Введение к работе
Актуальность проблемы. Рост эффективности производства связан с развитием и совершенствованием электропривода, который является главным потребителем электроэнергии в промышленности. В настоящее время он потребляет около 60% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Такое соотношение в электропотреблении, по прогнозам Института экономики Российской академии наук, сохранится и в будущем. Динамика потребления электроэнергии рядом отраслей промышленности приводится в научной и учебной литературе, а структура ее потребления базовыми отраслями машиностроения отражена в отчетах Госкомстата РФ. Стоимость собственно электрического хозяйства промышленных предприятий составляет 6 — 11% (включая сооружения), а по отдельным объектам электроемких предприятий достигает 50%. Однако предприятиям не всегда удается эффективно использовать электроэнергию, велики ее потери. Поэтому вопросам правильного формирования электрического хозяйства, с учетом специфики его эксплуатации, уделяется особое внимание.
На долю электроприводов приходится основная часть общих потерь электроэнергии в системе электроснабжения промышленных предприятий. Для современных крупных промышленных предприятий потери электроэнергии в электроприводе могут достигать 75% суммарных потерь в системе их электроснабжения. Поэтому вопросы эффективного использования электроприводов Имеют важное народнохозяйственное значение.
. Разнообразие технологических требований к характеру и качеству механического движения предопределяет многообразие электроприводов по исполнению, принципу действия, роду тока, мощности, частоте вращения, точности и разнообразию пространственного движения. Подавляющее большинство современных технологических и производственных механизмов во всех отраслях народного хозяйства предъявляют к электроприводу ограниченные требования по диапазонам регулирования координат и качеству управления движением или вовсе не имеют такого. Мощность таких электроприводов от долей единиц до десятков киловатт, а число таких приводов - миллионы.
Из всей электроэнергии, потребляемой электроприводом, приблизительно 90% приходится на простейший массовый нерегулируемый электропривод и 10% - на регулируемый.
В соответствии с существующей в РФ статистической отчетностью учет производства электродвигателей, входящих в состав регулируемых и нерегулируемых электроприводов, осуществляется по двум группам их номинальной мощности (мощностью до 100 кВт и выше). В соответствии с этой отчетностью электродвигателей мощностью до 100 кВт промышленностью выпускается в количественном выражении около 95% и лишь около 5% -выше 100 кВт.
Электропривод, являясь продукцией машиностроения и входя в состав другой продукции различных отраслей промышленности, способствует повышению технической базы самого машиностроения.
Электропривод, проходя последовательно этапы проектирования, изготовления, обращения и эксплуатации, потребляет все виды ресурсов (материальные, финансовые и трудовые). Особенно велико потребление этих ресурсов при эксплуатации.
Все отмеченные обстоятельства предполагают необходимость правильного выбора электроприводов с позиций служб предприятия, ответственных за их эксплуатацию, из нескольких возможных альтернатив для конкретных производственных механизмов.
На первых этапах исторического развития электропривода его выбор осуществлялся на основании различных технических критериев. Далее, по мере развития промышленности, выбор электропривода потребовал и экономических оценок. Ведущие организации - разработчики электроприводов и электрооборудования, его образующего (ОАО Электропривод - г. Москва; электромеханические - города Екатеринбург и Харьков; преобразователей -города Запорожье и Саранск и др.) - разрабатывают методики оценки эффективности технических решений в этой области науки и техники. Конкурентоспособность крупносерийной и массовой продукции была повышена.
На этих исторических этапах в роли заказчика, исполнителя и распределителя ресурсов, потребляемых электроприводом, выступало одно лицо -государство.
Принципиально иная ситуация (третий этап) возникает в связи с устанавливаемыми рыночными отношениями между производителями, потребителями электроприводов и распорядителями ресурсов, потребляемых ими при изготовлении и эксплуатации. Потребитель (заказчик) становится заинтересованным лицом не только в правильном, технически обоснованном выборе электропривода, но и в рационально потребляемых им всех видов ресурсов. В результате проводимой экспертизы заказчик имеет реальную воз-
можность потребовать различных технических и организационных изменений, обеспечивающих уменьшение затрат на проектирование, изготовление и, что особенно важно, на эксплуатацию электропривода. Именно в процессе эксплуатации электроприводы потребляют наибольшее количество различных видов ресурсов, стоимости которых в рыночных условиях весьма резко и часто изменяются. Кроме того, предприятия, эксплуатирующие электроприводы, стали оценивать и экологические последствия их использования.
