ВІД РОЗРОБКИ ДО ВПРОВАДЖЕННЯ

Головна : : Статті : : Концепція розвитку науково-дослідних і дослідно-конструкторських...

Є.О. Вареник, О.М. Омельченко, Р.М. Лазебник

Концепція розвитку науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт зі створення нового вибухозахищеного електрообладнання

Постановка проблеми

У цей час у ланцюжку «розробка-виробництво-збут» головною проблемою для виробників продукції в усьому світі є збут.

Так, у країнах з розвитою ринковою економікою, які входять в «Організацію економічного співробітництва та розвитку (ОЕСР)», наявні виробничі потужності, за даними інтернет-газети «Обозреватель» за 09.09.2005р., використаються тільки на 14 %, хоча господарюючі суб'єкти цих країн мають у своєму розпорядженні кваліфікований персонал, мають достатній капітал і розвинену технологічну базу, у тому числі по сучасних інформаційних технологіях.

Проблема збуту, обумовлена недостатнім платоспроможним попитом, загострює конкурентну боротьбу на внутрішньому та зовнішньому ринках, і перемагає в ній той, чиїм виробам віддає перевагу споживач.

На формування споживчих переваг впливають [1]:

У цьому зв'язку розробка концепції розвитку НИОКР по створенню конкурентоздатного вибухозахищеного електрообладнання є досить актуальною.

Аналіз споживчих переваг дозволяє сформулювати перспективний науковий напрямок по розробці нового вибухозахищеного електрообладнання: «Створення конкурентоздатного, ресурсоенергозберігаючого вибухозахищеного електрообладнання, яке забезпечує безпечну та продуктивну роботу підприємств вугільної, хімічної, нафтовий, газової, нафтопереробної та інших базових галузей промисловості України з потенційно вибухонебезпечними умовами виробництва».

Метою статті є концептуальне подання шляхів реалізації сформульованого наукового напрямку при створенні трансформаторів і комплектних трансформаторних підстанцій, апаратури захисту та керування, електроприводів, комплексів електроустаткування на підвищену напругу та електродвигунів у контексті світових досягнень у цих видах електрообладнання.

Результати досліджень.

Вибухозахищені пересувні трансформатори та трансформаторні підстанції. У порівнянні із кращими закордонними зразками вітчизняні трансформатори та комплектні трансформаторні підстанції (КТП) близькі по надійності, виграють за ціною (у свій час це було метою розробки нових виробів), однак в останні роки стали уступати їм по технічному рівні (втратам, електродинамічній стійкості, габаритам, масі), що знижує їхню конкурентоздатність на зовнішньому ринку [2].

Використання нових електротехнічних матеріалів і нових конструкторських і технологічних процесів (виготовлення магнитопровода з «косим стиком» по типу Step-Lap; впровадження просочення обмоток методом «вакуум-тиск»; застосування обмотувальних проводів з ізоляцією арамидним папером і поліімидной плівкою, що працюють у тривалому режимі при температурі більше 200 °С, застосування обмоток нижчої напруги (НН) з мідної стрічки), облік реального режиму роботи при створенні вітчизняного трансформатора може помітно збільшити електромагнітні навантаження на елементи конструкції останнього, тим самим знизити витрати активних матеріалів, працевитрати, масу і габарити силового трансформатора для шахтних КТП, і, таким чином, при зниженні втрат і збільшенні електродинамічної стійкості зберегти незмінною його потужність [3].

Аналіз результатів попередніх розрахунків показує, що завдяки застосуванню більше високоякісних електротехнічних матеріалів і нових конструкторських і технологічних рішень з'являється можливість значно зменшити масу та розміри трансформатора та КТП у цілому, що дозволить випускати, принаймні, кожен десятий трансформатор на зекономлених матеріалах при помітному зниженні загальних втрат у трансформаторі.

