Разработка сварочных выпрямителей с улучшенными технико-экономическими характеристиками

XX век стал принципиально важным для развития и применения сварочной науки и техники. В последние 20 лет сварочное производство заметно совершенствовалось, в первую очередь, — в области оборудования и аппаратуры. В настоящее время сварка — один из ведущих технологических процессов в создании материальной основы современной цивилизации. Сварочное производство является важной составляющей в развитии экономики любой страны, поскольку прогресс многих отраслей промышленности зависит от уровня развития сварочных технологий.

В материалах VIII Международной специализированной выставки сварочных материалов, оборудования и технологий «WELDEX/PoccBapKa-2008» (21−24 октября 2008 г., г. Москва) было отмечено, что «.сейчас сваркаважная и необходимая часть многих технологических процессов практически в каждой отрасли народного хозяйства: будь то строительство, ВПК, железные дороги, нефтегазовый комплекс и многое другое. Экономика развития только прибавляет российскому рынку сварки темпы роста. Ежегодно абсолютный показатель потребности в сварочном оборудовании среди отечественных потребителей увеличивается на Ю-20%! Сегодня это довольно динамичный бизнес».

По современным оценкам специалистов предполагается, что доля ручной дуговой сварки покрытыми электродами к 2010 г. составит 15−25% от общего объема сварки [7].

Доля механизированных и автоматических способов сварки в защитных газах, заменяющих ручную дуговую, возрастет до 50−55%.

Развитие сварки под флюсом, доля которой к 2010 г. предположительно составит около 17% в общем объеме сварки, связано с созданием более совершенного оборудования.

Учитывая мировые тенденции расширения области применения прогрессивных ресурсосберегающих технологий, можно предположить, что в сварочном производстве в предстоящее десятилетие существенно увеличится доля лазерной технологии, которая достигнет 6−8% общего объема сварочных работ. Более сложные способы сварки — электронно-лучевая, диффузионная и высокочастотная — занимают важное место преимущественно в специфических технологиях обработки металлов. Расширение области их применения произойдет с появлением запросов от промышленности.

Что касается тенденций развития сварочных технологий в ближайшем десятилетии применительно к нашей стране, то ручная дуговая сварка штучными покрытыми электродами и полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа по-прежнему останутся доминирующими способами сварки, с помощью которых будет выполняться не менее 70% всех сварочных работ.

Значит, потребность в сварочном оборудовании для этих способов сварки будет по-прежнему высокой, а работы, направленные на повышение технико-экономических показателей этого оборудования, — актуальны. Поэтому в диссертационной работе при рассмотрении сварочных технологий и сварочного оборудования, применяемого для их реализации, основное внимание уделяется именно этим способам сварки.

За последние 8−10 лет на рынке появился весьма широкий спектр (более 150 моделей) новых отечественных и зарубежных источников питания для сварочного оборудования различной мощности. Тем не менее, у нас в стране в качестве источников питания оборудования для электродуговой сварки все еще используются трехфазные сварочные выпрямители разработки 60.70-х годов прошлого века, энергетические характеристики (особенно в части КПД и коэффициента мощности) и сварочные свойства которых существенно уступают современным аналогам [52, 57, 121].

Применение устаревшего оборудования приводит к снижению качества сварочных работ при завышенном уровне энергопотребления и, в конечном итоге, — к увеличению их себестоимости. Сложившаяся в данной области ситуация дополнительно усугубляется современным состоянием электрических распределительных сетей 0,4 кВ, которые из-за недостаточной пропускной способности оказываются очень чувствительными к такой специфической нагрузке, как электродуговая сварка [84].

Следует также отметить, что значительный дефицит генерирующих мощностей (например, в Краснодарском крае он превышает 60%) и возникающие по этой причине ограничения электропотребления вынуждают многих потребителей приобретать автономные источники питания [87]. Обычно это бензиновые или дизельные электростанции мощностью от 5 до 100 кВт, так что электросварочное оборудование часто оказывается соизмеримым с ними по мощности. Вследствие этого при использовании традиционных трехфазных сварочных выпрямителей возникают недопустимые искажения кривой напряжения таких источников, что обуславливает снижение их потенциальных возможностей по электроснабжению других электроприемников [88].

Таким образом, исследования и разработка перспективных источников питания сварочного оборудования для промышленного производства являются актуальными.

