Разработка автоматизированной системы управления параметрами электропитания асинхронных двигателей вакуумно-плазменных установок с целью уменьшения их энергопотребления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Шумихина, Екатерина Михайловна

• Шумихина, Екатерина Михайловна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шумихина, Екатерина Михайловна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ В

МАШИНОСТРОЕНИИ.

1.1 Повышение энергоэффективности — одна из важнейших задач современного машиностроения.

1.2 Методы, применяемые для снижения энергопотребления в машиностроении.

1.3 Анализ методов снижения энергопотребления в машиностроении.1.

1.4 Постановка задачи.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СОЗДАНИЯ НИЗКОГО И СРЕДНЕГО ВАКУУМА В УСТАНОВКАХ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ.

2.1 Анализ работы форвакуумного насоса установки вакуумно-плазменного нанесения покрытий.

2.2 Расчет режимов работы и выбор типа двигателя для форвакуумного насоса.

2.3 Анализ циклограмм при создании вакуума в технологических процессах вакуумно-плазменного нанесения покрытий.

2.4 Анализ потерь и к.п.д. электродвигателя форвакуумного насоса установки вакуумно-плазменного нанесения покрытий.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ПОСРЕДСТВОМ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ НАСОСА,.

3.1 Обоснование выбора метода управления параметрами электропитания асинхронного двигателя с целью повышения его энергоэффективности.

3.2 Проектирование и создание экспериментального стенда для исследования характеристик двигателя насоса при управлении амплитудой его питающего напряжения.

3.3 Проектирование и создание экспериментального стенда для исследования характеристик двигателя насоса при управлении частотой его питающего'напряжения:.

3:4 Разработка методики экспериментальных исследований энергетических и технологических; характеристик двигателях насоса: при управлении параметрами его питающего напряжениях.—

3.5 Описание компьютерной программы для сбора и визуализации экспериментальных данных Ь-ОгарЬ.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА И АЛГОРИТМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СОЗДАНИЯ ВАКУУМА В УСТАНОВКАХ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ.

4.1 Экспериментальные исследования зависимости энергопотребления и производительности электродвигателя насоса от амплитуды питающего напряжения.

4.2 Экспериментальные исследования зависимости энергопотребления и производительности электродвигателя насоса от частоты питающего напряжения.

4.3 Анализ результатов экспериментальных исследований.

4.4 Разработка алгоритма автоматизированного управления параметрами питающего напряжения форвакуумного насоса.

4.5 Расчет экономической эффективности применения метода амплитудно-частотного управления параметрами питающего напряжения форвакуумных насосов установок вакуумно-плазменного нанесения покрытий.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка автоматизированной системы управления параметрами электропитания асинхронных двигателей вакуумно-плазменных установок с целью уменьшения их энергопотребления»

Актуальность

Автоматизация - одно из важнейших и наиболее перспективных средств повышения качества,и эффективности технологических процессов»и производств. Одним из основных показателей качества машиностроительных технологических процессов является их энергоэффективность. Это обусловлено следующими соображениями. Существенную часть (свыше 25%) общего потенциала экономии энергоресурсов, как в России, так и в мире составляет экономия электроэнергии. Неэффективное расходование энергоресурсов проявляется во всех составляющих жизнедеятельности человека: от бытовых приборов и освещения до сложнейших производственных комплексов и электростанций. 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. Так, в настоящий^ момент в России возможности энергосбережения укрупнено оценивается»в 200 - 220 млрд. кВт*час/год. 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 современном высокотехнологичном машиностроении все большее место занимают процессы увеличения стойкости, надежности и производительности формообразующего инструмента, путем нанесения специальных покрытий, что обеспечивает создание на рабочих поверхностях инструмента необходимого комплекса свойств с сохранением исходных характеристик в объеме инструментального материала. Одним из наиболее эффективных и производительных методов упрочнения инструмента 5 является получение пленочных покрытий путем распыления в плазме инертных газов материала мишени при подаче на нее отрицательного электрического потенциала (вакуумно-плазменного нанесения покрытий). В этой связи задача снижения потребления электроэнергии при реализации технологических процессов вакуумно-плазменного нанесения покрытий имеет существенное значение с точки зрения повышения энергоэффективности машиностроительных производств.

Целью настоящей работы является уменьшение энергопотребления асинхронных двигателей вакуумно-плазменных установок посредством автоматизированного управления параметрами их электропитания.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Проанализировать графики распределения нагрузки при работе форвакуумного насоса установки вакуумно-плазменного нанесения покрытий.

2'. Исследовать взаимосвязи- режимов - нагрузки форвакуумного ^ насоса И' величины его, энергопотребления в, процессе создания вакуума.

3. Произвести моделирование характера функционирования электродвигателя форвакуумного насоса, при амплитудно-частотном управлении его питающим напряжением.

