РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ЗАЩИТЫ ГЕРМЕТИЧНОГО КОМПРЕССОРА ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ

DEVELOPMENT OF HARDWARE AND SOFTWARE COMPLEX FOR PROTECTION OF HERMETIC COMPRESSOR FROM EMERGENCY MODES

Barkan Nikita Sergeevich

Student, Department of Electric Drive and Automation of Technological Processes, Far Eastern State Agrarian University,

Russia, Blagoveshchensk

Gorbunova Ludmila Nikolaevna

Scientific Supervisor, Cand. of Agricultural Sciences, Associate Professor, Department of Electric Power Engineering and Electrical Engineering, Far Eastern State Agrarian University,

Russia, Blagoveshchensk

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается разработка аппаратно-программного комплекса на базе микроконтроллера Arduino Nano для защиты герметичного компрессора холодильной установки от аварийных режимов. Комплекс обеспечивает диагностику заклинивания кривошипно-шатунного механизма по току, раннее обнаружение утечки хладагента по динамике температуры докипателя, а также автоматическую оттайку испарителя. Приведены принципы работы, структурная схема и результаты экспериментальной проверки.

ABSTRACT

The article discusses the development of a hardware-software complex based on the Arduino Nano microcontroller to protect a hermetic compressor of a refrigeration unit from emergency modes. The complex provides diagnostics of jamming of the crank mechanism by current, early detection of refrigerant leakage by the dynamics of the reboiler temperature, as well as automatic defrosting of the evaporator. The principles of operation, block diagram and results of experimental verification are presented.

Ключевые слова: герметичный компрессор, заклинивание, утечка хладагента, микроконтроллер, диагностика, оттайка, реверс.

Keywords: hermetic compressor, jamming, refrigerant leak, microcontroller, diagnostics, defrost, reverse.

Герметичные компрессоры являются основным элементом холодильных установок, используемых в агропромышленном комплексе, пищевой промышленности, логистике и торговле. От их бесперебойной работы зависит сохранность скоропортящейся продукции, медикаментов и других ценных грузов. Наиболее тяжёлыми и дорогостоящими аварийными ситуациями считаются механическое заклинивание кривошипно-шатунного механизма компрессора и утечка хладагента. В первом случае компрессор перегревается и выходит из строя из-за блокировки ротора. Во втором — при недостаточном количестве хладагента испаритель не намораживается, компрессор не получает возврат паров для охлаждения, что также приводит к перегреву и отказу.

Существующие системы защиты в подавляющем большинстве имеют реактивный принцип действия — они срабатывают уже после наступления аварийного режима. Хотя такие устройства предотвращают катастрофическое разрушение компрессора, само отключение происходит постфактум, и оборудование требует дорогостоящего ремонта или полной замены.

Разработанный аппаратно-программный комплекс собран на макетной плате. В его состав входят:

• микроконтроллер Arduino Nano (ATmega328P);
• 4 NTC-термисторов номиналом 100 кОм (β = 3920 K) для измерения температур (холодильной камеры, морозильной камеры, испарителя, докипателя);
• датчик тока ACS712 на 20 А;
• 6 твёрдотельных реле на 12 В;
• два модуля управления инверторными (трёхфазными) вентиляторами;
• блок питания 12 В, 1 А;
• стабилизатор КIA78L05 для питания микроконтроллера;
• клеммная колодка для подключения внешних нагрузок.

Реле распределены следующим образом: реле №1 управляет компрессором, реле №2 — ТЭНом оттайки, реле №3 и №4 — вентиляторами холодильной и морозильной камер, реле №5 и №6 обеспечивают раскачивание ротора для расклинивания компрессора. Все соединения выведены на клеммник, что обеспечивает удобство монтажа и эксплуатации.

Программный алгоритм реализован на языке C++ в среде Arduino IDE. Программа построена как конечный автомат с пятью состояниями: COOLING (штатное охлаждение), DEFROST (оттайка испарителя), WAIT_AFTER_DEFROST (ожидание стекания воды), COMPRESSOR_OFF_MIN (принудительное отключение компрессора), REVERSE_ATTEMPT (попытка расклинивания).

