювання концентрації і дисперсності пилового аерозолю у вугільних шахтах / Р.І. Соломічев // Збірник тез доповідей другої наукової міжнародної конференції «Вимірювання, контроль та діагностика в технічних системах» (ВКДТС–2013). Вінниця: ПП «Едельвейс і К», 2013. – С. 111–113. 6. Вовна О.В. Розробка та дослідження швидкодіючого вимірювача концентрації метану інваріантного до запилення рудничної атмосфери / О.В. Вовна, А.А. Зорі // Наукові праці ДонНТУ. Серія : "Обчислювальна техніка та автоматизація". Донецьк – 2012. – Випуск № 22 (200). – С. 143–150. 7. Вовна А.В. Методы и средства аналитического измерения концентрации газовых компонент и пыли в рудничной атмосфере угольных шахт / А.В. Вовна, А.А. Зори, В.Д. Коренев, М.Г. Хламов // Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ», 2012. – 260 с. 317

УДК 534.231:621.3.092 ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА ПРЯМОГО ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В ИЗМЕРИТЕЛЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В БАРАБАНЕ КОТЛА Соломичева С.В., аспирант; Тарасюк В.П., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Общий анализ проблемы и постановка задачи исследований. Для обеспечения метрологической надежности и технологической безопасности работы котлоагрегатов тепловых электростанций необходимо обеспечить оперативный контроль уровня жидкости в барабане котла. Существующие способы контроля уровня жидкости в барабане котла не позволяют производить контроль уровня в режиме реального времени с требуемым разрешением [1]. Поэтому предложен способ измерения уровня с помощью ультразвукового эхо-локационного метода [2]. Уровень жидкости в барабане котла определяют по выходному сигналу приемника пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) с учетом особенностей акустического тракта. Акустическим трактом называют путь ультразвукового сигнала от излучателя до отражателя и далее к приемнику колебаний (излучатель (1) – протектор (2) – иммерсионный слой (3) – объект контроля (4) – отражатель (5) – объект контроля (4) – иммерсионный слой (3) – протектор (2) – приемная пьезопластина (1)). Для стенки барабана котла он показан на рисунке 1:

ПЭП

5 Пар

Стенка барабана

Вода

Рисунок 1 – Акустический тракт прямого ПЭП в измерителе уровня жидкости в барабане котла Как видно из рисунка 1, ультразвук проходит через три среды, следовательно, в акустическом тракте возникают следующие эффекты: ослабление в протекторе, частичное отражение, частичное преломление, трансформация на границе объекта контроля и отражателя, затухание в стали (поглощение, рассеяние) при распространении ультразвука в контролируемой среде. Следовательно, все эти факторы оказывают влияние на амплитуду полезного сигнала на приемнике ПЭП. Целью данной работы является исследование модели акустического тракта для прямого ПЭП в измерителе уровня жидкости в барабане котла, чтобы определить амплитуду полезного сигнала в зависимости от размера преобразователя, глубины прохождения ультразвука, отражения, акустических свойств материала и частоты колебаний. Основная часть. Ранее была получена модель звукового поля вдоль оси излучения [2] для частоты 2 МГц, основанная на относительном звуковом давлении, создаваемом ультразвуковой волной на акустической оси круглого излучателя на расстоянии Х от его поверхности. Относительное звуковое давление определяется по формуле: P( x) π  = P0 2 sin  ⋅  a 2 + x 2 − x  ,  P0 λ 

318

(1)

где а – радиус излучателя; Р0 – давление, создаваемое преобразователем в любой точке под поверхностью раздела либо непосредственно на излучателе, Р(х) - давление, создаваемое преобразователем в любой точке на расстоянии Х [3]. Зависимость акустического поля излучателя от расстояния вдоль оси излучения представлена на рисунке 2:

Р(Х), Па 1 . 109

N/2

7.5 . 108 5 . 108

Р0

2.5 . 108 0

90 Х, мм

Рисунок 2 – Акустическое поле излучателя вдоль оси излучения Из рисунка 2 следует, что звуковое давление вдоль оси колеблется от нуля до удвоенного среднего значения, с удалением от источника расстояние между минимумами и максимумами увеличивается, а крутизна кривых изменения давления уменьшается. В точке N/2 находится глубокий минимум, а в точке N – последний максимум. Очевидно, что в данном случае интерес представляет дальняя зона излучения. Граница ближней зоны прямонаправленного преобразователя с круглым пьезоэлементом радиуса а равна: N=

4a 2 − λ 2 = 0,054, м. 4λ

(2)

За пределами ближней зоны акустическое поле приобретает форму усеченного конуса с небольшим углом на вершине. В дальней зоне на расстоянии Х>3N изменение давления в звуковой волне для площади излучателя S следует закону [4]: P = P0

S πN = P0 . Х λХ

(3)

Расчет акустического тракта будет проводится для дальней зоны излучения ультразвука, т.к. выполняется условие (176мм>3N). За модель отражателя взята «протяженная плоскость», которая соответствует донному сигналу и имеет схему:

Ближняя зона излучения

d, мм

ПЭП

Отражатель

N X,мм

xб

Риснок 3 – Схема акустического тракта для модели «протяженная плоскость» На рисунке 3: d – диаметр излучателя, площадью S; Х – расстояние от пьезопластины до отражателя; хб – граница ближней зоны 319

Расчетная формула акустического тракта для модели «протяженная плоскость»:

20 log(

S A ) = 20 log( e −2δX ) , A0 2λХ

(4)

где, λ – длина поперечной волны в изделии; S - площадь ультразвукового преобразователя; δ - коэффициент затухания, учитывающий поглощение и рассеяние волн в стали; A0 амплитуда колебаний акустического зондирующего импульса на поверхности преобразователя (в момент излучения); A - амплитуда колебаний волн, отраженных и пришедших на поверхность преобразователя (в момент приема эхосигнала). Учтем зависимость коэффициента затухания от температуры δ(Т) и получим диапазон амплитуд:

А/А0, Дб 0.4 0.6 0.8 1 200

250

300

350

400

450

500

Т, град.С 550

Рисунок 4 – Диапазон амплитуды полезного сигнала Из рисунка 4 видно, что амплитуда полезного сигнала уменьшается от -0,39 до -0,85 Дб в зависимости от повышения температуры по мере прохождения вглубь стенки барабана. В модели (4) акустического тракта не учитывается явление дифракции волн при излучении, отражении и приеме. Этими свойствами можно пренебречь, если ограничить минимальные размеры преобразователя и отражателя. Они должны быть больше λ/2, для этого определим эквивалентную площадь донного сигнала от отражателя. Согласно определению эквивалентной площади амплитуда донного эхосигнала равна амплитуде эхосигнала от диска, расположенного на той же глубине Х [5]. S Sd S A e − 2δX = 2 2 e − 2δX = A0 2λХ λ Х

(5)

Следовательно, правые части уравнений равны, а также равны и левые части этих уравнений. Откуда получим эквивалентной площади амплитуда донного сигнала: S d ekv =

λХ 2

= 0,00026, м

(6)

d , мм

P(x)

Sd Sdekv

Рисунок 5 – Схема акустического поля Р(х) .

