Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Енергозберігаючі швидкісні режими сільськогосподарських технологій

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика

Актуальність теми. Позитивні зрушення в розвитку агропромислового комплексу, що спостерігаються в останні роки, вимагають більшої кількості електроенергії, яка є основним енергетичним джерелом його динамічного розвитку. Збільшення цін на електроенергію і обмежені можливості у використанні енергоресурсів обумовили проблему енергозбереження, яка останнім часом набула особливої актуальності. Електропривод, який є енергосиловою основою сучасного виробництва, споживає 65-70% усієї електроенергії, що виробляється.

Сьогодні на європейському електротехнічному ринку частка регульованого електроприводу змінного струму складає близько 70%, а електроприводу постійного струму - лише 15%, решта припадає на механічний та гідравлічний привод. У країнах Євросоюзу від 30% до 60% електроприводу потокових ліній, машин та механізмів є регульованим, що дає змогу, за даними дослідницьких та статистичних установ, економити біля 30-40% електроенергії. Серед електроприводів, які експлуатуються в агропромисловому комплексі, домінує нерегульований асинхронний короткозамкнутий електродвигун, тому одним із ефективних шляхів зменшення витрат енергії є використання регульованого асинхронного електропривода.

За статистичними даними, приблизне розподілення асинхронних двигунів (АД) за механізмами оцінюється такими показниками: приводи вентиляторів - 37%, транспортери (дозатори) - 19%, помпи - 17%, оброблювальні станки - 7%, змішувачі - 6%, механізми пересування - 4%, затвори - 4%, компресори - 3%, інші механізми - 3%. Ці установки мають різні механічні характеристики, а швидкісні режими їхньої роботи визначаються технологічними вимогами. Способи регулювання продуктивності, що знайшли застосування в сільському господарстві, засновані на механічному регулюванні швидкості, дроселюванні потоків і супроводжуються значними втратами енергії та зменшенням коефіцієнта корисної дії машин і установок.

Тому дослідження та класифікація швидкісних режимів роботи технологічних процесів, розвиток теоретичних положень і розробка технічних систем реалізації цих режимів дають можливість визначити ефективні діапазони регулювання координат, сформулювати вимоги до режимів роботи та параметрів регульованого електроприводу, впровадження якого вирішує проблему зменшення питомих витрат енергії на виробництво та переробку сільськогосподарської продукції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана в Тернопільському державному педагогічному університеті імені Володимира Гнатюка в рамках наступних науково-технічних програм: «Розробити наукові основи створення перспективних машин, обладнання, засобів автоматизації технічних комплексів і загальну систему машин у рослинництві» (номер державної реєстрації 0193U034273), «Розробка, дослідження і впровадження у виробництво систем автоматичного керування багатокомпонентним дозуванням кормів» (тема №53-Б, замовник - Міністерство освіти і науки України, номер державної реєстрації 0194U004757), «Розробка наукових основ та алгоритмів керування процесами приготування багатокомпонентних кормових сумішей» (тема №54-Б, замовник - Міністерство освіти і науки України, номер державної реєстрації 0196U012315), «Розробка алгоритмів керування, моделі економічної ефективності та рекомендацій щодо енергозберігаючих заходів у технологічних процесах виробництва борошна, які забезпечують мінімум питомих витрат енергії» (шифр теми №99/03, замовник - Міністерство освіти і науки України, номер державної реєстрації 0100U002414).

Вказані науково-технічні програми виконувалися за безпосередньої участі автора як відповідального виконавця та керівника тем.

У 2000 році з ініціативи автора розроблена і затверджена облдержадміністрацією 25.02.00 р. «Програма технічних заходів енергозбереження в АПК Тернопільської області». За чотирма завданнями цієї програми автор є науковим керівником і відповідальним виконавцем. Результати розробок впроваджені на п'яти підприємствах регіону.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є зниження питомих витрат енергії у сільськогосподарських технологіях на основі математичного моделювання процесів перетворення і використання енергії шляхом регулювання швидкісних режимів робочих машин і потокових ліній з допомогою частотно-регульованих електроприводів.

Задачі дослідження:

розробити моделі технологічних процесів та дослідити вплив швидкісних режимів технологій на енергоємність виробництва та переробки сільськогосподарської продукції;

розробити математичні та фізичні моделі електропривода для дослідження впливу нелінійності зв'язків і нестаціонарності параметрів на якість і точність регулювання координат;

провести аналіз і синтез законів регулювання електропривода, оцінити їх можливості і області ефективного застосування в сільськогосподарських технологіях;

теоретично обґрунтувати алгоритми корекції жорсткості механічної характеристики і величини потокозчеплення ротора при зміні навантаження, способи ідентифікації внутрішніх параметрів електродвигуна внаслідок його нагрівання для розширення діапазонів і якості регулювання швидкості та зменшення втрат електроенергії в електроприводі при різних законах регулювання;

розробити нові способи контролю координат технологій при реалізації швидкісних режимів їхньої роботи;

розробити комплекти електрообладнання для реалізації швидкісних режимів технологій;

провести виробничі дослідження запропонованих способів і розроблених комплектів електрообладнання регулювання швидкісних режимів та дати їм техніко-економічну оцінку.

Об'єкт дослідження: Процес перетворення енергії при реалізації швидкісних режимів агропромислових технологій.

Предмет дослідження: Вплив швидкісних режимів технологічних процесів на витрати і втрати енергії, якісні характеристики виробництва та переробки сільськогосподарської продукції.

