Чумачова А.В., асп., Калинов А.П., к.т.н., доц.

Кременчугский государственный университет имени Михаила Остроградского

ул. Первомайская, 20, 39600, г. Кременчуг, Украина

E-mail: с [email protected] , [email protected]

 

В статье рассмотрен алгоритм определения оптимального срока замены асинхронного двигателя по критерию

мы нимальних эксплуатационных расходов. Предложенный метод позволяет учесть рост затрат на обслуживание

ния оборудования, используемого, связанный с увеличением суммарных потерь двигателя после каждого

капитального ремонта.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, эксплуатационные расходы, капитальный ремонт.

Введение. Совершенствование производственного процесса на промышленных предприятиях требует научно обгру-

нтованого подхода к его планирования, анализа эко-

номичности новой техники и экономического стимулирования

ния ее внедрения. В электроприводе рядом с

хорошо известными схемными решениями и методами

анализа режимов работы есть ряд вопросов, уровень про-

працьованости которых невысок. К таким вопросам мо-

жна отнести системы оценки энергоэффективности

работы электрических машин, методы планирования то-

хничних осмотров и ремонтов, методы и средства диаг-

ностики и прогнозирования развития дефектов обору

ния, которые можно рассматривать как средства, обес-

слышат решение следующих задач:

- Повышение надежности производства за счет

своевременного ремонта и замены асинхронного двигателя;

- Снижение материального ущерба предприятия

из-за внепланового ремонта электрических машин,

простоя производства и потребления из сети дви-

ном избыточной мощности.

Анализ предыдущих исследований. Статистические да-

ни свидетельствуют, что парк электромеханического оборудования

украинских предприятий преимущественно состоит из

машин, находящихся в эксплуатации долгие годы и

неоднократно подвергались ремонту. Производственный дос-

от и проведенные исследования показывают, что харак-

теристики таких машин существенно отличаются от

характеристик новых машин. Изменение характеристик

машин происходит из-за изменения характеристик

конструкционных материалов и прежде всего - электро-

технической стали, в результате эксплуатации, предренессансных-

ремонтной подготовки и ремонта. Этот процесс сопровождения-

верждаемой снижением индукции, при которой наблю-

ется насыщения стали, и ростом тока намагничу-

ния, который вдобавок становится несинусоидальных [1].

Экспериментальные исследования показывают, что пи-

сля 3-5 капитальных ремонтов с каждым последующим

ремонтом потери в стали, например, в асинхронном

двигателе, растут на величину от 5% до 20% [2].

Очевидным является тот факт, что увеличение потерь ведет

к перегреву обмоток статора и ротора, вследствие

чего износ витковой изоляции происходит зна-

чно быстрее, чем при номинальных потерях, от-

дно уменьшается срок службы двигателя, увеличивать

ется количество ремонтов. Вследствие этого растут

убытки предприятия, вызванных снижением

срока службы двигателя по сравнению с исходным,

уменьшением межремонтных периодов, увеличением

стоимости следующих ремонтов, простоем производ-

ва, увеличением платы промышленного предприятия

за потребляемую мощность.

Так с учетом снижения энергоэффективности

электрических машин в нормальном технологическом

режиме, затраты на ремонт двигателей (при наработок-

ни на отказ 4000 часов) почти приближаются к

стоимости электроэнергии, употребил бы двигатель за время

эксплуатации между двумя ремонтами. С учетом

расходов, связанных с аварийным выходом двигателя из ла-

ду, удельные затраты на ремонт приближаются к отвечает

щего показателя для новых заводских машин [1].

Подводя итог сказанному, можно сфор-

формулировать следующее: насыщенность парка электрических

машин агрегатами были в ремонте, определяет до-

сить высокие затраты на ремонт электрооборудования,

поскольку стоимость капитального ремонта общеобразовательных

промышленного асинхронного электродвигателя со-

дает от 30% до 60% от стоимости нового оборудования

[3]. При этом высокая аварийность электрических ма-

шин определяется не столько низким качеством ремонтов

то, сколько изменением характеристик конструкционных

материалов (прежде всего электротехнической стали), что

приводят к перераспределению потерь в двигателе, изменения

теплового баланса и снижение реальной погрузчик-

ной способности [1].

В связи с этим возникает задача оценки текущих

ного технического состояния и энергоэффективности работы

ЭМ. Метод определения энергетических показателей

работы АД [4] может быть положен в основу для

расчета оптимального времени замены двигателя на

новый с целью обеспечения наименьшего ущерба для

предприятия.

Цель работы. Разработка алгоритма определения

оптимального срока замены асинхронного двигателя

по критерию минимальных затрат с учетом уве-

льшення суммарных потерь двигателя после каждого ка-

питального ремонта.

