Энергосберегающая система с частотно-регулируемым приводом для пастбищных комплексов

УДК 621.516

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ СИСТЕМА С ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ПРИВОДОМ ДЛЯ ПАСТБИЩНЫХ

КОМПЛЕКСОВ

В.А.Шилин О.А.Герасимова

В статье рассмотрены перспективы энергосбережения на пастбищных комплексах в летний период. Предлагаются для дальнейшего совершенствования энергосберегающая система с частотно-регулируемым приводом. Ключевые слова: пастбищный комплекс, водокольцевой вакуумный насос, частотный преобразователь, энергосбережение.

Получение экологически чистой молочной продукции предполагает решение наиболее важной задачи в настоящее время, так как молоко и продукты его переработки являются продуктами, на которые постоянно возрастает потребительский спрос.

Наиболее важным в существующих условиях является увеличение производства молока, которого можно добиться при использовании достаточно высокого потенциала пастбищ в летний период. За этот период хозяйства производят 60.. .65 % всего количества молока. И это не предел.

Поэтому указанное направление имеет большое значение для хозяйств региона, обладающих большими площадями неиспользуемых или нерационально используемых пастбищ, в том числе отдаленных на значительное расстояние от центральной усадьбы.

На это нацелено выполнение долговременной региональной программы «АГРОСЕВЕРОЗАПАД 2015», имеющей научно-исследовательский и прикладной характер с конечной целью - разработка, апробация и внедрение результатов в конкретных сельскохозяйственных предприятиях животноводческого направления ЗАО «Великолукское» Великолукского района и СПК «Красное Знамя» Новосокольнического района Псковской области, занимающихся производством молока в условиях пастбищ как перспективного направления в повышении эффективности молочного животноводства.

Пастбищная трава характеризуется высокой питательностью. В 100 кг травы природных пастбищ среднего качества (в переводе на сухой корм) содержится около 6,5 кг перевариваемого белка и свыше 65 корм. ед. Таким образом, по питательной ценности она приближается к зерну.

Исследования показали, что трава содержит примерно в 1,5 раза больше питательных веществ по сравнению с сеном, приготовленным без потерь листьев и других нежных частей той же самой травы. При пастьбе коров на весенней

траве, богатой витаминами, в частности каротином, образуется молоко с жиром высокого качества. С мая по октябрь подножный корм обеспечивает животных всеми необходимыми питательными веществами: белками с полным набором аминокислот, углеводами, минеральными солями, витаминами.

Преобладание удаленных от ферм пастбищных угодий вызывает необходимость создания пастбищных доильных комплексов.

Летние лагеря могут быть стационарными или передвижными, в настоящее время преобладают стационарные летние лагеря и строятся они, как правило, при отсутствии или невозможности организации культурных пастбищ в радиусе 2 км от фермы.

Правильный выбор технологии и технологических линий доения, первичной обработки и содержания коров в условиях пастбищ, который влияет не только на производительность труда, но и на продуктивность и состояние здоровья животных, качества продукции.

С учетом этого определена исходная проблематика, необходимость решения которой легла в основу при выделении направлений выполняемых научных исследований:

• продолжительная пастьба коров (10... 12ч) с частыми перегонами на дойку, применяемая во многих хозяйствах при стойлово-пастбищном содержании, не дает должного эффекта, поскольку приводит к быстрому выбиванию пастбищ, снижению урожайности травостоя. А частые перегоны коров на длительное расстояние создают значительные энергетические затраты корма на передвижение животных, не стимулируют высокую молочную продуктивность;

• существующая конструкция летних лагерей при пастбищном содержании коров не обеспечивают защиту животных ни от сильной жары, ни от проливных дождей. Скот, при отсутствии расположенных по близости поилок и защитных навесов, вынужден длительное время находиться на солнцепеке, угнетаемый оводом и гнусом;

• в период затяжных проливных дождей хозяйства также вынуждены проводить пастьбу скота и тем самым сознательно уничтожать и без того низкоурожайный травостой на пастбищах, потому, что раздача зеленого корма скоту в эти дни в загонах без твердого покрытия значительно усложняется, а использование его резко ухудшается;

• неудовлетворительная конструкция летних лагерей (доильных площадок) не может обеспечить нормальное санитарное состояние животных и получение высококачественного молока. При неблагоприятных погодных условиях продолжительность доения коров, как правило, возрастает в 1.5-2 раза, потребность в теплой и чистой воде увеличивается в 5-7 раз;

• отсутствие централизованного энергообеспечения препятствует созданию условий для получения молока высокого качества и относительно длительного срока хранения для его транспортировки в центральную усадьбу без снижения качества.