Для КТП невеликої потужності доцільна конструкція росподілпристрою вищої напруги (РУВН) с роз'єднувачем холостого ходу для зняття напруги при ремонтах, оглядах, заміні комплектуючих і т.д. Для підстанцій з високими потужністю та вторинною напругою пропонується варіант конструкції РУВН із високовольтним вимикачем.

Підстанції високої потужності призначені для електропостачання досить великої кількості струмоприймачів, тому на їхній стороні НН доцільне застосування ряду висновків, у тому числі для ланцюгів, керованих дистанційно, як це робиться в закордонних зразках.

Нові КТП повинні бути обладнані необхідними пристроями для можливості передачі діагностичної та іншої інформації та забезпечення роботи в загальношахтних системах автоматики, телемеханіки та контролю. При виконанні НИОКР доцільне встановлення ділового співробітництва з фірмами Хамахер і Беккер.

Таким чином, для створення вибухозахищених конкурентоздатних, ресурсоенергозберігаючих трансформаторів і КТП, що забезпечують надійну та продуктивну роботу виїмних ділянок вугільних шахт необхідно:

Вибухозахищені комутаційні апарати напругою до 1200 В. Світові тенденції розвитку вибухозахищеного апаратобудування складаються в застосуванні шахтами комплектних пристроїв керування та захисту гірських машин, замість груп пускачів. Основними світовими виробниками подібної апаратури є фірми Польщі (5 заводів), Німеччини, Чехії, Франції та Великобританії.

Виходячи із проведеного аналізу світових тенденцій та основних напрямків розвитку вітчизняного апаратобудування [4], доцільно створити серію комплектних вибухобезпечних пристроїв керування груповими та технологічно зв'язаними струмоприймачами машин вугільних шахт із убудованими пристроями автоматики, діагностики, інформатики, для чого розробити нові модулі з оптимізацією розмірів камер і застосуванням прогресивних видів і засобів вибухозахисту. Комплектні пристрої повинні виконуватися відповідно до погодженого параметричного ряду по виконаних функціях, набору апаратури, значенням струму та напруги.

Найважливішими факторами створення як комплектних пристроїв керування, так і підвищення технічного рівня апаратів, які випускають, є мінімізація масогабаритних показників та істотне підвищення надійності при оптимальних вартісних показниках. Для цього буде потрібно перегляд безлічі застосовуваних комплектуючих виробів, розробка ряду нових з використанням нетрадиційних методів комутації електричних ланцюгів, створення принципово нових засобів захисту та багатофункціональних пристроїв автоматики, що сполучають функції керування декількома струмоприймачами одночасно.

Нові апарати повинні відображати повну інформацію про роботу об'єкта із запам'ятовуванням режимів роботи та навантажень, контролю його стану з можливістю наступних розшифровок і з'ясування причин виходу об'єкта з ладу. При цьому для таких ланцюгів важливо використати переваги рівня вибухозахисту виду «е» та «іскробезпечний електричний ланцюг», які дають можливість багаторазового полегшення оболонок та істотного здешевлення їхнього виготовлення. Апарати повинні як акумулювати та зберігати інформацію, так і передавати її диспетчерові по лініях зв'язку або силовим кабелям.

Традиційно нашими заводами виготовляються круглі оболонки, як технологічно більше прості та полегшені, однак коефіцієнт їхнього заповнення не перевищує 0,5. Практично в усім світі застосовуються прямокутні оболонки з коефіцієнтом заповнення до 0,95, однак трудомісткість їхнього виготовлення дуже висока. З огляду на відносно невисоку потребу в апаратах, у цей час доцільно вести роботу в частині створення прямокутних оболонок апаратів, що, однак, зажадає застосування нових технологій виготовлення.

Розробка та освоєння параметричного ряду корпусів модульних конструкцій дозволить створювати нові вироби й розвивати ти, що випускають, у частині підвищення їхніх функціональних можливостей і технічних параметрів. Модульні конструкції ляжуть в основу створення апаратів розподілу електричної енергії в складі енергопоїздів, що істотно змінить виробництво КТП.

