НАЦIОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНIВЕРСИТЕТ
НАЦIОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНIВЕРСИТЕТ
ОЛIЙНИК Павло Вiкторович
УДК 631.22:628.8:537.212:636
Енергозберігаючі режими роботи установок ІНФРaЧЕРВОНОГО локального обігріву сільськогосподарських тварин
05.20.02 - застосування електротехнологій у
сiльськогосподарському виробництві
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
дисертацiї на здобуття наукового ступеня
кандидата технiчних наук
Київ 2000
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Нацiональному аграрному унiверситетi Кабінету Міністрів України
НАУКОВИЙ КЕРIВНИК: кандидат технiчних наук, доцент
ЖУЛАЙ ЄВГЕНІЙ ЛАВРЕНТІЙОВИЧ, Нацiональний аграрний унiверситет, завідувач кафедри застосування електроенергії в сільському господарстві
ОФIЦIЙНI ОПОНЕНТИ: доктор технічних наук, професор
САВЧЕНКО ПЕТРО ІЛЛІЧ, Харківський державний технічний університет сільського господарства, завідувач кафедри застосування електроенергії в сільському господарстві
кандидат технічних наук, доцент
НАЗАРЕНКО ІГОР ПЕТРОВИЧ, Таврійська державна агротехнічна академія, доцент кафедри енергетики
ПРОВIДНА ОРГАНIЗАЦIЯ: Інститут механізації та електрифікації сільського господарства Української академії аграрних наук, відділ застосування електроенергії в сільському господарстві, смт Глеваха Васильківського району Київської області.
Захист вiдбудеться 12 жовтня 2000 р. о 10.00 годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 26.004.07. в Нацiональному аграрному унiверситетi за адресою: 03041, Київ-41, вул. Героїв оборони, 15, 3-й навчальний корпус, аудиторiя 65.
З дисертацiєю можна ознайомитись у бiблiотецi Нацiонального аграрного унiверситету за адресою: 03041, Київ-41, вул. Героїв оборони, 11, навчальний корпус 10, читальний зал.
Автореферат розiсланий 9 вересня 2000 р.
Вчений секретар спецiалiзованої
вченої ради Лут М.Т.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Енергетична безпека України є однією з найважливіших складових економічної безпеки, що гарантують її повноцінну життєдіяльність та здатність енергетики забезпечити нормальне функціонування економіки.
Найбільш сприятливим з технічної та економічної точки зору для України є проведення політики енергозбереження, що має правовий статус державної політики.
Для створення потрiбного мiкроклiмату на тваринницьких фермах i комплексах витрачається до 75% теплової енергiї, яка використовується в тваринництвi. Традицiйнi рiдкi i газоподiбнi палива, що використовуються для обiгрiву тваринницьких приміщень, стають неефективними через їх дефіцит і високi цiни.
Для вирощування сільськогосподарських тварин при високій концентрації поголів’я і утримуванні їх в закритих приміщеннях необхідні джерела оптичного випромінювання - інфрачервоні і ультрафіолетові, які дають можливість безпосередньо ефективно впливати на біологічні процеси в організмі тварин.
Застосування інфрачервоних опромінювачів для локального обігріву молодняку тварин і птиці дозволяє при зменшенні капітальних витрат досягти значно більшого ККД використання енергії в порівнянні з електротепловими установками загального обігріву. Крiм цього, застосування обiгрiвачiв з iнфрачервоними лампами розжарювання дозволяє одночасно з обiгрiвом проводити бiологiчну i терапевтичну стимуляцiю органiзму молодняку сiльськогосподарських тварин.
Розробка енергозберiгаючих, високоефективних установок iнфрачервоного обiгрiву молодняку тварин і птиці є актуальним завданням.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з планами науково-дослідних робіт у Всесоюзному науково-дослідному інституті по механізації і автоматизації тваринницьких ферм (ВНДІтвармаш) по темам: № 224/3064-79 “Пошуки і дослідження засобів автоматизації установок мікроклімату з метою підвищення їх ефективності”, № 1.210.703.1.82 “Установка “Луч” автоматизована для інфрачервоного обігріву та ультрафіолетового опромінення (модернізація)”та в Національному аграрному університеті у відповідності до Державної науково-технічної програми ДТНП 12 “Енерго- та ресурсозберігаючі технології у сільськогосподарському виробництві” на 1998 - 2004 рр.
Мета і завдання досліджень. Метою досліджень є теоретичне обгрунтування та практична розробка автоматизованих пристроїв, які забезпечують підвищення продуктивності тварин і запровадження енергозберігаючих режимів роботи установок локального інфрачервоного обігріву сільськогосподарських тварин. Досягнення поставленої мети базується на кількісному і якісному аналізі енергетичних зв’язків в системі: “біологічний об’єкт технічні пристрої середовище”. Основна увага була приділена вирішенню таких завдань:
1.
Теоретично дослідити та експериментально перевірити енергетичні зв’язки в системі: “біологічний об’єкт технічні пристрої середовище”.
2.
Визначити основні якісні ознаки та обгрунтувати критерії ефективності використання автоматизованих енергозберігаючих пристроїв для управління режимами роботи установок локального інфрачервоного обігріву сільськогосподарських тварин.
3.
