CC BY
80
УДК 621.313.333
В.С. Петрушин
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДИФИЦИРОВАННОГО КРИТЕРИЯ ПРИВЕДЕННЫХ ЗАТРАТ
Пропонується модифікація критерію зведених витрат за рахунок використання коефіцієнтів значимості експлуатації та пріоритету врахування активних втрат, що дозволяє узгодити максимум ККД та мінімум зведених витрат. Проведено аналіз впливу коефіцієнту інфляції на критерій зведених витрат.
Предлагается модификация критерия приведенных затрат за счет использования коэффициентов значимости эксплуатации и приоритета учета активныш потерь, что позволяет согласовать максимум КПД и минимум приведен-ныш затрат. Проведен анализ влияния коэффициента инфляции на критерий приведенныш затрат.
ВВЕДЕНИЕ
Определяющим фактором для отечественных потребителей асинхронных двигателей (АД) на сегодняшний день есть их цена. Вместе с тем мировая практика показывает, что стремительное повышение стоимости энергоресурсов требует разработки и производства энергосберегающих двигателей с повышенными энергетическими показателями и сниженными эксплуатационными затратами, несмотря на некоторое повышение стоимости таких двигателей.
Эффективность решения задачи оптимального проектного синтеза определяется обоснованностью проектного критерия. Выбор критерия зависит от назначения электрической машины (ЭМ), условий ее эксплуатации.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В последние десятилетия много стран в качестве критерия при проектировании АД используют КПД, максимум которого достигается в результате параметрической оптимизации. Но критерий КПД не может учесть много финансовых аспектов, таких как затраты на изготовление и эксплуатацию двигателя, коэффициент инфляции и другое.
При проектировании серий АД используется критерий приведенных затрат (ПЗ) [1-3]. При разработке энергосберегающих АД проектным критерием является КПД и определение экономической эффективности основывается на расчетах экономии электроэнергии и стоимости компенсации реактивной энергии [4]. Также может быть использован критерий ПЗ, если он модифицирован с учетом следующих обстоятельств [5]: необходимо учитывать влияние на критерий инфляционных процессов, поскольку нормативные сроки окупаемости АД достаточно продолжительные (5-8 лет), за время службы двигателя энергетическая составляющая критерию ПЗ в несколько раз превышает состав-ляюшую, связанную с капитальными затратами, поэтому вопрос об оптимизации энергетической составляющей является особенно важным.
Для того, чтобы использовать модифицированный критерий ПЗ, необходимо согласовать критерий ПЗ с критерием КПД, т. е. приблизить их экстремумы. Этого можно достичь, используя два коэффициента: коэффициент значимости эксплуатации кзэ и коэффициент приоритета учета активных потерь кпап. Целесообразно также введение в модифицированный критерий ПЗ
коэффициента инфляции кинф, который учитывает процессы обесценивания денежной массы (инфляцию) [6].
С этой целью было выполнено корректирование алгоритма расчета ПЗ программы Б1МА8Впуе[7].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
С учетом вышесказанного выражение для модифицированного критерия ПЗ имеет вид
Сд + с
= к + (Сдв + Сзр ) ' (кам + коб ) ' кинф + Спа ' кпап ' кинф ,
к зэ
где Сдв - стоимость двигателя; Спа - стоимость потерь активной энергии; Сзр - стоимость затрат, соответствующих компенсации потребляемой реактивной мощности; кам - коэффициент, учитывающий амортизационные отчисления; коб - коэффициент, учитывающий затраты на обслуживание двигателя; кпап -коэффициент приоритета учета активных потерь; кзэ -коэффициент значимости эксплуатации кзэ; кинф - коэффициент инфляции).
Значение кинф рассчитывается следующим образом
к
инф
т=0
100%
Тп
где Тн - нормативный срок окупаемости АД; ёинф -усредненный показатель годовой инфляции (в %).
Подбор коэффициентов для согласования максимума КПД и минимума ПЗ выполнен на примере двигателя 4А16084У3 [8]. Чтобы найти экстремумы критериев КПД и ПЗ проведено оптимизацию двигателя с помощью БГМАЗБпуе , изменяя значения двух варьируемых параметров: коэффициента изменения магнитного потока кимп (числа витков обмотки статора с учетом допустимого коэффициента заполнения паза статора) в диапазоне от 0,9 до 1,1 и длины статора Ь в диапазоне от 112 до 196 мм.
Оптимум КПД получено при значениях кимп и Ь соответственно 0,9 и 173 мм (рис. 1). Оптимум ПЗ получено при значениях кимп и Ь соответственно 0,9 и 156 мм (рис. 2).
