Выбор типа электропривода для электрооборудования фермерских хозяйств при однофазном электроснабжении

УДК 631.3-1/-9

ВЫБОР ТИПА ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ ПРИ ОДНОФАЗНОМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ

Т.М. ХАЛИНА, М.И. СТАЛЬНАЯ, С.Ю. ЕРЕМОЧКИН

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (АлтГТУ),

г. Барнаул

В статье рассмотрен вопрос выбора типа электропривода для электрооборудования фермерских хозяйств при однофазном электроснабжении. Проведен сопоставительный анализ в результате которого выявлен ряд преимуществ трехфазных асинхронных двигателей перед однофазными.

При проектировании систем электрификации фермерских хозяйств применяются более простые и экономичные решения по распределению электроэнергии в сельской местности. По этой причине для отдельных отдаленных фермерских хозяйств зачастую экономически более оправдано применение однофазной системы электроснабжения. Для питания трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети разработан однофазно-трехфазный транзисторный реверсивный коммутатор, ведомый однофазной сетью. Для управления однофазно-трехфазным транзисторным реверсивным коммутатором, ведомым однофазной сетью, разработана алгоритмическая система управления (АлСУ). Описаны функциональные узлы алгоритмической системы управления однофазно-трехфазным транзисторным реверсивным коммутатором, ведомым однофазной сетью. Сформулирован алгоритм работы электропривода при векторно-алгоритмическом управлении.

Ключевые слова: электропривод, трехфазный электродвигатель, система управления, коммутатор, векторно-алгоритмическое управление.

Главным парадоксом нынешней ситуации в сельском хозяйстве России является то, что при наличии достаточных запасов природных и техногенных ресурсов для производства продовольствия внутри страны в полном объеме - фактически его производство составляет только половину необходимого. Остальная часть продуктов питания завозится по импорту из-за рубежа.

Огромная роль в покрытии дефицита продуктов питания в настоящее время отводится фермерским и индивидуальным хозяйствам.

Число фермерских хозяйств в стране быстро росло в первой половине 1990-х годов, а в настоящее время держится на уровне 260 тыс. Это соответствует 2% сельского населения (с учетом семей фермеров - 5-7%), их доля особенно велика в производстве зерна, гречихи и подсолнечника [1]. Вместе с тем, следует учесть, что более половины продовольствия современной России, согласно статистике, производят индивидуальные фермерские хозяйства.

Развитие фермерских хозяйств предопределило разработку ряда новых электрифицированных машин для работы на мелкоконтурных участках, теплицах, садах и огородах: рыхлители ротационного типа, почвенные буры, культиваторы, сучкорезы, кормодробилки, электронасосы, индивидуальные доильные аппараты и т.п. Основным средством для приведения в движение почти всех машин является электродвигатель. В фермерских хозяйствах целесообразно использовать асинхронные электродвигатели, при помощи которых приводятся в движение все стационарные

производственные агрегаты, мобильные машины в растениеводстве, животноводстве, мукомольном производстве.

Выбор асинхронного электропривода предопределяется рядом преимуществ над приводом постоянного тока: высокая надежность, простота в эксплуатации; высокое быстродействие; возможность плавного регулирования скорости; возможность использования в мукомольном производстве (отсутствие искрообразовании).

Существует два типа асинхронных двигателей: с фазным и короткозамкнутым ротором. Преимущественное применение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором объясняется спецификой работы электроприводов в фермерском хозяйстве. Электродвигатели работают при неблагоприятных условиях окружающей среды: химически активной атмосфере животноводческих помещений, большой запыленности, зерноочистительно-сушильных комплексов, высокой влажности в кормоцехах, под открытым небом [2]. Многие двигатели имеют длительные перерывы в работе, используются сезонно, территориально разбросаны. Эти условия, осложняя эксплуатацию электроприводов, требуют применения более прочного, надежного, простого оборудования, характерного для электроприводов с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором.

Но, как известно, асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором могут быть как однофазные, так и трехфазные. Был проведен сопоставительный анализ [3], в результате которого выявлен ряд преимуществ трехфазных асинхронных двигателей перед однофазными:

1) меньшие капитальные затраты;

2) меньшие габаритные размеры и вес;

3) более высокий коэффициент полезного действия;

4) простота в обслуживании и низкая стоимость обслуживания.

При проектировании систем электрификации фермерских хозяйств применяются более простые и экономичные решения по распределению электроэнергии в сельской местности. По этой причине для отдельных отдаленных фермерских хозяйств зачастую экономически более оправдано применение однофазной системы электроснабжения.

Для питания трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети разработан однофазно-трехфазный транзисторный реверсивный коммутатор, ведомый однофазной сетью (рис. 1) [4].

Разработана алгоритмическая система управления (АлСУ) однофазно-трехфазным транзисторным реверсивным коммутатором, ведомым однофазной сетью (рис. 2).

