CC BY
7
Виктор Гаврилович Петько, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, VGPetko@mail.ru
Андрей Петрович Козловцев, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, ap_kozlovcev@mail.ru
Максим Борисович Фомин, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, mbfom@mail.ru
Валерий Валерьевич Кононец, аспирант. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, kaf@orensau.ru
Маргарита Алексеевна Христиановская, соискатель. ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет ветеринарной медицины». Россия, 196084, Санкт-Петербург, ул. Черниговская, 5, ritakhristianovskaya98@gmail.com
Victor G. Petko, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, VGPetko@mail.ru
Andrey P. Kozlovtsev, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, ap_kozlovcev@mail.ru
Maxim B. Fomin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, mbfom@mail.ru
Valery V. Kanonets, postgraduate. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, kaf@orensau.ru
Margarita A. Khristianovskaya, research worker, Saint-Petersburg State University of Veterinary Medicine.
5, Chernigovskaya St., Saint-Petersburg, 196084, Russia, ritakhristianovskaya98@gmail.com
-♦-
Научная статья УДК 631.371
Разработка системы автоматического регулирования мгновенной мощности электропривода опорных тележек дождевальной машины кругового действия
Сергей Мударисович Бакиров
Саратовский ГАУ
Аннотация. В работе представлены способ, средства и теоретические положения повышения энергетической эффективности водораспределения дождевальными машинами кругового действия. Энергопотребление дождевальных машин формируется потребляемой мощностью электроприводами опорных тележек, а также временем их работы. В процессе движения дождевальной машины часто возникают случаи, когда для перемещения требуется меньшее количество энергии. Например, на движение вниз с верхней позиции рельефа требуется меньшее количество энергии. Однако система управления электроприводами учитывает только номинальные режимы работы и потребляемой мощности. В статье представлена разработка адаптивной системы автоматического управления мгновенной потребляемой мощности для перемещения дождевальной машины на основе программируемого логического контроллера и твердотельного реле. Установлено, что для дождевальных машин с аккумуляторным источником питания с помощью данной системы можно добиться снижения энергопотребления на перемещение до 16,3 % и увеличить продолжительность использования аккумуляторной батареи в 1,2 раза.
Ключевые слова: электрифицированные дождевальные машины, энергоэффективность, энергопотребление, электропривод, адаптивная система управления.
Для цитирования: Бакиров С.М. Разработка системы автоматического регулирования мгновенной мощности электропривода опорных тележек дождевальной машины кругового действия // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 1 (87). С. 167 - 171.
Original article
Development of an automatic control system for instantaneous power of an electric drive of the support trolleys of the circular action sprinkler machine
Sergey M. Bakirov
Saratov State Agrarian University
Abstract. The study presents a method, means and theoretical provisions for increasing energy efficiency of water distribution by sprinkler machines of circular action. The energy consumption of sprinkler machines is formed by the power consumption of the support trolleys electric drives and their operating time. During the movement of the sprinkler machine, there are often cases when less energy is required to move, for example,
moving down from the top position of the terrain. However, the control system of electric drives takes into account only the nominal operating models and power consumption. The study discusses the development of an adaptive system for automatic control of instantaneous power consumption for moving the sprinkler machine based on a programmable logic controller and a solid state relay. It was found that for sprinkler machines with a accumulator battery power source, this system can reduce energy consumption for movement up to 16,3 % and increase the accumulator battery life by 1,2 times.
Keywords: operation of electrified sprinkler machines, energy efficiency, power usage, electric drive, adaptive control system.
For citation: Bakirov S.M. Development of an automatic control system for instantaneous power of an electric drive of the support trolleys of the circular action sprinkler machine. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 87(1): 167 - 171. (In Russ.).
Нагрузка на электропривод опорной тележки ния продолжительности работы электропривода формируется в зависимости от положения ДМ. или мгновенной потребляемой им мощности. Очевидно, что при движении опорных тележек в Изменение потребляемой мощности можно обе-гору нагрузка будет больше, чем при движении со спечить путём изменения величины напряжения склона горы (рис. 1 А). В составе ДМ отдельные или длительности питающего импульса напряже-тележки могут быть в положении увеличенной ния (например, на основе широтно-импульсного и сниженной нагрузки (рис. 1 Б). регулирования) [2 - 6].
