автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Энергосберегающие режимы работы установок инфракрасного локального обогрева сельскохозяйственных животных

НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ОД

. ц ода гй®

у

^ІТЬліЙНИК Павло Вікторович

УДК 631.22:628.8:537.212:636

ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧІ РЕЖИМИ РОБОТИ УСТАНОВОК ІНФРАЧЕРВОНОГО ЛОКАЛЬНОГО ОБІГРІВУ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ ТВАРИН

05.20.02 - застосування електротехнологій у сільськогосподарському виробництві

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК, кандидат технічних наук, донент

ЖУЛАЙ ЄВГЕНІЙ ЛАВРЕНТІЙ0ВИ4, Національний аграрний університет, завідувач кафедри застосування електроенергії в сільському господарстві

ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ: доктор технічних наук, професор

САВЧЕНКО ПЕТЮ ІЛЛІЧ, Харківський державни{ технічний університет сільського господарства завідувач кафедри застосування електроенергії і сільському господарстві

кандидат технічних наук, донент

НАЗАРЕНКО ІГОР ПЕТРОВИЧ, Таврійська держави;

агротехнічна академія, доцент кафедри енергетики

ПРОВІДНА ОРГАНІЗАЦІЯ: Інститут механізації та електрифікації сільськог господарства Української академії аграрних наут відділ застосування електроенергії в сільськом господарстві, смт Глеваха Васильківського район Київської області.

Захист відбудеться “12” жовтня 2000 р. о 10 годині на засіданні спеціалізоване вченої ради Д 26.004.07. в Національному аграрному університеті за адресок 03041, Київ-41, вуя. Героїв оборони, 15, 3-й навчальний корпус, аудиторія 65.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрної університету за адресою: 03041, Київ-41, вул. Героїв оборони, 11, навчальні; корпус 10, читальний зал.

Автореферат розісланий *‘ а ” С&_________________2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради -

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 потрібного мікроклімату на тваринницьких фермах і комплексах витрачається до 75% теплової енергії, яка використовується в тваринництві. Традиційні рідкі і газоподібні палива, що використовуються для обігріву тваринницьких приміщень, стають неефективними через їх дефіцит і високі ціни.

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 пронеси 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 електротеплови.чи установками загального обігріву. Крім нього, застосування обігрівачів з інфрачервоними лампами розжарювання дозволяє одночасно з обігрівом проводити біологічну і терапевтичну стимуляцію організму молодняку сільськогосподарських тварин.

Розробка енергозберігаючих, високоефективних установок інфрачервоного обігріву молодняку тварин і птиці с 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 (модернізапія)»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 мета 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 ознаїси 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 визначиш техніко-економічну ефективність одержаних результатів.

Основні методи досліджень. При розв’язанні задач, поставлених у роботі, знайшли застосування аналітичні методи з використанням теорії симетричних складових гармонічного спектру рядів Фур’с, методи математичного моделювання, числові методи рішення систем нелінійних диференпійних рівнянь, 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. Обгрунтувань 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 14 випромінювання живими організмами при розробці енергозберігаючих режимів локального інфрачервоного обігріву сільськогосподарських тварин.

з

3. Доведено, то 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 і симетрії гармонічного спектру кривих напруги і струму, споживаного інфрачервоними лампами, від кутів керування силовими тиристорами і від симетрії напруг живлення.

6. Запропоновано новий метод аналізу симетрії гармонічного спектру вихідної напруги ТРН при різних способах керування ним, який можна застосовувати при дослідженні трифазних тиристорних регуляторів 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 свідошвами № 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.

4.3а результатами проведених досліджень були виготовлені дослідні зразки установок для інфрачервоного обігріву тварин з ТРН і проведені їх приймальні та виробничі випробування на Північно-Кавказькій МІС (м. Зерноград, Ростовської області).

