WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Из рис. 2 видно, что в типовых технологических процессах двигатели электроприводов металлорежущих станков эксплуатируются с мощностью, значительно меньше номинальной. Это относится как к мощности технологического перехода, так и к эквивалентной мощности всего цикла обработки изделия.

Рис. 2. Нагрузочная характеристика технологического процесса обработки трехступенчатого вала на токарном станке (номинальная мощность электропривода - 11 кВт) Например, для случая, изображенного на рис. 2:

n Pi 2ti Рэкв = = 4,27кВт, (5) tц i=где Рi – мощность резания i-го перехода (кВт), ti – время i-го перехода, сек., tц – общее время цикла, сек.

Эта ситуация существенно ухудшается за счет холостых ходов. Анализ показал, что в ряде случаев суммарное время холостых ходов может достигать 50-60% цикла обработки изделия.

Из (5) следует, мощность технологических переходов в (1,4-10) раз меньше номинальной мощности электропривода, а эквивалентная мощность рассматриваемого технологического процесса более чем в 2 раза ниже номинальной мощности оборудования. Аналогичные значения были получены для всех исследованных технологических процессов токарной и фрезерной обработки. Анализ полученных результатов позволил сделать вывод о том, что в большинстве случаев металлорежущие станки при токарной и фрезерной обработке работают в режимах значительных недогрузок, что существенно снижает коэффициент мощности оборудования и увеличивает реактивную составляющую мощности, в конечном итоге снижает энергоэффективность машиностроительного производства в целом.

Третья глава посвящена исследованию путей снижения потребления электрической энергии посредством компенсации реактивной мощности при реализации технологических процессов токарной и фрезерной обработки.

Одним из основных направлений снижения потребления электрической энергии, как указывалось выше, является снижение ее реактивной составляющей, реализуемое посредством компенсации сдвига фаз. При этом необходимо обеспечить параллельное подключение конденсаторных батарей к каждой фазе нагрузки. Такое подключение емкостей позволяет существенно снизить реактивную составляющую потребляемой электрической энергии, а в идеальном случае довести ее до нулевого значения. Глубина компенсации реактивной составляющей определит достигаемый коэффициент мощности, который в идеальном случае равен единице.

Можно показать, что величина емкости в этом случае определяется выражением:

Pрез sinд cos - cosд sin C =, (6) U cosд cos где Ррез – мощность, необходимая для реализации технологического перехода, - круговая частота тока, - к.п.д. системы преобразования электрической энергии и ее передачи в зону резания, U – напряжение фазы трехфазной сети, д, - фазный угол, соответственно без компенсации и с компенсацией реактивной мощности.

После несложных преобразований для случая полной компенсации реактивной мощности из (6) имеем:

Pрез C = tgд. (7) UКак следует из (6) и (7) величина компенсационной емкости при прочих равных условиях зависит от мощности технологического перехода и от скорости вращения, которая определяет величину д.

Все вышеизложенное было проверено на компьютерной модели трехфазного асинхронного электродвигателя, выполненной в интерактивном эмуляторе электрических схем Multisim Electronics Workbench (рис. 3).

Рис. 3. Моделирование процесса компенсации реактивной мощности при работе асинхронного электродвигателя по различным нагрузочным характеристикам в среде Multisim Electronics Workbench Исследования, проведенные на модели, полностью подтвердили предложенную методику компенсации реактивной мощности.

Исследования нагрузочных характеристик при реализации технологических процессов токарной и фрезерной обработки показали, что мощности резания технологических переходов существенно различны.

Так, например, при обработке трехступенчатого вала, нагрузочная характеристика которого приведена на рис. 2, мощности технологических переходов за время цикла отличаются примерно в (1,4-10) раз, что обосновывает необходимость постоянного автоматического слежения за параметрами технологического процесса и автоматического подключения необходимой по величине компенсационной емкости.

На рис. 4 в качестве примера представлены результаты экспериментальных исследований эффективности компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности при токарной обработке. Исследования проводились на токарном станке мод. 16К20, в приводе которого установлен асинхронный двигатель мод. 4А132М4У3, номинальной мощности 11 кВт.