Так, в установках УДС-3Б, используемых на пастбищах, происходит кормление коров концентрированными кормами, подмывают вымя и доят коров, определяют количество надоенного молока от каждого животного, очищают и охлаждают его, хранят и перекачивают в транспортную емкость, моют и дезинфицируют доильную аппаратуру и молочное оборудование.

Доильные станки этой установки выполнены в виде разборных секций, смонтированных на трубчатых полозьях. В передней части станков имеются дверки для выпуска животных, открываемые с помощью тяг. Фиксация коров осуществляется опусканием дуг. Станки укомплектованы бункерами для хранения концентрированных кормов и кормушками Подача корма в кормушки осуществляется с помощью спирально-шнекового дозатора.

Однако отдельные элементы комплекта технических средств требуют совершенства. К примеру в состав вакуум-силовой системы установки УДС-3Б входят ротационный вакуумный насос УВУ-60/45, обратный клапан, вакуум-регулятор, вакуумметр, вакуум-баллон, вакуумная магистраль, рассчитанные на поголовье 100 коров.

Но такие вакуумные системы имеют ряд существенных недостатков, основными из которых являются: низкая производительность (до 60м3/ч), низкая надежность (трение пластин и перегрев), большой расход масла (до 4г на 1 м3 воздуха), загрязнение окружающей среды (выброс масла), сильный шум при доении, значительные затраты на техническое обслуживание, колебание вакуума при изменении нагрузки.

По предлагаемой нами технологии, в состав вакуумной установки включены: водокольцевой вакуумный насос 1 типа ВВН; магистральный вакуумпро-вод; преобразователь частоты, датчик вакуумметрического давления, водопровод рабочей жидкости; водосборник.

Важнейшими достоинствами насосов ВВН является способность откачивать абсолютно любые пары и газы, в том числе запыленные и загрязненные, а также надежность и простота конструкции. Динамически отбалансированные роторы уменьшают вибрацию, увеличивая тем самым ресурс работы насосов. Они не загрязняют окружающую среду и позволяют проводить откачку нужных сред даже с содержанием жидкой фазы в виде капель.

Следует отметить, что эффективность работы доильных машин и технологии доения в целом в значительной степени определяется постоянством вакуумного режима в технологических линиях доильных установок. Анализ научных работ отечественных и зарубежных исследователей показал, что даже незначительное отклонение параметров вакуумного режима доильной установки приводит к росту числа заболеваний коров маститом, вызывает снижение их продуктивности и качества молока. А при неполной загрузке вакуум-силовой установки, когда одновременно доят не 6, а 2 или 4 коровы, существующие насосы работают на полную мощность, а через вакуум-регулятор в систему поступает атмосферный воздух.

Исходя из этого, представляет актуальность разработка и обоснование конструктивно-технологической схемы вакуум-силовой установки с изменяющейся подачей насоса, в соответствии с требуемым расходом воздуха при доении, за счет изменения частоты вращения ротора вакуумного насоса, которое можно произвести регулированием частоты вращения асинхронного двигателя, служащего приводом.

Асинхронные двигатели широко распространены, надежны, имеют относительно невысокую стоимость, хорошие эксплуатационные качества, но регуляторы скорости их вращения из-за сложности электронного регулирования частоты питающего напряжения стоили до начала 80-х годов дорого и не обладали качествами, необходимыми для широкого внедрения в индустрию.

Возможность управления частотой вращения короткозамкнутых асинхронных электродвигателей была доказана сразу же после их изобретения. Реализовать эту возможность удалось лишь с появлением силовых полупроводниковых приборов - сначала тиристоров, а позднее транзисторов ЮВТ. В настоящее время во всем мире широко реализуется способ управления асинхронной машиной, которая сегодня рассматривается не только с точки зрения экономии энергии, но и с точки зрения совершенствования управления технологическим процессом [1].

Широкодиапазонный и быстродействующий электропривод водокольце-вого вакуумного насоса позволяет применить систему векторного управления.

Благодаря квадратичной характеристике ШР и возможности ее динамического выбора, преобразователь позволяет управлять насосом с наибольшей эффективностью, приближаясь к их естественной характеристике и тем самым, сокращая потери энергии. Необходимо также более подробно отметить уже упоминавшуюся ранее функцию динамического выбора характеристики ШР. При снижении нагрузки на валу двигателя и, соответственно, уменьшении тока статора, преобразователь снижает напряжение на статоре двигателя. Благодаря снижению напряжения уменьшаются потери энергии в статоре двигателя, а значит и общие потери энергии в приводной системе становятся ниже. При возрастании нагрузки на валу двигателя процесс протекает в обратной последовательности и ПЧ возвращается на номинальную характеристику.