За результатами випробовувань дослідних установок Державна міжвідомча комісія рекомендувала їх до серійного виробництва на заводі технологічного обладнання (м. Сороки, Молдова) у 1984 р. Всього до 1990 року було випущено і встановлено в господарствах понад 5 тисяч установок “Луч-2” різних модифікацій 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 інфрачервоного обігріву 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 досліджень доповідались і обговорювались на науковій конференції Всесоюзної школи молодих вчених і спеціалістів (м. Мінськ, 1981 р.), республіканській науково-технічній

конференції 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 ірудня 1999 р.), IV Міжнародній науковій конференції Р(3 2000 «Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств» (м. Мелітополь, ПДТУ, 24 - 26 травня 2000 р.).

Публікація результатів досліджень. Основний зміст дисертаційної роботи викладено в 16 друкованих роботах включаючи 5 авторських свідоцтв (самостійно 6 робіт).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з чотирьох розділів, загальних висновків, списку літератури та додатку і містить 145 сторінок друкованого тексту, 16 таблиць, 50 рисунків. Список літератури включає 154 назв, із яких на іноземній мові 8.

Дисертант висловлює щиру подяку за надання науково-методичної допомоги під час виконання першого етапу дисертації доктору технічних наук

О.О. Омельченку.

ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обгрунтована актуальність вибраної теми досліджень, дана коротка характеристика роботи, її новизна і практична цінність для сільськогосподарського виробництва.

Розділ 1 “Огляд літератури і вибір напрямків досліджень’".

Розглянуто існуючий стан питання інфрачервоного обігріву тварин за допомогою спеціальних установок, проведено порівняльний аналіз інфрачервоних джерел випромінювання, які можуть застосовуватися для обігріву тварин.

Науковими і експеримеїггальними дослідженнями встановлено, що втрати поголів’я молодняку, що спричиняються незадовільними умовами мікроклімату, 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.J., Драганова Б.Х., Бистріцького Д.Н., Кожевнікової

Н.Ф., Левітіна І.Б., Литвінова B.C., Лямиова А.К., Мурзіна В.М., Муругова В.II, Мурусідзе Д.Н., Пчолкіна Ю.М., Славіна Р.М! та інших доведена перспективність застосування електричної енергії для місцевого обігріву сільськогосподарських тварин. Однак ці роботи не дають вичерпних даних для розробки енергозберігаючих установок інфрачервоного обігріву тварин.

Обгрунтована необхідність досліджень енергозберігаючих режимів роботи установок локального інфрачервоного обігріву тварин. Сформульована мета роботи і визначені основні завдання досліджень.

Розділ 2. “Теоретичні передумови розробки енергозберігаючих режимів роботи установок локального обігріву тварин”.

Наведені результати теоретичних досліджень дії короткохвильового 14 випромінювання на організм тварин при зміні напруги живлення.

Для оцінки потужності потоку енергії, шо 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(K1) = MW(k,T) • хс(к) (1-R(k)), (1)

де R(X) — спектр коефіцієнту відбиття шкіри тварини;

Хс(к) - спектральний коефіцієнт пропускання світлофільтра колби 14 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 (X, Т) = MW(k. Т) ■ 1Ш(Х) -ХС(К) -(l-R(K)) (2)

де Хш(к) - спектральний коефіцієнт пропускання шкіри.

Інтегруючи спектральну густину такого випромінювання по довжині хвилі при сталих значеннях температури тіла розжарення, можна визначити величину проникаючої енергії випромінювання:

"кпите

F2(T)= ¡FT2(k,TJdK. (3)

Xmin

Випромінювальна потужність лампи ИКЗК 215-230-250, яка доступна для тварини, при різній температурі тіла розжарення розраховується за формулою:

\tnat

FI(T)= ¡FT/a.TJdk. (4)

Xmin

З врахуванням (3) і (4) квазіендогєнний ККД опромінювальних установок з лампами розжарення типу ИКЗК 215-225-250 визначається за формулою:

X тат

\FT2(\,T)dX ~ = X mtn___________. (5)

' к mar

\FTl(l,T)d\

' X. тіл

Результати розрахунку за формулою (5) показані на рис. 2.