Методи дослідження: Ґрунтуються на теорії випадкових функцій, законах електродинаміки, теоріях подібності, електропривода, електричних машин, методах математичного та фізичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

уперше створені моделі й теоретично та експериментально досліджена ефективність реалізації швидкісних режимів технологій стосовно зменшення питомих витрат енергії при виробництві та переробці сільськогосподарської продукції;

запропоновані математичні та фізичні моделі електропривода для дослідження енергетичних та динамічних характеристик, законів регулювання координат ураховуючи нелінійність, багатозв'язний характер, нестаціонарність, що обумовлені зміною кількісних зв'язків між параметрами асинхронного електродвигуна внаслідок його нагрівання;

подальшому теоретичному розвитку способів корекції режимів роботи електропривода залежно від рівня навантаження та зміни параметрів електродвигуна і його температури, що дозволяє розширити діапазон регулювання координат, а також зменшити втрати електроенергії;

теоретичному обґрунтуванні нових способів ідентифікації параметрів та координат в замкнутих структурах керування швидкісними режимами сільськогосподарських технологій;

подальшому розвитку теоретичних основ і структур регульованих електроприводів у взаємозв'язку з особливостями швидкісних режимів енергоємних сільськогосподарських технологій: створенням мікроклімату в птахівничих приміщеннях, пневмотранспортуванням продукції борошномельних підприємств, інтенсифікацією процесів теплообміну, зв'язних системах приготування кормосумішей, реалізація яких призводить до суттєвого зменшення витрат енергії і підвищення якості продукції.

Практичне значення одержаних результатів полягає у такому:

розроблені способи й алгоритми систем регулювання швидкісних режимів сільськогосподарських технологій;

розроблені оригінальні способи та технічні засоби оцінки параметрів і показників якості реалізації швидкісних режимів технологічних процесів;

створені комплекти електрообладнання для систем вентиляції пташників, пневмотранспортування компонентів розмелу зерна, інтенсифікації теплообміну в системах холодозабезпечення, потокових ліній приготування кормових сумішей для тваринництва дали підстави стверджувати, що їх впровадження зменшує витрати електроенергії на 13-25%. Результати роботи були впровадженні в Головному експериментально-конструкторському інституті (м. Вільнюс), Микулинецькому пивзаводі ВАТ «Бровар» (Тернопільська обл.), Тернопільській птахофабриці, Хоростківському, Тернопільському комбінатах хлібопродуктів (Тернопільська обл.), ВАТ «Кам'янецький млин» (Львівська обл.) і ввійшли складовою частиною в регіональну програму енергозбереження в агропромисловому комплексі;

узагальнені теоретичні та практичні дослідження автора є складовою частиною опублікованої вперше в Україні системної монографії «Енергозбереження в агропромисловому комплексі». Отримані результати, поряд із відомими, формують науково-технічну базу для розробки нових електротехнологій у сільськогосподарському виробництві.

Монографію «Енергозбереження в агропромисловому комплексі» використовують у навчальному процесі профільні навчальні заклади України, у тому числі агротехнічні вузи Росії.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані науково-прикладна проблема, мета і задачі досліджень, наукові положення, висновки та рекомендації, виконана теоретична частина роботи. Усі експериментальні роботи реалізовані при безпосередній участі здобувача як наукового керівника і виконавця.

У наукових працях 14,16,19,20,22,23,24,25,34,35,37 автору належить розробка й обґрунтування математичних моделей, що описують досліджувані процеси; у роботах11,12,13,15,18,21,26,36,38 автор теоретично обґрунтував нові способи корекції режимів роботи та ідентифікації параметрів електромеханічних систем при організації швидкісних режимів та розробив методи застосування регульованого електроприводу в технологічних процесах агропромислового комплексу.

Участь в опублікованих у співавторстві роботах становить 35…70%.

Аналіз та узагальнення результатів досліджень були виконані з науковим консультантом д.т.н., професором Корчемним М.О. та д.т.н. професором, академіком УААН Мартиненком І.І.

Апробація результатів досліджень. Матеріали досліджень представлені, обговорені та схвалені: на республіканських науково-технічних конференціях «Удосконалення зональних систем машин і шляхи підвищення продуктивності праці в сільському господарстві» (м. Київ, УНДІМЕСГ, 21-22 листопада 1985 р.), «Інтенсифікація перебудови і впровадження нових технологій в кормовиробництві» (м. Вільнюс, ГЕКІ, 21-22 серпня 1986 р.), «Енергозберігаючі технології та технічні засоби для виробництва сільськогосподарської продукції» (Глеваха, ІМЕСГ, 16-18 листопада 1993 р.), міжнародній науково-технічній конференції «Перспективи розвитку механізації, електрифікації, автоматизації та технічного сервісу сільськогосподарського виробництва» (Глеваха, ІМЕСГ УААН, 1-3 жовтня 1996 р.), міжнародній конференції з управління «Автоматика 2000» (м. Львів, ЛНУ ім. Івана Франка, 11-15 вересня 2000 р.), 5-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (м. Львів, НУ «Львівська політехніка», 16-18 травня 2001 р.), міжнародних науково-технічних конференціях «Землеробська механіка на рубежі сторіч» (м. Мелітополь, ТДАТА, 29-31 травня 2001 р.), «Технічний прогрес у сільському виробництві» (Глеваха, ННЦ ІМЕСГ, 25-28 вересня 2001 р.), ІІІ та IV міжнародних науково-практичних конференціях «Проблеми економії енергії» (м. Львів, НУ «Львівська політехніка», 10-14 жовтня 2001 р., 8-12 жовтня 2003 р.), міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України» (м. Харків, ХДТУСГ, 14-15 листопада 2001 р.), міжнародних науково-технічних конференціях «Енергетика в АПК» (м. Мелітополь, ТДАТА, 16-20 вересня 2002 р.), «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України» (м. Харків, ХДТУСГ, 9-10 жовтня 2002 р.) VII науковій конференції «Прогресивні матеріали, технології в машиноприладобудуванні» (м. Тернопіль, ТДТУ ім. І. Пулюя, 22-24квітня 2003 р.)

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 46 робіт, у тому числі: опубліковано одну монографію - Корчемний М.О., Федорейко В.С., Щербань В.П. Енергозбереження в агропромисловому комплексі. - Тернопіль: Підручники і посібники, 2001. - 984 с. (підготовлено 3 із 7 розділів); статей у наукових журналах - 12; статей у збірниках наукових праць - 13; матеріалів і тез наукових конференцій - 8; патентів - 4; авторських свідоцтв - 2; депонованих наукових робіт - 6.

Обсяг і структура роботи. Основна частина дисертації викладена на 287 сторінках друкованого тексту, 107 рисунків, 8 таблиць, складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури, що містить 203 найменувань. У дисертації налічується 15 додатків на 45 сторінках.

