Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние и направления развития системы технического сервиса сельских электроустановок
1.1 .Становление и развитие научных основ системы эксплуатации электрооборудования в сельском хозяйстве
1.2. Анализ применения системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования в сельском хозяйстве
1.3.Задачи научного обеспечения технического сервиса сельских электроустановок. Цель и задачи исследований
Глава 2. Разработать математические модели оптимизации основных параметров стратегий технического обслуживания электрооборудования и расчета потребности в неремонтируемых запасных элементах
2.1.Обоснование математических моделей оптимизации основных параметров технического обслуживания электрооборудования
2.2. Обоснование периодичности технического обслуживания электрооборудования для различных стратегий обслуживания
2.3. Определение затрат на устранение отказов электрооборудования и его профилактическую замену
2.4. Графическое определение оптимальной периодичности профилактического обслуживания электрооборудования
2.5.Эффективность применения различных стратегий технического обслуживания
Глава 3. Разработать методы расчета потребности в запасных изделиях при эксплуатации электрооборудования
3.1. Разработать методику расчёта потребности в невосстанавливаемых запасных элементах для обслуживания и ремонта сельских электроустановок
3.2. Разработать методику определения потребности в восстанавливаемых изделиях для эксплуатации электрооборудования
Глава 4. Анализ анормальных режимов, возникающих при эксплуатации асинхронных электродвигателей и требования к защитам 109
4.1. Методика определения параметров асинхронного электродвигателя при обрыве фазы при соединении обмоток статора в «звезду» 110
4.2. Расчет параметров асинхронных двигателей малой мощности при обрыве фазы 129
4.3. Исследование параметров асинхронного электродвигателя с соединением обмоток в «треугольник» при обрыве фазы 134
Глава 5. Разработать практические рекомендации для повышения эффективности работы сельских электроустановок 144
5.1 .Разработка методики энергетического мониторинга сельскохозяйственных электроприводов, выявление резервов и потенциала экономии электроэнергии 144
5.2. Разработка рекомендаций по повышению эффективности использования и экономии электроэнергии в личных подсобных хозяйствах и быту сельского населения 154
5.3. Разработка электрооборудования для реализации резонансных методов
передачи и применения электрической энергии 168
5.4.Обоснование экономической эффективности применения исследований и разработок 202
Основные выводы и рекомендации
Литература
- Анализ применения системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования в сельском хозяйстве
- Обоснование периодичности технического обслуживания электрооборудования для различных стратегий обслуживания
- Разработать методику определения потребности в восстанавливаемых изделиях для эксплуатации электрооборудования
- Расчет параметров асинхронных двигателей малой мощности при обрыве фазы
Введение к работе
Вопросы совершенствования системы технического сервиса и повышения эксплуатационной надежности электрооборудования и сельских электроустановок в условиях современного состояния агропромышленного комплекса страны приобретают исключительно важное значение [1-5].
В решении задач по энергетическому обеспечению сельского хозяйства предусмотрен ряд неотложных мер по совершенствованию организации системы технического сервиса электрооборудования для сельскохозяйственного производства и быта сельского населения. Надежная и экономичная работа электрооборудования в сельском хозяйстве зависит от комплекса организационных и технических мероприятий, осуществляемых при разработке, изготовлении, монтаже и эксплуатации электротехнических изделий. Возрастающие требования сельскохозяйственного производства к надежности работы электрооборудования и повышение удельного веса затрат, связанных с его обслуживанием и ремонтом, требуют организации эффективной системы технического сервиса, при которой обеспечиваются минимальные затраты на проведение техобслуживания и устранение аварийных отказов оборудования с учетом возможных технологических ущербов, наносимых выходом из строя электроустановок и электрооборудования.
Основой концепции является положение о том, что система сервиса электрооборудования входит структурным блоком в общую систему технического сервиса АПК, основывается на приоритете сельхозпроизводителя и снижении издержек на поддержание в работоспособном состоянии электротехнического оборудования и электроустановок. Чем выше эксплуатационная надежность электрооборудования и уровень организации его технического сервиса, тем выше устойчивость выполнения технологического процесса, ниже затраты на профилактические мероприятия [6-10].
Технический сервис электрооборудования сельских
товаропроизводителей включает обеспечение их электрифицированной техникой и электрооборудованием, проведение технического обслуживания и ремонта в течение всего срока эксплуатации, а также весь комплекс услуг по приобретению, монтажу и наладке, обеспечению запасными запчастями и материалами, обучению электротехнического персонала. Концептуальным положением является выбор приоритетов развития технического сервиса электрооборудования сельских товаропроизводителей, принципов построения и уровня технического оснащения электротехнических служб с учетом имеющегося мирового и отечественного опыта. Первоочередной задачей настоящего времени является снабжение сельского товаропроизводителя электротехническим оборудованием и материалами, а также обеспечение надежного функционирования сельских
электроустановок [11-14].
При большом числе типоразмеров хозяйств и многообразии организационно-экономических форм хозяйствования система технического сервиса включает все операции и услуги от выпуска машины или оборудования до их списания, исходя из интересов производителей продукции. Поэтому целесообразным является разнообразие вариантов формирования непосредственных исполнителей технического сервиса сельских электроустановок. Кроме энергетических служб крупных сельскохозяйственных предприятий получат развитие такие формирования, как районные сервисные предприятия, центры технического сервиса, машинно-технологические станции. В этих условиях отрасль технического сервиса должна базироваться на четкой нормативной и правовой основе, учитывающей взаимный интерес и ответственность всех его участников. Это требует разработки блока нормативно-технической документации по нормативам безотказности, долговечности, ремонтопригодности, стратегиям обслуживания, организационно-экономическим отношениям, формированию оптимального парка электрооборудования. Решение этих задач в методическом плане должно базироваться на системном подходе, включающем в себя и организационный фактор при эксплуатации электрифицированных машин и оборудования. Основной целью технического сервиса является целенаправленная деятельность различных товаропроизводителей и предпринимателей, государственных, частных и кооперативных дилеров, электриков и снабженцев, имеющая своей целью получение наибольшего количества сельскохозяйственной продукции требуемого качества и наибольшей прибыли всеми участниками процесса. В осуществлении этой цели первостепенное значение имеет проблема повышения эффективности использования средств электрификации и автоматизации агропромышленного производства. Основным показателем эффективности использования этих технических средств являются эксплуатационная надежность электрооборудования и затраты трудовых, финансовых и материально-технических ресурсов на ее обеспечение.