Обгрунтувати та визначити особливості роботи інфрачервоних випромінювачів в усталених і перехідних режимах при живленні від тиристорних регуляторів напруги.
4. Розробити автоматизовані енергозберігаючі пристрої для управління режимами роботи установок локального інфрачервоного обігріву сільськогосподарських тварин.
5.
Дослідити електромагнітну сумісність роботи автоматизованих енергозберігаючих пристроїв для управління режимами роботи установок локального інфрачервоного обігріву сільськогосподарських тварин і інших споживачів електричної енергії.
6.
Здійснити перевірку одержаних результатів в виробничих умовах і визначити техніко-економічну ефективність одержаних результатів.
Основні методи досліджень. При розв’язанні задач, поставлених у роботі, знайшли застосування аналітичні методи з використанням теорії симетричних складових гармонiчного спектру рядiв Фур’є, методи математичного моделювання, числові методи рішення систем нелінійних диференцiйних рiвнянь, отриманих на основі узагальненої теорії електромагнітного випромінювання, графо-аналітичний метод визначення гармонічного складу кривих напруг та струмів, метод кусково-лінійної апроксимації характеристики нелінійного опору, методи фізичного моделювання на експериментальних зразках.
В дослідженнях використовувались сучасні методи вимірювання та обробки результатів досліджень за допомогою ПЕОМ. Використання цих методів забезпечило достатню достовірність і відповідність теоретичним передумовам.
Наукова новизна одержаних результатів характеризується такими положеннями:
1.
Свинарник - маточник розглядається як відкрита біотехнологічна система, в якій здійснюється трансформація і дія енергій на об’єкт. Обгрунтування і послідуючий аналіз енергетичних зв’язків між окремими компонентами системи обумовило визначення основних якісних ознак.
2.Теоретично обгрунтовано та експериментально підтверджено необхідність врахування особливостей поглинання короткохвильового ІЧ випромінювання живими організмами при розробці енергозберігаючих режимів локального інфрачервоного обігріву сільськогосподарських тварин.
3.
Доведено, що математична модель режимів роботи інфрачервоних ламп розжарення повинна будуватись на основі нелінійних диференціальних рівнянь з врахуванням особливості зміни питомої теплоємності і інтегральної енергетичної світимості тіла розжарення від температури.
4.
Розроблено принципи і алгоритми керування тиристорними регуляторами напруги з одноканальним керуванням для управління режимами роботи установок локального інфрачервоного обігріву сільськогосподарських тварин.
5. Отримані аналітичні залежності складу i симетрiї гармонiчного спектру кривих напруги i струму, споживаного iнфрачервоними лампами, вiд кутiв керування силовими тиристорами i вiд симетрiї напруг живлення.
6. Запропоновано новий метод аналiзу симетрiї гармонiчного спектру вихiдної напруги ТРН при рiзних способах керування ним, який можна застосовувати при дослiдженнi трифазних тиристорних регуляторiв напруги з фазовим керуванням.
7.
Розроблений комплекс технічних засобів для забезпечення енергозберігаючих режимів роботи установок локального інфрачервоного обігріву сільськогосподарських тварин
Новизна та винахідницький рівень технічних рішень підтверджується авторськими свідоцтвами СРСР № 789652, № 913555, № 1020957 і № 1035771.
Практичне значення одержаних результатів:
1. На підставі проведених досліджень розроблено комплекс технічних засобів для управління режимами роботи установок локального інфрачервоного обігріву сільськогосподарських тварин.
2.
Розроблені методи розрахунку режимів роботи автоматизованих енергозберігаючих пристроїв установок локального інфрачервоного обігріву сільськогосподарських тварин при довільних комбінаціях впливаючих факторів.
3.
Розроблені принципові електричні схеми керування тиристорними регуляторами напруги з одноканальним керуванням для ефективного управління режимами роботи установок локального інфрачервоного обігріву сільськогосподарських тварин.
4. За результатами проведених дослiджень були виготовленi дослiднi зразки установок для iнфрачервоного обiгрiву тварин з ТРН i проведенi їх приймальнi та виробничi випробування на Пiвнiчно-Кавказькiй МIС (м. Зерноград, Ростовської областi).
За результатами випробовувань дослiдних установок Державна мiжвiдомча комiсiя рекомендувала їх до серiйного виробництва на заводi технологiчного обладнання (м. Сороки, Молдова) у 1984 р. Всього до 1990 року було випущено i встановлено в господарствах понад 5 тисяч установок “Луч-2” рiзних модифiкацiй з розробленим пристроєм керування.
Особистий внесок здобувача. Теоретично обгрунтовані і експериментально визначені основні енергетичні зв’язки між окремими компонентами системи: “біологічний об’єкт технічні пристрої середовище”. Розроблені математичні моделі режимів роботи інфрачервоних ламп розжарення при перехідних і усталених режимах роботи. Розроблені рекомендації та принципіальна схема установки для iнфрачервоного обiгрiву тварин з тиристорним регулятором напруги. Проведена робота по підготовці необхідної конструкторської документації для постановки на серійне виробництво цієї установки. Загальна частка участі в опублікованому у співавторстві роботах складає 40...60%, в авторських свідоцтвах - 30...50%.
