CC BY
4УДК 621.314:623.592:621.3.016.31
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПРИ РАБОТЕ НА ИМИТАТОР НАГРУЗКИ В ВИДЕ КАСКАДНОЙ СХЕМЫ РАСТИТЕЛЬНОГО ОБЪЕКТА
Гафиев А.Э., Ляпин В.Г.
ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева
Аннотация: Целью статьи является представление биологического объекта в виде каскадной электрической схемы и исследование ее характеристик в прикладной программе Electronics Workbench. Анализ процессов, протекающих в тканях сорняков при электроимпульсном воздействии, приводящем к повреждению внутренней структуры и последующей гибели растения, невозможно провести, располагая информацией лишь о эквивалентной электрической схемы замещения растительной ткани. Поэтому необходимо также иметь представление о количественных показателях электрических компонентов этой схемы и их изменении в процессе электроимпульсного повреждения. Существующие подходы к математическому описанию процессов электрического повреждения растительности, измерения параметров электродов электротехнологических установок и растительных объектов с известными геометрическими характеристиками позволяют определить проводимость, магнитную и диэлектрическую проницаемости всей электродной системы, нагрузки источника электропитания, эквивалентное сопротивление можно рассматривать как пассивный элемент электрической схемы.
Ключевые слова: силовая электроника, растительный объект, электрическое повреждение, электроды, электропреобразователь, напряжение, ток.
Введение. Анализ схем вторичных источников питания производится с погрешностью вследствие трудности учета обратного влияния нелинейной, возможно резонансной, нагрузки на электромагнитные процессы в источнике электропитания. Пассивные электрические свойства растительных объектов характеризуются полным сопротивлением (импедансом) Z или комплексной проводимостью (иммитансом) Y.
Применение этих показателей разрабатывается в качестве диагностического метода повреждения растительных объектов. При этом каждый элементарный участок ткани характеризуется величиной комплексного сопротивления полученной исходя из формы, линейных размеров и относительного положения в совокупности других проводников.
Каскадные схемы позволяют объяснить, что резкие и длительные воздействия электромагнитного поля приводят к распространению повреждения вглубь корневой системы растения, травмирует их органоиды и нарушает активность связанных с ними ферментных систем. Вследствие этого интенсивность клеточного дыхания снижается, активируются клеточные протеазы, что приводит к накоплению кислых продуктов протеолиза и снижению рН клеточной среды.
Обладая диэлектрическими свойствами и малой толщиной, клеточные (бислойные липидные) мембраны характеризуются высокой удельной емкостью. Большая емкость мембран, следовательно, и емкостные свойства РО обусловлены поляризационной способностью мембран, зависящей от ее относительной диэлектрической проницаемости. В области низких частот импеданс РО определяется в основном их резистивными свойствами
(проводящие ткани), средних - и резистивными и емкостными свойствами (паренхиматозные ткани), высоких - емкостным характером (мембраны, липиды). На высоких частотах выключаются механизмы поляризации с замедлением времени релаксации, поэтому с повышением частоты емкость РО должна уменьшаться, как и при повышении диэлектрической проницаемости. Замедленные механизмы поляризации в этой области частот могут приводить к значительным диэлектрическим потерям в тканях - нагреванию. Это является доказательством того, что живой РО, в т.ч. и клетку можно представить в виде контура ЯС, причем С (мембрана) определяется свободно радикальными реакциями и системой антиоксидантной защиты, а Я - ферментативным окислением [1.. .7,8].
Материалы и методы исследования. Вместо двухполюсника при численном моделировании в качестве РО можно ввести элементы ЯС каскадной (цепной, транспортной) схемы замещения растительной ткани (рис. 1). В аналитическом обзоре отмечено, что пассивные электрические свойства РО характеризуются полным сопротивлением ^ или комплексной проводимостью У. Применение этих показателей разрабатывается в качестве диагностического метода повреждения РО. Моделирование плотности распределения тока по сечению РО проводится путём разбиения биоткани на их совокупное множество, связанных между собой ёмкостными составляющими. При этом каждый элементарный участок ткани характеризуется величиной комплексного сопротивления, полученной исходя из формы, линейных размеров и относительного положения в совокупности других проводников [2.5,8].