Рис. 4. Экспериментальная зависимость коэффициента мощности оборудования от нагрузки на выходном валу электродвигателя без компенсации реактивной мощности (РМ) и с компенсацией Как следует из рис. 4, при изменении нагрузки, за счет компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности, коэффициент мощности оборудования повышается в 1,5-2 раза. При этом наибольшая эффективность достигается при наиболее часто встречающемся случае - недогрузке оборудования, что полностью соответствует материалу, изложенному в предыдущей главе. Так, при недогрузке двигателя величина коэффициента мощности после компенсации повышается в 1,55 раза (при Ртек20% Рн) и в 1,48 раза (при Ртек40%Рн), а при увеличении нагрузки от 60 до 120 % Рн - в 1,4 раза.

Таким образом, для компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности необходимо обеспечить автоматическое подключение конденсаторов, величина которых определяется, в первую очередь, реальной мощностью технологических переходов.

Четвертая глава посвящена разработке алгоритма автоматизированного управления потреблением электрической энергии при токарной и фрезерной обработке и адаптации автоматизированной системы к реальным нагрузочным характеристикам технологического процесса. Структурная схема алгоритма автоматизированного управления потреблением электрической энергии с использованием программируемого контроллера показана на рис. 5.

Требуемое значение коэффициента мощности, диапазон и число ступеней регулирования вводятся пользователем в программируемый контроллер.

Получая текущее значение тока и напряжения, программа, в реальном масштабе времени, определяет текущее значение коэффициента мощности, сравнивает его с заданным пользователем значением, и, в зависимости от величины расхождения, производит коммутацию блока конденсаторов необходимой емкости.

Схема экспериментальной установки, реализующей указанный алгоритм, представлена на рис. 6.

Установка включает в себя блок конденсаторных батарей, коммутационный блок для подключения конденсаторных батарей и сигнализации, счетчик электрической энергии, микропроцессорный блок, управляющий коммутационным блоком, и включающий в себя контроллер с портами для коммутации с компьютерами и датчиками-измерителями электрических параметров сети.

cosmax -cosmin cosmin

n/(n-1) Рис. 5. Структурная схема алгоритма Рис.6. Схема экспериментальной установки автоматизированного управления потреблением энергии Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 7.

Экспериментальная автоматизированная установка рассчитана для компенсации реактивной мощности до 10 кВАр. Она создана на базе микропроцессорного программируемого контроллера BR 6000 фирмы Epcos, обеспечивающего работу с двадцатью стандартными вариантами наборов конденсаторных батарей.

Контроллер позволяет осуществлять управление значением коэффициента мощности как в ручном, так и в автоматическом режиме, путем коммутации блока конденсаторов необходимой емкости. При этом на дисплей контроллера выводятся различные параметры сети – напряжение, ток, частота, активная, реактивная и полная мощность, коэффициент мощности и др.

Рис. 7. Общий вид установки Основными характерными особенностями установки являются:

• управление коэффициентом мощности в автоматическом режиме;

• возможность увеличения и уменьшения установленной мощности в зависимости от потребности;

• незначительные потери активной мощности, лежащие в пределах 0,3-0,45 кВт на 100 кВАр;

• сравнительно малая масса установки и высокая мобильность;

• простота эксплуатации.

В качестве иллюстрации эффективности применения разработанной установки на рис. 8 приведены значения потребляемой электрической мощности из сети при реализации технологических процессов разной мощности резания, зависящей от скорости подачи, частоты вращения вала и глубины резания, а также материала заготовки и параметров инструмента (табл.

2). Проведенные исследования показали, что применение автоматического управления реактивной составляющей потребляемой мощности позволяет существенно повысить эффективность использования электрической энергии.

Таблица 2.

Результаты экспериментальных исследований величины энергопотребления при токарной обработке Потребляемая мощность 1 160 0,1 1 3105 1,35 1,35 5,55 0,85 5,7 1,2 160 0,1 2 3200 1,5 1,5 5,85 1,4 6,05 2,3 160 0,2 1 1575 0,64 0,64 2,88 0,45 2,95 0,4 160 0,2 2 1635 0,75 0,76 2,65 0,45 2,75 0,5 160 0,2 4 1715 1 1 2,8 0,55 2,95 1,Значения получены для 5 технологических операций обработки резанием на токарном станке мод. 16К20 с автоматической компенсацией реактивной мощности и без нее. В процессе эксперимента производились замеры активной и реактивной составляющих потребляемой мощности при изменении значений глубины резания и скорости подачи в процессе точения вала заданного диаметра и длины.