320

Использование величины

не всегда оптимально, т.к. она не отображает реальную

эффективную площадь акустического поля (рисунок 5). Для этого в акустике введено понятие

эквивалентной площади донной поверхности S d ekv . Очевидно, что эквивалентная площадь донной поверхности увеличивается с глубиной прозвучивания. Это связано с различием зависимостей амплитуды эхосигнала от расстояния. Величина S d ekv является максимальной площадью диска, прозвучиваемой на заданной глубине. Т.е. если необходимо получить сигнал от большей площади, то необходимо использовать ПЭП с большими геометрическими размерами пьезопластины, т.к. амплитуда эхосигнала от ПЭП с заданными параметрами уже не возрастает, отраженный эхосигнал будет формироваться только от части необходимой поверхности, равной S d ekv . Таким образом, для рассматриваемого ПЭП при площади излучателя S=0.00101 мм2, получили площадь максимального эквивалентного донного сигнала Sdekv=0.00026 мм2. Теперь можем определить геометрические параметры отражателя и их соответствие условию λ/2, при котором можно пренебречь дифракцией. При диаметре излучателя 25 мм, диаметр отражателя составит 12 мм. Следовательно, условие (λ/2=0,00147<12 мм) выполняется. Выводы. 1. Получена модель (4) акустического тракта для прямого ПЭП в измерителе уровня жидкости в барабане котла, которая позволила определить, что амплитуда полезного сигнала в зависимости от размера преобразователя, глубины прохождения ультразвука, акустических свойств материала и частоты колебаний, уменьшается от -0,39 до -0,85 Дб при росте температуры по мере прохождения стенки барабана котла. 2. Установлена максимальная эквивалентная площадь амплитуды донного эхосигнала равна Sdekv=0.00026 мм2, на основании которой определен диаметр отражателя 12 мм. 3. Условие (λ/2=0,00147<12 мм) выполняется, что подтверждает адекватность использования модели акустического тракта (4) «протяженной плоскости» для прямого ПЭП в измерителе уровня жидкости в барабане котла и позволяет пренебречь явлениями дифракции в протекторе и иммерсионной жидкости, подтверждая звукопрозрачность стенки барабана при частоте 2 МГц. Перечень ссылок 1. Авраменко С.В. Компьютерная система мониторинга уровня жидкости в барабане котла/ С.В. Авраменко, В.П. Тарасюк// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація» - 2012. – Вип.. 22(200). – с. 135-143. 2. Авраменко С.В. Исследование математической модели распространения ультразвука в стенке барабана котла / С.В. Авраменко, В.П. Тарасюк// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація» 2013. – Вип.. 1(24). – с. 205-214. 3. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля /Под ред. И.Н. Ермолова. – М.Машиностроение, 1986. – 280с. с.178 4. Неразрушающий контроль. Кн.2. Акустические методы контроля: Практ. Пособие/ И.Н. Ермолов, Н.П. Алешин, А.И. Потапов; под ред. В.В. Сухорукова. – М.: Высш.шк., 1991. – 283с. С.73 5. Крауткремер Й., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. Пер. с нем. – М: Металлургия, 1991г., 752с.

321

УДК 543.42 МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ АНАЛИТИЧЕСКОГО СИГНАЛА КОНЦЕНТРАЦИИ УГЛЕВОДОРОДОВ В ВЫХЛОПАХ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА Трунов В.А., студент; Хламов М.Г., проф., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Загрязнение атмосферного воздуха является одной из самых серьезных экологических проблем многих промышленных городов. Влияние загрязнения воздуха на здоровье человека проявляется через сокращение средней продолжительности жизни, увеличение количества преждевременных смертей, рост заболеваемости и негативное влияние на развитие детей. За последние 17 лет динамика валовых выбросов вредных веществ в атмосферу представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Валовые выбросы вредных веществ а Донецке Анализ приведенных данных показывает, что за последние 10 лет общие валовые выбросы вредных веществ уменьшились на 15 %. При этом выбросы от промышленных предприятий снизились на 32 %, а выбросы транспорта возросли на 76 %. В случае сохранения существующих тенденций, количество выбросов вредных веществ от передвижных источников к 2020 году превысит соответствующее количество выбросов от стационарных источников. В этом случае валовое количество выбросов по городу возрастет на 30 – 40 % и может составить от 280 до 300 тыс. тонн в год. Анализ состава выбросов в атмосферу свидетельствует, что в 2007 году по сравнению с 2000 годом снизились выбросы оксида углерода (на 12 %), диоксида серы (на 44 %) и пыли (на 37 %), однако при этом возросли выбросы соединений азота (на 48 %). Наибольшую опасность для атмосферного воздуха представляют выбросы автомобильного транспорта, так как прослеживается тенденция роста доли вредных выбросов, производимых автомобильным транспортом [1]. Выхлопные газы (или отработавшие газы) –– это неоднородная смесь различных газообразных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточного воздуха, аэрозолей и различных микропримесей (как газообразных, так и в виде жидких и твердых частиц), поступающих из цилиндров двигателей в его выпускную систему. В своем составе они содержат около 300 веществ, большинство из которых токсичны.

322

Основными нормируемыми токсичными компонентами выхлопных газов двигателей являются оксиды углерода, азота и углеводороды. Кроме того, с выхлопными газами в атмосферу поступают предельные и непредельные углеводороды, альдегиды, канцерогенные вещества, сажа и другие компоненты. В таблице 1 представлен примерный состав выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. Таблица 1 – Состав выхлопных газов Компоненты выхлопного газа

Содержание по объему, % Двигатели

Азот (N2) Кислород (O2) Пары воды (H2O) Диоксид углерода (CO2) Оксид углерода (CO) Оксиды азота (NOx) Альдегиды Оксид серы Углеводороды

Бензиновые 74,0-77,0 0,3-8,0 3,0-5,5 0,0-16,0 0,1-5,0 0,0-0,8 0,0-0,2 0,0-0,002 0,2-3,0

Сажа, г/м3

0,0-0,04

0,01-1,10

0,01-0,02

до 0,01

Бензопропилен, мг/м

Дизели 76,0-78,0 2,0-18,0 0,5-4,0 1,0-10,0 0,01-0,5 0,0002-0,5000 0,001-0,009 0,0-0,03 0,09-0,500

Примечание Нетоксичен Нетоксичен Нетоксичен Нетоксичен Токсичен Токсичны Токсичны Токсичен Токсичны Токсична и канцероген Канцероген

Углеводороды, выбрасываемые автомобильными двигателями, под действием солнечного света вступают в реакцию с оксидами азота, выбрасываемые двигателями, котельными установками и промышленными печами. В результате протекают фотохимические реакции с образованием озона, радикалов и различных перекисей, вызывающих раздражение глаз, повреждение растительности, разрушение резины. Углеводороды СxНy – это многочисленная группа соединений, представляющих следующие гомологические ряды: парафины, олефины, нафтены, ароматические углеводороды (в том числе – полициклические ароматические углеводороды – ПАУ). Наиболее значимыми из них являются легкие газообразные углеводороды (метан СН4, этан С2Н6, пропан С3Н8, этилен С2Н4, ацетилен С2Н2 и ряд других) и ПАУ [2]. Помимо экологического контроля, измерение углеводородов в выхлопах автомобильного транспорта позволяет судить о неисправностях ДВС и их причинах, устранение которых повышает экологичность автомобиля. Измерение углеводородов существенно расширяет анализ процесса сгорания. Оно делает возможным, например, показания о качестве сгорания. Измерение концентрации CxHy уже широко применяется для регулировки смеси холостого хода, а также для оценки состояния двигателя. 14 августа 2011 года вступил в силу Закон Украины "О внесении изменений в некоторые законодательные акты Украины относительно устранения чрезмерного государственного регулирования в сфере автомобильных перевозок" № 3565-17 от 05.07.2011г., согласно которому отменена процедура обязательного государственного технического осмотра для определенных категорий транспортных средств. 1 июля МВД заключило соглашение на закупку микроавтобусов, в том числе мобильных станций для диагностики состояния автомобилей. Согласно тендерной документации, закупленные автомобили должны иметь следующее оборудование: • измеритель эффективности тормозных систем автомобилей типа «ЭФФЕКТ» или эквивалент; • измеритель параметров света фар автотранспортных средств типа «ИПФ-01» или эквивалент; 323

