Теоретические основы создания электроимпульсных культиваторов для борьбы с сорняками

Введение. Уничтожение сорняков -один из важнейших необходимых процессов в комплексе технологий производства продукции растениеводства. Одним из перспективных методов борьбы с сорняками является использование технологий, основанных на применении электрической энергии высокого напряжения. Существуют технологии и технические устройства уничтожения сорняков с воздействиями синусоидальным током высокого напряжения промышленной частоты [I, 2, 3]. В аспекте повышения эффективности и снижения затрат энергии принципиальными преимуществами, по сравнению с ними, обладает технология уничтожения сорняков импульсами высокого напряжения [8, 9], базирующаяся на ином (не тепловом) механизме воздействия на растительную ткань. Для практического внедрения этой технологии необходимо рассмотреть механизм разрушения растительной ткани импульсами высокого напряжения и, используя математическую модель процесса уничтожения сорняков и экспериментальные данные, разработать теоретические основы создания электроимпульсных культиваторов для борьбы с сорняками.

Общие положения. Теоретические основы создания энергоэффективных высокопроизводительных ЭИК для борьбы с сорняками базируются на:

• -    математической модели и механизме разрушения растительной ткани электрическими импульсами высокого напряжения;

• -    принципах расчета параметров электроимпульсного культиватора для борьбы с сорняками;

• -    теоретических основах разработки принципиальной схемы высоковольтного импульсного источника питания установки;

• -    обосновании параметров, компоновке и разработке рабочих органов электроимпульсных культиваторов.

Математическая .модель и механизм разрушения растительных тканей сорняков импульсами высокого напряжения. Исследования показали, что механизм воздействия импульсов высокого напряжения (ИВН) на растительную ткань зависит от параметров импульсов, фазы развития сорняков, состояния их поверхности, влажности почвы и т.д. Для взрослых растений основным действующим фактором является энергия импульса, а всходов -давление на фронте ударной волны, развивающейся по поверхности растения, и вызывающей деформацию растительных клеток, разрыв их оболочек или вырывание всходов растений из почвы (или отрыв стебля от корня у корневой шейки) [4].

Однако при перекрытии растения каналом разряда, ввиду больших непроизводительных затрат энергии, процесс уничтожения всходов сорняков ИВН не эффективен, поэтому для снижения энергоемкости процесса необходимо обрабатывать всходы сорных растений на напряжениях, исключающих перекрытие по поверхности растения. В этом случае действуют другие механизмы разрушения клеток растительной ткани.

Практический интерес представляет реакция клетки растений на воздействие ИВН. Растительная ткань в основном состоит из клеток и пространства между клетками, заполненного межклеточником. Каждая клетка окружена клеточной оболочкой, состоящей из плазматической мембраны и накладывающейся на нее снаружи толстой целлюлозной оболочки, состоящей из клетчатки. Для того чтобы клетка погибла, необходимо разрушить мембрану.

Мембрана растительной клетки по своей структуре представляет собой плоский конденсатор, обкладки которого образованы поверхностными белками, а роль диэлектрика выполняет липидный слой, с диэлектрической проницаемостью е = 2.0.. .2,2.

После подачи на мембраны разности потенциалов они, особенно в первый момент, подобны диэлектрикам, поэтому ждения на основе кинетической теории прочности твердых диэлектриков [5].

Толщина мембран клеток растительной ткани порядка 10 нм. Диэлектрическая проницаемость веществ мембраны равна 2, удельное сопротивление цитоплазмы р_ц = 10⁴ Ом-м.

Общая толщина мембран, которую необходимо пробить, определяется так:

можно рассматривать механизм их повре-

8 =

•25

где Нр- расстояние от места приложения fK- средний размер растительной напряжения к растению до земли см;

Л< - условная длина корня (-15 см, т.к.

на большей глубине от поверхности земли (при влажности почвы 12-18%, корень повреждается незначительно);

клетки;

• 5_О-    средняя толщина мембраны клетки 10-10"⁹ м.

При пробое 80-90% мембран от их общего количества, растение погибает.

Использование кинетической теории пробоя твердых диэлектриков [4], позволяет определить время жизни растения.

= То-ехр

КТ

где / - время жизни сорняков под воздействием ИВН;

^ - период тепловых колебаний молекул (10"12... 10"14 с);

U_o - энергия активации разрушения связей между молекулами в мембране;

^ - структурно-чувствительный коэффициент;

s - относительная диэлектрическая проницаемость мембраны;

s_G - диэлектрическая постоянная;

Е - напряженность поля в мембране;

К- постоянная Больцмана;

• 7 -температура растения °Кельвина.

  
  
  
  
  

где U - приложенное к растению напряжение.

Формулы (1-3) являются математической моделью уничтожения сорняков электрическими ИВН.

Для расчета / необходимы экспериментальные данные по величинам UO1 / ,Нр, Т^ / для различных видов сорных растений и времени их вегетации.