Исследования генеральных и ремонтных совокупностей электроприводов промышленных предприятий, проведенные под руководством автора диссертации, показали, что предприятия имеют большой удельный вес электроприводов, многократно подвергавшихся капитальному ремонту, срок эксплуатации которых превышает 30 лет. Это обусловливает повышенный расход всех видов ресурсов.
Современные условия приводят к интенсификации взаимодействий технических, экономических и экологических показателей электроприводов. В этой связи проблема выбора оптимального варианта электропривода требует учета множества альтернатив. Критериальной основой выбора в этом случае является комплекс показателей, приводящих к минимизации потребляемых электроприводом ресурсов.
В связи с изложенным развитие научно-методических основ выбора эффективных электроприводов из возможных альтернатив является актуальной научной проблемой, имеющей важное социальное и хозяйственное значение.
Связь темы диссертации с государственными научными программами.
Работа выполнялась в рамках отраслевых и межотраслевых целевых программ, связанных с повышением эффективности использования электрооборудования и электроэнергии: „Энергосбережение" (секции №6 и №10 направления №146 и секция №7 направления №45 - приказ №25 от 19. 01. 93 Министерство науки, высшей школы и технической политики РФ); „Энергосбережение России" (тема 1.3 целевой программы „Топливо и энергия" - приказ №14-36-04 от 7. 02. 94 Госкомвуз РФ); Межвузовской научно-технической программы „Новые методы и средства экономии ресурсов и экологические проблемы энергетики" (задания 3.1.01 и 3.1.02 - 1991 г. и задание 1.2.6 - 1993 - 96 гг.); а также в рамках Российско-Норвежского межправительственного соглашения и проекта Европейской комиссии ООН „Энергоэффективность - 2000".
Целью работы является установление закономерностей и зависимостей функционирования электроприводов промышленных предприятий с учетом динамики их комплексных показателей технического уровня, направленных на повышение эффективности злектротехническихікомплексов.
Идея работы состоит в применении комплексных показателей, учитывающих условия и режимы работы и наличие потребляемых ресурсов электроприводами.
Основные научные положения, выносимые на защиту разработанные лично соискателем.
1. Метод формирования моделей эффективности электротехнических комплексов и систем, основанный на системном подходе, учитывающий как функциональные связи показателей электроприводов, так и вероятностные условия их работы, позволяющие осуществить моделирование показателей эффективности;
. 2. Метод приведения показателей технического уровня альтернативных электроприводов к сопоставимому виду, обеспечивающий объективность выбора;
-
Математические модели эксплуатационных затрат, связанные с ремонтами общепромышленных электроприводов, отражающие факторные и временные аспекты их формирования, использование которых позволяет прогнозировать и снижать этот вид затрат;
-
Методы построения областей эффективности вариантов электропривода, учитывающие условия и режимы работы, потребляемые ресурсы, технические, экономические и технологические показатели электротехнических комплексов и систем;
-
Метод и способы управления видовой структурой генеральной совокупности электроприводов предприятия, основанные на перераспределении их видов при неизменной общей численности электроприводов и обеспечивающие уменьшение трудоемкости ремонтных работ.
Достоверность научных выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждается: значительным и достоверно представленным объемом статистических данных исследований; широким охватом типичных условий работы электроприводов по предприятиям различных отраслей промышленности и регионов РФ; удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и расчетов оценок эффективности электроприводов с данными предприятий (расхождения результатов не превышает 12% при доверительной вероятности 0,95); корректным применением методов теоретиче-
ских основ электротехники, основ электроснабжения и математического моделирования электромеханических систем.
Научная новизна результатов исследований заключается:
в разработке математических моделей общепромышленных электроприводов для исследований их эффективности, учитывающих условия и режимы работы и потребляемые ресурсы;
разработке метода приведения показателей альтернативных электроприводов к сопоставимому виду по уровню потребляемой реактивной мощности и надежности, производительности электротехнических комплексов, социально значимым и другим факторам;
разработке метода построения областей эффективности альтернативных электроприводов и, в частности, в рамках одной системы электропривода - законов управления преобразователем;
установлении закономерностей видовых распределений характеристик электроприводов предприятий различных отраслей промышленности;
разработке программного комплекса оценки и анализа эффективности общепромышленных электроприводов, учитывающего условия и режимы их работы, а также условия работы предприятия, где установлены эти электроприводы;
создании информационной базы для решения задач обеспечения . эффективности функционирования электроприводов предприятия, учитывающей вариации условий работы.