измеритель дымности отработанных газов двигателей транспортных средств, работающих на дизельном топливе типа «МЕТА-01МП» или эквивалент; • газоанализатор концентрации оксида углерода, двуокиси углерода, углеводородов, кислорода для одновременного определения содержания указанных газов в отработанных газах двигателей транспортных средств, работающих на бензине или газовом топливе типа «Автотест» или эквивалент; • прибор для определения светопропускания стекол транспортных средств типа «Люкс ИС-2» или эквивалент; • измеритель суммарного люфта рулевого управления транспортных средств типа «ИСЛ-М» или эквивалент. С использованием средств измерительной техники проверяются: тормозная система и её составляющие, содержание СН/дымность выпускных газов дизельного двигателя, содержание СО в топливе, рулевое управление и его составляющие, внешние осветительные приборы и сигнальные устройства. Инспекторы ГАИ могут останавливать автомобили по визуальному определению неисправностей. Днем это дым из выхлопной трубы, прогоревший глушитель, неправильный развал колес, а ночью - корректировку фар. С юридической точки зрения сама процедура прохождения технического контроля на дороге весьма неоднозначна, ведь даже в том случае, когда передвижная диагностическая станция, которые закупит МВД, будет находиться на дороге, нет механизма, по которому водителя могут принудительно заставить пройти техосмотр. Согласно действующему законодательству, техосмотр нельзя проводить на дороге - для этого должна быть сертифицированная техническая станция. Вместе с тем, никто не имеет права эвакуировать автомобиль с дороги - это ограничение конституционного права на свободу передвижения. Никто не имеет права заставить вас выйти из машины, тем более двигаться куда-то. Среди методов определения концентрации углеводородов в выхлопах автомобильного транспорта можно выделить метод пламенной ионизации, оптика-абсорбционный метод и оптико-акустический метод. Оптико-акустический метод относится к большому классу спектрально-оптических методов, применяющихся для количественного анализа газов и жидкостей. Количественный анализ газов на основе этих методов основывается на использовании явления поглощения света, описываемого законом Бугера-Ламберта-Бера. Определяют мощность монохроматического излучения с заданной частотой, проходящее через однородную среду, содержащую поглощающий компонент. Регистрируя мощность излучения, получают выходной сигнал, связанный с концентрацией измеряемого компонента. Оптико-абсорбционный метод основан на измерении поглощения оптического излучения молекулами анализируемого вещества в какой-либо спектральной области. Поглощение излучения происходит при совпадении спектральных линий излучения и линии поглощения анализируемого вещества. Количество поглощенной энергии определяется количеством молекул, а избирательность обеспечивается строгой индивидуальностью спектров поглощения. Пламенно-ионизационный метод основан на ионизации углеводородов в водородном пламени. В чистом водородном пламени содержание ионов незначительно. При введении углеводородов в пламя количество образующихся ионов значительно увеличивается. Если приложить электрическое поле между коллектором и горелкой, возникает ток, значение которого прямо пропорционально концентрации углеводородов, введенных в пламя. Ток измеряют электрометрическим усилителем, к выходу которого обычно подключен самописец. За основу разрабатываемого измерительного канала концентрации суммы углеводородов взят оптико-абсорбционный метод измерения, как наиболее селективный и чувствительный. В качестве основных контролируемых компонентов суммы углеводородов взяты этан C2H6, метан CH4, этилен C2H4, бензол C6H6, пропан C3H8, ацетилен C2H2. В •

324

программе моделирования спектральных характеристик химических соединений Spectra hitran была получена модель спектральной характеристики метан, приведенная на рисунке 2.

Рисунок 2 – Спектральная характеристика метана Концентрацию метана определяют по поглощению излучения в ИК-области спектра при длинне волн λ=3,3–3,9 мкм [3]. Средствами Microsoft Visio данная характеристика была проградуирована, были получены основные параметры спектральной характеристики на примере метана, такие как границы спектральной полосы пропускания и длинны волны, соответствующая максимуму характеристики. В пакете Mathcad методами математического моделирования был получен график огибающей спектра поглощения метана, который показан на рисунке 3.

Рисунок 3 – График огибающей спектра поглощения метана При дальнейшем моделировании данные спектра поглощения метана были осреднены и получена интегральная характеристика спектра поглощения метана с учетом плотности линий. График данной характеристики представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Интегральная характеристика спектра поглощения метана

325

Согласно графику, изображенному на рисунке 4, мы видим, что пик поглощения метаном ИК-излучения приходится в диапазоне от 3,3 до 3,35 мкм. Однако для удобства дальнейшего моделирования оптического канала необходимо использовать график зависимости коэффициента пропускания метана от длинны волны. Он представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Зависимость коэффициента пропускания метана от длинны волны излучения На рисунке 6 красной линией показан спектр входного сигнала, а пунктирной синей линией – спектр выходного сигнала оптического канал с учетом потерь излучения в оптическом канале. По разнице входного и выходного сигнала в будущем можно будет судить о концентрации метана.

Рисунок 6 – Спектр входного и выходного сигнала оптического канала В дальнейшем будет проведено математическое моделирование формирования измерительного сигнала концентрации всех компонентов суммы углеводородов в выхлопах автомобильного транспорта, будет получена интегральная характеристика спектра поглощения суммы углеводородов, а также определена погрешность, вносимая в результат измерения вариацией концентрации каждого компонента в суммарной смеси. Перечень ссылок

1. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива/ И.Я.Сигал -Ленинград «Недра»

Ленинградское отделение 1985 г. 2. Предельно допустимые концентрации веществ в воздухе и воде/Г.П.Беспамятнов – Издательство «Химия» Ленинградское отделение 1975г. 3. Спектральный анализ неорганических газов/В.М.Немец – Химия,1988г. 326

УДК 621.746 МЕТОД АВТОМАТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЗАСОРЕННЫХ ФОРСУНОК В СЕКТОРАХ ВТОРИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ МНЛЗ Федоренко К.В., студент; Бирюков А.Б., проф., д.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г.Донецк, Украина) Создан метод позволяющий в реальном времени в рамках системы АСУ ТП определять количество засоренных форсунок, в зависимости от установленного на сектор расхода охладителя и давления необходимого для его прокачивания . Оперативная идентификация количества зассоренных форсунок особенно важна для разбивки высоко качественных марок стали склонных к трещинообразованиям. Одной из задач автоматизации ЗВО является повышение достоверности контроля работы системы форсуночного охлаждения При разливке высококачественных марок стали на МНЛЗ, на практике, одной из основных причин образования брака является отклонение параметров ЗВО от нормы (неправильный выбран расход охлаждающей воды, выполнение трубопроводов не из нержавеющей стали, засорение форсунок и т.д.),что может привести к появлению перекоса температурного поля заготовки,и появлению различных дефектов литой стали. Современные системы АСУ ТП для МНЛЗ снабжены алгоритмами, предназначенными для расчета рекомендуемых значений расходов охладителя в зависимости от сечения заготовки, марки стали и скорости разливки. Зачастую на практике довольно сложно проверить насколько предложенные расчетные расходы воды являются оптимальными. В то же время система АСУ ТП предоставляет возможность прямого управления расходами воды по секторам. Чем меньше работающих форсунок, тем выше требуемое давление. Принимая работающими различное количество форсунок, строим семейство напорнорасходных характеристик сектора. На рис. 1 приведено семейство напорно-расходных кривых для сектора физически состоящего из 72 форсунок производства одной из современных фирм.

