Программа дисциплины (syllabus)

Титульный лист программы дисциплины (SYLLABUS)

Форма Ф СО ПГУ 7.18.4/19

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

Кафедра Автоматизация и управление

Программа дисциплины (Syllabus)

SUPEU 6303 Системы управления и питания электротехнологических установок

Павлодар, 2013 г.

Лист утверждения программа дисциплины (Syllabus)

Форма Ф СО ПГУ 7.18.4/19

УТВЕРЖДАЮ

Декан энергетического факультета

___________

«___»_____________20__г.

Составитель: профессор, д. т.н. _____________

Программа дисциплины (Syllabus)

по дисциплине Системы управления и питания электротехнологических установок SUPEU 6303

для докторантов очной формы обучения

специальности 6D071800- Электроэнергетика

Программа разработана на основании рабочей учебной программы, утверждённой

«___» _________20__г.

Рекомендована на заседании кафедры от «___»____________20__г.

Протокол №_____.

Заведующий кафедрой ________________ «____» ________20__г.

Одобрена учебно-методическим советом энергетического факультета

«____»______________20__г. Протокол №____

Председатель УМС ________________ «____» ________20__г.

1. Паспорт учебной дисциплины

Наименование дисциплины Системы управления и питания электротехнологических установок

Дисциплина вузовского компонента

Количество кредитов и сроки изучения

Всего − 3 кредита

Курс: 2

Семестр: 4

Лекции − 30 часов

Практические занятия − 15 часов

СРО − 270 часов

Общая трудоемкость 315 − часов

Форма контроля

Форма итогового контроля Экзамен – 4 семестр

Пререквизиты – дисциплины, содержащие перечень знаний, умений и навыков, необходимых для освоения изучаемой дисциплины:

- технологические процессы и оборудование производства;

- элементы и устройства автоматики;

- исполнительные механизмы АСУ;

- теория автоматического управления;

- микропроцессорные комплексы в системах управления.

Постреквизиты – Построение РЗА на нестандартных алгоритмах.

2. Сведения о преподавателях и контактная информация

д. т.н., профессор

Кафедра «Автоматизация и управление», аудитория 333, телефон: 67-36-57,

3. Предмет, цели и задачи

Предмет дисциплины

Курс "Системы управления и питания электротехнологических установок" должен обеспечить подготовку высококвалифицированного специалиста, глубоко знающего теорию и практику устройства и принципа работы электротехнологических установок (ЭТУ) систем их питания и управления.

Цель преподавания дисциплины

Ознакомление докторантов с устройством электротехнологических установок систем их питания и управления.

Задачи изучения дисциплины

- изучение видов нагрева и видов электротехнологических установок;

- изучение устройств, принципов действия, правил использования электротехнологических установок;

- изучение принципов питания и управления электротехнологических установок.

4. Требования к знаниям, умениям, навыкам и компетенциям

В результате изучения данной дисциплины студенты должны:

иметь представление о:

- устройстве электротехнологических установок;

знать:

- основные виды ЭТУ;

- принцип работы ЭТУ;

- принципы автоматизации основных видов ЭТУ;

уметь:

- спроектировать систему автоматизации ЭТУ.

5 Тематический план изучения дисциплины

Распределение академических часов по видам занятий

№ п/п	Наименование тем	Количество аудиторных часов по видам занятий	СРО
лекции	практические (семинарские)	лабораторные студийные, индивидульные	Всего	в том числе СРОП
1	Общие сведения об ЭТУ	6	2	-	30	3
2	Автоматическое управление электроустановок нагрева сопротивлением	8	4	-	80	5
3	Автоматическое управление электроустановок индукционного нагрева	8	4	-	80	5
4	Автоматическое управление электроустановок дугового нагрева (ЭДН)	8	5	-	80	5
	Всего: 315 (3 кредита)	30	15	-	270	18

6 Содержание лекционных занятий

Тема 1. Общие сведения об ЭТУ

План:

1. Определение ЭТУ.

2. Виды нагрева.

3. Классификация ЭТУ.

