ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Интегрированный интеллектуальный электропривод с микропроцессорным управлением на базе индукторного электродвигателя для сепаратора сливкоотделителя»

Рекомендуемая область пременения

Пищевая промышленность, различные виды бытовой, промышленной и медицинской техники

Назначение, цели и задачи проекта

Цель проекта

Создание индукторных электроприводов для бытовых сепараторов-сливкоотделителей на базе индукторного двигателя с электронным управлением и открытие производства бытовых приборов сепараторов-сливкоотделителей с интеллектуальными электроприводами, обладающих улучшенными потребительскими свойствами.

Назначение проекта

Настоящий проект направлен на создание и развитие мехатронных и энергосберегающих технологий в области бытовой техники. Индукторные электроприводы с электронным управлением предназначены для бытовых приборов, работающих от индукторного двигателя, изготовляемых для нужд народного хозяйства. Данная разработка способствует улучшению потребительских свойств сепараторов, применяемых на российском рынке. Благодаря этой разработке будет достигнута существенная экономия меди, электротехнической стали, электроэнергии, повышается надежность, безопасность, время непрерывной работы и экологичность оборудования и трудовых затрат для страны.

Задачи проекта       

 Для решения существующей проблемы и достижения поставленной цели в первый год реализации проекта необходимо решить следующие задачи:

1.Провести оптимизацию конструкции однофазного реактивно-индукторного двигателя с целью повышения технологичности изготовления, повышения коэффициента полезного действия и минимизации стоимости привода.

2.Провести конструкторскую проработку электропривода с целью миниатюризации платы блока управления и последующего размещения ее внутри электродвигателя.

3. На компьютерных моделях провести расчетные исследования динамических режимов работы привода и разработать эффективный алгоритм управления его работой.

Разработать для микроконтроллера управляющую программу, реализующую созданный алгоритм управления электроприводом.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

В настоящее время в стране ежегодно изготавливается около 150 тысяч бытовых сепараторов-сливкоотделителей. Наиболее слабым звеном сепараторов является морально устаревший электродвигатель коллекторного типа. Он имеет низкую надежность (отказы составляют до 30 %), неудовлетворительный рабочий ресурс (не более 600 ч), вреден для здоровья (наличие щеточной пыли). Кроме того, при снижении напряжения в сети до 200 вольт и менее, что в сельских районах не редкость, сепаратор на базе коллекторного двигателя перестает выполнять свою основную функцию – обеспечивать скорость, требуемую для разделения молока на сливки и обрат.

Отечественным аналогом предлагаемого для коммерциализации интегрированного индукторного электропривода является коллекторный электропривод, который применяется для сепараторов уже более 40 лет. Изделия морально устарели и не соответствуют современным требованиям к бытовой технике, где наблюдается широкое использование микропроцессорной техники и современной элементной базы.

Наиболее близким решением проблемы является применение регулируемого асинхронного электропривода с полым ротором или вентильного привода.

Асинхронный электропривод будет иметь блок управления по цене, близкой или выше предлагаемого варианта, а изготовление асинхронного электродвигателя будет дороже, чем индукторного. Кроме того, в условиях повышенных вибраций работы сепаратора вероятность отказов в области лобовых частей, т. е. в месте пересечения и наложения распределенной обмотки, резко возрастает.

Применение вентильного регулируемого электропривода также возможно, но стоимость электронного блока также будет более высокой.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

В настоящее время в России для крестьян, держащих от 1 до 5 коров, бытовой сепаратор-сливкоотделитель является основным средством для переработки молока. Однако широко применяемый в бытовой технике коллекторный электродвигатель не позволяет обеспечить достаточную надежность и долговечность. Время непрерывной работы сепаратора с коллекторным электродвигателем ограничено (30…40 мин), так как при работе коллекторный электродвигатель сильно нагревается, и требуется время для его остывания. При заклинивании вала такой электродвигатель сгорит менее чем через 30 с. Поэтому электропривод с коллекторным электродвигателем, как правило, отрабатывает всего один-два сезона и выходит из строя. При снижении напряжения в сети до 200 вольт и менее, что в сельских районах не редкость, сепаратор на базе коллекторного двигателя из-за снижения оборотов двигателя перестает выполнять свою основную функцию – разделение молока на сливки и обрат. Кроме того, коллекторный двигатель не экологичен из-за выделения вредной щеточной пыли.

