CC BY
6УДК 621.317.329: 621.359.7
:№ 2(22), 2016
Хайновский В. И., Стародубцева Г. П., Рубцова Е. И., Копылова О. С., Никитин П. В., Любая C. И.
Khainovsky V. I., Starodubtseva G. P., Rubtsova E. I., Kopylova O. S., Nikitin P. V., Lubaya S. I.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ АКТИВАТОРА ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
SIMULATION OF ELECTRIC AND TIME PARAMETERS OF PULSED ELECTRIC FIELD ACTIVATOR
В статье рассматриваются результаты теоретического моделирования временных параметров импульсов электрического поля, формируемых генератором импульсных напряжений для активатора установки «УПОС-1», предназначенной для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур. Получено неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка, описывающее электрическую схему активатора и учитывающее входящие в нее электрические конструктивные элементы (электрическую емкость активатора, индуктивность электрического кабеля и индуктивность выходного каскада генератора импульсов напряжения). На основе указанного уравнения выполнено численное моделирование процессов зарядки и разрядки электрической емкости активатора. Показано, что длительности времен зарядки и разрядки определяются в первую очередь полной индуктивностью электрической схемы активатора. Для индуктивности выходного каскада импульсного генератора равной 250-300 мкГн указанные времена составляют 5-7 мкс, что согласуется с экспериментальными данными. Выполнено сравнение энергетических параметров применяемых установок импульсного электрического поля. Показано, что установка «УПОС-1» является предпочтительной как по потребляемой мощности, так и по габаритам, массе, обладая необходимой производительностью в рациональном режиме предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур. Полученные результаты полезны для практического применения в установке «УПОС-1».
Ключевые слова: импульсное электрическое поле,частота и амплитуда импульсов напряжения, электрическая емкость, электрическая индуктивность, времена зарядки и разрядки.
In the article the results of theoretical modeling temporal parameters of pulse electric field generated by the voltage impulse generator to activator install «UPOS-1», intended for presowing treatment of seeds of agricultural crops. The obtained inhomo-geneous differential equation of second order describing the electric circuit of the activator, and taking into account its electrical structural elements (capacitance activator, the inductance of the electric cable and the inductance of the output stage of the generator of voltage pulses). On the basis of the specified equations numerical simulation of the processes of charging and discharging electric capacity of the activator. It is shown that the duration of times of charging and discharging was defined primarily by the full inductance of the electrical circuit of the activator. For the inductance of the output stage of the pulse generator is 250-300 MH these times are 5-7 MS, which is consistent with the experimental data. The comparison of energy parameters of the applied pulsed electric field installations. It is shown that setting the «UPOS-1» is preferable as the power consumption and the size, weight, possessing the necessary performance in a rational mode of treatment of seeds of agricultural crops. The results obtained are useful for practical application in «UPOS-1».
Key words: pulsed electric field,the frequency and the amplitude of the pulse voltage, electrical capacity, electrical inductance, the times of charging and discharging.
Хайновский Владимир Иванович -
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Tел.: 8-906-489-41-08
E-mail: vl.khain@ yandex.ru
Стародубцева Галина Петровна -
доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры физики
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8-905-497-82-76
E-mail: ssau@mail.ru
Рубцова Елена Ивановна -
кандидат технических наук, доцент кафедры физики
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8-988-702-73-30
E-mail: ssau@mail.ru
Копылова Оксана Сергеевна -
кандидат физико-математических наук,
Khainovsky Vladimir Ivanovich -
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of Physics, Stavropol State Agrarian University Stavropol
Тel.: 8-906- 489-41-08 E-mail: vl.khain@yandex.ru
Starodubtseva Galina Petrovna -
Doctor of Agricultural Sciences, Department of Physics Stavropol State Agrarian University Stavropol
Тel.: 8-905-497-82-76 E-mail: ssau@mail.ru
Rubtsova Elena Ivanovna -
Candidate of technical Sciences, assistant Professor ofphysics
Stavropol State Agrarian University
Stavropol