Краткое изложение каждого вопроса:

Элетротехнологическими называются установки, в которых электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии с одновременным выполнением технологического процесса.

Электротехнологические установки имеют результирующее действие на обрабатываемый материал: от электрического тока, от электрических и магнитных полей.

При комплексном воздействии на любое вещество можно получить много различных технологических операций.

К таким операциям относятся: изменение температуры, формы, струк­туры, состава, свойств вещества и т. д.

По характеру действия на обрабатываемое вещество все электротехно­логические установки условно делятся на электротермические, электрохи­мические, электромеханические и электрокинетические.

Литература: [1], 6-7 стр.

Тема 2. Автоматическое управление электроустановок нагрева сопротивлением

План:

1. Принцип действия электроустановок нагрева сопротивлением.

2. Электрические печи сопротивления (ЭПС).

3. Электрооборудование и регулирование параметров ЭПС.

4. Методы регулирования температуры в электрических печах сопротивления.

5. Конструкции и схемы автоматических регуляторов температуры.

6. Электрическая схема непрерывного регулятора температуры ЭПС.

7. Принципиальная электрическая схема управления ЭПС.

Краткое изложение каждого вопроса:

Принцип действия таких установок основан на законе Джоуля - Ленца.

Количество теплоты, выделяющейся в проводнике, при прохождении по нему электрического тока зависит от сопротивления проводника, электриче­ского тока в цепи, времени его прохождения.

Источником теплоты в установках являются нагревательные элемен­ты (НЭ).

Выбор материала и конструкции НЭ определяется особенностями тех­нологического процесса и конструкции установки.

Примерами электроустановок нагрева сопротивлением являются: элек­трические печи сопротивления (ЭПС) и различные нагревательные устрой­ства, обеспечивающие технологические процессы производства.

ЭПС применяются для технологических операций в машиностроении, металлургии, легкой промышленности и т. п.

По исполнению печи выпускаются косвенного и прямого действия, по назначению — нагревательные и плавильные, по режиму работы — перио­дически и непрерывно действующие. По конструкции:

− периодического действия — колпаковые, элеваторные, камерные, шахтные;

− непрерывного действия — конвейерные, толкательные, протяжные.

ЭПС для плавки металлов предназначены для выплавки олова, свин­ца, цинка и других металлов с температурой плавления до 530 °С.

По конструктивному исполнению такие печи делят на тигельные и ка­мерные (или ванные).

Тигельная ЭПС представляет собой металлический сосуд — тигель, по­мещенный в цилиндрический корпус, выполненный из огнеупорного мате­риала (футеровка). НЭ расположены на футеровке снаружи тигля. КПД печи 50-55 %, удельный расход ЭЭ при плавке алюминия 700-750 кВт · ч/кг.

Камерная ЭПС предназначена для переплавки алюминия на слитки. Она имеет больший объем, КПД до 60-65 %, удельный расход ЭЭ составляет 600-650 кВт · ч/кг.

Во всех типах ЭПС возможен внутренний и внешний обогрев.

При внутреннем обогреве нагреватели ТЭНы размещены в расплавлен­ном металле и работают при температуре не выше 570 °С.

При внешнем расположении открытых высокотемпературных нагрева­телей можно получить температуру в рабочем пространстве печи до 930 °С.

Элекрооборудование и регулирование параметров ЭПС

Мощность современных ЭПС колеблется от сотен ватт до нескольких мегаватт.

Печи мощностью более 20 кВт выполняются трехфазными при равно­мерном распределении нагрузки по фазам и подключаются к сетям 220, 380, 660 В непосредственно или через печные трансформаторы (или автотранс­форматоры).

Применяемое в ЭПС ЭО включает 3 группы: силовое ЭО, аппаратура управления и контрольно-измерительная (КИП).

К силовому ЭО относятся

- силовые понижающие трансформаторы и регулировочные авто­трансформаторы (АТ);

- силовые электроприводы (ЭП) вспомогательных механизмов;

- силовая коммутационная и защитная аппаратура.

К аппаратуре управления относятся комплектные станции управления с коммутационной аппаратурой.

