Технико-экономические обоснования разработки бесколлекторных электромашинных -усилителей (БЭМУ)

ИЗВЕСТИЯ

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

Том 172

1967

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОБОСНОВАНИЯ РАЗРАБОТКИ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ «УСИЛИТЕЛЕЙ

А. С. БАТУРИН, А. И. СКОРОСПЕШКИН, Э. Н. ПОДБОРСКИИ

Широко применяемые в схемах автоматики коллекторные электромашинные усилители (ЭМУ) имеют весьма существенные недостатки, обусловленные наличием коллекторно-щеточного аппарата.

Эти недостатки снижают надежность ЭМУ, ухудшают характеристики, ограничивают области их применения.

Исходя из этого, на кафедре электрических машин Томского политехнического института ведется разработка и исследование различных видов бесколлекторных электромашинных усилителей (БЭМУ) с целью повышения надежности работы и улучшения характеристик усилителей.

В данной статье приводятся результаты технико-экономического анализа разработки бесколлекторного электромашинного усилителя (БЭМУ-12А). Сравнение ведется с серийным усилителем ЭМУ-12А.

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к новым конструкциям, являются: техническое совершенство, экономичность при изготовлении и эксплуатации. Окончательные выводы об экономической эффективности делаются в результате комплексной оценки показателей перечисленных выше требований. В этой 'последовательности и будет осуществлен технико-экономический анализ БЭМУ-12А.

Поскольку в процессе анализа мы будем сравнивать БЭМУ-12А с ЭМУ-12А, приведем технико-экономические показатели по обоим усилителям.

Таблица 1

Технико-экономические показатели коллекторного (ЭМУ-12А) и бесколлекторного (БЭМУ-12А) электромашинных усилителей

Наименование количе- Значение показателя

с с ственного или качест- Ед. изм. для

венного показателя

£ ЭМУ-12А БЭМУ-12А

1 2 3 4 1 5

А. Технические показатели

1 Потребляемая мощность

приводного двигателя ВТ 1900 1945

2 Скорость вращения об/мин 2900 2900

3 Род тока приводного дви-

гателя — 3-фазн. 3-фазн.

4 Напряжение приводного 127/220; 1,27/220;

двигателя В 220/380 220/380;

9. Известия, т. 172.

129

б Коэффициент мощности (соБф) приводного двигателя —

6 Мощность усилителя на выходе вт

7 Напряжение на выходе усилителя в

8 Номинальный ток усилителя ' а

9 Коэффициент усиления —

10 Допустимая перегрузка агрегата раз

11 Коэффициент полезного действия (к.п.д.) агрегата %

112 Габаритные размеры:

а) длина м

б) ширина м

в) высота м

13 Вес агрегата кг

14 -Постоянная времени сек

16 Уровень радиопомех —

16 Потери электрической энергии:

а) суммарные потери холостого хода без сигнала управления вт

б) суммарные потери холостого хода при номинальном сигнале управления вт

в) суммарные потери

при номинальной нагрузке вт

17 Условия безотказной эксплуатации —

18 Род тока на выходе —

0,82

1200

115

10,4 , 2000

2,5

63

0,605 0,323 0,255 69 040 значит.

168

220

700

0,82

1200

115

10,4 2000

2,5

62

0,605 0,323 0,255 69 040 небольшой

108

160

746

нор- нормальные мальн. и трудные

постоян. постоян.

Б. Экономические показатели I. При изготовлении

19 'Себестоимость изготовления руб/шт

20 Трудоемкость изготовления

2Г Снижение трудоемкости

22 Повышение производительности труда %

23 Количество высвобождаемых рабочих чел.