Апробація результатів дисертації. Результати дослiджень доповiдались i обговорювались на науковiй конференцiї Всесоюзної школи молодих вчених i спецiалiстiв (м. Мiнськ, 1981 р.), республiканськiй науково-технiчнiй конференцiї молодих вчених (м. Київ, 1982 р.), науковій конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів та пошукачів факультету електрифікації і автоматизації ХДТУСГ (м. Харків, 1998 р.), науковій конференції професорсько-викладацького складу, наукових співробітників та аспірантів (за підсумками науково-дослідних робіт 1998 року) (м. Київ, НАУ, 3 - 4 березня 1999 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Стан та перспективи розвитку механізації сільського господарства на рубежі століть” (м. Київ, НАУ, 20 - 21 грудня 1999 р.), IV Міжнародній науковій конференції PQ 2000 “Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств” (м. Маріуполь, ПДТУ,
24 - 26 травня 2000 р.).
Публікація результатів досліджень. Основний змiст дисертацiйної роботи викладено в 16 друкованих роботах включаючи 5 авторських свiдоцтв (самостiйно 6 робiт).
Структура та обсяг роботи. Дисертацiя складається з чотирьох роздiлiв, загальних висновкiв, списку лiтератури та додатку i мiстить 157 сторiнок друкованого тексту, 6 таблиць, 51 рисункiв. Список лiтератури включає 154 назв, iз яких на iноземнiй мовi 8.
Дисертант висловлює щиру подяку за надання науково-методичної допомоги під час виконання першого етапу дисертації доктору технічних наук О.О. Омельченку.
ЗМIСТ РОБОТИ
Вступ. Обгрунтована актуальнiсть вибраної теми дослiджень, дана коротка характеристика роботи, її новизна i практична цiннiсть для сiльськогосподарського виробництва.
Роздiл 1 “Огляд літератури і вибір напрямків досліджень”.
Розглянуто iснуючий стан питання iнфрачервоного обiгрiву тварин за допомогою спецiальних установок, проведено порiвняльний аналiз iнфрачервоних джерел випромiнювання, якi можуть застосовуватися для обiгрiву тварин.
Науковими i експериментальними дослiдженнями встановлено, що втрати поголiв’я молодняку, що спричиняються незадовiльними умовами мiкроклiмату, складають 7...10%, а в деяких випадках досягають 20...25%. При цьому доля енергетичних затрат для утримання молодняку тварин становить 50...70% загального споживання тваринницькими фермами.
Роботами Мартиненко I.I., Драганова Б.Х., Бистрiцького Д.Н., Кожевнiкової Н.Ф., Левiтiна I.Б., Литвiнова В.С., Лямцова А.К., Мурзiна В.К., Муругова В.П., Мурусiдзе Д.Н., Пчолкiна Ю.М., Славiна Р.М. та iнших доведена перспективнiсть застосування електричної енергiї для мiсцевого обiгрiву сiльськогосподарських тварин. Однак цi роботи не дають вичерпних даних для розробки енергозберiгаючих установок iнфрачервоного обiгрiву тварин.
Обгрунтована необхідність досліджень енергозберiгаючих режимів роботи установок локального iнфрачервоного обiгрiву тварин. Сформульована мета роботи і визначені основні завдання досліджень.
Роздiл 2. “Теоретичні передумови розробки енергозберігаючих режимів роботи установок локального обігріву тварин”.
Наведенi результати теоретичних досліджень дії короткохвильового ІЧ випромінювання на організм тварин при зміні напруги живлення.
Для оцінки потужності потоку енергії, що надходить шляхом випромінювання до тіла тварини, необхідно враховувати спектр відбиття поверхні тіла тварини, з врахуванням якого спектральна густина випромінювання, що поглинається, визначається за формулою:
FT1(,T) = MW(,T) · с() ·(1-R()), (1)
де R() – спектр коефіцієнту відбиття шкіри тварини;
с() – спектральний коефіцієнт пропускання світлофільтра колби ІЧ лампи розжарення.
З врахуванням властивостей світлофільтру інфрачервоної лампи і характеристик шкіри за формулою (2) була отримана спектральна густина електромагнітного випромінювання, яка проникає через покрови тіла і перетворюється на тепло на глибині 0...7 см (рис. 1).
FT2 (,T) = MW(,T) · ш() ·с() ·(1-R()) (2)
де ш() – спектральний коефіцієнт пропускання шкіри.
Інтегруючи спектральну густину такого випромінювання по довжині хвилі при сталих значеннях температури тіла розжарення, можна визначити величину проникаючої енергії випромінювання:
. (3)
Випромінювальна потужність лампи ИКЗК 215-230-250, яка доступна для тварини, при різній температурі тіла розжарення розраховується за формулою:
. (4)
З врахуванням (3) і (4) квазіендогенний ККД опромінювальних установок з лампами розжарення типу ИКЗК 215-225-250 визначається за формулою:
. (5)
Результати розрахунку за формулою (5) показані на рис. 2.
Рис. 1. Спектральна густина електромагнітного випромінювання, яка проникає через покрови тіла тварини.
Рис. 2. Залежність квазіендогенного ККД лампи типу
ИКЗК 215-225-250 від температури тіла розжарення.
Визначені теплові втрати поросятка і частки доступних для поглинання потужностей випромінювання у загальному температурному балансі. Використовуючи параметричне рівняння для статичної вольт-амперної характеристики вольфрамового тіла розжарення лампи ИКЗК 215-225-250, визначено закон регулювання діючого значення напруги на затискачах ІЧ випромінювача в залежності від температури в приміщенні для утримування поросят (рис. 3).