ГОСТом 27.002-89 введен комплексный показатель надежности - коэффициент сохранения эффективности использования объекта по назначению за определенную продолжительность эксплуатации. Этот показатель характеризует степень влияния отказов на эффективность применения объекта по назначению. Однако для применения этого показателя должны быть определены его номинальные значения, вычисленные при условии, что отказы объекта в течение того же периода времени не возникают. При этом для каждого конкретного типа объектов содержание понятия эффективности и точный смысл показателя (показателей) эффективности должны определяться техническим заданием и вводиться в нормативно-техническую документацию.
При таком подходе к понятию надежности существенная роль в ее повышении отводится эксплуатационной службе, уровню ее организации поскольку эффективность использования объекта по назначению оценивается двумя взаимосвязанными показателями: числом отказов и длительностью простоев технологических процессов при восстановлении отказавшего электрооборудования.
Для практической реализации такого подхода должны быть продолжены работы по экономической оценке ущербов от отказов электрооборудования в новых организационно-экономических условиях с разработкой классификации технологических процессов по степени ответственности при отказах электрооборудования. Это дает возможность правильно устанавливать ответственность всех участников технического сервиса [1417].
Концепция энергетической политики в новых экономических условиях определяет рациональную систему эксплуатации как одно из главных средств использования огромного технологического потенциала энергосбережения. Необходимо ориентироваться главным образом на организационные и быстрореагируемые технические меры, в том числе на повышение качества эксплуатации энергохозяйства потребителей. Поэтому вопросы рациональной эксплуатации электрооборудования должны входить составной частью в программу работ по энергосбережению.
Создание эффективной системы эксплуатации электрооборудования в общей системе технического сервиса агропромышленного комплекса позволит обеспечить сельского товаропроизводителя надежным энергоснабжением, организовать высокопроизводительное использование электрифицированной техники, рационально расходовать электроэнергию. В настоящее время большинство сельских товаропроизводителей не имеют возможности своевременного проведения технического обслуживания и ремонта электрооборудования и его обновления. Отсутствует также надлежащий контроль за работой и состоянием электрифицированной техники. Опыт убедительно показал, что без устройства высококачественных защит автоматизированная электроустановка к эксплуатации не пригодна. По этим причинам наблюдается интенсивный износ и значительное возрастание числа отказов и аварийных выходов электрооборудования из строя.
Многоукладность сельскохозяйственного производства и неоднородность форм организации сельских товаропроизводителей при недостатке материальных средств на приобретение нового электротехнического оборудования и материалов, высоких тарифов на электроэнергию и недостатке квалифицированного электротехнического персонала требует разработки и внедрения новых методов и форм организации технического обслуживания и ремонта электрооборудования. Развитие научных исследований и разработок по созданию эффективной системы технического сервиса электрооборудования, адаптированной к изменяющимся условиям развития сельскохозяйственного производства обеспечивающей, повышение эксплуатационной надежности сельских электроустановок и создающей условия для энергоресурсосбережения, повышающей эффективность работы электрифицированного технологического оборудования и увеличение выпуска сельскохозяйственной продукции, является актуальной задачей, результаты решения которой необходимы развивающемуся отечественному сельскохтоваропроизводителю [18-21].
В работе представлены результаты исследований, проводимых с участием автора, при выполнении государственных и отраслевых научно- технических программ, планов и контрактов. Государственная научно- техническая программа 0.51.21 «Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства 1981-1985гг. и 1986-1990гг.»; Отраслевая научно-техническая программа О.сх 71 «Осуществить поиск и разработку высокоэффективных методов и средств рационального использования электроэнергии в сельскохозяйственном производстве и быту сельского населения 1986-1990гг.»; Государственные контракты с Минсельхозом РФ №148.21.2.26.2000 «Разработка нормативно- методических технологических основ интенсивного машинного производства продукции» - 2000 г. и № 1409/26 «Проведение исследований и разработка рекомендаций по выбору энергоносителей и ресурсосбережению в АПК» - 2002г.; Планы НЖЖР ВИЭСХ по программам фундаментальных и приоритетных прикладных исследований РАСХН (ВАСХНИЛ) - 19832007гг.
Цель работы. Повышение эксплуатационной надежности и эффективности работы сельских электроустановок.
Предмет исследования. Система электрооборудования сельскохозяйственных предприятий, взаимосвязи и закономерности параметров, обеспечивающих повышение эффективности использования сельских электроустановок.
Методика исследования. Системный подход к комплексу теоретических и экспериментальных данных в области использования электрифицированной техники в условиях сельского хозяйства, полученных при помощи методов математической статистики, теории вероятностей, теории массового обслуживания, математического моделирования, теоретических основ электротехники.
Научная новизна.
Разработаны математические модели оптимизации основных параметров различных стратегий технического обслуживания электрооборудования по критерию минимума средних эксплуатационных затрат с использованием информации о надежности и соотношении затрат на проведение профилактики и устранение отказов.
Исследованы зависимости средних эксплуатационных затрат от периодичности выполнения профилактических мероприятий, а также зависимости средних эксплуатационных затрат и среднего времени безотказной работы электрооборудования при возможных отклонениях от оптимальной периодичности.
Предложен графический метод определения оптимальной периодичности технического обслуживания электрооборудования на основании численного определения параметров и характеристик процесса восстановления.