ГТ. Нт/им

2.0 Іко, J.o

Рис. 1. Спектральна густина електромагнітного випромінювання, яка проникає через покрови тіла тварини. .

%

. °0 $00 1000 1500 2000 2500 3000 X 3500

т*\

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 14 випромінювача в залежності від температури в приміщенні для утримування поросят (рис. 3).

220 В

ISO 160140

U 12°.

100

so

60

40

20;

0........................... ................ ■

16 П 18 19 20 21 22 23 24 25 26 C" 28

T

Рис. 3. Закон регулювання діючого значення напруги на затискачах 14 випромінювача в залежності від температури в приміщенні для утримування поросят.

При теоретичних дослідженнях спектрального складу, симетричних складових напруги живлення і струму навантаження з 14 лампами, при живленні від ТРН, наведені результати досліджень гармонічного складу напруг і струмів. "

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 керувалі силовими тиристорами в ТРН. Показано вплив схемо-технічних особливостей фазозадаючих генераторів на гармонічний склад вихідної напруги.

В загальному випадку, при наявності двох фазозадаючих генераторів для керування силовими тиристорами в одній фазі, кути керування силовими тиристорами а/ і а? неоднакові, внаслідок технологічних відхилень параметрів деталей і напівпровідникових елементів, з яких вони складаються. Використання одного фазозадаючого генератора для керування двома силовими тиристорами в одній фазі (а/ = a¿), значно спрощує визначення параметрів гармонічного спектру вихідної напруги і струму, який споживає ТРН при живленні інфрачервоних ламп.

Періодичну функцію кривої напруги і струму на врході ТРН можна записати у вигляді тригонометричного ряду Фур’є:

f(x) = -T + 'I4(<-K cosvoí +&,. sin veo/) (6)

2 ,.=t

Коефіцієнти ряду Фур’є для першої (основної) гармоніки частотою 50 Ги визначаються за формулами:

h =-

я

л

я

U.

L(cosa, - cosa,);

[-sin-a, -sin’(ji +a,)];

sin 2a, - sin 2a.

2л -(a, +a,)

де a¡, b, - коефіцієнти ряду Фур’є; а/, а? - кути керування відповідно першого і другого силових тиристорів в одній фазі, які ввімкнені зустрічно - паралельно;

Um - амплітудне значення напруги живлення.

Для вищих гармонічних складових:

а„ = —(cosa, - cosa,);

sy*

2п

cos(l — v+cos(l-vXit +a.)-cos(l-v)?t -1

1-v

cosO + v)«, +cos(l+vX>t + a,)-cos(l + v)n -1

1+v

(8)

h - U"

sin(l+v)a,+ sin(l+v)(K +a;) sinO-v)*, + sin(l-v){jí +<*;)

1 +v

1-v

де V = 2, 3,4, 5... - шрядок гармонічних складових.

Програма розрахунків коефіцієнтів ряду Фур’є розроблена з використанням програми Mathcad 7 Pro. Необхідні обчислення виконані на ПЕОМ і визначені величини амплітуд і початкових фаз гармонічних складових вихідної напруги ТРН і струму, який споживає активне навантаження, в залежності від кута керування силовими тиристорами.

Результати обчислень гармонічного складу вихідної напруги ТРН наведені нарис. 3.

Рис. 3. Відносні діюче значення напруги гармонік на виході ТРН.

Розділ 3. “Теоретичні і експериментальні дослідження енергетичних характеристик інфрачервоних ламп при живленні від ТРН”

Наведена методика та результати досліджень енергетичних характеристик інфрачервоних ламп розжарення при живленні несинусоїдальною напругою.

