POWER SUPPLY OF REMOTE AGRICULTURAL FACILITIES VIA DC LINE (CASE STUDY: BUCKET ELEVATOR IN KHUNTU NAOR, INNER MONGOLIA, CHINA)
Stashko Vasily Ivanovich, Zhang Weilin.
Abstract:
The article considers the problem of power supply to remote agricultural facilities in the absence of centralized grid infrastructure. Using the example of a bucket elevator with a power of 5.5 kW located in the Khuntu Naor area (Inner Mongolia, China), the feasibility of using a 600 V DC transmission line for transmitting electricity over a distance of up to 5 km is substantiated. A power supply scheme is proposed: transformer 10/0.44 kV → rectifier → 600 V DC line → inverter → asynchronous motor. The line parameters are calculated, a structural diagram of a low-frequency inverter based on the specialized EG8030 chip is developed. An original solution is proposed – the use of a multi-winding transformer for stepwise power regulation (33%, 66%, 100%) without using a frequency converter. The technical and economic comparison showed a reduction in capital costs by 40–50% compared to the traditional AC approach.
Keywords: direct current line, agriculture, bucket elevator, electric drive, inverter, DC line, multi-winding transformer, Inner Mongolia.
УДК 621.311.1:631.3
DOI 10.57112/E251-773
Авторы: Сташко В. И., Чжан Вэйлинь
Аннотация:
В статье рассматривается проблема электроснабжения удалённых сельскохозяйственных объектов в условиях отсутствия централизованной сетевой инфраструктуры. На примере бункерно-норийной установки (ковшового элеватора) мощностью 5,5 кВт, расположенной в районе Хунту Наор (Внутренняя Монголия, Китай), обоснована целесообразность использования линии постоянного тока напряжением 600 В для передачи электроэнергии на расстояние до 5 км. Предложена схема электроснабжения: трансформатор 10/0,44 кВ → выпрямитель → DC-линия 600 В → инвертор → асинхронный двигатель. Выполнен расчёт параметров линии, разработана структурная схема низкочастотного инвертора на базе специализированной микросхемы EG8030. Предложено оригинальное решение – использование многообмоточного трансформатора для ступенчатого регулирования мощности (33%, 66%, 100%) без применения частотного преобразователя. Технико-экономическое сравнение показало снижение капитальных затрат на 40–50% по сравнению с традиционным АС-подходом.
Ключевые слова: линия постоянного тока, сельское хозяйство, ковшовый элеватор, электропривод, инвертор, DC-линия, многообмоточный трансформатор, Внутренняя Монголия.
Введение
Сельское хозяйство Китая находится на этапе активной механизации и цифровой трансформации. Однако рост числа электроприводов (норий, оросительных систем, вентиляции, конвейеров) сталкивается с ограниченной пропускной способностью сельских распределительных сетей 0,4 кВ. Особенно остро эта проблема проявляется для удалённых объектов – зерновых складов, элеваторов, перегрузочных пунктов, расположенных на расстоянии 1–5 км от существующей ЛЭП [1, 2].
Строительство линии переменного тока 0,4 кВ на такое расстояние технически затруднено из-за падения напряжения, а подключение через трансформатор 10/0,4 кВ требует значительных капитальных затрат. В связи с этим актуальной задачей является поиск альтернативных решений для электроснабжения удалённых потребителей.
Цель работы – обоснование и разработка системы электроснабжения бункерно-норийной установки от линии постоянного тока для удалённых сельскохозяйственных объектов Внутренней Монголии.
1. Характеристика объекта и выбор технологии
В качестве базового объекта рассмотрена бункерно-норийная установка (ковшовый элеватор) производительностью 50 т/ч, высотой подъёма 22 м. Расчёт мощности показал: полезная мощность подъёма – 3,0 кВт, мощность на валу с учётом потерь – 3,85 кВт, расчётная мощность с коэффициентом запаса 1,25 – 4,81 кВт. Выбран асинхронный двигатель мощностью 5,5 кВт (3×380 В, IP55, класс изоляции F).