Материал и результаты исследования. Учитывается-

кая тот факт, что основные убытки промышленных пред-

предприятий связаны с эксплуатацией двигателей с поги-

ршенимы энергетическими характеристиками, эффект

от внедрения метода определения оптимального

периода АД по критерию минимальных затрат рас-

считывается по следующим статьям:

Page 2

ДИАГНОСТИКА В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Вестник КГУ имени Михаила Остроградского. Выпуск 4/2010 (63). Часть 2

143

- Экономия средств за счет уменьшения потребления

ванной электроприводом мощности при своевременной

замене старого двигателя на новый;

- Экономия средств за счет уменьшения количе-

те ремонтов за установленный период;

- Экономия средств за счет определения точного

ресурса работоспособности испытуемого двигателя и

проведения своевременных профилактических ремонтов;

- Экономия средств за счет уменьшения количе-

те ремонтов и простоев, связанных с капитальными

ремонтами.

При использовании алгоритма принимаются на-

ступни допущения:

-

ресурс работы электрической машины опреде-

ся по известному правилу «восьми» градусов [5];

-

температура изоляции обмоток изменяется

пропорционально греющим потери двигателя;

-

стоимость эксплуатации АД рассчитывается

для продолжительного режима работы АД;

-

стоимость эксплуатации АД рассчитывается по

среднесуточным тарифу на электроэнергию;

-

первый капитальный ремонт происходит

после 5 лет работы АД;

-

эксплуатация двигателя прекращается в мо-

момент, когда межремонтный период уменьшается до 2,5

месяцев.

Используя данные о потерях энергии в АД,

был разработан алгоритм для определения оптима-

льного периода замены двигателя на новый. Блок-схема

этого алгоритма представлена ​​на рис. 1.

Рисунок 1 - Блок-схема алгоритма определения оптимального периода эксплуатации АД по критерию

минимальных затрат

В представленном алгоритме первый блок - это

блок ввода всех заданных параметров: номинальные

данные двигателя, стоимость одного кВт потребленной мощности

ности, стоимость одного двигателя, стоимость одного ка-

тального ремонта, количество рабочих дней в году,

количество рабочих смен, количество часов в смене, три-

продолжительность цикла работы, коэффициент увеличения потерь

после каждого следующего капитального ремонта.

В следующем блоке рассчитывается мижремонт-

ный период по формуле:

N

и

е

Т

i

и

.. 2

, 1

,

) (

)

(

0866

0

0

=

⋅

=

Δ

Θ

⋅

-

τ

,

где -

N

и

Pgr

i

Pgr

i

n

n

.. 2

, 1

,

) (

) (

=

Δ

Δ

⋅

Θ

=

Θ

- Температура

изоляции обмоток после i-го капитального ремонта [5]

(При определении превышений температуры обмоток

можно воспользоваться соотношением между номи-

рукции потерями и номинальной температурой

изоляции обмоток и предположить, что этот коэффициент

неизменным и не зависит от режима работы дви-

на);

n

Θ

- Номинальная температура изоляции обмоток,

что определяется классом изоляции АД;

n

Pgr

Δ

- Номе-

нальные греющие потери;

и

Pgr

Δ

- Греющие потери после и-

го капитального ремонта;

и

- Порядковый номер ка-

питального ремонта;

N

- Плановое количество капитальных

них ремонтов.

Исходные данные для расчета приведены в табл. 1 [6].

Page 3

ДИАГНОСТИКА В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Вестник КГУ имени Михаила Остроградского. Выпуск 4/2010 (63). Часть 2

144

Таблица 1 - Исходные данные для расчета

№

п /

п

Показатели

и единицы измерения

Условное

обозна-

ния

Значение

показателя

1

Количество

календарных

дней в году, дни

Q

Д

365

2

Количество рабочих дней в

году, дни

Q

р

250

3

Продолжительность смены, час

t

C

8

4

Количество смен, шт

q

C

2

5

Стоимость двигателя, грн:

С

АД

1,1 кВт

460

11кВт

2570

110кВт

34400

6

Стоимость кап. ремонта,

грн

С

к

1,1 кВт

200

11кВт

1200

110кВт

11000

7

Коэффициент, учитывающий

транспортные расходы

α

t

1,05

8

Коэффициент, учитывающий

монтажные расходы

α

с

1,1

9

Стоимость 1 кВт

.

ч

электроэнергии, грн

С

е

0,71

года

, Ô

()

n

Pgr i

Pgr

Δ

Δ

Рисунок 2 - Зависимость остаточного периода

эксплуатации АД от относительных Грея потерь

Как видно из приведенного графика, срок службы

двигателя изменяется по показательному закону, и

когда потери увеличиваются на 15%, то продолжительность

службы уже уменьшается вчетверо (рис. 2). Через

это для эффективного использования средств пред-

приятия необходимо своевременно производить замену старых

двигателей, многократно подлежали ремонту. Так

после шестого капитального ремонта срок службы

уменьшается до 0,8 года.

