Модернизация электропривода стола продольно-строгального станка

При высокой несущей частоте ШИМ (2… 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты - режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGВТ в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует).

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (Uвых = var, fвых = var).

Электрическая схема силовой части преобразователя представлена на рис. 4.13.

Рис. 4.13. Электрическая схема силовой части преобразователя

где UZ1 - входной управляемый двухполупериудный выпрямитель;

Ф - емкости фильтров;

ЕS - блок управления тормозным резистором;

UZ2 - выходной инвертор.

Применение частотно-регулируемого электропривода обеспечивает:

· изменение скорости вращения в ранее нерегулируемых технологических процессах;

· синхронное управление несколькими электродвигателями от одного преобразователя частоты;

· замена приводов постоянного тока, что позволяет снизить расходы, связанные с эксплуатацией;

· создание замкнутых систем асинхронного электропривода с возможностью точного поддержания заданных технологических параметров;

· возможность исключения механических систем регулирования скорости вращения (вариаторов, ременных передач);

· повышение надежности и долговечности работы оборудования;

· большую точность регулирования скорости движения, оптимальные параметры качества регулирования скорости в составе механизмов, работающих с постоянным моментом нагрузки (конвейеры, загрузочные кулисные механизмы и т.п.);

· повышение качества продукции;

· увеличение объема выпускаемой продукции и производительности производственного оборудования;

· снижение износа механических звеньев и увеличению срока службы технологического оборудования вследствие улучшения динамики работы электропривода.

5. Разработка системы автоматического регулирования

5.1 Общие положения

Электродвигатель и преобразователь, представляющие собой силовую часть электропривода, являются объектом регулирования в системе автоматического управления. К объекту регулирования относятся также измерительные элементы (датчики), от которых в цепь обратной связи поступает информация о фактических величинах тока, напряжения, ЭДС, магнитного потока, скорости и т.д.

Объект регулирования не способен самостоятельно поддерживать заданные параметры на желаемом уровне при возмущающих воздействиях (изменении нагрузки на валу электродвигателя, колебаниях напряжения питающей сети и др.). Он не может обеспечить необходимые законы изменения параметров в переходных режимах, как, например: изменение скорости с заданным ускорением, ограничение скорости, ускорения, силы тока и интенсивности его нарастания и др. Для компенсации влияния возмущений и управления электроприводом по заданному закону требуется специальное воздействие на объект регулирования. Такое воздействие называется управляющим и вырабатывается автоматическим управляющим устройством (регулятором). Таким образом, САУ состоит из объекта регулирования и регулятора.

Любая замкнутая САУ должна удовлетворять следующим основным требованиям:

· система должна быть устойчивой;

· погрешность в установившемся режиме не должна превышать заданной;

· система должна обеспечивать необходимое качество переходных процессов (быстродействие, величину перерегулирования, число колебаний и др.).

При сложных структурах объекта регулирования, большом числе регулируемых параметров и высоких требованиях к качеству регулирования широкое распространение получили системы подчинённого регулирования с последовательной коррекцией.

5.2 Структура системы управления приводом

Система однозонного регулирования предполагает изменение скорости до номинального значения. Составной её частью является система регулирования, замкнутая по скорости и воздействующая на напряжение статора двигателя. Система регулирования базируется на преобразователе частоты Altivar 71 производства фирмы Schneider Electric, в конструктиве которого имеется программируемый логический контроллер (ПЛК). В котором заложен закон, по которому должен работать двигатель, соответственно он выдает задание на скорость посредством получаемого сигнала.

В преобразователе частоты с помощью параметрирования реализуется система регулирования. Структурно она содержит два контура: внутренний - регулирования тока статора и внешний - регулирования скорости вращения двигателя. Контур регулирования тока статора содержит датчик (измеритель) тока ДТ, регулятор тока РТ, управляющий преобразователем ПЧ, и статорную цепь электродвигателя. Составными частями контура регулирования скорости являются датчик скорости ДС типа ЛИР - 158Д и регулятор скорости РС. Так же в структуре можно выделить блок токоограничения и блок поддержания потокосцепления.

