Технико экономическая оценка бесколлекторного электромашинного усилителя с регулируемой частотой (бэму-рч)

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М КИРОВА

Том 172

1967

ТЕХНИКО ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА БЕСКОЛЛЕКТОРНОГО

ЭЛЕКТРОМАШИННОГО УСИЛИТЕЛЯ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ЧАСТОТОЙ

А. С. БАТУРИН, А. И. СКОРОСПЕШКИН, Б. Е. ТРОФИМЕНКО, Ш. С. РОИЗ

Одним из экономичных двигателей исполнительного механизма автоматизированного электропривода является асинхронный коротко-замкнутый двигатель переменного тока, имеющий сравнительно высокую надежность работы и низкую себестоимость изготовления. Во многих случаях, когда требуется получить плавное изменение скорости вращения асинхронного двигателя в широком диапазоне, применяется частотное регулирование 'скорости. В качестве источников переменного тока регулируемой частоты используются синхронные и асинхронные генераторы, коллекторные и одноякорные преобразователи, различные схемы статических преобразователей. В настоящее время большое внимание уделяется разработкам схем статических преобразователей частоты, как наиболее перспективных.

Перспективным источником регулируемой частоты может стать также бесколлекторный электромашинный усилитель .переменного тока регулируемой частоты (БЭМУ-РЧ), разрабатываемый на кафедре электрических машин Томского политехнического института.

БЭМУ-РЧ состоит из трех основных узлов:

1) приводной двигатель (асинхронный короткозамкнутый);

2) электромашинный усилитель (трехкаскадная электрическая машина);

3) управляемый полупроводниковый коммутатор (УПК).

Принцип работы БЭМУ-РЧ состоит в следующем. Напряжение постоянного тока подается на обмотку управления (первый каскад усилителя) через УПК. В результате этого создается неподвижный магнитный поток з (Пространстве. С помощью УПК магнитный поток становится вращающимся с определенной регулируемой скоростью, которая может изменяться в зависимости от частоты переключения УПК. Первый каскад возбуждает второй, являющийся асинхронным генератором. Последний является чисто индуктивной нагрузкой первого каскада и генерирует активную мощность в третий каскад, который является выходным и осуществляет функции бескантактности. Частота на выходе усилителя изменяется в зависимости от частоты на входе.

Наряду с этим БЭМУ-РЧ осуществляет усиление мощности на выходе. 4

Технические и экономические показатели БЭМУ-РЧ необходимо сопоставить с аналогичными показателями конструкций, позволяющих осуществлять те же функции при одинаковых выходных параметрах. Наиболее приемлемым для сопоставлений с БЭМУ-РЧ может быть статический преобразователь трехфазного тока на плоскостных транзисто-

pax [1]. В табл. 1 приводятся технико-экономические показатели БЭМУ-РЧ и статического преобразователя.

Таблица 1

Технико-экономические показатели бесколлекторного ЭМУ с регулируемой частотой (БЭМУ-РЧ) и статического преобразователя трехфазного переменного тока на плоскостных транзисторах.

Наименование количественного или качественного показателя Значение показателя для

с с « Ед. изм. БЭМУ-РЧ-12А Статич. преобр. 3 фазн. тока

1 2 3 4 5

А. Технические показатели

1 Потребляемая мощность приводного двигателя

2 Мощность приводного двигателя

3 Число оборотов приводного двигателя

4 Модель приводного двигателя

5 Вес обмоточной меди приводного двигателя

6 Коэффициент полезного действия приводного двигателя

7 Коэффициент мощности приводного двигателя

ВТ

ВТ

об/мин

кг

%

2100

1700 2850 А-32-2

1,66 —

81,5 —

0,87 0,70

8 Напряжение приводного двигателя в 220/380

9 Потребляемая мощность на входе усили-

теля (сигнал управления) ВТ 100 —

10 Мощность на выходе усилителя 'ВТ 1200 1100

И. Напряжение на выходе усилителя в 110 40

12 Ток на выходе усилителя а 4 9

13 Коэффициент усиления мощности — 12 —

14 Эквивалентное быстродействие сек 0,05 0,02

15 Коэффициент добротности ,1/сек 240 —

16 Пределы частоты на выходе ГЦ 100—400 50—400

17 Габариты агрегата:

а) длина м 0,91 0,30

б) ширина м 0,40 0,25

в) высота м 0,26 0,20

18 Вес .агрегата «г 100 30

19 Вес усилителя кг 70 —

20 Коэффициент полезного действия 70

(>к.п.д.) усилителя % —

2,1 К.п.д. агрегата % 57 70

работа на

холостом

22 Потери электрической энергии агрегата: ходу не

а) потери холостого хода ВТ 400 допу-

скается

б) потери при номинальной нагрузке ВТ 900 470

23 Тип коммутатора усилителя

24 Схема регулирования частоты

25 Перегрузка по току в течение 3 сек.

26 Функции, выполняемые усилителем

полупров. полупровод, управл. ПП схема полупров. стати, ¿коммутат. ческ. (УПК) преобразовав. <кз 1,5 усиление мощности — регулир. .регулы-частоты ров. частоты

27 Условия работы

Б. Экономические показатели

I. При изготовлении

28 Себестоимость изготовления агрегата

нормальн.

норм.

29

30

31

руб./агр руб./усил

РУб

схема кг/агр

1754 2300 196 —

1500 — 8,2 1,2

усл. рем. ед. руб./год н-час год руб./год 6 123 78,6 20,6 6 123 78,6 6,6

руб./год 24,8 15,4

руб./год 242 276

руб./год 389,8 414,4

руб./год 385,6 405,6

Себестоимость изготовления усилителя Себестоимость изготовления схемы управления (управляемый полупроводниковый коммутатор) Расход обмоточной меди .на агрегат

I. При изготовлении

32 Категория ремонтной сложности агрегата [4]

33 Ремонтные расходы в год

34 Трудоемкость ремонта

35 Стоимость потерь электрической энергии

36 Стоимость всей электрической энергии

37 Амортизационные отчисления от агрегата [3]

38 Эксплуатационные расходы с включением всей 'потребляемой энергии

39 Эксплуатационные расходы с включением стоимости потерь электрической энергии

40 Схема регулирования нереверс, нереверс.

регулир. регулиров. с к орос ти с к орос т и и мощи. асинхрон. асинхрон. короткоз. короткоз. двигателя двигателя

Сопоставление технических показателей (табл. 1, раздел А) позволяет установить, что БЭМУ-РЧ и статический преобразователь имеют примерно одинаковые выходные мощности (1,2 и 1,1 к-вт). Сравнение остальных технических параметров дает возможность сделать ряд выводов о преимуществах ¡и недостатках рассматриваемых конструкций. К основным преимуществам БЭМУ-РЧ следует отнести:

а) малая 'мощность УПК;

б) удовлетворительная форма кривых тока и напряжения, получаемая за счет машинной части;

в) возможность работы при значительных перегрузках (допускает режим короткого замыкания);

г) достаточно высокое (напряжение на выходе;

д) сравнительно хорошее быстродействие. Недостатки БЭМУ-РЧ следующие:

а) .малый'коэффициент усиления (12);

б) сравнительно большой вес агрегата в целом (100 кг);

в) сравнительно большие размеры агрегата;

г) наличие вращающихся частей

Основные 'преимущества статического преобразователя частоты на плоскостных транзисторах \в сравнении с БЭМУ-РЧ;

а) лучшее быстродействие;

б) малые габариты и вес;

в) более высокий к.п.д. агрегата;

г) отсутствие вращающихся частей.

Наряду с этим статический преобразователь частоты имеет ряд существенных недостатков, снижающих эффективность его применения. К недостаткам статического (Преобразователя относятся:

а) полупроводниковые элементы, рассчитываются на полную мощность нагрузки;

б) неудовлетворительные формы ¡кривых тока и напряжения на выходе (для сглаживания устанавливаются дополнительные фильтры, удорожающие схему);

в) чувствительность к перегрузкам;

г) низкое выходное напряжение (без трансформатора на выходе). Включение дополнительного трансформатора сужает диапазон регулирования частоты;

д) недопустимость работы без нагрузки (холостой ход невозможен).