Разработана математическая модель обоснования потребности электротехнических служб в невосстанавливаемых элементах при эксплуатации электроустановок по критерию достаточности при заданной степени риска для различных законов надежности.
Разработана математическая модель обоснования потребности в восстанавливаемых электротехнических изделиях на примере электродвигателей, с использованием в качестве критерия допускаемую по нормативам продолжительность простоев технологических процессов.
Получены аналитические зависимости и выявлены характерные эксплуатационные закономерности неполнофазных режимов работы асинхронных электродвигателей различных типоразмеров со схемами соединения обмоток «звезда» и «треугольник» при изменяющихся пусковых, рабочих и перегрузочных режимах, позволяющие повысить эффективность защит электродвигателей.
Предложены новые технические решения с разработкой экспериментальных и макетных образцов электрооборудования для реализации резонансных методов передачи и применения электрической энергии с обоснованием перспективных направлений их эффективного использования в сельскохозяйственном производстве. Новизна разработок защищена 12 патентами на изобретения.
Положения, выносимые на защиту
Математические модели и методики обоснования основных параметров различных стратегий технического обслуживания электрооборудования.
Методика и графический метод определения оптимальной периодичности технического обслуживания электрооборудования при различных законах надежности и соотношениях затрат на выполнение профилактических мероприятий и устранение возможных отказов электрооборудования.
Математические модели и методики обоснования потребности электротехнических служб в невосстанавливаемых и восстанавливаемых запасных электротехнических изделиях для технического обслуживания и ремонта сельских электроустановок.
Результаты исследования параметров аварийных режимов асинхронных электродвигателей при потере фазы в системе питания для совершенствования защит.
Новые технические решения по созданию электрооборудования для реализации резонансных методов передачи и применения электрической энергии в сельском хозяйстве.
Практическая ценность и реализация
1. Методические рекомендации и научно-технические материалы в количестве 6 наименований /1, 14, 23, 26, 49, 50/ по организации технического сервиса и повышения надежности и эффективности работы сельских электроустановок с примерами расчетов, в установленном порядке рассмотрены и утверждены Минсельхозом РФ и Россельхозакадемией, изданы и рекомендованы для практического применения инженерно- техническими работниками энергетических служб сельскохозяйственных предприятий, служб Агротехсервиса и другими специалистами.
Результаты научных исследований и разработок по совершенствованию системы эксплуатации электрооборудования в сельском хозяйстве приняты для использования в работе ОАО "Росагроснаб", ООО "Главэнергосбыт" и предприятием «Агропромэнерго» Верхне-Мамонского района Воронежской области, используются при обосновании дополнений и уточнений нормативов Системы ППРЭсх, а также в исходных требованиях на разработку технико-эксплуатационных показателей кормоприготовительной техники для личных подсобных хозяйств, утвержденных Госагропромом СССР.
Разработанная научно-техническая продукция используется в учебном процессе энергетического факультета МГАУ им. В.П. Горячкина. В библиотеку университета направлены Методические рекомендации /14, 23/ и монография /95/, указанные в списке опубликованных работ.
Новые технические решения на уровне изготовленных образцов электрооборудования для резонансных методов передачи и применения электрической энергии с перспективами использования их в производстве.
Экспериментальный образец оборудования для резонансного метода передачи электрической энергии по результатам испытаний на объекте КС-5, с комплектом техдокументации принят комиссией ООО "Сургутгазпром" для внедрения в производство.
Макетные образцы разработок с резонансной системой питания мобильных и стационарных потребителей неоднократно демонстрировались на выставках, конференциях, в докладах и отмечены медалью Лауреат ВВЦ в 1995г., Золотыми медалями и Дипломами 5-го и 6-го Московского международного салона инноваций и инвестиций ВВЦ в 2005 и 2006гг., Золотой и Серебряной медалями 10-го Международного салона промышленной собственности «АРХИМЕД-2007», Золотой медалью Выставки-демонстрации «День Российского поля», Дипломом с медалью 8-й специализированной выставки Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК в 2007г.
Внедрение разработок позволит снизить аварийность электроустановок в 1,5-2 раза, уменьшить эксплуатационные затраты и повысить эффективность работы электрооборудования.
Апробация результатов исследований. Выполненные по теме диссертации исследования и разработки в течение 1983-2007гг. доложены, обсуждены и одобрены на 35 Международных, Всесоюзных, Всероссийских, Республиканских и других научно-технических конференциях, симпозиумах, саммитах, семинарах, советах и совещаниях, проводимых в Москве, Санкт- Петербурге, Краснодаре, Тамбове, Кирове, Йошкар-Оле, Минске, Киеве, Алма-Ате, Севастополе, Харькове, Варшаве, Праге, Вене, Дели и других городах. Названия и время проведения конференций отражены в публикациях автора.
Анализ применения системы технического обслуживания и ремонта электрооборудования в сельском хозяйстве
Становление, развитие и совершенствование системы эксплуатации электрооборудования в сельском хозяйстве тесно связано с развитием сельской электрификации нашей страны от периода подъема, начиная с 1920- х до 1991 года, а затем резкого спада, продолжающегося до настоящего времени. Начальный уровень состояния электрификации производственных процессов сельского хозяйства во многом обуславливали чисто производственный, инструктивный характер решения всех вопросов эксплуатации, которые были представлены в виде инструкций по монтажу и эксплуатации электроустановок по применению электрической энергии в различных производственных процессах. Созданная в послевоенное время в ВИЭСХе лаборатория технической эксплуатации сельских электроустановок занималась вопросами эксплуатации малых дизельных и гидравлических электростанций и электрических сетей, которые состояли на балансе хозяйств. В 1949 г. ВИЭСХом были подготовлены, утверждены и изданы первые отечественные Правила технической эксплуатации сельских электроустановок, которые в последующие годы неоднократно дополнялись и уточнялись /14,16,22/.