Район размещения – Хунту Наор (хребет Чжэнлань, округ Силингол, Внутренняя Монголия). Территория характеризуется отсутствием централизованного электроснабжения, резко континентальным климатом (от –30 °C зимой до +35 °C летом) и наличием около 15–20 фермерских хозяйств в радиусе 30 км.
Для выбора оптимальной схемы электроснабжения предложена классификация в зависимости от расстояния до существующей ЛЭП и суммарной мощности потребителей (таблица 1).
Таблица 1 – Классификация схем электроснабжения для удалённых сельских объектов
Для рассматриваемого диапазона (1–5 км, 5,5 кВт) традиционный АС-подход либо технически невозможен (ЛЭП 0,4 кВ), либо экономически неоправдан (ЛЭП 10 кВ + трансформатор). Применение DC-линии 600 В имеет преимущества: отсутствие реактивной мощности, отсутствие скин-эффекта, возможность передачи энергии на 5–10 км без промежуточных подстанций.
2. Расчёт линии постоянного тока
Исходные данные: мощность 5,5 кВт, расстояние 3 км, допустимое падение напряжения ≤ 5%, материал – алюминий.
Таблица 2 – Расчёт сечения провода для разных расстояний (алюминий, 600 В DC, 5,5 кВт)
Для расстояния 3 км принимается алюминиевый провод сечением 50 мм², что обеспечивает падение напряжения 4,3% при номинальной нагрузке и 5,8% при пусковых перегрузках, что находится в допустимых пределах.
3. Разработка системы электроснабжения
3.1. Принципиальная схема
На рисунке 1 представлена разработанная схема электроснабжения нории от линии постоянного тока.
Рисунок 1 – Схема электроснабжения нории от линии постоянного тока (±750 В DC, 3,95 км)
Схема включает следующие элементы:
- На питающей стороне: трансформатор 10/0,4 кВ (10 кВА) → трёхфазный выпрямитель (диодный мост) → биполярная DC-линия ±750 В.
- Линия: два алюминиевых провода (СИП-2, 16 мм²), длина 3,95 км, трос грозозащиты.
- На стороне потребителя: инвертор DC/AC (600–750 В → 3×380 В, 50 Гц) → асинхронный двигатель 2,2 кВт.
Биполярная схема (±750 В) обеспечивает повышенную надёжность: при аварии на одном полюсе второй продолжает функционировать.
3.2. Инвертор на базе EG8030
Для преобразования постоянного напряжения 600–750 В DC в трёхфазное переменное 380 В 50 Гц предложена структурная схема низкочастотного инвертора (DC → AC 50 Гц → трансформатор → нагрузка) на базе специализированной микросхемы EG8030.
Микросхема EG8030 представляет собой цифровой трёхфазный генератор чистого синуса (SPWM) со встроенным контролем dead-time и обладает рядом преимуществ:
- формирование высокоточного трёхфазного сигнала с малыми искажениями;
- встроенная защита по току, напряжению и температуре;
- гибкость настройки (частота ШИМ 2,5–20 кГц, dead-time 300 нс – 2 мкс);
- упрощение разработки.
Рисунок 2 – Структурная схема инвертора на базе EG8030
Система работает следующим образом: EG8030 генерирует 6 ШИМ-сигналов, которые поступают на драйверы (IR2110 или EG3012), управляющие IGBT-мостом. Сигналы обратной связи от датчика тока (ACS712) и делителей напряжения подаются на входы IFB и VFB, обеспечивая стабилизацию выходных параметров.
3.3. Многообмоточный трансформатор для ступенчатого регулирования мощности
Оригинальным решением является применение многообмоточного трансформатора на выходе инвертора для ступенчатого регулирования мощности электропривода без использования частотного преобразователя.
Принцип работы: задающий генератор (микроконтроллер) формирует ШИМ-сигнал, который через драйверы управляет IGBT-ключами. Ключи подключают соответствующие первичные обмотки трансформатора. В зависимости от требуемой мощности микроконтроллер активирует:
- только обмотку 1 – 33% мощности;
- обмотки 1 и 2 – 66% мощности;
- все три обмотки – 100% мощности.