1 – 40 форсунок; 2 – 45; 3 – 50; 4 – 65; 5 – 72 Рисунок. 1 – Семейство напорно-расходных характеристик сектора ЗВО для различного количества работающих форсунок

327

Автоматически находим положение точки с текущими координатами (P,Q), определяем, какая кривая наиболее приближена к данной точке, что служит указанием на количество забитых форсунок. Также можно определить количество работающих форсунок по формуле: nopen (ΔP ) =

ρ⋅k 2 ⋅ F2

⋅

Q − 10 − 3 ⋅ 60

k – коэффициент местного сопротивления подач, F – сечение, ∆P - давление на секторе, 𝑃пот – потери воды до форсунок,

пот

  Q ⋅ 10 − 3 ρ  π⋅D g  L   60 ⋅  4   = λ⋅ + kms_s ⋅ 2  D  g  

𝜆 =0,15 – коэффициент гидравлического трения, 𝑘𝑚𝑠_𝑠 = 3 - коффициент гидравлического трения, Q – расход воды на сектор, 𝜌 - плотность воды nopen1(ΔP ) =

ρ⋅k

2 ⋅ F2

⋅

(1)

ΔP ⋅ 105 − P пот

Q − 10 − 3 ⋅ 60

     

(2)

(3)

1.01Δ. ⋅ 105 − P пот

∑ 𝑁 − nopen = число засоренных форсунок

(4)

Рисунок 2 – Количество открытых и забитых форсунок На основании этой информации и практического опыта или результатов математического моделирования принимается решение о возможности продолжения разливки. Современное состояние теории непрерывной разливки стали позволяет определить основные технологические параметры расчетным путем. Рассмотренная в этой работе методика, облегчает процесс изучения явления забивания охлаждающих форсунок в зоне вторичного охлаждения машин непрерывного литья заготовок и позволяет определить число не работающих Перечень ссылок 1. Курбатов Ю.Л, Шелудченко В.И, Кравцов В.В. Механика жидкости и газа: учебное пособие. – Севастополь: “Вебер”, 2003. – 226 с. 328

УДК 621.316 ВЛИЯНИЕ МОЩНОСТИ НАГРЕВАТЕЛЯ НА СКОРОСТЬ ГАЗООБМЕНА В ДАТЧИКЕ МЕТАНА Холодов О.А. студент; Новиков Е.Н., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) Серийно выпускаемые датчики метана имеют значительное транспортное запаздывание. Исчисляемое десятками секунд что совершенно неприемлемо для быстродействующей газовой защиты. Уменьшение габаритов газовой камеры снижает транспортное запаздывание до единиц секунд, что также не обеспечивает необходимых параметров быстродействующего анализатора метана. Газообмен в этих датчиках обеспечивается депрессией в камере, создаваемой конвективным теплообменом термоэлементов с анализируемым воздухом и, в результате, разной плотностью газа в камере и за ее пределами, мощность термоэлементов, находящихся в камере незначительна, невелико и внешние температуры воздуха в камере над внешней средой. По этой причине в датчике создается малая депрессия, которая гасится трением на входящих предохранительных решетках и стенках камеры. Наиболее простой, на первый взгляд, конструкцией, для обеспечения в камере больших скоростей воздуха представляется воздуходувка с электрическим приводом. Однако наличие в датчике вращающихся деталей, непременно работающих месяцы и даже годы в столь пыльной и влажной атмосфере снизит надежность воздухозборного устройства. Дополнительные трудности при реализации этого устройства возникнут при обеспечении искробезопасности питание электропривода воздуходувки, что может оказаться в принципе невозможным, все это в большей мере усложнит воздухозборные устройства с электродвигателем и сделает его ненадежным. Поэтому в основу для реализации увеличения подачи воздуха в камеру датчика ,был принят конвективный теплообмен. Который хотя имеет низкую эффективность, но не содержит движущихся частей . Для увеличения скорости воздуха в камере датчика устанавливается дополнительный нагреватель мощностью в несколько ват а сам датчик представляет собой вертикальный цилиндр с небольшим внутренним диаметром и достаточной высотой . При определении необходимой мощности нагревателя для обеспечения необходимой скорости воздуха необходимо выявить зависимость между рассеиваемой в датчике мощностью , геометрическими размерами , физическими свойствами воздуха и его скоростью. Если на нагревание воздуха, движущегося а камере датчика со скоростью ν , в единицу времени затрачивается количество тепла Q и температура воздуха повышается на Δt , то можно записать следующее равенство

Q = cP m ∆t =

πd 2 4

ν ρ B cP ∆t ,

(1)

где : d – внутренний диаметр ; ρB – плотность воздуха при температуре t ; CP – его теплоемкость при постоянном давлении. Учитывая, что плотность воздуха зависит от температуры, получим

ρ B = ρ0

T0 ρ = 0 T0 − ∆t 1+ ∆t T0

(2)

Подставляя (2) в (1) , получаем выражение, определяющее температуру воздуха в камере датчика при мощности нагревателя Q и скорости ν.

329

(3) Депрессия конвективной тяги, обусловлено разностью температур и удельных весов воздуха вне камеры и внутри ее будет определяться высотой камеры датчика.

Выразив удельный вес газа через плотность с учетом её зависимости от температуры (4) Получим: (5) Депрессия тяги нагретого воздуха частично гасится при его движении на трение о боковые стенки датчика (6) - коэффициент трения воздуха с внутренней поверхностью камеры датчика, который для ламинарного потока равен (7) C учетом выражения (6 ) общее сопротивление стенок камеры будут определяться (8 ) На вхоже и выходе датчика установлены взрывозащитные сетки, которые также создают сопротивление движению воздуха и вызывают падение депрессии. (9) Коэффициенты трения сеток на входе и выходе

(10) Где - площадь поперечного сечения окна камеры; - полезная площадь сетки закрывающая камеру; Общее сопротивление датчика будет

(11) Депрессия развиваемая конвективной тягой, равна аэродинамическому сопротивлению датчика, поэтому 330

(12) Подставляем в (3-58) значение Δt из (3) и преобразовывая равенство относительно скорости воздуха, получаем (13) Полученое уравнение третьего порядка (14) Коэффициенты которого равны (15)

Кубическое уравнение решается методом Кардена ,

(16)

где ; При решении уравнения (3-59) оказалось, что q>>p, поэтому оно может быть значительно упрощено.