Основний зміст роботи

технологічний сільськогосподарський ротор

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами, сформульовано мету та задачі досліджень, наукова новизна та практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі «Стан проблеми і задачі досліджень» вивчається стан та ефективність застосування систем регулювання координат електропривода в технологічних процесах, визначаються головні фактори впливу, аналізуються основні способи покращення енергетичних характеристик швидкісних режимів машин та поточних ліній. Формулюється проблема - підвищення енергетичної ефективності виробництва та переробки сільськогосподарської продукції та досліджуються науково-технічні шляхи її вирішення. Визначається як основний напрям пошуку створення комплексу теоретичних розробок, як основа науково-технічних передумов та практичних засобів використання регульованих електроприводів машин і потокових ліній сільськогосподарського виробництва.

Аналіз технологічних процесів, в яких знайшли широке застосування системи регулювання швидкісних режимів свідчить, що поряд з покращенням якісних характеристик виробництва відбувається суттєве зниження витрат енергії (до 40-50%). Проблемам удосконалення функціонування регульованого електропривода і його застосування для вирішення енергетичних та технологічних задач присвячені теоретичні дослідження Адаменка О.І., Бешти О.С., Вербового П.Ф., Войтеха О.А., Гайдукевича В.І., Клепікова Б.В., Копилова І.П., Корчемного М.О., Мартиненка І.І., Півняка Г.Г., Постникова І.М., Савченка П.І., Смирнова В.С., Соколова М.М., Чилікіна М.Г. Особливу увагу щодо цієї проблеми заслуговують розробки Браславського І.Я., Ільїнського М.Ф., Ісакова В.М., Поповича М.Г., Шидловського В.К., Казмірковскі М.Р., Шнідерса А.А. та інших.

Одним із характерних моментів еволюції автоматизованого електроприводу (ЕП), починаючи з середини 80-х років, є прискорений перехід від систем на базі двигунів постійного струму до асинхронних електроприводів з використанням статичних перетворювачів частоти. За наявними статистичними даними доля асинхронних електродвигунів тільки в загальній масі регульованого ЕП, що поставляються світовим лідером їх виробництва об'єднанням АВВ (Asea Brown Bowen), з 1980 по 1993 рр. виросло від 5% до більш як 70%. У всіх державних та регіональних програмах енергозбереження декларуються задачі для ширшого впровадження у виробництво сучасних систем частотно-регульованого ЕП.

В агропромисловому комплексі України використовується більше 4 мільйонів асинхронних короткозамкнутих електродвигунів змінного струму, які є основними споживачами електричної енергії в галузі. Витрати електроенергії можна значно зменшити шляхом впровадження у виробництво регульованого електроприводу.

У зарубіжних країнах біля 50% електроприводів є регульованими, що дало змогу, за даними США, зменшити витрати електроенергії на 20-30%. В Україні процес впровадження регульованих електроприводів у виробничі процеси АПК тільки розпочинається.

Досвід застосування регульованого електроприводу при реалізації швидкісних режимів сільськогосподарських технологій свідчить про зменшення витрат електроенергії: у системах пневмотранспорту на 30%; у системах мікроклімату і вентиляції на 15%, теплової енергії на 20%; у системах стиснутого повітря на 20%; у системах тепло-, водопостачання: на 10%; води - на 15%, теплової енергії - на 20%.

Аналіз досліджень обраного напряму засвідчив:

- відсутність у наукових працях комплексного вирішення задач організації енергозберігаючих швидкісних режимів технологічних процесів на основі функціональних можливостей сучасного частотно регульованого ЕП;

- наявні розробки є складовою частиною систем, що працюють з технологіями, зміна параметрів яких і зокрема їх швидкісних режимів має виключно детермінований характер;

- недостатній рівень дослідження електромагнітних та електромеханічних процесів в ЕП, оцінки їх енергетичних і динамічних характеристик, різних способів регулювання координат ЕП;

- відсутність способів та пристроїв контролю координат технологій при регулюванні швидкісних режимів їх роботи.

Проведений аналіз дав підстави стверджувати, що дослідження проблеми підвищення енергетичної ефективності виробництва та переробки сільськогосподарської продукції можуть бути значно розширені розробкою науково-технічних передумов використання частотно-регульованого ЕП для керування швидкісними режимами технологічних процесів в агропромисловому комплексі на базі:

- встановлення закономірностей та дослідження впливу швидкісних режимів технологій на енергоємність виробництва та переробки сільськогосподарської продукції;

- поглиблення теоретичних і експериментальних знань електромагнітних та електромеханічних процесів в асинхронному частотно регульованому ЕП;

- використання математичних та фізичних моделей ЕП для дослідження ефективних алгоритмів і законів регулювання ЕП із врахуванням нелінійностей зв'язків і нестаціонарності його параметрів;

- створення комплексу засобів на основі розробки нових способів, методик, спеціалізованих стендів для експериментальних досліджень і випробувань в умовах реального виробництва.

Вищенаведені положення дали можливість сформулювати мету і задачі досліджень.

у другому розділі «ЕНЕРГОЕФЕКТИВНІСТЬ ШВИДКІСНИХ РЕЖИМІВ ТЕХНОЛОГІЙ СІЛЬСЬКОГОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА» проведено аналіз та дослідження енергоефективності процесів регулювання швидкісних режимів найбільш енергоємних сільськогосподарських технологій: мікроклімату птахівничих приміщень, пневмотранспорту сільськогосподарської продукції, процесів теплообміну, потокових ліній переробки продукції в агропромисловому комплексі.

проблема реалізації швидкісних режимів сільськогосподарських машин, потокових ліній є багатопланова; успіх вирішення її залежить від вибору факторів, що мають вирішальний вплив на енергетику процесу та побудови на їх базі моделей обраних технологій.

Забезпечення потрібного мікроклімату є одним із найбільш енергомістких процесів, на який припадає 40-70% від загального енергоспоживання тваринницьких і птахівничих ферм. Сучасні системи забезпечення мікроклімату через високу енергоємність та недостатній діапазон регулювання швидкості вентиляторів не задовольняють сформульованих на сьогодні зоотехнічних вимог. У зв'язку з цим виникає необхідність у дослідженні енергоефективності технології вирощування бройлерів, яка характерна високою енерговитратністю та агресивністю середовища в приміщенні.

