CC BY
10
Научная статья
УДК 519.876.5
doi: 10.37670/2073-0853-2023-100-2-129-134
Разработка и исследование энергоэффективного электропривода для сельскохозяйственных машин
Сергей Юрьевич Еремочкин, Данил Валерьевич Дорохов, Алексей Андреевич Жуков
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, Барнаул, Россия
Аннотация. Цель работы заключается в разработке и исследовании однофазного асинхронного электропривода на основе векторно-алгоритмического управления для сельскохозяйственных машин малой мощности с помощью метода имитационного моделирования. Поставленная цель достигается созданием имитационной модели в среде Matlab Simulink, которая позволяет определять электромеханические характеристики однофазного электродвигателя при различных режимах работы. Проведено сравнение характеристик однофазного двигателя при работе с пусковым конденсатором и при питании посредством разработанного устройства. Наиболее значимыми результатами работы являются полученные данные о том, что реверсивное полупроводниковое устройство может быть использовано для запуска и работы однофазного электродвигателя. При этом отмечено улучшение энергетических показателей двигателя.
Ключевые слова: имитационное моделирование, Matlab, Simulink, асинхронный электродвигатель, электропривод, частотный преобразователь.
Для цитирования: Еремочкин С.Ю., Дорохов Д.В., Жуков А.А. Разработка и исследование энергоэффективного электропривода для сельскохозяйственных машин // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2023. №> 2 (100). С. 129 - 134. https://doi.org/10.37670/2073-0853-2023-100-2-129-134.
Original article
Development and research of energy-efficient electric drive of agricultural machines
Sergei Yu. Eremochkin, Danil V. Dorokhov, Aleksey A. Zhukov
Polzunov Altai State Technical University, Barnaul, Russia
Abstract. The purpose of this work is to develop and study a single-phase asynchronous electric drive based on vector-algorithmic control for low-power agricultural machines using the simulation method. This goal is achieved by creating a simulation model in the Matlab Simulink environment, which allows you to determine the electromechanical characteristics of a single-phase electric motor under various operating modes. The characteristics of a single-phase motor were compared when working with a starting capacitor and when powered by the developed device. The most significant results of the work are the data obtained that a reversible semiconductor device can be used to start and operate a single-phase electric motor. At the same time, an improvement in the energy performance of the engine was noted.
Keywords: simulation modeling, Matlab, Simulink, induction motor, electric drive, frequency converter.
For citation: Eremochkin S.Yu., Dorokhov D.V., Zhukov A.A. Development and research of energy-efficient electric drive of agricultural machines. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2023; 100(2): 129-134. (In Russ.). https://doi.org/10.37670/2073-0853-2023-100-2-129-134.
В настоящее время во всех отраслях сельского хозяйства наблюдается тенденция к автоматизации производственных процессов [1, 2]. Фермерские и частные домохозяйства используют множество электрифицированных машин и агрегатов малой мощности, которые значительно повышают производительность труда [3, 4]. В животноводстве большое распространение получили индивидуальные доильные установки, зернодробилки, измельчители кормов, картофелечистки и т.д. В растениеводстве применяются сеялки, сушилки для зерна, водяные насосы, вентиляторы [5 - 7]. Особенностью всех этих устройств является небольшая потребляемая мощность, как правило, до 2,2 кВт. Кроме того, особенность сельскохозяйственного производства заключается в том, что машины и агрегаты работают в условиях повышенной загрязнённости и влажности воздуха, подвержены частым механическим воздействиям, а
их режим работы можно охарактеризовать как повторно-кратковременный. Многие механизмы запускаются несколько раз в год на короткий промежуток времени. Также в сельской местности электроснабжение зачастую осуществляется от однофазной сети, что выдвигает ряд особенных требований к электроприводу. Это привело к тому, что широкое распространение в сельском хозяйстве получил однофазный асинхронный электропривод [8]. К преимуществам однофазного двигателя относятся высокая надёжность, низкая стоимость, простота конструкции, относительно небольшие размеры, лёгкость в эксплуатации [9].