На рис.1 приведена зависимость скорости воздуха от рассеиваемой мощности нагревателя для датчика высотой 10; 20; 30 см.

Рисунок 1 – Зависимость скорости воздуха в камере датчика от мощности нагревателя Перечень ссылок 1. Исследование процессов тепло – и газообмена в термокаталитическом датчике метана // Е.Н. Новиков / В сб. науч. Трудов – МакНИИ , 1979 – 8 с. 2 Новіков Є.М. Автостабілізація вихідного сигналу термокаталітичного датчика метану // Известия донецкого горного института 2.2001 3. Карпов Е.Ф. Автоматическая газовая защита. – М.: Недра, 1989-234с. 331

УДК 621.3-135.83 ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В ТЕКУЩЕМ ВРЕМЕНИ Холодов О.А., студент; Новиков Е.Н., доц., к.т.н. (ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Украина) При определении статистических моделей процессов по экспериментальным данным часто ограничиваются конечным числом моментов функции распределения. Во многих исследованиях необходимо определять моменты распределения в процессе измерения. Разработанный прибор предназначен для определения в текущем времени среднеквадратичного значения и двух приведенных моментов — коэффициентов асимметрии и эксцесса. Особенностью прибора является предварительная нормализация входного сигнала, что приводит к повышению точности и значительному упрощению схемы прибора. Как известно, для эргодических процессов среднеквадратичное значение, коэффициенты асимметрии и эксцесса определяются из соотношений

σ = U 2 (t )

U 3 (t ) σ 3 (t )

U 4 (t ) σ 4 (t )

(1)

Нормализация входного сигнала U (t) — автоматическое поддержание постоянным его эффективного значения — эквивалентна делению его на среднеквадратичное значение U N (t ) =

U (t ) σ (t )

(2)

поэтому коэффициенты асимметрии и эксцесса входного сигнала с учетом (1), (2) могут быть получены в виде S = U N3 (t )

E = U N4 (t )

(3)

Обработка нормализованного сигнала по соотношениям (2), (3) не только упрощает схемы, но и приводит к уменьшению инструментальных погрешностей. Это обусловлено тем, что схемы возведения в степень работают при постоянном вводном уровне. На рисунке приведена принципиальная схема прибора, состоящая из узлов нормировки, измерения среднеквадратичного значения , измерения коэффициентов асимметрии и эксцесса . Узел нормировки состоит из регулируемого усилителя на микросхеме М 1 с полевым транзистором Т 1 в обратной связи, квадратора на полевом транзисторе Т 4 и микросхемах М4, М 3 , сравнивающего устройства и схемы сглаживания на М6, усилителя на М 5 . Сглаженное выходное напряжение квадратора сравнивается с опорным напряжением U1 , снимаемым с резистора R5, и разность их подается на затвор Т 1 , работающего в режиме управляемого сопротивления. Глубокая отрицательная обратная связь обеспечивает поддержание эффективного значения с большой точностью. При изменении входного сигнала на 40 дБ изменение U N составляет не более 1 %. Принцип работы узла измерения среднеквадратичного значения, выполненного на М 7 М 8 , можно пояснить следующим. Для входов микросхемы М 8 справедливо равенство U2 =

U изм RП R2

(4)

где RП — сопротивление канала первого полевого транзистора T 1 . Для узла нормировки можно записать 332

U N эфф =

U ВХ эфф K 3 RП

(5)

где RП′ — сопротивление канала второго полевого транзистора К3 — коэффициент передачи усилителя на М 3 и Т2, Т 3 . При подобранной паре полевых транзисторов для всего диапазона изменения сопротивления каналов можно считать значение RП равным RП′ . Тогда, подставляя значение RП из (5) в (4), получим

U ИЗМ =

U 2 K 3 R1 U ВХ эфф U N эфф R2

(6)

Отсюда видно, что напряжение на выходе М8 пропорционально среднеквадратичному значению входного сигнала. Узел измерения коэффициента асимметрии содержит умножитель, выполненный на М9, М 1 0 и линейной управляемой проводимости полевого транзистора Т9 [1], и сглаживающее устройство на М11 . На один из входов умножителя (резистор R 3 ) подается мгновенный квадрат нормированного входного сигнала U N2 (t ) , на другой (резистор R4) — нормированный сигнал U N (t). Результат умножения сглаживается для получения напряжения на выходе М11 , пропорционального оценке коэффициента асимметрии. Узел измерения коэффициента эксцесса содержит квадратор (Т12, М12, М13), служащий для получения четвертой степени нормированного сигнала, и сглаживающее звено М 1 4 . Выходное напряжение узла пропорционально оценке коэффициента эксцесса.

R9 Bx

A1 R2

A2 T1

D1 C1

R6 R7

E A4 R11

Рисунок 1 – Принципиальная схема узлов нормировки и измерения Разработанный прибор имеет следующие основные характеристики: динамический диапазон входных сигналов — 40 дБ; максимальное входное напряжение — 1 В; диапазон измерения коэффициента асимметрии исследуемого сигнала — ±1,0; диапазон измерения коэффициента эксцесса— 0 ± 10. Прибор используется при проведении экспериментов по изучению физики изменения концентрации метана в выработках шахты, однако он может быть применен также для изучения других случайных процессов. Перечень ссылок 1. Р. Кобболд, Теория и применение полевых транзисторов, 1975, стр. 266, «Энергия» 2. Венцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория случайных процессов и её инженерные приложения. - М. Высш. шк. 2000 -383с. 3. Карлин С. Основы теории случайных процессов / С. Карлин - М.: Мир, 1971. – 536 с. 333

УДК 621.316.11 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НИЗКОВОЛЬТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ Черевко Е.А., аспирант; Зайцев В.С., проф., д.т.н. (ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, Украина) Постановка проблемы. В условиях постоянного роста потребления электроэнергии (ЭЭ) в промышленности и в быту и усиления государственной политики энергосбережения большое значение приобретает снижение так называемых коммерческих потерь электроэнергии в электрических сетях. Значительную часть коммерческих потерь составляют хищения электроэнергии, приобретающие в последние годы угрожающие масштабы. Наибольшее число хищений и наибольшие объемы похищаемой ЭЭ имеют место в бытовом секторе. Причинами этого являются, с одной стороны, постоянный рост тарифов на электроэнергию при одновременном возрастании объема ее потребления и снижении платежеспособности населения, а с другой стороны – относительная доступность и простота осуществления того или иного способа хищения электроэнергии, несовершенство конструкций приборов учета и схем их коммутации, неудовлетворительное техническое состояние измерительных трансформаторов тока (ТТ) и трансформаторов напряжения (ТН), отсутствие правовой базы для привлечения к ответственности расхитителей электроэнергии и т.д. Подробная информация о способах хищений ЭЭ и способах борьбы с этими хищениями содержится в [1]. Достаточно подробно эта ситуация изложена в [2], где предложены способ и система защиты электрических сетей при хищениях ЭЭ путём наброса на провода, отходящие к потребителю до приборов учёта (точка А на рисунке 1), а также при набросе проводов на провода общей линии (точка В). Данное техническое решение основано на использовании датчиков тока, которые располагаются определенным способом на линии электропередачи. ТП ДТ

Сч i1

ДТ1

ДТ3

ДТ5

i(n-1)

i(n+1)