Решением этих проблем и станет настоящий проект, направленный на создание интегрированного индукторного электропривода.

Быстрое развитие индустрии производства электронных компонентов в последнее десятилетие дало мощный импульс разработкам в области регулируемых электроприводов. Объединение современных возможностей микропроцессорного управления, силовой электроники на основе IGBT-транзисторов и новой конструкции электродвигателя индукторного типа позволяет создать концептуально новый электропривод, превосходящий традиционный коллекторный электропривод.

В ходе реализации проекта планируется разработка и постановка на производство электропривода индукторного типа в новом интегрированном исполнении.

За счет объединения в едином конструктивном модуле микропроцессорной системы управления, силовой электроники и собственно двигателя будут достигнуты компоновочные свойства привода, которые позволят его применение вместо коллекторного в сепараторах, выпускаемых различными предприятиями России. В результате открывается возможность отдельного производства электроприводов индукторного типа и их поставки производителям сепараторов.

Предлагаемый интегрированный индукторный электропривод сепаратора-сливкоотделителя, обеспечивая широкий диапазон рабочих частот вращения, имеет преимущества перед существующим коллекторным по ряду показателей: надежность, ресурс, регулируемость, независимость оборотов от напряжения сети, экологичность. При этом содержание меди в индукторном двигателе значительно меньше, чем в коллекторном.

В предлагаемом участниками интегрированном индукторном электроприводе применены новые конструктивные и технологические решения, а именно:

• уменьшены размеры магнитопровода;
• применена новая конструкция датчика положения ротора, позволяющая исключить операции настройки датчика;
• разработано новое интегрированное исполнение размещены в едином конструктивном модуле ИД и электронный блок;
•  предлагается конструкция, позволяющая предельно упростить процесс сборки электропривода.

В блоке управления установлен микропроцессор, который управляет электродвигателем и режимами работы сепаратора. Использование такого типа привода в сепараторе позволит, не останавливая процесса сепарирования, изменять свойства сливок, т.е. изменяя обороты привода можно получать жидкие или густые сливки. Кроме того, микропроцессор позволяет защитить двигатель от сгорания обмотки из-за заклинивания ротора, которое может произойти по различным причинам.

Магнитная система однофазного индукторного электродвигателя выполняется с двумя полюсами, на каждом из которых выполнено по два зубца. Статорная обмотка выполнена в виде двух катушек, изготовленных на пластмассовом каркасе, внутри каркаса между зубцами установлен стартовый магнит, который обеспечивает стартовую позицию ротора. Магнитопровод ротора имеет шесть зубцов, обмотка отсутствует. Пакет ротора заливается пластмассой и полностью изолирован от вала, а статор размещен в пластмассовых щитах, что обеспечивает второй класс защиты по безопасности. На роторе выполнены зубцы датчика положения, которые взаимодействуют с блоком управления. В блоке управления установлен микропроцессор, в который зашита программа управления электродвигателем и режимы работы сепаратора: четырехкратная проба повторного пуска при отказе запуска, отключение привода при увеличении момента сопротивления в случае сильного износа подшипников или чрезмерного небаланса барабана сепаратора, медленный разгон привода в течение двух минут, поддержание числа оборотов привода с точностью до одного оборота в минуту, обеспечение работоспособности при снижении питающего напряжения до 150 В, ограничение максимального числа оборотов при любом значении питающего напряжения.

Основные характеристики продукта

Индукторные электроприводы интегрированного исполнения предназначены для бытовых сепараторов-сливкоотделителей, изготовляемых для нужд народного хозяйства, эксплуатируемых в условиях умеренного и холодного климата. Класс защиты - II, исполнение - каплезащищенное. Основные параметры электропривода представлены в таблице:

Конструкция корпусных деталей и других узлов электродвигателя, расположение блока управления будут разрабатываться с учетом обеспечения возможности технологии сборки, исключающей операции настройки.

Работы по теме будут выполняться с использованием:

- методов математического моделирования магнитных полей и электромагнитных процессов в электромеханике – для исследования и поиска оптимальных режимов работы системы «механическая нагрузка на валу + индукторный двигатель + силовая электроника + микропроцессорная система управления».

