Технико-экономическая оценка бесколлекторного электромашинного усилителя повышенной частоты (бэму-пч-25а)

ИЗВЕСТИЯ

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

Том 172

1967

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА БЕСКОЛЛЕКТОРНОГО ЭЛЕКТРОМАШИННОГО УСИЛИТЕЛЯ ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ

А. С. БАТУРИН, А. И. СКОРОСПЕШКИН, М. Л. КОСТЫРЕВ

Создание бесколлекторной конструкции электромашинного усилителя (БЭМУ) устраняет недостатки, связанные с наличием скользящего контакта, увеличивает надежность и создает возможность работы в более трудных условиях эксплуатации.

В ряде -случаев в автоматизированном приводе требуется .иметь повышенную скорость (более 3000 об/м'ин) у специального асинхронного двигателя исполнительного механизма. Одним из путей решения этого вопроса является создание электромашинного усилителя с выходом на переменном токе с повышенной (более 50 гц) частотой. Приемлемое решение этого вопроса получено на кафедре электрических машин Томского политехнического института.

В результате проведенных исследований разработан электромашинный усилитель с-повышенной частотой (200 герц) и мощностью на выходе 2,5 квт (БЭМУ-ПЧ-25А). В данной статье дается оценка новой конструкции усилителя.

Для технико-экономического анализа новой конструкции необходимо осуществить сравнение с ЭМУ, позволяющим зыполнять те же функции в схемах автоматики с одинаковыми выходными параметрами. Такое сравнение было бы наиболее правильным. Но обычные ЭМУ не имеют выходных параметров на переменном токе, тем более с повышенной частотой. Кроме того, в настоящее время отечественная промышленность не выпускает усилители-преобразователи, выполняющие те же функции. Однако сопоставление технико-экономических показателей новой конструкции с ЭМУ позволяет оценить ее прогрессивность. Исходя из этих соображений, приводятся сравнения новой конструкции с выходом на переменном и постоянном токе с электромашинньш усилителем поперечного поля ЭМУ-25А, имеющим одинаковую мощность. Получение постоянного тока на выходе БЭМУ-ПЧ-25А осуществляется по схеме Ларионова на полупроводниковых вентилях ВК2-10 [7, 8]. Поскольку новый усилитель может функционировать только в нереверсивных схемах автоматики, то и все сравнения производятся для этого режима работы. Техндао-экономические показатели по рассматриваемым вариантам приводятся в табл. 1.

Анализируя технические данные (табл. 1), устанавливаем, что электрические показатели (напряжение и мощность), а также энергетические эксплуатационные показатели (Со5ф и к.п.д.) у сравниваемых усилителей одинаковы.

По конструктивным же показателям БЭМУ-ПЧ-25А в обоих исполнениях имеет меньший вес (140 и 141 кг < 230 кг) и меньшие габариты

Таблица 1

Технико-экономические показатели по сравниваемым усилителям для нереверсивных схем управления

Значени-е показателя для

Наименование количе-

ственного или качест- БЭМУ-ПЧ

• 2 БЭМУ-ПЧ- ЭМУ-25А

с венкого показателя СО 25А выход 25А выход выход на

на перемен. на постоян. постоян.

< И токе токе токе

1 2 3 4 5 6

А. Технические показатели

Потребляемая мощность

приводного двигателя вт 3900 3900 3900 ,

Скорость

вращения [1] об/мин 2925 2925 2925

Н оми нал ьное нап ряже -

ние двигателя Г10] в 380/220 380/220 380/220

Номинальная мощность

приводного двигате-

ля [101 ВТ 4000 4000 4500

5 Коэффициент мощно-

сти приводного 0,88

двигателя — 0,89 0,89

6 Род тока приводного

двигателя — перем. перем. перем.

7 Мощность усилителя ВТ 2500 2500 2500

8 .Напряжение на выходе в 150 150 115

9 Номинальный ток

на выходе а 17 17 21,7

10 Коэффициент усиления — 2500 2500 2500

11 Постоянная времени

обмотки управления [10] сек — — ОДЗ

12 Постоянная времени

поперечной цепи ¡"10] сек — — 0,10

13 Эквивалентная постоянная времени

усилителя сек 0,12 0,12 0,20

14 Коэффициент доброт- 1/сек

ности, усилителя 21000 21000 12500

15 Допустимая перегрузка агрегата по току

(3 сек) — 6 6 2,5

16 Коэффициент полезного действия

агрегата % 64 64 64

17 Габаритные размеры [1]:

а) длина м 0,840 0,840 0,97!

б) ширина м 0,345 0,345 0,420

в) высота м 0,380 0,380 0,430

18 Вес агрегата [1] кг 140 141 230

19 Потери электрической

энергии: а) суммарные потерн

холостого хода: ВТ 440 445 360

б) суммарные потери

при номинальной

нагрузке; ВТ 1280 1330 1400

20 Частота тока на выходе ГЦ 200 — —

21 Узел -коммутации полу- полу- коллек.-

22 пров. пров. щеточн.