Тel.: 8-988-702-73-30 E-mail: ssau@mail.ru
Kopylova Oksana Sergeevna -
Candidate of physico-mathematical Sciences, associate
40
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
доцент кафедры физики
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8-918-867-45-64
E-mail: ssau@mail.ru
Никитин Петр Владимирович -
кандидат технических наук, доцент кафедры физики
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8-928-324-65-58
E-mail:ssau@mail.ru
Любая Светлана Ивановна -
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры физики
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8-919-740-67-33
E-mail: ssau@mail.ru
Professor of physics
Stavropol State Agrarian University
Stavropol
Тel.: 8-918-867-45-64 E-mail: ssau@mail.ru
Nikitin Peter Vladimirovich -
Candidate of technical Sciences, associate Professor of physics
Stavropol State Agrarian University
Stavropol
tel. 8-928-324-65-58 E-mail: ssau@mail.ru
Lubaya Svetlana Ivanovna -
The candidate of agricultural Sciences, associate Professor of physics Stavropol state agrarian University Stavropol
Тel.: 8-919-740-67-33 E-mail: ssau@mail.ru
На кафедре физики Ставропольского государственного аграрного университета в течение последних 15 лет проводятся исследования по предпосевной обработке различных семян сельскохозяйственных культур импульсным электрическим полем [1-11]. Для этого применялся ряд установок: установка, изготовленная в ЗАО «НПО ФИД - Техника» (г. Санкт - Петербург), Спектр-1 и УПОС-1. В предлагаемой работе представлены результаты исследований электрических параметров установ-
ки УПОС-1, которая была разработана и изготовлена сотрудниками кафедры физики СтГАУ совместно с конструкторским отделом ООО «Электроавтоматика». Ее основные паспортные электрические параметры: амплитуда импульсного напряжения - 2001600 В, длительность (импульсов напряжения) - от 5 до 50 мкс, частота повторения импульсов от 20 до 300 Гц. Экспериментальный стенд для ее исследования представлен на рис. 1.
Рисунок 1 - Исследовательский макет установки УПОС-1.
Целью предлагаемой работы является моделирование процессов зарядки и разрядки электрической емкости активатора установки УПОС-1 под действием импульсов напряжения и последующее сравнение расчетных времен зарядки и разрядки с экспериментальными значениями.
Конструктивно активатор представляет собой плоский конденсатор. Для того, чтобы получить наиболее равномерное влияние электрического поля (внешнего напряжения) внутри активатора необходимо исключить влияние
слоя воздуха, расположенного над слоем семян (т. е. конструктивно сделать его пренебрежимо малым по толщине). Соответствующая этому приближению электрическая схема замещения «импульсный источник активатор» представлена на рисунке 2. Проанализируем работу этой схемыс учетом выходного омического сопротивления импульсного источник - Яыст, а также индуктивности соединительного кабеля - Ь, которая может существенновлиять на значение выходного тока источника ¡ист при зарядке и разрядке электрической емкости активатора.
в
естник АПК
Ставрополья
:№ 2(22), 2016
R
di
■ R„ + L ист
ист ист
dt
+ U = U„
г = Ц^г = С ■ Ц-
а я 'с С йХ
из которой получаем линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка для изменения напряжения на электрической емкости активатора - С:
йЦ + 2Р Ц + ю02 ( % + 1] ■ Ц = , (3)
dt2
dt
L
LC
( =
4lC
Подставляя Яист=100 Ом, Ь=3 мкГн, Я=120 МОм, С=148 пФ, получим Р = 1,67 -107,
= 4,75 ■ 107 Гц,ю =y¡ю02 - Р2 = 4,44 ■ 107Гц.
Р
Для указанных параметров
я„
R
УУ -
1
2 L
Ь ЯС следовательно процессом разряда
Рисунок 2 - «Импульсный источник - активатор со слоем семян» - схема замещения системы: Ь - индуктивность источника и соединительного кабеля, Яист - выходное сопротивление источника, С - электрическая емкость активатора, Я - сопротивление утечки семян, заполняющих активатор.
Оценимвеличину индуктивности электрического кабеля, используя известную формулу индуктивности для двухпроводной линии:
Ь = ц0 1 + • I, (1)
где а - диаметр проводов, мм' й - расстояние между их центрами, мм; I - длина проводов, м. Полагая, что й = 3 мм, а = 1 мм, I = 1м из (1), получаем величину индуктивности для соединительного кабеля от генератора к активатору Ь = 2,63мкГн& ЪмкГн
Для расчета токов и напряжений запишем систему уравненийдля электрической схемы рисунка 2[10].
i = i + i
ист a с
электрической емкости активатора через шунтирующее ее сопротивление утечки можно пренебречь при оценке времен зарядки и разрядки емкости активатора (т фр и тсреза). Длительность этих времен определяется величиной индуктивности в рассматриваемой электрической схеме. На основе указанных параметров электрической схемы получаем оценку - тфр = 2,2/ Р = 132 нс.
