автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Технические средства снижения энергозатрат при реализации технологии переменного оптического облучения рассады овощных культур в теплицах

На правах рукописи

005057714

САМОЙЛЕНКО Владимир Валерьевич

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕМЕННОГО ОПТИЧЕСКОГО ОБЛУЧЕНИЯ РАССАДЫ ОВОЩНЫХ КУЛЬТУР В ТЕПЛИЦАХ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3ерноград-2013

005057714

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Минаев Игорь Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ксёнз Николай Васильевич (ФГБОУ ВПО АЧГАА, профессор кафедры)

доктор технических наук, профессор Хорольский Владимир Яковлевич (ФБГОУ ВПО Ставропольский ГАУ, профессор кафедры)

Ведущая организация: ОАО «Электроавтоматика»

(г. Ставрополь)

Защита диссертации состоится 17 мая 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01 при ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» по адресу: 347740, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия».

Автореферат разослан « /£*» /Эл/^У-Х 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Н. И. Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рекомендуемый в России медициной уровень потребления овощей во внесезонный период составляет 12-15 кг на человека в год. За счет собственного производства эта норма выполняется лишь на 25-30 % и составляет всего 3,7 кг. Дефицит овощной продукции во внесезонный период восполняется за счет импорта, объем которого по разным экспертным оценкам составляет до 800 тысяч т в год. Данная проблема ставит под угрозу продовольственную независимость страны. Поэтому развитие и совершенствование тепличного производства остается в ряду важнейших направлений АПК.

По данным на 2013 год, на территории России функционируют более 2000 га зимних теплиц. Большая часть из них оснащена установками для искусственного оптического облучения. В структуре себестоимости продукции таких тепличных комплексов, и особенно зимних, занятых подготовкой рассады, затраты на электроэнергию составляют порядка 40 %, что в свете роста тарифов на электроэнергию также является немаловажной проблемой.

Поэтому разработка нового электрооборудования и технологий, снижающих энергетические расходы, в том числе и в системе искусственного оптического облучения, является актуальной задачей, решение которой позволит снизить себестоимость тепличной продукции и расширить ее производство.

Цель исследований - снижение энергозатрат в системе переменного оптического облучения рассады овощных культур в теплицах за счет повышения эффективности облучающих устройств.

Объект исследований - технология переменного оптического облучения рассады с применением натриевых ламп высокого давления (НЛВД), питаемых постоянным током.

Предмет исследований - закономерности влияния режима питания НЛВД на выбор параметров технических средств для управления уровнем освещенности рассады в технологии переменного облучения.

Методы исследований. В процессе исследований использовался ряд общепризнанных методов: теоретические (идеализация, формализация), эмпирические (эксперимент, наблюдение, сравнение). Основным при разработке электронного пуско-регулирующего устройства (ЭПРУ) был теоретико-эмпирический метод - моделирование. Результаты исследований обрабатывались с применением прикладного пакета статистических программ Excel, MathCAD. Моделирование устройства осуществлялось в программе N1 Multisim 10.1. Для работы с программируемыми логическими контроллерами использовалась среда CoDeSys 2.3 и язык LD.

Научная гипотеза. Повысить эффективность технологии переменного оптического облучения рассады овощных культур в зимних теплицах можно за счет питания НЛВД постоянным током с принудительной периодической коммутацией питающего напряжения.

Рабочая гипотеза. Режим питания НЛВД постоянным током с периодической коммутацией полярности напряжения возможен за счет применения оптической обратной связи источника света с ЭПРУ.

Научная новизна:

- Разработан способ питания НЛВД постоянным током с применением оптической обратной связи.

- Установлены и математически описаны зависимости предельного значения угла управления трехфазным тиристорным выпрямительным модулем от допустимой продолжительности бестоковой паузы для НЛВД.

- Обосновано использование управляемого трансформатора в двухтранс-форматорном устройстве, обеспечивающем как пуск, так режим горения

НЛВД- и топ

- Предложена методика выбора параметров источника питания для НЛВД, обеспечивающих выполнение реактивным элементом функции токоограни-чивающего балласта при ее включении в цепь постоянного тока.

Практическая значимость работы. По результатам исследований разработан способ питания НЛВД постоянным током, позволяющий реализовать технологию переменного облучения рассады в теплицах, обеспечивающий более чем 40 % снижение энергозатрат с одновременным повышением ее качества. Предложено ЭПРУ, позволяющее регулировать световой поток НЛВД при питании ее постоянным током Разработано универсальное зажигающее устройство, использующее явление прямого пьезоэлектрического эффекта, работающего с НЛВД не зависимо от способа и режима их питания, что особенно актуально при проведении светотехнических исследований в экспериментальных теплицах и фитокамерах.