Вместе с этим при увлажнении грунта коэф- Принцип работы широтно-импульсного ре-фициент сцепления будет уменьшаться до мини- гулятора широко известен [2, 3]. Регулирование мального значения, тем самым снижая момент открытия полевого транзистора могут выполнять сопротивления качению [1]. операционные усилители [5] или интегральные
Материал и методы. Изменение момента микросхемы, позволяющие формировать времен-сопротивления качению сопровождается про- ной диапазон с задержкой обработки сигнала не порциональными изменениями потребляемой более 20 мкс. Более простая схема регулирования мгновенной мощности электропривода опорных может быть на базе твердотельных реле [5, 6], тележек в диапазоне от -Рдвт1-тт до -Рдвт1-тах. На структурная схема которой показана на рисунке 2. практике ориентируются на предельную макси- Напряжение питающего импульса твердо-мальную нагрузку, чтобы в любом положении тельным реле не регулируется и ограничено обеспечить поступательное движение ДМ. Однако значением напряжения аккумуляторной батареи. в моменты сниженной нагрузки избыток потре- Длительность импульса может быть задана бляемой электроэнергии для аккумуляторного вручную настройками задающего генератора источника питания приводит к уменьшению раз- импульсов на входных выводах твердотельного рядной ёмкости и соответственно к сокращению реле и с помощью датчиков и программируемо-продолжительности работы электропривода ¿р. го логического контроллера (ПЛК). В качестве Таким образом, разработка адаптивных датчика обратной связи можно использовать систем управления потребляемой мгновенной шунтовое сопротивление, на основе которого мощностью электропривода в соответствии с фиксировать значения изменения токов нагруз-нагрузкой позволит повысить энергетическую ки и соответственно потребляемой мощности в эффективность полива. промежутке времени.
Варьировать потребление энергии аккумуля- Однако для работы данной системы необходи-торным источником питания можно путём измене- мо разработать чувствительный элемент обратной
А
Plmiri- ,.
Б
Рис. 1 - Движение ДМ на площади с неровным рельефом
связи, который позволит получать информацию об изменении нагрузки (положение ДМ на рельефе перемещения, определяющее момент сопротивления качению колёс, влажность грунта, определяющая коэффициент сцепления колёс с грунтом, направление ветра и т. д.). Преобразуя информацию, поступающую от чувствительного элемента, с помощью ПЛК, можно сформировать управляющие сигналы твердотельного реле для изменения потребляемой мгновенной мощности электропривода. Рассмотрим такое регулирование при движении одной опорной тележки дождевальной машины.
Результаты исследования. Значение момента сопротивления качению колес Мс в каждый промежуток времени будет изменяться в соответствии с действием факторов, указанных на рисунке 2. Мощность на валу также будет изменяться. Потребляемая мгновенная мощность электродвигателя будет определяться значением фактического напряжения на зажимах и мгновенным значением тока, протекающего по обмоткам.
Задаваясь минимальным начальным значением ^эд-тш, величина которого определяется из минимально возможной потребляемой мощности -^двТ1-тш, необходимо фиксировать изменение тока в коротком промежутке времени. При его изменении в большую сторону А/ > 0,05 мА (на аналоговом токовом входе ПЛК [7]) следует увеличивать напряжение на зажимах на одну ступень А^Эд (на аналоговом выходе ПЛК) с помощью увеличения входного сигнала на твердотельном реле. Далее повторять измерения увеличения тока в обмотках двигателя и увеличивать напряжение АЦэд до тех пор, пока оно не будет соответствовать условию 0 < А/ < 0,05 мА, при котором устанавливается оптимальное значение потребляемой мощности при соответствующей нагрузке. В случае непрерывного измерения тока, когда А/ = 0, следует уменьшать напряжение на величину ступени Аиэд. Схема соединений аккумуляторной батареи, электродвигателя и устройств управления с учётом изменяющейся в процессе движения ДМ условий показана на рисунке 3.
пел / ЭП ^ 4 -7> VSV
Г
АКБ 1- е— ПЛК,__ о \ ОС
Изменение тока на линейном шунтовом резисторе фиксируется программируемым логическим контроллером (ПЛК), который изменяет входное напряжение на твердотельном реле, тем самым изменяя напряжение на зажимах электродвигателя постоянного тока непосредственно при движении опорной тележки. При этом программируемый логический контроллер обеспечивает следующий алгоритм работы:
1. Если ток в обмотках электродвигателя возрастает при минимальном заданном начальном напряжении на зажимах иэд-тщ за промежуток времени Аti:
о < 1лтж) < /й, (1)
где /2 и - значения тока в обмотках электродвигателя соответственно в моменты времени t2 и Н, А,
то напряжение на зажимах электродвигателя увеличивается на величину Аиэд, и алгоритм повторяется до тех пор, тока ток не перестанет расти, а его значение будет принадлежать диапазону: 0 < й(<И) < 0,05. (2)
2. Если же ток в обмотках электродвигателя не изменяется или уменьшается:
Л(Л) < 0, (3)
то напряжение на зажимах электродвигателя уменьшается на величину Аиэд, и алгоритм повторяется до тех пор, тока ток не будет соответствовать условию (3).
Интервал времени Аt = t2 - ^ между измерениями тока можно регулировать. Чем он меньше, тем чувствительней система и тем выше энергетическая эффективность управления дождевальной машиной. Временная диаграмма токов, напряжений и мгновенной мощности представлена на рисунке 4.
для более детального учёта потребляемой мгновенной мощности необходимо учитывать переходные процессы срабатывания устройств, интервалы времени обработки сигналов, чувствительность оборудования. На данном этапе можно оценить диапазон снижения энергопотребления дождевальной машины с использованием адаптивной системы управления движением опорных тележек (рис. 5).
Положение Дм
I
Влажность грунта
Направление ветра
Рис. 2 - Структурная блок-схема системы автоматического регулирования мгновенной мощности электропривода:
эП - электрический преобразователь на основе твердотельного реле; М - электропривод; ОС - обратная связь; ПСЛ - прибор синхронизации движения в линию; ПЛК - программируемый логический контроллер
Рис. 3 - Схема электрических соединений АКБ, электродвигателя М и устройств управления:
3 - 4 - выводы питания ПЛК; 1 - 2 - аналоговые входы ПЛК; 5 - 6 - аналоговые выходы ПЛК; Кш -шунтовый резистор (линейное сопротивление); ZS - твердотельное реле DC-DC
Рис. 4 - Упрощённая временная диаграмма токов, напряжений и потребляемой мгновенной мощности электропривода:
рдвТ1 - потребляемая мгновенная мощность; идв - мгновенное напряжение на зажимах электродвигателя; гдв - мгновенный ток, протекающий по обмоткам электродвигателя; ивых-плк - выходное напряжение ПЛК; гвх-плк - входной ток ПЛК; Дг - изменение тока в интервалах времени; Д^идк - ступень переключения выходного аналогового напряжения ПКЛ; ДиЭд - ступень переключения напряжения на зажимах электродвигателя
Рис. 5 - Снижение потребляемой мгновенной мощности Др' электродвигателя с использованием адаптивной системы управления
Вывод. Адаптивная система автоматического управления позволяет снизить потребляемую мгновенную мощность на 5,3 - 36,2 % в различных условиях эксплуатации дождевальной машины. В среднем при эксплуатации дождевальных машин с рельефом, уклон которых не превышает 5°, энергопотребление на водораспределение можно снизить на 16,3 %.
Литература
1. Ерошенко Г.П., Соловьев Д.А., Бакиров С.М. Снижение мощности электропривода секции дождевальной машины за счёт изменения параметров колёс опорной тележки // АПК России. 2019. Т. 26. № 3. С. 398 - 402.
2. Белоусов И.Г., Самосейко В.Ф. Оптимальная трёхфазная широтно-импульсная модуляция по критерию
дисперсии тока в нагрузке // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2018. Т. 10. № 3. С. 575 - 585.
3. Галиев А., Орлов А. Широтно-импульсная модуляция в генераторах заданной электрической мощности // Приборы и системы. Контроль, управление, диагностика. 2007. № 4. С. 32 - 33.
4. Ещин Е.К., Соколов И.А. Работа асинхронного электродвигателя с устройством плавного пуска // Электромеханика. 2016. № 5 (547). С. 53 - 58.
5. Мелешко Е.А. Быстродействующая импульсная электроника. М.: Физматлит, 2007. 320 с.
6. Справочник энергетика / В. И. Григорьев [и др.]. М.: Колос, 2006. 488 с.
7. Карташов Б.А., Карташов А.Б., Жидченко Т.В. Практикум по автоматике. Зерноград, 2006. Ч. I. 156 с.
Сергей Мударисович Бакиров, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н. И. Вавилова». Россия, 410012, г. Саратов, ул. Советская, 60, s.m.bakirov@mail.ru
Sergey M. Bakirov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Saratov State Agrarian University. 60, Sovetskaya St., Saratov, 410012, Russia, s.m.bakirov@mail.ru
Научная статья УДК 621.313:621.926
Мельница для помола цельнозерновой муки с плоским двухсторонним двигателем в приводе
Рустам Сагитович Аипов, Раушан Римович Нугуманов
Башкирский ГАУ
Аннотация. Технологические машины для получения муки занимают важное место в производстве продуктов питания, поэтому актуально сохранение в муке максимума минеральных веществ и витаминов. В цельнозерновой муке содержатся все минеральные вещества и витамины. Для помола цельного зерна применяются вальцовые и жерновые мельницы. В промышленных масштабах жерновые мельницы уступают вальцовым из-за их производительности. Однако по количеству минеральных веществ и витаминов в муке жерновые мельницы превосходят вальцовые. Производством жерновых мельниц активно занимаются в Германии и Австрии. В электроприводе зарубежных жерновых мельниц используются высокоскоростные коллекторные и асинхронные двигатели вращения. Так как скорость вращения жерновов для удовлетворения допустимой температуры нагрева должна быть низкой (окружная скорость до 10 м/с), производители в электроприводах используют дополнительные преобразующие и передаточные устройства, что усложняет электропривод и ограничивает его возможности. Применение преобразователей частоты источника питания снижает КПД, ухудшает массогабаритные показатели технологической машины. В статье проанализирована математическая модель жерновой мельницы с плоским двухсторонним асинхронным двигателем в приводе (ПДАД), индукторы (статор) которого охватывают вращающийся вторичный элемент (ротор) с двух сторон. При этом регулирование производительности и дополнительно высвобождение рабочей зоны жерновов от накопившейся муки достигается изменением положения и конструктивными особенностями исполнения индукторов ПДАД. Жерновые мельницы с ПДАД имеют широкие возможности конструктивных решений, например с двумя одновременно вращающимися в разные стороны жерновами.
Ключевые слова: жерновая мельница, плоский асинхронный двигатель, электропривод.