Для запуска и работы однофазного асинхронного электродвигателя от однофазной электрической сети, как правило, применяют способы, заключающиеся в введении в цепь питания одной из статорных обмоток фазосдвигающего элемента.
На рисунке 1 приведена наиболее распространённая схема питания однофазного двигателя, содержащая пусковой конденсатор в цепи питания одной из обмоток статора. Ёмкостный элемент позволяет в момент пуска создать сдвиг фаз между обмотками и в результате получить пусковой момент электродвигателя.
В данной схеме после запуска двигателя пусковая статорная обмотка отключается, а двигатель продолжает работать с одной обмоткой, которая создаёт пульсирующее магнитное поле статора.
Недостатками схемы являются низкий коэффициент полезного действия - около 40 %, большие габаритные параметры из-за использования конденсаторов большой ёмкости, низкая надёжность, отсутствие возможности осуществления реверса.
С целью устранения обозначенных выше недостатков предлагается использование для запуска и работы однофазного асинхронного электродвигателя реверсивного полупроводникового устройства запуска [10], принципиальная электрическая схема которого приведена на рисунке 2.
Реверсивное полупроводниковое устройство запуска относится к пусковым устройствам, ведомым однофазной сетью переменного тока, и может быть использовано в электроприводах переменного тока для пуска от однофазной сети однофазных асинхронных двигателей, не требующих регулирования скорости вращения.
Рассматриваемое устройство реализовано на двух парах полупроводниковых коммутационных ключей, включённых между собой параллельно. В качестве полупроводниковых ключей могут быть использованы биполярные, полевые либо ЮВТ-транзисторы.
С помощью различных алгоритмов коммутации статорных обмоток электродвигателя можно создавать различные типы вращающихся магнитных полей (рис. 3), которые можно использовать для выбора направления вращения электродвигателя.
Работа реверсивного полупроводникового устройства происходит следующим образом. На статорные обмотки однофазного асинхронного электродвигателя путём изменения алгоритмов коммутации полупроводниковых ключей подаётся переменное напряжение в последовательности, обеспечивающей получение вращающегося магнитного поля статора в требуемом направлении.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока вращающегося поля статора однофазного асинхронного электродвигателя в соответствии с векторной диаграммой, представленной на рисунке 3 Б, в последовательности I - II - III - IV необходимо открывать полупроводниковые ключи К1 - К4 в порядке, представленном на рисунке 4.
В первую половину положительного полупериода питающего напряжения сигналы открытия подаются на полупроводниковые ключи К1, К4, что обеспечивает I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.
&_4
Е
о
В1С
Рис. 1 - Схема питания однофазного
асинхронного электродвигателя, содержащая пусковой конденсатор:
А, В - статорные обмотки двигателя; Сп -пусковой конденсатор
Рис. 2 - Принципиальная электрическая схема реверсивного полупроводникового устройства:
К1, К2, КЗ, К4 - полупроводниковые коммутационные ключи; А, М - статорные обмотки; Ф, 0 - клеммы питающего однофазного напряжения
А Б
Рис. 3 - Положения вектора магнитной индукции магнитного потока поля статора:
А - четыре положения вектора (против часовой стрелки); Б - четыре положения вектора (по часовой стрелке)
устройством был выбран метод компьютерного имитационного моделирования. В качестве среды для моделирования использовалась среда МаАаЬ Simulink [11, 12].
При создании имитационной модели электропривода использовались параметры асинхронного электродвигателя модели ДАК110-90-1,5, паспортные данные которого приведены в таблице 1.
1. Параметры электродвигателя
Параметр Значение
Номинальная мощность на валу Рн, кВт 0,09
Номинальное напряжение питания ин, В 220
Синхронная частота вращения n, об/мин 1500
Частота питающего напряжения/Гц 50
Номинальный коэффициент полезного действия пн, % 48
Номинальный коэффициент мощности cos ф, о.е. 0,86
Рис. 4 - Порядок подачи управляющих импульсов на базы транзисторов устройства
Во вторую половину положительного полупериода питающего напряжения сигналы открытия подаются на полупроводниковые ключи К3, К2, при этом полупроводниковые ключи К1 и К4 закрываются, что обеспечивает II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.