К КИП относятся приборы (устройства) контроля, измерения и сигна­лизации. Обычно вынесены на щит.

ЭПС, получающие сетевое питание, значительно проще, так как не ну­ждаются в силовых трансформаторах.

Регулировочные трансформаторы и АТ целесообразно применять, когда печь выполнена с НЭ, меняющими свое сопротивление в зависимости от температуры (вольфрамовые, графитовые, молибденовые), для питания со­ляных ванн и установок прямого нагрева.

Все промышленные печи сопротивления работают в режиме автомати­ческого регулирования температуры. Регулирование рабочей температуры в ЭПС производится изменением подводимой мощности.

Регулирование подводимой к печи мощности может быть дискретным и непрерывным.

При дискретном регулировании возможны следующие способы:

- периодическое подключение и отключение ЭПС к сети (двухпозици-онное регулирование);

- переключение НЭ печи со «звезды» на «треугольник», либо с последо­вательного соединения на параллельное (трехпозиционное регулиро­вание).

Наибольшее распространение получило двухпозиционное регулирова­ние, так как способ прост и позволяет автоматизировать процесс.

Литература: [1], 9-22 стр.

Тема 3. Автоматическое управление электроустановок индукционного нагрева

План:

1. Основы индукционного нагрева.

2. Общие сведения об индукционных ЭТУ.

3. Источники питания ЭТУ.

4. Индукционные установки как объекты управления.

5. Системы регулирования электрического режима индукционных установок.

6. Системы регулирования теплового режима индукционных установок.

7. Управление индукционными установками с применением УВМ.

8. Принципиальные электрические схемы контроля и управления индукционными установками.

Краткое изложение каждого вопроса:

Индукционный нагрев проводящих тел основан на поглощении ими электромагнитной энергии, возникновении наведенных вихревых токов, на­гревающих тело по закону Джоуля-Ленца.

Принципиальная схема индукционного нагрева включает: индуктор, за­зор и нагреваемое тело.

Индуктор создает переменный во времени магнитный поток, действующий на нагреваемое тело.

В нагреваемом теле возникает ЭДС (Е), которая обеспечивает возникн­овение вихревых токов и выделение мощности.

Индукторы изготавливают обычно из меди — немагнитного материала, охлаждаемого водой.

Он имеет много витков и может быть снаружи и внутри нагреваемого тела.

Достоинствами электроустановок индукционного нагрева являются:

- высокая скорость нагрева и неограниченный уровень температур,

- простота автоматизации технологического процесса,

- возможность регулирования зоны действия вихревых токов в про­странстве (ширина и глубина прогрева),

- хорошие санитарно-гигиенические условия труда.

Но, вместе с этим, требуются более сложные источники питания и повышенный удельный расход ЭЭ на технологические операции.

Индукционные ЭТУ разделяются на плавильные, нагревательные и за­калочные.

Литература: [1], 22-40 стр.

Тема 4. Автоматическое управление электроустановок дугового нагрева (ЭДН)

План:

1. Принцип действия ЭДН.

2. Электрооборудование дуговых печных установок (ДПУ).

3. Система контроля электродуговых печей (ЭДП).

4. Автоматическое управление режимом дуговых сталеплавильных печей.

5. Принципиальная электрическая схема автоматического регулятора дуги.

Краткое изложение каждого вопроса:

Преобразование электрической энергии в тепловую в дуговых печах происходит в электрической дуге, являющейся одной из форм дугового разряда в газах. При таком разряде в сравнительно небольшом объеме дуги можно сконцентрировать огромные мощности и получить очень высокие температуры. Высокая концентрация тепла в дуге позволяет с большой скоростью плавить и нагревать металл в дуговых печах до высокой температуры.