Значительное расширение сельской энергетической базы началось с 1954 г., благодаря электрификации совхозов, колхозов и других сельскохозяйственных предприятий, в связи с отменой ограничений в подключении сельских потребителей к государственным энергоисточникам. За 1959-1965 гг. было построено 1,2 млн. км сельских линий электропередачи всех напряжений, а потребление электроэнергии сельским хозяйством в 1965 г. достигло 21,1 млрд. кВт-ч, из них на производственные нужды колхозы и совхозы использовали 62%, при более чем 2 млн. шт. установленных электродвигателей. Удельный вес электроэнергии, полученной сельским хозяйством от государственных энергосистем, достиг 72% от общего потребления. Важным результатом работы ВИЭСХ и других организаций явилась разработка и утверждение в 1965 г. "Положения о порядке и условиях отпуска электроэнергии совхозам и колхозам", в котором впервые была установлена категорийность сельскохозяйственных потребителей по требованиям к надежности электроснабжения.
Особенно быстрыми темпами сельская электрификация стала развиваться в 1965-1970 гг. , когда ежегодно сооружалось до 250 тыс. км воздушных линий электропередачи для подключения сельских потребителей к централизованным источникам электроснабжения, что позволило обеспечить электроэнергией 99% совхозов и колхозов России. Значительно возросла роль электрической энергии и электроустановок в отрасли с 1972 г., когда был взят курс на перевод производства сельскохозяйственной продукции на промышленную основу в условиях специализации и концентрации сельскохозяйственного производства на базе межхозяйственной кооперации, агропромышленной интеграции, строительства крупных животноводческих и растениеводческих комплексов. По насыщенности электрооборудованием современные крупные животноводческие комплексы и птицефабрики не уступают промышленным предприятиям. Например, свиноводческий комплекс на 24 тыс. голов имеет 700 электродвигателей с пускозащитной аппаратурой, свыше 40 км осветительных и силовых электропроводок, свыше 1300 светильников, 40 силовых сборок, 90 шкафов управления технологическими процессами с автоматикой, 34 станции управления установками "Климат-4" и другое электрооборудование. В отдельных крупных хозяйствах Московской обл., Краснодарского края и некоторых других количество электродвигателей достигало 1000 единиц/23-29/.
Высокие темпы электроснабжения сельского хозяйства от сетей Государственных энергосистем значительно расширили сферу применения электрической энергии для электромеханизации трудоемких процессов в животноводстве. Охват животноводческих и птицеводческих ферм комплексной электромеханизацией в 1990 г. достиг по молочным фермам - 85%, по свинофермам - 78%, а в птицеводстве - 90,5%. Быстрый рост насыщенности совхозов и колхозов разнообразным электрооборудованием, повышение требований промышленного животноводства к эффективности использования средств электрификации диктовали необходимость в развитии и совершенствовании организации эксплуатации электроустановок /30-34/.
До 1963 г. основные работы по электрификации сельского хозяйства и эксплуатации сельских электроустановок были связаны в основном с системой "Сельэлектро", Когда под предлогом осуществления единой технической политики в энергетике и электрификации страны система "Сельэлектро" была упразднена, с передачей её функций Государственному производственному комитету по энергетике и электрификации и Объединению "Сельхозтехника", а в Министерстве сельского хозяйства не стало центрального органа по руководству сельской электрификацией, который всегда представлял и отстаивал свои интересы как крупнейшего электропотребителя народного хозяйства страны.
Но уже в 1966 г. вышло постановление Правительства (в его подготовке принимал участие ВИЭСХ), в котором предусматривалось создание в системе сельского хозяйства стройной инженерной службы по электрификации в составе службы главного энергетика совхоза или колхоза, отделов или групп по применению электрической энергии в районных, областных и краевых управлениях сельского хозяйства. В центральном аппарате Министерства сельского хозяйства СССР было создано Управление по электрификации сельского хозяйства. В качестве первостепенной задачи, которая была поставлена перед перечисленными службами, была организация эффективной эксплуатации электроустановок, используемых в сельскохозяйственном производстве. С участием ВИЭСХ были разработаны и утверждены Министерством сельского хозяйства Положения, должностные обязанности, права и ответственность инженерно-технических работников: главного (старшего) инженера-электрика, инженера-электрика (старшего техника) и техника-электрика, а также Положение о группе по применению электрической энергии в райсельхозуправлениях.
Для определения необходимой численности электромонтеров при формировании энергетических служб ВИЭСХом была разработана Система условных единиц электрооборудования(переводных коэффициентов), учитывающая годовую трудоемкость обслуживания каждого вида электрооборудования в относительных единицах, которая была утверждена Комитетом по труду и заработной плате в 1967 г. и, затем, частично дополнена в 1970 г. Условные единицы использовались для планирования численности электромонтеров в хозяйствах, исходя из нормы 65-70 условных единиц на одного электромонтера, а также для установления квалификационного состава электромонтеров и оплаты их труда в зависимости от категории обслуживаемого ими участка. Несмотря на то, что условные единицы были составлены на основании экспертных оценок из-за отсутствия в то время научных проработок по этому вопросу и имели существенные недостатки, они сыграли положительную роль в развитии сельских энергетических служб /28, 35-41/.
Однако при утверждении в 1973 г. Типовых штатов и штатных нормативов инженерно-технических работников совхозов, Минсельхоз СССР разрешал иметь в штате совхозов, независимо от объема электрохозяйства, только одного специалиста-электрика, возглавляющего энергетическую службу, хотя к этому времени механическая, агрономическая, зоотехническая и экономическая службы хозяйств имели по нескольку специалистов. Типовые штаты и штатные нормативы рекомендовались также и колхозам. В результате этих необоснованных действий
электротехническая служба хозяйств оказалась единственной службой, не имеющей главного специалиста-энергетика, что стало сдерживающим фактором для внедрения эффективной системы эксплуатации электрооборудования и рационального использования электрической энергии в сельскохозяйственном производстве.