Цель диссертационной работы — улучшение технико-экономических характеристик сварочных выпрямителей.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

— провести анализ источников питания сварочного оборудования для электродуговой сварки и определить пути повышения его технико-экономических показателей;

— разработать математическую модель многофазного сварочного выпрямителя (МСВ) на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем (ТВП) и провести ее исследования в различных режимах работы;

— провести экспериментальные исследования опытного образца МСВ на основе ТВП в различных режимах работы;

— проверить соответствие результатов математического моделирования и экспериментальных исследований;

— сформулировать принципы построения системы управления для МСВ на основе ТВП;

— разработать рекомендации по улучшению технико-экономических показателей МСВ;

— выполнить технико-экономическое обоснование эффективности разработки.

Объект исследования — МСВ на основе ТВП.

Предмет исследования — электромагнитные процессы в МСВ на основе ТВП.

Методы исследования базируются на теории электрических и магнитных цепей, теории сварочных процессов, численных методах математического моделирования, теории вероятностей и математической статистики.

Экспериментальные исследования проводились с использованием специально разработанного стенда, современных информационных технологий и оборудования для регистрации и обработки данных.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработаны принципы построения МСВ на основе ТВП;

— предложена математическая модель МСВ на основе ТВП для исследования его работы в различных режимах;

— разработан алгоритм работы, принципы построения и программное обеспечение системы управления МСВ на основе ТВП.

Практическая значимость результатов работы:

— предложена новая конструкция МСВ на основе ТВП;

— разработана принципиальная электрическая схема девятифазного сварочного выпрямителя, которая позволяет повысить его КПД на 10%, коэффициент мощности — на 10−15% и снизить электропотребление на 15−20% по сравнению с аналогами;

— разработана экспериментальная установка для исследования МСВ в различных режимах его работы.

Реализация и внедрение результатов работы.

По результатам исследований на предприятии ДО АО «Электрогаз» ОАО «Газпром» (г. Краснодар) освоено серийное производство сварочных выпрямителей типа МСВ-301, которые используются на предприятиях ОАО «Газпром».

Производственные испытания полуавтоматов ПДГМ-301 с источниками питания МСВ-301 в филиале «Афипэлектрогаз» ДО АО «Электрогаз» в течение 2007;2009 г. г. показали, что данные полуавтоматы имеют более высокие энергетические и эксплуатационные показатели, чем полуавтоматы ПДГ с источниками питания ВДУ-3020, отвечают современным требованиям и могут быть рекомендованы для внедрения в промышленное производство.

Математическая модель МСВ на основе ТВП применяется в разработках сварочного оборудования ДОАО «Электрогаз» ОАО «Газпром», а также используется в учебном процессе на Факультете нефти и газа КубГТУ по дисциплине «Электрические машины». Образцы сварочного оборудования с МСВ на основе ТВП экспонировались на специализированной выставке-ярмарке «Сварка-2007» (10−12 мая 2007 г., г. Сочи) и были удостоены медали «За отличное качество продукции».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены на II международной научно-практической конференции «Образование и наука без границ-2006» (г. Днепропетровск, 2006 г.), на 12-й Всероссийской научно-технической конференции «Пути повышения надежности, эффективности и безопасности энергетического производства» (с. Дивноморское, Краснодарского края, 2009 г.), а также на научно-практических конференциях ГОУ ВПО КубГАУ (2005;2007 г. г.) и ГОУ ВПО КубГТУ (2006;2007 г. г.).

Публикации результатов работы. По теме диссертационной работы опубликовано 10 работ, в том числе — 1 статья в издании, рекомендованном.

ВАК, получено 5 патентов РФ на полезные модели, изобретения и промышленный образец.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, списка литературы, включающего 116 наименований, и приложений. Общий объем диссертации составляет 139 страниц машинописного текста, включая 59 рисунков, 30 таблиц, 28 страниц приложений.

4.5 Выводы.

1. На основе проведенных опытов холостого хода и короткого замыкания ТВП, была разработана методика определения параметров ТВП для их использования при математическом моделировании, как самого трансформатора так и многофазного сварочного выпрямителя, выполненного на его основе. С использованием указанной методики вычислены собственные и взаимные индуктивности обмоток, параметры ветви намагничивания, а также активные и и реактивные сопротивления всех обмоток.

2. Проведенные экспериментальные исследования по проверке адекватности математической модели МСВ позволили сделать выводы о том, что предлагаемая математическая модель достоверно отражает качество и характер электромагнитных процессов в сварочном выпрямителе, а расхождения экспериментальных данных и данных математического моделирования не превышают 10% и объясняются упрощением модели вследствие принятых допущений.