Електропривод та електропостачання шахт. Аналіз світових тенденцій в області розробки та реалізації електроприводів, зокрема в Німеччині, Англії та США, показав чітку орієнтацію на застосування у вугільних шахтах регульованих електроприводів гірських машин.

Техніко-економічний аналіз дозволив визначити області застосування регульованих приводів у вугільних шахтах та адекватні види регулювання: плавний пуск, асинхронно-вентильний каскад, частотне керування [4].

Регульований електропривод шахтних стрічкових і скребкових конвеєрів доцільно реалізовувати на першому етапі на основі тиристорних пристроїв плавного пуску та серійних асинхронних електродвигунів з короткозамкненим ротором, а на другому етапі – за схемою асинхронно-вентильного каскаду (АВК) с новими більше надійними асинхронними двигунами з фазним ротором. Застосування більше зроблених частотно-керованих електроприводів для конвеєрів економічно не вигідно, тому що для них регулюючі режими потрібні в основному тільки в періоди пуску.

Результати промислових випробувань експериментальних зразків пристроїв плавного пуску показали, що динамічні удари в трансмісії приводів конвеєра знижуються не менш чим на 40 % і, відповідно, знижуються навантаження на стикові з'єднання. Пусковий струм електродвигуна зменшується в 1,5...1,7 рази. Істотно скорочується число поривів стрічки, практично виключається пробуксовка стрічки об барабан, внаслідок чого підвищується пожежебезпека. Значно поліпшується пуск завантаженого конвеєра з вологою гірською масою.

Електропривод за схемою АВК істотно підвищує надійність і продуктивність скребкових конвеєрів за рахунок можливості оптимізувати процес узгодження режимів роботи конвеєра та вуглевидобувного комбайна.

Регульований електропривід механізмів подачі очисних комбайнів. Новий частотно-керований електропривід механізмів подачі потужністю від 60 до 120 кВт дозволяє збільшити швидкість комбайна на 25...60 %, тягове зусилля на 25...30 %, середню технічну продуктивність комбайна на 20...40 %, поліпшити енергетичні показники (коефіцієнт корисної дії (КПД) до 95 %, у той час як у гідроприводу подачі КПД не більше 0,7), значно підвищити надійність.

Доцільність переходу на електричний частотно-керований електропривід подачі підтверджується світовими тенденціями. Комбайни з такими системами електроприводу почали випускати фірми провідних закордонних вуглевидобувних країн «Эйкгоф» (Німеччина), «Андерсен» (Англія).

Регульований електропривод автоматизованих стругових комплексів нового покоління для безлюдної виїмки вугілля. Розробка та впровадження нового частотно-керованого електроприводу потужністю до 800  кВт (2 х 400 кВт) дозволить скоротити простої, пов'язані із заміною запобіжних елементів на вихідних валах редукторів у порівнянні із традиційними нерегульованими електроприводами, збільшити корисну потужність двигунів на 30...40 % за рахунок виключення режимів частих пусків і дозволить здійснювати строго нормований натяг тягового ланцюга струга.

Регульований електропривід підземних піднімальних машин. У процесі роботи піднімальної установки необхідно постійне регулювання швидкості з підтримкою сталості моменту (М = const) і усталена робота на низької швидкості при виконанні маневрових та інших технологічних операцій. Для таких режимів частотне керування є найбільш економічним способом регулювання та дозволяє практично уникнути непродуктивних витрат електроенергії. Як показують розрахунки та результати випробувань експериментальних зразків у промислових умовах, економія електроенергії при потужності електропривода 250 кВт становить 340 000 кВт·год/рік. При оснащенні тільки в Донбасі 160 діючих підземних піднімальних установок такою системою електропривода економія електроенергії складе не менш 54 млн.  кВт·год/рік. Крім значної економії електроенергії, новий електропривод за рахунок поліпшення динамічних характеристик і керованості дозволить підвищити продуктивність піднімальних машин на 15...20 %, збільшити термін служби, надійність і безпеку їхньої експлуатації.