На основании разработок ВИЭСХ в 1977г. в эти нормативы были внесены изменения, которые позволили руководителям хозяйств формировать полноценные службы главного энергетика с необходимым штатом инженерно-технических работников, в зависимости от размера электрохозяйства в условных единицах и потребления электроэнергии на производственные нужды. Эти нормативы, сыгравшие большую положительную роль в формировании полноценных электротехнических служб, когда в крупных хозяйствах кроме главного энергетика работали ещё один или два инженера-электрика, действовали до 1991 г., а затем были уточнены и расширены с дополнением к службе главного энергетика объемов работ по техническому обслуживанию и ремонту теплотехнического оборудования, с введением должностей специалистов-теплотехников. Однако, при общем улучшении возможностей для формирования энергетических служб в хозяйствах, укомплектованность штатов энергетических служб оставалась крайне недостаточной и эта проблема оставалась нерешённой. Так в 1980 г. в совхозах и колхозах страны работало 75 тыс. электромонтеров, что составляло 55% от потребного количества. Крайне неудовлетворительно обстояло дело с укомплектованием служб инженерами-электриками, особенно дипломированными. Всего на инженерных должностях в сельском хозяйстве России работало около 13 тыс. человек (60% от реальной потребности), из них только 3,65 тыс. человек имели высшее образование. Вместе с этим, создаваемая с большим трудом инженерная служба по электрификации сельского хозяйства вскоре опять была частично сокращена, а в районном звене практически ликвидирована под предлогом экономии бюджетных средств. Не укомплектованность энергетических служб кадрами, отсутствие инженерной службы по внедрению электроэнергии на районном уровне значительно осложнили работу энергетических служб в хозяйствах. Это потребовало создания в районах и областях, а затем на республиканском уровне межхозяйственных производственно-эксплуатационных энергетических предприятий (объединений) "Сельхозэнерго" (в последствии "Агропромэнерго").
Обоснование периодичности технического обслуживания электрооборудования для различных стратегий обслуживания
В настоящее время в сельском хозяйстве страны эксплуатируется свыше 4 млн. электродвигателей, из них 56% в животноводстве, 28% в растениеводстве, 18% на других объектах сельскохозяйственного производства. До 70% электродвигателей задействованных в сельском хозяйстве должны иметь повышенную защищенность от воздействия окружающей среды. Этому требованию удовлетворяют электродвигатели сельскохозяйственного исполнения и частично общепромышленные двигатели серии 4А, АИ, 5 А, Д и 11А.
В сельском хозяйстве в большинстве применяются асинхронные электродвигатели серии 4 А (4АМ) и АИ (АИР, АИС), а также электродвигатели новых серий ЯА и 5А, реже 6А, имеющие улучшенные энергетические, пусковые, виброаккустические и габаритные показатели. Можно встретить также еще сохранившиеся асинхронные электродвигатели старых серий А2 и А02 (АОЛ2) и даже А и АО, которые были установлены в гаражах, мастерских, машинных дворах/22, 24, 28, 31, 35, 81-83/. Надежность электродвигателей характеризуется сроком службы, наработкой на отказ, годовым процентом выхода из строя. Основной причиной недостаточной надежности электродвигателей является неправильная эксплуатация, отсутствие необходимой защиты, качество изготовления, качество ремонта. За последнее время резко снижен и объем и качество капитального ремонта электродвигателей, требующего дорогостоящих эмаль - проводов, пропиточных материалов и высокой энергоемкости выжига и сушки, обмоток.
Электродвигатели единой серии АИ по сравнению с сериями 4А и 4АМ имеют ряд преимуществ: повышенные пусковые моменты, повышенные показатели надежности, увеличенный к.п.д., улучшенные виброакустические характеристики, снижение расхода активных материалов на 5-10%, снижение массы конструкционных материалов на 10-15%), а также общей массы электродвигателей.
Начиная с 1991 года большинство выпускаемых двигателей АИ уже не соответствуют высшему мировому техническому уровню, при этом производство многих габаритов серии АИ оказались за пределами России. В связи с этим оставшиеся в России электромашиностроительные заводы стали выпускать всю номенклатуру асинхронных двигателей, разработав соответственные серии.
В настоящее время электродвигатели мощностью 0,37-45кВт выпускают следующие заводы: ЭТЗ г. Лобня, Моск.обл., ЭМЗ г. Ярославль, Сибэлектромотор г. Тюмень, ЭТЗ г. Медногорск, ВЭМЗ г. Владимир, ЗВИ г. Москва, Электромашина г. Улан-Удэ, ЭМЗ п. Баранчинский Свердловской обл. и некоторые другие. В последние годы в России освоен выпуск новых серий асинхронных электродвигателей серий ЯА, 5А и 6А. Разработка асинхронных электродвигателей 4А, АИ, ЯА, 5А и 6А базировалась на отечественных стандартах и на рекомендациях Международной электротехнической комиссии (МЭК) /35, 83-89/.
В Российской серии ЯА продолжены усилия разработчиков по совершенствованию параметров имеющихся в предыдущих сериях 4А и АИ в соответствии требованиям МЭК. Асинхронные двигатели серии АИ (Асинхронные Интерэлектро) разработаны при угасании международной организации соцстран Интерэлектро. Электродвигатели серий А02 и А2 заменены сериями 4А, 4АМ (модернизированные), АИ (АИР, АИС) и ЯА и 5А. Асинхронные двигатели серии 5А выпускаются заводом ВЭМЗ (г. Владимир) и заводом ЗВИ (г. Москва). ЗВИ г. Москва выпускает также электродвигатели серии 6А мощностью 90-200 кВт.
У новых электродвигателей серии ЯА станины и щиты для высот оси вращения 71... 132 мм включительно - алюминиевые, для высот оси вращения более 132 мм - чугунные. Все станины имеют горизонтально- вертикальное оребрение, что увеличивает теплоотдачу двигателя. Кроме того, двигатели снабжены радиальными вентиляторами из пластмассы (для высоты оси вращения 132 мм) и алюминиевого сплава (для больших габаритов), работающими независимо от направления вращения. При изготовления станины применен новый алюминиевый сплав с высокими механическими свойствами.