Расчеты с использованием традиционного выражения ПЗ показывают существенное расхождение значений длины машины, которые отвечают максимуму КПД и минимуму ПЗ. При введении коэффициентов кпап = 9, кзэ =8 экстремумы практически совпадают.
© В.С. Петрушин
Рис. 1. Зависимость КПД от Ь при значении кимп, равном 0,9
126 133 140 147 154 161 163 175 182 139 мм
Рис. 2. Зависимость ПЗ от Ь при значении кимп, равном 0,9
Положение экстремума модифицированного критерия ПЗ показано на рис. 3.
статора Ь в диапазоне от 112 до 196 мм. Как видно из рис. 4 положение экстремума не изменилось и осталось при значениях кимп и Ь соответственно 0,9 и 173 мм, но величина ПЗ увеличилась, что также видно из табл. 2.
Таблица 1
Ч Двигатели Показатели Серий- ный Оптимизирован-ный по критерию ПЗ Оптимизирован-ный по критерию КПД Оптимизированный по модифиц. критерию ПЗ
ПЗ АД, у.е. 2488 2449 2481 10407
П АД 0,866 0,875 0,876 0,876
созф АД 0,868 0,859 0,888 0,888
Масса АД, кг 121 129 139 139
Стоимость АД, у.е. 573 602 637 637
Объем АД, дм3 10,36 11,54 12,95 12,95
Макс. перегрев обмотки статора, °С 92 76 71 71
Коэффициент изменения П°Т°ка кимп 1 0.9 0.9 0.9
Длина статора Ь, мм 140 156 173 173
Рис. 3. Зависимость модифицированных ПЗ от Ь при значении кимп, равном 0,9, и коэффициентах кпап и кзэ, значения которых равны 9 и 8 соответственно
Коэффициент кпап значительно больше влияет на значение ПЗ чем коэффициент кзэ. Сравнение серийного и оптимизированного двигателей, а также оптимизированного АД с коэффициентами кпап и кзэ представлено в табл. 1. Как видно из табл. 1, коэффициенты Кпап и кзэ влияют только на значения ПЗ.
Анализ коэффициента кинф был проведен для того же двигателя 4А16084У3, но уже с найденными коэффициентами кпап и кзэ. Для примера показатель инфляции ёинф составляет 2 %, а срок окупаемости Тн - 8 лет. При таких значениях ёинф и Тн коэффициент кинф равен 1,073.
Чтобы проверить влияние кинф на критерий ПЗ, было проведено оптимизацию двигателя с помощью БГМАЗБпуе, изменяя значения коэффициента изменения магнитного потока кимп в диапазоне от 0,9 до 1,1 и длины
Рис. 4. Зависимость ПЗ от Ь при кимп, равном 0,9, и коэффициентах кпап и кзэ и кшф 9, 8 и 1,073 соответственно
Таблица 2
Сравнение показателей модификаций двигателя 4А160Б4У3
Двига- тели Показатели Оптимизированный по модифицированному критерию ПЗ без кинф Оптимизированный по модифицированному критерию ПЗ с кинф
ПВ АД, у.е. 10407 11155
П АД 0,876 0,876
созф АД 0,888 0,888
Масса АД, кг 139 139
Стоимость АД, у.е. 637 637
Объем АД, дм3 12,95 12,95
Макс. перегрев обмотки статора, °С 71 71
Коэффициент изменения потока кимп 0,9 0,9
Длина статора Ь, мм 173 173
Проектные ограничения определены требованиями стандартов, технических заданий, возможностями производства и могут быть разделены на две группы: конструкционно-технологическую и функциональную. В составе первой группы ограничения геометрических размеров конструкции АД. Вторая включает в себя механические, тепловые, динамические и виброакустические ограничения.
ВЫВОДЫ
1. Расчеты с использованием традиционного выражения критерия ПЗ показали существенное различие значений длины машины, которые отвечают максимуму КПД и минимуму ПЗ. Для приближения этих экстремумов в модифицированном критерии ПЗ были использованы коэффициенты значимости эксплуатации кзэ и приоритета учета активных потерь кпап.
2. Значения модифицированного критерия ПЗ значительно превышают значения немодифицированного.
3. кинф определяет только значение ПЗ, не влияя на положение минимума критерия ПЗ. Однако поскольку при учете кинф величина ПЗ увеличивается, учет кинф необходим при проектировании.
4. Такая же закономерность наблюдается при большем количестве варьируемых проектных переменных.
5. Аналогичным образом может быть осуществлено оптимизационное проектирование по модифицированному критерию ПЗ энергосберегающих АД других мощностей, частот вращения, конструктивных исполнений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гурин Я.С., Кузнецов Б.И. Проектирование серий электрических машин. - М.: Энергия, 1978. - 479 с.