Нагрев металла дугой можно осуществлять непосредственно (если дуга горит между электродом и расплавленным металлом) или излучением, когда дуга горит между двумя электродами. Печи первого типа - это дуговые печи прямого действия, второго типа — дуговые печи косвенного действия. В печах косвенного нагрева очаг высокой температуры удален от поверхности металла на некоторое расстояние и на поверхность металла первоначально попадает лишь часть тепла, излучаемого дугой. Значительная его часть достигает поверхности металла после отражения от стен и свода, поэтому футеровка печи испытывает большие тепловые нагрузки. Низкая стойкость футеровки ограничивает возможность проведения в таких дуговых печах процессов, требующих нагрева металла свыше 1300—1400 °С, и не позволяет применять их для плавления тугоплавких металлов. В черной металлургии такие дуговые печи иногда используют в небольших литейных цехах для расплавления чугуна.

Значительно лучше условия передачи тепла от дуги металлу в дуговых печах прямого действия. В этом случае очаг высоких температур максимально приближен к поверхности металла. Часть тепла из зоны высоких температур поглощается металлом непосредственно и отводится теплопроводностью. Значительно большая часть и лучистой энергии сразу попадает на поверхность металла, а свод печи защищен от воздействия дуг благодаря экранирующему действию электродов. Все это позволяет концентрировать в дуге большие мощности и успешно проводить процессы, требующие нагрева до высоких температур. Вертикально расположенные электроды в дуговых печах прямого действия работают в основном на растяжение. Это позволяет использовать длинные графитовые электроды большого сечения, допускающие работу на токе большой силы. Таким образом, эти печи могут быть мощными, большой емкости и производительности. В зоне действия дуг происходит интенсивное испарение металла, и поэтому дуговые печи прямого действия не получили широкого применения для плавления дорогих металлов, характеризуемых низкой температурой испарения. Но сравнительно высокие температуры испарения и относительно невысокая стоимость черных металлов делают этот недостаток печей прямого действия в случае производства стали не столь существенным, если учесть их достоинства — большую производительность и возможность проведения высокотемпературных процессов. В связи с этим такие дуговые печи широко распространены в сталеплавильной и ферросплавной промышленности. Наиболее распространены дуговые трехфазные сталеплавильные печи с дугой, горящей в воздушной атмосфере. По общему объему производства металла они занимают первое место среди электросталеплавильных агрегатов. В последние годы получили распространение дуговые печи специального назначения, например дуговые вакуумные печи (ВДП), которые также являются печами прямого действия.

Литература: [1], 40-58 стр.

7 Содержание практических занятий, их объем в часах

Тема 1. Расчет электропечной установки.

План:

1.  Выполнить расчет индуктивностей установки.

2.  Рассчитать фазные напряжения и токи.

3.  Найти активные мощности потребляемые в фазах, суммарную активную мощность, и мощность источника.

Задания:

Необходимо выполнить расчет электропечной установки.

Методические рекомендации по выполнению задания:

По представленным данным пользуясь литературой выполнить задание.

Электропечная установка питается по короткой сети общей длиной 17,2 м с расположением проводов в одной плоскости на расстояние α - 1 м друг от друга. Радиус провода r = 0,25 м. Фазная э. д.с. симмет­ричного источника Е = 200 В, частота 50 Гц. Индуктивное сопротивле­ние источника питания, приведенное к стороне НН печного трансфор­матора, равно хп— 0,484 мОм. Активные сопротивления всех фаз R = = r + Rn =3 мОм.

Литература: [4], 142-143 стр.

Тема 2. Разработка микропроцессорной системы управления электрическим режимом расплавления шихты в ДСП.

План:

Для каждой стадии периода плавления задаются соответствующие электрические пара­метры − ток и напряжение.

Период плавления в дуговой сталеплавильной печи условно можно разделить на пять стадий:

1. Заглубление электродов в шихту.

2. Проплавление колодцев.

3. Стадия закрытых дуг;

4. Стадия открытых дуг;

5. Стадия доплавления.

Начало каждой стадии определяется по сигналам датчиков или оп­ределенных функций, поступающих от объекта.

Задания:

Разработать микропроцессорную систему управления электричес­ким режимом расплавления шихты в ДСП.