Уравнение (3) физическому смыслу описывает процесс затухающих колебаний в колебательном контуре. Его решение имеет вид: Я ■ Ц„
U„ =
[
- e
-Р ■t
cosot
(4)
К*+я
Подставляя численные величины, получим: ис = 1000 ■ [1 - е~1,6™7х ■ 008(4,44 ■ 107 X)]. (5) График последней зависимости изображен на рисунке 3.
ис, I)
шо
seo
■■
(2)
где обозначили через В =1 ( + ко-
2^ Ь ЯС] эффициент затухания колебаний, а 1
это частота собствен-
* t, ВС
Рисунок 3 - Временная зависимость напряжения зарядки электрической емкости активатора при наличии индуктивности. Параметры: L=3мкГн, С=148 пФ,Яист=100 Ом, Я=120 МОм, Т фр = 150 нс.
Из рисунка 3 следует, что время зарядки емкости активатора составляет 150 нс. Соответствующее изменение тока источника в процессе зарядки электрической емкости активатора можно записать выражением:
=
v R- + R,
■{[(RCP -1) cos(t + RCo
ных колебаний, которую измеряют в Гц. ■ sinot]■ e pt +
(6)
a
42
Ежеквартальный научно-практический журнал ^^^^^^^
в
Подставив численные значения величин, получаем:
i = 0
ucm
.00833^298,4 • cos(4,44 • 1071)+
t)J e -^67-10'' +1}
220 240 260
f
U =
• Л
\
i_= -
v Лист + Л ,
• e
-Pt
cos tot
(9)
v Лист + Л ,
■ [(RCp - 1)cos ю/ + ^Сш sinю/]• e
(10).
Согласно (10), направление тока разрядки-
противоположно направлению тока зарядки.
+ 788,5• sin(4,44• 107*и е (7)
По соотношениям (5) и (7) просчитаны и построены графики рисунков 3 и 4. Из анализа этих графиков видно, что учет индуктивности подводящего напряжение кабеля может привести к существенному увеличению времени зарядки электрической емкости активатора до величины 150-180 нс. Для сравнения отметим, что по расчетам оценка времени зарядки емкости активатора при отсутствии индуктивности составляет величину - 40 нс.
С учетом численных значений соотношения (9) и (10) приобретают вид:
ис = 1000 • е-1'67107' • ^(4,44 • 1071), (11) /ист = -0,00833«[298,4 • со8(4,44 • 107 г)+ + 788,5 - 40 7 ¿)] е"1 (12)
На рисунке 5 изображен график зависимости (11), из которого следует, что длительность постоянной времени разрядки электрической емкости активатора равна т^а = 164 нс и приблизительно соответствует постоянной времени зарядки его емкости - т^ = 150 нс.
ис. В
LOCiO
т
т
4ÍIII
Ж
t, нс
■20Ü
1
1 Г !
11 1 1 1 1 1 1 1 1 !
1 1 1 j 1 1
1 1 1 1 1
i 1 1 1 i __
2D 40 Э I.OO 120 IjJ^Í íjTifl 200 220 2* Ü 26Й № 300 319
t. fIC
Рисунок 4 - График изменения тока источника во время зарядки емкости активатора при величине индуктивности в схеме замещения L=3 мкГн.
Рассмотрим процессы разряда электрической емкости конденсатора активатора при выключении импульса напряжения. Эти процессы похожи на процессы зарядки емкости активатора и описываются такими же дифференциальными уравнениями, но с другими начальными условиями для импульсного напряжения источника, а именно: ^ = Umax, при t < 0,
= 0, при t ^ 0. (8)
Рассмотрим идеальный случай, когда длительность фронта импульса напряжения источника равна нулю.Из уравнений (2) и (3) с учетом условия (8) получаем соотношения для напряжения на электрической емкости активатора и тока через нее во время процесса разрядки :
Рисунок 5 - Временная зависимость напряжения на емкости активатора при выключении импульса напряжения. Параметры: иист=0, Ь=3мкГн, длительность среза импульса - т^а = 164 нс.