5.3 Обоснование принятой САР

В современных условиях к электроприводам всё больше ужесточаются требования. И использование цифровой системы управления одно из самых новых и интересных решений. Оно позволяет по-новому организовать систему управления. Цифровые регуляторы позволяют быстро изменять параметры системы регулирования, разрабатываются на современных компьютерных системах и легко переводятся из программной среды в среду контроллера. Надо сказать, что цифровые регуляторы значительно точнее аналоговых, и позволяют реализовать сложнейшие алгоритмы (переходы с П - на ПИ- и ПИД - регуляторы, адаптивные регуляторы). Точность регуляторов обуславливается разрядностью контроллера и не сравнимо выше аналоговых регуляторов. Цифровые системы управления имеют малые габариты и постепенно унифицируются. В настоящее время наблюдается тенденция к снижению стоимости таких систем, повышается качество обслуживающих программ и пакетов. Надо заметить, что аналоговые регуляторы используют ёмкость, что является большим недостатком. Это проявляется в надёжности систем, сложностью подбора необходимой ёмкости и больших габаритах конденсаторов.

6. Технико-экономическое обоснование выбранного варианта электропривода

6.1 Техническое описание

Целью данного раздела является расчет технико-экономических показателей электропривода главного движения продольно-строгального станка.

В дипломном проекте нами был разработан электропривод главного движения продольно строгального станка выполненный по системе «ПЧ - АД». К достоинствам рассматриваемой системы относятся плавность и значительный диапазон регулирования скорости; большая жесткость получаемых искусственных характеристик; высокий КПД электропривода, определяемый высоким КПД преобразователя частоты; бесшумность в работе. Нами была разработана новая система управления на базе преобразователя частоты Altivar производства фирмы Schneider Electric. Электродвигатель был выбран отечественного производства серии 4А.

Расчет экономической эффективности от внедрения нового оборудования ведется в сравнении с альтернативным вариантом технического решения. Базисный вариант - электромеханическая система «тиристорный преобразователь - двигатель» (ТП-Д), которая включает в себя тиристорный преобразователь КТЭУ - 230/220 - 13212 - УХЛ4 и двигатель постоянного тока серии Д808.

6.2 Экономический расчет

В этой части экономического раздела будет произведена оценка технико-экономического эффекта, определение ожидаемой экономической эффективности использования асинхронного двигателя с управляемым частотным преобразователем, по отношению к двигателю постоянного тока, управляемым тиристорным преобразователем. Расчет экономической выгоды от внедрения нового оборудования позволит сделать вывод о целесообразности замены оборудования.

1) Расчет капитальных затрат.

В состав капитальных затрат по каждому варианту входит:

· стоимость нового оборудования системы;

· стоимость монтажных работ по установке и наладке электрооборудования;

· транспортные расходы по доставке оборудования.

Стоимость нового и старого оборудования приведены соответственно в табл. 6 и 7.

Затраты на транспортировку и монтаж берем по 5% от общей стоимости оборудования.

Таблица 6.1. Стоимость оборудования нового варианта

Статьи расходов	Марка	Сметная стоимость, р.
Асинхронный электродвигатель	4А250М6У3	67980
Преобразователь частоты	Altivar	250448
Итого по оборудованию	-	318428
Транспортные расходы	-	15922
Стоимость монтажных работ	-	79607
Общая сумма	-	413957

Таблица 6.2. Стоимость оборудования базисного варианта

Статьи расходов	Марка	Сметная стоимость, р.
Электродвигатель	Д808	177000
Комплектный тиристорный электропривод	КТЭУ - 230/200 - 13212 - УХЛ4	156200
Итого по оборудованию	-	333200
Транспортные расходы	-	16660
Стоимость монтажных работ	-	83300
Общая сумма	-	433160

При замене старого оборудования на новое будут иметь место затраты на демонтаж, который будут производить два человека с 5-м разрядом и часовой тарифной ставкой 80 руб./ч.

З_дем = n t Т_тар = 2 6 80 = 960 руб., (65)

где З_дем - затраты на демонтаж старого оборудования, руб.;

n - количество человек;

t - время работ по демонтажу, ч;

Так же необходимо посчитать остаточную стоимость оборудования базисного варианта при его использовании в течении 5-и лет.