Реализация результатов исследования. Разработанные в рамках диссертационного исследования рекомендации по внедрению технологии и оборудования для переменного оптического облучения рассады зимних теплиц были переданы в ведущие научные и производственные предприятия региона:

- Михайловскую технолого-аналитическую лабораторию Филиала ФГЬУ «Россельхозцентр» по Ставропольскому краю (для экспериментальной теплицы), акт о получении и использовании материалов от 04.10.2011;

- Экспериментальную теплицу Учебной научно-исследовательской лаборатории (УНИЛ) ФГБОУ ВПО Ставропольского ГАУ (для экспериментальной теплицы), акт о получении и использовании материалов от 12.03.2012;

- ООО «Тепличное», г. Кисловодск Ставропольского края (для рассадного отделения тепличного комплекса), акт о получении и использовании материалов от 09.06.2012.

На защиту выносятся следующие положения:

- Результаты исследований способа питания НЛВД постоянным током с применением оптической обратной связи.

- Результаты исследований электрических, светотехнических и тепловых параметров НЛВД, питаемой постоянным током, обеспечивающих ее работу в технологии переменного оптического облучения.

- Математическая модель многопараметрического источника питания, обеспечивающая выбор параметров реактивного элемента, используемого для ограничения постоянного тока в цепи питания НЛВД.

- Методика определения предельного значения угла управления трехфазным тиристорным выпрямительным модулем от допустимой продолжительности бестоковой паузы для НЛВД.

- Обоснование и теоретическое описание использования управляемого трансформатора в двухтрансформаторном устройстве, обеспечивающем как пуск, так режим горения НЛВД в системе управления освещением при реализации технологии переменного оптического облучения.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены: на ежегодных научно-практических конференциях «Университетская наука — региону» ФГБОУ ВПО Ставропольского ГАУ в период с 2009 по 2013 г.; на научно-практической конференции «Научно-техническое обеспечение АПК юга России» ФГБОУ ВПО АЧГАА, 12 мая 2011 г.; на Международной научной сессии «Инновационные проекты в области агроинженерии» ФГБОУ ВПО МГАУ им. Горячкина 6-7 октября 2011 г.; на научно-практической конференции «Перспективные направления инновационного развития агропромышленного комплекса России» ФГБОУ ВПО ОрелГАУ 15 апреля 2010 г.; на форуме «Инновации в молодежь — будущее России» в Москве 11 декабря 2009 г.: на V Всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых по инновационному малому предпринимательству по приоритетным направлениям развития науки и высоких технологий» 2009 г.; на ежегодной научно-практической конференции молодых ученых Ставропольского края «Инновации молодых ученых Ставрополья - России» в период с 2009 по 2011 г.

Действующие макеты и презентации экспонировались на ежегодных международных выставках «РосБиоТех» (Москва, 2009-2013 гг.); «Московский салон инноваций и инвестиций» (Москва, 2011-2012 гг.); «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (№-ТесЬ, Санкт-Петербург, 2011-2012 гг.); Международного фонда биотехнологий им. академика И. Н. Блохиной (Москва, 2009-2012 гг.).

В рамках проводимых научно-исследовательских работ были исполнены государственные контракты по программам Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на базе созданного в соответствии с 217-ФЗ малого инновационного предприятия ООО «НПП Кандела»: программа СТАРТ-2012, государственный контракт № 10712р/19716 от 13.08.2012; программа УМНИК-2009, государственные контракты № 7355р/10197; № 8715р/13144. По программе ассоциации «Агрообразование», Москва: грант «Молодые новаторы аграрной России», 2010 г. По программе министерства экономического развития СК на получение гранта за счет средств бюджета Ставропольского края на создание инновационной компании, 2013 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 19 работ, в том числе 3 статьи в научных журналах, входящих в перечень ВАК, 3 учебных пособия, 1 монография. Получено 4 патента на изобретения, 6 патентов на полезные модели, 4 свидетельства на государственную регистрацию программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы, изложенных на 147 страницах машинописного текста, в том числе 51 рисунок и 20 таблиц. Список используемой литературы включает 181 наименование, в том числе 10 на иностранных языках. Имеются 19 приложений на 24 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, выдвигаются научная и рабочая гипотезы, формулируется цель, объект и предмет исследований, приводятся краткая аннотация пяти глав, излагаются научная новизна, практическая ценность работы и содержание положений, выносимых на защиту.

В первой главе «Анализ технологий искусственного облучения и технических средств для выращивания рассады растений защищенного грунта и задачи исследований» приведен обзор современных технологий освещения овощных культур с изменяющейся интенсивностью.