Рис. 3. Закон регулювання діючого значення напруги на затискачах ІЧ випромінювача в залежності від температури в приміщенні для утримування поросят.
При теоретичних дослідженнях спектрального складу, симетричних складових напруги живлення і струму навантаження з ІЧ лампами, при живленні від ТРН, наведенi результати дослiджень гармонiчного складу напруг i струмiв.
Викладена методика розрахунку симетричних складових основної і вищих гармонійних складових струмів і напруг, а також способи зменшення зворотних і нульових складових.
Розглянуто електромагнітні процеси, які мають місце при фазовому керуванні силовими тиристорами в ТРН. Показано вплив схемо-технiчних особливостей фазозадаючих генераторiв на гармонiчний склад вихiдної напруги.
В загальному випадку, при наявностi двох фазозадаючих генераторiв для керування силовими тиристорами в однiй фазi, кути керування силовими тиристорами 1 i 2 неоднаковi, внаслiдок технологiчних вiдхилень параметрiв деталей i напiвпровiдникових елементiв, з яких вони складаються. Використання одного фазозадаючого генератора для керування двома силовими тиристорами в однiй фазi (1 = 2), значно спрощує визначення параметрiв гармонiчного спектру вихiдної напруги i струму, який споживає ТРН при живленнi iнфрачервоних ламп.
Перiодичну функцiю кривої напруги i струму на виходi ТРН можна записати у виглядi тригонометричного ряду Фур’є:
(6)
Коефiцiєнти ряду Фур’є для першої (основної) гармонiки частотою 50 Гц визначаються за формулами:
;
; (7)
,
де a1, b1 - коефiцiєнти ряду Фур’є;
1, 2 - кути керування відповідно першого і другого силових тиристорів в одній фазі, якi ввiмкненi зустрiчно - паралельно;
Um - амплiтудне значення напруги живлення.
Для вищих гармонiчних складових:
;
(8)
.
де = 2, 3, 4, 5... - порядок гармонiчних складових.
Програма розрахункiв коефiцiєнтiв ряду Фур’є розроблена з використанням програми Mathcad 7 Pro. Необхiднi обчислення виконанi на ПЕОМ і визначені величини амплiтуд i початкових фаз гармонiчних складових вихiдної напруги ТРН i струму, який споживає активне навантаження, в залежностi вiд кута керування силовими тиристорами.
Результати обчислень гармонічного складу вихідної напруги ТРН наведенi на рис. 3.
Рис. 3. Відносні діюче значення напруги гармонік на виході ТРН.
Роздiл 3. “Теоретичнi i експериментальнi дослiдження енергетичних характеристик iнфрачервоних ламп при живленнi вiд ТРН”
Наведена методика та результати дослiджень енергетичних характеристик iнфрачервоних ламп розжарення при живленнi несинусоїдальною напругою.
В загальному випадку момент подачi напруги живлення на iнфрачервону лампу розжарення вiд ТРН визначається кутом керування силового тиристора конкретної фази.
Для розробки способу ефективного обмеження пускових струмiв iнфрачервоних ламп в момент ввiмкнення, які негативно впливають на термін їх роботи, були дослiдженi залежностi величини пускових струмiв вiд кута вмикання по вiдношенню до нульового значення синусоїдальної напруги живлення.
Всі методи розрахунку температурного режиму тіл розжарення витікають з рівняння балансу енергії лампи, яке у диференціальній формі набуває вигляду
, (9)
де T – температура тіла розжарення, К;
C(T) –теплоємність тіла розжарення, Дж/К;
– сумарна енергетична світимість тіла розжарення лампи, Вт/К-4;
T0 – температура оточуючого середовища, К (прийнятo Т0 = 293 К);
RTk – температурний опір електродів та гачків, Вт/К;
ТЕ - температура в місці закріплення електрода в корпусі лампи, К;
u(t) – миттєве значення напруги на активному опорі тіла розжарення, В;
R(T) – електричний опір тіла розжарeння, Ом.
Якщо скористатися параметрами лампи типу ИКЗК 215-225-250 і параметрами реальної мережі одержимо систему диференціальних рівнянь у вигляді
; (10)
,
де і - миттєве значення струму, А;
m = 1,914·10 -4 кг - маса тіла розжарення;
с(Т) – питома теплоємність вольфраму, Дж/кг·К;
d = 8,8·10 -5 м - діаметр тіла розжарення;
l = 1,875 м - довжина тіла розжарення;
de = 0,82 – коефіцієнт, що враховує форму тіла розжарeння;
(Т) – інтегральна випромінювальна властивість вольфраму ;
0 = 5,7·10 -8 Вт/(м2·К4) – константа випромінювання абсолютно чорного тіла;
R(T) - електричний опір тіла розжарeння лампи ИКЗК 215-225-250, Ом;
T0 – температура оточуючого середовища (T0 = 293 К);
RTk = (l1/ k1·1·s1 + l2/ k2·2·s2) - сумарний температурний опір гачків та електродів, К/Вт;
l, k, , s - відповідно довжина, кількість, питома теплопровідність і переріз гачків та електродів (у розрахунках прийнято RTk = 0,04 К/Вт).