3. Энергетические характеристики МСВ, полученные в результате экспериментов по характеру изменения кривых схожи с классическими преобразователями, применяемыми в качестве сварочных выпрямителей, но количественно энергетические характеристики МСВ превосходят существующие образцы как по КПД так и по коэффициенту мощности.

4. МСВ на основе ТВП обеспечивает незначительные искажения синусоидальности кривой тока от источника питания.

5 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОФАЗНОГО СВАРОЧНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ.

НА ОСНОВЕ ТВП.

5.1 Расчетная цена разработанного устройства.

Формирование цены на новое устройство должно производиться с учетом капитальных вложений и рыночной конъюнктуры.

Полные капиталовложения К при освоении производства МСВ-301 включают в себя три составляющих [2.29, 2.27]:

Косп — капиталовложения, необходимые для освоения производства. Обычно составляют 5−10% от себестоимости общего объема выпускаемых изделий. Принимаем 5%;

Кол. ~ оборотные средства. Составляют 10−20% от себестоимости годового выпуска продукции. Принимаем 10%;

— Кпроч — прочие капиталовложения. Принимаем 5% от (.Косв + Ко с).

Определение себестоимости 3 планируемого объема выпускаемых изделий производится на основе выражения:

3 = п-ЫЗизд., где п — расчетный период производства изделия. Выбирается с учетом морального старения разработки. Принимаем п = 5;

N — выпуск изделия за год. Планируется по ожидаемому спросу на изделие. Принимаем И= 240 шт.;

Зцзд — себестоимость изделия. С учетом себестоимости опытных образцов МСВ принимаем Зизд = 36 тыс. руб.

Таким образом, полные капиталовложения можно представить в виде: К = Коса + + 0,05(А" ОС11 + Кол.) = 0,0525 -Ы-З^п + 2).

Подставляя принятые значения входящих в это выражение величин, находим полные капиталовложения, необходимые для производства МСВ-300:

К = 3175,2 тыс. руб.

Для учета состояния рынка сварочных выпрямителей следует ориентироваться на ценовой коридор, в пределах которого должна находиться цена.

Он (ценовой коридор) ограничен нижней Цим. и верхней ЦЪЛ1ш предельными ценами. При нижней предельной цене изделие еще выгодно производить, а при верхней предельной цене оно еще сохраняет конкурентоспособность на рынке.

В соответствии с рекомендациями [2.28] нижнюю предельную цену определим по формуле.

Дн.п. = (1,1.1,3)-3нзд. (5.1).

Принимаем Цн п. =1,13ИЗД = 39,6 тыс. руб.

Верхняя предельная цена должна формироваться с учетом качества нового изделия и рыночных цен на изделия аналогичного назначения:

Цв.п. куКк.п.к.'Цаю (5−2) где ку — коэффициент относительного удешевления изделия ввиду его новизны для покупателя. Принимаем ку = 0,9- к.п.к. — комплексный показатель качества нового изделия. С учетом того, что МСВ-301 только предлагается принять в производство, его всесторонняя объективная оценка затруднена даже в варианте экспертного опроса. С учетом мнения профессиональных сварщиков, высказанного в процессе испытаний, принимаем КК п.к. = 1,2;

Цш — рыночная цена изделия-аналога. Для ВДУ-3020 Цаи = 44,1 тыс. руб. Находим Цвм. = 0,9−1,2−44,1 = 47,63 тыс. руб.

Значит, ценовой коридор изделия составляет (39,6.47,63) тыс. руб. Принимаем цену реализации изделия ближе к нижней предельной цене: Цтд = 42 тыс. руб.

5.2 Расчет основных экономических показателей.

Ожидаемая годовая налогооблагаемая прибыль от реализации МСВ-301.

Пг = (Цтл-Зтд)-К (5.3).

Подстановка в (5.3) численных значений Цтд, Зизд, N дает Пт = (42−36>240 = 1440 тыс. руб.

Чистая прибыль 77 с учетом налога на прибыль 7777 = 20% при этом составит:

П = Пт-{ 1 — 0,2) = 1152 тыс. руб.

Для определения чистого дисконтированного дохода ЧДЦ от производства изделий используется формула: чдд=%^Ьг~к' (5'4) где Пт — прибыль в т-ы году расчетного периода. Принимаем Пт — 77- п — расчетный период производства изделия. Принят равным 5- Е — норма дисконта, которая рассчитывается, исходя из цены капитала на внешнем рынке Ер, темпов инфляции г и поправки на риск р для данного инвестиционного проекта [2.30 Ц]:

1 + Еп.

Е =-— + р — 1. (5.5).

1 + г.