B ДТ2 i2

ДТ4 A

ДТ6

Сч

ix Сч

i6 Сч

Сч

Рисунок 1 – Структурная схема определения мест несанкционированного отбора электроэнергии: ТП – трансформаторная подстанция; ДТ – датчик тока; Сч – счетчик электроэнергии При несанкционированном отборе мощности на участке между датчиком тока и счетчиком признаком отбора (увеличения нагрузки) является дисбаланс между величинами токов (максимальным, зафиксированным ранее, и фактическим), при этом показания счётчика не изменяются, либо уменьшаются. При подключении к проводам общей линии признаком наличия несанкционированного 334

отбора является разница в суммарных расходах ЭЭ, т.е. нарушение баланса между показаниями счетчиков, установленных у индивидуальных потребителей, и показаниями счетчика, установленного на ТП и измеряющего ЭЭ, подаваемую в рассматриваемую линию. Для удобства сбора информации с датчиков тока и счётчиков у потребителей предлагается использовать радиосистему считывания данных со счетчиков и датчиков, имеющих соответствующий выход. Цель статьи – разработка усовершенствованного датчика переменного тока для определения, преобразования в цифровую форму и передачи по радиоканалу величины тока в контролируемых участках линии электропередачи с использованием современных электронных компонентов и систем. Анализ существующих датчиков тока показывает, что: 1. ДТ не должен иметь первичную обмотку, включаемую последовательно в силовую цепь, поскольку реализация способа контроля в соответствии с [2] представляется весьма громоздкой при врезке датчиков тока в силовые цепи в местах подключения потребителей. Кроме того, наличие большого количества соединений снижает надёжность работы системы и усложняет обслуживание распределительных сетей. 2. Необходимо решить задачу получения, обработки и передачи информации в цифровой форме о величине тока на обрабатывающий центр (сервер). 3. Необходимо выбрать вид интерфейса датчика для двухсторонней связи с центральным управляющим устройством (УУ), располагаемым обычно на диспетчерском пункте. На первом этапе работы был выполнен анализ способов связи ДТ с УУ. Для анализа и сравнения был выбраны две технологии передачи данных: технология передачи данных по электросетям и беспроводная технология. Учитывая, что протяжённость поселковых распределительных электрических сетей обычно превышает 200 метров, а проходимость радиосигналов в СВЧ-диапазонах практически не ограничена различными экранирующими сооружениями, авторами был сделан выбор в пользу радиоинтерфейса для ДТ. Кроме того, отпадает необходимость в дополнительных источниках питания электронной схемы ДТ, поскольку необходимая энергия может быть обеспечена путём отбора от контролируемой сети. Авторами разработан съёмный датчик тока [3], который легко монтируется и демонтируется на токопроводящем проводе в любом месте. Проводник 1 с измеряемым током J (рис. 2, а) охватывается магнитопроводом, состоящим из двух ферритовых полуколец 2. На верхнем полукольце располагаются две обмотки, одна из которых W1 обеспечивает работу выпрямителя, а вторая W2 является измерительной. Выпрямитель обеспечивает питание всей схемы датчика напряжением от 2,5 до 5 В. В состав ДТ входят приёмо-передающая антенна, приёмник управляющего сигнала, блок питания датчика, первичный преобразователь, ключ, операционный усилитель, выпрямитель, АЦП, микроконтроллер с радиопередатчиком.

Рисунок 2 – Датчик тока: а – преобразователь величины тока в напряжение; б – вид датчика тока с торца 335

В состав УУ входят приёмо-передающая антенна, блок управления датчиком, включающий в себя микроконтроллер с радиопередатчиком, усилитель мощности в области сверхвысоких частот УМ СВЧ, приёмник информации, передаваемой датчиком. При подаче команды управления начинает работать радиопередатчик УУ, излучая электромагнитные колебания в диапазоне нелицензируемых частот, которые усиливаются УМ СВЧ. Эти колебания электромагнитного поля воспринимаются полосковой антенной датчика и после обработки подаются на высокоомный вход ключа. После его срабатывания происходит подача питания на входы остальных блоков, входящих в состав датчика тока. Аналоговый сигнал, поступающий с измерительной обмотки преобразователя, выпрямляется, усиливается, преобразуется в цифровую форму и поступает на вход радиопередатчика и передаётся на приёмник УУ также на нелицензируемой частоте. Расчеты и эксперименты на модели датчика показали, что класс точности ДТ не хуже 1 %. Разъёмный корпус датчика (рис. 2, б) должен изготавливаться из диэлектрического, диамагнитного материала. На рисунке 2, б приняты обозначения: 1 – верхняя часть составного корпуса; 2 – нижняя часть составного корпуса; 3 – отверстия для крепёжных деталей; 4 – отверстия для проводника с током; 5 – герметизирующая прокладка между верхней и нижней частями корпуса. Вся электронная часть датчика располагается в верхней части составного корпуса. В нижней части располагается только нижнее полукольцо тороидального магнитопровода. Геометрические размеры датчика тока: D – от 60 мм до 80 мм, d – в зависимости от сечения провода линии электропередачи, В – от 90 до 110 мм. Длина датчика – до 120 мм. Количество крепёжных отверстий – 4. В датчике могут быть использованы любые встраиваемые микроконтроллеры, АЦП, приёмопередающие и другие ИМС с подходящими характеристиками. Информация, получаемая от датчиков тока и счетчиков расхода ЭЭ, позволяет успешно решать все задачи, связанные с автоматическим контролем системы электропитания. На основании этой информации разработан пакет прикладных программ, позволяющий решать следующие задачи: 1. Контроль распределения токов в передающей линии и у потребителей; 2. Контроль уровней напряжения у потребителей; 3. Проверка баланса мощностей в системе (с учётом потребляемой мощности и мощности технологических потерь); 4. Контроль потоков активных и реактивных мощностей; 5. Определение мест несанкционированного отбора мощностей; 6. Определение эффективности параметрической оптимизации системы электропередачи; 7. Определение входных сопротивлений при разных вариантах включения потребителей и при разных сопротивлениях нагрузок. Применение системы автоматического контроля режимов работы распределительных электрических сетей на базе разработанного датчика позволит снизить потери и повысить качество электроэнергии у потребителей. Перечень ссылок 1. Красник В.В. 101 способ хищения электроэнергии / В.В. Красник. – М.: Ростехэнергонадзор, 2009. – 107 с. 2. Пат. 09592 Україна, МПК G 02 J 13/00. Структурна схема визначення місць несанкціонованого підключення до лінії електропередачі / Л.О. Добровольська, О.О. Черевко // № 47879; заявл. 18.09.2009; опубл. 25.02.2010. – бюл. № 4. – 4 с. 3. Зайцев В.С., Черевко О.О., Добровольська Л.О. Пат. 01184 Україна, МПК H02J 13/00. Пристрій для автоматичного контролю режимів розподілу струмів в низьковольтних електричних мережах // № 102026; заявл. 06.02.2012; опубл. 27.05.2013. – бюл. № 10. – 5 с.

336

Зміст

1. 2. 3. 4. 5. 6.

