Повышение энергоэффективности линейного асинхронного электропривода решётного стана зерноочистительной машины

Повышение энергоэффективности линейного асинхронного электропривода решётного стана зерноочистительной машины

A.В. Линенко, д.т.н, профессор, М.Ф. Туктаров, к.т.н.,

B.Г. Байназаров, ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ; А.А. Сорокин, к.т.н., ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

В настоящее время во многих исследованиях большое внимание уделяется совершенствованию конструкций приводов зерноочистительных машин для повышения технико-экономических и энергетических показателей работы последних [1—5].

Одним из путей повышения энергоэффективности привода рабочих органов решётных зерноочистительных машин является применение линейного асинхронного двигателя (ЛАД), позволяющего преобразовывать электрическую энергию непосредственно в колебательное движение рабочего органа. В этом случае происходит слияние элементов ЛАД и решётного стана, что исключает использование каких-либо приводных механизмов. Установка упругих элементов в подвижной части ЛАД позволяет реализовать энергоэффективный электропривод колебательного движения, при этом поступательное движение осуществляется под действием электромагнитного поля ЛАД, а обратное — за счёт запасённой потенциальной энергии в упругих элементах. Поэтому для реализации колебательного движения вторичного элемента ЛАД, а следовательно, и решётного стана, необходимо обеспечить периодичность подключения ЛАД к источнику питания.

Цель исследования — повышение энергоэффективности линейного асинхронного электропривода решётного стана зерноочистительной машины.

Материал и методы исследования. В процессе работы электропривода зерноочистительной машины на основе плоского ЛАД (один из видов ЛАД) решётный стан совершает колебательное движение по сложной траектории за счёт одновременного возникновения в ЛАД двух перпендикулярных друг к другу сил (сила тяги F и сила притяжения Fu), что в результате благоприятно влияет на ориентирующую способность зернового материала, находящегося на решётном стане [1, 3, 6].

Отсутствие каких-либо приводных механизмов в линейном асинхронном электроприводе решётного стана (ЛАЭП РС), за исключением самого ЛАД, приводит к появлению недостатка, заключающегося во влиянии на параметры колебательного движения решётного стана (максимальное ускорение РС а и перемещение x) изменения удельной нагрузки на решето q. Изменение параметров колебательного движения РС приводит к изменению эффективности сепарирования зерна [3, 6].

Вышеуказанная проблема решается путём использования системы управления ЛАЭП РС,

позволяющей в динамическом режиме самостоятельно анализировать и принимать решение по управлению электроприводом для поддержания с достаточной точностью заданного значения максимального ускорения РС а>10 м/с2 [2]. Между тем при работе ЛАД в автоколебательном режиме (рис. 1), характеризующегося постоянной работой ЛАД в режиме противовключений из-за малой амплитуды колебания А решётного стана и сообщаемого ускорения а, наблюдается перегрев обмоток индуктора ЛАД (температура свыше

1 = 105°С). Данный факт сопровождается большим потреблением электроэнергии и сокращением эксплуатационного срока службы ЛАД, что в свою очередь является сдерживающим фактором достижения высоких показателей энергоэффективности ЛАЭП зерноочистительной машины [7].

Из-за необходимости применения микроконтроллера (МК) для аппаратной реализации вышеописанной системы управления ЛАЭП РС появляется возможность решения проблемы с перегревом обмоток индуктора ЛАД за счёт использования импульсного режима работы электропривода зерноочистительной машины, при котором индуктор ЛАД подключается на короткий интервал времени к источнику питания в момент прекращения движения РС в одном из направлений движений [3, 6]. На рисунке 2 представлена предлагаемая функциональная схема импульсного режима работы ЛАЭП РС зерноочистительной машины.

Для подтверждения предложенной на рисунке

2 функциональной схемы импульсного режима работы ЛАЭП РС зерноочистительной машины предложено провести экспериментальные исследования на семяочистителе МВР-2 (СУ-0,1) с использованием блока управления линейного электропривода, собранного с применением современных

Рис. 1 - Функциональная схема автоколебательного режима работы ЛАЭП РС зерноочистительной машины:

СК - симисторный коммутатор; УУ - устройство управления; ДП - аналоговый датчик положения Нск - периодический сигнал, питающий ЛАД Х - перемещение вторичного элемента ЛАД х - перемещение РС; Н - сигнал, управляющий СК

Рис. 2 - Функциональная схема импульсного режима работы ЛАЭП РС зерноочистительной машины:

СК - симисторный коммутатор; ЦДП - цифровой датчик положения; ЦДУ - цифровой датчик ускорения; Нск - периодический сигнал, питающий ЛАД; Х - перемещение вторичного элемента ЛАД; А, х - соответственно ускорение и перемещение РС; Н - сигнал, управляющий СК

электронных компонентов [8]. В модернизированном семяочистителе совокупная площадь решёт остаётся неизменной.