В загальному випадку момент подачі напруги живлення на інфрачервону лампу розжарення від ТРН визначається кутом керування силового тиристора конкретної фази.

Для розробки способу ефективного обмеження пускових струмів інфрачервоних ламп в момент ввімкнення, які негативно впливають на термін їх роботи, були досліджені залежності величини пускових струмів від кута вмикання по відношенню 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

ссп^онт'-їі,^^. (9)

де Т - температура тіла розжарення, К;

С(Т) -теплоємність тіла розжарення, Дж/К;

.4

££- сумарна енергетична світимість тіла розжарення лампи, Вт/К ;

То - температура оточуючого середовища, К (прийнято Т0 = 293 К);

- температурний опір електродів та гачків, Вт/К; '

ТЕ - температура в місці закріплення електрода в корпусі лампи, К;

и (і) - мштєве значення напруги на активному опорі тіла розжарення, В;

И(Т) - електричний опір тіла розжарення, Ом.

Якщо скористатися параметрами лампи типу ШСЗК 215-225-250 і параметрами реальної мережі одержимо систему диференціальних рівнянь у вигляді

т-с(Т)~ +г(Т) п с!1-сіе-а0-ГҐ -Т$= ЯГТ); (10)

Л 2.Ю к

1-— = иіа)-іЯт-іЯ(Г),

(к '

де і - миттєве значення струму, А;

т = 1,914-10 кг - маса тіла розжарення; с(Т) - питома теплоємність вольфраму, Дж/кг-К; сі = 8,8-10 5 м - діаметр тіла розжарення;

/= 1,875 м - довжина тіла розжарення; •

ск = 0,82 - коефіцієнт, що враховує форму тіла розжарення;

ЕҐТ) - інтегральна випромінювальна властивість вольфраму;

Оо = 5,7-10 8 Вт/(м2-К4) - константа випромінювання абсолютно чорного тіла;

В.(Т) - електричний опір тіла розжарення лампи ИКЗК 215-225-250, Ом; То- температура оточуючого середовища (То= 293 К);

£Л7і = 2.(1,/ к ¡'/„і -5: + 12/ к^-кг^г) - сумарний температурний опір гачків та електродів, К/Вт , І, к, X, з - відповідно довжина, кількість, питома

теплопровідність і переріз гачків та електродів (у розрахунках прийнято І£Тк = 0,04 К/Вт). .

Результати розрахунків параметрів 14 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 ТРИ від джерела синусоїдної напруги и = 220 В з кутом керування: 1 - 0 градусів; 2-90 градусів."

0 0.02 0,04 0,06 0.1» 0.1 0,12 0.14 0.16 С 02

■ а б

Рис. 5. Зміна струму у тілі розжарення лампи при живленні від ТРИ з кутом керування: а - 0 градусів; 6-90 градусів. (— розрахункові значення;

ооо - експериментальні значення)

В результаті розрахунків зроблено висновок, що максимальні пускові струми виникають прк значеннях початкової фази вмикання (3/4ж < (р <тх/4). Вмикання ламп в момент часу, коли миттєве значення прикладеної напруги близьке до нуля, є найбільш ефективним способом зменшення ударних пускових струмів гтри фазовому управлінні силовими тиристорами. Експериментальна перевірка одержаних розрахункових значень пускових струмів ламп типу ИКЗК 215-225-250 проводилась на спеціально розробленому пристрої для вмикання навантаження на задане миттєве значення

синусоїдальної напруги (а.с. № 1309295) і підтвердила правильність

розрахунків.

З рівняння (9) за умови, що сГГ/сЛ = 0, можна отримати статичну ВАХ у параметричній формі

игг) =

Я-Л-!-с1є-е(Т) о0 -('Ґ - У04)+1 І0

ЦТ)\ (П)

1(1) =

п ■ сі ■ І ■ січ ■ г('і) ■ о0 • ('і'* -) +

■ґ-1о ИЮІ

ЩІ)

(12)

де II, / -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 0,2 Ц, до 17н (рис. 6).

100 120 ^ ------------------

Рис. 6. Статичні ВАХ лампи типу ИКЗК 215-225-250:------характеристика

розрахована за (3.4); 1 - експериментальні значення для партії 100 ламп

(р = 0,95)

В роботі наведені результати досліджень енергетичних характеристик інфрачервоних ламп розжарення при зміні напруги живлення від ТРН: спектральних характеристик, пульсацій світлового потоку, теплових потоків у порівнянні з аналогічними характеристиками при живленні синусоїдальною напругою. .

Дослідженнями встановлено, що максимум спектральної інтенсивності випромінювання при зміні напруги живлення від 220 В до 60 В зміщується відповідно від А. = 1,2 мкм до X = 1,5 мкм.

Енергетичні параметри інфрачервоних ламп при живленні від ТРН з фазовим керування і синусоїдальною напругою, практично однакові, за винятком величини пульсації світлового потоку, яка при живленні від ТРН (кут управління а = 90°, £/(1 = 161 В) складає 4,5% (максимальне значення).

Пульсація світлового потоку, при живленні інфрачервоних ламп синусоїдальною напругою такої ж величини, не перевищувала 2,5%.

Проведені експериментальні дослідження гармонічного складу вихідної напруги і струму ТРН при живленні навантаження з інфрачервоними лампами показали, шо розроблена математична модель в цілому відображає електромагнітні процеси, які мають місце в системі “ТРН - інфрачервоні лампи розжарювання’’ і дозволяють визначати гармонічний склад аналітично.

Розділ 4. “Виробнича перевірка і техніко-економічна оцінка автоматизованої установки для інфрачервоного обігріву молодняку тварин і птиці”.

Сформульовані вимоги і розроблена принципова електрична схема ТРН з регулятором температури. Приведені основні параметри розробленого пристрою.

Основними вимогами, що ставляться до ТРН є: оптимізація гармонічного складу вихідної напруги; обмеження рівня напруги живлення до значення не більше номінального; наявність спеціального пристрою плавного підвищення напруги (на протязі 3...5 с.) при вмиканні інфрачервоних ламп з метою зменшення пускових струмів і зниження стресових впливів на тварин.

На основі проведених досліджень розроблений одноканальний ТРН з регулятором температури (а.с. № 913555, а.с. № 1035771), блок-схема якого зображена нарис. 7.

Рис. 7. Блок-схема ТРН для керування тепловим потоком інфрачервоних

ламп.

1- блок захисту з фільтрами, 2 - блок силових симетричних тиристорів;

З - навантаження (інфрачервоні лампи типу ИКЗК 215-220-250); 4 - джерело синхронізуючої напруги; 5 - фазозадаючий генератор; 6 - генератор витримки часу 3,33 мс; 7 - блок пам’яті; 8 - розподілювач - формувач керуючих імпульсів;

10 - блок плавної зміни напруги при вмиканні пристрою; 11 - обмежувач вихідної напруги; 12 - терморегулятор; 13 - датчик температури або теплового

потоку.

Виробничі випробовування розробленого пристрою проводились в складі з інфрачервоною опромінюючою установкою типу “Луч-2”. Для перевірки достовірності одержаних результатів було виготовлено два дослідних зразка ТРН для регулювання теплових потоків інфрачервоних ламп. Перед постановкою на серійне виробництво дослідні зразки проходили Державні випробування на Північно-Кавказькій МІС. Випробування проводились за “Програмою і методикою державних випробувань установок для інфрачервоного і ультрафіолетового опромінення сільськогосподарських тварин

і птиці”, затвердженою Держсільгосптехнікою.