СЕКЦІЯ 1. ПРОБЛЕМАТИКА УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ АВТОМАТИКИ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙ............................................. Канунникова Е.П., Червинский В.В. Задача оптимизации расположения базовых станций гетерогенной сети LTE в условиях города.................................. Kehinde Oyeniyi, Волков А.Ф. Первичная сеть связи в Нигерии для передачи сигналов по волоконно-оптическим линиям передачи............................................ Геранин Р.В., Львов А.А., Журавлева Е.В. Модели помех в одночастотных сетях.............................................................................................................................. Жуковская Д.А. Моделирование алгоритмов обработки очередей в среде GPSS WORLD.............................................................................................................. Кабакчей В.И. Антиколлизионные алгоритмы RFID-систем, реализуемые во временной области....................................................................................................... Матеуш Монтейру, Червинский В.В. Модернизация магистральной телекоммуникационной сети г. Донецка на основе технологий METRO ETHERNET................................................................................................................... Несмеянов О.В., Червинский В.В. Исследование характеристик видеокодеков и способов передачи мультимедийного трафика в мультисервисных сетях............................................................................................... Юшкевич Ю.О. Вибір оптимального місця розташування ретранслятора відносно БС у мережі LTE..........................................................................................

СЕКЦІЯ 2. АВТОМАТИЗАЦІЯ, ЕЛЕКТРООБЛАДНАННЯ І КОМП’ЮТЕРНО-ІНТЕГРОВАНІ ЗАСОБИ УПРАВЛІННЯ НА ПІДПРИЄМСТВАХ ПАЛИВНО-ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ГАЛУЗІ.............................. 1. Косяков И.С., Маренич К.Н. Повышение электробезопасности эксплуатации двухскоростного асинхронного двигателя горной машины на основе новых подходов к управлению коммутационными процессами........................................ 2. Авраменко Н.А., Рак А.Н., Зиновьев С.Н. Потенциальные возможности угольных месторождений по добыче метана............................................................ 3. Войтов А.Ю., Неежмаков С.В. Автоматизация шахтной котельной установки с низкотемпературным кипящим слоем.................................................................... 4. Глянь Д.В., Ешан Р.В. Автоматизоване регулювання швидкості стрічкового конвеєру........................................................................................................................ 5. Горбовский И.В. Исследование САУ встроенной системой подачи с электромагнитными тормозами скольжения очистных комбайнов....................... 6. Городецкий В.О., Жовтобрух С.А. Устройство автоматизации установки водяного пожаротушения ленточных конвейеров.................................................... 7. Донченко В.В., Гавриленко Б.В. Усовершенствование системы управления установками главного водоотлива............................................................................. 8. Дубінка К.С., Оголобченко О.С. Автоматичне погодження режимів роботи водовідливних установок ступеневого водовідливу в періоди тарифних обмежень електропостачання шахти на добовому інтервалі часу.......................... 9. Зиняр Д.А., Ставицкий В.Н. Устройство автоматического контроля и стабилизации нагрузки электропривода шахтного ленточного конвейера............ 10. Зубарев С.Г., Дубинин С.В. Исследование возможности программного управления нагрузкой очистного комбайна с вынесенной системой подачи........ 11. Карпуша А.В., Неежмаков С.В., Никулин Э.К. Исследование системы регулирования производительности главной вентиляторной установки шахты............................................................................................................................ 337

с. 3 3 7 11 15 19

27 32

36 39 43 47 50 53 55

57 62 66

12. Кузнецов Р.Е., Ешан Р.В. Регулирование содержания метана в шахтной атмосфере...................................................................................................................... 13. Кузнецов П.А., Соленый С.В. Перспективы внедрения микросетей или виртуальных электростанций в Донбассе................................................................. 14. Курбанова В.С., Маренич К.Н. Методы моделирования междуфазного дугового замыкания и определение параметров защиты......................................... 15. Леухин С.Г., Ковалёва И.В. Разработка устройства автоматического токоограничения рудничного электротехнического комплекса............................. 16. Лопашов Є.М., Рак О.М., Зінов’єв С.М. Пристрої плавного пуску шахтних конвеєрів....................................................................................................................... 17. Лоскутов Р.И., Василец С.В. Математическое моделирование переходных процессов в центробежном компрессоре.................................................................. 18. Макуха Ю.А., Чашко М.В. Распределенная генерация электроэнергии............. 19. Мельник А.А., Чашко М.В. Передача солнечной энергии в электрическую сеть................................................................................................................................ 20. Миненко А.В., Гусаров А.А. Обзор путей повышения мощности энергосберегающих асинхронных двигателей скребковых конвейеров................ 21. Момот В.Э., Ткачук О.Р. Повышение энергетической эффективности центробежных механизмов котельных установок.................................................... 22. Ніженець Т.В., Гавриленко Б.В. Пристрій управління і діагностики температурних режимів роботи стрічкового конвеєру............................................ 23. Остапенко О.А., Момот В.Е. Обоснование энергетической эффективности работы главных вентиляторных установок железорудных шахт........................... 24. Португальская Е.Ю., Галаганюк Л.Д., Василец С.В. Моделирование частотно-управляемого асинхронного двигателя..................................................... 25. Проценко А.С., Ставицкий В.Н. Совершенствование устройства автоматического регулирования нагрузки привода очистного комбайна с электрической системой подачи................................................................................. 26. Скоробогатова И.В, Гавриленко Б.В. Применение фильтра скользящего среднего при синтезе САУ камерной печи в пульсирующем режиме................... 27. Сокур І.М., Моргун М.Г., Максимов М.М. Переваги використання асинхронних двигунів перед двигунами постійного струму у вагонах міського трамваю......................................................................................................................... 28. Ставицький В.М., Капустняк Д.Л. Математична модель видобувного комбайну....................................................................................................................... 29. Семенова Ю.А., Оголобченко А.С. Обоснование принципа управления и структуры системы автоматического управления гидротранспортным комплексом шахты....................................................................................................... 30. Тимошков В.А., Рак А.Н., Саулин В.К. Энергетическая утилизации рудничного газа............................................................................................................ 31. Федорченко А.А., Василец С.В. Совершенствование системы автоматической газовой защиты участка шахты.................................................................................. 32. Хукаленко Д.В., Ковалев А.П., Солёный С.В. Об оценки надежности запорожской электрической атомной станции при ее эксплуатации..................... 33. Шелудяков И.Ю., Ковалёва И.В. Обоснование средства максимальной токовой защиты с функцией ускоренного срабатывания........................................ 34. Дроняк В.Ю., Гусаров А.А. Определение характеристик асинхронных двигателей скребковых конвейеров........................................................................... 35. Гузенко А.В., Ковалев Е.Б. Автоматизация пуска двухскоростного двигателя скребкового конвейера................................................................................................

338

72 76 80 83 87 90 93 96 98 100 103 107 110

114 117

121 123

129 135 138 142 143 147 150

1. 2.

3. 4. 5. 6.

7. 8. 9.

10. 11.

12. 13.

3. 4. 5.

6. 7.