Енергоємність переробки зерна на вітчизняних підприємствах на 20-30% перевищує аналогічні показники розвинутих країн. Особливо зросла енергоємність виробництва борошна після переходу на пневмотранспорт - із 65,4 до 88-94 кВт·год на тонну борошна. Основною причиною високої енергоємності пневмотранспорту є проблеми формування аеросумішей, енергообміну повітря і матеріалу, нерівномірність завантаження пневмоматеріалопроводів. Аналіз роботи борошномельних млинів свідчить, що пневмоустановки на 25-35% споживають більше енергії від реально необхідного рівня.

Діючі системи теплообміну на вітчизняних виробництвах не завжди відповідні вимогам оптимальної конструкції та енергоємності і часто є проблемною ланкою технологій переробки сільськогосподарської продукції. Спроби вирішити вказану проблему традиційними методами (впровадження додаткових акумуляторів енергії, встановлення активаторів з механічним приводом) призводить до значних втрат теплової та електричної енергії. Це спонукає дослідників до пошуку нових підходів з використання сучасних способів та технічних засобів, застосування яких дає можливість інтенсифікувати процес теплообміну.

Кормоприготування є одним з найбільш енергоємних процесів у тваринництві. На фермах ВРХ питома енергоємність приготування кормових сумішей коливається від 3 до 10 кВт·год?т^-1 і залежить від типу машин та обладнання, режимів їхньої роботи, складу технологічних ланок, а також ступеня автоматизації процесів. Унаслідок оптимального вибору комплекту обладнання кормоцеху можливо знизити його питому енергоємність до 3,26 кВт·год?т^-1, але отримати цей результат можна за умови додержання нерівномірності дозування компонентів у межах значень, які обумовлені зоотехнічними вимогами. Сучасне технологічне обладнання не відповідне цим вимогам. Наприклад, коефіцієнт варіації при дозуванні грубих кормів коливається в межах (25,6…51,3)% при нормі 15%; при дозуванні силосу - від 23% до 32,6% замість 15%; для коренеплодів ці показники становлять відповідно 15% і 30%. Результати оцінки питомих енерговитрат залежно від нерівномірності потоків кормів свідчать, що при зниженні коефіцієнта варіації з 40% до 10% питома енергоємність знижується на 14%, а час роботи кормоцеху зменшується у 1,5 разу.

Враховуючи те, що досліджуються найенергоємніші технології, де параметрами є в'язкі і сипучі середовища, закони поведінки яких часто мають випадковий характер, їх дослідження проводилось як у виробничих умовах, так і на спеціально розроблених стендах.

Для вивчення характеру розповсюдження і динаміки зміни температури та аміаку по площі виробничого приміщення постає необхідність здійснення вимірів зазначених параметрів у процесі вирощування птиці. Температурні та аміачні поля розподілу досліджувались у пташнику розміром виробничого приміщення 1276 м.

Поля розподілу аміаку та температури досліджувалися за допомогою розроблених аналізаторів концентрації аміаку (АКА-1) і температури - (ТЕМ-201). Весь обсяг вимірювань у 27 точках, по площі пташника, здійснювався протягом 16 хв. Температура припливного повітря становила +4С. Дослідження проводилися в період з лютого до квітня 2002 р. На період вимірювань об'єм вентильованого повітря складав 1,1-1,5 м³/год на 1 кг живої ваги.

Найбільш небезпечним для здоров'я, а відповідно й продуктивності птиці є аміак. Динаміку його виділення важко відстежити, і дані, які подаються в літературі, не дають повної інформації щодо необхідного повітрообміну для видалення аміаку. Детальний аналіз досліджень дав змогу відтворити функцію необхідного повітрообміну. Графіки кратності повітрообміну залежно від віку птиці за вологістю, вуглекислим газом та аміаком зображені на рис. 1. З побудованих залежностей видно, як змінюється об'єм повітрообміну залежно від віку птиці і концентрації забруднення: аміаком, вуглекислим газом і вологістю.

Якщо L_min(i) найменша технічно можлива продуктивність вентиляційної системи, а L_A технологічно необхідна мінімальна величина повітрообміну, то площа фігури АВСА визначає надлишок повітрообміну, математично який можна записати виразом:

, м³/год. (1)

Якщо технічно розширити діапазон регулювання швидкості вентиляції системи до L_A, то при відомому значенню температури повітря в приміщенні вираз (1) визначає величину економії енергії.

Оцінка енергоємності пневмотранспортування продуктів розмелу зерна і обґрунтування способів її зменшення проводились на прикладі млина продуктивністю 300 т борошна на добу.

Розрахунковий повний тиск вентилятора визначається за виразом

 (2)

де - втрати тиску в матеріалопроводах, кПа;

втрати тиску в циклоні - розвантажувачі, дросельній вставці, у вальцевому станку, прийомному пристрої, відводах, вертикальних і горизонтальних частинах продуктопроводу, у фільтрі очистки, кПа.

На основі дослідження балансу втрат отримані аеродинамічні характеристики вентиляційної системи (рис. 2.)

Точки, позначені на рис. 2, відповідні таким швидкостям пневмосуміші в пневмомережі: Г - розрахунковій швидкості, прийнятій за технологічними рекомендаціями; Б - зменшеній на 2 м/с порівняно з рекомендованою; Е - зменшеній на 4 м/с; А - нерегульованому режимі пневмомережі. Крива 2 - номінальна продуктивність млина; 2а і 2б - відповідно 75% і 125% номінальної продуктивності млина.

1-n_н = 2960 об/хв, 1а - 2646 об/хв, 1б - 2576, 1в - 2492, 1д - 2489, 1с - 2423, 1ж - 2354, 1з - 2291, 1 л - 2156, 1 м - 2085

Аналізуючи характеристики (рис. 2.), доходимо висновку, що плавне регулювання частоти обертання вентилятора адаптує їх до вимог пневмомережі і забезпечує енергоощадні режими роботи системи пневмотранспортування. Стійкий режим роботи мережі в номінальному режимі (крива 2) обмежується точкою Е, що відповідна швидкості 1з - 2291 об/хв.