Методические рекомендации по выполнению задания:

Требования к устройствам связи с объектом:

− вся аналоговая информация должна быть преобразована в цифро­вую;

− вся информация должна проходить через гальваническую развязку для защиты от помех;

− соответствующая цифровая информация должна быть преобразо­вана в аналоговую.

Требования к пульту управления:

− должны быть предусмотрены два режима работы (автоматический и ручной);

− ключ сталевара для включения высоковольтного выключателя;

− кнопка задания тока;

− переключатель ступеней напряжения.

Требования к системе отображения информации. На ней должны отображаться:

− режим работы;

− выключение высоковольтного включателя;

− намер стадии процесса;

− задание силы тока;

− номер ступени напряжения;

− температура металла;

− расход электроэнергии;

− просьба замерить температуру;

− сообщение о замере температуры.

Литература: [4], 144-154 стр.

Тема 3. Расчет системы автоматического регулирования электрического режима ДСП.

План:

1. Составить структурную схему системы автоматического регулирования с тиристорным регулятором и электрическим приводом.

2. Составить структурную схему системы автоматического регулирования с электрогидравлическим регулятором.

Задания:

Выполнить расчет системы автоматического регулирования электрического режима ДСП.

Методические рекомендации по выполнению задания:

Расчет (САР) электрического режима достаточно сложен, прежде всего, из-за наличия большого количества нелинейных звеньев. Как указывалось выше, нелинейной является характеристика объекта регу­лирования, самого регулятора (наличие зоны нечувствительности, на­сыщения), исполнительных механизмов (люфт, эластичность передачи).

Поэтому здесь приводиться упрощенное математическое описание САР, которое имеет ряд ограничений. Расчет производится для участка линейной характеристики регулятора для номинальных токов при не­больших отклонениях от положения равновесия. В этом случае нели­нейная характеристика объекта (§ 4.2) может быть линеаризована. Объект представляется пропорциональным звеном (т. е. инерционно­стью измерения тока при изменении длины промежутка или его сопро­тивления можно пренебречь в виду его малости). Также могут не учи­тываться малая инерция электронного усилителя и измерительных транс­форматоров тока и напряжения, которые также представляются про­порциональными звеньями.

Литература: [4], 155-157 стр.

8 Задания самостоятельной работы

Тема 1. Электрохимические и электрофизические установки.

Задания СРС по каждой теме:

1. Изучить устройства, принцип действия и автоматизацию электрохимических и электрофизических установок.

Наиболее сложные вопросы учебной программы

1. Разработка вопросов:

1) Электролизные установки.

Тема 2. Электромеханические установки.

Задания СРС по каждой теме:

1. Изучить устройства, принцип действия и автоматизацию электромеханических установок.

Наиболее сложные вопросы учебной программы

1. Разработка вопросов:

1) Магнитоимпульсные установки.

2) Электромагнитные установки.

Тема 3. Электрокинетические установки.

Задания СРС по каждой теме:

1. Изучить устройства, принцип действия и автоматизацию электрокинетических установок.

Наиболее сложные вопросы учебной программы

1. Разработка вопросов:

1) Установки для разделения сыпучих смесей.

2) Установки для разделения эмульсий и суспензий.

9. График консультации СРОП (СРОП составляет 25% из СРО)

№	Виды занятия	понедельник	вторник	среда	четверг	пятница	суббота
1.	Консультирование по вопросам лекций	12.00 12.30
2.	Консультирование по вопросам практик		12.00 12.30
3.	Консультирование по вопросам СРО			12.00 12.30
4.	Консультации по вопросам тестовых заданий					12.00 12.30

10. Расписание проверок знаний обучающихся

График выполнения и сдачи заданий по дисциплине

№	Виды работ	Тема, цель и содержание задания	Рекомендуемая литера тура	Продолжительность выполнения	Форма контроля	Срок сдачи
1	2	3	4	5	6	7
1	Выполнить расчет электропечной установки.	Расчет электропечной установки.	4	3 недели		4-ая неделя
2	Разработать микропроцессорную систему управления электричес­ким режимом расплавления шихты в ДСП.	Разработка микропроцессорной системы управления электрическим режимом расплавления шихты в ДСП.	4	4 недели		8-ая неделя
4	Рубежный контроль	Модуль 1,2			Сдача выполне-ных заданий	10-ая неделя
5	Выполнить расчет системы автоматического регулирования электрического режима ДСП.	Расчет системы автоматического регулирования электрического режима ДСП.	4	5 недель		15-ая неделя
9	Рубежный контроль	Модуль 3,4			Сдача выполне-ных заданий	17-ая неделя