Конечные результаты исследований представлены на рис. 8.

Из рис. 8 видно, что применение автоматической компенсации реактивной мощности при обработке точением на станке мод. 16К20 позволило снизить значение реактивной составляющей мощности в 3-6 раз, и, за счет этого, уменьшить потребление электрической мощности (кажущуюся мощность) в 3,5–4 раза. Особенно сильно эффект применения автоматизированной установки проявляется при значительных недогрузках оборудования, что полностью соответствует результатам исследований, изложенным выше. Проведенные экспериментальные исследования на кВт кВАр Активная Реактивная Полная, кВА составляющая, составляющая, Время обработки, сек Глубина резания t, мм Диаметр заготовки D, мм Скорость подачи S, мм / об Без Без Без N технологической операции компенсации компенсации компенсации С компенсацией С компенсацией С компенсацией фрезерных станках также показали высокую эффективность компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности.

Рис. 8. Эффективность применения автоматизированной установки Полученные результаты исследований позволили предположить, что оснащение установками данного типа компенсации реактивной мощности каждой единицы механообрабатывающего оборудования и организация централизованного управления ими позволит создать комплексную автоматизированную энергосберегающую систему предприятия, позволяющую значительно (в ряде случаев до 50%) снизить потери мощности и напряжения за счет более рационального токораспределения и, как следствие, повышение пропускной способности сети; повысить надежность и долговечность трансформаторов, распределительных устройств и устойчивость энергосистемы в целом; нивелировать влияние переходных процессов подключения мощных потребителей; подключить дополнительную (до 35%) нагрузку. Методика основана на адресном анализе потребления реактивной мощности конечными устройствами, ее локальной компенсацией и системном управлении коммутирующими устройствами энергораздающей сети. Во вновь проектируемых сетях внедрение предложенной методики комплексной автоматизированной энергосберегающей системы позволит снизить число или мощность силовых трансформаторов, сечение линий и габариты аппаратов распределительных устройств подстанций, а также значительно продлить срок их эксплуатации.

Основные выводы и результаты работы:

1. В работе решена научная задача автоматизации и управления энергопотреблением машиностроительных производств с целью повышения энергоэффективности технологических процессов, имеющая большое значение для машиностроения.

2. Выявлена зависимость энергоэффективности металлообрабатывающего оборудования от нагрузочных характеристик, реализуемых на нем технологических процессов. Доказано, что энергоэффективность существенно снижается при недогрузках оборудования.

3. Для повышения энергоэффективности необходимо снижать реактивную составляющую потребляемой при реализации технологических процессов электрической мощности посредством автоматического управления коэффициентом мощности. При этом энергоэффективность повышается в зависимости от параметров технологического процесса.

4. Разработаны алгоритмы и методики автоматизированного управления потреблением электрической энергии на машиностроительных производствах, которые адаптируются к реальным нагрузочным характеристикам технологических процессов. Исследование моделей, реализующих разработанные алгоритмы и методики, подтвердили их достоверность.

5. Разработана экспериментальная установка с использованием программируемого контроллера для автоматизированного управления энергопотреблением. Экспериментальный анализ применения данной установки показал, что при токарной и фрезерной обработке энергопотребление снижается на (15-30)% (по активной составляющей) в зависимости от параметров технологического процесса и характеристик станка.

6. Результаты работы могут быть использованы на машиностроительных предприятиях, реализующих технологии обработки материалов резанием, а также в учебном процессе по дисциплинам «Автоматические системы обеспечения безопасности технологических процессов и производств» и «Автоматизация обеспечения экологических показателей качества машиностроительных производств».

Список печатных работ:

1. Змиева К.А. Применение автоматических компенсаторов реактивной мощности для повышения энергоэффективности управления электроприводом металлообрабатывающих станков // Электротехника, №11, 2009. С. 26-31.

2. Змиева К.А. Повышение эффективности управления процессом механообработки на основе автоматизированной системы энергосбережения // Безопасность жизнедеятельности, №10, 2009. С. 6-8.

3. Змиева К.А. Повышение энергоэффективности промышленных производств посредством создания автоматизированных программноуправляемых энергосберегающих систем // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского, № 9, 2009. С. 162-166.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»