4. Разработать алгоритм и методику автоматизированного управления параметрами питающего напряжения форвакуумного насоса.

5. Разработать и исследовать экспериментальную установку для автоматизированного управления энергопотреблением установок вакуумно-плазменного нанесения покрытий.

Методы исследования

При исследовании применялись основные положения теории автоматического управления, технологии машиностроения, теории 6 инструментальной обработки, теоретической электротехники, математической статистики и теории эксперимента.

Научная новизна работы заключается в: установлении взаимосвязей между распределением нагрузки на турбину насоса при создании вакуума в камере нанесения покрытий и энергопотреблением электродвигателя форвакуумного насоса; разработке функциональных моделей, особенностью которых является описание процесса функционирования асинхронных двигателей при амплитудно-частотном управлении параметрами их электропитания; разработке метода повышения энергоэффективности посредством управления параметрами электропитания форвакуумного насоса установки вакуумно-плазменного нанесения,покрытий; разработке алгоритма автоматизированного управления потреблением электрической» энергии для технологического, процесса создания низкого и среднего,вакуума в установках вакуумно-плазменного нанесения покрытий.

Практическая'ценность работы заключается в разработке методики' уменьшения- энергопотребления, и, как следствие, повышении конкурентоспособности технологических процессов создания вакуума в установках вакуумно-плазменного нанесения покрытий.

Реализация работы

Результаты работы были использованы при создании экспериментальной установки для автоматизированного управления энергопотреблением процессов вакуумно-плазменного нанесения покрытий в рамках исследовательской деятельности научно-образовательного центра «Энергосбережение в промышленности» ГОУ ВПО МГТУ «Станкин».

Апробация работы

- Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. заседаниях кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» ГОУ ВПО МГТУ «Станкин»;

2. конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России - 2010» , МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, сентябрь 2010г.;

3. XIX международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации»;

4. II всероссийском конкурсе молодых ученых имени академика В.П. Макеева, г. Миасс, сентябрь 2010 г.;

5. международной конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения - 2010», г. Севастополь, Украина

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе в журналах из перечня ВАК - 3.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, изложена на 103 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 16 таблиц, список литературы включает в себя 89 наименований.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Шумихина, Екатерина Михайловна

7. Результаты работы могут быть использованы на машиностроительных предприятиях, реализующих технологии нанесения упрочняющих покрытий, а также в учебном процессе по направлениям «Автоматизация технологических процессов и производств», «Машиностроение».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шумихина, Екатерина Михайловна, 2010 год

1. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Высш. шк., 1989. - 326 е.: ил.

2. Андреев A.A., Григорьев С.Н., Саблев Л.П., Шулаев В:М. Вакуумно-дуговые устройства и покрытия. Монография. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2005.-236 с.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. Т.1. изд. перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. М. Машиностроение, 2001.-920 е.: ил.

4. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. Т.2. изд. перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. М. — Машиностроение, 2001.-912 е.: ил.

5. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. Т.З: изд. перераб. и доп. Под ред: И.Н. Жестковой. М. Машиностроение, 2001.-864 с:: ил.6. • Артемов А.И. Электроснабжение' цеха промышленного предприятия. -М::, МЭИ, 1990.

6. Ачеркан Н.С. и др.* Металлорежущие станки. Учебное пособие для машиностроительных вузов М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1957. - 1015 е.: ил.

7. Баграмов Л.Г., Колокатов A.M. Расчет режимов, резания при фрезеровании. Методические рекомендации по? курсу «Технологии' конструкционных материалов» М.: МГАУ им. В.П. Горячкина, 2000. - 40 с.

8. Байкалова В.Н., Колокатов A.M., Малинина И.Д. Расчет режимов резания при точении / Методические рекомендации. — М.: 2000. 38 — 38 е.: ил.

9. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения — М., «Машиностроение», 1969. — 358 с.

10. Белов М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов-и технологических комплексов. М.: ИЦ «Академия», 2004, 576 с.

11. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. -М.: Наука, 1974.

12. Варнавский В.П., Колесников А.И. Энергоаудит промышленных и коммунальных предприятий. М.: АСЭМ, 1999.

13. Веников В.А., Жуков JI.A., Карташев И.М. Статические источники реактивной мощности в электрических сетях. -М.: Энергия, 1975.

14. Верещака A.C., Кириллов А.К., Хаустова О.Ю. Экологически чистые и ресурсосберегающие технологии обработки: Методические указания к выполнению курсовой работы М., 2004. - 33 с.

15. Веселов О.В. Концепция управления состоянием электромеханических систем с использованием) диагностических станций // Журнал «Мехатроника, автоматизация, управление», 2007.

16. Волобринский С.Д., Каялов Г.М:, Клейн П.Н. Электрические нагрузки промышленных предприятий. Л.: Энергия, 1971.

17. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. 3-е изд., перераб. - Л.: Энергия, 1978. - 832 е.: ил.

18. Воронин Н.А., Григорьев С.Н. Технологии вакуумно-плазменной обработки инструмента и деталей машин. Учебник. М.: ИЦ МГТУ «Станкин», Янус-К, 2005. - 508 с.

19. Востриков A.C., Французова Г.А. Теория автоматического регулирования: Учебное пособие для вузов. — М.: Высш. Шк., 2004. — 365 е.: ил.

20. Вульф А.М. Резание металлов. Изд. 2-е. Л.: Машиностроение, 1973.-496 е.: ил.

21. FOGT 13109-971 Электрическая энергия. Совместимость технических- средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — М.: Издательство стандартов, 1997.

22. Григорьев G.H., Ильичев JIJL, Волосова М.А. Нанесение покрытий и поверхностная модификация инструмента. Оренбург: ИПК ГОУ ОРУ, 2007 г.- 393 с.

23. Григорьев С.Н., Клебанов Ю.Д. Физические основы применения концентрированных потоков энергии (КПЭ) в технологиях обработки материалов. М.:ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2009. - 127 с:

24. Григорьев С.Н., Смоленцев Е.В., Волосова4 М.А. Технология обработки концентрированными, потоками энергии (учебное пособие). Старый Оскол: ТНТ, 2009. 280 с.

25. Григорьев' С.Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента: Учебник: для студентов втузов. MI: Машиностроение-!, 20091' - 368 е.: ил.

26. Данилов O.JL, Костюченко П.А. Практическое пособие по выбору и разработке энергосберегающих проектов: Москва. 2006. 668 с.

27. Детали и механизмы металлорежущих станков в 2 т. Под ред. РешетоваД;Н. 1972.

28. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности в сложных электрических системах. — М:: Энергоиздат, 1981.

29. Железко Ю.С. О нормативных документах в области качества электроэнергии и условий потребления-реактивной-мощности // Электрика. 2003. №1. С.9-16.

30. Змиева К.А. Автореферат диссертации «Автоматизированное управление энергопотреблением машиностроительных производств с целью повышения их энергоэффективности». М.: ИЦ «Станкин», 2009, 23 с.

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

32. Змиева К.А. Обеспечение энергоэффективности технологических процессов за счет автоматического управления величиной недогрузки оборудования. // Безопасность жизнедеятельности. Научный рецензируемый журнал. М.: ООО «Новые технологии», №10; 2009. С. 6-8.

33. Змиева^ К.А. Создание локальных унифицированных энергосберегающих систем для промышленных производств. / «Наука и технологии. Итоги диссертационных исследований» Том 2 (Серия «Избранные труды Российской школы») М.: РАН, 2009. С. 96-108.

34. Змиева К.А. Метод снижения энергопотребления за счет автоматизации управления величиной реактивной мощности // Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «Станкин», №3 (3), ISSN 2072-3172, 2008. С. 22-27.

35. Иванов-Смоленский А.И. Электрические машины, 2-е изд. М.: МЭИ, 2004. 623 с.

36. Кацман М. М. Электрические машины. М., 1990. — 463 с.

37. Киреева Э.А., Юнее Т., Айюби М. Автоматизация и экономия электроэнергии-в системах промышленного электроснабжения: Справочные материалы и примеры расчетов М.: Энергоатомиздат, 1998 г.

38. Константинов Б.А., Зайцев F.3. Компенсация реактивной мощности. Д.: Госэнергоиздат, 1975. - 101 е.: ил.

39. Косов М.Г., Ковальчук Е.Р., Митрофанов В.Г. Основы автоматизации машиностроительного производства: Учебник для .вузов. Издание 2-е, испр. М.: Высшая школа, 2001. -312 с.

40. Кочкин В.И., Нечаев 0;П. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий. М.: Издательство НЦ ЭНАС. 2000. - 248 е.: ил.

41. Кравчик А.Э., Шлаф М.М., Афонин В.И., Соболенская Е.А. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник. М.: Энергоиздат, 1982. -504 е.: ил.

42. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: учебник-для »студентов высших учебных заведений-. — 2-е изд. Mf: Интермет Инжиниринг, 2006. - 672'е.: ил;

43. Кузин С.Ю. Применение регулируемого, электропривода- //. Электротехника №6, 2009, с. 49-50

44. Кузовкин В.А. Теоретическая- электротехника: Учебник. М.: Логос, 2002. - 480 с.

45. Кузовкин В.А., Филатов В.В. Моделирование процессов в электрических цепях. Учебное пособие по дисциплине «Электротехника и электроника». М.: ИЦ МГТУ «Станкин»; 2006. - 212 с.

46. Лоторейчук Е.А. Теоретические основы электротехники: Учебник. М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004. - 316 е.: ил.