24 Расход меди на усилитель кГ/шт

25 Экономия меди на усилитель кГ/шт

26 Экономия Латуни ЛС-59-1

на усилитель кГ/шт

27 Экономия меди в год кГ/год

1218,51 220,80

74,98

14,415

63, ,23 15,8

16,7

25 12,63

1,785

2,314 7,200

28 ; Экономия латуни в год

29 Общая экономия цветных металлов в год

30 Возможное высвобождение основных фондов

II. При эксплуатации

31 Ремонтные расходы на усилитель в год

32 Категория ремонтной сложности [5]

33 Трудоемкость ремонтных работ на усилитель в год ;5]

34 Снижение трудоемкости ремонта

35 Повышение производительности труда при ремонте

36 Стоимость потерь электрической энергии в год на усилитель

37 Годовая амортизация на усилитель

38 Су м м а рн ы й годов ой э к о-номичбский эффект

III. Эффективность затрат на разработку

39 Приведенные затраты на разработку

40 Срок окупаемости затрат на разработку

41 Коэффициент экономической эффективности затрат на разработку

кГ/год кГ/год руб.

РУб-шт. год ремонт, условн. един.

н-час_

шт. год %

%

руб. шт. год

руб. шт. год

руб год

руб. — 24460

год — 0,62

руб.

руб. год 1,612

— 9256

— 16456

5000

90,5 81

3,8 0,4

50 44,5

— 11

— 1*2,4

13Д6 12,56

25,65 25,8

— 39674

Основываясь на данных таблицы технико-экономических показателей (табл. 1) и литературных источников, проведем оценку технического совершенства БЭМУ-12А. Сравнение основных технических показателей вновь разработанного БЭМУ-12А и базового образца ЭМУ-12А показывает, что большинство данных у них совпадает. Важнейшими качественными показателями электромашинных усилителей являются: коэффициент усиления, быстродействие. У сравниваемых усилителей они одинаковы. Добротность усилителей (20000) также одинакова. Исключение составляет большая потребляемая мощность приводного двигателя (1945 вт>1900 вт) и связанный с эгим более низкий к.п.д, БЭМУ-12А (62% <63%). Однако при этом у новой конструкции усилителя потери холостого хода на 60 вт меньше по сравнению с базовым образцом. Поэтому экономичность того или иного усилителя зависит от соотношения времени работы при номинальной нагрузке и холостом ходе, а также от общего времени работы в течение года. Решение этого вопроса будет дано при определении эксплуатационных расходов.

9:

131

Новый усилитель имеет ряд очень важных принципиальных отличий от базового образца ЭМУ-12А.

Если ЭМУ-12А является обычным электромашинным усилителем поперечного поля, то БЭМУ-12А состоит из двух синхронных генераторов, совмещенных в одном магнитопроводе. Обмотка возбуждения выходного каскада БЭМУ питается через выпрямители (полупроводниковые диоды Д215А) от первого синхронного генератора. Таким образом, удалось исключить скользящий контакт в схеме. Это является главным преимуществом новой конструкции, обеспечивающим более высокую надежность работы, стабильность характеристик на выходе и более широкую область его применения.

Наряду с этим конструкция нового электромашинного усилителя за счет исключения коллекторно-щеточного узла упростилась, стала более технологичной в изготовлении, и, кроме того, она будет иметь лучшие показатели в эксплуатации, так как введение в схему полупроводниковых диодов сокращает потребность в ремонтах.

Важным преимуществом БЭМУ-12А является и то, что новый усилитель может безотказно работать не только в нормальных условиях, но и при неблагоприятных условиях эксплуатации

Одним из технических преимуществ БЭМУ-12А является возможность увеличения коэффициента усиления и улучшения быстродействия. Этого можно достигнуть путем включения на выходе параллельно обмоткам статора трех конденсаторов по 20 мкф марки МБГО-3. Последнее мероприятие позволит при меньшем токе управления получать достаточные мощности на выходе с лучшим быстродействием. Удорожание БЭМУ-12А за счет этого составляет около 2,5 руб. [8].

Исключение скользящего контакта из схемы БЭМУ-12А открывает потенциальные возможности создания более быстроходной и экономичной конструкции, а небольшой уровень радиопомех позволяет работать в непосредственной близости от электронных схем, не вызывая больших помех аппаратуры. Таковы технические преимущества БЭМУ-12А.