11. Критерии оценки знаний обучающихся

Изучение дисциплины заканчивается экзаменом в форме тестирования, который охватывает весь пройденный материал. Обязательным условием для допуска к экзамену является выполнение всех предусмотренных заданий в программе.

Каждое задание оценивается 0-100 баллов.

Рейтинг допуска выводится из средне арифметического всех выполненных заданий на текущих занятиях (посещение лекции, домашние задания, задания по СРО, задания по практике и другие, рубежный контроль).

К итоговому контролю (ИК) по дисциплине допускаются студенты, выполнившие все требования рабочей учебной программы (выполнение и сдача всех лабораторных работ, работ и заданий по СРС), получившие положительную оценку за защиту курсового проекта (работы) и набравшие рейтинг допуска (не менее 50 баллов).

Уровень учебных достижений студентов по каждой дисциплине (в том числе и по дисциплинам, по которым формой итогового контроля ГЭ) определяется итоговой оценкой (И), которая складывается из оценок РД и ИК (экзамена, дифференцированного зачета или курсовой работы/проекта) с учетом их весовых долей (ВДРД и ВДИК).

И = РД*0,6 + ИК*0,4

Весовые доли ежегодно утверждаются ученым советом университета и должны быть для РД не более 0,6, а для ИК не менее 0,3.

Итоговая оценка по дисциплине подсчитывается только в том случае, если обучающийся имеет положительные оценки, как по рейтингу допуска, так и по итоговому контролю. Не явка на итоговый контроль по неуважительной причине приравнивается к оценке «не удовлетворительно». Результаты экзамена и промежуточной аттестации по дисциплине доводятся до студентов в тот же день или на следующий день, если письменный экзамен проводился во второй половине дня.

Для корректности подсчета итоговой оценки знания обучающегося на рубежном контроле (рейтинге) и итоговом экзамене оцениваются в процентах от 0 до 100%.

Оценка рубежного контроля складывается из текущих оценок и оценки рубежного контроля.

Учебные достижения, то есть Знания, умения, навыки и компетенции студентов по дисциплине «Финансы» оцениваются по многобалльной буквенной системе адекватной ее цифровому эквиваленту и традиционной шкале оценок:

Оценка по буквенной системе	Цифровой эквивалент баллов	Процентное содержание	Оценка по традиционной системе
A	4,0	95-100	Отлично
A-	3,67	90-94
B+	3,33	85-89	Хорошо
B	3,0	80-84
B-	2,67	75-79
C+	2,33	70-74	Удовлетворительно
C	2,0	65-69
C-	1,67	60-64
D+	1,33	55-59
D	1,0	50-54
F	0	0-49	Неудовлетворительно

12. Требования преподавателя, политика и процедуры

Работы следует сдавать в указанные сроки. Крайний срок сдачи всех заданий – за 3 дня до начала экзаменационной сессии.

Докторанты, не сдавшие все задания не допускаются к экзамену.

Повторение темы и отработка пройденных материалов по каждому учебному занятию обязательны. Степень освоения учебных материалов проверяется тестами или письменными работами.

13 Список литературы

Основная

1) Шеховцов и электромеханическое оборудование. – М : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2009. – 416 с.

2) Ерофеев автоматического управления. – М. : Политехника, 2005. – 302 с.

3) Котюк в современных измерениях. – М : Телеком, 2006. – 96 с.

4) Лапшин технологических процессов дуговой сталеплавильной печи Учебн. пособ. - М.: Квадратум, 2002. - 158 c.

Дополнительная

1) Кулаков измерения и приборы для химических производств. – М : Машиностроение, 2003.