Автоматизированный энергосберегающий электропривод вентиляторов в свинарнике-маточнике

Перевод свиноводства на промышленную основу, применение интенсивных методов выращивания и содержания свиней выдвинули перед наукой целый ряд важных проблем, в том числе проблему создания и поддержания в помещениях необходимого микроклимата.

Изучению влияния воздушной среды на жизнедеятельность свиней посвящены работы таких учёных как Юрков В. М., Баланин В. И., Муругов В. П., Семенихин A.M., Полищук В. М., Коба В. Г., Брагинец И. В., Мурусидзе Д. Н., Некрашевич В. Ф., Ноздрин Н. Т., Мысик А. Т. и других авторов /6.23/. А разработке устройств обеспечивающих оптимальный воздухообмен в животноводческих помещениях посвящены работы таких учёных как Ванурин В. Н., Таранов М. А., Жилина В. А., Медведько Ю. А., Джанибеков К. А.-А., Жидченко Т. В., Емелин A.A. и др.

Как биологический объект, свиней можно отнести к довольно требовательным животным, учитывая, с одной стороны, их способность к быстрому росту и, с другой — неудовлетворительное состояние здоровья животных в наших товарных хозяйствах. Обеспечить оптимальный микроклимат помещения — важнейшее условие реализации продуктивных задатков свиней. /1,3, 11/

Особое значение имеют температура, влажность, химический состав воздуха, наличие в нем пыли и микробов, световые и ультрафиолетовые лучи. Переохлаждение организма в сочетании с сыростью в помещении, загазованностью и запыленностью воздуха и сквозняками — основные причины снижения сопротивляемости организма к различным заболеваниям, снижения продуктивности свиней. /2/

При недостаточной вентиляции, повышенной влажности и пониженной температуре возбудители инфекционных заболеваний успешно развиваются и сохраняют свою биологическую устойчивость более длительное время.

При достаточном уровне воздухообмена в зимний период наблюдается уменьшение в воздухе свинарников зеленящих стрептококков и гемолитических стафилококков, но кратковременное прекращение или уменьшение поступления в помещение свежего воздуха приводит к резкому увеличению их количества. При повышении относительной влажности воздуха до 90% в воздухе возрастает количество гемолитических стрептококков и стафилококков. В летний период в воздухе свинарников наблюдается сравнительно высокая концентрация микроорганизмов из группы кишечной палочки.

По данным В. А. Немилова /3/, в осенне-зимне-весенний период у значительного количества свиней наблюдается бронхопневмония. Это подтверждается сведениями о заболеваемости и отходе свиней. Так, в осенне-зимний период отход свиней от легочных заболеваний составил 40−43% от общего отхода, а в летний период — только 18%. Приведенные факты свидетельствуют о том, что высокая бактериальная загрязненность приводит к инфицированию организма и возникновению легочных заболеваний у свиней.

Одним из главных заболеваний, возникающих у свиноматок в результате переохлаждения организма при содержании животных в сырых помещениях со сквозняками, является мастит. /4/

Отрицательно влияет понижение температуры в помещениях и на среднесуточные приросты откармливаемых свиней. На каждый градус понижения температуры с 16 до 5 °C животное отреагирует снижением прироста живой массы (в среднем на 2%).

При длительном отклонении от норм параметры микроклимата вызывают острые ответные реакции организма животного, выходящие за пределы физиологической нормы, превращаясь в реакцию патологическую или стрессовую.

Для обеспечения оптимального микроклимата недостаточно поддерживать оптимальную температуру только за счёт обогрева локального или общего. Огромное значение имеет обеспечение оптимальных параметров воздухообмена.

Недостаточный воздухообмен в сочетании с повышенной влажностью и повышенной температурой, обеспечивают патогенной микрофлоре наилучшие условия для развития. Повышенный воздухообмен, напротив, приводит к выхолаживанию помещения и, следовательно, к необоснованному повышению расхода энергии для отопления помещения.