Условия нормальной

работы усилителя норм. норм. нормаль-

и тяж. и тяж. ные

1 2 3 4 5 6 __.___ •»—

23 Работа в схемах автоматики —

Б. Экономические показатели

I. При изготовлении

24 Оптовая цена

агрегата руб./агр

25 Оптовая цена

усилителя руб./У си л.

26 Расход меди на

агрегат [9, 10] мг/агр

II. При эксплуатации

27 Категория ремонтной

сложности ¡3] усл.

рем.

ед.

28 Ремонтные руб.

расходы агр. год

29 Трудоемкость н-час

ремонта агр. год

30 Стоимость потерь руб.

электрической

энергии агр. год

31 Годовая руб.

амортизация агр. год

32 Повышение произ-

водительности труда

при ремонте %

нере- нере- реверс.,

вере. вере. нереверс.

171 217 196

(ориент.) (ориент.) \6]

135 181 155

12,65 12,65 15,25

3,3 3,3 4,1

78,5 78,5 97,3

43,5 43,5 54

28,4 29,0 26,8

19,2 24,2 22

24,0 24,0 —

(0,11 м3 < 0,175 м3) и является более прогрессивным усилителем по этим показателям.

Важно также и то, что новый усилитель превосходит ЭМУ-25А по качеству, которое характеризуется для этих изделий быстродействием и коэффициентом усиления. Сравниваемые конструкции усилителей имеют одинаковые коэффициенты усиления (2500), но по быстродействию БЭМУ-ПЧ-25А является лучшим усилителем (0,12 сек < 0,20 сек). В результате коэффициент добротности (¡качества) у нового усилителя в обоих исполнениях значительно превосходит этот же показатель ЭМУ-25А (21 ООО 12500).

Таким образом, БЭМУ-ПЧ-25А при меньших габаритах и весе обладает более высоким качеством в нереверсивных схемах автоматического управления по сравнению с изготавливаемым щ настоящее время усилителем ЭМУ-25А.

Наряду с этим при оценке технической прогрессивности надо учитывать ряд новых ценных показателей нового усилителя (БЭМУ-ПЧ-25А) — бесколлекторное исполнение и выход на повышенной частоте (200 гц).

Отсутствие коллекторно-щеточного узла оказывается решающим фактором при выборе усилителя для работы в агрессивной среде, при повышенной влажности, во взрывоопасной среде, запыленной атмосфере и т. д.

БЭМУ-ПЧ-25А может найти применение для высокоскоростного регулируемого электропривода прецизионных металлорежущих станков (координатно-расточные, шлифовальные, внутришлифовальные), для станков деревообрабатывающей, а также в химической промышленности (центрифуги).

В настоящее время высокоскоростной привод осуществляется по схеме: асинхронный преобразователь частоты и многоскоростной асинхронный электродвигатель. При этом скорость регулируется ступенчато.

Применение нового усилителя позволит осуществить бесступенчатое регулирование скорости по схеме ЭМУ-ПЧ — двигатель с повышенным скольжением (АОС). Схема регулирования скорости при этом становится более совершенной. Кроме того, БЭМУ-ПЧ-25А может быть использован и как генератор повышенной частоты для автономных систем. Последнее расширяет возможности применения нового усилителя.

Важное значение при анализе новых конструкций имеют экономические показатели (табл. 1, раздел Б). Оптовая цена БЭМУ-ПЧ-25А с выходом на переменном токе выше, чем у ЭМУ-25А за счет дополнительных затратна выпрямление тока (схема Ларионова). При исполнении БЭМУ-Г1Ч-25А с выходом на переменном токе с частотой 200 гц новый усилитель будет иметь более низкую оптовую цену по сравнению с ЭМУ-25А (ориентировочно на 25 руб. меньше).

Одним из существенных преимуществ новой конструкции является снижение расхода меди на усилитель (примерно на 2,8 кг на усилитель). Экономия меди достигается благодаря отсутствию у БЭМУ-ПЧ-25А кол-лекторно-щеточного узла.

Исключение коллекторно-щеточного узла в новой конструкции придает ей еще одно важное преимущество перед ЭМУ-25А — лучшую технологичность при изготовлении. Внедрение БЭМУ-ПЧ-25А будет ускорено благодаря использованию в конструкции ранее освоенных деталей и узлов, используемых от серийных асинхронных двигателей. Это обеспечит возможность быстрого освоения новой конструкции в производстве. Причем освоение можно осуществить, не допуская крупных затрат.

