CC BY
13
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М КИРОВА
Том 172
1967
ТЕХНИКО ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА БЕСКОЛЛЕКТОРНОГО
ЭЛЕКТРОМАШИННОГО УСИЛИТЕЛЯ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ЧАСТОТОЙ (БЭМУ-РЧ)
А. С. БАТУРИН, А. И. СКОРОСПЕШКИН, Б. Е. ТРОФИМЕНКО, Ш. С. РОИЗ
(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и общей электротехники)
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 (номинальная)
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 (для схемы в целом)
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 (нотребл.)
37 Амортизационные отчисления от агрегата [3]
38 Эксплуатационные расходы с включением всей 'потребляемой энергии (гр. 33+36+37) (полные)
39 Эксплуатационные расходы с включением стоимости потерь электрической энергии (гр. 33 + 35+37)
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.