Поэтому разработка такого автоматизированного энергосберегающего электропривода вентиляторов в свинарнике-маточнике, который обеспечивает плавную корректировку воздухообмена при любом спонтанном изменении условий окружающей среды, с целью достижения максимального комфорта в зоне содержания животных при минимальных энергетических и экономических затратах, является актуальной научно-технической задачей.

Целью работы является: разработка автоматизированного энергосберегающего электропривода вентиляторов в свинарнике-маточнике с использованием трёхфазного полупроводникового регулятора напряжения, плавно корректирующего воздухообмен при изменении температуры окружающей среды.

Научная гипотеза: В основе трёхфазного регулирования напряжения необходимо использовать принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который позволит плавно регулировать действующее напряжение на обмотках электродвигателя в широком диапазоне, не искажая при этом синусоидальность тока.

Рабочая гипотеза: Для реализации трёхфазного регулятора напряжения с широтно-импульсной модуляцией достаточно использовать только три коммутационных ключа, включенных последовательно с нагрузкой, что значительно повысит надёжность автоматизированного энергосберегающего электропривода вентиляторов, сохранив при этом основные функциональные возможности.

Объектом исследований является: Электропривод вентиляторов в свинарнике-маточнике.

Предметом исследований является: Зависимости электромеханических характеристик электродвигателя вентилятора от ШИМ регулируемого напряжения.

Результаты исследований изложены в диссертационной работе, состоящей из пяти глав основного текста.

В первой главе «Современное состояние систем вентиляции в свинарниках-маточниках» дана краткая характеристика систем вентиляции в свинарниках, проанализированы основные способы регулирования воздухообмена.

В результате анализа трудов различных авторов были выявлены основные достоинства и недостатки различных способов регулирования воздухообмена. Установлена актуальность темы, определены цель и задачи, объект и предмет исследования для получения новых научных результатов, необходимых для решения поставленных задач.

Во второй главе «Разработка трёхфазного широтно-импульсного регулятора напряжения для систем вентиляции» рассмотрен способ регулирования переменного напряжения при помощи широтно-импульсной модуляции, разработаны теоретические предпосылки для создания полупроводникового трёхфазного регулятора напряжения с ШИМ, разработаны алгоритм работы и схема принципиальная электрическая устройства. Определены теоретические зависимости ёмкости компенсирующей всплески ЭДС самоиндукции от мощности электродвигателя. Разработана методика расчёта величины ЭДС самоиндукции и компенсирующей ёмкости с использованием номинальных параметров электродвигателя. Теоретически обоснована минимальная частота ШИМ коммутации.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» сформулированы задачи и программа исследований. Приведены общие и частные методики, схемы проведения экспериментальных исследований, описание приборов, приспособлений и средств измерения, методика проверки воспроизводимости экспериментальных данных.

В четвёртой главе «Экспериментальные исследования режимов работы полупроводникового трёхфазного регулятора напряжения» отражены результаты выполнения программы экспериментальных исследований, представленные в виде таблиц, графиков зависимостей и взаимосвязей энергетических параметров в процессе регулировки напряжения и изменения частоты вращения вала вентилятора.

В пятой главе «Оценка экономической эффективности применения автоматизированного энергосберегающего электропривода вентиляторов в свинарнике-маточнике» в соответствии с методическими рекомендациями рассчитана стоимость и определены показатели эффективности предлагаемого устройства.

На примере свинарника маточника ФГУ СП «Батайское» МО РФ, используя архив погоды, рассчитан реальный почасовой график изменения требуемого воздухообмена в одном боксе свинарника. На основании графика изменения воздухообмена рассчитан возможный годовой экономический эффект от сокращения затрат электроэнергии на вентиляцию.