Значительные преимущества нового усилителя проявятся при эксплуатации. Упрощение конструкции за счет отсутствия коллекторно-щеточного узла сокращает категорию ремонтной сложности БЭМУ-ПЧ-25А по сравнению с ЭМУ-25А на 0,8 условных ремонтных единиц [3]. Исходя из этого, расходы на ремонт и трудоемкость проведения ремонтных' работ сокращаются на 19,5 проц., а производительность труда на ремонтах в сравнении -с ЭМУ-25А возрастет на 24 проц. Несколько большая стоимость потерь электрической энергии у БЭМУ-ПЧ-25А объясняется более высокими потерями при холостом ходе усилителя. При этом стоимость потерь определялась для работы в течение 4000 часов в год (двухсменный режим с учетом лучшего использования оборудования). Кроме того, сделано допущение, что 2000 часов усилитель работает под нагрузкой и 2000 часов — в режиме холостого хода. Коэффициент использования мощности принят 0,7.

В заключение анализа экономической эффективности новой конструкции необходимо дать количественную меру оценки в денежном выражении. Для этого экономические показатели (табл. 1) преобразуются в стоимостные (денежные) показатели, которые представлены в табл. 2.

Из табл. 2 следует, что капитальные затраты (К) у сравниваемых усилителей находятся примерно в тех же соотношениях, что и цены, так как они возросли на величину затрат на транспортировку до потребителя и расходов на ¡монтаж.

Годовые эксплуатационные расходы (С) у БЭМУ-ПЧ-25А в обоих исполнениях оказываются меньшими против ЭМУ-25А.

Таблица 2.

Основные стоимостные показатели экономической эффективности сравниваемых усилителей для нереверсивных схем

Значение стоимостного показателя

с с s Наименование стоимостного показателя БЭМУ-ПЧ-25А выход на перем. токе БЭМУ-ПЧ-25А выход на постоян. токе ЭМУ-25А выход на постоян. токе

1 Капитальные затраты (К), руб./усил. 188 239 216

2 Годовые эксплуатационные расходы (С),

руб./усил. год 126,1 131,1 145,9

3 Годовые приведенные затраты у потребителя (С+Ен-К), руб./усил. год 154,3 168,8 178,3

Окончательные выводы об экономической эффективности должны производиться с учетом как капитальных (К), так и эксплуатационных (С) расходов. Это находит свое отражение в годовых приведенных затратах [4]:

Ci + ElH-Kb (1),

где i — номер рассматриваемого варианта;

Цн — коэффициент сравнительной экономической эффективности 1/год. Для нашего случая Ен = 0,15 [4]. Сопоставление годовых приведенных затрат у потребителя (табл. 2) дает возможность сделать окончательные выводы об экономической эффективности усилителей. В нереверсивных схемах управления БЭМУ-ПЧ-25А является более экономичным усилителем в сравнении с ЭМУ-25А.

Выводы

1. Бесколлекторный электромашинный усилитель повышенной частоты БЭМУ-ПЧ-25А в нереверсивных схемах автоматического управления более экономичен против ЭМУ-25А.

2. Новый усилитель обладает лучшим быстродействием (0,12< 0,20 сек), имеет меньший вес и габариты.

3. БЭМУ-ПЧ-25А может найти применение как бесконтактный генератор повышенной частоты для автоматизированного высокоскоростного привода, а также для питания автономных систем.

4. Новый усилитель имеет более технологическую конструкцию в изготовлении, так как в нем отсутствует коллекторно-щеточный узел и он состоит ,в ооновно1М из деталей и узлов освоенных электрических двигателей. На его изготовлении требуется меньшее количество меди.

5. Значительный экономический эффект ожидается получить при эксплуатации БЭМУ-ПЧ-25А. Сокращение расходов на ремонт около 19,5 проц. Кроме того, новый усилитель при эксплуатации будет характеризоваться всеми преимуществами бесколлекторной ¡машины (повышенная надежность, возможность работы в трудных условиях — запыленность, (повышенная влажность, стабильные параметры на выходе).

ЛИТЕРАТУРА

1. В. И. Ра дин. Электромашинные усилители. Госэнергоиздат, 1962.

2. Справочные данные по электрооборудованию. Том 1, Изд. «Энергия» М.-Л., 1964.

3. Единая система планово-предупредительного ремонта и рациональной эксплуатации технологического оборудования машиностооительных предприятий. Машгиз, 1964.

4. Типовая методика определения экономической эффективности капитальных вложений. Москва, 1966.

5. Дополнение № 1 к прейскуранту № 15-01. Оптовые цены на машины электрические средней и малой мощности. Москва, 1965.

6. Прейскурант № 15-01. Оптовые цены на машины электрические средней и малой мощности, 1963.

7. Номенклатура изделий завода «Электровыпрямитель» на 1966 г. Саранск, 1966.

8. Прейскурант № 16-03. Оптовые цены на полупроводниковые приборы. Часть 2. Москва, 1966.

9. Обмоточные данные асинхронных двигателей. Изд. Энергия, М..-Л., 1966.

10. В. В. Рудаков. Электромашинные усилители в системах автоматика. ГЭИ, 1961.