Для упрощения расчетов можно использовать экспериментальные параметры IJ₍, и обобщенный параметр £ равный:

_     0,5г/ • /_А² • s в

F ” 5 = —————7,

(нР+та2-52

Время жизни сорняка составит:

То ехр

и.

-4 -U2-кт

Параметры (/_о и £ можно определить из экспериментальных данных. Построим зависимость времени жизни сорняка от напряжения по экспериментальным данным в координатах Ін /'и 1.Р (рисунок 1).

Полученные экспериментальные зависимости на графике линейны, и соответствуют формуле (2). Это подтверждает адекватность теоретической модели процесса уничтожения сорняков экспериментальным данным.

Полученная математическая модель процесса уничтожения сорных растений, с учетом экспериментальных данных Но и £ позволяет получить основные электротех-нологические параметры установки для борьбы с сорняками.

Принцип расчета параметров ЭИК для борьбы с сорняками. Время жизни сорного растения определяем из формулы (4). Экстраполируя линейные зависимости (рисунок I) в сторону меньших напряжений, получим условное время жизни сорняков to при напряжении U 0.

Логарифмируя левую и правую части формулы (4), при U = 0, получим выражение для расчета энергии активации:

Uo = KT.l(^.

Параметр С, можно найти по формуле, используя экспериментальное значение времени жизни I, при напряжении Uf.

Г / )1 1

с==ио-кт.1„^ —г.

Рисунок 1 - Зависимость времени жизни сорняка от напряжения в координатах In (/ и f/2)

Уровень рабочего напряжения составляет:

U - Е_р-К где Е_р - рабочая напряженность поля в растении (0,5-2,0 кВ/см), Һ - высота рабочего электрода от земли (0,1 м).

Сопротивление сорняка до обработки (/) и (/С) после обработки составит:

К_И = г о • Һ, где Го - погонное сопротивление сорняка (из опытных данных г о = 30-100 кОм/м).

Из опытных данных сопротивление сорняка до обработки в 8-9 раз больше, чем обработанного импульсами высокого напряжения.

Длительность прохождения тока между растением и высоковольтным электродом t_K равна:

где Н_р высота растения м;

И- скорость передвижения ЭИК, м/с.

Для полного уничтожения растения необходимо, чтобы за время его контакта с высоковольтным электродом, оно получило летальную дозу энергии:

где W_Jtem. - летальная доза энергии для сорного растения;

^«лт. - энергия импульса;

/- частота следования импульсов.

Разработка принципиальной схемы высоковольтного импульсного источника питания установки. Высоковольтные импульсные источники энергии, применяемые в различных технологических процессах основаны на использовании емкостных или индуктивных накопителей. В емкостных накопителях энергии (конденсаторах), процесс накопления происходит при зарядке конденсаторов от выпрямителя высокого напряжения, а разряд на рабочий промежуток происходит через коммутирующие устройства - разрядники.

Недостатком этих схем является низкая частота следования импульсов, а также непосредственная связь накопительного конденсатора с источником питания, что существенно ограничивает возможность повышения производительности за счет увеличения частоты разрядов. Начиная с определенных соотношений ёмкости накопительного конденсатора и зарядного тока, резко возрастает вероятность перехода искрового разряда в дуговой из-за подпитки рабочего промежутка в момент восстановления его электрической прочности. Поэтому в установках для уничтожения сор ной растительности применять данную схему нецелесообразно. Кроме того, схемы с емкостными накопителями энергии, в состав которых входят дорогостоящие, с малым сроком службы высоковольтные конденсаторы невыгодны с экономической точки зрения. Поэтому нами были рассмотрены варианты схем накопителей энергии, в состав которых не входят высоковольтные конденсаторы.

При выборе схемы накопителя энергии за основу были приняты следующие требования:

• а)    схема накопителя энергии при заданном источнике должна обеспечивать необходимую величину запасенной энергии;

• б)    коэффициент полезного действия накопителя, определяемый как отношение выделившейся в нагрузке энергии к накопленной, должен быть не менее 90%;

• в)    схема накопителя энергии должна быть достаточно простой и допускать использование стандартных элементов энергетического оборудования.

Приведенные требования к накопителю энергии, по нашему мнению, наилучшим образом могут быть реализованы в схеме емкостного накопителя энергии. Благодаря своей простоте и надежности в эксплуатации этот вид накопителя получил в настоящее время наибольшее распространение. Поэтому для ЭИК целесообразно использовать схему генератора импульсов с емкостным накопителем энергии. Анализ известных технических решений показал, что для получения импульсного напряжения, отвечающего вышеуказанным требованиям (а, б, в) и требованиям ТЗ, наиболее подходящим является преобразователь напряжения, выходной каскад которого выполнен по схеме полумостового последовательного инвертора, упрощенная схема которого приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Электрическая схема инвертора напряжения

Эта схема позволяет автоматически регулировать потребляемую преобразователем мощность и получать двухполярное импульсное напряжение двойной амплитуды напряжения синхронного генератора, что очень важно для получения минимального искажения формы напряжения на вторичной обмотке при высоких скоростях намагничивания сердечника магнитопровода, снижения индуктивного сопротивления рассеяния обмоток и получения высокого КПД.

