Автоматизированный энергосберегающий электропривод вентиляторов в свинарнике-маточнике
На правах рукописи
ГУЛЯЕВА ТАТЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ
ЭЛЕКТРОПРИВОД ВЕНТИЛЯТОРОВ
В СВИНАРНИКЕ-МАТОЧНИКЕ
Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Зерноград – 2011 2 Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия»
Научный руководитель: Член-корреспондент РАСХН, доктор технических наук, профессор Таранов Михаил Алексеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Семенихин Александр Михайлович доктор технических наук, профессор Васильев Алексей Николаевич Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» (г.Ставрополь)
Защита состоится «21» декабря 2011г. в 10 часов на заседании диссертационно го совета ДМ 220.001.01 созданного при Азово-Черноморской государственной аг роинженерной академии, по адресу 347740, Ростовская область, г. Зерноград, ул.
Ленина 21, в зале заседания диссертационного совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АЧГАА.
Автореферат разослан «18» ноября 2011 г.
Учный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Н.И. Шабанов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Применение интенсивных методов выращивания и содержания свиней в промышленном свиноводстве выдвигает перед наукой целый ряд важных проблем, одна из которых создание и поддержание в помещениях не обходимого микроклимата.
Как биологический объект, свиней можно отнести к довольно требовательным животным, учитывая, с одной стороны, их способность к быстрому росту и, с дру гой – неудовлетворительное состояние здоровья животных. Переохлаждение орга низма в сочетании с сыростью в помещении, загазованностью и запыленностью воздуха и сквозняками - основные причины снижения сопротивляемости организ ма к различным заболеваниям и снижения продуктивности свиней. Это подтвер ждается сведениями о заболеваемости и отходе свиней. Так, по данным Немилова В.А., в осенне-зимний период отход свиней от легочных заболеваний составляет 40-43% от общего отхода.
Отрицательно влияет понижение температуры в помещениях и на среднесуто чные приросты свиней. На каждый градус понижения температуры с 16 до 5°C животное отреагирует снижением прироста живой массы (в среднем на 2%).
Для обеспечения оптимального микроклимата недостаточно поддерживать оп тимальную температуру только за счт обогрева локального или общего. Огром ное значение имеет обеспечение требуемых параметров воздухообмена.
Недостаточный воздухообмен в сочетании с повышенной влажностью и по вышенной температурой, обеспечивают патогенной микрофлоре наилучшие усло вия для развития. Повышенный воздухообмен напротив, приводит к выхолажива нию помещения и, следовательно, к необоснованному повышению расхода энер гии для отопления помещения.
Однако, несмотря на достаточно большое количество научных исследований не удалось обеспечить баланс между температурой и воздухообменом в свинарни ке, что существенно снижает продуктивные задатки свиней и увеличивает энерге тические и экономические затраты необходимые для их содержания.
Целью диссертационной работы является разработка автоматизированного энергосберегающего электропривода вентиляторов в свинарнике-маточнике с ис пользованием трхфазного полупроводникового регулятора напряжения, коррек тирующего воздухообмен при изменении температуры окружающей среды.
Объектом исследований является электропривод вентиляторов в свинарни ке-маточнике.
Предметом исследований являются зависимости электромеханических харак теристик электродвигателя вентилятора от ШИМ регулируемого напряжения.
Методы исследований. В работе использованы методы математической ста тистики и регрессионного анализа, прикладное программное обеспечение для мо делирования, специализированные математические пакеты, программное обеспе чение общего назначения, физические экспериментальные исследования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- обоснован способ регулирования производительности вентиляторов при по мощи полупроводникового трхфазного регулятора напряжения с широтно импульсной модуляцией (ШИМ);
разработана математическая модель системы «полупроводниковый трх фазный регулятор напряжения с ШИМ – электродвигатель вентилятора»
для исследования переходных процессов при коммутации;
- теоретическом и экспериментальном исследовании зависимостей коэффици ента искажения синусоидальности токовой кривой от частоты коммутаций и коэффициента заполнения ШИМ импульсов.
Практическая ценность заключается в следующем:
- создано устройство автоматического регулирования воздухообмена, позволя ющее существенно снизить энергетические затраты на вентиляцию, осуществ лять плавный пуск и регулирование производительности вентиляторов (в ши роком диапазоне) при изменении температуры окружающей среды;
- получены экспериментальные зависимости емкости компенсирующей всплески ЭДС самоиндукции от мощности электродвигателя, позволяющие определять емкость компенсирующих фильтров;
- разработана методика расчта мкостного фильтра, компенсирующего всплес ки ЭДС самоиндукции, возникающие при ШИМ регулировке.
На защиту выносятся следующие положения:
- математическая модель системы «полупроводниковый трхфазный регуля тор напряжения с ШИМ – электродвигатель вентилятора»;
- результаты математического моделирования и экспериментальные исследо вания зависимости емкости компенсирующей всплески ЭДС самоиндукции от мощности электродвигателя;
- методика расчта мкости компенсирующей всплески ЭДС самоиндукции;
- результаты математического моделирования и экспериментальные исследо вания зависимости коэффициента искажения синусоидальности кривой тока и падения напряжения на обмотках электродвигателя от частоты коммута ций и коэффициента заполнения ШИМ импульсов;
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы были внедрены в Федеральном государственном унитарном сельхозпредприятии «Ба тайское» Министерства обороны Российской Федерации, а также апробированы в ЗАО «птицефабрика Гуляй-Борисовская».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены на научных конференциях по итогам НИР ФГОУ ВПО АЧГАА (г. Зерноград) 2005–2011гг., ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2010–2011гг., ФГОУ ВПО СтГАУ (г. Ставрополь) 2009г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 статьи, получено патента на изобретения.
Объм работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и приложений.
Изложена на 159 страницах, включая 19 таблиц, 91 рисунок и библиографического списка, состоящего из 104 наименований, в том числе 15 на иностранном языке.
Приложения к диссертации даны на 10 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, охарактеризовано состояние современного промышленного свиноводства, выявлены проблемы, сформулирова ны цель и задачи исследований, приведено краткое е содержание, изложены ос новные результаты, выносимые на защиту.
В первой главе «Современное состояние систем вентиляции в свинарниках маточниках» дана краткая характеристика систем вентиляции в свинарниках, опи саны основные способы регулирования воздухообмена.
В результате анализа трудов различных авторов таких как: Юрков В.М., Бала нин В.И., Муругов В.П., Семенихин А.М., Полищук В.М., Коба В.Г., Брагинец И.В., Мурусидзе Д.Н., изучавших влияние воздушной среды на жизнедеятельность свиней и Ванурина В.Н., Таранова М.А., Жилиной В.А., Медведько Ю.А., Джани бекова К. А.-А., Жидченко Т.В. и др., разрабатывающих устройства, обеспечива ющие оптимальный воздухообмен в животноводческих помещениях, были выяв лены основные достоинства и недостатки различных способов регулирования воз духообмена. Проанализированы различные способы регулирования частоты вра щения электродвигателя вентилятора.
Определено что в сельскохозяйственном производстве достаточно использо вать самый простой способ регулирования частоты вращения вентиляторов – из менением только питающего напряжения (рисунок 1 а), так как результат будет практически таким же, как и при регулировании частоты питающей сети (рисунок 1 б). Но реализовать такую регулировку устранив недостатки тиристорных и авто трансформаторных регуляторов, возможно только разработав новые технические решения.
s МН s МН smin UН fН 0,8UН 0,9fН МД МД 0,8fН 0,5UН0,7UН 0,7fН 0,6fН 0,4UН 0,5fН 0,4fН 0,3UН 0,3fН smax 0,2fН 0,2UН 0,1fН М М а) б) Рисунок 1 – Механические характеристики электропривода вентилятора при ре гулировании частоты вращения: а)-изменением величины подводимого напряже ния;
б)-изменением частоты питающей сети по закону U/f2-const.
На сегодняшний день более перспективным направлением для систем венти ляции является разработка более простых однофакторных систем регулирования с изменением только питающего напряжения, которые также будут обладать рядом дополнительных функций, таких как плавный пуск, адаптивность к окружающей среде, и.т.д.
Была сформулирована научная гипотеза: В основе трхфазного регулирова ния напряжения необходимо использовать принцип широтно-импульсной модуля ции (ШИМ), который позволит плавно регулировать действующее напряжение на обмотках электродвигателя в широком диапазоне, не искажая при этом синусои дальность тока. И рабочая гипотеза: Для реализации трхфазного регулятора напряжения с широтно-импульсной модуляцией достаточно использовать только три коммутационных ключа, включенных последовательно с нагрузкой, что зна чительно повысит наджность автоматизированного энергосберегающего электро привода вентиляторов, сохранив при этом основные функциональные возможно сти.
В связи с этим для решения поставленной цели были определены задачи ис следований:
- разработка теоретических предпосылок работы электропривода вентилято ров при питании их от трхфазного полупроводникового регулятора напря жения с использованием широтно-импульсной модуляции;
- разработка схемы принципиальной электрической устройства и основных алгоритмов его работы;
- исследование работы трхфазного полупроводникового регулятора напряжения;
- разработка методики расчта емкости фильтра компенсирующего всплески ЭДС самоиндукции;
- исследование влияния частоты несущей ШИМ на несинусоидальность тока;
- экспериментальная проверка результатов теоретических исследований и экономическое обоснование целесообразности использования предлагаемо го электропривода для регулирования воздухообмена в свинарнике маточ нике.
Во второй главе «Разработка трхфазного широтно-импульсного регулятора напряжения для систем вентиляции» рассмотрен способ регулирования перемен ного напряжения при помощи широтно-импульсной модуляции, т.е. изменение дей ствующего значения напряжения на нагрузке путм дробления исходного напряже ния на импульсы и изменения скважности этих импульсов. При таком способе ре гулирования можно сформировать любую токовую кривую в пределах от нулевого значения до номинального уровня, что пропорционально изменению действующего напряжения от 0 до Uном. Но сделать напряжение выше номинального значения, как при автотрансформации – невозможно (рис. 2).
q=0,5 I=0,5Iн q=0,8 I=0,8Iн Рисунок 2 – Принцип изменения напряжения на обмотках электродвигателя при регулировке напряжения по принципу ШИМ (где q – коэффициент заполнения ШИМ импульсов) Реализовать трхфазное ШИМ регулирование можно, разместив во всех трх фазах, последовательно с нагрузкой, ключевые элементы, разрезающие на им пульсы положительную и отрицательную полуволны питающего напряжения (рис.
3). Чем выше будет частота импульсов, на которые разрезается исходное синусои дальное напряжение, тем приближеннее к синусоиде будет результирующая токо вая кривая.
Но при высокочастотной коммутации нагрузки (особенно индуктивной) возни кают переходные процессы формирования значительной ЭДС самоиндукции, в пиках достигающей нескольких десятков кВ. Причем, чем быстрее закрывается коммутаци онный ключ, тем больше величина ЭДС самоиндукции (рис.4а).
di Е L (1) dt Эту проблему можно решить введением правильно подобранных емкостных сглаживающих фильтров С4-С6 (рис. 3б), которые во время паузы, за счт разряда емкости изменят крутизну фронта изменения тока di/dt, что приведт к исчезнове нию ЭДС самоиндукции (рис.4б) а) б) Рисунок 3 – Фрагмент схемы автоматического регулирования воздухообмена:
а)- схема трхпозиционного блока контроля температуры;
б)- полупроводниковый трхфазный регулятор напряжения с ШИМ. dt а) б) Рисунок 4 – Теоретические формы импульсов напряжения на нагрузке а) - без приме нения специальных фильтров;
б)- с применением оптимально подобранного фильтра Необходимо отметить, что неправильно подобранная емкость фильтра приве дт к отрицательным результатам. Если емкость фильтра окажется меньше требу емой, то не будет устранения ЭДС самоиндукции, а если емкость фильтра окажет ся больше требуемой, то произойдт искажение зависимости изменения действу ющего напряжения при ШИМ.
Для определения оптимальной емкости сглаживающих фильтров, для оценки энергетических потерь во время коммутации и для предварительной оценки рабо ты устройства на различную нагрузку было произведено моделирование переход ных процессов в обмотках электродвигателя. Воспользовавшись программой Electronics Workbench, система сеть–регулятор–нагрузка была представлена в ви де модели, в которой обмотки электродвигателя заменены на последовательно со единнные активно-индуктивные элементы (рис. 5).
Рисунок 5 – Модель системы сеть-регулятор-нагрузка Для того чтобы определить активную и индуктивную составляющие обмоток в номинальном режиме можно воспользоваться следующей методикой Полное сопротивление обмотки электродвигателя определим в комплексной форме из выражения * U НФ Ом, * (2) ZН * I НФ * где U НФ – комплексное значение номинального фазного напряжения на обмотках * электродвигателя, В ;
U НФ U ном Ф ;
– комплексное значение номинального фазного тока протекающего в об * I НФ мотках электродвигателя, А ;
* I НФ I ном Ф е j arccos.
Н (3) Преобразовав Z в уравнение вида RН jX Н, найдем номинальную индуктив * Н ность обмотки электродвигателя через выражение:
XН L 2 L. (4) Данная методика расчта допустима, поскольку расхождение между моделирован ным значением тока и номинальным значением составляет всего 4,9%.
На рисунке 6 представлен результат моделирование кривой напряжения на об мотках электродвигателя 4АС71А2У3 без фильтрации ЭДС самоиндукции при fШИМ=15кГц и q=0,5о.е. В результате моделирования с шагом 10нФ, было опреде лено, что оптимальной фильтрующей мкостью для расчтного двигателя является мкость в 400 нФ. Именно при такой мкости включнной по схеме «звезда» ЭДС самоиндукции имеет нулевое значение, а перекомпенсация не влияет на регулиро вочные функции устройства (рисунок 7).
Рисунок 6 – Моделирование кривой напряжения на обмотках электродвигателя 4АС71А2У3 без фильтрации при коэффициенте заполнения импульсов q=0,5.
Рисунок 7 – Моделирование кривой напряжения на обмотках электродвигателя 4АС71А2У3 с фильтрующей мкостью 400 нФ и q=0,5.
Для оценки зависимости оптимальной фильтрующей мкости от мощности элек тродвигателя проведено моделирование для линейки мощностей серийно выпускае мых двигателей.
Определено аппроксимирующее уравнение, описывающее с достоверностью 99,8% зависимость фильтрующей мкости от мощности электродвигателя при 2р=2:
С 309,25 Р + 229,81, (5) где С – величина фильтрующей мкости в нФ, Р – мощность электродвигателя в кВт.
Определено аппроксимирующее уравнение, описывающее с достоверностью 99,34% зависимость фильтрующей мкости от мощности электродвигателя при 2р= С 374,11 Р + 257,94. (6) Аппроксимирующее уравнение, описывающее с достоверностью 99,02 % зависи мость фильтрующей мкости от мощности электродвигателя при 2р= С 388,7 Р + 292,16. (7) Фильтрующую емкость можно рассчитать, используя теорию переходных про цессов в нелинейных цепях, а именно теорию разряда мкости при коммутации электрических цепей и теорию спада тока в индуктивности при размыкании цепи.
Переходные процессы в цепи с индуктивной нагрузкой при коммутации можно описать следующими выражениями:
для замыкания цепи R t i(t ) I ном I ном e L (8) для размыкания цепи R t i(t ) I ном e L, (9) где Iном – действующее фазное значение тока в обмотке электродвигателя;
R – активное сопротивление обмотки электродвигателя в номинальном ре жиме;
L – индуктивность обмотки электродвигателя в номинальном режиме;
t – интервал времени от начала коммутации.
Скорость изменения тока в общем виде можно описать следующим образом:
di i(t1 ) i(t 2 ). (10) t 2 t dt Основными параметрами при расчте скорости изменения тока являются не только параметрические величины обмотки, но и интервалы времени t1 и t2.
t1=0 с. – интервал времени в самый начальный момент коммутации.
t2 – некий интервал времени после разрыва цепи не равный нулю.
Для q=0,9 интервал времени t2 равен 10% от периода ШИМ коммутации (дли тельность паузы).
t2 0,1 TШИМ, (11) где TШИМ, (12) f ШИМ где f ШИМ – частота ШИМ коммутации.
Для расчта скорости изменения тока получено следующее выражение:
0,1 R di ( I ном I ном e ) f ШИМ L f ШИМ, (A/с). (13) dt 0, Рассчитать величину некомпенсированной ЭДС самоиндукции можно исполь зуя выражение (1). Эта ЭДС будет иметь значение, недопустимое для работы ком мутационных ключей. Особенно если учесть что при размыкании цепи в контур с индуктивностью последовательно включаются паразитные мкости коммутацион ного ключа и втречнопараллельного диода. В результате получается колебатель ный контур, параметры которого очень трудно определить.
Рассчитать мкость, компенсирующую всплески ЭДС самоиндукции, можно воспользовавшись следующей методикой:
1. Необходимо добиться изменения напряжения на нагрузке во время комму тации не мгновенно, а плавно, за счт разряда емкости.
2. Время разряда должно быть таким, чтобы энергия разряда не влияла на ре f ШИМ =15кГц., гулировочную характеристику. Для частоты коммутации tр.требуемое=0,5ТШИМ.
3. Постоянную времени разряда компенсирующей мкости необходимо при нять равной требуемому времени разряда р= tр.требуемое.
4. Зная активное сопротивление обмотки, на которую будет производиться разряд компенсирующей мкости можно определить е величину из выражения:
р С. (14) RН Ёмкость, компенсирующая всплески ЭДС самоиндукции, рассчитанная по этой методике, для двигателя 4АС71А2У3, имеющего следующие параметры обмоток RН=79,11 Ом, L=0,1429 Г, равна 421нФ.
Аналогичные расчты были проведены для линейки мощностей от 0 до 11кВт.
При сравнении результатов расчта компенсирующей мкости с результатами мо делирования, определена их сходимость на участке от 0 до 6 кВт, в дальнейшем дан ные незначительно расходятся.
В работе было исследовано влияние частоты несущей ШИМ на ЭДС самоиндук ции и потери мощности на ключах во время коммутации. На рисунке 8 представлена расчтная диаграмма рассеиваемой на ключе IRG4PH50KD мощности во время коммутации обмоток двигателя 4АС71А2У3.
При коммутации транзистором IRG4PH50KD предельной токовой нагрузки равной 45А, пиковая коммутационная мощность, рассеиваемая на ключе равна 2473Вт. При высоких частотах несущей ШИМ количество этих пиков в секунду будет очень большим (при частоте несущей ШИМ 15кГц количество пиков в се кунду будет равно 30000). Учитывая, что предельная рассеиваемая мощность клю ча равна 200Вт, ключ может выйти из строя из-за перегрева кристалла при макси мальной нагрузке на высоких частотах коммутации. Поэтому необходимо найти оптимальную частоту коммутации силовых ключей, чтобы максимально исполь зовался ресурс ключей, и не было искажения формы тока.
P, Вт закрытие открытие 0 50 100 150 200 250 300 t, нс Рисунок 8 – Сравнительная временная энергетическая диаграмма рассеиваемой на ключе мощности во время коммутации обмоток двигателя 4АС71А2У Для оценки влияния частоты несущей ШИМ на искажение формы тока на примере двигателя 4АС71А2У3 был произведн расчт бросков тока в обмотке.
Результаты этого расчта показаны на рисунке 9.
i, % q=0, q=0, q=0, 2 4 6 8 10 12 14 16 f, кГц Рисунок 9 – Зависимость максимального отклонения тока в обмотке двигателя 4АС71А2У3 от частоты ШИМ при различных коэффициентах заполнения импуль сов.
Из зависимостей на рисунке 9 следует, что снижение частоты ШИМ ниже 4кГц не целесообразно, так как пульсация тока очень сильно возрастает.
Подтвердить теоретические расчты можно проведя экспериментальные ис следования.
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований»
сформулированы задачи и программа исследований. Приведены общие и частные методики, схемы проведения экспериментальных исследований, методика провер ки воспроизводимости экспериментальных данных.
Задачами экспериментальных исследований являются:
- проверка возможности регулировки напряжения при помощи широтно импульсной модуляции, а также проверка идентичности полуволн тока и отсутствие осевого смещения при питании симметричной трхфазной индуктивной нагрузки;
- определение точного количественного соотношения между коэффициентом заполнения ШИМ импульсов регулятора напряжения и действующим на нагрузке уровнем напряжения;
- определение диапазона возможной регулировки частоты вращения вентиля тора, а также точного количественного соотношения между частотой вращения вентилятора серии ВО-7 и действующим на обмотке уровнем напряжения, при пи тании от полупроводникового трхфазного регулятора напряжения;
- определение оптимальной величины фильтрующей мкости;
- исследование зависимости коэффициента мощности электродвигателя при изменении напряжения на обмотках электродвигателя;
- определение семейства зависимостей коэффициента искажения синусоидаль ности от коэффициента заполнения ШИМ импульсов при регулировании напря жения на обмотках электродвигателя на разных частотах несущей ШИМ;
- определение температуры нагрева обмоток электродвигателя во время рабо ты при ШИМ регулировке.
В четвёртой главе «Экспериментальные исследования режимов работы полу проводникового трхфазного регулятора напряжения» представлены результаты экспериментальных исследований. Внешний вид экспериментального устройства автоматического регулирования воздухообмена с ШИМ показан на рисунке 10.
При регулировке напряжения, как видно из осциллограммы, представленной на рисунке 11, падение напряжения на обмотках и соответственно ток имеют практи чески симметричные положительные и отрицательные полупериоды синусоиды.
Блок питания Силовой комму тационный блок Емкостный фильтр Микроконтроллерный блок управления Рисунок 10 – Внешний вид экспериментального устройства автоматического регу лирования воздухообмена с ШИМ.
UФ, В t, с Рисунок 11 – Экспериментальная осциллограмма кривой падения напряжения на обмотках двигателя АИРП 80А6У3 при работе ШИМ регулятора напряжения с ко эффициентом заполнения импульсов q=0,5.
Экспериментально определено, что регулировочная функция ШИМ регулятора напряжения имеет линейный характер и описывается выражением:
Uф.дейст=Uф.пит*q. (15) На рисунках 12 и 13 представлены результаты работы электропривода вентиля тора ВО-7 с ШИМ регулятором напряжения.
n, об/мин 0 50 100 150 200 250 Uф, В Рисунок 12 – Экспериментальная зависимость частоты вращения вентилятора се рии ВО-7 от напряжения на обмотках двигателя.
P, Вт Q, вар S, ВА P Q 600 S 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 Uф, В Рисунок 13 – Экспериментальная зависимость изменения потребляемых мощно стей электродвигателя АИРП 80А6У3 при изменении питающего напряжения.
При проведении экспериментального определения значения мкости компен сирующей всплески ЭДС самоиндукции (рис.14), была определена оптимальная фильтрующую мкость, необходимая для полной нейтрализации всплесков ЭДС самоиндукции.
Критерием оптимальности в эксперименте являются следующие условия Сmin, при ЕСИ =f(C) min и U Д f (C ) 0 :
где U Д U ДК U ДН – отклонение регулировочной функции;
U ДК действующее значение напряжения на обмотке электродвигателя при компенсации ЭДС самоиндукции при q=0,5;
U ДН действующее значение напряжения на обмотке электродвигателя без компенсации ЭДС самоиндукции при q=0,5.
Еси, В а) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 - C, мкФ Uд, В б) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 - C, мкФ Рисунок 14 – Экспериментальные зависимости ЭДС самоиндукции (а) и от клонения действующего значения напряжения (б) при изменении величины ком пенсирующей мкости.
Кu,% 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16, fшим, кГц Рисунок 15 – Зависимость коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения на обмотках электродвигателя АИРП 80А6У3 от частоты несущих ШИМ импульсов при коэффициенте заполнения q=0,32 о.е.
При анализе экспериментальной зависимости коэффициента искажения сину соидальности кривой напряжения от частоты несущих ШИМ импульсов (рис. 15) определено, что снижение частоты несущей ШИМ с 15кГц до частоты 6кГц прак тически не оказывает никакого влияния на несинусоидальность напряжения.
Дальнейшее снижение частоты несущей ШИМ с 6кГц до 4кГц увеличивает неси нусоидальность на 28%, а снижение частоты ниже 4кГц приводит к резкому уве личению несинусоидальности напряжения.
Проведнные исследования по определению нагрева обмоток на разных коэф фициентах заполнения ШИМ импульсов, позволяют сделать вывод, что частота несущих ШИМ импульсов, ниже которой не целесообразно снижение, соответ ствует 4кГц.
При такой частоте несущих ШИМ импульсов (по данным заводов изготовите лей) коммутационный ресурс IGBT ключей повышается в два раза по сравнению с частотой 15,3 кГц.
Учитывая, что основную долю в стоимости ШИМ регулятора напряжения со ставляет стоимость коммутационных ключей, стоимость устройства можно сни зить, уменьшив частоту несущей ШИМ до частоты до 4кГц.
В пятой главе «Оценка экономической эффективности применения автомати зированного энергосберегающего электропривода вентиляторов в свинарнике- ма точнике» рассчитана стоимость штучного образца НИОКР 8951руб.
На примере свинарника-маточника ФГУ СП «Батайское» МО РФ, используя архив погоды в Ростове-на-Дону за 2009 г. (метеостанция "Ростов-на-Дону"), рас считан реальный почасовой график изменения требуемого воздухообмена в одном боксе свинарника.
На основании графика изменения воздухообмена (рис.16) рассчитан возмож ный годовой экономический эффект от сокращения затрат электроэнергии на вен тиляцию, 613346,4 руб.
Q, м3/ч 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 t, час.
Рисунок 16 – Фрагмент почасового графика изменения требуемого воздухообмена в одном боксе свинарника (с середины апреля по конец октября 2009г) При дополнительных капитальных затратах в 107 тыс. руб. на модернизацию системы вентиляции в свинарнике чистый дисконтированный доход за семь лет составит 3254…3898 тыс. рублей, а срок окупаемости составит менее 3 месяцев.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. В результате анализа способов регулирования частоты вращения вентиляторов выявлено, что в сельскохозяйственном производстве достаточно использовать способ регулирования частоты вращения вентиляторов – изменением только пи тающего напряжения, обеспечивающего кратность регулировки воздухообмена в соотношении не менее чем 1:4.
2. Разработанная конструкция и алгоритмы работы полупроводникового трхфаз ного регулятора напряжения с ШИМ позволяют использовать его в адаптивных системах автоматического регулирования воздухообмена.
3. При разработке теоретических предпосылок описывающих работу электродви гателя вентилятора при ШИМ регулировке напряжения доказано, что в трхфаз ном полупроводниковом регуляторе напряжения с ШИМ, достаточно использо вать только три коммутационных ключа разрезающих положительные полуперио ды синусоиды напряжения.
4. Разработанная математическая модель, позволяющая определять активную и ре активную составляющую обмоток электродвигателя практически в любом режиме работы, имеет расхождение с реальными значениями в 4,9%.
5. При исследовании осциллограмм тока электродвигателя, питающегося от раз рабатываемой системы автоматического регулирования воздухообмена, определе но, что ток – синусоидален и не имеет осевого смещения, а зависимость действу ющего значения напряжения от коэффициентов заполнения ШИМ импульсов име ет линейный характер и описывается выражением Uф дейст =Uф пит*q.
6. Разработанная методика расчта мкости компенсирующей всплески ЭДС са моиндукции с использованием паспортных данных электродвигателя, подтвер ждается экспериментальными исследованиями, с достоверностью 91%.
7. Экспериментально установлено, что минимально-допустимая частота коммута ции ШИМ импульсов должна быть не ниже 4кГц. При такой частоте коммутации и коэффициенте заполнения ШИМ импульсов 0,5 о.е., коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения на обмотках электродвигателя составляет 10…12%. При увеличении частоты коммутации до 15,3 кГц коэффициент искаже ния синусоидальности снижается до 8%, а коммутационный ресурс IGBT ключа уменьшается в два раза.
8. Экспериментальными исследованиями определено, что достаточное фазное напряжение в максимальном режиме составляет 180В, соответствующее коэффи циенту заполнения ШИМ импульсов q=0,82 о.е. При таком напряжении потребля емая реактивная и полная мощность электродвигателя снижаются на 22%, а по требляемая активная мощность уменьшается на 7,6% по сравнению с потреблени ем на 220В, при том что частота вращения вентилятора снизится всего на 3,7%.
9. При оценке экономической эффективности применения автоматизированного энергосберегающего электропривода вентиляторов в свинарнике-маточнике было определено, что:
- применение адаптивного энергосберегающего электропривода вентиляторов, корректирующего воздухообмен в зависимости от температуры окружающей среды, позволит сократить годовые затраты электроэнергии на вентиляцию в 3, раза;
- применение разработанного энергосберегающего электропривода вентилято ров в свинарнике-маточнике ФГУ СП «Батайское» МО РФ, позволит получить за семь лет, только за счет сокращения затрат на вентиляцию, чистый дисконти рованный доход в размере 3254…3898 тыс. руб.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ а) в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
Гуляева, Т.В. Автоматическое регулирование частоты вращения вала электродви 1.
гателя [Текст] / М.А. Таранов, П.В. Гуляев, Т.В. Гуляева //Механизация и электрифи кация сельского хозяйства //Теоретический научно практический журнал. – М.: ООО «Форенс», 2010 г. – Вып. № 7. – С.5-7.
б) в сборниках научных трудов:
Гуляева, Т.В. Автоматическая система контроля воздухообмена в животноводче 2.
ском помещении с использованием частотно регулируемого электропривода [Текст] / М.А. Таранов, П.В. Гуляев, Т.В. Гуляева // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве /Сб. научных трудов ФГОУ ВПО АЧГАА. – Выпуск 4, том 1 – Зерноград, 2004. – С. 22-26.
3. Гуляева, Т.В. Система плавного пуска асинхронных короткозамкнутых электро двигателей соизмеримых с мощностью питающей сети [Текст] / М.А. Таранов, Т.В.
Гуляева, А.В.Чугунов, П.В. Гуляев // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве / Сб. науч. труд. Т.1, вып.4 / Зерноград, 2004. – С. 18-21.
4. Гуляева, Т.В. Трхфазный регулятор напряжения для систем автоматического кон троля воздухообмена в свинарниках [Текст] / Т.В. Гуляева, П.В. Гуляев // Экономика, организация, технология и механизации животноводства: меж. вузовский сборник научных трудов. – Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2008 г. – Вып. № 4 – С.310-317.
в) в патентах РФ на изобретения:
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613104 (RU).
5.
Полупроводниковый трхфазный регулятор напряжения с ШИМ [Текст] / М.А. Таранов, Т.В. Гуляева, А.Ю. Медведько, П.В. Гуляев //Федеральный институт промышленной собственности. – Опубл.19.04.2011.
6. А.с. № 2253930 (RU). Станция управления погружным электродвигателем [Текст] / М.А. Таранов, Т.В. Гуляева, А.В.Чугунов, П.В. Гуляев //Федеральный институт промыш ленной собственности. – Опубл.11.08.2005. (Прототип разрабатываемого устройства).
_ ЛР 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 16.11.2011.
Формат 6084/16. Уч. - изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № РИО ФГБОУ ВПО АЧГАА 347740, г. Зерноград Ростовской области, ул. Советская, 15.