Двигатели основного исполнения предназначены для эксплуатации при температуре от -35 до +40. Они могут работать без изменения номинальной мощности при отклонениях напряжения в сети ± 5% от номинального. По просьбе заказчика двигатели можно изготавливать для использования при отклонениях напряжения сети в пределах ± 10%, а предельная температура обмотки статора может быть увеличена на 10.
В соответствии с ГОСТ 28173 при номинальных напряжении и частоте двигатели допускают следующие перегрузки: 1,5 номинального тока в течение 2 мин., 1,6 номинального момента в течение 15 сек. Двигатели могут поставляться со встроенной температурной защитой.
Важная особенность для пользователей — применение конструкции станины со съемными лапами, которые можно фиксировать по четырем направлениям. Это сокращает запасы электродвигателей на складах у потребителя, так как можно несколько исполнений двигателей объединять в одной конструкции (фланцевое В5, на лапах ВЗ, на лапах с фланцем В35). Такая конструкция асинхронного двигателя позволяет быстро заменять поврежденную лапу новой, а в традиционных конструкциях с постоянно прилитыми лапами их поломка приводит к утрате всего двигателя. Съемные лапы позволяют также располагать клеммную коробку как сверху, так и справа или слева.
Для снижения механического шума и вибрации двигателя служат жесткие щиты (алюминиевые щиты армированы стальными втулками). Конструкция подшипникового узла предусматривает скользящую посадку наружного кольца подшипника в щит с аксиальным подпружиниванием. Подшипники имеют постоянно заложенную смазку. Для улучшения КПД, cos и получения высоких пусковых качеств в конструкции короткозамкнутого ротора применены чередующиеся пазы для высот оси вращения 160 мм и выше. Это позволило отказаться в новой серии RA от специальной модификации двигателей с повышенным пусковым моментом. В двигателях применена изоляция класса нагревостойкости F, степени защиты IP54 и IP55.Оптимальный срок службы электродвигателей складывается из двух частей: срока эксплуатации до капитального ремонта и после него. В связи с тем, что при смене обмотки электродвигателя во время его капитального ремонта ресурс обмотки не удается восстановить полностью (в лучшем случае он составляет 80% от первоначального), плановые периоды времени работы электродвигателя до капитального ремонта и после него не могут быть одинаковыми. Рекомендуется период времени работы электродвигателя до капитального ремонта принимать 6 лет, а после капитального ремонта до конца срока службы - 4 года. Такой ремонтный цикл в перспективе для электродвигателей общепромышленных исполнений заложен в системе ППРЭСХ. Для электродвигателей специальных исполнений ремонтный цикл увеличен (8 и 6 лет), исходя из того, что эти электродвигатели имеют расчетный срок службы выше общепромышленных.
Перечень предприятий АПК по ремонту электродвигателей представлены в табл. 1.2. Основные причины выхода из строя электрооборудования представлены в табл. 1.3.
Однако, в настоящее время такие ремонтные циклы в сельском хозяйстве пока не могут быть выдержаны по ряду объективных причин, о чем свидетельствуют обобщенные результаты многолетних исследований по надежности электродвигателей в условиях сельскохозяйственного производства. Исследованиями установлено, что потребность в капитальном ремонте электродвигателей определяется, в основном, их аварийными отказами. При этом время безотказной работы электродвигателей значительно меньше нормативного времени до капитального ремонта. Так фактическое время безотказной работы электродвигателей до первого капитального ремонта в животноводстве, где условия работы наиболее тяжелые, не превышает 3,5 лет, в растениеводстве - 4 года, в подсобных предприятиях - 5 лет. После проведения капитального ремонта время безотказной работы электродвигателей еще меньше - от нескольких часов до 1,5-3 лет. На основании выполненных исследований и разработок по совершенствованию электроприводов кормоприготовителтных дозирующих установок целесообразным является использование в отдельных случаях электромагнитных вибродвигателей, осуществляющих непосредственное преобразование электрической энергии в механическую энергию возвратно- поступательного движения, исключая промежуточные вращающиеся передачи, благодаря чему повышается надежность работы, снижаются энергозатраты и улучшается качество выполняемых технологических процессов/28, 35, 86-106/.
Разработать методику определения потребности в восстанавливаемых изделиях для эксплуатации электрооборудования
Системы и стратегии обслуживания электрооборудования В решении задач повышения эффективности использования электрооборудования в сельскохозяйственном производстве важное значение имеет обоснование заказчиком требований к надежности при разработке промышленностью новой электрифицированной техники в соответствии с ГОСТ 27.003-83, предусматривающего не только конструкционные и производственные требования, но и требования к эксплуатационным способам обеспечения надежности.
В настоящее время эксплуатация электрооборудования в отрасли регламентируется Системой планово-предупредительного ремонта и технического обслуживания (Системой ППРЭсх). Основным параметром этой системы является периодичность выполнения профилактических мероприятий (технического обслуживания, текущего и капитального ремонтов и др.), которая существенно влияет на эксплуатационную надежность электрооборудования и затраты ресурсов на ее обеспечение. Периодичность проведения профилактических мероприятий зависит от многих факторов, поэтому приведенные в Системе ППРЭсх периодичности носят усредненный характер, не учитывающие возможные отклонения от принятых средних условий. Здесь часто возникает необходимость в корректировке рекомендуемых периодичностей в ту или в другую сторону. Отсутствие соответствующих удобных в применении методических рекомендаций затрудняет решение этой задачи в условиях эксплуатации.
Обоснование и уточнение периодичности выполнения плановых профилактических мероприятий является весьма сложной технико- экономической вероятностной задачей. Поэтому разрабатываемая методика должна содержать как строгое решение этих задач, базирующихся на моделировании поведения электрооборудования при эксплуатации случайными процессами с использованием априорной информации о надежности изделий в виде функции распределения времени работы их до отказа, так и упрощенное с использованием соответствующих графиков. Важное значение при этом имеет обоснованное использование затрат на устранение отказов электрооборудования и выполнение профилактических мероприятий, а также характеристик надежности.