Результаты исследования. По полученным результатам экспериментального исследования построены зависимости мощности ЛАД Р от коэффициента жёсткости упругих элементов Р =/(С!) при неизменной амплитуде А колебаний, длительности ?длит подключённого состояния ЛАД к источнику питания, частоте колебаний РС /колрс. и сохранении траектории сложного движения решётного стана.

Согласно приведённой зависимости Р =/(С;) на рисунке 3 при увеличении коэффициента С! потребляемая ЛАД мощность Р возрастает и при установке на семяочиститель линейного асинхронного двигателя. При этом потребляемая мощность составляет Р = 600 Вт, коэффициент жёсткости упругих элементов — С1 = 700 Н/м (при С1 = 700 Н/м достигается максимальный КПД линейного электродвигателя).

На рисунке 4 представлена экспериментальная зависимость мощности ЛАД Р от производительности 0 семяочистителя Р =/(0). Зависимость Р =/(0) позволяет оценить мощность ЛАД, необходимую для вновь проектируемого ЛАЭП решётного стана зерноочистительной машины. Согласно зависимости Р =/(0) при потребляемой мощности ЛАД Р =600 Вт производительность семяочистителя составила 0 = 726 кг/ч, производительность серийного семяочистителя МВР-2 (СУ-0,1) - 0=500 кг/ч (пшеница).

Для оценки энергетического КПД при импульсном режиме работы ЛАЭП РС по результатам экспериментального исследования построены зависимости энергетического КПД линейного электродвигателя ^энерг от удельной нагрузки на решето ^ при разных значениях коэффициента жёсткости упругих элементов ^энерг= /С1) для автоколебательного и импульсного режимов (рис. 5). Энергетический КПД является произведением еоБф = 0,75 (за счёт компенсации реактивной мощности) и КПД линейного электродвигателя. КПД линейного электродвигателя ^ЛАд определяется как соотношение интегралов приобретённой системой механической энергии Е на потребляемую электроэнергию Ж за один период (т) колебания решётного стана: т

1" Е

^ЛАД

Ж

По представленным зависимостям на рисунке 5 видно, что максимальный энергетический КПД ^энерг при импульсном режиме работы ЛАЭП РС семяочистителя ^энерг=0,54, а в случае работы последнего в автоколебательном режиме энергетический КПД ^энерг=0,43.

С целью экспериментального подтверждения выдвинутой гипотезы о возможности решения проблемы с перегревом обмоток индуктора ЛАД проведено испытание на нагревание (рис. 6) одного из изготовленных ЛАД (Р = 600 Вт) в соответствии с

Коэффициент жесткости упругих

Рис. 3 - Зависимость мощности ЛАД от коэффициента жёсткости упругих элементов Р =/

117

Рис. 4 - Зависимость мощности ЛАД от производительности семяочистительной машины Р =/

Рис. 5 - Зависимость энергетического КПД от удельной нагрузки при разных значениях коэффициента жёсткости Цэнерг=/^, С1):

1, 4 - при коэффициенте жёсткости упругих элементов С1 = 700-Н/м; 2, 3 - при коэффициенте жёсткости упругих элементов С1 = 800-Н/м.

Рис. 6 - Кривые нагрева ЛАД зерноочистительной машины:

1, 3 - при частоте включения ЛАД н = 3 Гц; 2, 4 - при частоте включения ЛАД н = 2 Гц

ГОСТом 1ЕС 60034-1-2014 «Машины электрические вращающиеся. Часть 1. Номинальные значения параметров и эксплуатационные характеристики». Обмотки линейного электродвигателя соответствуют классу изоляции А (допустимая температура нагрева составляет Т=105°С).

Анализируя полученные кривые нагрева ЛАД зерноочистительной машины, можно сделать заключение о том, что при частоте включения ЛАД, работающего в автоколебательном режиме, V=2-3 Гц и его охлаждении естественным способом, после 1 = 40 мин. е момента начала измерения температура обмоток линейного электродвигателя достигает Т=110°С (V = 2 Гц) и Т = 123°С (V = 3 Гц). В импульсном режиме температура обмоток электродвигателя составляет Т = 64°С (V = 2 Гц) и Т = 76°С (V = 3 Гц). После часа работы ЛАД в автоколебательном режиме температура обмоток электродвигателя повышается до Т=112°С (V = 2 Гц) и Т=128°С (V = 3 Гц), что превышает допустимую температуру нагрева обмоток ЛАД. В импульсном же режиме работы температура повышается только до Т=72°С (V=2 Гц) и Т=81°С (V=3 Гц).