- методов экспериментального исследования натурных образцов – для подтверждения работоспособности основных технических идей.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Анализ нормативно-производственных и потребительских параметров показал, что по конкурентоспособности предлагаемый интегрированный индукторный электропривод превосходит аналог, что свидетельствует о целесообразности коммерциализации проекта его разработки и производства.

Благодаря улучшению потребительских свойств привода появится возможность достижения годового объема производства и продаж, как минимум, до 40…50 тыс. электроприводов. При этом большая часть продукции будет поставляться на предприятия по производству сепараторов в другие регионы России, а так же появится возможность поставки на экспорт (в частности, в Турцию).

В процессе реализации проекта предполагается получить следующие технико-экономические показатели, параметры и характеристики объекта разработки:

- высокие характеристики по надежности и минимальную стоимость для регулируемых индукторных электроприводов бытовой техники;

- стабильность выходных характеристик электроприводов в диапазоне изменения напряжения от 150 В до 250 В;

-  повышение коэффициента полезного действия привода по сравнению с существующими аналогами на 5…10 %;

- радиопомехи, создаваемые электроприводами при нормальной эксплуатации, не должны превышать значений, допускаемых ГОСТ 23511-79.

Таким образом, будут улучшены потребительские свойства значительной части сепараторов на российском рынке. Благодаря большому ресурсу индукторных двигателей (примерно в 10 раз выше, чем у коллекторных) будет достигнута существенная экономия меди, электротехнической стали, электроэнергии и трудовых затрат для страны.

Расчет ориентировочной цены электропривода сепаратора представлен в таблице:

Планируемые объемы выпуска электроприводов сепаратора – 35…40 тыс. штук в год. Прогнозы на объем продаж основываются на заинтересованности в электроприводе потенциальных заказчиков. Мы имеем письма-намерения с подтверждением закупаемых объемов.

Планируется следующий расчет оборота средств (пессимистичный прогноз):

- закупка комплектующих и изготовление электропривода с момента получения заявки 60 дней;

- транспортировка продукции 10 дней;

- оплата продукции 10 дней.

Итого: время с момента закупки комплектующих до получения средств за отгруженные приборы 80 дней, или около 4-5 оборотов в год.

Разработанный вариант электропривода способен продержаться на рынке не менее 10 лет, с учетом своевременной модернизации на базе новейших электронных компонентов и материалов.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Интегрированный интеллектуальный электропривод с микропроцессорным управлением превосходит свой аналог (коллекторный электропривод) по целому ряду показателей:

- энергосбережение: потребляемая мощность в 1,5 раза меньше;

- экономия цветных металлов: содержание меди в 10 раз меньше;

- снабжен автоматической защитой двигателя от заклинивания или затирания при случайном перекосе посуды;

- позволяет регулировать качество сливок, не прерывая процесса сепарирования (путем изменения оборотов электродвигателя);

- надежность: рабочий ресурс, как минимум, в 10 раз больше;

- время непрерывной работы: не ограничено (у коллекторного не более 30 мин);

- способен стабильно работать при значительных отклонениях напряжения питающей сети от 150 В до 242 В;

- экологичность: отсутствует щеточная пыль.

Новые потребительские свойства продукции

Улучшение потребительских качеств бытовых приборов с разрабатываемым интегрированным интеллектуальным электроприводом за счет увеличения срока эксплуатации и надежности, а также за счет снижения энергоемкости приборов.
Достижение экологичности приборов.
Достижение стабильности работы приборов при перепадах напряжения в питающей сети.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Электроприводы разрабатываются с учетом обязательных требований стандартов, распространяющихся на данный вид продукции:
ГОСТ 12.1.004-91 ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования
ГОСТ 23511-79 Радиопомехи индустриальные от электротехнических устройств, эксплуатируемы в жилых домах или подключаемых к их электрическим сетям. Нормы и методы измерений.
ГОСТ 23941-79 Шум. Методы определения шумовых характеристик. Общие требования.
ГОСТ 30405-96 Сепараторы бытовые. Требования безопасности и методы испытаний.
ГОСТ Р МЭК 335-1-94 Приборы электрические бытовые. Предельные уровни шума и методы определения.
ГОСТ Р МЭК 335-1-94 Безопасность бытовых и аналогичных электрических приборов.
СТ СЭВ 4672-84 Дополнительные требования к кухонным машинам и методы испытаний.
ГОСТ Р МЭК 335-2-14-96 Безопасность бытовых и аналогичных электрических приборов. Общие требования и методы испытаний.

Стадия и уровень разработки

Научный результат, предлагаемый для коммерциализации, был получен на основе исследований, проведенных участниками проекта. Финансирование разработки осуществлялось за счет средств ООО НПП «Эметрон», учредителями которого являются участники проекта. Работы проводились в соответствии с тематикой исследований по созданию перспективных конкурентоспособных интеллектуальных электроприводов для различных видов бытовой, промышленной и медицинской техники. Основные технические решения, заложенные в конструкцию интегрированного электропривода к настоящему времени защищены патентами.
В результате выполнения НИОКР предполагается получить следующие результаты:
1. новые конструктивные решения и алгоритмы управления однофазными реактивно-индукторными двигателями, обеспечивающие устойчивый пуск;
2. управляющие программы для микроконтроллеров, реализующие разработанные алгоритмы;
3. серийное производство интегрированных регулируемых электроприводов для сепараторов-сливкоотделителей на производительность от 50 л/час до 150 л/час мощностью от 50 до 150 Вт;
4. действующие экспериментальные макеты интегрированных электроприводов;
5. методику расчета основных узлов.
Для реализации проекта необходима разработка новой оснастки для изготовления электропривода. Для разработки новой оснастки будут привлекаться соисполнители – предприятия, на производственной базе которых в дальнейшем планируется изготавливать комплектующие электропривода. Сборка электропривода будет производиться на вновь создаваемом предприятии и, благодаря упрощенным конструкции электропривода и технологии сборки, не потребует специального оборудования и длительного обучения кадров.

Предлагаемые инвестиции

21,5 млн. руб.

Рынки сбыта

В настоящее время направление по исследованию и созданию индукторных электроприводов во всех технически развитых странах, в том числе и в России, интенсивно развивается. Толчком для этого процесса послужило появление силовых электронных приборов типа IGBT. Оказалось, что электронные преобразователи, собранные на их базе, наилучшим образом сочетаются с двигателями индукторного типа. По энергетической эффективности и регулировочным свойствам индукторные электродвигатели оказались существенно лучше, чем получившие широкое распространение частотно-регулируемые асинхронные.
Основными сегментами рынка являются:
1.Южный регион – Ростовская обл., Волгоградская обл.; Ставропольский край, Краснодарский край, Дагестан. Эти рынки охватывает ООО ПП «Ирид», которое будет закупать приводы у вновь созданного предприятия.
1.Центральная Россия. Эти рынки охватывает ОАО «Пензмаш», г. Пенза, которое будет закупать электроприводы у вновь созданного предприятия или обменивается комплектами на сепаратор с ПП «Ирид».
2.Сибирь. Эти рынки охватывает ФГУП ПО «Полет» (г. Омск), которое будет закупать электроприводы у вновь созданного предприятия. Тенденции роста сегментов рынка.
Разработанная конструкция интегрированного индукторного электропривода для сепараторов-сливкоотделителей может с успехом применяться в медицинских электроинструментах, применяемых для производства зубных протезов и в хирургической электропиле. Такое применение электропривода прошло апробацию, и после проведения необходимых сертификационных испытаний в составе этих изделий необходимое количество электроприводов будет включено в общий объем производства. Ориентировочная потребность: электропривод электроинструмента для производства зубных протезов –1500 шт. в год.
Потенциальные потребители
Основными потребителями, от которых получены письма-заявки на электроприводы для сепаратора, являются:
1.ООО ПП «Ирид» (г. Новочеркасск);
2.ОАО «Пензмаш» (г. Пенза);
3.ФГУП ПО «Полет» (г. Омск).
Потенциальные потребители, выразившие заинтересованность в электроприводах:
1.Технопарк ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск;
2. ОАО «Плавский машзавод «Смычка» (г. Плавск).

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемое в проекте оборудование соответствует требованиям к аналогичному оборудованию и получаемой продукции на мировом рынке.

Возможность выхода на мировой рынок

Реализация проекта дает возможность выхода на мировой рынок с продажей готового оборудования.

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

21.06.2007