Текущий год эксплуатации АД определяется с

учетом того, что первый капитальный ремонт

проводится после 5 лет его использования, а

его эксплуатация становится нецелесообразной при уменьшении

межремонтного периода до 3-х месяцев (

)

(

кон

i

τ

):

N

и

i

i

i

i

.. 2

, 1

,)

(

5

) (

25

0

)

(

0

=

Δ

+

=

Σ

≥

Δ

=

τ

τ

τ

.

Стоимость эксплуатации одного АД после i-го капи-

тального ремонта: стоимость нового двигателя, кол-

кость проведенных капитальных ремонтов, стоимость

одного такого ремонта и выплаты за потребленную дви-

гуном электроэнергию на покрытие энергетических

потерь с учетом увеличения потерь после каждой-

го следующего капитального ремонта:

,

,

.. 2

, 1

,

) (

) (

1

с

с

р

е

и

k

с

t

AD

q

t

Q

Р

р

C

H

N

и

H

i

i

и

С

С

i

⋅

⋅

⋅

Δ ⋅

Δ ⋅

=

=

⋅

Δ ⋅

+

⋅

+

⋅

⋅

=

Σ

Σ

Σ

τ

α

α

,

где

р

Δ

- Увеличение суммарных греющих потерь двигателя

после каждого капитального ремонта, и.о.;

Σ

Δ Р

- Су-

бесполезны греющие потери двигателя в номинальном режиме,

кВт;

,,

,

,,

,

,,

AD

t

ñ

k

å

ð

ñ

ñ

Ñ

Ñ ​​NCQ tq

α α

- См.. табл. 1.

Исходя из этого, за период времени

) (I

n ô ⋅

(

5 ..

2,

1

=

n

) По нормативам стоимость эксплуатации n

двигателей составит

)

(

кон

n

и

n Ó ⋅

=

Σ

.

Последний блок алгоритма - это блок принятия

решение об оптимальности периода замены двигателя

на новый, количества двигателей за цикл, стоимость экс-

эксплуатации и экономическую выгоду. Эта процедура вы-

конуеться путем постоянного сравнения стоимости

эксплуатации заданного количества двигателей n и реко-

мендовано количества m. Таким образом, определяется

момент времени, когда целесообразнее ввести в экс-

цию новый двигатель при минимуме затрат по по-

данный период

)

(

кон

i

n ô ⋅

.

()

(

)

(

)

,

(

)

(

),

.

i

³

³

max

ê ³ í

î ï ò

ni

m

i

ê ³ í

î ï ò

mnm , n = 1,2 .. 5,

i

<I

³ = 1,2 .. N

î ï ò

ê ³ í

τ

τ

Σ = Σ

-Σ

→





⋅

= ⋅





>







Объектом расчетов были асинхронные двигатели

с номинальными данными, приведенными в табл. 2:

Таблица 2 - паспортные данные исследуемых АД

Мощность, кВт

1,1

11

110

Ток статора, А

2,5

22

199

Частота вращения, об / мин 2811

1458

982

КПД,%

0,775 0,875 0,93

Коэффициент мощности

0,87

0,87

0,9

Для получения данных расчеты проводятся

следующим образом. Сначала отдельно для каждого

двигателя рассчитывается номинальный срок служ-

бы АД, который зависит от класса изоляции его обмо-

ток. Затем с помощью разработанного алгоритма

определяется оптимальный срок замены двигателя с

учетом увеличения суммарных потерь в АД пос-

ля каждого капитального ремонта и, как следствие,

уменьшения межремонтного периода. Расчеты

проводились для следующих случаев:

025

0

=

Δ р

,

05

0

=

Δ р

,

075

0

=

Δ р

и относительный момент погру-

грузки

1;

9,

0

, 8,

0

*

=

М

. Такое предположение можно

сделать на основе анализа экспериментальных и рас-

счетных данных, полученных при оценке эксплуата-

онных параметров отремонтированных асинхронных

электродвигателей [2].