Наличие программируемого ПИД-регулятора позволяет организовать автоматический контроль за аналоговым сигналом, приходящим с датчика обратной связи (например, давления, температуры, уровня). Необходимо отметить также наличие пропускаемых частот, настраиваемых пользователем и позволяющих избежать резонанса в механизме и двигателе. Из функций, полезных при управлении насосом, следует также отметить возможность «подхвата» вращающегося двигателя и возможность автоматического перезапуска при исчезновении питания или рестарта при аварийном отключении. Преобразователь может перезапускаться до 10 раз с задержкой перед включением от 5 до 25 секунд.

рис.1.

Схема управления водокольцевым вакуумным насосом приведена на

Рис.1. Система получения вакуума с частотно-регулируемым приводом

Наибольшее распространение получили преобразователи частоты с промежуточным контуром постоянного тока, выполненные на базе инверторов напряжения. Структурная схема такого преобразователя приведена на рис. 2.

Рис 2. Схема управления вакуумным насосом

Некоторые виды нагрузки имеют переменную механическую характеристику, для которой момент нагрузки возрастает с увеличением скорости вращения. Типичным примером устройств с такой нагрузкой являются центробежные насосы и вентиляторы, чья механическая характеристика описывается уравнением квадратичной параболы, а значит, потребляемая мощность пропорциональна кубу скорости вращения.

Из этого следует, что даже небольшое снижение скорости электропривода может дать значительный выигрыш в мощности - вот почему экономия электроэнергии является главным преимуществом использования управляемого электропривода для насосов и вентиляторов. Теоретически снижение скорости на 10% дает тридцатипроцентную экономию мощности.

Снижение энергозатрат вакуум-силовой установки целесообразно осуществлять изменением их конструктивной схемы за счет введения электродвигателя с изменяемой частотой вращения ротора. Насосы с регулируемой частотой вращения ротора имеют меньшее потребление электроэнергии за счет адаптации его расхода к реальным потребностям доильной установки, обусловленным количеством доильных аппаратов, находящихся в работе.

Возможный экономический эффект от внедрения асинхронного электропривода складывается, в частности, из следующих факторов:

• экономия электроэнергии водокольцевым вакуумным насосом до 50%, путем изменения частоты вращения; улучшение режимов работы насоса;

• снижение износа механических звеньев и увеличению срока службы технологического оборудования вследствие улучшения динамики работы электропривода;

• в режиме энергосбережения преобразователь частоты автоматически отслеживает потребление тока, рассчитывает нагрузку и снижает выходное напряжение, снижаются потери на обмотках двигателя, и увеличивается его КПД.

На основании вышесказанного были сформулированы основные задачи предстоящих исследований в направлении совершенства вакуум-силовой части:

> получить математические модели зависимостей основных факторов исследуемой вакуумной установки с регулируемой частотой вращения ротора;

> теоретически обосновать выбор принципиальной схемы вакуум-силовой установки и ее конструктивно-режимных параметров;

> разработать методику исследований и провести экспериментальные исследования для определения оптимальных конструктивных параметров и режимов работы вакуум-силовой установки;

> на основе обработки результатов экспериментального исследования получить математические зависимости влияния основных факторов исследуемой вакуумной установки с регулируемой частотой вращения ротора на его производительность и энергоемкость;

> провести производственные исследования на пастбищном комплексе, на основании которых разработать практические рекомендации для использования усовершенствованной вакуум-силовой установки в производственных условиях;

> оценить экономическую эффективность усовершенствованной вакуум-силовой установки.

Имеющиеся на настоящий период наработки в отношении энергосберегающей система с частотно-регулируемым приводом свидетельствуют о перспективности разработки и целесообразности её включения в «Систему технологий и машин для животноводства на период до 2020г.»

Литература:

1. www.agrovodcom.ru

Шилин Владимир Александрович, кандидат технических наук, профессор Великолукская государственная сельскохозяйственная академия Тел.(81153) 7-16-22

Герасимова Ольга Александровна, кандидат технических наук, ассистент

Великолукская государственная сельскохозяйственная академия

Тел. (81153) 7-16-22

E-mail: olga-geracimova@rambler.ru

In article prospects energy conservation on pasturable complexes during the summer period are considered. Are offered for the further perfection энергосберегающая system with a frequency-regulated drive.

Keywords: a pasturable complex, the water ring vacuum pump, the frequency converter, energy conservation.