Одними из основных факторов микроклимата зимних теплиц, влияющих на получение качественной рассады, является интенсивность и продолжительность облучения. Однако и здесь выращивание светолюбивых культур в несезонное время возможно только в переходном культурообороте, когда рассада формируется в сентябре - ноябре. При выращивании рассады овощных культур в зимне-весеннем культурообороте следует применять дополнительное электрическое облучение. Возможность искусственного облучения и его экономическая целесообразность подтверждены многочисленными исследованиями и опытом передовых хозяйств. Однако широкому внедрению искусственного облучения рассады овощных культур в тепличных хозяйствах препятствует все еще значительный расход электрической энергии.

Большой вклад в развитие теории и практики искусственного оптического облучения растений внесли известные ученые А. А. Ничипорович, Н. Н. Протасова, В. М. Леман, Б. С. Мошков, Н. В. Цугленок, Я. А. Кунгс, В. С. Газалов, В. П. Ша-рупич, А. Г. Молчанов, А. А. Рысс, JI. И. Гурвич, J. Timmerman, R. McCree, P. Mek-kel, M. Fischer и другие.

Представленный анализ приемов искусственного оптического облучения растений в теплицах показал, что для создания требуемых световых режимов в теплицах могут быть предложены различные технологии оптического облучения: постоянного, переменного, импульсного, прерывистого, комбинированного.

Достаточно перспективное направление, заложенное в работах Б. С. Мошкова, В. М. Лемана, Л. Г. Прищепа, Г. В. Степанчука, Е. П. Ключка, А. Г. Молчанова, связано с применением различных технологий переменного оптического облучения, отличающихся в способах проведения и приемах технической реализации.

С учетом направления диссертационных исследований наибольший интерес вызывают работы А. Г. Молчанова, который обосновал последовательность четырехчасовых циклов чередования низкой и высокой освещенности в технологии выращивания рассады огурцов и томатов в зимних теплицах и показал соотношение интенсивностей искусственного облучения в этих циклах. Предложенная им технология позволила снизить расход электроэнергии в системе облучения рассады до 35 %.

Однако эта технология не была доведена до состояния законченной технической системы, которую можно было бы рекомендовать к внедрению. На этапе лабораторных исследований технология реализовывалась с помощью периодического коммутирования группы светильников, размещенных в шахматном порядке, что обеспечивало изменение количества задействованных осветительных приборов и, следовательно, освещенности. Использование такого технического решения при реализации технологии не могло быть признано экономически обоснованным. Кроме того, цикличное включение-отключение ламп снижало срок их службы.

Следует также отметить, что эта технология рассчитана на использование дуговых ртутных люминесцентных (ДРЛ) ламп, которые в настоящее время практиче-6

ски полностью вытеснены из тепличных комплексов более совершенными НЛВД. Пуск и управление этими лампами значительно сложней, чем у ДРЛ. Поэтому предложенные технологические решения нельзя было машинально без дополнительных исследований перенести на теплицы, оборудованные НЛВД.

Представляет научный и практический интерес применение малоисследованных режимов питания НЛВД от источников постоянного тока. По имеющимся сведениям, в этом случае можно увеличить их светоотдачу до 20 % и расширить диапазон регулирования светового потока. Поэтому использование такого режима позволило бы дополнительно снизить энергозатраты на искусственное облучение.

Известные технические решения не применимы для НЛВД, поскольку в этом случае, как показали первые же испытания, возникает после включения лампы через неопределенный интервал времени (1-10 мин) явление расслоения плазмы газового разряда в горелке НЛВД, сопровождающееся значительным снижением светового потока. Смена полярности питающего напряжения практически мгновенно восстанавливает режим горения НЛВД. Однако через 1-10 минут явление возникает вновь. Известны попытки отечественных и зарубежных исследователей, направленные на устранение этого явления путем периодического изменения полярности питающего напряжения с помощью коммутатора, управляемого таймером с фиксированным интервалом срабатывания.

Недостатком такого подхода к решению указанной проблемы является невозможность согласования во времени моментов коммутации, осуществляемой с постоянной частотой, со случайными моментами возникновения этого эффекта.

Поэтому разработка и исследование принципиально новых способов и устройств для реализации технологии переменного оптического облучения рассады с использованием НЛВД, питаемой постоянным током, представляется актуальной задачей, решение которой позволит дополнительно снизить энергозатраты на искусственнее освещение, особенно при выращивании рассады в зимних теплицах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- Установить особенности режима работы НЛВД при питании их постоянным током с учетом электрических, светотехнических и тепловых параметров.

- Разработать способ управления световым потоком НЛВД, питаемой постоянным током, выбрать способ и устройство балласта для ограничения постоянного тока НЛВД.

- Теоретически обосновать структуру, состав и параметры системы управления искусственным оптическим облучением рассады с использованием режима питания НЛВД постоянным током.