На защиту выносятся следующие положения:

— математическая модель системы «полупроводниковый трёхфазный регулятор напряжения с ШИМ — электродвигатель вентилятора»;

— результаты математического моделирования и экспериментальные исследования зависимости емкости компенсирующей всплески ЭДС самоиндукции от мощности электродвигателя;

— методика расчёта ёмкости компенсирующей всплески ЭДС самоиндукции;

— результаты математического моделирования и экспериментальные исследования зависимости коэффициента искажения синусоидальности кривой тока и падения напряжения на обмотках электродвигателя от частоты коммутаций и коэффициента заполнения ШИМ импульсов;

Научная новизна работы заключается в следующем:

— обоснован способ регулирования производительности вентиляторов при помощи полупроводникового трёхфазного регулятора напряжения с ши-ротно-импульсной модуляцией (ШИМ);

— разработана математическая модель системы «полупроводниковый трёхфазный регулятор напряжения с ШИМ — электродвигатель вентилятора» для исследования переходных процессов при коммутациитеоретическом и экспериментальном исследовании зависимостей коэффициента искажения синусоидальности токовой кривой от частоты коммутаций и коэффициента заполнения ШИМ импульсов.

Практическая ценность заключается в следующем: создано устройство автоматического регулирования воздухообмена, позволяющее существенно снизить энергетические затраты на вентиляцию, осуществлять плавный пуск и регулирование производительности вентиляторов (в широком диапазоне) при изменении температуры окружающей средыполучены экспериментальные зависимости емкости компенсирующей всплески ЭДС самоиндукции от мощности электродвигателя, позволяющие определять емкость компенсирующих фильтровразработана методика расчёта ёмкостного фильтра, компенсирующего всплески ЭДС самоиндукции, возникающие при ШИМ регулировке.

ВЫВОДЫ

1. В результате анализа способов регулирования частоты вращения вентиляторов выявлено, что в сельскохозяйственном производстве достаточно использовать способ регулирования частоты вращения вентиляторов — изменением только питающего напряжения, обеспечивающего кратность регулировки воздухообмена в соотношении не менее чем 1:4.

2. Разработанная конструкция и алгоритмы работы полупроводникового трёхфазного регулятора напряжения с ШИМ позволяют использовать его в адаптивных системах автоматического регулирования воздухообмена.

3. При разработке теоретических предпосылок, описывающих работу электродвигателя вентилятора при ШИМ регулировке напряжения доказано, что в трёхфазном полупроводниковом регуляторе напряжения с ШИМ, достаточно использовать только 3 коммутационных ключа разрезающих положительные полупериоды синусоиды напряжения.

4. Разработанная математическая модель, позволяющая определять активную и реактивную составляющую обмоток электродвигателя практически в любом режиме работы, имеет расхождение с реальными значениями в 4,9%.

5. При исследовании осциллограмм тока электродвигателя, питающегося от разрабатываемой системы автоматического регулирования воздухообмена, определено, что ток — синусоидален и не имеет осевого смещения, а зависимость действующего значения напряжения от коэффициентов заполнения ШИМ импульсов имеет линейный характер и описывается выражением Цф дейст — Цф пит*Я

6. Разработанная методика расчёта ёмкости компенсирующей всплески ЭДС самоиндукции с использованием паспортных данных электродвигателя, подтверждается экспериментальными исследованиями, с достоверностью 91%.

7. Экспериментально установлено, что минимально-допустимая частота коммутации ШИМ импульсов должна быть не ниже 4кГц. При такой частоте коммутации и коэффициенте заполнения ШИМ импульсов 0,5 o.e., коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения на обмотках электродвигателя составляет 10. 12%. При увеличении частоты коммутации до 15,3 кГц коэффициент искажения синусоидальности снижается до 8%, а коммутационный ресурс IGBT ключа уменьшается в два раза.

8. Экспериментальными исследованиями установлено, что достаточное фазное напряжение в максимальном режиме составляет 180 В, соответствующее коэффициенту заполнения ШИМ импульсов q=0,82 o.e. При таком напряжении реактивная и полная мощность электродвигателя снижаются на 22%, а активная мощность уменьшается на 7,6% по сравнению с напряжением 220 В, при том, что частота вращения вентилятора снизижается 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 3,6 раза;

— применение разработанного энергосберегающего электропривода вентиляторов в свинарнике-маточнике ФГУ СП «Батайское» МО РФ, позволит получить за семь лет, только за счет сокращения затрат на вентиляцию, чистый дисконтированный доход в размере 3254.3898 тыс. руб.