СЕКЦІЯ 3. СУЧАСНІ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ І АВТОМАТИКИ................ Кравченко А.Д., Жукова Н.В. Дослідження динаміки системи автоматичного управління температурою на виході з теплообмінника змішання.......................... Забильская М.В., Симкин А.И. Проектирование структуры симулятора работы нагревательной методической печи с шагающими балками в комплексе с системой управления................................................................................................ Зайцев В.А. Разработка математической модели САУ противоточным теплообменным аппаратом......................................................................................... Косьяненко Л.Ф. Модель системы управления пассажирским лифтом............... Кочнев А.Е., Симкин А.И. Проектирование структуры симулятора работы системы дозирования шихты на аглофабрике.......................................................... Краснодед А. И., Хорхордин А. В., Батыр С. С. Исследование режимов работы и усовершенствование САУ водонапорного узла «МУШКЕТОВСКИЙ» г. Донецк................................................................................ Майстренко В.Н., Кравченко В. П. Оптимізація долі повернення агломерату в аглошихту.................................................................................................................. Махсма М.Е., Кравченко В.П. Оптимизация процесса очистки колошникового газа в скруббере мокрой очистки................................................... Мордвицкий Э.М., Воротникова З.Е. Способ формирования и использования архивной базы данных контролируемых технологических параметров доменной плавки.......................................................................................................... Пихно Э.В., Федюн Р.В. Математическая модель полета конвертоплана............ Прасолова А.А., Ошовский В.В., Швец И. И. Система автоматического контроля и управления лабораторной моделью реактора идеального смешения....................................................................................................................... Федюн Р.В., Табаленкова Т.В. Регулирование РH-параметра процесса химической очистки воды ТЭС.................................................................................. Яковлева Н.С., Червинская Н.В. Моделирование динамики системы автоматического дозирования сыпучих материалов при загрузке дуговой электросталеплавильной печи.................................................................................... СЕКЦІЯ 4. ЕЛЕКТРОННА ТЕХНІКА В ЗАСОБАХ АВТОМАТИЗАЦІЇ, ДІАГНОСТИКИ І КОМП’ЮТЕРНО-ІНТЕГРОВАНОГО УПРАВЛІННЯ........ Листопад Г.И., Кузнецов Д.Н. Электронная система учебноисследовательского стенда по изучению кинетики реакций с участием газовой фазы............................................................................................................................... Березняк В.В., Чекавский Г.С. Лабораторный стенд для исследования системы плавного пуска асинхронного двигателя на базе устройства Altistart_48_ATS48D17Q............................................................................................. Смирнов В.А., Фёдоров М. М. Переходные процессы в цепи с ёмкостью и нелинейным резистивным элементом....................................................................... Бершадский И. А., Шестаков А.С. Выбор ограничителей перенапряжения (ОПН) для молниезащиты в TN– S, TN– C– S системах электропитания............. Гірько В.О., Єгорова І.В., Погрібняк Н.М. Вдосконалення алгоритмів розрахунку пікових струмів і втрат напруги в мережі електропостачання групи машин контактної зварки............................................................................................ Заяц Д. В., Пеньков О. В. Исследование распределения переменных потерь в кинематически связанных асинхронных двигателях............................................... Заец Д.В., Погромский Д.Г. Определения начальных условий в разветвленных электрических цепях.........................................................................

339

152 152

157 160 164 169

171 175 177

180 185

189 193

198

202

205 208 211

215 219 221

8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18.

19.

Тимонин И.С., Фёдоров М.М. Переходные процессы в цепи с индуктивностью и нелинейным резистивным элементом....................................... Квасница А.В., Добровольская Л.А. Частотный преобразователь для управления однофазным исполнительным механизмом типа "МЭО"................... Козакевич І.А. Спосіб бездатчикового керування асинхронними двигунами з використанням струму нульової послідовності........................................................ Коробко С.В., Чашко М.В. Солнечное электропитание локального потребителя.................................................................................................................. Кузнецов Д.Н., Грюк В.И. Исследование времяпролетного термоанемометра.. Петлеванная Е.В., Левшов А.В. Основные факторы влияющие на работу фотоэлектрических модулей....................................................................................... Кордюков А.И., Фёдоров М.М. Переходные процессы в цепи с ёмкостью, индуктивностью и нелинейным резистивным элементом....................................... Пихтарь О.В., Жарков В.Я. Анализ эффективности спектра излучения различных источников света для растений............................................................... Саенко С.А., Бершадский И.А. Лабораторный стенд для исследования однофазного УЗО......................................................................................................... Федченко Т.В., Левшов А.В. Эквивалентная схема фотоэлектрического элемента и ее параметры............................................................................................. Червонченко С.С., Прокопов Р.В., Жарков В.Я. Обгрунтування конструювання багатополюсного синхронного вітроелектрогенератора на неодимових магнітах................................................................................................... Поляков Н.Е. Методы составления характеристических уравнений разветвленной схемы...................................................................................................

СЕКЦІЯ 5. НАУКОВІ, АНАЛІТИЧНІ ТА ЕКОЛОГІЧНІ ПРИБОРИ І СИСТЕМИ................................................................................................................... 1. Реент А.В., Рожков А.С., Тарасюк В.П. Использование ультразвуковых измерений для контроля состояния соединительного шва котла........................... 2. Лактионов И.С., Бурмистрова А.А. Способ компенсации влияния температурного фактора на метрологические характеристики измерителя влажности почв............................................................................................................ 3. Андриенко Е.Н., Бирюков А.Б., Олешкевич Т.Г. Создание системы для диагностики теплотехнических параметров в технологии нагрева металла в камерных печах с выкатным подом........................................................................... 4. Вовна А.В., Левшов М.М. Разработка блока контроля и регулирования температуры измерителя концентрации газов.......................................................... 5. Гнитиев П.А., Бирюков А.Б. Система контроля и мониторинга теплового состояния металла при воздушном охлаждении в камерной печи......................... 6. Денисов А.А., Хламов М.Г. Моделювання вимірювального каналу визначення концентрації іонів заліза у стічних водах............................................. 7. Карповский А.Ю., Кузнецов Д.Н. Обоснование структурной схемы электронной системы контроля и управления печью ТАММАНА........................ 8. Коновалов Р.С., Львов А.А. Пьезорезистивные датчики давления..................... 9. Кузнецов Д.Н., Стеценко А. Исследование тепловизора на базе инфракрасного датчика температуры серии MLX90614......................................... 10. Николаенко А.Ю., Львов П.А., Львов А.А. Автоматизированная система контроля параметров и испытаний датчиков давления........................................... 11. Родионов Н.А., Сотников А.Л. Изучение методов тензометрии в рамках лабораторных работ по дисциплине "ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ МАШИН"..........................................................................

340

225 228 231 235 238 242 245 249 253 257

261 266

270 270

275

280 283 288 290 294 296 300 305

309

12. Соломічев Р.І., Вовна О.В. Алгоритмічно-структурний синтез системи контролю вибухонебезпечних газових сумішей рудничної атмосфери................. 13. Соломичева С.В., Тарасюк В.П. Исследование акустического тракта прямого пьезопреобразователя в измерителе уровня жидкости в барабане котла............... 14. Трунов В.А., Хламов М.Г. Моделирование формирования аналитического сигнала концентрации углеводородов в выхлопах автомобильного транспорта.................................................................................................................... 15. Федоренко К.В., Бирюков А.Б. Метод автоматического определения количества засоренных форсунок в секторах вторичного охлаждения МНЛЗ..... 16. Холодов О.А., Новиков Е.Н. Влияние мощности нагревателя на скорость газообмена в датчике метана..................................................................................... 17. Холодов О.А., Новиков Е.Н. Прибор для определения параметров функции распределения в текущем времени............................................................................ 18. Черевко Е.А., Зайцев В.С. Система автоматического контроля режимов работы низковольтных распределительных электрических сетей.........................

341

313 318

322 327 329 332 334