Результати розрахунків параметрів ІЧ ламп типу ИКЗК 215-225-250 в перехідному режимі після вмикання показані на рис. 4 і 5.
Рис. 4. Зміна температури тіла розжарення при живленні ТРН від джерела синусоїдної напруги U = 220 В з кутом керування: 1 – 0 градусів;
2 – 90 градусів.
Рис. 5. Зміна струму у тілі розжарення лампи при живленні від ТРН з кутом керування: а - 0 градусів; б – 90 градусів. ( розрахункові значення;
ооо - експериментальні значення)
В результатi розрахункiв зроблено висновок, що максимальнi пусковi струми виникають при значеннях початкової фази вмикання (3/4 < </4). Вмикання ламп в момент часу, коли миттєве значення прикладеної напруги близьке до нуля, є найбiльш ефективним способом зменшення ударних пускових струмiв при фазовому управлiннi силовими тиристорами. Експериментальна перевiрка одержаних розрахункових значень пускових струмiв ламп типу ИКЗК 215-225-250 проводилась на спецiально розробленому пристрої для вмикання навантаження на задане миттєве значення синусоїдальної напруги (а.с. СРСР № 1309295) i пiдтвердила правильнiсть розрахункiв.
З рівняння (9) за умови, що dT/dt = 0, можна отримати статичну ВАХ у параметричній формі
; (11)
, (12)
де U, I – діючі значення струму і напруги лампи.
Порівняння отриманих експериментально і розрахованих за системою рівнянь (10) статичних ВАХ показало їх високу відповідність в діапазоні напруг живлення від 0,2Uн до Uн
(рис. 6).
Рис. 6. Статичні ВАХ лампи типу ИКЗК 215-225-250: – характеристика розрахована за (3.4);
І – експериментальні значення для партії 100 ламп (р = 0,95)
В роботi наведені результати дослiджень енергетичних характеристик iнфрачервоних ламп розжарення при змiнi напруги живлення вiд ТРН: спектральних характеристик, пульсацiй свiтлового потоку, теплових потокiв у порiвняннi з аналогiчними характеристиками при живленнi синусоїдальною напругою.
Дослiдженнями встановлено, що максимум спектральної iнтенсивностi випромiнювання при змiнi напруги живлення вiд 220 В до 60 В змiщується вiдповiдно вiд = 1,2 мкм до = 1,5 мкм.
Енергетичнi параметри iнфрачервоних ламп при живленнi вiд ТРН з фазовим керування i синусоїдальною напругою, практично однаковi, за винятком величини пульсацiї свiтлового потоку, яка при живленнi вiд ТРН (кут управлiння = 90о, Uд = 161 В) складає 4,5% (максимальне значення). Пульсацiя свiтлового потоку, при живленнi iнфрачервоних ламп синусоїдальною напругою такої ж величини, не перевищувала 2,5%.
Проведенi експериментальнi дослiдження гармонiчного складу вихiдної напруги i струму ТРН при живленнi навантаження з iнфрачервоними лампами показали, що розроблена математична модель в цiлому вiдображає електромагнiтнi процеси, якi мають мiсце в системi “ТРН - iнфрачервонi лампи розжарювання” i дозволяють визначати гармонiчний склад аналiтично.
Роздiл 4. “Виробнича перевірка і техніко-економічна оцінка автоматизованої установки для інфрачервоного обігріву молодняку тварин і птиці”.
Сформульованi вимоги i розроблена принципова електрична схема ТРН з регулятором температури. Приведенi основнi параметри розробленого пристрою.
Основними вимогами, що ставляться до ТРН є: оптимiзацiя гармонiчного складу вихiдної напруги; обмеження рiвня напруги живлення до значення не бiльше номiнального; наявнiсть спецiального пристрою плавного пiдвищення напруги (на протязi 3...5 с.) при вмиканнi iнфрачервоних ламп з метою зменшення пускових струмiв i зниження стресових впливiв на тварин.
На основi проведених дослiджень розроблений одноканальний ТРН з регулятором температури (а.с. № 913555, а.с. № 1035771), блок-схема якого зображена на рис. 7.
Рис. 7. Блок-схема ТРН для керування тепловим потоком iнфрачервоних ламп.
1. - блок захисту з фiльтрами; 2 - блок силових симетричних тиристорiв;
3 - навантаження (iнфрачервонi лампи типу ИКЗК 215-220-250); 4 - джерело синхронiзуючої напруги; 5 - фазозадаючий генератор; 6 - генератор витримки часу 3,33 мс; 7 - блок пам’ятi; 8 - розподiлювач - формувач керуючих iмпульсiв; 10 - блок плавної змiни напруги при вмиканнi пристрою; 11 - обмежувач вихiдної напруги; 12 - терморегулятор; 13 - датчик температури або теплового потоку.
Виробничi випробовування розробленого пристрою проводились в складi з iнфрачервоною опромiнюючою установкою типу “Луч-2”. Для перевiрки достовiрностi одержаних результатiв було виготовлено два дослiдних зразка ТРН для регулювання теплових потокiв iнфрачервоних ламп. Перед постановкою на серiйне виробництво дослiднi зразки проходили Державнi випробування на Пiвнiчно-Кавказькiй МIС. Випробування проводились за “Програмою i методикою державних випробувань установок для iнфрачервоного i ультрафiолетового опромiнення сiльськогосподарських тварин i птицi”, затвердженою Держсiльгосптехнiкою.