Рассмотрим экономичность новой конструкции при изготовлении (та'бл. 1, раздел Б, подраздел I). Важным показателем экономичности при изготовлении является себестоимость производства. Так как при изготовлении БЭМУ-12А используется большое число деталей и узлов базового образца ЭМУ-12А, для определения себестоимости нового усилителя использован наиболее приемлемый в этих условиях метод коррективов. Из себестоимости базового образца (ЭМУ-12А) исключены затраты, которые не будут иметь места в новой конструкции, и добавлены затраты, которые возникают в связи с дополнением и изменением деталей и узлов. В результате была получена себестоимость изготовления БЭМУ-12А. Для сравнения приводим табл. 2, в которой даны цифры по себестоимости обеих конструкций.

Как видно из табл. 2, себестоимость БЭМУ-12А увеличилась на 1% против базового образца ЭМУ-12А. Повышение себестоимости вызвано в основном за счет полупроводниковых диодов Д215А [7]. В результате чего удельный вес затрат на основные материалы и покупные изделия в новой конструкции возрос на 5,2%.

Одним из важных показателей эффективности при изготовлении является трудоемкость производства. В новой конструкции достигнуто снижение трудоемкости изготовления по сравнению с ЭМУ-12А на 15,8%, что вызывает рост производительности труда на 18.7%. При ожидаемом ¡выпуске на второй год ¡после освоения БЭМУ-12А—4000 шт. в год возможно высвободить 25 человек рабочих.

Таблица 2 Себестоимость изготовления ЭМУ-12А и БЭМУ-12А

Наименование статей затрат

Базовый образец ЭМУ-12А Исключаемые затраты, руб. Дополнит. затраты, руб. Новый образец ВЭМУ-12А

руб. % руб. %

78,87 36 48,33 60,35 90,89 41,2

32,89 16 3,516 1,08 30,455 13,8

67,42 30,8 7,2 2,(21 '62,43 28,2

32,23 14,8 3,43 1,06 29,86 13,5

211,41 — 62,47 64,70 £13,64

7,10 3,4 2,10 2,16 7,16 3,3

21-8,51' 100 64,57 66,86 2,20,8 100

1 Основные материалы и покупные изделия

2 Зарплата производственных рабочих

3 Цеховые расходы

4 Общезаводские расходы

Фабрично-заводская себестоимость

5 Внепроизводст-венные расходы Полная коммерче-

Наряду с этим эффективность при изготовлении электрических машин характеризует расход цветных металлов, которые являются дефицитными материалами. Общая экономия цветных металлов (при выпуске 4000 шт/год) при изготовлении БЭМУ-12А составляет 16456 кг/год. Кроме того, при переходе на изготовление БЭМУ-12А возможно высвобождение основных фондов на сумму около 5000 руб.

Все перечисленные выше изменения при изготовлении БЭМУ-12А вызваны исключением из конструкции узла коллектора и щеточного механизма, которые требуют больших затрат труда и значительного количества дефицитных цветных металлов. [2].

Наибольшей эффективностью будет обладать БЭМУ-12А при эксплуатации. Самая высокая экономия получается на ремонтных расходах, так как принципиальное изменение конструкции сокращает категорию ремонтной сложности БЭМУ-12А до 3,4 условных ремонтных единицы против 3,8 для ЭМУ-12А. Ремонтные расходы за год, подсчитанные на основе нормативов ППР [5], сокращаются почти на 10%. Кроме того, сокращается трудоемкость ремонтных работ на 11%, за счет чего поднимается производительность труда при ремонтах на 12,4%. Все это объясняется тем, что в новой конструкции не требуется смена щеток и их притирка, а также проточка и продораживание коллектора. Причем все расчеты приведены для двусменной работы в нормальных условиях. Для трудных условий эксплуатации абсолютная величина экономии на ремонтных расходах увеличивается с 9,5 руб/год в нормальных условиях до 24 руб/год в трудных условиях.

Эффективность при эксплуатации электрических машин характеризует стоимость потерь электрической энергии, которая для рассматриваемых усилителей может быть определена по формулам:

Сп = 11ПнКм5+12Пх5

т = и + и

где Сп — стоимость потерь электрической энергии, руб./год;

и — время работы при номинальной нагрузке, час/год;

Пн — суммарные потери при номинальной нагрузке, квт;

Км — коэффициент использования мощности;

Км = 0,7 [4];

Э — стоимость 1 квт. ч. электрической энергии, 0,01 руб./квт. ч [4];

— время работы в холостом режиме (работает вдвигатель, а генератор энергии не выдает), час/год; Пх — потери в режиме холостого хода, квт; Т — общее время работы ЭМУ в год, час/год.