Дослідні зразки проходили випробування на птахофабриці “Ювілейна” Кагальницького району Ростовської області при обігріві і опроміненні каченят. Проведені випробування підтвердили високі техніко-економічні показники. За період випробувань дослідним зразком установки зекономлено 20368 кВт год. електроенергії при однакових зоотехнічних показниках утримання і вирощування молодняку качок. За результатами випробувань налагоджено серійне виробництво установок “Луч-2” різних модифікацій з розробленим пристроєм на заводі технологічного обладнання (м. Сороки, Молдова) в 1984 р. Загальний випуск на протязі 1984 - 1990 рр. склав понад 5000 установок. Річний економічний ефект від застосування однієї установки склав 1680 крб. в цінах 1990 року.

Висновки

Приведені узагальнені висновки за результатами досліджень.

1. Аналіз сучасних освітлювальних і опромінюючих установок з ТРН, які використовуються в сільськогосподарському виробництві, показав, шо поряд з деякими перевагами таких пристроїв, вони не забезпечують вимог енергозберігаючих технологій, в першу чергу підвищення ККД, зниження споживання електричної енергії, повної автоматизації процесу 14 обігріву тварин і птиці.

2. Встановлено, що розробка енергозберігаючих технологій процесу локального обігріву сільськогосподарських тварин, повинна вестись з урахуванням особливостей дії короткохвильового 14 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 14 локального обігріву. .

4. Запропоновано новий метод аналізу гармонічних і симетричних скяадосих спектру вихідної напруги ТРН, який підвищує ефективність досліджень широкого кола трифазних тиристорних регуляторів напруги.

5. Визначена залежність складу і симетрії гармонічного спектру від кутіз керування силовими тиристорами і від симетрії напруг живлення, аналіз якої дозволив розробити алгоритми керування і схемотехнічні рішення для регулювання щільності теплових потоків 14 випромінювачів.

4. 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 несиметрії кутів керування силовими тиристорами в нульовому проводі з’являються нульові складові струмів всього гармонічного спектру, включаючи першу (основну) гармонічну складову. Максимальне значення струму в нульовому проводі має гармонічна складова (150 Гп) при куті керування 90 ел. градусів, що необхідно враховувати при виборі перерізу нульового провода та розрахунку загороджуючих фільтрів. ,

5. На основі проведеного аналізу впливу способів керування тиристорним регулятором напруги на характер гармонічного складу вихідних напруг, розроблено ТРН з одноканальним керуванням, який у порівнянні з відомими регуляторами має кращу електромагнітну сумісність з іншими споживачами електроенергії. Конструкція ТРН відрізняється простотою, кращими ніж у аналогів масо-габаритними показниками і захищена авторськими свідоцтвами №913555 і № 1035771.

6. Розроблена методика і одержані аналітичні залежності для визначення мінімальної величини пускових струмів інфрачервоних ламп розжарення, які живляться від ТРН, в залежності від початкових фаз вмикання. Це забезпечило можливість створення пристрою для експериментального визначення пусковш струмів ламп розжарення, які живляться від ТРН, в залежності від кутг вмикання. Пристрій захищений авторським свідоцтвом № 1399295.

7. Експериментально встановлено, що положення максимуму спектрально інтенсивності випромінювання інфрачервоних ламп типу ИКЗК 215-220-250 пр> зниженні напруги живлення від 220 В до 60 В зміщується від X = 1,2 мкм до X = 1,5 мкм. На основі цих досліджень запропоновано регулювання тепловогс потоку інфрачервоних ламп шляхом зміни напруги їх живлення за допомогок ТРН при незмінній мінімально допустимій висоті підвісу опромінювачів. Такиі спосіб регулювання дав змогу підвищити ККД інфрачервоних опромінювачів і 1,5...2 рази, знизити споживання електричної енергії на 10...25 % автоматизувати процес в залежності від температури повітря у тваринницький приміщеннях, віку і породи тварин і птиці.

8. Розроблений тиристорний регулятор, в якому поєднано функції регуляторі температури, обмежувача напруги живлення і обмежувача пускових струмі] інфрачервоних ламп, і який забезпечує ефективну роботу установок для обігрів; тварин в енергозберігаючих режимах.

