Для обеспечения работы гидропривода строительно-дорожных машин (СДМ) в зимний период времени на Крайнем Севере и Арктике перед началом работы машины проводится тепловая подготовка всех ее элементов [2, 3, 4, 9]. Одним из вариантов прогрева гидродвигателей (гидроцилиндров) является электропрогрев [5, 6, 7].
С целью оценки электросистемы подогрева [10] гидроцилиндров СДМ [11] проведен расчет на примере одноковшового экскаватора ЭО-5124. На гидропривод рабочего органа ЭО-5124 установлено 4 гидроцилиндра: 2 гидроцилиндра на привод стрелы, 1 на привод рукояти и 1 на привод ковша. Гидроцилиндры рукояти и ковша унифицированы.
Гидроцилиндры, установленные на стреле, имеют размеры: внешний диаметр Dвн = 110 мм; обогреваемая длина L = 1025 мм. Исходя из этого выберем нагревательный кабель 95ВТХ, толщина кабеля b = 12,2 мм. Длина кабеля при обвивке гидроцилиндра виток к витку составит
(1)
Гидроцилиндры, установленные на рукояти и ковше, имеют размеры: внешний диаметр Dвн = 170 мм; обогреваемая длина L = 800 мм. Исходя из этого выберем нагревательный кабель 95ВТХ, толщина кабеля b = 12,2 мм. Длина кабеля при обвивке гидроцилиндра виток к витку составит
(2)
Рассмотрим схему параллельного подключения нагревательных кабелей. Нагревательный кабель состоит из полупроводниковой матрицы, которая в зависимости от температуры меняет свое сопротивление, тем самым регулируя ток и, соответственно, потребляемую мощность кабеля. На различных участках кабеля может быть разная температура, а значит, и потребляемая мощность на разных участках кабеля будет различной. Производитель саморегулирующего кабеля рекомендует рассчитывать мощность, потребляемую кабелем, и мощность, которую должна выдавать электрическая сеть по максимальному току при минимальной температуре окружающей среды [1, 8].
Расчетная схема потребляемой мощности нагревательных кабелей представлена на рис. 1.
Максимальная длина нагревательной секции (или суммарная длина секций одной марки, подключаемых параллельно) в зависимости от типа автоматического выключателя питания представлена в таблице.
В момент включения нагревательной секции происходит скачок тока (стартовый ток). В течение 5 мин после включения величина тока стабилизируется. Максимальная величина стартового тока может в 5–6 раз превышать номинальное значение тока, на которое рассчитан автоматический выключатель и инвертор напряжения. Для кабеля 95ВТХ, потребляемый ток одного метра кабеля при температуре среды –40 °С составит 0,703 А/м. Мощность одной секции кабеля определится по формуле
W = U?Iк?Lк, Вт, (3)
где U – напряжение сети 220В; Iк – ток кабеля, А; Lк – длина нагревательной секции.
Ток при параллельном подключении нагрузки:
I = I1 + |I2 + I3 + I4, (4)
где In – ток в нагревательной секции.
Рис. 1. Расчетная схема потребляемой мощности нагревательных кабелей
Рассчитаем стартовую мощность при включении всех нагревательных секций одновременно:
Wс = U?I = 220?0,703?(35 + 35 + 35 + 35) = 21,652 кВт. (5)
Максимальная длина нагревательной секции в зависимости от типа автоматического выключателя
|
Тип |
Температура включения, °C |
Ток включения, А/м |
230 В |
||
|
15 А |
20 А |
30 А |
|||
|
45ВТХ |
10 |
0,308 |
49 |
64 |
82 |
|
–20 |
0,352 |
43 |
56 |
82 |
|
|
–40 |
0,410 |
37 |
49 |
73 |
|
|
60ВТХ |
10 |
0,428 |
35 |
46 |
70 |
|
–20 |
0,447 |
34 |
44 |
67 |
|
|
–40 |
0,469 |
32 |
43 |
64 |
|
|
95ВТХ |
10 |
0,615 |
24 |
30 |
43 |
|
–20 |
0,703 |
21 |
27 |
43 |
|
|
–40 |
0,703 |
21 |
27 |
43 |
|
Данная мощность очень большая, поэтому не рекомендуется подключать все нагревательные секции одновременно. Согласно проведенному эксперименту и данным производителя саморегулирующегося нагревательного кабеля, чтобы предотвратить отказ инвертора, необходимо предусмотреть устройство плавного пуска для всех нагревательных секций. То есть включать нагревательные секции не одновременно, а по очереди. Тем самым обеспечить включение всех нагревательных секций через определенное время (15–20 мин). Это увеличивает время тепловой подготовки экскаватора (до 1,5–2 часов), при этом возникает экономия на сравнительно недорогом оборудовании, таком как аккумуляторы и инвертор.