Для двусменного режима работы, который наиболее характерен, общее время работы оборудования с учетом улучшения его использования Т=4000 час.

Подставляя соответствующие числовые значения в систему уравнений (I), получим: для ЭМУ-12А

СП1 - ^ -0,7.0,7-0,01 + Ь 0,168-0,01; 4000 = ^ +

для БЭМУ-12А

Сп2 = 11 0,745 -0,7 -0,01 + Ь 0,108 • 0,01; 4000 = ^ 4- V, (3) после преобразований будем иметь

С[П1 = 0,0049 и + 0,00168 и

4000 - + 12

С|П2 = 0,0052 и + 0,00108 \2

4000 -

Используя уравнения

Как видно из графика, в области, где <2667 часов, стоимость потерь электрической энергии БЭМУ-12А меньше, чем у ЭМУ-12А, при ^>2667 часов наоборот. Во всех случаях равенство потерь имеет место в точке, где 11 = 212, то есть ЭМУ-12А имеет меньшие потерн только з том случае, когда ра^таоюд нагрузкой составляет свыше 66,67% общего времени функционирования в год. Однако длительная работа при номинальной нагрузке нехарактерна для подавляющего большинства ЭМУ. Отсутствие статистических данных затрудняет точное решение этого вопроса. Для определения стоимости потерь электрической энергии примем ^ = 1г. При этом допущении получим:

СП1 = 0,0049.2000 + 0,00168.2000= 13,16 руб./год

СП2 = 0,0052.2000 + 0,00108.2000= 12,56 руб./год.

Эти потери и примем за расчетные.

Величина амортизационных отчислений определяется, исходя из годовой нормы — 10,2% [6] и первоначальной стоимости (с учетом прибыли предприятия, расходов нт транспортировку и монтаж — 1,15) ЭМУ.

Подставляя данные, получим:

для ЭМУ — 12А — 10,2 • - 1,15 — 25,65 руб./год;

920 80

для БЭМУ - 12А - 10,2 - • 1,15 - 25,8 руб./год,

В связи с тем, что совср и к.п.д. сравниваемых ЭМУ либо равны, либо отличаются незначительно, а также, имея в виду небольшую потребляемую мощность, не рассматриваем ни дополнительной стоимости статических конденсаторов и потерь в 'них, ни дополнительных капитальных вложений в электрические станции для компенсации этих потерь.

Имея все перечисленные данные, можно подсчитать годовой экономический эффект (экономию) от внедрения БЭМУ-12А. При определении экономии исходим из того, что в нашем случае имеем незначительное увеличение себестоимости и улучшение качества БЭМУ-12А. Но так как у изготовителя БЭМУ-12А является оборотными фондами, а у потребителя — основными фондами, суммировать экономический эффект у изготовителя и потребителя нельзя. Исходя из этого, определим экономический эффект у потребителя, где учтем также ,и проведенные затраты изготовителя [3]:

Эг=[С1/+'Е1н/(С1Н-Е„К1)]-[С2/ + Е,н,(С2+Е1нК2)]= с/ —С/ + ЕЛС, — С2 + Е,Н(К1 — К2> =

=[90,5 + 13,16 + 25,65) — (81+112,56 + 25,8)]-4000+ +р,15[(218,5—220,8) -4000 + 0,2-5000] = 39674 руб./год,

где Эг — годовой экономический эффект у потребителя, руб./год;

С1! — эксплуатационные расходы в год для ЭМУ-12А, руб./год;

Е]н — коэффициент сравнительной экономической эффективности потребителя, Е!н = 0,151/год [3];

С*2 — эксплуатационные расходы в год для БЭМУ-12А, руб./год;

С1 —себестоимость годового выпуска ЭМУ-12А, руб.;

С2 — то же для БЭМУ-12А, руб.;

Ен — коэффициент сравнительной экономической эффективности изготовителя ЭМУ, Ей=0,2 1/год [3];

К1 —капитальные затраты при изготовлении ЭМУ-12А, руб;

К2 — то же для БЭМУ-12А, руб.