Силовые полупроводниковые элементы в статических преобразователях частоты находятся <в более трудных условиях (чем у БЭМУ-РЧ), не допускают короткого замыкания, чувствительны к- коммутационным переключениям.

Анализируя экономические показатели (табл. 1, раздел Б), устанавливаем, что ориентировочные значения себестоимости изготовления (определенные укрупненным методом [21) у БЭМУ-РЧ и статического преобразователя составляют крупные суммы. Большая себестоимость изготовления объясняется высокими ценами на полупроводниковые приборы. Так, себестоимость изготовления УПК для БЭМУ-РЧ равна 1500 руб, что составляет около 86 проц. себестоимости всего агрегата. При этом наиболее дорогие элементы (табл. 2) тиристоры, диоды ВК2-10 и полупроводниковые триоды составляют 42 проц. себестоимости изготовления схемы УПК или свыше 90 проц. стоимости покупных изделий и основных материалов. С увеличением масштаба производства полупроводниковых приборов, а также с дальнейшим совершенствованием технологии их изготовления себестоимость и цены на них будут снижаться, а это, в свою очередь, позволит значительно снизить себестоимость изделий, в схемы которых входят полупроводники. Подходя с этих позиций, .можно ожидать, что такие изделия являются перспективными, тем более, что применение полупроводниковых приборов позволяет создавать бесконтактные схемы с высоким коэффициентом полезного действия, с хорошим быстродействием и малыми габаритами.

Сравнение себестоимости БЭМУ-РЧ и статического преобразователя (табл. 1) показывает, что последний является более дорогим изделием при изготовлении. Однако при этом »надо иметь ¡в виду и то, что .на изготовление статического преобразователя частоты потребляется значительно меньше дефицитной меди.

Эксплуатационные расходы в год у статического преобразователя также несколько превышают расходы то БЭМУ-РЧ. Это объясняется в основном большими амортизационными отчислениями статического преобразователя.

Все экономические расчеты произведены для двухсменного режима работы в нормальных условиях эксплуатации.

Так как коэффициент полезного действия, коэффициент мощности, а также расход меди для сравниваемых вариантов не одинаковы, следует учесть различия в денежном выражении. В табл. 3 приведены значения основных экономических показателей и их корректировка.

Как видим из табл. 3, что и после корректировки экономических показателей БЭМУ-РЧ имеет меньшие единовременные затраты и эксплуатационные расходы. Важно отметить, что если единовременные затраты БЭМУ-РЧ-12А в 1,27 раза меньше, то эксплуатационные расхо-

Таблица 2

Расчет стоимости покупных изделий и основных материалов схемы управления БЭМУ-РЧ-12А

.о. Наименование покупных изделий и основных материалов Тип Кол-во Цена, руб./шт. Сумма руб. Обоснование

1 Тиристор УД 12 40 480,0 Номенкл. завода, 1966

2 Диод ВК2-10 12 7 84,0 »

3 П о л уп р ов о дн и новый триод МП 12 1.4 14,8 Прейскур. № 16-03

4 Полупроводниковый триод П16 12 0,56 6,7 Прейскур. № 16-03

5 Диод Д9Ж 6 0,13 0,78 »

6 Диод Д9Б 6 0,03 0,18 »

7 Конденсатор МБГП 2X160 12 0,30 3,60 Прейскур. № 16-01

8 Диод Д7Ж 9 0,20 1,80 Прейскур. № 16-03

9 Стабилитрон Д813 4 0,63 2,52 »

10 Полупроводниковый триод П4БЭ 2 2,05 4,10 »

11 Сопротивление МЛТ-0,25 75 0,11 8,25 Прейскур. № 16-01

12 Сопротивление МЛТ-0,5 13 0,023 0,30 »