Регульований електропривід шахтних електровозів. У зв'язку з розвитком напівпровідникової техніки та мікропроцесорних засобів керування в цей час з'явилася можливість створити високоекономічний і надійний тяговий регульований електропривід змінного струму на основі перетворювача частоти та асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором. Світова тенденція в цій області пов'язана зі скороченням електроприводів постійного струму і їхнім витисненням регульованим електроприводом змінного струму. Так, у Японії, Німеччині, США, Англії, Франції та у Росії все більше поширення одержує тяговий електротранспорт на основі частотнорегульованого електропривода (магістральні електровози, метрополітен, трамвай, тролейбус).

Як показують розрахунки та результати експериментальних робіт, тяговий електропривід шахтних електровозів змінного струму в порівнянні з існуючим електроприводом постійного струму дозволить одержати економію електроенергії до 35 % (з урахуванням рекуперації), зниження практично в 2 рази працезатрат на технічне обслуговування, економію витрати міді до 20 %, зниження масогабаритних параметрів, підвищення КПД, поліпшення динамічних властивостей електровоза й т.д.

Для розробки та впровадження у виробництво та експлуатацію перерахованих вище регульованих електроприводів доцільно розробити уніфіковану серію напівпровідникових перетворювачів частоти у вибухозахищеному виконанні потужністю від 100 до 1200 кВт на напругу 660, 1140 і 6000 В, а також пристроїв плавного пуску у вибухозахищеному виконанні потужністю від 63 до 500 кВт на напругу 660 і 1140 В.

Пристрій автоматизованого керування водовідливними установками з метою економії електроенергії. Пристрій розрахований на автономну роботу в головному водовідливі шахти в системі із зонною тарифікацією оплати за спожиту електроенергію. У процесі роботи контролер створює базу даних по продуктивності водовідливних установок і припливу у водозбірник. Основне завдання зводиться до спустошення водозбірника на момент настання менш сприятливого періоду оплати.

Пристрій дозволить виконувати:

При потужності електродвигуна водовідливу 1000 кВт добова економія в оплаті за спожиту електроенергію становить 1440 грн. або біля 500,0 тис. грн. у рік.

Комплекс електрообладнання на напругу 3(3,3)-6 кВ.

Одним з ефективних заходів щодо поліпшення технікоекономічних показників систем підземного електропостачання шахт і рудників і підвищення їхньої пропускної здатності є застосування напруги 3(3,3)-6 кВ у системах електропостачання видобувних і транспортних машин. При цьому збільшується радіус економічного електропостачання, знижується витрата кольорових металів, зменшуються втрати енергії в мережі, з'являється резерв подальшого росту її пропускної здатності [5].

Показниками економічної ефективності застосування в шахтах систем електропостачання з електроустаткуванням на напругу 3(3,3)-6 кВ є: підвищення продуктивності гірських машин і збільшення обсягу видобутку завдяки поліпшенню якості підведеної напруги до струмоприймачів; зниження втрат електроенергії в елементах системи електропостачання; скорочення капітальних витрат на спорудження кабельних ліній у результаті зменшення кількості стовбурних кабелів і зниження перетину кабелів розподільних мереж.

На найближчу перспективу буде потрібна розробка та впровадження наступного електрообладнання:

Електричні ресурсоенергозберігаючи двигуни. Концепція створення високонадійних ресурсоенергозберігаючих двигунів для гірських машин частково викладена вище, тому що двигун входить у систему електропривода, становлячи її основну частину. З концепції розвитку електропривода випливає необхідність розробки та впровадження в експлуатацію:

Вітчизняні низьковольтні двигуни по габаритах і масі, особливо комбайнові та стругові, не тільки не уступають кращим закордонним аналогам, але й перевершують їх. У той же час по надійності двигунів ми відстаємо від закордонних показників.