Необходимо отметить, что технические компоненты выходной цепи генератора импульсов напряжения могут содержать дополнительные индуктивности, превосходящие значительно индуктивность соединительного кабеля (ЗмкГн длиной 1 м). По мнениюразработчиковиндук-тивность выходного каскада генератора импульсов напряжений составляет величину 250-350 мкГн. Поэтому для времен фронта и среза импульсов напряжений получаем оценку: т = 2,2/ р = 2,2(Дист / Ь) « 5,5 * 7,7 мкс. Эти величины совпадают с результатами экспериментальных исследований [11].
Рассмотренные электрические динамические процессы в активаторе позволяют оценить его энергетические характеристики: пиковую и среднюю потребляемую мощности. Энергию электрического поля, приобретаемую электрической емкостью активатора в течение времени ее зарядки т ^ 150 нс, можно оценить по форси 2 6 п
муле: Ж =-— = 74 10 6 Дж, здесь учли, что
2
С=148 пФ и итах=\000 В. Пиковую мощность активатора определили соотношениями:
:№ 2(22), 2016
f -х
активатора
Р = ^ = 0,056 Вт.
оценим по выражению:
ср
g
Установка Амплитуда напряжения, В Емкость активатора, пФ х имп, мкс ХфрФ, нс f Гц
УПОС - 1* 200 148 35^40 6600 600
СПЕКТР - 1 1500 44 5^50 6000 300
НПО «ФИД-Техника» 15000 20 0,005 2,2 300
СтГАУ** 25000 470 20 8700 300
а) в режиме максимального напряжения импульсов: ^=1000 в, ./=1000 Гц, ттп = 50 мкс, Тф = 6,6 мкс. Получаем величи-
* Ж
ну Рщк =-= 11,2 Вт; так как скваж-
хфр
ность импульсов напряжения равна g = —-= 200, то среднюю мощность
Рациональные режимы обработки семян сельскохозяйственных культур импульсным электрическим полем определяли на разных установках экспериментально и они соответствовали наибольшему возрастанию посевных качеств семян (энергии прорастания и всхожести).
Таблица 2 - Потребляемые мощности активаторов, рассчитанные по параметрам таблицы 1
б) в режим рациональных параметров обработки семян сельскохозяйственных культур: ита=200 В,/=600 Гц, Тт = 35 мкс, ТфР = 6,6 мкс. Поэтому получаем величины: = 0,46 Вт, Рср = 0,0083 Вт.
Таблица 1 - Основные электрические параметры активаторов в рациональных режимах работы для нескольких известных установок по предпосевной обработке семян сельскохозяйственных культур импульсным электрическим полем
Установка Рпш, Вт Рср, Вт
УПОС - 1* 0,46 0,0083
СПЕКТР - 1 200 0,3
НПО «ФИД-Техника» 1106 1,5
СтГАУ** 17-103 100
Из данных таблиц 1 и 2 следует, что за счет уменьшения амплитуды импульсного напряжения до 200 В в рациональном режиме обработки семян электрическим полем установка «УПОС-1» имеет энергетические преимущества в сравнении с аналогами. Поскольку для ее работы не требуется высоковольтный источник электроэнергии, что наряду с небольшими габаритами и массой делает ее предпочтительной для применения в полевых условиях. При этом достигается достаточно высокая производительность ^=1000 кг/с) и однородность предпосевной обработки семян импульсным электрическим полем.
* параметры для рационального режима обработки семян лука.
** конструкции, предложенные сотрудниками СтГАУ в 2010 г
Литература
1. Хайновский В. И., Стародубцева Г. П., Рубцова Е. И. Предпосевная стимуляция семян сои импульсным электрическим полем // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 10. С. 17-18.
2. Хайновский В. И., Копылова О. С. Определение диэлектрической проницаемости семян по емкости плоского измерительного конденсатора // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2009. № 3. С. 13-14.
3. Хайновский В. И., Козырев А. Е. Определение диэлектрической проницаемости семян сельскохозяйственных культур // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2011. № 11. С. 30-31.
4. Хайновский В. И., Козырев А. Е. Оценка степени заполнения семенами сельскохозяйственных культур объема измери-
References
1. Khainovsky V. I., Starodubtseva G. P., Rubtsova E. I. Pre-sowing stimulation of seeds of soybean pulsed electric field // Mechanization and electrification of agriculture. 2007. No. 10. P. 17-18.