2. Домбровский В.В., Хуторецкий Г.М. Основы проектирования электрических машин переменного тока. - Л.: Энергия, 1974. - 503 с.
3. Петрушин В.С. Приведенные затраты асинхронных двигателей в частотном электроприводе при различных законах управления // Електромашинобудування та електрообладнання: Респ. міжвід.наук.-техн. зб. - 2001. - Вип. 56. - С. 51-54.
4. Попов В.И., Ахунов Т.А., Макаров Л.Н. Современные асинхронные электрические машины: Новая Российская серия КА. - М.: Изд-во "Знак", 1999. - 256 с.
5. Петрушин В.С., Якімець А.М., Волощук Н.А. Використання модифікованого критерію зведених витрат при розробці високоефективних асинхронних двигунів // Науково-технічний журнал "Електроинформ". - № 2. - 2008. - С. 6-7.
6. Петрушин В.С. Асинхронные двигатели в регулируемом электроприводе: Учеб. пособ. для студ. высш. учеб. заведений. - Одесса: Наука и техника, 2006. - 303 с.
7. Петрушин В.С., Рябинин С.В., Якимец А.М. Программный продукт "DIMASDrive". Программа анализа работы, выбора и проектирования асинхронных короткозамкнутых двигателей систем регулируемого электропривода (свидетельство о регистрации программы ПА№4065). Киев: Министерство образования и науки Украины. Государственный департамент интеллектуальной собственности, 26.03.2001.
8. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболевская. -М.: Энергоатомиздат, 1982. - 504 с.
Bibliography (transliterated): 1. Gurin Ja.S., Kuznecov B.I. Proekti-rovanie serij jelektricheskih mashin. Moscow, Jenergija Publ., 1978. 479 p. 2. Dombrovskij V.V., Hutoreckij G.M. Osnovy proektirovanija jelektricheskih mashin peremennogo toka. Leningrad, Jenergija Publ., 1974. 503 p. 3. Petrushin V.S. Privedennye zatraty asinhronnyh dvigatelej v chastotnom jelektroprivode pri razlichnyh zakonah upravlenija. Elek-tromashinobuduvannja ta elektroobladnannja, 2001, no.56, pp. 51-54. 4. Popov V.I., Ahunov T.A., Makarov L.N. Sovremennye asinhronnye jelektricheskie mashiny: Novaja Rossijskaja serija RA. Moscow, Znak Publ., 1999. 256 p. 5. Petrushin V.S., Yakimets A.M., Voloshchuk N.A. Vykorystannia modyfikovanoho kryteriiu zvedenykh vytrat pry rozrobtsi vysokoefektyvnykh asynkhronnykh dvyhuniv. Naukovo-tekhnichnyi zhurnal "Elektroynform", 2008, no.2, pp. 6-7. 6. Petrushin V.S. Asin-hronnye dvigateli v reguliruemom jelektroprivode: Ucheb. posob. dlja stud. vyssh. ucheb. zavedenij. Odessa, Nauka i tehnika Publ., 2006. 303 p. 7. Petrushin V.S., Rjabinin S.V., Yakimets A.M. Programmnyj pro-dukt "DIMASDrive". Programma analiza raboty, vybora i proektiro-vanija asinhronnyh korotkozamknutyh dvigatelej sistem reguliruemogo jelektroprivoda (svidetel'stvo o registracii programmy PA№4065). Kiev: Ministerstvo obrazovanija i nauki Ukrainy. Gosudarstvennyj departa-ment intellektual'noj sobstvennosti, 26.03.2001. 8. Kravchik A.Je., Shlaf M.M., Afonin V.I., Sobolevskaja E.A. Asinhronnye dvigateli serii 4A: Spravochnik. Moscow, Jenergoatomizdat Publ., 1982. 504 p.
Поступила (received) 15.09.2013
Петрушин Виктор Сергеевич, д.т.н., проф.,
Одесский национальный политехнический университет, кафедра "Электрические машины",
65044, Одесса, пр. Шевченко, 1,
тел/phone +380 048 7058494, e-mail: victor_petrushin@ukr.net V.S. Petrushin
Odessa National Polytechnic University 1, Shevchenko Avenue, Odessa, 65044, Ukraine Energy-efficient induction motors designing with application of a modified criterion of reduced costs.
The paper introduces a modified criterion of reduced costs that employs coefficients of operation significance and priority of ohmic loss accounting to allow matching maximum efficiency with minimum reduced costs. Impact of the inflation factor on the criterion of reduced costs is analyzed.
Key words - induction motor, optimization design, criterion of reduced costs, modification, rate of inflation.