Выводы.

1. Сравнительное исследование нагрева обмоток ЛАД между двумя режимами работы ЛАЭП РС показало, что при импульсном режиме работы электропривода РС обмотка ЛАД нагревается через час до Т = 72°С (V = 2 Гц) и Т = 81°С (V = 3 Гц), при автоколебательном режиме — до Т=112°С (V = 2 Гц) и Т=128°С (V = 3 Гц), что говорит о том, что первый режим удовлетворяет, второй - не удовлетворяет условию нагрева обмоток ЛАД не выше допустимого значения, равного Т=105°С.

2. Установлено, что при использовании импульсного режима работы ЛАЭП РС максимальный энергетический КПД ^энерг=0,54. При автоколебательном режиме максимальный энергетический КПД w=0,43.

3. При использовании импульсного режима повышается энергоэффективность ЛАЭП РС зерноочистительной машины.

Литература

1. Аипов Р.С., Акчурин С.В., Пугачев В.В. Математическая модель вибропривода с линейным асинхронным двигателем // Электротехнические и информационные системы. 2015. № 1. Т. 1. С. 58-63.

2. Аипов Р.С., Кафиев И.Р. К вопросу о надёжности электроприводов сельскохозяйственных машин // Матер. Меж-дунар. науч.-практич. конф. в рамках XXVI Междунар. спе-циализир. выставки «Агрокомплекс-2016». Уфа: Башкирский ГАУ, 2015. С. 3-6.

3. Аипов Р.С. Электропривод // Конспект лекций. Уфа: Башкирский ГАУ, 2011. С. 3-6.

4. Линенко А.В., Акчурин С.В., Туктаров М.Ф. Энергетические показатели линейного электропривода решётного стана зерноочистительной машины // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2014. № 1. С. 28-32.

5. Туктаров М.Ф. Электропривод решётного стана зерноочистительной машины на базе плоского линейного асинхронного электродвигателя : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Челябинск, 2013. 22 с.

6. Линенко А.В., Туктаров М.Ф., Байназаров В.Г. Анализ импульсного режима работы линейного электропривода зерноочистительной машины // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2017. № 3 (39). С. 148-153.

7. Юхин Д.П., Бакуров А.М., Сахаутдинов И.И. Энергоэффективный агротуристический комплекс // Актуальные проблемы энергообеспечения предприятий: матер. междунар. науч.-практич. конф., провод. в рамках XIV Российского энергетического форума. Уфа: Башкирский ГАУ, 2014. С. 76-81.

8. Кафиев И.Р., Романов П.С., Романова И.П. К вопросу нечёткого управления электроприводами сельскохозяйственных интеллектуальных роботов // Российский электронный научный журнал. Уфа: Башкирский ГАУ. URL: http:// http://journal.bsau.ru/numbe4-2017.php. (Дата обращения:13.03.2018).

Обоснование параметров рабочего органа для щелевания почвы

ММ Константинов, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ; В.Г. Кушнир, д.т.н., профессор, Н.В. Гаври-лов, к.т.н, Н.Х. Елеусизов, магистрант, Костанайский ГУ

Особенностью работы щелерезных рабочих органов является то, что в зависимости от его параметров, состояния почвы процесс обработки может представлять как отделение стружки, так и смятие - вдавливание почвы в стенки щели. Совершенствованию процессов обработки почвы посвящено достаточно много работ [1—5].

Материал и методы исследования. Оптимизацию параметров щелерезного рабочего органа выполняли в соответствии с агротехническими требованиями обработки почвы при глубине, равной 0,25 м. Толщина ножа в щелевателе должна быть такой, чтобы обеспечивалась наилучшая форма прорезаемой щели при минимальном тяговом со-

противлении. Так как нарезка щелей производится друг от друга на расстоянии не менее 1,0—1,4 м, то никакого взаимного влияния геометрические и кинематические параметры рабочих органов друг на друга не оказывают.

Форму лобовой поверхности щелереза принимали с учётом следующих условий: угол заострения ножа должен обеспечивать минимальную силу на вертикальное перемещение пласта поверхностного слоя, сползание растительных остатков — с фронтальной поверхности.

Важным показателем, влияющим на работу щелевателя, является угол установки рнж ножа-щелереза. Угол рнж должен обеспечивать агротехническое качество работы и наименьшее сопротивление перемещению.

Экспериментальное исследование проводили с целью проверки основных положений теоре-