Научное значение работы состоит: в разработке математических моде
лей повышения эффективности общепромышленных электроприводов на
стадиях жизненного цикла - разработка, изготовление, эксплуатация и ути
лизация; разработке моделей оценки эффективности функционирования
электроприводов на стадии их выбора из возможных альтернатив; разработ
ке метода проверки „чувствительности" показателей эффективности элек
троприводов к изменениям технических и экономических параметров, усло
вий и режимов его работы; разработке методов построения областей эффек
тивности альтернативных общепромышленных электроприводов; разработке
способов управления видовой структурой генеральной совокупности элек
троприводов промышленного предприятия. ' .-.'
Практическое значение работы заключается: в применении результатов исследований в качестве методик, способов и мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности эксплуатации электротехнических комплексов и систем, где устанавливаются электроприводы; в возможности опера-
тивно учитывать изменения условий работы предприятия, влияющих на эффективность электроприводов; в создании внекаталожной базы данных по эксплуатируемым электроприводам, позволяющей объективно оценить эффективность электроприводов; в возможности производить обоснование, анализ и выбор из альтернатив наиболее рационального электропривода и обосновывать возможную степень снижения затрат на самой длительной стадии жизненного цикла электропривода - эксплуатация и утилизация. Результаты оценок эффективности могут быть использованы при составлении соответствующих разделов бизнес-планов и при проведении энергоаудита.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы:
в ОАО Теплообменник: модели трудоемкостей выполняемых работ - в электроремонтном производстве; метод анализа видовой структуры электроприводов предприятия - в плановой службе; метод формирования областей эффективности эксплуатируемых и предназначенных к установке электроприводов; модели оценки надежности и ее отдельных свойств;
в ОАО НИПТИЭМ: модели оценки эффективности электроприводов при процедуре выбора из возможных альтернатив на основе наиболее массовых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором общепромышленного назначения;
в ОАО„ГАЗ": методы построения областей эффективности; определения и прогнозирования затрат, связанных с потерями электроэнергии; прогнозирования показателей надежности и затрат, обусловленных ее повышением;
в АООТ НАЗ „Сокол": методика анализа совокупности электродвигателей и силовых преобразователей;
в областном центре охраны труда и социального партнерства при департаменте администрации Нижегородской области: модели оценки величины акустического шума электроприводов и ущерба от него при проведении аттестации рабочих мест по условиям труда.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе НГТУ и других учебных заведениях при чтении лекций и выполнении курсовых и дипломных работ по направлению 551300 - „Электротехника, электромеханика и электротехнологии", в том числе и по специальности 18.04 - „Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов".
Пакет прикладных компьютерных программ, содержащий все разработанные модели и способы оценки эффективности наиболее массовых общепромышленных электроприводов по комплексу показателей, имеющий практическое использование в проектных организациях и промышленных предприятиях, передан: ОАО Теплообменник; ОАО „ГАЗ"; ОАО „Выксунский металлургический завод"; АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ.
Использование результатов исследований и разработок в проектной практике, промышленности и учебном процессе подтверждены соответствующими документами, приводимыми в приложении.
Апробация работы.Отдельные положения и разделы диссертационной работы докладывались и обсуждались с 1981 г. более чем на 40-а конференциях, научно-технических совещаниях и семинарах в Москве, Санкт-Петербурге, Одессе, Кишиневе, Луганске, Харькове, Екатеринбурге, Смоленске, Владимире, Абакане, Кутаиси, Кирове, Тольятти, Н. Новгороде.
Публикации. По теме диссертационных исследований автором опубликовано более 100 печатных работ. Основное содержание исследований отражено в 48 публикациях, в том числе монографии, методических материалах, статьях, тезисах докладов на конференциях. Оформлены авторские права на программный продукт для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения, содержит 64 рисунка, 49 таблиц, список использованных источников из 243 наименований.
Автор выражает глубокую признательность проф., докт. техн. наук СВ. Хватову за научные консультации и методическую помощь при подготовке диссертации.