Структурная схема источника питания и рабочих органов электроимпульсного культиватора представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Структурная схема источника питания и рабочих органов электроимпульсного культиватора

Управляемый преобразователь напряжения предназначен для создания импульсного напряжения требуемой частоты и амплитуды для высоковольтных трансформаторов (ИТ-1 ...ИТ-6), подключенных на выход преобразователя.

Прибор управления формирует алгоритмы коммутации силовых ключей инвертора напряжения. Бортовая сеть служит для обеспечения питающими напряжениями узлов и блоков прибора управления и силового блока.

Параметры, компоновка и рабочие органы ЭНК. Для повышения эффективности уничтожения сорняков, снижения энергоемкости процесса и увеличения производительности, применена модульная конструкция источника питания и рабочих органов ЭИК, что позволяет снижать эффект «шунтирования» при электрической прополке, который связан с большим разбросом величин сопротивления сорняков (от десятков кОм до нескольких мОм) и тем самым повышать эффективность электропрополки.

Уничтожение сорняков проводят в два этапа [6]. На первом этапе, сорные растения обрабатывают электрическими импульсами амплитудой 30-35 кВ и энергией 0,05-0,1 Дж, что приводит к образованию внутри растений каналов проводимости и выходу клеточного вещества в межклеточник. В результате этого сопротивление стеблей и корней различных сорных расте ний, контактирующих с высоковольтным электродом, уменьшаются и становятся равными проводимости протоплазмы разрушенных клеток сорных растений. На втором этапе на сорные растения воздействуют электрическими импульсами амплитудой - 10-15 кВ и энергией - 5-20 Дж. После обработки на первом этапе сорные растения имеют практически одинаковую проводимость, что значительно снижает эффект «шунтирования» растений с низкой электрической проводимостью при обработке на втором этапе. При этом повышается эффективность уничтожения сорняков.

Эффективность уничтожения корневой системы сорняков возрастает при уменьшении влажности почвы [7].

Разработанный ЭИК конструктивно (рисунок 4) выполнен с размещением основных узлов на передней и задней подвесках трактора МТЗ-82 (или МТЗ-80) и состоит из:

• -    трехфазного синхронного генератора переменного тока на выходное напряжение 23 0/400 В, 400 Гц, мощностью 20 кВА /16 кВт;

• -    высоковольтного импульсного источника питания;

• -    системы управления, контроля и защиты;

• -    навесных фронтальных рабочих органов; подвески генератора.

  

  Рисунок 4 - ЭИК (узлы передней и задней подвески трактора)

  
  
  

  Рисунок 5 -ЭИК (общий вид рабочих органов и высоковольтного источника питания)

  
  

Высоковольтный импульсный источник питания состоит из шести модулей, каждый из которых предназначен для работы по одному из шести пропалываемых рядков или междурядий.

Источник питания обеспечивает на выходе следующие показатели:

• -    напряжение на выходе 10-30 кВ;

• -    частоту следования разрядов - 800-1200 Гц;

• -    фронт импульса - 0,5ч-5 мкс;

• - длительность импульса 50-100 мкс;

• -    энергия в импульсе - 0,4ч-10 Дж.

Аппаратура управления, защиты и сигнализации, расположенная в кабине трактора, обеспечивает оператору возможность осуществлять управление технологическим процессом электропрополки и контролировать работу системы защиты и сигнализации.

Выводы. Установлено, что при воздействии импульсов высокого напряжения на растительную ткань разрушающее действие оказывают кинетический пробой мембран клеток и их разрыв за счет локального давления электрических сил и увеличения размеров пор в мембранах до критических и дальнейшее разрушение растительных тканей происходит под воздействием токов проводимости. С увеличением напряжения наблюдается уменьшение времени жизни сорняков, в первом приближении пропорционально квадрату приложенного напряжения. Полученная математическая модель процесса уничто жения сорных растений, учетом экспериментальных данных Uу и ( (4), позволяет получить основные электротехнологиче-ские параметры установки для борьбы с сорняками. Установлено, что наиболее предпочтительным для ЭИК является источник питания с преобразователем напряжения, выходной каскад которого выполнен по схеме полумостового последовательного инвертора, что позволяет исключить использование дорогостоящих с малым сроком службы высоковольтных конденсаторов и обеспечить необходимые параметры импульсов для эффективного уничтожения сорных растений. Обоснованные параметры, режимы работы и конструкции рабочих органов (ЭИК) позволяют повысить эффективность и снизить энергоемкость уничтожения сорняков.