Принципиальным фактором при разработке методики технико- экономического обосновании периодичности профилактической замены электрооборудования до его отказа является характер проявления отказов. Система технического обслуживания и ремонта (ТО и Р) техники включает комплекс взаимосвязанных положений и норм, определяющих организацию и порядок проведения ТО и Р для заданных условий эксплуатации с целью обеспечения показателей качества, предусмотренных нормативно- технической (проектной) документацией. Система ТО и Р включает в себя документацию, технические средства, исполнителей, материалы, заготовки, запасные части и элементы и др. Важной составной частью системы ТО и Р являются стратегии обслуживания, устанавливающие правила назначения и проведения профилактических мероприятий /28, 147-154/.
Применительно к изделиям с явными отказами известны три стратегии обслуживания: послеотказовая или вынужденная, планово- предупредительная стратегия обслуживания строго по расписанию (без учета возраста изделия) и планово-предупредительная стратегия обслуживании по наработке (с учетом возраста).
При эксплуатации электрооборудования по послеотказовой стратегии никакие профилактические мероприятия не проводятся. Эксплуатация в этом случае сводится к замене или ремонту отказавшего оборудования. Такая стратегия обслуживания может быть оправдана лишь при эксплуатации простейшего, относительно надежного электрооборудования, установленного на неответственном технологическом оборудовании (при отказе ущерб минимальный), при квалифицированном персонале. Стратегия обслуживания строго по расписанию состоит в том, что через определенные периоды времени (в календарном исчислении) происходит принудительное обслуживание изделия независимо от его технического состояния и возраста т.е. продолжительности работы после восстановления при отказе. Выбором соответствующего периода проведения принудительного профилактического мероприятия достигается повышение эксплуатационной надежности электрооборудования и снижение затрат на его эксплуатацию. Эта стратегия очень эффективна в части упрощения планирования работ по обслуживанию электрооборудования. Недостатком этой стратегии являются повышенные затраты на проведение профилактического мероприятия из-за того, что в этом случае происходит более частое «обслуживание» относительно еще новых изделий, а также из- за возможных ненужных разборок и сборок еще исправных элементов.
При планово-предупредительной стратегии обслуживания по наработке (с учетом возраста) проведение восстановительных мероприятий осуществляется либо в заранее запланированный момент времени с заданной периодичностью, либо в случае отказа, если он произошел раньше этого момента. При этой стратегии профилактические мероприятия осуществляются также с постоянной периодичностью, но отсчет времени осуществляется заново от проведенного мероприятия (аварийного или профилактического). Из-за этого моменты проведения плановых профилактических мероприятий являются заранее неизвестными (случайными). Поэтому эта стратегия в организационном плане является более сложной. Недостатком является и то, что требуется учет наработки изделий. Однако эта стратегия выгодно отличается от предыдущей стратегии тем, что исключается возможность замены почти «новых» изделий.
Изложенные выше достоинства и недостатки упомянутых стратегий обслуживания носят качественный характер. Более строгое определение эффективности использования той или другой стратегии рассматривается ниже после определения оптимальных затрат на эксплуатацию при различных стратегиях обслуживания.
Важным фактором, влияющим на эффективность планово- предупредительного принципа выполнении профилактических мероприятий при эксплуатации электрооборудования, является глубина восстановления, которая характеризуется степенью «обновления» (возвращение в исходное состояние) устройства после проведения профилактического мероприятия и устранения отказа. Наибольшую эффективность в части повышения эксплуатационной надежности обеспечивают мероприятия, полностью обновляющие (возвращающие в исходное состояние) устройство, что имеет место при обслуживании устройства как единого нераздельного целого и замене изделия, как при проведении планового профилактического мероприятия, так и при устранении его отказа новым или качественно отремонтированным. В частности это имеет место при блочном монтаже сложных электроустановок и высококачественном выполнении ремонта на пункте технического обслуживании или в ремонтной мастерской. С точки зрения разработки методики это означает, что замена электрооборудования при проведении профилактического мероприятия и отказе должна осуществляться аналогичным с точки зрения характеристик надежности. Снятое в результате профилактического мероприятия еще работоспособное электрооборудование после ремонтно-восстановительных работ может использоваться даже в случае неполного восстановления его ресурса.
В разрабатываемой методике предполагается, что замена отказавшего электрооборудования и профилактическая замена осуществляется с ресурсом, равным в момент начала эксплуатации. Такое допущение существенно упрощает решение задачи при незначительной погрешности.
В процессе эксплуатации электрооборудования под воздействием многих случайных факторов и в результате вмешательства человека в нем происходят внутренние изменения, вследствие которых случайным образом изменяется со временем состояние электрооборудования, при этом в каждом состоянии либо что-то приобретается, либо что-то теряется, поэтому задача технического обслуживания может быть сформулирована как задача управления некоторым случайным процессом, описывающим эволюцию объекта во времени. Так как вмешательство человека в работу объекта осуществляется в некоторые дискретные моменты времени, то можно говорить о дискретном управлении. При этом в качестве одной из возможных управляемых переменных является периодичность обслуживания (в нашем случае периодичность профилактической замены).
Расчет параметров асинхронных двигателей малой мощности при обрыве фазы
Обрыв фазы питающей сети трехфазного асинхронного электродвигателя (АД) в зависимости от характера и величины нагрузки на валу, параметров его схемы замещения приводит либо к недопустимым перегрузкам двигателя, либо к работе с низкими энергетическими показателями (коэффициент мощности, КПД, потери электроэнергии и др.) как самого двигателя, так и системы электроснабжения из-за несимметричности напряжения на зажимах двигателя. Поэтому предотвращение таких аварийных режимов тесно связано с проблемой энергосбережения и необходимостью точного определения параметров АД при возникновении этого аварийного режима.
