На правах рукописи

Змиева Кира Анатольевна АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет Станкин

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Шварцбург Леонид Эфраимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Абакумов Александр Михайлович кандидат технических наук, доцент Анисимов Дмитрий Николаевич Ведущее предприятие: Федеральное государственное унитарное предприятие Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина

Защита состоится л2 декабря 2009 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ГОУ ВПО Московском государственном технологическом университете Станкин по адресу: 127994, Москва, Вадковский пер., д. 3а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ Станкин.

Автореферат разослан л23 октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доц. Е.Г.Семячкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Автоматизация - важнейшее средство повышения качества и эффективности технологических процессов и производств. Одним из основных показателей качества машиностроительных технологических процессов является их энергоемкость. Это обусловлено следующими соображениями.

Экономия электроэнергии составляет существенную часть (свыше 25%) общего потенциала экономии энергоресурсов. В России возможности энергосбережения укрупненно оценивается в 200 - 220 млрд. кВт.час/год. Доля машиностроения в структуре энергопотребления нашей страны составляет в некоторых регионах до 70%. Именно это обстоятельство позволило Правительству РФ в Программе антикризисных мер на 2009 год сформулировать важнейшее направление развития производства - энергоэффективность. Это особенно важно, т.к., как отмечено в Энергетической стратегии России на период до 2020 года, на современном этапе экономика России характеризуется высокой энергоемкостью, в 2-3 раза превышающей удельную энергоемкость экономик развитых стран. Не менее важным является и то, что проведение эффективной политики энергосбережения, как показывает опыт развитых стран мира, позволяет развивать реальное производство и социальную сферу без существенного роста потребления электроэнергии (в некоторых странах на 1% прироста ВВП приходится лишь 0.4% прироста энергопотребления).

В машиностроении токарная и фрезерная обработка занимают существенное место. В этой связи задача снижения потребления электроэнергии при реализации технологических процессов токарной и фрезерной обработки имеет существенное значение с точки зрения повышения энергоэффективности машиностроительных производств.

Целью настоящей работы является автоматизированное управление энергопотреблением машиностроительных производств и повышение на этой основе энергоэффективности технологических процессов токарной и фрезерной обработки.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Проанализировать нагрузочные характеристики металлорежущих станков при реализации технологических процессов токарной и фрезерной обработки.

2. Исследовать взаимосвязи нагрузочных характеристик при реализации технологических процессов, потребляемой при этом электроэнергии и мощности электропривода металлорежущих станков.

3. Разработать алгоритмы и методики автоматизированного управления потреблением электрической энергии посредством контроля и компенсации реактивной мощности при токарной и фрезерной обработке.

4. Разработать и исследовать автоматизированную конденсаторную установку, реализующую алгоритмы и методики управления потреблением электрической энергии.

Методы исследования При исследовании применялись основные положения теории автоматического управления, технологии машиностроения, теории резания, теоретической электротехники, математической статистики и теории эксперимента.

Научная новизна работы заключается в:

Х установлении взаимосвязи нагрузочных характеристик при реализации технологических процессов токарной и фрезерной обработки, энергоэффективности металлообрабатывающих станков и мощности их электропривода;

Х методике снижения потребления энергии при реализации технологических процессов посредством управления коэффициентом мощности электроприводов металлорежущих станков;

Х разработке алгоритмов автоматизированного управления потреблением электрической энергии и их адаптации к реальным нагрузочным характеристикам технологических процессов;

Х методике создания комплексной автоматизированной энергосберегающей системы машиностроительных предприятий.

Практическая ценность работы заключается в повышении энергоэффективности технологических процессов токарной и фрезерной обработки, а значит и их конкурентоспособности за счет снижения потребления электрической энергии и улучшения ее качества.