В первую половину отрицательного полупериода питающего напряжения сигналы открытия подаются на полупроводниковые ключи К4, К1, при этом полупроводниковые ключи КЗ и К2 закрываются, что обеспечивает III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.
Во вторую половину отрицательного полупериода питающего напряжения сигналы открытия подаются на полупроводниковые ключи К2, КЗ, при этом полупроводниковые ключи К4 и К1 закрываются, что обеспечивает I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.
При вышеописанных последовательностях включения полупроводниковых ключей рассматриваемое реверсивное полупроводниковое устройство позволяет осуществлять запуск и работу двигателя на частоте сети в направлении вращения по часовой стрелке [10].
Целью исследования является разработка и исследование однофазного асинхронного электропривода на основе векторно-алгоритмического управления для сельскохозяйственных машин малой мощности.
Материал и методы. Для получения основных характеристик однофазного асинхронного электропривода сельскохозяйственной машины при работе с реверсивным полупроводниковым
На рисунке 5 представлена имитационная модель асинхронного электропривода с пусковым конденсатором и асинхронным однофазным электродвигателем марки ДАК110-90-1.5, созданная в среде Simulink.
В данной имитационной модели электропривода на входы «+М» и «М» блока «Single Phase Asynchronous Machine» подаётся синусоидальное питающее напряжение, заданное блоком «Sine Wave». Измерение величин тока и напряжения осуществляется с помощью блоков «Current Measurement» и «Voltage Measurement».
На рисунке 6 представлена имитационная модель асинхронного электропривода с двигателем ДАК110-90-1,5 и реверсивным устройством. В данной имитационной модели электропривода полупроводниковые ключи и их система управления упрощены. Работа полупроводниковых ключей имитируется с помощью управляемых источников напряжения «Controller Voltage Source». Подача управляющих сигналов на управляемые источники напряжения в модели осуществляется с помощью генераторов импульсов «Pulse Generator» и генераторов синусоидального сигнала «Sine Wave». Блок «Single Phase Asynchronous Machine» переводится в режим «Main and auxiliary windigs»
В ходе исследования было проведено сравнение результатов моделирования. На рисунке 7 представлены графики статической механической характеристики электродвигателя при конденсаторном пуске и при работе с реверсивным полупроводниковым устройством. Как видно на графике, пусковой момент (Мп) электродвигателя при конденсаторном пуске составляет 0,34 Н-м; значение критического момента (М) составляет 0,69 Н-м и развивается при угловой скорости в 144 рад/с; значение номинального момента в 0,49 Н-м развивается при угловой скорости в 149 рад/с.
Sine Wave
Рис. 5 - Имитационная модель однофазного асинхронного электропривода с конденсаторным пуском
Рис. 6 - Имитационная модель электропривода с реверсивным устройством
При работе с реверсивным полупроводниковым устройством пусковой момент (Мп) электродвигателя составляет 0,49 Н-м, значение критического момента (Мк) - 0,94 Н-м и развивается при угловой скорости в 141 рад/с, значение номинального момента - 0,49 Н-м и развивается при угловой скорости в 153 рад/с.
На рисунке 8 представлены рабочие характеристики однофазного асинхронного электродвигателя ДАК110-90-1,5 при конденсаторном пуске и при работе с реверсивным полупроводниковым устройством.
Коэффициент мощности электродвигателя при конденсаторном пуске увеличивается при
£'}. рад/с
160 120 HO
40
м М
R S
/ /
А 4 и
/
/
м ь/ м.
0 0,2 0.4 0,6 0,8 М, Н-м
Рис. 7 - Статическая механическая
характеристика электродвигателя:
I - при конденсаторном пуске; II - при работе с реверсивным полупроводниковым устройством
eosip, o.e.; ц, o.e.