Нами была рассмотрена методика расчета токов, напряжений и других параметров АД при обрыве фазы для случая, когда можно пренебречь активным сопротивлением обмотки статора, что справедливо для двигателей относительно большой мощности (более 10 кВт), имеющих небольшие значения номинального скольжения /191-196/.
Однако в сельском хозяйстве наибольшее распространение имеют АД мощностью 1,5...4 кВт. Такие двигатели имеют большой ток холостого хода, повышенное значение номинального скольжения, большое активное сопротивление обмотки статора, пренебрежение которым приводит к существенным погрешностям. Поэтому ниже приводятся общие результаты исследований рассматриваемого аварийного режима с учетом активного сопротивления обмотки статора.
Исходя из уточненного уравнения естественной механической характеристики, получено выражение для определения скольжения при трехфазном питании АД и различной его загрузке из которого следует, что скольжение зависит от величины критического скольжения и момента, вида механической характеристики рабочей машины и параметров схемы замещения /180/.
При обрыве фазы и работе двигателя с нагрузкой, соответствующей моменту сопротивления рабочей машины, происходит увеличение скольжения, а критический момент и критическое скольжение снижаются. По данным Сыромятникова И.А. снижение критического момента и критического скольжения при относительно больших номинальных мощностях двигателей (более 10 кВт), которые, как правило, имеют небольшие номинальные скольжения (0,013...0,018) и малое активное сопротивление обмотки статора, можно принимать в два раза. Если при обрыве фазы принять неизменными параметры схемы замещения двигателя, то снижение критического момента и критического скольжения применительно к двигателям небольшой мощности (до 10 кВт) с большим номинальным скольжением (0,06...0,08) можно учитывать с помощью соответствующих коэффициентов: где М к]), М[}) - критический момент АД при обрыве фазы и трехфазном режиме работы соответственно, 5ка), Б - критическое скольжение АД при обрыве фазы и трехфазном режиме работы, соответственно. В этом случае выражение для относительного увеличения скольжения двигателя, работающего с нагрузкой т 1, остающейся неизменной при обрыве фазы принимает вид /193/: МкВ А+ \М1В2-2тМкАВ + т2Аг 1 т Ы1С2-2тукАС + тгАг - (4-23) т 53) т т а. К где С = 1 + а!А; А = - В = 1 + А; Л, - активное сопротивление обмоток Я2 статора АД; - приведенное к обмотке статора активное сопротивление ротора; - кратность критического момента, , скольжение АД М„ при обрыве фазы и трехфазном режиме работы, соответственно. Коэффициент а3, характеризующий степень снижения критического скольжения при обрыве фазы, найдем через отношение критических моментов при однофазном (А/ ) и трехфазном (М[3)) питании. Значение критического момента при трехфазном питании определяется по выражению где иф - фазное напряжение сети; соа - синхронная угловая скорость поля статора; Х[,Х"2 - индуктивные сопротивление обмотки статора и приведенное ротора, соответственно, а при обрыве фазы - из упрощенной эквивалентной схемы замещения однофазного двигателя, представляющей его эквивалентным двум составляющим трехфазным двигателям, работающим на один вал, с последовательным соединением статорных обмоток при различном чередовании фаз. В этом случае однофазный двигатель можно рассматривать как трехфазный, у которого активное и индуктивное сопротивление одной фазы равны + и2{х[ + х 2), соответственно, и критический момент двигателя равен Рассмотрим пример определения параметров АД при учете активного сопротивления обмотки статора для асинхронного электродвигателя 4АА63В4 с паспортными данными: Р2н = 0,37кВт, IH = 1,2А, UH = 380/ 2205,7]н = 0,68, Cos p„ = 0,69, S, =0,09, S, =0,48, я =2,2, k, = 4 и параметрами схемы замещения: 7?; = Ъ\,Юм, Х[ = 15,Юм, R, = 25,70м, = 330« .
При подстановке в формулу (4.26) значений активных и реактивных сопротивлений получим ам = 0,454.
Таким образом, для двигателей малой мощности, имеющих большое активное сопротивление обмотки статора при работе с номинальной нагрузкой, остающейся неизменной и при обрыве фазы, (q=0) критический момент и критическое скольжение снижаются в 2,2 раза, а не в 2 раза, как у двигателей большой мощности при пренебрежении активным сопротивлением обмотки статора. При этом относительное увеличение скольжения двигателя при обрыве фазы, вычисленное по выражению (4.23), составит 2,56. Результаты расчета параметров при обрыве фазы и различной загрузке для двигателя 4АА63В4 представлены в табл. 4.7 при использовании соотношений, приведенных в /185/.
Из приведенных данных видно, что характеристики аварийного режима двигателя, связанного с обрывом фазы при нагрузке, остающейся неизменной после обрыва фазы, существенно отличаются от полученных ранее /196/ применительно к электродвигателям повышенной мощности. Так, у рассматриваемого двигателя перегрузка по току возникает при 25% нагрузке, в то время как у двигателей большой мощности, для которых допустимо пренебрежение активным сопротивлением обмотки статора, при 50% нагрузке.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что условия работы АД при обрыве фазы тем хуже, чем меньше номинальная мощность и синхронная частота вращения. Это объясняется тем, что такие двигатели имеют большие значения тока холостого хода. Так у рассмотренного двигателя ток холостого хода составляет более 67% от номинального. При обрыве фазы он возрастает почти в 7з раз.
Известно, что двигатели малой мощности находят широкое применение в системах микроклимата животноводческих и птицеводческих помещений для привода осевых вентиляторов, момент сопротивления которых пропорционален квадрату частоты вращения. Поэтому при обрыве фазы происходит снижение момента сопротивления вентилятора, и, на первый взгляд, создается более облегченный аварийный режим. Определим параметры такого режима. (3) С этой целью представим механическую характеристику АД в пределах изменения скольжения 0... линейной, то есть при работе на естественной характеристике: М