Крім того, з огляду на ріст енергооснащеності гірських машин і необхідність підвищення потужності двигунів, а також практичну вичерпаність можливостей подальшого підвищення ефективності повітряного та водяного охолодження, представляється актуальним розробка та впровадження у виробництво рідинно-заповнених двигунів, тому що при цьому вирішуються питання більше ефективного відводу тепла від статора та особливо від ротора.

Концепція створення нових вибухозахищених двигунів розглядає двигун у системі загальношахтного інформаційного забезпечення та автоматичного і телемеханічного керування. З урахуванням досягнень в області мікроелектронної та мікропроцесорної техніки можливе оснащення кожної машини убудованими пристроями діагностики та контролю параметрів з передачею інформації диспетчерові шахти.

Висновки
  1. У ланцюжку «розробка - виробництво - збут» головною проблемою для виробників продукції в усім світі є збут.
  2. Перспективним науковим напрямком НІДКР в області вибухозахищеного та рудничного електрообладнання є створення конкурентноздатного ресурсоенергозберегаючого електрообладнання, яке забезпечує безпечну та продуктивну роботу підприємств вугільної, хімічної, нафтової, газової, нафтопереробної та інших базових галузей промисловості України з потенційно вибухонебезпечними умовами виробництва.
  3. При створенні вибухозахищених конкурентоздатних ресурсоенергозберігаючих трансформаторів і КТП необхідно враховувати їхню сумісність із загальношахтними системами автоматики, телемеханіки й контролю.
  4. Перспективною тенденцією розвитку апаратобудування є заміна груп пускачів комплектними пристроями керування та захисти гірських машин.
  5. Перспективними об'єктами застосування регульованих електроприводів, що дозволяють одержати найбільший ресурсоенергозберігаючий ефект, є шахтні стрічкові й скребкові конвеєри, механізми подачі очисних комбайнів, стругові комплекси для безлюдної виїмки вугілля, підземні піднімальні машини, шахтні водовідливи та електровізне відкочування.
  6. Ефективним заходом підвищення пропускної здатності та одержання економії електроспоживання шахтних електричних мереж є застосування напруги підвищеного рівня (3-6 кВ), а, отже, розробка відповідних комплексів електроустаткування є перспективною.
  7. При розробці електродвигунів нового технічного рівня варто передбачати можливість оснащення кожної машини пристроями діагностики, контролю параметрів і передачі інформації.
Список літератури
  1. Омельченко А.Н., Лазебник Р.М. Определение конкурентоспособности взрывозащищенного электрооборудования // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб.науч.тр. УкрНИИВЭ.-Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд»,2005.-С.21-27.
  2. Чернов И.Я., Грушко В.М., Шилов В.В. и др. О развитии и совершенствовании взрывозащищенных трансформаторных подстанций для шахт // Уголь Украины.-1997.-№5.-С.21-23.
  3. Вареник Е.А., Ландкоф Л.Б., Чернов И.Я., Грушко В.М., Макаров К.Д. Тенденции изменения материалоемкости трансформаторных источников и основных приемников электроэнергии выемочных участков угольных шахт // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб.науч.тр. УкрНИИВЭ.-Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2005.-С.49-58.
  4. Вареник Е.А. Создание и внедрение ресурсоэнергосберегающего электрооборудования // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч.тр. УкрНИИВЭ.-Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2006.-С.9-14.
  5. Миновский Ю.П. Повышение уровня напряжения для питания высокоэнерговооруженных забойных машин // Горные машины и автоматика.-2001.-№8.-С.16-21.
Головна : : Статті : : Концепція розвитку науково-дослідних і дослідно-конструкторських...
Україна, м. Донецьк,
вул. 50-й Гвардійської дивізії, 17
тел.: +380 62 382-93-53
Рейтинг@Mail.ru Інформаційно-розважальний портал КомерСайт .Рейтинг сайтів регіону Украинский портАл Украина-Сегодня: Каталог сайтов Яндекс цитирования Украина онлайн Rambler Top100 Rambler's Top100 Б И З Н Е С - И Н Ф О Р М -  Каталог фирм, организаций, товаров и услуг Украины Valid XHTML 1.1