2. Khainovsky V. I., Kopylova O. S. Determination of dielectric permeability of seeds on the flat capacity of the measuring capacitor// Mechanization and electrification of agriculture. 2009. № 3. P. 13-14.
3. Khainovsky V. I., Kozyrev A. E. Determination of dielectric permeability of seeds of agricultural crops // Mechanization and electrification of agriculture. 2011. No. 11. P. 30-31.
4. Khainovsky V. I., Kozyrev A. E. Evaluation of the degree of filling of seeds of agricultural crops in the volume of the measuring capacitor // Technique in agriculture. 2011. No. 3. P. 25-27.
44
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
тельного конденсатора // Техника в сельском хозяйстве. 2011.№ 3. С. 25-27.
5. Хайновский В. И., Козырев А. Е. Оценка степени заполнения семенами сельскохозяйственных культур измерительного объема // Вестник АПК Ставрополья. 2011. № 2 (2). С. 41-42.
6. Хайновский В. И., Копылова О. С., Козырев А. Е. Установки для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур импульсным электрическим полем // Международная научно-практическая конференция - Актуальные проблемы энергетики АПК / Саратовский ГАУ им. Н. И. Вавилова. Саратов. 2010. С.346-351.
7. Хайновский В. И., Копылова О. С., Козырев А. Е. Расчет доз воздействия импульсного электрического поля на семенной материал // Аграрная Россия. 2012. № 9. С. 37-40.
8. Расчет статической диэлектрической проницаемости дисперсных систем со сферическими включениями / В. И. Хай-новский, А. Е. Козырев, О. С. Копылова, П. В. Никитин // Научное обозрение. 2013. № 1. С. 3-9.
9. Определение диэлектрических параметров семян сельскохозяйственных культур с учетом бокового электрического поля измерительного конденсатора / А. Е. Козырев, В. И. Хайновский, О. С Копылова, П. В. Никитин // Политематический сетевой научный журнал КубГАУ. 2013. 85 (01). С. 33-42.
10. Хныкина А. Г. Обоснование электротехнологических параметров и режимов низковольтного активатора для предпосевной обработки семян лука : дис. ... канд. техн. наук. / СтГАУ. Ставрополь, 2014. 169 с.
11. Электрические и механические параметры активатора импульсного электрического поля / А. Г. Хныкина, Е. И. Рубцова, О. С. Копылова, В. И. Хайновский // Вестник АПК Ставрополья. 2015. № 3 (19). С. 55-59.
5. Khainovsky V. I., Kozyrev A. E. Evaluation of the degree of filling of seeds of agricultural crops measuring volume // Bulletin AIC Stavropolya. 2011. No. 2 (2). P. 41-42.
6. Khainovsky V. I., Kopylova O. S., Kozyrev A. E. Installation for presowing treatment of seeds of agricultural crops pulsed electric field // international scientific-practical conference -Actual problems of agribusiness energy / Saratov state agricultural university of N. I. Vavilova. Saratov. 2010. P. 346-351.
7. Khainovsky V. I., Kopylova O. S., Kozyrev A. E. Calculation of doses the effects of pulsed electric fields on the seed material // Agrarian Russia. 2012. No. 9. P. 37-40.
8. The Calculation of the static dielectric permittivity of dispersed systems with spherical inclusions / V. I. Khainovsky, E. A. Kozyrev, O. S. Kopylova, P. V. Nikitin // Scientific review. 2013, No.1. P. 3-9.
9. Determination of dielectric parameters of seeds of agricultural crops taking into account the lateral electric field of the measuring capacitor / E. A. Kozyrev, V. I. Khainovsky, O. S. Kopylova, P. V. Nikitin // Polythematic online scientific journal of Kuban state agrarian University. 2013. 85(01). P. 33-42.
10. Khnykina A. G. Substantiation of electro-technological parameters and regimes of low-voltage activator for presowing treatment of seeds of onion: dis. ... candidate. tech. Sciences. / SSAU, Stavropol 2014. 169 p.
11. Electrical and mechanical parameters of the activator pulse electric fields / A. G. Khnykina, E. I. Rubtsova, O. S. Kopylova, V. I. Khainovsky // Bulletin AIC Stavropolya. 2015. 3 (19). P. 55-59.