47. Малиновский В.Н., Демидова-Панферова P.M., Попов B.C. Электрические измерения. М.: Энергоиздат, 1982. - 392 е.: ил.

48. Мельников М.А. Электроснабжение промышленных предприятий / Учебное пособие. —Томск: Изд. ТПУ, 2000; 144 с.

49. Методы оптимизации режимов энергосистем / Под ред. В.М. Горнштейна. -М.: Энергоиздат, 1981.

50. Минин Г.П. Реактивная мощность. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 88 е.: ил.

51. Миронов Ю.М., Миронова А.Н. Электрооборудование и электроснабжение электротермических, плазменных и лучевых установок: Учебное пособие для вузов. М.: Энергогатомиздат, 1991.

52. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1990. - 56 с.

53. Михайлов О.П. Перспективы развития автоматизированного электропривода металлорежущих станков // Электричество 1985. - 10. С. 11-17.

54. Павлов В.В., Соломенцев Ю.М., Гусев А.А. Машиностроение: Энциклопедия: в* 40 тт.: Раздел III: Технология производства машин: Т. Ш-5: Технология сборки в машиностроении. М.: Машиностроение, 2002. - 640 с.

55. Порядин А.Ф., Хованский А.Д. Оценка и регулирование качества окружающей природной среды. Учебное пособие для инженера эколога. -М.: НУМЦ Минприроды России, Издательский дом «Прибой», 1996. - 350 с.

56. Прокопчик В.В. Повышение качества электроснабжения и эффективности электрооборудования предприятий с непрерывнымитехнологическими процессами. Гомель: Гом. гос. техн. ун-т, 2002. - 283 е.: ил.

57. Пуш В.Э., Пигрет Р., Сосонкин B.JL Автоматические станочные системы. М.: Машиностроение, 1982. - 319 с.

58. Радзевич С.П. Формообразование поверхностей деталей. Основы теории. К.: Растан, 2001. - 592 е.: ил.

59. Ротач В.Я. Теория автоматического управления: Учебник для вузов. М.: 1985. - 400 е.: ил.

60. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: Учебник для вузов. М.: ИЦ «Академия», 2006.

61. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г. Адаптивное управление технологическими процессами. М.: Машиностроение, 1981. - 228 с.

62. Суслов А.Г. Технология машиностроения. Учебник 2-е изд. М.: Машиностроение, 2007. - 430 е.: ил.

63. Схиртладзе А.Г., Серебреницкий П.П. Краткий справочник станочника. -М.: Дрофа, 2008.

64. Филатов В.В., Чумаев Д.А. Анализ управляемости трехфазного асинхронного электродвигателя // Вестник МГТУ «Станкин». М.: Издательство МГТУ «Станкин», № 4(4), 2008. С. 93-101.

65. Харизоменов И.В., Харизоменов Г.И. Электрооборудование станков и автоматических линий. М.: Машиностроение, 1987. 224 е.: ил.

66. Хернитер Марк Е. Multisim 7: Современная система компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств. (Пер. с англ.) М.: Издательский дом ДМК-пресс, 2006. - 487 с.

67. Чекваскин А.Н., Семин В.Н., Стародуб К.Я. Основы автоматики. -М.:Энергия, 1977.-448 е.: шт.

68. Черпаков Б.И. Автоматизация и механизация производства. Учебное пособие. М.: Академия, 2004. - 384 е.: ил.

69. Черпаков Б.И. Металлорежущие станки. 3-е зд. М.: Академия, 2008.-368 е.: ил.

70. Шандров Б.В. Автоматизация производства (металлообработка) 2-е изд. Учебник. 2006.

71. Шумихина Е.М., Григорьев С.Н. Повышение энергоэффективности вспомогательного оборудования установок вакуумно-плазменного нанесения покрытий средствами автоматизации // Вестник МГТУ «Станкин». № 3(11), 2010.' - С. 82-85.

72. Шумихина Е.М. Повышение энергоэффективности асинхронного электродвигателя посредством автоматического управления параметрами его электропитания // Научно-технический журнал «Двигатель». № 4, 2010. - С. 56-57.

73. Электротехнический справочник. Изд. 3-е, переработ, и доп. Под общ. ред. А.Т. Голована. М.Г. Чиликина (глав, ред.) и др. Т.1 М. Л., Госэнергоиздат, 1961. - 736 е.: ил.

74. Электротехнологические промышленные установки: Учебник для вузов / Под. ред. А.Д. Свенчанского. М.: Энергоатомиздат, 1982.

75. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года. М.: Минэнерго России, 2001. - 544 с.

76. Power Factor Correction. Power Quality Solutions. Published by Epcos AG. Edition 04/2006. Ordering No. EPC:26017-7600. Printed in Germany. -79 p.

77. Walter Umrath. Основы Вакуумной Технологии. Printed in Germany. 225 p.