Технологія приготування лід-води застосування на середніх пивоварнях з обсягом випуску продукції не більше 1 млн. літрів пива на рік.

Нерівномірність використання холоду спричиняється тим, що лід-вода використовується для охолодження бродильних чанів і при двоконтурному охолодженні сусла на неї припадає 25-30% витрат холоду із загальних витрат.

Добова різниця потреб у холоді сягає 83,7 МДж на добу. Окрім того, протягом доби при здійсненні зливів сусла, які проходять протягом приблизно 1,5 години, відбувається відповідна кількість пікових навантажень на технологічний процес приготування лід-води. Це потребує активізації роботи теплообмінника, або застосування попередньо акумульованих запасів холоду в межах 209МДж на годину.

Нерівномірне споживання лід-води, призводить на практиці до частих відключень активатора, що, у свою чергу, зумовлює утворення льодяної сорочки і значно погіршує теплообмін. Керування установкою проводиться на основі візуальних спостережень, які не можуть бути повноцінним критерієм оцінки технологічної ситуації. Крім цього, установка електродвигуна з редуктором зверху по центру теплообмінника вимагає застосування спеціальної конструкції. Вказані зусилля супроводжуються додатковими витратами електроенергії в редукторі при частих пусках, а характеристики активатора вимагають використання АД із завищеною встановленою потужністю.

Проведені технологічні дослідження приготування лід-води з метою визначення його енергоефективних режимів та обґрунтування вимог до системи регулювання швидкісними режимами установки.

Оскільки реальні проблеми процесів перемішування зазвичай не вдається розв'язати аналітично унаслідок того, що їх механізм має складний характер, то в таких випадках проблему вирішають шляхом моделювання.

Для цієї мети на основі теорії подібності була розроблена фізична модель установки приготування лід-води (рис. 3).

Проведені на моделі дослідження дали можливість отримати характеристики ефективності використання теплообмінника (рис. 4), які показали, що застосування

активатора майже в 2 рази збільшує коефіцієнт ефективності охолодження, а підвищення його обертів вище 300 об./хв. не призводить до покращення процесу теплообміну. Одночасно останнє призводить до значного зростання механічної потужності активатора (залежність 2), що змушує у 5 разів збільшувати встановлену потужність електродвигуна (5,5 кВт), використовуючи його в нерегульованому режимі.

Задача дозування в потоці зводиться до послідовного формування доз заданої величини за проміжок часу змішування t_зм, величина якого визначається робочим об'ємом змішувача:

(3)

де хі - продуктивність подачі і-го компонента; vФ - об'єм фактичного перемішування змішувача безперервної дії; - густина суміші.

Оскільки в (3) значення є випадковою функцією, то для компенсації похибки дозування з метою виконання рівності (3) при проектуванні технологічних ліній підбирають необхідні значення V і tзм.

Аналіз процесів у технологічних лініях з наперед заданою структурою й вибраним складом обладнання проводиться на основі досліджень характеристик потоків кормів, що формуються дозаторами.

Спектральні щільності потоків кормів визначаються безпосередньо за вихідними реалізаціями дозаторів і подаються як графічні залежності дисперсій від частоти коливань окремих компонентів. Запропонований аналіз полягає у визначенні діапазонів зміни спектрів дисперсій потоків кормів, або коефіцієнта варіації кожного компонента. Першою умовою технологічної відповідності є відсутність у спектрі дисперсії з частотою меншою критичної , яка визначається характеристикою змішувача (де щ_П - частота пропускання змішувача, Дt - тривалість змішування компонентів).

Друга умова спричинена нерівністю (де е_і - середньоквадратичне відхилення нагромадженої маси для дозатора і-го компонента за інтервал часу Дt), яку можна інтерпретувати як обмеження дисперсії потоку корму в смузі частот, нижчих за значенням (допустиме за зоотехнічними вимогами відхилення маси і-го компонента у потоці готової суміші).

Після проведення повного циклу технологічних досліджень дозаторів безперервної дії, які входять у комплекти цехів типу КОРК-15, здійснені статистичні розрахунки та побудовані графіки спектральних щільностей випадкових потоків (рис. 5). Вирівнювальна здатність змішувача оцінювалась за його технічною характеристикою, відповідно до якої значення _кр становило близько 1 рад с^-1.

Аналіз графіків спектральних щільностей (рис. 5), типових для вказаних процесів, дав змогу встановити такі закономірності:

- при дозуванні стебельних компонентів від 70% до 90% усієї дисперсії потоку знаходяться в діапазоні 0…_кр;

- спектри дисперсій потоків комбікормів і соковитих кормів не мають яскраво виражених екстремумів і розмиті по широкому діапазоні частот, основна частина їх дисперсій (більше 60%) знаходиться на частотах вище _кр і ефективно фільтрується змішувачем безперервної дії.

Енергоємність та якісні характеристики розглянутих технологій значною мірою залежать від організації швидкісних режимів виробничих механізмів і потокових ліній виробництва та переробки сільськогосподарської продукції.

Обрані нами чотири найбільш енергоємні типопредставники технологій вимагають різних підходів при дослідженні їх енергетичних характеристик. Проведені експерименти показали, що параметром, за яким необхідно вести регулювання повітрообміну в перехідний період вирощування бройлерів є аміак, а зменшити втрати енергії можливо при розширенні діапазону регулювання швидкості вентиляційних систем.

Складність оцінки продуктивності і розрідження в пневмотранспортних мережах вимагає пошуку способів непрямого їх вимірювання та застосування високоточних електромеханічних систем реалізації швидкісних режимів цієї технології. При цьому зменшення втрат електроенергії треба забезпечувати не лише вилученням із виробничого циклу архаїчного дроселювання потоків продукції та зменшенням встановленої потужності АД, але й більш глибоким дослідженням процесів, що перебігають у приводному електродвигуні турбомеханізму.