Рисунок 1 - Каскадная схема замещения ткани РО в ЭМП: R 0.. .Яп и С о.. .Сп -активные и ёмкостные составляющие; i 0.. лп - токи участков при разбиении ткани на локальные зоны; i - ток, протекающий через ткань; О - направление ёмкостных токов в
локальных зонах.
Данная схема, представленная на рис.1 является не совсем корректной. При использовании этой схемы замещения расчёты будут приближенными и не точными. В ней не учитываются все составляющие растительного объекта, которые вытекают из его биологического строения.
Для более точных расчётов при численном исследовании растительного объекта следует использовать схему замещения, которая вытекает из ее клеточного строения. Эта модель представляет собой принципиальную электрическую схему, включающую в себя параллельное соединение резистора R2, соответствующего активному сопротивлению межклетника, и ветви, содержащей последовательное соединение активного сопротивления протоплазмы R3 со сложным соединением электрических компонентов мембраны -параллельно включенными емкостью С и активным сопротивлением R1. Такая схема
замещения представлена на рис.2. Одним из наиболее часто применяемых и считающихся достоверными способов определения параметров элементов схемы замещения (Д1, R2, R3, С) является метод анализа и расчета переходного процесса, протекающего в схеме замещения растительной ткани при подаче сигнала напряжения прямоугольной формы [2,3,5].
Рисунок 2 - Каскадная схема замещения ткани РО в ЭМП: R1 , Я2 , Я3- активное сопротивления протоплазмы, межклетника, мембраны и С1.Сп - ёмкостные составляющие
мембраны.
Результаты и их анализ. В учебно-исследовательской практике экспериментальные работы по исследованию параметров РО и почвы выполняются на учебных лабораторных установках и сопровождаются численными исследованиями путём математического моделирования с использованием различных программ, включая EWB.
При численном моделировании в пакете EWB:
-измерительная схема включает двухлучевой осциллограф, вольтметр, амперметр, двухполюсник (растительная ткань) (рис.3);
- исследование РО и почвы проводится по методике исследования электродной системы с РО и почвой при численном моделировании в пакете EWB [2,8].
Рисунок 3 - Расчётная схема замещения при численном моделировании в пакете EWB.
Так как полное сопротивление растительной ткани носит активно-емкостный характер, то форма сигнала измерительного тока на осциллограмме будет отражать собой процесс зарядки-разрядки емкости клеточной мембраны при подаче на растительный образец однополярных импульсов напряжения прямоугольной формы.
Для поврежденной растительной ткани стебля размером 1 см значения параметров схемы замещения принимаем: й 1 =89,3кОм; й2=16,9кОм; й3=1,7кОм; Ст=270 пФ. Стебель разделен на N количество участков, равное 5. Зависимость напряжения и тока от числа закороченных каскадов схемы замещения растительного объекта представлена в табл. 1 Таблица 1. Зависимость напряжения и тока от числа закороченных каскадов
Число закороченных каскадов 0 1 2 3 4 5
и,В 992,3 785,6 574,4 393,7 224,5 126,4
1,мА 246,0 357,3 387,6 403,2 411,2 409,5
При повреждении мембраны около электрода импульсом высокого напряжения емкость мембраны С и сопротивление мембраны R3 уменьшаются, вследствие чего высокий потенциал переходит на следующий участок растительной ткани. При изменении сопротивления мембран изменяется и полное сопротивление участка растительной ткани. Напряжение на участке постепенно уменьшается, а ток возрастает. В момент подачи напряжения на растительную ткань, повреждается та её часть, которая находится ближе к электродной системе. Мембраны разрушаются, уменьшая полный импеданс участка. Данный процесс можно смоделировать в программе Electronics Workbench, закорачивая ёмкость и сопротивление мембраны каждого каскада растительного объекта [2,8,9,10].