0,6 0,4 0,2
;os<fi1
■р-Ч" гг>
1 п
N
> \ Ч
\ п 1
/
О
20 40 60 80 100 120 140 /¡Вт
Рис. 8 - Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя:
1 - при работе с реверсивным полупроводниковым устройством;
2 - при конденсаторном пуске
увеличении мощности на валу и достигает значения cosф = 0,87 в момент достижения двигателем номинальной мощности. КПД электродвигателя увеличивается при увеличении мощности на валу и достигает значения п = 0,49 в момент достижения двигателем номинальной мощности.
Коэффициент мощности электродвигателя при работе с реверсивным полупроводниковым устройством увеличивается при увеличении мощности на валу и достигает значения cosф = 0,88 в момент достижения двигателем номинальной мощности. КПД электродвигателя увеличивается при увеличении мощности на валу и достигает значения п = 0,55 в момент достижения двигателем номинальной мощности.
Выводы. В результате проведённого исследования работы однофазного асинхронного
электродвигателя при конденсаторном пуске и с реверсивным полупроводниковым устройством при помощи средств компьютерного имитационного моделирования и последующего анализа полученных данных было установлено, что пусковой момент электродвигателя при работе с реверсивным полупроводниковым устройством увеличивается на 44 % по сравнению с конденсаторным пуском, критический момент - на 36 %, коэффициент полезного действия увеличивается на 12 %.
Таким образом, реверсивное полупроводниковое устройство может использоваться в электроприводе сельскохозяйственных машин малой мощности для запуска и работы однофазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети.
Список источников
1. Еремочкин С.Ю., Дорохов Д.В. Разработка и исследование однофазного асинхронного электропривода сельскохозяйственной машины с полупроводниковым устройством регулирования скорости // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2022. № 10 (216). С. 89 - 100. https://doi.org/10.53083/1996-4277-2022-216-10-89-10.
2. Корнев С.М., Ставицкий А.В. Перспективы и актуальные проблемы цифровизации аграрной отрасли // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 6 (98). С. 136 - 140.
3. Результаты исследований по обеспечению курсовой устойчивости тракторно-транспортных агрегатов / А.А. Шуравин, Е.В. Маршанин, Е.Е. Кузнецов и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 6 (98). С. 108 - 112.
4. Abdin Z., Webb C.J., Mac E., Gray A. One-dimensional metal-hydride tank model and simulation in Matlab-Simulink. International Journal of Hydrogen Energy. 2018; 43: 50485067. https ://doi.org/10.1016/J. IJHYDENE .2018.01.100.
5. Габитов И.И., Шайхетдинов Ф.Р., Неговора А.В. Модернизация эксплуатируемой сельскохозяйственной техники как эффективный фактор повышения уровня технической оснащённости // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2020. № 3 (55). С. 95 - 99.
6. Ценч Ю.С., Маслов Г.Г., Трубилин Е.Г. К истории развития сельскохозяйственной техники // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2018. № 3 (47). С. 117 - 123.
7. Кизуров А.С. Тестирование разработанной модели системы автоматизации насосной станции // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 5 (97). С. 131 - 135.
8. Будзко И.А., Лещинская Т.Б., Сукманов В.И. Электроснабжение сельского хозяйства. М.: Колос, 2000. 536 с.
9. Eremochkin S.Y., Dorokhov D.V. Characteristics Research of the Semiconductor Frequency Converter in Matlab-Simulink // Proceedings of the 2021 15th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering, APEIE 2021: 15, Novosibirsk, 19 - 21 ноября 2021 года. Novosibirsk, 2021. P. 144-149. https://doi.org/10.1109/APEIE52976.2021.9647561.
10. Пат. № 157687. Рос. Федерация / Реверсивное бесконденсаторное устройство пуска однофазного двух-
обмоточного асинхронного двигателя; N° 2015116579/07; заявл. 29.04.2015; опубл. 10.12.2015.