Дослiднi зразки проходили випробування на птахофабрицi “Ювiлейна” Кагальницького району Ростовської областi при обiгрiвi i опромiненнi каченят. Проведенi випробування пiдтвердили високi технiко-економiчнi показники. За перiод випробувань дослiдним зразком установки зекономлено 20368 кВтгод. електроенергiї при однакових зоотехнiчних показниках утримання i вирощування молодняку качок. За результатами випробувань налагоджено серiйне виробництво установок “Луч-2” рiзних модифiкацiй з розробленим пристроєм на заводi технологiчного обладнання (м. Сороки, Молдова) в 1984 р. Загальний випуск на протязі 1984 - 1990 рр. склав понад 5000 установок. Рiчний економiчний ефект вiд застосування однiєї установки склав 1680 крб. в цiнах 1990 року.
Висновки
Приведенi узагальненi висновки за результатами дослiджень.
1.
Аналiз сучасних освiтлювальних i опромiнюючих установок з ТРН, які використовуються в сiльськогосподарському виробництвi, показав, що поряд з деякими перевагами таких пристроїв, вони не забезпечують вимог енергозберігаючих технологій, в першу чергу підвищення ККД, зниження споживання електричної енергії, повної автоматизації процесу ІЧ обігріву тварин і птиці.
2.
Встановлено, що розробка енергозберігаючих технологій процесу локального обігріву сільськогосподарських тварин, повинна вестись з урахуванням особливостей дії короткохвильового ІЧ випромінювання на живі організми.
3. Визначення основних якісних ознак і енергетичних зв’язків системи “біологічний об’єкт - технічні пристрої - середовище” забезпечує можливість обгрунтування і визначення критеріїв ефективності використання ІЧ локального обігріву.
4.
Запропоновано новий метод аналiзу гармонiчних і симетричних складових спектру вихiдної напруги ТРН, який підвищує ефективність дослiджень широкого кола трифазних тиристорних регуляторiв напруги.
5. Визначена залежнiсть складу i симетрiї гармонiчного спектру вiд кутiв керування силовими тиристорами i вiд симетрiї напруг живлення, аналіз якої дозволив розробити алгоритми керування і схемотехнічні рішення для регулювання щільності теплових потоків ІЧ випромінювачів.
6.
Базуючись на результатах досліджень, можна стверджувати, що в трифазних системах з нульовим проводом на відміну від симетричного режиму живлення, який достатньо досліджений, при несиметрії напруги живлення або несиметрiї кутiв керування силовими тиристорами в нульовому проводi з’являються нульовi складовi струмiв всього гармонiчного спектру, включаючи першу (основну) гармонiчну складову. Максимальне значення струму в нульовому проводі має гармонiчна складова (150 Гц) при куті керування 90 ел. градусів, що необхідно враховувати при виборі перерізу нульового провода та розрахунку загороджуючих фільтрів.
7.
На основi проведеного аналiзу впливу способiв керування тиристорним регулятором напруги на характер гармонiчного складу вихiдних напруг, розроблено ТРН з одноканальним керуванням, який у порiвняннi з вiдомими регуляторами має кращу електромагнiтну сумiснiсть з iншими споживачами електроенергiї. Конструкцiя ТРН вiдрiзняється простотою, кращими ніж у аналогів масо-габаритними показниками i захищена авторськими свiдоцтвами СРСР № 913555 i № 1035771.
8.
Розроблена методика і одержані аналітичні залежності для визначення мінімальної величини пускових струмiв iнфрачервоних ламп розжарення, якi живляться вiд ТРН, в залежностi вiд початкових фаз вмикання. Це забезпечило можливість створення пристрою для експериментального визначення пускових струмiв ламп розжарення, якi живляться вiд ТРН, в залежностi вiд кута вмикання. Пристрiй захищений авторським свiдоцтвом СРСР № 1399295.
9.
Експериментально встановлено, що положення максимуму спектральної iнтенсивностi випромiнювання iнфрачервоних ламп типу ИКЗК 215-220-250 при зниженнi напруги живлення вiд 220 В до 60 В змiщується вiд = 1,2 мкм до = 1,5 мкм. На основi цих дослiджень запропоновано регулювання теплового потоку iнфрачервоних ламп шляхом змiни напруги їх живлення за допомогою ТРН при незмiннiй мiнiмально допустимiй висотi пiдвiсу опромiнювачiв. Такий спосiб регулювання дав змогу пiдвищити ККД iнфрачервоних опромiнювачiв в 1,5...2 рази, знизити споживання електричної енергiї на 10...25 %, автоматизувати процес в залежностi вiд температури повiтря у тваринницьких примiщеннях, вiку i породи тварин і птиці.
10.
Розроблений тиристорний регулятор, в якому поєднано функцiї регулятора температури, обмежувача напруги живлення i обмежувача пускових струмiв iнфрачервоних ламп, і який забезпечує ефективну роботу установок для обігріву тварин в енергозберігаючих режимах.
11.