Водночас, відносно висока інерційність теплообміну і необхідність організації енергоощадних низькошвидкісних режимів активатора теплообмінника вимагають розробки та використання адекватних за швидкодією пристроїв контролю та регулювання. дослідження, проведені на спеціально розробленому стенді, показали, що вказані заходи дають змогу зменшити встановлену потужність електропривода активатора в 5 разів, підвищити в 2 рази ефективність використання теплообмінника.

Енергетичні характеристики потокових ліній приготування кормових сумішей, статистичний аналіз витрат компонентів у потоці свідчать про необхідність застосування систем регулювання швидкісними режимами дозаторів безперервної дії для керування частотним розподілом дисперсій компонентів суміші. Для цього необхідно контролювати продуктивність потоків кормів за допомогою витратомірів, що в комплексі з системами регулювання координат електроприводів дозаторів дасть можливість ефективно використовувати зглажувальні характеристики змішувача. Це допоможе значно підвищити якість кормосуміші, а також переналаштовувати дозатори на роботу з низькочастотними флуктуаціями потоків, а отже, працювати в більш енергоощадних динамічних режимах електропривода.

Розв'язання вказаних задач дасть змогу зменшити енергоємність сільськогосподарських технологічних процесів, а також отримати додатковий економічний ефект завдяки економії продукції, теплової енергії та покращення якості кінцевого продукту.

У третьому розділі «Моделі та алгоритми регулювання швидкісних режимів технологічних процесів» проведені теоретичні дослідження регульованого електропривода. В основу математичних моделей покладена система рівнянь, що описує електромагнітні і електромеханічні процеси в електроприводі, яка у відносних одиницях і у векторній формі має вигляд

(4)

де ; f* - частота струму статора;  - вектори потокозчеплення статора і ротора; щ* - швидкість обертання ротора; - вектори прикладеної напруги та струмів статора та ротора; r₁, r₂, l₁, l₂ - активні опори та індуктивності розсіювання статора і ротора; м, м_с - електромагнітний момент електродвигуна і момент опору робочої машини; J - момент інерції електропривода, кг·м²; Іт - уявна частина виразу.

Вихідні співвідношення системи відносних одиниць:

на основі системи рівнянь (4) в пакеті Simulink середовища MatLAB побудовано ряд комп'ютерних моделей для дослідження енергетичних та динамічних характеристик електропривода, одну з таких моделей зображено на рис. 6.

Адекватність розроблених математичних моделей оцінювалось порівнянням характеристик (струму, швидкості, моменту тощо), отриманих на моделі і за допомогою спеціального електромеханічного стенду (фізичній моделі електропривода), показаному на рис. 7. Зіставлення цих характеристик показує, що похибка відтворення характеристик електропривода в межах 5-10%.

на основі системи рівнянь (4) побудовані і досліджені на моделях структурні схеми електропривода при реалізації законів регулювання і . Структура функціональної схеми при реалізації закону наведена на рис. 8.

Дослідження енергетичних характеристик електропривода при навантаженні менше (0.3-0.4)м_Н свідчать, що існує мінімум втрат у міді електродвигуна залежно від величини потокозчеплення ротора (рис. 9).

Регулюючи , залежно від величини електромагнітного моменту за виразом: (при М < 0,3М_Н)

(5)

де - число пар полюсів електродвигуна, отримаємо мінімум втрат в обмотках електродвигуна.

При навантаженні електропривода і підтриманні потокозчеплення ротора постійним діапазон регулювання швидкості обмежується номінальною величиною ковзання. Оскільки жорсткість механічної характеристики електродвигуна оцінюється за виразом

(6)

то введення позитивного зворотного зв'язку за моментом у структурі керування електроприводом дає змогу суттєво збільшити жорсткість механічної характеристики і розширити діапазон регулювання швидкості. Зворотні зв'язки за виразами (5) і (6) введені в функціональну схему (рис. 8). На рис. 10 показано зміну моменту і ковзання електродвигуна при навантаженні = 0,5без позитивного зворотного зв'язку за моментом (10а) і при введені такого зв'язку (10б).

Аналіз результатів досліджень різних структур регульованого електропривода свідчить, що закон керування реалізується за простою і надійною схемою, яка ефективно може використовуватися в найпростіших схемах електропривода сільськогосподарських машин, наприклад, вентиляції тваринницьких приміщень. реалізація закону керування ш₂=const - векторна система керування призначена для високоякісного керування об'єктами, які пред'являють підвищенні вимоги до динамічних властивостей і діапазону регулювання швидкості, наприклад, пневмосистеми. При цьому законі керування здійснюється орієнтація змінних за вектором потокозчеплення ротора, що дає змогу окремо керувати потокозчепленням і електромагнітним моментом електродвигуна в каналах регулювання активної та реактивної складової струму статора. Однією із важливих вимог таких систем є висока чутливість характеристик електропривода до зміни параметрів об'єкта керування. Як правило, найбільш суттєвим змінам піддаються активні опори обмоток, які залежать від температури. Неточна оцінка активного опору ротора визначає значну зміну швидкості особливо на низьких частотах обертання електродвигуна. Результати досліджень свідчать (рис. 11), що при зміні температури від 20єС до 150єС похибка за швидкістю електродвигуна без замкнутих контурів регулювання в зоні низьких швидкостей може сягнути 25%.

Зміна температури від 20^оС до 180^оС збільшує активний опір ротора в 1,65 раза, абсолютна частота ковзання зростає в 1,8 раза, постійна часу кола ротора зменшується в 1,6 раза. Це призводить не тільки до значного відхилення від заданих електромеханічних процесів, а й до нестійкої роботи електропривода.

В основу алгоритму адаптації електропривода до температурної зміни активного опору ротора і зв'язаної з ним постійної часу роторного кола покладений енергетичний підхід, у якому використовується взаємозв'язок між потокозчепленням і реактивною потужністю асинхронного електродвигуна, яка визначається за вимірами струму і напруги статора. метод, інваріантний до зміни опору статора, може застосуватися в системах без давача швидкості.

При відомому значенні реактивної потужності електродвигуна Q за виразом

(7)

де l₁+к₂l₂, визначається потокозчеплення ротора , а з формули

(8)

Частота обертання потокозчеплення в повітряному зазорі. Використовуючи залежності (7) і (8), розроблено схему ідентифікації постійної часу ротора Т₂, яку зображено на рис. 12.