Ф_ост = 0,5 Ф_осн = 0,5 433160 = 216580 руб., (66)

где Ф_ост - остаточная стоимость старого оборудования, руб.;

Ф_осн - первоначальная стоимость, руб.

В итоге получаем сумму долгосрочных инвестиций, связанных с приобретением нового оборудования.

И = К₁ + З_дем - Ф_ост = 413957 + 960 - 216580 = 198337 руб., (67)

где И - долгосрочные инвестиции, руб.;

К₁ - стоимость нового оборудования, руб.

2) Расчет и сопоставление эксплуатационных расходов.

Эксплуатационные расходы складываются из амортизационных отчислений и затрат на обслуживание.

Амортизационные отчисления:

, (68)

где З_а - затраты на амортизацию оборудования, руб.;

Н_а - норма амортизации;

К_об - стоимость оборудования.

руб.;

руб.

В затратах на ремонт и обслуживание учитывается количество текущих, средних и капитальных ремонтов в течении всего срока службы и трудоёмкость ремонтов (табл. 8).

Ремонт будет проводить электрик 5-го разряда с часовой тарифной ставкой С_ч = 80 руб./час.

Затраты на заработную плату электрика за год по всему оборудованию.

З_з = Т С_ч, (69)

где З_а - затраты на зарплату электрика, руб.;

Т - суммарная трудоемкость ремонта, чел./ч;

С_ч - часовая тарифная ставка электрика 5-го разряда, руб./час.

З_з1 = (72 + 24) 80 = 7680 руб.;

З_з2 = (270 + 18) 80 = 23040 руб.

Таблица 6.3. Затраты на заработную плату ремонтных рабочих

Оборудование	Кол - во ремонтов Т-С-К	Трудоемкость ремонтов, чел./ч.	Суммарная трудоемкость ремонта, чел./ч.
Асинхронный двигатель	20 - 5 - 1	2 - 4 - 12	72
Преобразователь частоты	4 - 2 - 1	1 - 2 - 10	18
Двигатель постоянного тока	40 - 10 - 1	4 - 8 - 30	270
Тиристорный преобразователь	4 - 2 - 1	1 - 2 - 10	18

Полные эксплуатационные расходы:

З_э = З_а З_з, (70)

где З_э - полные эксплуатационные расходы, руб.

З_э1 = 20697,5 7680 = 28377,5 руб.;

З_э2 = 43316 23040 = 66356 руб.

Годовая экономия:

Э = З_э2 - З_э1, (71)

где Э - годовая экономия, руб.

Э = 66356 - 28377,5 = 37978,5 руб.

По экспертной оценке стоимость станкочаса работы продольно-строгального станка составляет 600 руб. Благодаря тому, что высвобождается время на работу станка за счет снижения времени на ремонт, получаем:

В_вв = F С_с, (72)

где В_вв - выручка за счет высвобождения времени, руб.;

F - разница эффективных фондов времени, ч;

С_с - стоимость станкочаса работы продольно-строгального станка, руб.

В_вв = 180 600 = 108000 руб.

Так же нам удается увеличить выручку за счет повышения производительности на 10%.

В_п = 0,1F_эф1 С_с, (73)

где В_п - выручка за счет повышения производительности, руб.;

F_эф1 - эффективный фонд времени нового оборудования, ч.

В_п = 0,11620 600 = 97200 руб.

При этом дополнительная выручка за счет повышения времени работы и роста производительности труда составит:

В = В_вв + В_п = 108000 + 97200 = 205200 руб., (74)

где В-общая выручка, руб.

Отсюда найдем прибыль:

, (75)

где П - прибыль, руб.;

R - рентабельность (15%).

руб.

Определим сумму годовой экономии и прибыли от высвобождения времени и увеличения производительности:

= Э + П, (76)

где - сумма годовой экономии и прибыли, руб.

= 37978,5 + 26765 = 64743,5 руб.

Срок окупаемости:

Т_ок = И/, (77)

где Т_ок - срок окупаемости, лет.

Т_ок = 198337/64743,5 = 3,1 лет.

Оценку инвестиционных проектов можно осуществить методом чистого дисконтирования.