Система управления содержит следующие функциональные узлы. Так как в качестве опорного сигнала используется синусоида напряжения питающей сети, устройство питания (УП) системы управления, обеспечивающее стабилизированное напряжение необходимой величины, содержит выпрямитель, стабилизатор и фильтр. Датчик полярности напряжения (ДП, предназначен для определения перехода синусоиды напряжения питающей сети через ноль. Входным сигналом датчика полярности напряжения и устройства питания является питающая сеть. Задающий генератор (ЗГ) служит для формирования периодического сигнала, который поступает на коммутатор (К). Коммутатор (К) формирует импульсные сигналы с учетом полярности в определенные моменты времени. Логическое устройство (ЛУ) обеспечивает подачу управляющих импульсов на базу транзисторов, вступающих в работу, и снятие управляющих импульсов с базы транзисторов, выходящих из работы.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема однофазно-трехфазного транзисторного реверсивного коммутатора, ведомого однофазной сетью: Ы, Ь2, Ь3 - статорные обмотки трехфазного электродвигателя; 1Ы,1Ь2,1Ь3 - ток в статорных обмотках Ы, Ь2 и Ь3 соответственно; иЬ1, ПЬ2, иЬ3 - напряжение в статорных обмотках Ы, Ь2 и Ь3 соответственно; УТ1, ¥Т2 - биполярные транзисторы; сплошные и пунктирные линии со стрелками вдоль обмоток статора двигателя - соответственно прямое и обратное направление тока в обмотках статора

Устройство питания состоит из диодного моста У01, трансформатора Т1, стабилизатора Би и фильтра, состоящего из конденсатора С2. Для датчика полярности напряжения используются две оптопары 009 и 0011 совместно с токоограничивающим резистором Я4, выбранным, исходя из допустимого тока входной цепи оптопар. В выходной цепи оптопар 009 и 0011 для ограничения тока, проходящего через транзистор, используются резисторы Я5 и Яб. Задающий генератор собран на двух логических элементах базиса И-НЕ (002:А и 002:В), резисторе Я1 и конденсаторе С1. Коммутатор состоит из четырех логических элементов базиса И-НЕ (002:С, 002:0, 0010:А, 0010:В). Логическое устройство представлено в виде двух двоичных счетчиков (001 и 006), двух дешифраторов (003:А и 003:В), четырех логических элементов базиса ИЛИ-НЕ (004:А, 004:В, 007:А и 007:В), а также временной задержки, состоящей из резистора Я9 и конденсатора С3. Временная задержка обеспечивает определенное состояние (низкий уровень напряжения), в момент включения коммутатора, в цепи баз транзисторов УТ1 и УТ2, с целью исключения их ложного включения. Управляемые ключи выполняются на биполярных транзисторах, при этом прохождение тока через транзисторы происходит как по цепи эмиттер - коллектор, так и по цепи коллектор - эмиттер. Это основано на свойстве симметричности транзисторов, то есть коллектор и эмиттер в ключевом режиме практически равнозначны. Но, как правило, конструкция транзистора несимметрична, и инверсное включение дает худшие усилительные характеристики. В ключевом режиме работы транзистора этим можно пренебречь.

Рассмотрим алгоритм работы электропривода при векторно-алгоритмическом управлении. Векторно-алгоритмическое управление однофазно-трехфазного транзисторного реверсивного коммутатора, ведомого однофазной сетью, осуществляется следующим образом. В статорные обмотки трехфазного асинхронного двигателя подается однофазное переменное напряжение посредством коммутации соответствующих полупроводниковых ключей (транзисторы УТ1 и УТ2), обеспечивающих получение вращающегося магнитного поля статора (рис. 3).

зг

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема алгоритмической системы управления электроприводом с однофазно-трехфазным транзисторным реверсивным коммутатором, ведомым

однофазной сетью

Рис. 3. Векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора электродвигателя

Кроме того, в работе однофазно-трехфазного транзисторного реверсивного коммутатора, ведомого однофазной сетью, используется свойство транзисторов

пропускать ток в ключевом режиме в прямом и обратном направлениях вследствие симметричной структуры.

Для обеспечения вращения вектора магнитного потока вращающегося поля статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на рис. 3, в последовательности 1-11-Ш-1У-У-У1 необходимо подавать управляющее напряжение на базы транзисторов УТ1 и УТ2 в следующей последовательности. В начальный момент времени 10 (рис. 4) подается отпирающее управляющее напряжение на базу транзистора УТ2. Ток протекает по обмотке Ь1 в прямом направлении, по обмотке Ь3 в обратном направлении (рис. 5) - обеспечивается получение I фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора.