Реальне значення потокозчеплення визначають через реактивну потужність, споживану електродвигуном, яка не залежить від швидкості обертання і величини активного опору ротора електродвигуна. Це значення порівнюється з ідентичним сигналом у системі регулювання. Залежно від результатів порівняння проводиться корекція на величину в бік збільшення, або зменшення доти, поки змінні і не зрівняються. Отримане при цьому вводиться як параметр у систему регулювання.

Розроблена система регульованого електропривода з векторним принципом керування, адаптивна до параметрів роторного кола, може застосовуватися для керування механізмами і технологічними процесами, які пред'являють підвищені вимоги до динамічних характеристик і діапазонів регулювання швидкості.

У потокових лініях приготування кормосумішей паралельно працює декілька електроприводів. При зміні навантаження у зв'язку з різною жорсткістю механічних характеристик електроприводів їх швидкість змінюється не однаково, що призводить до похибки дозування компонентів. Розглянуто два способи корекції жорсткості механічних характеристик: зміною напруги і зміною частоти живлення електродвигуна. Аналіз залежностей зміни коефіцієнта потужності і ККД електродвигунів при цих корекціях свідчить, що при збільшенні навантаження корекція за частотою менш ефективна, ніж за напругою, оскільки і . На прикладі дослідження електродвигунів дозаторів 4A100S4УЗ і 4А80В4УЗ показано, що при збільшенні навантаження корекція за напругою характеристик електродвигунів порівняно з корекцією за частотою дає можливість підвищити ККД на 4,1^%, а коефіцієнт потужності на 7,3^%.

У четвертому розділі «РОЗРОБКА СИСТЕМ ЕЛЕКТРООБЛАДНАННЯ ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ ШВИДКІСНИХ РЕЖИМІВ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ ТЕХНОЛОГІЙ» реалізовано схемні рішення, теоретичні обґрунтування яких подано в попередніх розділах.

Рівень концентрації аміаку в тваринницьких приміщеннях потрібно підтримувати на рівні 0,013 мг/л, що забезпечує оптимальний газовий склад із мінімальним повітрообміном та найменшими витратами на підігрів припливного повітря. Тому для здійснення безперервного процесу вимірювання аміаку і відслідкування динаміки зміни його концентрації в часі розроблено аналізатор концентрації аміаку АКА-1, похибка вимірювання якого не перевищує 5%.

Для вимірювання температури використано давачі типу DS 1820, похибка вимірювання яких не перевищує 1%. На їх основі виготовлено пристрої вимірювання аміаку - АКА-1 та температури - ТЕМ-201.

У важких технологічних умовах, що існують на борошномельних підприємствах, проблемною є надійна робота первинних перетворювачів технологічних параметрів (продуктивності, тиску) у пневмомережах.

Запропонований принципово новий спосіб керування технологічними параметрами турбомеханізмів без давачів технологічних параметрів, але з використанням технічних рішень, адекватних за своїми функціональними можливостями і сумісних з частотнорегульованим електроприводом.

Поставлена задача досягається внаслідок того, що в способі керування технологічними параметрами турбомеханізмів для реалізації алгоритму сигнали надходять безпосередньо з перетворювача частоти з векторним керуванням, принцип роботи якого передбачає отримання електромеханічних параметрів електроприводу (електромагнітного моменту і швидкості електродвигуна), з допомогою яких здійснюється обчислення за розробленим алгоритмом та абсолютними значеннями параметрів АД.

Структурна схема реалізації способу регулювання технологічних параметрів турбомеханізмів та стенд для його дослідження зображені на рис. 13 та рис. 14.

Алгоритм роботи оцінки значення і регулювання продуктивності і напору турбомеханізмів передбачає апроксимацію отриманих експериментально, або відомих із довідникової літератури, залежностей напору і ККД турбомеханізму від їх швидкості обертання і продуктивності:

H= - AQ2 + BQ + C2;

_м=-D² + E + FQ² + GQ + L;

де А, B, C, D, E, F, G, L - коефіцієнти апроксимації, які визначаються для конкретного технологічного механізму (ТМ).

Процес виготовлення лід-води внаслідок нерівномірності холодоподачі і холодоспоживання, як правило, супроводжується утворенням льодяної сорочки на трубах охолоджувачів.

Для контролю процесу льодоутворення розроблений давач обмерзання теплообмінника (ДО), що є циліндричним металічним електродом, встановленим на трубі теплообмінника та ізольований від неї діелектриком - фторопластом, завтовшки 20 мкм. Завдяки своїй конструкції циліндричний електрод електрично ізольований від труби теплообмінника, проте перебуває в хорошому тепловому контакті з нею. Вибір фторопласта, як діелектрика, зумовлений його високою хімічною стійкістю, достатньою теплопровідністю та діелектричними властивостями. Давач встановлюється на тій частині теплообмінника, яка обмерзає найшвидше.

Принцип дії давача ґрунтується на явищі різкого зменшення електропровідності води при її замерзанні. Так, у проведених експериментах, де досліджувалась вода з водогону, встановлено збільшення опору льоду при -4С порівняно з опором води при +4С у 80000 разів.

Вимірювання продуктивності технологічних ліній при поточному виробництві чи переробці продукції має велике значення для підвищення ККД і рівня автоматизації обладнання, підвищення якості продукції та її економії.

На підставі вивчення параметрів об'єкта досліджень розроблено спосіб і технічні засоби виміру витрат кормів у потоці. Суть способу полягає у вимірюванні залежності ослаблення електромагнітної енергії НВЧ хвиль від параметрів, що характеризують електрофізичні і фізико-механічні властивості контрольованого потоку матеріалів. Основною інтегральною характеристикою тут є потужність прониклих крізь матеріал, що зондується, електромагнітних хвиль, а в більш загальному випадку - ослаблення НВЧ потужності. Поглинання і розсіювання мікрохвильової енергії в потоці здрібненого корму, що залежить від кількісного вмісту і якісного стану утворюючих його структурних фаз, призводить до визначеної зміни цих інтегральних величин і дає змогу одержувати необхідну інформацію для обчислення масової витрати корму. При цьому передбачається, що хвиля потужністю Р_U випромінюється нормально до поверхні потоку. Відбита хвиля потужністю Р_о з'являється внаслідок розходження електрофізичних властивостей повітря, у якому вона поширюється, і корму. У матеріальному середовищі потужність прийнятої електромагнітної хвилі зменшується за експонентним законом Бугера-Ламберта-Бера.