Реализация работы Результаты работы были использованы при создании автоматизированных локальных энергосберегающих систем для токарных и фрезерных станков, а также в учебном процессе на кафедре Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности ГОУ ВПО МГТУ Станкин при изучении дисциплин Автоматические системы обеспечения безопасности технологических процессов и производств и Автоматизация обеспечения экологических показателей качества машиностроительных производств.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. заседаниях кафедры Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности ГОУ ВПО МГТУ Станкин;

2. научно-методической конференции Машиностроение - традиции и инновации (МТИ-08), ГОУ ВПО МГТУ Станкин, г. Москва, ноябрь 2008 г.;

3. международных конференциях Производство. Технология. Экология - ПРОТЭК, Москва, ГОУ ВПО МГТУ Станкин, в 2007, 2008, 2009 гг.;

4. I всероссийском конкурсе молодых ученых имени академика В.П.

Макеева, г. Миасс, сентябрь 2009 г.;

5. международной конференции Экологические аспекты производства и среды, ГОУ Западная высшая школа, г. Зелена Гура, Польша, июнь 2009 г.

Публикации По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы Работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, изложена на страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка, 16 таблиц, список литературы включает в себя 69 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы и обосновывается ее актуальность.

Первая глава посвящена анализу современных методов и средств обеспечения качества машиностроительных технологических процессов и показано место и роль в обеспечении качества автоматизированных систем управления. Проанализирован один из основных показателей качества технологических процессов механообработки - их энергоэффективность.

Проанализированы работы ученых: В.А. Веникова, О.В. Веселова, А.С.

Верещаки, А.И. Вольдека, С.Н. Григорьева, М.Г. Косова, В.И. Кочкина, В.Г.

Митрофанова, О.П. Михайлова, О.П. Нечаева, Ю.М. Соломенцева, В.К.

Старкова, И.В. Харизоменова, Л.Э. Шварцбурга и др., направленные на повышение уровня технологического оборудования, качества технологических процессов, а также качества электроэнергии в промышленных сетях. Также приведены результаты патентных исследований по минимизации потребления энергии при реализации машиностроительных технологических процессов.

Рассмотрены основные причины повышенного энергопотребления на машиностроительном производстве, методы и средства снижения потребления электрической энергии при реализации машиностроительных технологических процессов.

Можно выделить несколько основных направлений минимизации энергопотребления при заданных параметрах технологических операций и режимах резания:

1. подбор промышленного оборудования с минимальным запасом по мощности, т.е. с номинальной мощностью, соответствующей эквивалентной мощности реализуемых на нем технологических процессов;

2. снижение потерь электрической энергии при ее преобразовании в механическую и передаче в зону обработки;

3. снижение реактивной составляющей потребляемой электрической энергии.

Одним из наиболее эффективных методов управления энергопотреблением с целью повышения энергоэффективности машиностроительных производств является снижение реактивной составляющей потребляемой электрической энергии.

Потребление электрической энергии и наличие ее реактивной составляющей, как правило, регулируется на трансформаторных подстанциях, питающих крупные промышленные предприятия, посредством мощных компенсационных установок (например, статических тиристорных компенсаторов).

Точность такой компенсации невелика из-за большой дискретности регулирования и высокого уровня потерь, а также из-за невозможности локальной компенсации непосредственно в источнике повышенного потребления электрической энергии - металлорежущем станке.

Как хорошо известно, токарная и фрезерная обработки являются одними из наиболее распространенных на машиностроительных предприятиях. По этой причине, основное внимание в работе уделено методам и средствам автоматического снижения реактивной составляющей потребляемой электрической энергии при этих видах обработки.

Вторая глава посвящена рассмотрению физической сущности реактивной составляющей потребляемой при реализации технологических процессов электрической энергии и анализу современных методов и средств ее минимизации.

Как хорошо известно, одними из наиболее распространенных электроприводов металлорежущих станков являются электропривода переменного тока с трехфазными асинхронными двигателями, представляющие собой трехфазную симметричную нагрузку.

Для трехфазной симметричной электрической цепи мгновенная мощность одной фазы определяется выражением:

1 p = iu = UmIm cos - UmIm cos(2t -), (1) 2 где I, U - мгновенные значения соответственно тока и напряжения, Im, Um - максимальные значения соответственно тока и напряжения, - фазный угол, - круговая частота тока и напряжения.