Диагностика заклинивания основана на измерении тока компрессора. При превышении порога 0,1 А (с учётом фильтрации 500 мс) система фиксирует заклинивание и переходит в режим REVERSE_ATTEMPT. Алгоритм расклинивания включает: отключение компрессора, ожидание 5 минут для перезарядки пускозащитного реле, включение двух реле реверса на 25 секунд, паузу 5 секунд, повторное включение компрессора. Если через 30 секунд ток снова превышает порог, фиксируется фатальная авария.

Диагностика утечки хладагента осуществляется по температуре докипателя (обратки). При включении компрессора запоминается начальная температура. Через 10 минут непрерывной работы проверяется: если температура не опустилась ниже 0°C, фиксируется утечка с аварийной остановкой компрессора. Это позволяет предотвратить перегрев и разрушение компрессора, который в противном случае мог бы выйти из строя за 20–40 минут работы без хладагента.

Поддержание температур в камерах осуществляется по гистерезисному принципу: целевая температура холодильной камеры +3°C (±1°C), морозильной камеры –18°C (±1°C). Компрессор включается, если хотя бы в одной камере температура превышает верхний порог, и выключается только при достижении нижних порогов в обеих камерах. После выключения компрессора предусмотрена минимальная пауза 8 минут для выравнивания давления в системе.

Оттайка испарителя запускается каждые 8 часов (только при выключенном компрессоре). Длительность оттайки — 30 минут или до достижения температуры испарителя +8°C. После оттайки предусмотрена пауза 10 минут для стекания воды.

Разработанный комплекс прошёл испытания на экспериментальном стенде с компрессором Jiaxipeta 1114Y. При имитации заклинивания система обнаружила аномальный рост тока и успешно восстановила работу компрессора реверсивным импульсом в 8 случаях из 10 (80% эффективности). Время обнаружения заклинивания составило 1,5 секунды, что в 2–3 раза быстрее штатного теплового реле. При имитации утечки хладагента (частичное стравливание R600a) система зафиксировала отсутствие снижения температуры докипателя ниже 0°C через 10 минут и остановила компрессор до его перегрева. Ложных срабатываний за время испытаний не зафиксировано. На рисунке 1 представлена электрическая схема разработанного аппаратно-программного комплекса.

Рисунок 1. Электрическая схема аппаратно-программного комплекса защиты компрессора

Разработанный комплекс прошёл испытания на экспериментальном стенде с компрессором Jiaxipeta 1114Y. При имитации заклинивания система обнаружила аномальный рост тока и успешно восстановила работу компрессора реверсивным импульсом в 8 случаях из 10 (80% эффективности). Время обнаружения заклинивания составило 1,5 секунды, что в 2–3 раза быстрее штатного теплового реле. При имитации утечки хладагента (частичное стравливание R600a) система зафиксировала отсутствие снижения температуры докипателя ниже 0°C через 10 минут и остановила компрессор до его перегрева. Ложных срабатываний за время испытаний не зафиксировано.

Разработанный аппаратно-программный комплекс для защиты герметичного компрессора от аварийных режимов показал высокую эффективность при испытаниях. Отличительными особенностями устройства являются: диагностика заклинивания по току с возможностью автоматического расклинивания реверсивным импульсом (80% успеха), раннее обнаружение утечки хладагента по динамике температуры докипателя (10 минут), автоматическая оттайка испарителя каждые 8 часов, низкая себестоимость (около 1–2 тыс. руб.) и возможность интеграции в существующие холодильные установки.

Список литературы:

1. Белов М.П. Современная холодильная техника. Системы, агрегаты, эксплуатация : учебник для вузов. — Санкт-Петербург : Профессия, 2020. — 720 с.
2. Системы управления и защиты холодильных компрессоров : обзор решений от ведущих производителей [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.carel.com (дата обращения: 09.06.2026).
3. Патент SU 896339 A1, МПК F25D 11/00, F25B 49/00, F25D 29/00. Способ срыва заклинивания мотор-компрессора холодильника / Песков П.П., Сидоров Г.П., Блувштейн Н.Д., Коган И.Я. — № 896339 ; заявл. 30.04.1980 ; опубл. 07.01.1982. — 3 с.
4. Смоленцев В.П., Мельников В.П., Схиртладзе А.Г. Управление системами и процессами : учебник для студентов вузов ; под ред. В.П. Мельникова. — Москва : Академия, 2010. — 336 с.