Із зоотехнічних вимог відомий перелік кормів, що входять у різні рецепти кормових сумішей, а також технологічні вимоги до них. Виходячи з цього, можливо об'єднати їх у групи згідно з обраним показником вологості корму (W_p). Так, для здрібнених коренеплодів і жому він знаходиться в межах 53…0.77 г./см³ для силосу, сінажу, зеленої маси - 0.2…0.5 г./см³, тоді як для соломи і сіна - 0.02…0,05 г./см³.

У ході досліджень отримана частота для виміру масової густини потоку подрібнених коренеплодів і жому, що знаходиться в діапазоні 1,5…3,5 ГГц, для силосу, сінажу і зеленої маси - у діапазоні 2,5…5,5 ГГЦ, а для соломи і сіна - у діапазоні 5,5…12 ГГц. Виходячи з цього, оптимальна частота вимірювача масової товщини потоків для соковитих кормів знаходиться в діапазоні 2.5…3.5 ГГЦ і з конструктивної доцільності обрана робоча частота f=3 ГГц.

Ураховуючи поставлені вимоги, визначено необхідну потужність НВЧ - генератора для пристрою виміру масової товщини потоку, що становить 50 мВт.

В основу досліджень мікроклімату покладено задачу вдосконалення ефективності системи вентиляції шляхом встановлення додаткового датчика шкідливого газу, цим і забезпечується мінімально необхідний повітрообмін і за рахунок цього збільшується продуктивність птиці та зменшується падіж поголів'я.

Розроблено системи електрообладнання для керування швидкісними режимами вентиляторів.

Відповідно до тенденцій розподіленого керування система розділена на два ієрархічні рівні:

модуль зв'язку з об'єктом керування, попередньої обробки первинної інформації;

персональна ЕОМ для аналізу, обробки і відображення інформації, а також накопичення інформації у базах даних.

Обмін інформацією між блоками здійснюється через послідовний інтерфейс типу RS232 із гальванічною розв'язкою модуля контролера із ПЕОМ, що забезпечує електробезпеку комп'ютера та оператора згідно з вимогами ДСТУ від впливів промислових напруг та інших небезпечних факторів. Модуль конструктивно виконаний у окремому виносному захищеному корпусі невеликих габаритів, що максимально наближає його до контрольованого об'єкту і таким чином зменшує довжину провідників, через які передаються слабкі аналогові сигнали від датчиків, які чутливі до наводок.

Структура контролера має вузли підсилювачів слабких сигналів датчика аміаку, комутатор каналів, АЦП, блок керування і попередньої обробки інформації, інтерфейсний блок для зв'язку і передачі інформації на ПЕОМ для детальної обробки і візуалізації, а також допоміжні вузли: блок індикації та задання режимів, джерело живлення, калібратор. До складу системи входять виконуючі механізми регулювання температури та аміаку, а саме - вентиляційне і опалювальне обладнання із можливістю плавного регулювання їх основних характеристик.

Конструктивно блок контролера розділений на дві частини, одна з яких служить для вимірювання, керування і зв'язку з ПЕОМ, а інша для індикації та завдання режимів роботи у вигляді окремого модуля (рис. 15).

Втрати тиску в окремих продуктопроводах описуються нелінійними диференціальними рівняннями і залежать від параметрів продуктопроводів (загальної довжини, діаметру, довжини горизонтальних і вертикальних відрізків), швидкості руху двокомпонентної суміші, концентрації продуктів розмолу та їх швидкості витання тощо. Оскільки продуктопроводи працюють від загального колектора, то режими роботи одного продуктопроводу тісно пов'язані з режимами роботи інших продуктопроводів. Це ускладнює дослідження динаміки пневмосистеми.

Коефіцієнти у системі рівнянь (11) залежать від параметрів пневмовіток та гідравлічної характеристики вентилятора і розраховуються стосовно цих параметрів для млина Р6-АВВ-15.

На основі залежностей (11), створена імітаційна модель пневмоустановки (рис. 16), за допомогою якої досліджувались динамічні характеристики пневмомережі млина. У моделі характеристика вентилятора H_в=f (Q, n_в) відтворювалася блоком SubSystem - «Вентилятор ВД №4», втрати тиску в продуктопроводах (ліва частина рівняння 11) блоком SubSystem-Pnevmo-X, вагові витрати продукції, що транспортується, блоком Step, a швидкість обертання вентилятора - блоком Constant.

На рис. 17 розкритий блок, який імітує втрати тиску у вітці пневмосистеми.

З допомогою розкритого блоку Pnevmo-10 наведено залежність продуктивності пневмовітки №10 від швидкості обертання вентилятора, з якої видно, що зменшення швидкості до 2460 об/хв призводить до завалу продуктопроводу.

Проведені дослідження показали, що для привода вентилятора ВД-4 млина Р6-АВМ-15 достатньо потужності асинхронного електродвигуна 7,5 кВт, замість встановленого, - 11 кВт. При номінальному навантаженні млина (вагова концентрація продуктів помолу в пневмовітках, кг/с: G₁=0,104, G₂=0,046, G₃=0,056, G₄=0,028, G₅=0,046, G₆=0,073, G₇=0,068, G₈=0,12, G₉=0,183, G₁₀=0,183, G₁₁=0,183) можливий діапазон регулювання швидкості руху пневмосуміші шляхом керування швидкістю обертання вентилятора становить 2900-2460 об./хв., при навантаженні 0,75 від номінального діапазон регулювання становить 2900-2300 об./хв., при навантаженні 1,25 номінального - 2900-2590 об./хв. Реалізація на практиці цих діапазонів регулювання дає змогу на 20-30% зменшити енергоємність транспортування продуктів помелу.

...