9. Виробничі випробування розробленого тиристорного регулятора у склад комплекіу устаткування модернізованої установки ‘\Пу,;-2’’ для інфрачервоноп

і ультрафіолетового опромінення молодняку тварин були проведені на Північно Кавказькій МІС. За результатами випробувань налагоджено серій» виробництво установок “Луч-2” різних модифікацій з розробленим пристроєї на заводі технологічного обладнання (м. Сороки, Молдова) в 1984 р. Річниі економічний ефект від застосування однієї установки склав 1680 крб. в піна 1990 року.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ 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 принципіальноі схеми, проведення експериментальних досліджень).

3. Олейник П.В., Манера 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, лрове/іення 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. Елекіротехнологічна установка інфрачервоного опромінення сільськогосподарських тварин з тиристорним регулятором напруги / Питання електрифікації сільського господарства (50 років - ювілейний випуск): 36. наук. пр. / Харківський державний технічний університет сільського господарства. - Харків, 1998.-С. 140-141.

6. Квипинський А.О., Олійник П.В. Перехідні процеси при вмиканні інфрачервоних ламп розжарювання // Придніпровський науковий вісник Технічні науки. - 1998. -Ха 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: 36. 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 І/ Механізація сільськогосподарського виробництва: 36. наук пр. - Том VII. - К.: НАУ, 2000,-

С, 170 - 177. (Розробка методики і проведення експериментальних досліджень).

?. Олійник П.В., Квицинський А.О. Спектр напруги живлення і струму навантаження інфрачервоних ламп при живленні від ТРН. // Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств: 36. праль IV Міжнародної наукової

конференції PQ 2000. - Мелітополь: ПДТУ. 2000. - С. 53 - 56. (Розробка математичної моделі та проведення експериментальних досліджень).

10. A.c. 789652 СССР, МКИ Н 02Р 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 Н 02Р 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. A.c. 1020957 А СССР, МКИ Н 02Р 13/16; Н 02М 5/257. Тиристорный регулятор напряжения / Дмитренко Л.П., Олейник П.В. (СССР). -№ 3300396/24-07; Заяв. 10.06.81; 0публ.30.05.83, Бюл. № 20.

13. A.c. 1035771 А СССР, МКИ Н 02Р 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. A.c. 1309295 Al СССР, МКИ Н 03К 17/22. Устройство для включения нагрузки на заданное мгновенное значение синусоидального напряжения / Олейник П.В. (СССР). - № 3948477/24-21; Заяв. 02.09.85; 0публ.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, С. 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 робота установок інфрачервоного 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 інфрачервоного обігріву молодняку тварин з тиристорними регуляторами напруги. Обгрунтовані переваги короткохвильового інфрачервоного випромінювання при локальному обігріві за допомогою інфрачервоних 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: інфрачервоний локальний обігрів; енергозберігаючі режими; інфрачервоні лампи; тиристорні регулятори напруги.

Олейник П.В. Энергосберегающие режимы роботы установок инфракрасного 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 инфракрасного излучения. Содержит результаты теоретических исследований действия коротковолнового инфраіфасного излучения на организм животных при изменении напряжения питания источников излучения. Произведена опенка 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 инфракрасного 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 инфракрасного излучения при минимально возможной высоте подвеса. Определено теоретическое значение квазиэндогенного КПД облучательных установок с инфракрасными 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 инфракрасного 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 инфракрасными 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 инфракрасных 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 инфракрасных ламп накаливания. Осуществлена реализания результатов исследований в комплекте технологического оборудования, который рекомендован в производство.

Ключевые слова: инфракрасный локальный обогрев; энергосберегающие режимы; инфракрасные лампы; тиристорные регуляторы напряжения, гармонический состав тока и напряжения.

Olejnik 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.