Подставив в (5.5) ставку рефинансирования, установленную ЦБ РФ в 2009 году, 7? р = 0,12- темпы инфляции в 2009 году г = 0,12 и поправку на риск, как для проекта, направленного на продвижение на рынок нового товара, р = 0,15, получим: = 1 + 0Д2 + 0,15−1 = 0,15.

1 + 0,12.

При этом чистый дисконтированный доход от производства изделия составит:

5 11 52.

ЧДД= У —3175,2 = 686,48 тыс. руб.

1 + 0,15)т.

Значит, данный инвестиционный проект является эффективным.

Рассчитаем внутреннюю норму доходности (ВНД) данного проекта. По определению это такая норма дисконта, при которой ЧДЦ = 0, следовательно, необходимо принять.

— к=о. (5.6).

Данное уравнение относительно Ет является трансцендентным, поэтому для его решения используем графический метод — рисунок 5.1.

ЧИП. млн. 3,0.

2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0.

1 2,58 к1,19.

0,2 6.

— 0,37.

— 0,83.

0,0 0,1 0,2 0,3 Е, о.е.

Рисунок 5.1 — Определение внутренней нормы доходности проекта.

Из этого рисунка следует, что ВНД проекта лежит в диапазоне изменения нормы дисконта 0,2.0,3. Для уточнения значения ВНД применим итерационный способ [2.30]:

ЧДД (Е,).

Е. = Е,+.

Я,-я,),.

5.7).

ЧДЦ (Ех)-ЧДД (В2) где Е = 0,2 и Е2 ~ 0,3.

С учетом того, что ЧДД (ЕХ) = 0,26 млн руб. и ЧДД{Е2) = -0,37 млн руб., получаем внутреннюю норму доходности.

0,26.

Я. = 0,2 +.

0,3−0,2) = 0,24 или 24%.

0,26-(-0,37).

Срок окупаемости инвестиционного проекта с учетом дисконтирования (динамический срок окупаемости) рассчитаем, исходя из значений приведенных годовых эффектов Эт при фиксированной норме дисконта Е = 0,15 и фиксированной прибыли на основе формулы.

Я.

1 + Д)" .

5.8).

Результаты расчетов по формуле (5.8) сведем в таблицу 5.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Анализ источников питания сварочного оборудования, применяемого в народном хозяйстве, показал, что наиболее распространенные сварочные выпрямители выполнены на устаревшей элементной базе по трехфазной схеме, что предопределяет их низкие энергетические показатели: КПД — не более 75%- коэффициент мощности — не более 0,67- удельная масса — не менее 9,1 кг/кВт.

2. Установлено, что перспективным направлением увеличения КПД и коэффициента мощности сварочных выпрямителей, уменьшения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения при одновременном снижении негативного их влияния на питающую сеть является повышение фазности выпрямления.

3. Предпочтительным вариантом конструкции МТ для многофазных сварочных выпрямителях является трансформатор с вращающимся магнитным полем.

4. Разработанная математическая модель ТВП и математическая модель МСВ на ее основе позволяют получить полную картину электромагнитных процессов в МСВ и оценить его технико-экономические характеристики с целью дальнейшего совершенствования.

5. В результате математического моделирования и экспериментальных исследований установлено, что в формировании выходного тока МСВ за один период напряжения питания участвует одновременно по три-четыре тиристора в анодной и катодной группах управляемого выпрямителя, соответственно, и три-четыре фазы вторичной обмотки ТВП. За счет этого действующее значение тока в тиристорах и обмотках МСВ уменьшается примерно в 1,8 раза по сравнению с классическими вариантами выпрямителей, что обуславливает повышение КПД и коэффициента мощности МСВ.

6. Осциллографирование токов, потребляемых сварочными выпрямителями из сети, показало, что форма кривой тока МСВ-301 ближе к синусоидальной по сравнению с ВДУ-3020: при работе на статическую нагрузку с уставкой тока 100 А коэффициент искажения синусоидальности кривой тока X/ был равен 12,04% для МСВ-301 и 20,44% для ВДУ-3020.

7. Полученные экспериментально значения энергетических показателей МСВ-301- КПД (84%) и коэффициент мощности (0,85) — превышают эти же параметры распространенного сварочного выпрямителя ВДУ-3020 — 70% и 0,62 — соответственно, что обеспечивает годовую экономию электроэнергии в расчете на один аппарат в размере более 17%.

8. Произведена оценка технико-экономических показателей разработанного сварочного выпрямителя типа МСВ-301: чистый дисконтированный доход от реализации проекта за 5 лет составит 686,48 тыс. руб., динамический срок окупаемости — 3,8 года.