Исходя из соединения элементов каждого участка представляем Z в виде:
(1)
1 = -1 + ■
Ri(-JXc)
Я1-]ХС
где й 1-активное сопротивление протоплазмы, кОм; й 2-активное сопротивление межклетника, кОм; й 3-активное сопротивление мембраны, кОм; X с-реактивное сопротивление мембраны, кОм; Реактивное сопротивление мембраны определяем по формуле:
= =-1-- = 11763,1 кОм
с 2п/Ст 2*3,14*50*270,6*10-12
Где частота сети, Гц Ст- емкость, Ф Подставив наши значения в формулу (1) получаем:
Я (П + М-Щ 16 он 7 I 89-3(-Д17бз.1) «Л«2 + К1 -]Хс ) 16-9(1-7 + 89.3 -711763.1
(2)
Rs + R2 + 'jt-i
Ri(-jxc)
1-jXc
1.7 + 16.9 +
89.3(—'11763.1)
14.25 -у0.0166
(3)
мы предлагаем ввести
89.3 -;11763.1 Значение импеданса для участка размером в 1 см3 равно: 7 = ТЁ^Гх2 = Тм^2!^!^ = 14.25 кОм Для оценки степени повреждения растительной ткани, безразмерную величину Бро (степень повреждения растительного объекта). Эту величину можно определить как отношение полного импеданса растительной ткани после повреждения 1пк значению импеданса до повреждения воздействием ЭМП 2д. Данное выражение имеет вид [2,8]:
7
„ _ '-'пк
ро = Тд
Значение полного импеданса растительной ткани до и после повреждения 1пк
Zd = 14.25 кОм, ZnK = 3,14 кОм
Тогда
ZnK 3,14
S = — =-= 0 22
Zd 14,25 0,22
Если это значение равно 1, то никакого негативного воздействия ЭМП на растительность оказано не было. Если же значение S ро меньше 1, то растение находится в фазе разрушения. Чем меньше значение 5ро, тем сильнее воздействие ЭМП на БО [2,8].
Таким образом, можно сделать вывод о том, что используя компьютерную программу и численный метод расчета можно смоделировать воздействие электрического тока, на растительный объект и проследить характеристику изменения электрических величин.
Вывод: Сравнивая две каскадные схемы, изображенные на рис.1 и рис.2 можно сказать, что вторая является более полноценной и расширенной, несет больше информации в исследовательский процесс изучаемого. В ней учитываются все составляющие растительного объекта, которые вытекают из его биологического строения. В связи с этим, при исследованиях биологического объекта, как двухполюсника и использовании численных методов расчета, результаты будут максимально приближенными к реальным (экспериментальным) значениям, а также отклонения в полученных величинах будут незначительными по сравнению с первой схемой замещения.
Список использованных источников:
1. Гафиев, А.Э. Электронизация мобильных электротехнологических машин и установок электрического повреждения нежелательной растительности/А.Э. Гафиев, В.Г. Ляпин, М.М. Прокофьев, В.К. Куликов//Биотехнические, медицинские и экологические системы, измерительные устройства и робототехнические комплексы - Биомедсистемы-2020 [текст]: сб. тр. XXXIII Всерос. науч.-техн. конф. студ., мол. ученых и спец., 9-11 декабря 2020 г. / под общ. ред. В.И. Жулева. - Рязань: ИП Коняхин А.В. (Book Jet), 2020. - С. 51-55.
2. Ляпин, В.Г. Оборудование и энергосберегающая электротехнология борьбы с нежелательной растительностью/В.Г. Ляпин; Новосиб. гос. аграр. ун-т. - 2-е изд. перераб. и доп. - Новосибирск, 2012. - 366 с.
3. Ляпин, В.Г. Определение электрических параметров растительных и почвенных объектов как активно-емкостных двухполюсников/В.Г. Ляпин, М.В. Самохвалов//Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2020. Т. 67. N4(41). - С. 125136.