11. Vijetha Inti V.V., Vakula V.S. Design and MAT-LAB/Simulink implementation of four switch inverter for microgrid utilities. Energy Procedia. 2017; 117: 615-625. https://doi.org/10.1016/J.EGYPR0.2017.05.159.
12. Singh B., Agrawal G. Enhancement of voltage profile by incorporation of SVC in power system networks by using optimal load flow method in MATLAB / Simulink environments. Energy Reports. 2014; 4: 418-434. https:// doi.org/10.1016/J.EGYR.2018.07.004.
References
1. Eremochkin S.Y., Dorokhov D.V. Development and research of a single-phase asynchronous electric drive of an agricultural machine with a semiconductor speed control device. Bulletin o/the Altai State Agrarian University. 2022; 216(10): 89-100. https://doi.org/10.53083/1996-4277-2022-216-10-89-10.
2. Kornev S.M., Stavitsky A.V. Prospects and current problems of digitalization of the agricultural sector. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 98(6): 136-140.
3. Results of research on ensuring the exchange rate stability of tractor-transport units / A.A. Shuravin, E.V. Marshanin, E.E. Kuznetsov et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 98(6): 108-112.
4. Abdin Z., Webb C.J., Mac E., Gray A. One-dimensional metal-hydride tank model and simulation in Matlab Simulink. International Journal o/Hydrogen Energy. 2018; 43: 50485067. https://doi.org/10.1016 / J.IJHYDENE.2018.01.100.
5. Gabitov I.I., Shaikhetdinov F.R., Negovora A.V. Modernization of operated agricultural machinery as an
effective factor in increasing the level of technical equipment. Bulletin of the Bashkir State Agrarian University. 2020; 55(3): 95-99.
6. Tsench, Yu.S., Maslov G.G., Trubilin E.G. On the history of agricultural machinery development. Bulletin of the Bashkir State Agrarian University. 2018; 47(3): 117-123.
7. Kizurov A.S. Testing the developed model of the pumping station automation system. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 97(5): 132-135.
8. Budzko, I.A., Leshchinskaya T.B., Sukmanov V.I. Power supply of agriculture. M.: Kolos, 2000. P. 536.
9. Eremochkin S.Y., Dorokhov D.V. Characteristics Research of the Semiconductor Frequency Converter in Matlab Simulink // Proceedings of the 2021 15th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering, APEIE 2021: 15, Novosibirsk, November 19-21, 2021. Novosibirsk, 2021. P. 144149. https://doi.org/10.1109/APEIE52976.2021.9647561.
10. Patent No. 157687 Rus. Federation.; Reversible non-condensing device for starting a single-phase two-winding asynchronous motor: application No. 2015116579/07; 29.04.2015; publ. 10.12.2015.
11. Vijetha Inti V.V., Vakula V.S. Design and MAT-LAB/Simulink implementation of four switch inverter for microgrid utilities. Energy Procedia. 2017; 117: 615-625. https://doi.org/10.1016ZJ.EGYPR0.2017.05.159.
12. Singh B., Agrawal G. Enhancement of voltage profile by incorporation of SVC in power system networks by using optimal load flow method in MATLAB / Simulink environments. Energy Reports. 2014; 4: 418-434. https:// doi.org/10.1016/J.EGYR.2018.07.004.
Сергей Юрьевич Еремочкин, кандидат технических наук, доцент, [email protected], https://orcid. org/0000-0001-6753-8305
Данил Валерьевич Дорохов, соискатель, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-6564-5879
Алексей Андреевич Жуков, соискатель, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-3098-8905
Sergej Yu. Eremochkin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, [email protected], https:// orcid.org/0000-0001-6753-8305
Danil V. Dorokhov, research worker, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-6564-5879
Aleksey A. Zhukov, research worker, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-3098-8905
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 09.03.2023; одобрена после рецензирования 20.03.2023; принята к публикации 20.03.2023.
The article was submitted 09.03.2023; approved after reviewing 20.03.2023; accepted for publication 20.03.2023.
-Ф-