Датчик тока ACS712 в цепи нагрузки обеспечивает обратную связь: при снижении нагрузки микроконтроллер отключает одну или две обмотки, снижая потери в стали трансформатора и повышая КПД системы.
Это решение позволяет адаптировать работу нории под различные виды зерна и интенсивность загрузки без использования сложного и дорогого частотного преобразователя.
4. Технико-экономическое сравнение
Выполнено сравнение капитальных затрат для двух вариантов (расстояние 3 км, мощность 5,5 кВт).
Таблица 3 – Сравнение АС и DC подходов
Капитальные затраты на DC-линию на 40–50% ниже, чем на традиционную АС-линию. Экономия достигается за счёт уменьшения количества проводников (2 вместо 3), отсутствия трансформатора на стороне потребителя, отсутствия необходимости компенсации реактивной мощности и возможности масштабирования системы для подключения дополнительных потребителей до 20 кВт.
Заключение
В работе выполнено проектирование электропривода бункерно-норийной установки с питанием от линии постоянного тока для удалённых сельскохозяйственных объектов Внутренней Монголии. Основные результаты:
1. Обоснован выбор DC-линии напряжением 600 В для электроснабжения маломощных сельскохозяйственных объектов на расстоянии 1–5 км.
2. Для расстояния 3 км и мощности 5,5 кВт принят алюминиевый провод сечением 50 мм², обеспечивающий падение напряжения 4,3% при номинальной нагрузке.
3. Разработана структурная схема низкочастотного инвертора на базе специализированной микросхемы EG8030.
4. Предложено оригинальное решение – использование многообмоточного трансформатора для ступенчатого регулирования мощности (33%, 66%, 100%) без применения частотного преобразователя, что повышает надёжность системы.
5. Технико-экономическое сравнение подтвердило преимущество DC-решения: капитальные затраты снижаются на 40–50% по сравнению с традиционным АС-подходом.
Список литературы
1. Синьхуа. В Китае началось строительство первого проекта гибридной высоковольтной электросети переменного и постоянного тока. – 2024. – URL: http://russian.news.cn/20240925/ (дата обращения: 07.06.2026).
2. ChemNet. Yangzhou–Zhenjiang ±200 kV DC Transmission Phase II Project Completed and Put into Operation. – 2026. – URL: https://news.chemnet.com/news-2184.html (дата обращения: 07.06.2026).
3. Вершинин А. С. Сравнение силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ с разными схемами соединения обмоток // Энергетика. – 2021. – № 2. – С. 259–263.
4. Сулеев М. А., Валиуллин К. Р. Преимущества применения трансформаторов со схемой соединения «звезда-зигзаг» // Энерго- и ресурсосбережение. – Екатеринбург: УрФУ, 2017. – С. 385–388.
5. Зеленькевич А. И., Збродыга В. М. Применение трансформатора с улучшенными характеристиками для сельских электрических сетей с несимметричной нагрузкой // Технические науки. – 2021. – С. 267–271.
6. Alvarez Ruiz J. O. Diseño e implementación de un acondicionador de energía basado en convertidores de potencia CD/CD multientrada para aplicaciones de energía renovable. – Universidad de Quintana Roo, México, 2017. – 112 p.
7. EG8030 [Электронный ресурс] :三相SPWM芯片数据手册V1.0 / 屹晶微电子. – Электрон. дан. – [Китай : б.и., 2026]. – URL: https://html.alldatasheet.com/html-pdf/1132080/EGMICRO/EG8030/3821/11/EG8030.html (дата обращения: 19.07.2026).
Информация об авторах
 |
Сташко В. И., к. т. н., доцент ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул. |
 |
Чжан Вэйлинь – студент группы Э-25, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул. |
Ссылка для цитирования
Сташко В. И. Электроснабжение удалённых сельскохозяйственных объектов от линии постоянного тока (на примере бункерно-норийной установки в районе Хунту Наор, Внутренняя Монголия, Китай) / В. И. Сташко, Чжан Вэйлинь // Энерджинет / ООО «МЦ ЭОР». – 2025. – № 1. – URL: http://nopak.ru/251-773 (дата обращения: 28.04.2026). – Текст : электронный.