4. Ляпин, В.Г. Принципы проектирования электропреобразователей мобильных электротехнологических машин/В.Г. Ляпин, М.М. Мартынов//Доклады ТСХА: Сборник статей. Вып. 290. Ч. II. - М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2018. - С. 189-191.
5. Ляпин, В.Г. Принципы проектирования электродных систем и электропреобразователей мобильных электротехнологических машин/В.Г. Ляпин, М.М. Мартынов, Д.В. Морокин//Инновации в сельском хозяйстве, 2018, №2. - С. 84-90.
6. Ляпин, В.Г. Развитие средств моделирования источников электропитания для инфокоммуникаций и электротехнологий/В.Г. Ляпин, И.И. Зотов//Предупреждение. Спасение. Помощь. Сб. материалов XXVII Междунар. науч.-практ. конф., 16 марта 2017 г. Секция 18. Направления развития инфокоммуникационных технологий и систем оповещения РСЧС и ГО. - Химки: ФГБВОУ ВО АГЗ МЧС России, 2017. - С. 43-46.
7. Ляпин, В.Г. Современные проблемы электроэнергетики: методические указания / В.Г.
Ляпин. -М.: ООО «Реарт», 2018. -85 с.
8. Соболев, А.В. Основы теории электрических цепей (учебное пособие) / А.В. Соболев,
Е.Д. Григорьева, В.Г. Ляпин — Химки: ФГБОУ ВО АГЗ МЧС России, 2016 -176 с.
9. Топорков, В.Н. Электроимпульсная установка для борьбы с сорняками/В.Н. Топорков, В.А. Королев. - М.: ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 2017. - 132 с.
10. Юдаев, И.В. Электроимпульсный пропольщик: обоснование проектного конструкторского решения: монография/Ю.В. Юдаев. - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2012. - 224 с.
Гафиев Алмаз Эдуардович, магистр группы Д-М232 2 курса Института механики и энергетики имени В.П. Горячкина, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, almaz.gafiev2@mail.ru, 8-925-028-56-71, 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49. Ляпин Виктор Григорьевич, к.т.н., доцент кафедры электроснабжения и электротехники имени академика И.А. Будзко Института механики и энергетики имени В.П. Горячкина, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, lei130@ngs.ru , 127550, г.
Москва, ул. Тимирязевская, 49.
RESEARCH OF ELECTRIC CONVERTERS WHEN WORKING ON A LOAD SIMULATOR IN THE FORM OF A CASCADE SCHEME OF A PLANT OBJECT
Gafiev A.E., Lyapin V.G.
Abstract: The purpose of the article is to represent a biological object in the form of a cascade electrical circuit and to study its characteristics in the Electronics Workbench application program. It is impossible to analyze the processes occurring in the tissues of weeds under electrical impulse action, leading to damage to the internal structure and subsequent death of the plant, having information only about the equivalent electrical circuit of replacement of plant tissue. Therefore, it is also necessary to have an idea of the quantitative indicators of the electrical components of this circuit and their change in the process of electrical pulse damage. Existing approaches to the mathematical description of the processes of electrical damage to vegetation, measurements of the parameters of electrodes of electrotechnological installations and plant objects with known geometric characteristics allow us to determine the conductivity, magnetic and dielectric permittivity of the entire electrode system, the load of the power supply source, the equivalent resistance can be considered as a passive element of the electrical circuit.
Key words: power electronics, plant object, electrical damage, electrodes, electrical converter, voltage, current.
Gafiev Almaz Eduardovich, Master of the D-M232 group, 2nd year of the Institute of Mechanics and Energy named after V.P. Goryachkina, Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, almaz.gafiev2@mail.ru, 8-925-028-56-71,
127550, Moscow, st. Timiryazevskaya 49. Lyapin Viktor Grigorievich, Ph.D., Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering named after academician I.A. Budzko Institute of Mechanics and Power Engineering named after V.P. Goryachkina, Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, lei130@ngs.ru, 127550, st. Timiryazevskaya
49.