13 Сопротивление переменное СПО-1 2 0,29 0,58

14 Текстолит 2,5 мм 0,525 2,40 1,26 Прейскур. № 15-10

15 Конденсатор 50X50 в КЭ-1а 7 ОД65 1Д6 Прейскур. № 16-01

16 Конденсатор 20X50 в КЭ-1а 40 0,093 3,72 »

17 Конденсатор 15X70 в ЗТ0-1Б 6 0,093 0,56 »

18 Монтажный провод 1 мм2 Юм 0,022 0,22 Прейскур. № 15-09

19 Монтажный провод силовой 6 мм2 9 м 0,0645 0,58 »

20 Трансформатор 30 вт 1 4,15 4,15 Прейскур. № 15-03

21 Трансформатор Итого 200 вт 1 5,70 5,70 626,87 »

Трансформаторно-заготовительные расходы (9%) Всего 54,4 683,27

335

ды — всего в 1,06 раза. Такое соотношение объясняется меньшей стоимостью потерь электрической энергии у статического преобразователя за счет более высокого к.п.д. т

Таблица 3

Основные экономические показатели БЭМУ-РЧ-12А и статического преобразователя частоты на плоскостных транзисторах с учетом корректировки

Наименование показателя

С?

ш

Значение показателя для

БЭМУ-РЧ-12А

Статич. преоб-раз. частоты

Себестоимость изготовления а) затраты на покрытие дополнительных потерь электрической энергии до к. п. д.=70% [61 руб.

б) затраты на ¡приобретение статических конденсаторов для компенсации реактивной мощности для (доведения со5<р=0,87 для обоих агрегатов [61

руб./изд

1754 2300 34 —

в) сопряженные капитальны? затраты, связанные с большим использованием меди [61 Скорректированные единовременные затраты

2 Эксплуатационные расходы

а) дополнительные расходы, связанные с потерей электрической энергии в статических конденсаторах [51

руб.

руб. руб. руб.

6,05

19,6 1807,6 2306

изд .год

389,8

Скорректированные ционные расходы

экоплуата-

руб./год руб.

414,4

0,142

изд.год

389,8 414,5

Выводы

1. Бесколлекторный электромашинный усилитель -с регулируемой частотой (БЭМУ-РЧ-12А) осуществляет усиление мощности и широкий диапазон регулирования частоты на выходе.

2. БЭМУ-РЧ-12А в сравнении со статическим преобразователем трехфазного тока на плоскостных транзисторах имеет ряд существенных преимуществ:

а) небольшая мощность на входе управляемого полупроводникового коммутатора (УПК);

б) удовлетворительная формы кривых напряжения и тока на выходе за счет машинной части;

в) возможность работы при значительных перегрузках (допускает режим короткого замыкания);

г) достаточное высокое напряжение на выходе;

д) сравнительно хорошее быстродействие;

е) меньшая себестоимость изготовления и эксплуатационные расходы (при двухсменном режиме работы и нормальных условиях эксплуатации);

3. БЭМУ-РЧ-12А может найти применение в (нереверсивных схемах автоматизированного привода для управления асинхронными коротко-замкнутыми двигателями. При этом не должно быть жестких требований к га-баритам и весу агрегата БЭМУ-РЧ.

ЛИТЕРАТУРА

1. М. Б. Кюновалов. Статические преобразователи трехфазного переменного тока на плоскостных транзисторах. Диссертация, Томск, 1963.

2. А. С. Консон. Экономическое обоснование проектов электрических машин, аппаратов, приборов. Госэнергоиздат, М.-Л., 1963.

3. П. Р. Филиппов. Новые нормы амортизации. Москва, 1963.

4. Единая система планово-предуцредителыюго ремонта и рациональной эксплуатации технологического оборудования машиностроительных предприятий. Москва, 1964.

5. И. А. Сыромятников. Режимы работы асинхронных и синхронных электродвигателей. Госэнергоиздат, 1963.

6. Журнал «Вестник статистики», № 9, 1966.

22. Известия, т. 172.