После несложных преобразований из (1) имеем:

1 p = UmIm cos(1- cos2t) + UmIm sin sin 2t. (2) 2 Как следует из последнего выражения, мгновенная мощность имеет две составляющие. Первая составляющая - сугубо положительная и представляет собой активную мощность, определяемую выражением (через действующее значение тока и напряжения):

P = IU cos.

(3) Вторая составляющая является гармонически изменяющейся во времени величиной удвоенной частоты и определяет периодический обмен энергией между генератором и потребителем и связана с наличием в системе индуктивных и (или) емкостных элементов.

Эта составляющая определяет реактивную мощность Q:

Q = IU sin. (4) В этом случае, полная мощность цепи S определяется векторной суммой:

Х Х Х = + Q.

S P Обязательное наличие реактивной мощности при передаче электрической энергии существенно снижает энергетическую эффективность машиностроительных производств. Действительно, как следует из последнего выражения, величина полной мощности, потребляемой из источника, при заданном технологом значении необходимой для реализации технологического процесса активной мощности, определяемой режимами резания и потерями мощности, определяется выражением:

P S = = IU.

cos Как следует из последнего выражения, энергоэффективность машиностроительного производства определяется величиной, обратной коэффициенту мощности (cos) электропривода металлообрабатывающего станка.

Наличие реактивной составляющей энергии приводит к ряду существенных негативных последствий. При этом, чем меньше коэффициент мощности оборудования, тем большую мощность S должен иметь источник питания и тем больший ток должен проходить по проводам силовой цепи предприятия, что в свою очередь ведет к увеличению потерь в этой цепи и к дополнительному снижению качества электроэнергии. Кроме того, увеличение тока требует для его передачи проводов большего сечения, т.е. применения более дорогостоящих кабельных систем и электротехнического оборудования большей мощности.

Проведенный в работе анализ показал, что для трехфазного асинхронного электродвигателя значение коэффициента мощности существенно зависит от нагрузки на его валу и изменяется в диапазоне 0,26 - 0,83 для различных типоразмеров двигателей (таблица 1), при изменении нагрузки на его валу.

Таблица Энергетические показатели электродвигателей основного исполнения Типоразмер Рном, cos при Р/Рном, % электродвигателя кВт 25 50 75 100 4А90LB8Y3 1,1 0,30 0,46 0,59 0,68 0,4A100L8Y3 1,5 0,26 0,44 0,57 0,65 0,4A112MA8Y3 2,2 0,30 0,48 0,62 0,71 0,4A112MB8Y3 3,0 0,33 0,52 0,66 0,74 0,4A132S8Y3 4,0 0,27 0,46 0,59 0,70 0,4A132M8Y3 5,5 0,32 0,52 0,65 0,74 0,4A160S8Y3 7,5 0,35 0,57 0,69 0,75 0,4A160M8Y3 11,0 0,35 0,57 0,69 0,75 0,4A180M8Y3 15,0 0,45 0,68 0,78 0,82 0, Характер изменения коэффициента мощности электродвигателя при изменении нагрузки на его валу показан на рис. 1.

Рис. 1. Характер изменения коэффициента мощности электродвигателя при изменении нагрузки на его валу (Рн - номинальная мощность) Из рис. 1 следует, что коэффициент мощности значительно снижается при эксплуатации оборудования в режиме недогрузки (Р<Рном). Такая ситуация в свою очередь приводит к увеличению полной потребляемой мощности за счет значительного повышения ее реактивной составляющей.

В работе были проанализированы нагрузочные характеристики для некоторых типовых технологических процессов обработки изделий на токарных и фрезерных станках, и проведены исследования зависимости энергопотребления от мощности резания.

В качестве примера на рис. 2 изображена нагрузочная характеристика технологического процесса обработки трехступенчатого вала на токарном станке.