Таким образом, суммарный ожидаемый экономический эффект от внедрения БЭМУ-12А составляет 39674 руб./год.

Наряду с этим необходимо проверить эффективность затрат на разработку научно-исследовательской темы по БЭМУ-12А.

Затраты на разработку по годам составили 1964—2000 руб., 1965— 2000 руб., 1966 — 2160, 1967 — 15.000 руб. (план). Приведенные затраты на разработку:

где Кпр — суммарные приведенные затраты на разработку БЭМУ-12А при освоении в 1968 году, руб.; Кх — затраты на разработку БЭМУ-12А по соответствующим го-

дам, руб.;

1 — число лет, в течение которых К^ не давали эффекта; Е — коэффициент экономической эффективности для приведения затрат, Е~0,1 1/год [3].

Окупаемость затрат на разработку БЭМУ-12А:

Кпр 24460

Эг 39674

= 0,62 года.

Коэффициент экономической эффективности затрат на разработку БЭМУ-12А:

Эг 39674

Кпр 24460 •

1,62 1/год,

то есть на каждый затраченный рубль при разработке БЭМУ-12А ожидается получить 1,62 руб. экономии в год. Полученная эффективность близка к средней фактической величине эффективности научных разработок по стране.

Выводы

1. Разработанный электромашинный усилитель БЭМУ-12А имеет преимущества, присущие бесколлекторным электрическим машинам. Основные характеристики такие же, как и у серийных усилителей типа ЭМУ-12А.

2. Новый усилитель более технологичен ,в изготовлении, так как не имеет коллектора и щеточного механизма. Трудоемкость изготовления снижается на 15,8%. Экономия цветных металлов составляет 16456 кГ/год. При разработке БЭМУ-12А использовано (большое число деталей и узлов ЭМУ-12А, что обеспечит быстрое его освоение в производстве. Однако себестоимость изготовления БЭМУ-12А возросла на 1% в основном за счет полупроводниковых диодов Д215А.

3. Большой экономический эфф(ект будет получен от применения БЭМУ-12А в эксплуатации. Особенно резко сокращаются ремонтные расходы. Причем преимущества БЭМУ-12А по сравнению с серийной конструкцией наиболее резко проявляются в трудных условиях работы. При нормальных условиях эксплуатации ремонтные 'расходы сокращаются на 10%, трудоемкость ремонта снижается на 11%. БЭМУ-12А имеет также более низкую стоимость потерь электрической энергии.

4. Суммарный экономический эффект (экономия) от внедрения БЭМУ-12А ожидается 39674 руб./год.

5. Срок окупаемости затрат на научную разработку БЭМУ-12А со-стагвляет 0,62 года, эффективность затрат на научную разработку равна 1,62 1/год, что близко к средней фактической величине для научных разработок в стране.

6. Предложена методика технико-экономического обоснования разработки бесколлекто'рных электромашинньгх усилителей.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. И. Радии. Электромашинные усилители. Гссэнергоиздат, 1962.

2. П. А. Бабаджанян, Б. И. Л ю с и н. Конструкция и производство коллекторов электрических машин. Госэнергоиздат, 1960.

3. Типовая методика определения экономической эффективности 'капитальных вложений. М., 1966.

4. Г. И. Дуд ко. Основные положения методики определения экономической эффективности электрических машин и аппаратов. Об. Вопросы экономики и организации производства на предприятиях электротехнической про-мышлености. М., 1963.

5. Единая система планово-предупредительного ремонта и рациональной эксплуатации технологического оборудования машиностроительных .предприятий. М., 1964.

6. П, Р. Ф и л и п п о в. Новые нормы амортизации. М. ,1963.

7. Прейскурант № 16-03. Оптовые цены на полупроводниковые приборы. Часть 2. М., 1966.

8. Прейскурант № 16-01; Оптовые цены на аппаратуру радиосвязи и радиодетали общего применения. М., 1963.