Виробничi випробування розробленого тиристорного регулятора у складi комплекту устаткування модернiзованої установки “Луч-2” для iнфрачервоного i ультрафiолетового опромiнення молодняку тварин були проведенi на Пiвнiчно-Кавказькiй МIС. За результатами випробувань налагоджено серiйне виробництво установок “Луч-2” рiзних модифiкацiй з розробленим пристроєм на заводi технологiчного обладнання (м. Сороки, Молдова) в 1984 р. Рiчний економiчний ефект вiд застосування однiєї установки склав 1680 крб. в цiнах 1990 року.
СПИСОК ОПУБЛIКОВАНИХ ПРАЦЬ
1.
Олейник П.В. О неравномерности плотности теплового потока ламп типа ИКЗК-220-250 // Светотехника. - 1983. - № 8. - С. 13 - 14.
2.
Дмитренко Л.П., Олейник П.В. Тиристорный регулятор температуры для управления инфракрасными лампами // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1984. - № 5. - С. 30 - 33. (Розробка принципіальної схеми, проведення експериментальних досліджень).
3.
Олейник П.В., Мацера Б.С. Применение числового метода гармонического анализа несинусоидальных электрических величин при исследовании энергетических параметров установок микроклимата с помощью ЭВМ // Исследование и конструирование машин для животноводства и кормопроизводства: Сборник науч. тр. / Всесоюзн. науч.-исслед. констр.-технол. ин-т по машинам для комплексной механизации и автоматизации животноводческих ферм. - К., 1984. - Выпуск 9. - С. 68 - 71. (Розробка математичної моделі, методики досліджень, проведення експериментальних досліджень).
4.
Олейник П.В. Исследование пусковых характеристик инфракрасных ламп, применяемых при обогреве животных // Исследование и конструирование машин для животноводства и кормопроизводства: Сборник науч. тр. / Всесоюзн. науч.-исслед. констр.-технол. ин-т по машинам для комплексной механизации и автоматизации животноводческих ферм. - К., 1986. - Выпуск 11. - С. 53 - 57.
5.
Олійник П.В. Електротехнологічна установка інфрачервоного опромінення сільськогосподарських тварин з тиристорним регулятором напруги / Питання електрифікації сільського господарства (50 років - ювілейний випуск): Зб. наук. пр. / Харківський державний технічний університет сільського господарства. - Харків, 1998. - С. 140 - 141.
6.
Квицинський А.О., Олійник П.В. Перехідні процеси при вмиканні інфрачервоних ламп розжарювання // Придніпровський науковий вісник. Технічні науки. - 1998. - № 129 (196). - С. 53 - 58. (Розробка методики і проведення експериментальних досліджень).
7.
Квицинський А.О., Олійник П.В. Енергозберігаючі режими роботи для інфрачервоного опромінювання тварин // Механізація сільськогосподарського виробництва: Зб. наук. пр. - Том VI. - К.: НАУ, 1999.- С. 262 - 267. (Обгрунтування напрямку теоретичних досліджень .та проведення експериментальних досліджень).
8. Квицинський А.О., Олійник П.В. Впровадження електротехнологій у сільськогосподарське виробництво - шлях до енергозбереження // Механізація сільськогосподарського виробництва: Зб. наук. пр. - Том VIІ. - К.: НАУ, 2000.- С. 170 - 177. (Розробка методики і проведення експериментальних досліджень).
9. Олійник П.В., Квицинський А.О. Спектр напруги живлення і струму навантаження інфрачервоних ламп при живленні від ТРН. // Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств: Зб. праць IV Міжнародної наукової конференції PQ 2000. - Маріуполь: ПДТУ, 2000. - С. 53 - 56. (Розробка математичної моделі та проведення експериментальних досліджень).
10.
А.с. 789652 СССР, МКИ H 02P 13/18. Трехфазный регулятор напряжения
/ Дмитренко Л.П., Олейник П.В. (СССР). - № 2631378/24-07; Заяв. 14.06.78; Опубл.23.12.80, Бюл. № 47.
11. А.с. 913555 СССР, МКИ H 02P 13/18. Регулятор трехфазного напряжения
/ Дмитренко Л.П., Олейник П.В. (СССР). - № 2848552/24-07; Заяв. 11.12.79; Опубл.15.03.82, Бюл. № 10.
12. А.с. 1020957 А СССР, МКИ H 02P 13/16; H 02М 5/257. Тиристорный регулятор напряжения / Дмитренко Л.П., Олейник П.В. (СССР). - № 3300396/24-07; Заяв. 10.06.81; Опубл.30.05.83, Бюл. № 20.
13.
А.с. 1035771 А СССР, МКИ H 02P 13/16. Регулятор трехфазного напряжения / Дмитренко Л.П., Олейник П.В. (СССР). - № 3306932/24-07; Заяв. 25.06.81; Опубл.15.08.83, Бюл. № 30.
14.
А.с. 1309295 А1 СССР, МКИ H 03К 17/22. Устройство для включения нагрузки на заданное мгновенное значение синусоидального напряжения / Олейник П.В. (СССР). - № 3948477/24-21; Заяв. 02.09.85; Опубл.07.05.87, Бюл. № 17.
15.
Олейник П.В. Перспективы применения тиристорных регуляторов для систем микроклимата в животноводческих помещениях. В кн. Вопросы механизации и электрификации сельского хозяйства (Минск, 24 сентября - 2 октября 1981 г.) Тезисы докладов Всесоюзной школы молодых ученых и специалистов. М: ВАСХНИЛ, 1981, C. 182 - 184.