, (78)

где ЧДД - чистый дисконтированный доход, руб.; Т - горизонт прогнозирования, лет; t - шаг прогнозирования, лет; Э_t - экономический эффект каждого года, полученный в результате внедрения инвестиций, руб.; Е - норма дисконта.

руб.

Если ЧДД > 0, значит, проект следует принять.

Проект окупается в течение 5 лет (с учетом дисконтирования).

Технико-экономический анализ показал, что капитальные затраты на новую систему ЭП окупается за счет снижения эксплуатационных расходов и получения прибыли от высвобождения времени и повышения производительности.

Основные показатели технико-экономического сравнения вариантов сведены в табл. 9.

Таблица 6.4. Таблица экономических показателей

Показатель	Единица измерения	Значение
		Предлагаемый вариант	Базовый вариант
1. Капитальные затраты	руб.	413957	366520
2. Эксплуатационные расходы	руб.	28377,5	66356
Годовая экономия на эксплуатационных расходах	руб.	37978,5
Прибыль	руб.	26765
Итого экономия ()	руб.	64743,5
Затраты на демонтаж	руб.	960
Остаточная стоимость	руб.	216580
Инвестиции	руб.	198337
Срок окупаемости с учетом дисконтирования	г	5

Заключение

В данном дипломном проекте осуществлена модернизация привода главного движения продольно-строгального станка, а именно заменена система «ТП-Д» на систему «ПЧ-АД».

Преимущества предлагаемого проекта на базе ПЧ Altivar имеют следующие ключевые моменты в пользу данного решения.

Асинхронный короткозамкнутый электродвигатель имеет высокую степень защиты, высокую эксплуатационную надежность, требует минимальных затрат на обслуживание благодаря отсутствию щеточного аппарата.

Пониженная кратность пускового тока (1,5 Iн вместо 5,7 Iн) при сохранении номинального пускового момента электродвигателя обеспечивает благоприятные условия для работы электростанции.

Развитая система защит и диагностики частотного преобразователя обеспечивает высокую эксплуатационную надежность работы привода.

Наличие встроенных в частотный преобразователь фильтров обеспечивает нормативный уровень электрических помех и гармонических составляющих напряжения питающей сети.

Частотный преобразователь хорошо сопрягается с устройствами управления типа джойстик с аналоговым выходным сигналом, что позволяет организовать эффективный человеко-машинный интерфейс.

Произведено технико-экономическое обоснование выбранного варианта электропривода, разработан ряд рекомендации по безопасности и экологичности проекта. Максимальный срок окупаемости проекта составляет 5 лет. Количество ремонтов (текущих, срочных, капитальных) снижается почти в 3 раза, что обуславливается более простыми эксплуатационными затратами. Повышенный КПД электропривода влияет на производительность и энергозатраты, что также существенно отображается на себестоимости единицы готовой продукции.

Библиография

1. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. Госэнергонадзор Минэнерго России. - М.: ЗАО «Энергосервис»; 2003. - 392 стр.

2. Савицкая Г.В. Методика комплексного анализа хозяйственной деятельности: Краткий курс. - М.: ИНФРА - М, 2003.

3. Теория автоматизированного электропривода: Учебное пособие для ВУЗов / Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. - М: Энергия, 1979 -616 с.

4. Системы управления электроприводов: учебник для студ. высш. учеб. заведений / Терехов В.М., Осипов О.И.; под ред. Терехова В.М. - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 304 с.

5. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справ. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во стандартов, 1992. - 316 с.

6. Шалунова М.Г., Эрганова Н.Е. Практикум по методике профессионального обучения: Учеб. пособие. - Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф. - пед. ун-та, 2001.

7. Эрганова Н.Е. Методика профессионального обучения: Учеб. пособие. - Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф. - пед. ун-та, 2003.

8. СН 2.2.4/2.1.8.562-96 Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки.

9. СН 2.2.4/2.1.8.566-96 Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданиях.

10. Сан Пин 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.

11. ГН 2.2.5.1313-03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

12. СниП 23.05.95* Естественное и искусственное освещение.

13. ГОСТ 12.1.030-96 ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление, зануление.

14. ГОСТ 12.1.019-96 ССБТ. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты.

15. ГОСТ 12.1.004-96 Пожарная безопасность. Общие требования.

Размещено на Allbest.ru