При максимальной длине нагревательной секции в 43 м инвертор должен выдавать 30 А. Если пусковой ток в 5 раз меньше тока включения, то потребляемый ток нагревательного кабеля в рабочем режиме 0,14 А/м, а это значит, что мощность инвертора в рабочем состоянии составит
Wр = U?I = 220?0,14× (32 + 35 + 35 + 35) = 4,312 кВт. (6)
При подборе инвертора, для учета возможно максимальной мощности, его мощность следует увеличивать в 2,5 раза. Это обеспечивает работу трех нагревательных секций в нормальном режиме и одной секции в процессе пуска, отсюда следует
Wи = U?Iн + U?Iп = 220?0,14?(35 + 35 + 35) + 220?0,703?35 = 8,647 ≈ 12 кВт. (7)
То есть создается потребная мощность в 2 раза меньшая, чем пусковая. Чтобы это обеспечить, нужно предусмотреть устройство плавного пуска.
Рассмотрим схему подключения нагревательных секций к инвертору тока (рис. 2):
В данной схеме (рис. 2) нагревательные секции в виде нагревательного кабеля определенной длины – 1 через реле подключены к инвертору тока мощностью 12 кВт. Инвертор подключен к 4 аккумуляторным батареям по 12 В, которые соединены параллельно-последовательно, и напряжение на входе инвертора составляет 48 В. Предусмотрено устройство защитного отключения, которое предотвращает короткое замыкание и замыкание на корпус экскаватора. Также на схеме имеется датчик тока, который соединен с блоком управления и отвечает за слежение за током в цепи переменного тока и сообщает блоку управления, когда можно подключить следующую нагревательную секцию в процессе пуска.
Рис. 2. Схема подключения нагревательных секций к инвертору тока: 1 – нагревательные секции; 2 – датчик тока
Блок реле (рис. 3) управляется включением нагревательных секций последовательно каждой в отдельности. Управление реле осуществляется транзисторами, которые работают в режиме ключей. Например, когда на базе транзистора VT1 появляется напряжение, он открывается и срабатывает реле – К1 и, соответственно, замыкается контакт К1.1 (рис. 2).
Когда напряжение отсутствует, реле размыкается. Диод D1 предназначен для того, чтобы предотвратить повторное замыкание реле в результате самоиндукции катушки К1. Резисторы R1-R2 предназначены для ограничения тока на базе и переходе база – эмиттер транзистора VT1. Их номиналы составляют 10 кОм. Реле должно коммутировать ток 220 В 30 А. Транзистор VT1 – BC547, диод D1 – КД-103А. Аналогичным образом работают другие реле К2-К4. Для плавного пуска нагревательных секций в блок управления на основе микроконтроллера запрограммирована управляющая программа. В процессе работы он считывает показания датчика тока (рис. 2). При включении каждой нагревательной секции происходит скачок тока, как только ток стабилизируется, а это происходит в течение 5 мин, включается следующая нагревательная секция. Таким образом поочередно включаются все нагревательные секции.
Рис. 3. Блок реле