16. Олейник П.В. Применение тиристорных регуляторов напряжения для питания установок инфракрасного обогрева животных. В кн. Механизация и электрификация производственных процессов в сельском хозяйстве ( УНИИМЭСХ, 27-29 сентября 1982 г.) Тезисы докладов Республиканской научнотехнической конференции молодых ученых. Киев,УНИИМЕСХ, 1982, С. 162 - 164.
Олійник П.В. Енергозберігаючі режими роботи установок інфрaчервоного локального обігріву сільськогосподарських тварин. Рукописна дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.20.02 - Застосування електротехнологій у сільськогосподарському виробництві. Національний аграрний університет, 2000 р.
Містить результати теоретичних і експериментальних досліджень енергозберігаючих режимів роботи установок інфрaчервоного обігріву молодняку тварин з тиристорними регуляторами напруги. Обгрунтовані переваги короткохвильового інфрачервоного випромінювання при локальному обігріві за допомогою інфрaчервоних ламп розжарення. На підставі одержаних залежностей розраховані енергозберігаючі режими роботи таких установок. Здійснена реалізація результатів досліджень в комплекті технологічного обладнання, який впроваджено у виробництво.
Ключові слова: інфрaчервоний локальний обігрів; енергозберігаючі режими; інфрaчервоні лампи; тиристорні регулятори напруги.
Олейник П.В. Энергосберегающие режимы роботы установок инфрaкрасного локального обогрева сельскохозяйственных животных. Рукописная диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.20.02 - Применение электротехнологий в сельскохозяйственном производстве. Национальный аграрный университет, 2000 г.
Диссертация посвящена вопросам локального обогрева молодняка животных источниками коротковолнового инфрaкрасного излучения. Содержит результаты теоретических исследований действия коротковолнового инфрaкрасного излучения на организм животных при изменении напряжения питания источников излучения. Произведена оценка мощности потока энергии, поступающая путем излучения к телу животного с учетом спектров пропускания и отражения кожи и подкожных тканей животных. Разработана математическая модель в виде дифференциальных уравнений, описывающих спектральную плотность электромагнитного излучения при различных температурах тела накала, которая проникает через покровы тела животного. Получены их решения, созданы алгоритмы и программа расчета на ПЭВМ, которые позволяют получать расчетные значения излучательной мощности источника инфрaкрасного излучения, проникающей в глубокие подкожные ткани тела животных. Исследовано, что наиболее существенно на излучательную мощность лампы ИКЗК 215-225-250 влияет температура тела накала. Для его изменения можно применять различные способы, наиболее эффективным из которых является способ изменения напряжения питания источника инфрaкрасного излучения при минимально возможной высоте подвеса. Определено теоретическое значение квазиэндогенного КПД облучательных установок с инфрaкрасными лампами типа ИКЗК 215-225-250 при различных температурах тела накала, максимальное значение которого составляет 6...8 % при температурах тела накала 2800...3200 К. используя параметрическое уравнение для статичной вольт-амперной характеристики вольфрамового тела накала лампы типа ИКЗК 215-225-250 определен закон регулирования действующего значения напряжения питания инфрaкрасного излучателя в зависимости от температуры в помещения для содержания животных. На основании полученных зависимостей рассчитаны энергосберегающие режимы роботы установок локального обогрева животных.
Проведены теоретические исследования спектрального состава, симметричных составляющих напряжения питания и тока нагрузки с инфрaкрасными лампами при питании от ТРН. Определены коэффициенты ряда Фурье для первой и высших гармоник выходного напряжения и потребляемого тока ТРН, питающего активную нагрузку. Создана программа расчета на ПЭВМ, которая позволяют получать расчетные значения амплитуд и начальных фаз гармонических составляющих выходного напряжения и потребляемого тока активной нагрузки в зависимости от угла управления силовыми тиристорами.
Приведена методика и результаты теоретических и экспериментальных исследований энергетических характеристик инфрaкрасных ламп накаливания при питании несиснусоидальным напряжением. Исследованы зависимости пусковых токов таких ламп в момент включения от угла включения по отношению до нулевого значения синусоидального напряжения питания. Разработаны эффективные способы ограничения пусковых токов инфрaкрасных ламп накаливания. Осуществлена реализация результатов исследований в комплекте технологического оборудования, который рекомендован в производство.
Ключевые слова: инфрaкрасный локальный обогрев; энергосберегающие режимы; инфрaкрасные лампы; тиристорные регуляторы напряжения, гармонический состав тока и напряжения.
Оlejnik P.V. Energy-saving operation of the infra-red local heating installations for farm animals. Dissertation for candidate’s degree in engineering science on 05.20.02 speciality - The application of the electrical technologies in agricultural prodution. National Agrarian University, 2000.
The results of the theoretical and experimental investigations of energy-saving operation of the infra-red local heating installations for farm animals with SCR regular of voltage are given. The advantage of short-wave infra-red radiation with infra-red lamps has been substantiated. On the basis of the results obtained the energy-saving modes of these installations have been determined. The realization of results of researches in a complete set of the process equipment is carried out which is recommended in manufacture.
Key words: infra-red local heating; energy-saving operation; infra-red lamps; SCR regulators of voltage.