^

Рис.5. Направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора электродвигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на рис. 3

В момент времени 11 (рис. 4) подается отпирающее управляющее напряжение на базу транзистора УТ1, транзистор УТ2 остается открытым. Ток протекает по обмотке Ь1 в прямом направлении, по обмоткам Ь2 и Ь3 в обратном направлении - обеспечивается получение II фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора. В момент времени 12 снимается отпирающее управляющее напряжение с базы транзистора УТ2, транзистор УТ1 остается открытым. Ток протекает по обмотке Ь1 в прямом направлении, по обмотке Ь2 в обратном направлении - обеспечивается получение III фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора. В момент времени 13 снимается отпирающее управляющее напряжение с базы транзистора УТ1 и подается на базу транзистора УТ2. Ток протекает по обмотке Ь1 в обратном направлении, по обмотке Ь3 в прямом направлении - обеспечивается получение IV фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора. В момент времени 14 подается отпирающее управляющее напряжение на базу транзистора УТ1, транзистор УТ2 остается открытым. Ток протекает по обмотке Ь1 в обратном направлении, по обмоткам Ь2 и Ь3 в прямом направлении - обеспечивается получение V фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора. В момент времени 15 снимается отпирающее управляющее напряжение с базы транзистора УТ2, транзистор УТ1 остается открытым. Ток протекает по обмотке Ь1 в обратном направлении, по обмотке Ь2 в прямом направлении - обеспечивается получение VI фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора. © Т.М. Халина, М.И. Стальная, С.Ю. Еремочкин Проблемы энергетики, 2012, № 5-6

В результате произведенных расчетных исследований, при помощи векторно-алгоритмического метода [5], было установлено, что мощность, развиваемая электродвигателем, питание которого осуществляется по схеме, представленной на рис. 4, составляет 62% от номинального значения.

Таким образом, предлагаемая схема электропривода, с использованием однофазно-трехфазного транзисторного реверсивного коммутатора, ведомого однофазной сетью, для векторно-алгоритмического управления электродвигателем может быть с успехом использована в электрооборудование сельскохозяйственных электрифицированных машин.

Summary

The article considers the issue of choosing the type of the electrical drive for farmers in the single-phase network. A comparative analysis as a result of which revealed a number of benefits to the three-phase asynchronous motors single phase.

When designing the electrification of farms used more simple and economical solutions for distribution of electricity in rural areas. For this reason, some outlying farms, often economically more justified in using a single-phase power supply system. For the three-phase asynchronous electric motor powered from the single phase, three phase developed a transistor reverse commutator, led by the single-phase network. To control the single-phase three-phase transistor reverse commutator, led by the single-phase network developed an algorithmic management system (AlSC). The functional parts of an algorithmic management system single-phase three-phase-reverse switch, transistor, driven single-phase network is described. The algorithm of the electric drive at vector-algorithmic control is formulated.

Keywords: electric drive, three-phase electric motor, control system, commutator, vector-algorithmic control.

Литература

1. Васин, Ф.И. Крестьянские (фермерские) хозяйства: правовой статус и учет [Электронный ресурс] / Ф.И. Васин, Е. И. Степаненко; - [Россия]: [б. и.], 2010. - с. 30. - Режим доступа: http://www.cnshb.ru/cnshb/aris/fermer/dig/d_94.htm.

2. Герасимович, Л.С. Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок: учебник / Л.С. Герасимович, Л.А. Калинин, А.В. Корсаков, В.К. Сериков. М. : Колос, 1980. 391 с.

3. Еремочкин С.Ю. Международная молодёжная конференция «Энергосберегающие технологии». Рациональный выбор типа электропривода для фермерских хозяйств с однофазной линией электропередачи [Электронный ресурс] / Т.М. Халина, М.И. Стальная, С.Ю. Еремочкин; -[Россия]: [б. и.], 2011. - Режим доступа: http://conferences.tpu.ru/assets/files/energy-saving_technologies/32ratsionalniy_vibor_tipa_elektroprivoda_dlya_fermer.pdf

4. Патент на полезную модель №109938 МПК Н02Р 27/16 (2006.01). Однофазно-трехфазный транзисторный реверсивный коммутатор, ведомый однофазной сетью / М.И. Стальная, С.Ю. Еремочкин, Т. А. Халтобина; Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова. - № 2011120730/07(030632) ; Дата подачи заявки 23.05.2011.

5. Еремочкин С.Ю., Стальная М.И. 8-я Всероссийская научно-техническая конференция «Наука и молодежь-2011». Векторно-алгоритмический метод круговых диаграмм для расчета электрической мощности и электромагнитного момента на валу трехфазного асинхронного короткозамкнутого двигателя при питании от однофазной сети [Электронный ресурс] / М.И. Стальная, С.Ю. Еремочкин; - [Россия]: [б. и.], 2011. - Режим доступа: http://edu.secna.ru/publication/5/release/54/attachment/21/.

Поступила в редакцию

12 апреля 2012 г

Халина Татьяна Михайловна - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Общая электротехника» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.

Стальная Мая Ивановна - канд. техн. наук, профессор кафедры «Автоматизированный электропривод и электротехнологии» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова. Тел.: 8 (961) 9900608.

Еремочкин Сергей Юрьевич - аспирант кафедры «Автоматизированный электропривод и электротехнологии» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова. Тел.: 8 (923) 1669110; 8 (923) 1669110. E-mail: vens-1@yandex.ru.