Page 4

ДИАГНОСТИКА В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Вестник КГУ имени Михаила Остроградского. Выпуск 4/2010 (63). Часть 2

145

*

Σ

Δ Р

τ

Δ

075

0

=

Δ p

05

0

=

Δ p

а)

τ

Δ

*

Σ

Δ Р

075

0

=

Δ p

05

0

=

Δ p

б)

075

0

=

Δ p

05

0

=

Δ p

τ Δ

*

Σ

Δ Р

в)

Рисунок 3 - Зависимость межремонтного периода АД от относительных суммарных потерь:

а) для АД с

кВт

Р

Н

110

=

Б) для АД с

кВт

Р

Н

11

=

В) для АД с

кВт

Р

Н

1,

1

=

025

0

=

Δ p

05

0

=

Δ p

075

0

=

Δ p

0

10

20

30

40

10 мая

4

10 Январь

5

1.5 10

5

10 февраля

5

2.5 10

5

В, грн

Mn * = 1

Mn * = 0.9

Mn * = 0.8

Mn * = 1

Mn * = 0.9

Mn * = 0.8

t

с1

t

с2

t

з3

АД1

АД2

АД1

АД2

АД3

а)

075

0

=

Δ p

05

0

=

Δ p

025

0

=

Δ p

0

10

20

30

40

1000

2000

3000

4000

t

экс

, Годы

Mn * = 1

Mn * = 0.9

Mn * = 0.8

Mn * = 1

Mn * = 0.9

Mn * = 0.8

t

с1

t

с2

t

з3

5000

В, грн

АД1

АД2

АД1

АД2

б)

Рисунок 4 - Зависимость эксплуатационных расходов от текущего года эксплуатации двигателя:

а) для АД с

кВт

Р

Н

110

=

Б) для АД с

кВт

Р

Н

1,

1

=

Рисунок 5 - эксплуатационный период двигателя, рассчитанный с применением алгоритма (оптимизация) и по

паспортными данными (без оптимизации)

Page 5

ДИАГНОСТИКА В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Вестник КГУ имени Михаила Остроградского. Выпуск 4/2010 (63). Часть 2

146

Из вышеприведенных графиков видно, что после деки-

лькох капитальных ремонтов резко снижается эко-

номической эффективности эксплуатации АД. С рисунке 3

заметно, как растет частота капитальных ремонтов

при постепенном увеличении суммарных потерь в дви-

гуне, что, как следствие, вызывает резкий рост экс-

эксплуатационной расходов в некоторый момент времени. Так,

рис. 5 иллюстрирует, что при своевременной замене двигателя и

неизменных эксплуатационных затратах срок эксплуата-

ции АД увеличивается почти на 10 лет. Стоит

заметить, что формы построенных кривых является почти

одинаковыми для двигателей различной мощности

делает алгоритм универсальным для различных типов

АД.

Выводы. Представленный в работе алгоритм

позволяет определить оптимальный срок эксплуа-

ции асинхронного двигателя по критерию минимальных

ных расходов. Его применение позволит снизить

расходы промышленных предприятий, связанные с

эксплуатацией электромеханического оборудования с

ухудшенными энергетическими характеристиками.

Для повышения достоверности полученных результа-

тов предложен алгоритм рекомендован к

применения в совокупности с методом расчета

потерь АД на основе мгновенных значений сигналов

токов и напряжений статора [4]. Повышение точности

алгоритма возможно при условии применения ГОСТ-

рных методик определения потерь в узлах АД, а так-

также учета реальных режимов работы.

Экономический эффект от применения алгоритма

значительно возрастает при наличии большого парка элек-

трических двигателей различной мощности на промыш-

вых предприятиях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Черный А.П. Экономическая эффектив-

ность систем диагностики и сертификации элек-

трических машин после их ремонта / / Вестник

КГПУ. Научные труды КГПУ. - Вып. 1 (22). Ч. 3 -

Кременчуг: КГПУ, 2002. - С. 308-314.

2. Прус В.В., Кирьянов О.Ф., Гераскина А.С.

Оценка експлуатационных параметров отремонты-

рованных асинхронных электродвигателей / / Вис-

ник КГПУ. Научные труды КГПУ. - Вып. 1 (22). Ч. 1

- Кременчуг: КГПУ, 2002. - С. 321-325.

3. Электронной ресурс www.volna.by.

4. Chumachova Anna, Kalinov Andrii, Mamchur

Dmitriy, Research of the asynchronous motor's

observability for estimation operating conditions and

energy efficiency / / X International PhD Workshop

OWD'2008. Conference Arhives PTETiS, Vol. 25

2008 Poland. - С. 357-362.

5. Котеленец Н.Ф., Кузнецов Н.Л. Испытания

и надежность электрических машин: Учеб. пособие

для вызов по спец. "Электромеханика". - М.: Высш.

шк., 1988. - 232с.

6. Электронный ресурс

www.electromotor.com.ua, данные от 24.03.2009.

Статья поступила 28.04.10 г.

Рекомендовано к печати д.т.н., проф.

Родькин Д.И.

⇐ Предыдущая12

Поделиться: