CC BY
17
УДК 631.3-1/-9
к вопросу об эффективном использовании мобильных машин в АПК
Т.М. ХАЛИНА, доктор технических наук, профессор (e-mail: [email protected])
М.И. СТАЛЬНАЯ, кандидат технических наук, профессор (e-mail: [email protected])
С.Ю. ЕРЕМОЧКИН, кандидат технических наук, доцент (e-mail: [email protected])
Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова, просп. Ленина, 46, Барнаул, 656038, Российская Федерация
Резюме. На сегодняшний день ситуация в сельском хозяйстве России складывается таким образом, что при наличии достаточных запасов природных и техногенных ресурсов для производства продовольствия внутри страны в полном объеме, фактически его доля составляет только половину необходимого количества. При этом огромную роль в покрытии дефицита продуктов питания отводят фермерским и личным подсобным хозяйствам населения. Развитие сельскохозяйственного производства стало толчком к разработке ряда новых мобильных электрифицированных машин. Одно из основных средств для приведения в движение почти всех указанных машин - электродвигатель. В электроприводе мобильных машин в большинстве случаев используют трехфазные асинхронные короткозамкну-тые электродвигатели. Однако в сельской местности отсутствует трехфазная сеть, а питание осуществляется посредством однофазной сети, в связи с чем возникает проблема обеспечения их запуска, решить которую можно с помощью специального частотного преобразователя векторно-алгоритмического типа. Для оценки его эффективности, проведены экспериментальные исследования механических и энергетических характеристик электропривода. Трехфазный электродвигатель, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети с помощью предложенного преобразователя, устойчиво работает с моментом на валу равным номинальному; при номинальном моменте на валу электродвигателя скорость на 7 % ниже номинальной; электродвигатель выпадает из асинхронного режима при повышении момента на валу более 114 % от номинального значения; пусковой и критический моменты равны соответственно 66 и 74 % от номинальных значений. Себестоимость разработанного преобразователя векторно-алгоритмического типа для электро -двигателя мощностью 0,75 кВт составялет около 1100 руб. Общая годовая экономия электрической энергии - 928,5 руб. Ключевые слова: электродвигатель, частотный преобразователь, рабочие характеристики, механические характеристики, мобильные машины.
Дляцитирования:Халина Т.М., СтальнаяМ.И., ЕремочкинС.Ю. К вопросу об эффективном использовании мобильных машин в АПК//Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. №3. С.
Сегодня развитию сельского хозяйства в России уделяют все большее внимание. По итогам 2015 г. отрасль стала одним из лидеров по росту производства. Для улучшения условий работы сельскохозяйственных комплексов и фермерских хозяйств, повышения производительности труда и увеличения выпуска готовой продукции используют различные технологические комплексы и электрифицированные механизмы.
Развитие сельскохозяйственного производства стало толчком к разработке ряда новых мобильных электрифицированных машин: передвижных механических транспортеров и кормораздатчиков, измельчителей грубых кормов, кормодробилок, электронасосов, индивидуальных доильных аппаратов и др. Реализация основных потребительских свойств мобильных сельскохозяйственных машин, механизмов и агрегатов происходит в процессе их движения. В электроприводе мобильных машин в большинстве случаев используют трехфазные асинхронные короткозамкнутые электродвигатели, по-
лучающие питание через гибкий кабель, который разматывается с барабана, расположенного на агрегате. Зачастую, площадь обслуживаемых и обрабатываемых участков может достигать значительных размеров и при использовании трехфазной системы электроснабжения происходит увеличение стоимости всей мобильной техники. Использование для питания однофазной системы электроснабжения позволит снизить стоимость, а также габариты мобильных сельскохозяйственных машин благодаря применению более дешевого и менее габаритного кабеля с меньшим числом жил.
Кроме того, в крупных хозяйствах обычно существует несколько структурных подразделений, занятых обработкой и хранением различных сельскохозяйственных культур и рассредоточенных по большой территории. И если в главных подразделениях трехфазная сеть имеется, то в отдаленных филиалах обычно проведена только однофазная сеть, что осложняет запуск мобильных машин [1, 2]. В связи с этим, актуальным становится вопрос обеспечения надежной работы трехфазных асинхронных двигателей мобильных сельскохозяйственных электрифицированных машин от однофазной сети переменного тока.
На сегодняшний день существуют три основных способа питания трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети: прямое включение; использование емкостных или индуктивно-емкостных фазосдвигающих цепей; запуск и работа с помощью частотного преобразователя [3].
Главный минус первых двух способов - низкое значение момента и развиваемой мощности электродвигателя по причине эллиптической формы электромагнитного поля статора, а также необходимость (при втором способе) набора конденсаторов различной емкости при разной нагрузке. Применение известных частотных преобразователей с явно выраженным звеном постоянного тока в однофазной сети для питания трехфазных асинхронных электродвигателей в ряде случаев экономически не целесообразно [4-9].
В связи с изложенным, на кафедре «Электротехника и автоматизированный электропривод» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова был разработан новый способ векторно-алгоритмического управления трехфазным асинхронным электродвигателем, обеспечивающий повышение энер-
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема однофазно-трёхфазного транзисторного преобразователя частоты, ведомого сетью.
Л 2 л t л 4 .А, 6 . к 1 2 3 л а 5 х ( G ... 1 2 X 1 3 4 3 б л 2 3 л 4 3 3 ш 1. т
и н т
Г—
-
—1
—|
tat 554 3F
—
—1
-
I I
_ _ 1 _
Рис. 2. Циклограмма открытия транзисторов для вращения двигателя на повышенной скорости в прямом направлении (1,3юн)
гетических характеристик, а также возможность регулирования угловой скорости электродвигателя мобильной машины [10].
вращающееся магнитное поле, состоящее из фиксированных положений магнитной индукции. Для его формирования в статорной обмотке необходимо использовать систему управления, обеспечивающую открытие транзисторов в определённой последовательности (рис. 2).
Вращение электродвигателя на повышенной скорости в прямом направлении происходит следующим образом. В начале положительной полуволны при одновременной подаче сигналов на базы транзисторов VT4, УГ5, VT9 ток по обмотке L1 будет протекать в обратном направлении, по обмоткам L2 и L3 - в прямом направлении, создавая тем самым суммарный магнитный поток в направлении, показанном стрелкой 1 (рис. 3, а). В следующий момент времени при одновременной подаче сигналов на базы транзисторов VT4, VT8, УГ9 ток по обмоткам L1 и L2 будет протекать в обратном направлении, по обмотке L3 - в прямом направлении, создавая тем самым суммарный магнитный поток в направлении, показанном стрелкой 2 (рис. 3, а). Далее схема работает аналогичным образом, и магнитный поток совершает полный круг. В соответствии со схемой однофазно-трёхфазного транзисторного преобразователя частоты, ведомого сетью (см. рис. 1), была разработана система
управления преобразователя (рис. 4).
Рис. 3. Векторная диаграмма вращения, состоящая из фиксированных положений векторов магнитной индукции (1-6) для прямого (а) и обратного (б) направления вращения
Цель наших исследований - разработка силовой электрической схемы частотного преобразователей, основанного на принципе векторно-алгоритмического управления, для трехфазного асинхронного электродвигателя при питании от однофазной сети, а также системы автоматического управления с заданными эксплуатационными показателям.
Условия, материалы и методы. На основании метода векторно-апгоритмического управления разработано несколько схем управления электродвигателем для различных механизмов и агрегатов. В случае необходимости обеспечения регулирования угловой скорости трехфазного электродвигателя, при соединении обмоток статора по схеме звезда, возможно использование однофазно-трехфазного частотного регулятора скорости (рис. 1) [11].
Суммарный магнитный поток, протекающий по обмоткам электродвигателя, должен создавать круговое
Рис. 4. Блочная система управления разрабатываемого устройства: БП - блок питания; ДП - датчик полуволны; ГР -гальваническая развязка; БУ - блок усиления; ЭД - электродвигатель.
Система управления для открытия транзисторов в определённой последовательности должна иметь следующие входные сигналы: пуск, стоп, реверс, сигналы с датчиков положительной и отрицательной полуволн, сигналы на включение номинальной, пониженной и повышенной скорости вращения электродвигателя. В качестве выходных сигналов она должна иметь сигналы на открытие транзисторов VT1-VT12. То есть всего 8 входных и 12 выходных сигналов.
Рис. 5. Моделирование работы в программе Proteus.
Рис. 6. Система автоматического управления полупроводникового преобразователя.
Для питания микроконтроллера схемы управления необходимо 5 В постоянного тока. Для этого реализован простой блок питания, состоящий из одной из двух вторичных обмоток трансформатора Tri, диодного моста VDS1, конденсаторов С1 и С2, а также микросхемы VR1 - стабилизатора напряжения. Датчик положительной и отрицательной полуволны выполнен на второй вторичной обмотке трансформатора Tri, оптопарах Т1 и Т2, а также ограничивающих ток резисторах R1-R3. Для задания тактовой частоты работы микроконтроллера в схеме присутствует система из
Предъявляемые требования к системе управления: кварцевого резонатора Z, а также конденсаторов С3 и быстродействие, высокая точность, компактность, деше- С4. Гальваническую развязку между схемой управле-визна. Поэтому было принято решение разрабатывать ния и силовой схемой обеспечивают оптопары Т3-Т14. схему управления устройством на базе программируемого Для соединения схемы управления и силовой схемы на микроконтроллера. В соответствии с циклограммами выходах оптопар расположены клеммы К1-К18. Также открытия транзисторов VT1-VT12 и принципом работы на схеме присутствуют кнопки управления: S1 - стоп, микроконтроллера был составлен алгоритм ее работы. S2 - реверс, S3 - пуск, S4 - включения пониженной Корректность работы системы управления проверяли в программной среде Proteus. Моделировали сигналы с датчиков полуволны, приходящие на входы РВ4 и РВ5, кнопки для подачи сигналов пуск, стоп, реверс, а также выбор пониженной, повышенной или номинальной скорости вращения двигателя. На выходах модели микроконтроллера стояли осциллографы для снятия выходных характеристик (рис. 5).
В программной среде Proteus Design Suite были смоделированы все основные части схемы управления: микроконтроллер Atmega 8 с вшитой управляющей программой, кнопки пуск, стоп, реверс, выбора пониженной, номинальной или повышенной скорости вращения электродвигателя, сигналы с датчиков положительной и отрицательной полуволн. Выходные сигналы с микроконтроллера для открытия транзисторов VT1-VT2 отслеживали с помощью виртуальных осциллографов 01-О4.
На следующем этапе провели разработку принципиальной электрической схемы системы автоматического управления (рис. 6).
Рис. 7. Принципиальная электрическая схема силовой части полупроводникового преобразователя.
пусковой момент электродвигателя, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети с помощью разработанного преобразователя (искусственная характеристика 1), равен 0,079 Нм, что составляет 66 % от пускового момента (0,12 Нм) электродвигателя от трехфазной сети переменного тока (естественная характеристика 2). Критический момент равен соответственно 0,134 Нм (74 %) и 0,182 Нм. При номинальном моменте сопротивления скорость электродвигателя при работе на искусственной характеристике (точка А1) меньше скорости электродвигателя при работе на естественной характеристике (точка А2) на 7 %, что незначительно уменьшает производительность электропривода с трехфазным электродвигателем, питание которого осуществляется от однофазной сети посредством векторно-алгоритмической коммутации статорных обмоток. Падение скорости с увеличением момента сопротивления выше номинального, при работе на искусственной характеристики, обусловлено увеличением влияния обратной составляющей момента двигателя.
рис. 8. Блок схема лабораторной установки.
скорости, S5 - включения номинальной скорости, S6 - включения повышенной скорости.
Ток с выходов микроконтроллера недостаточен для открытия транзисторных ключей УГ13-УГ24. Для решения этой проблемы использовали усилители, состоящие из независимых блоков питания (обмотки трансформаторов Тг2-Тг3, диодные мосты VDS2-VDS7, конденсаторы С3-14, микросхемы VR2-VR7) и транзисторов VT1-VT12 (рис. 7). Резисторы R10-R15 необходимы для ограничения токов, протекающих через коллектор-эмиттер транзисторов VT1-VT6, резисторы R4-R9 - для ограничения токов, протекающих по оптопарам Т3-Т14 схемы управления.
С целью проверки эффективности разработанного преобразователя были проведены экспериментальные исследования механических и энергетических характеристик электродвигателя (тип двигателя АИС56В4, Рн=16 Вт, ин=220/380 В, 1н=0,19/0,1 А, пн=1300 об/мин, р=2, Х=1,6) [12-15] с использованием лабораторной установки (рис. 8).
результаты и обсуждение. Из тахограмм разгона и торможения электродвигателя (рис. 9) видно, что до скорости 1200 об/мин он разгоняется за 0,99 с, а время его торможения свободным выбегом с вентиляторной нагрузкой составляет 2,7 с.
Анализ зависимости скорости электродвигателя ю от момента на его валу (рис. 10) свидетельствует, что
со, ря I' "
А2 Л-
В
> --
/ / / * *
с * /
рис. 9. Тахограммы: а) разгона электродвигателя с вентиляторной нагрузкой; б) торможения электродвигателя с вентиляторной нагрузкой свободным выбегом.
рис. 10. Зависимость скорости электродвигателя ю от момента на его валу: 1 - запуск и работа электродвигателя осуществляется от однофазной сети с помощью разработанного преобразователя; 2 - запуск и работа электродвигателя осуществляется от трехфазной сети (естественная характеристика)
Себестоимость разработанного преобразователя векторно-алгоритмического типа для электродвигателя мощностью 0,75 кВт составялет около 1100 руб. Для оценки экономии электрической энергии сравним разработанный электропривод с трехфазным асинхронным электродвигателем и преобразователем векторно-алгоритмического типа с электроприводом с однофазным асинхронным электродвигателем. Установленная мощность трехфазного асинхронного электродвигателя (0,75 кВт, ин=220/380 В, 1н=3,3/1,9 А, пн=1350 об/мин) составляет 0,75 кВт, при этом кратность пускового момента к номинальному равна 2,5 [16]. У однофазного электродвигателя мощностью 0,75 кВт кратность пускового момента к номинальному составляет всего 0,55 и при использовании в модернизируемом оборудовании он не может обеспечить необходимый пусковой момент для стабильной работы механизма из-за того, что величина пускового момента электродвигателя ниже момента сопротивления на его валу. В связи с этим, при использовании в модернизируемом электроприводе однофазного электродвигателя его мощность необходимо увеличить до 1,1 кВт. В этом случае потребляемая из сети активная мощность составит 1294 Вт, тогда как у трехфазного электродвигателя она равна 1000 Вт. Следовательно, экономия электрической энергии составит [17]:
Эа = Я^ - Р^ =1294-1000 = 294 (Вт),
где Р - активная мощность, потребляемая из сети од- преобразователь векторно-алгоритмического типа
нофазным электродвигателем; Р3фдв - активная мощность, может быть с успехом использован в трехфазном
потребляемая из сети трехфазным электродвигателем. электроприводе мобильных сельскохозяйственных
Общую годовую экономию Ээ электрической энергии машин при питании от однофазной сети переменного
в первый год можно рассчитать по формуле: тока. Он обеспечивает функционирование трехфазных
noQAo-iionQ асинхронных короткозамкнутых электродвигателей
Э3 =—-—=—----3,24 = 928,5 руб. мобильных сельскохозяйственных машин при питании
0,65
от однофазной сети переменного тока в энергоэффек-
где Р — сэкономленная мощность за час, Т - годовое тивных режимах. При этом электродвигатель устойчиво
время работы оборудования, кт - коэффициент исполь- работает с моментом на валу равным номинальному;
зования по времени, кпот - коэффициент, учитывающий при номинальном моменте на валу электродвигателя
потери, Цэ - цена электроэнергии для предприятий. скорость на 7 % ниже номинальной; электродвигатель
В результате проведенных расчетов установлено, выпадает из асинхронного режима при повышении мо-
что преобразователь векторно-алгоритмического мента на валу более 114 % от номинального значения;
типа для электродвигателя мощностью 0,75 кВт обе- пусковой и критический моменты составляют 66 и 74 %
спечивает годовую экономию электрической энергии соответственно от номинальных значений. Экономия
на сумму 928,5 руб. электрической энергии при использовании разрабо-
выводы. Таким образом, в результате проведен- танного преобразователя в электроприводе мощностью
ных исследований установлено, что разработанный 0,75 кВт составляет 294 Вт за час работы.
Литература.
1. Алиев И.И. Асинхронные двигатели в трехфазном и однофазном режимах: учебное пособие. М.: Издательское предприятие РадиоСофт, 2004. 128 с.
2. Обоснование необходимости разработки нового метода управления трехфазным асинхронным электродвигателем при питании от однофазной сети/ Т.М. Халина, А.И. Тищенко, С.Ю. Еремочкин, Т.Н. Пивкина //Ползуновский вестник. 2014. № 4. С. 230-234.
3. Электропривод и электрооборудование: учебное пособие для высших технических учебных заведений/ А.П. Коломиец, Н.П. Кондратьева, И.Р. Владыкин, С.И. Юран. М.: КолосС, 2006. 328 с.
4. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1998. 704 с.
5. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1992. 544 с.
6. Онищенко Г.Б. Электрический привод. М.: РАСХН, 2003. 320 с.
7. Основы автоматизированного электропривода/М.Г. Чиликин, М.М. Соколов, В.М. Терехов, А.В. Шинянский. М.: Энергия, 1974. 568 с.
8. Бирюков С. Три фазы - без потери мощности //Радио. 2000. № 7. С. 37.
9. Мухин М. Трехфазный ток - это очень просто // Радио. 1999. № 11. С. 54.
10. Еремочкин С.Ю. Алгоритмическая система управления трехфазным асинхронным двигателем // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2012. № 3. С. 136-139.
11. Стальная М.И., Еремочкин С.Ю. Однофазно-трехфазный широкополосный транзисторный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью//Патент 151766 РФ № 2014130479/07, опубл. 20.04.2015, Бюл. № 11.
12. Мельников C.B., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Л.: Колос, 1980. 168 с.
13. Еремочкин С.Ю. Исследование и расчет механической характеристики трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, запуск и работа которого осуществляется от однофазной сети посредством векторно-алгоритмической коммутации статорных обмоток//Ползуновский вестник. 2013. № 4-2. С. 72-77.
14. Халина Т.М., Стальная М.И., Еремочкин С.Ю. Векторно-алгоритмический метод круговых диаграмм для расчета электрической мощности и электромагнитного момента на валу трехфазного асинхронного короткозамкнутого двигателя при питании от однофазной сети // Вестник алтайской науки. 2013. № 2-1. С. 98-101.
15. Мельников C.B., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Л.: Колос, 1980. 168 с.
16. Копылов И.П., Клоков Б.К. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. М.: Энергоатомиздат, 1988. Т. 1. 456 с.
17. Шпилько А. В. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. M.: РИЦ ГОС-НИТИ, 1998. 331 с.
to the question of effective use of mobile machines in the agro-industrial complex
T.M. Halina, М.I. Stalnaya, S.Yu. Eremochkin
I.I. PolzunovAltai State Technical University, prosp. Lenina, 46, Barnaul, 656038, Russian Federation
Abstract. Now the situation in the agricultural industry of Russia develops in such a way that in spite of adequate supplies of natural and technogenic resources for the production of food within the country to the full extent, its actual production is only a half of the necessary volume. At the same time, the huge part in covering the food deficit is assigned to farm enterprises and personal subsidiary farms. The development of agricultural production became an impulse to the development of new mobile electrified machines. One of the main means for the setting in motion of almost all specified machines is an electric motor. In the electric drive of mobile machines three-phase asynchronous short-circuited electric motors are used in most cases. However, in the rural zone, there is no three-phase network, and the power supply is performed by means of single-phase network. In this connection, there is a problem to start three-phase motors of mobile machines. To start the three-phase engines of mobile machines it is reasonable to use the special frequency converter of a vector-algorithmic type. For an efficiency evaluation of the developed converter, pilot studies of mechanical and energy characteristics of the electric drive were conducted. The three-phase electric motor, which starts and work is carried out from the single-phase network by means of the developed converter, steadily works at the moment on a shaft equal to nominal; in the case of the nominal moment on the electric motor shaft the speed is 7 % lower than nominal; the electric motor drops out of the asynchronous mode in the case of the increase in the moment on the shaft more than 114 % of the nominal rate; the starting and critical moments are 66 and 74 % respectively of nominal rates. The prime cost of the developed vector-algorithmic type converter electric motor with a capacity of 0.75 kW is about 1100 rubles. The general annual economy of electric energy is 928.5 rubles. Keywords: electric motor, frequency converter, performance characteristics, mechanical characteristics, mobile machines. Author Details: T.M. Halina, D. Sc. (Tech.), prof. (e-mail: [email protected]); M.I. Stalnaya, Cand. Sc. (Tech.), prof. (e-mail: vens-1@ yandex.ru); S.Yu. Eremochkin, Cand. Sc. (Tech.), assoc. prof. (e-mail: [email protected]).
For citation: Halina T.M., Stalnaya M.I., Eremochkin S.Yu. To the Question of Effective Use of Mobile Machines in the Agro-Industrial Complex. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2017. Vol. 31. No. 3. Pp. (in Russ.).