- Испытать экспериментальную систему в лабораторной фитокамере в течение полного цикла выращивания рассады овощной культуры (на примере огурцов).

- Определить экономическую эффективность разработанных технических решений.

Во второй главе «Теоретическое обоснование параметров энергосберегающей системы управления искусственным облучением в сооружениях защищенного грунта» проведено обоснование параметров регулируемого источника постоянного напряжения.

Регулируемый источник постоянного напряжения 2 (рис. 1) питает группу НЛВД 5, количество которых будет определяться его мощностью.

В качестве такого источника можно взять стандартный модуль трехфазного регулируемого выпрямителя, например типа МОЗО, использующего фазовый метод управления тиристорами с применением стандартных управляющих сигналов типа 0-5 В; 0-10 В, 4-20 мА, 0-5 мА и 0-20 мА.

С учетом необходимого уровня изменения светового потока при реализации технологии переменного оптического излучения и устранения возможности погасания НЛВД за счет появления бестоковых пауз в цепи ее питания на основании теоретического анализа установлено предельное значение угла управления несимметричного тиристорного модуля, которое составляло 95°. Для снижения же уровня освещенности на 50 % достаточно установить угол в 72°, что почти на 30° меньше предельного (рис. 2).

Для управления модулем трехфазного регулируемого выпрямителя 2 необходимо на его вход подавать один из указанных выше стандартных аналоговых сигналов. Для этих целей предложено в качестве блока управления 3 использовать программируемый логический контроллер (ПЛК), в частности самый простой ОВЕН ПЛК 10011, имеющий только дискретные входы и выходы (рис. 3). Однако разбиение управляющего сигнала на ряд ступеней и применение специальной программы (рис. 4) на языке ЬЭ позволило использовать дискретные выходы для формирования многоступенчатого аналогового сигнала, например

4-20 мА (рис. 2 и 3).

Программа управления (рис. 4) предусматривает после каждого перевода лампы на новый энергетический уровень делать выдержку времени по 2 минуты при снижении напряжения и по 1 минуте при его повышении, что обеспечивает восстановление температурного равновесия в плазме разряда и исключает возможность ее погасания.

/ '-— 2

г

5

4 и, 5

Рисунок 1 - Структурная схема системы управления освещением: 1 - трехфазная сеть с нейтралью; 2 - регулируемый источник постоянного напряжения; 3 - блок управления; 4 - ЭПРУ; 5 - НЛВД; и, - напряжение питания; и2 - выпрямленное напряжение; Ь'з - напряжение питания НЛВД; Я - аналоговый сигнал управления; Ф - световой поток НЛВД

л;

1, 1. I, /, 1,,-Г.

Рисунок 2 - Зависимость относительного изменения выходного напряжения от угла управления

0@©©®©@©©®®@ 1 ? 3 4 5 6 ? 8 5 й Я И

0 ■ммкнШннпКМК * щШ V ч . < < С V 4 ¡$М ............ : ШШфШЩ :

; '3 М № :в 17 !$ 13 ге 3! ?>. 23

—и3

Рисунок 3 - Схема формирования пятиступенчатого аналогового управляющего сигнала 4-20 мА

/, = /„, +С. + М = -

/2 = /, + М = -

/,=/2+д/ =

/4 = /3+д/ =

/5 = =/4+А/ = ^.

«о

(1)

н'НЖ-1

-^ШгйК-

3 р >.....

НЕМЬ^ЖЬ-

Рисунок 4 - Программа формирования аналогового управляющего сигнала

Рассчитанные значения сопротивлений формирователя пятиступенчатого аналогового сигнала 4-20 мА: при Ей = 24 В; С = 6,7 мА; /,ша = 4-10-3А;

/тах=Ю,4-10-3А;

= 2,3 кОм; Я, = 2,75 кОм; Я2 = 0,3 кОм;

= 0,25 кОм; /?4 = 0,2 кОм; = 0,2 кОм

С учетом рабочей гипотезы в отношении выбора наиболее достоверного сигнала для коммутации полярности питающего напряжения можно предложить следующую структуру ЭПРУ с оптическим каналом обратной связи (рис. 5).

Светочувствительный элемент фотодатчика 5 оптически соединен с НЛВД б с помощью световода 7, который одним торцом направлен к боковой поверхности внешней стеклянной колбы лампы, а другим - на светочувствительный элемент фотодатчика. После выхода НЛВД на рабочий режим при возникновении расслоения плазмы происходит снижение ее светового потока, срабатывание фотореле 4 и соответственно коммутатора 3, меняющего при этом полярность на электродах НЛВД. При снижении уровня освещенности снижается и уставка для срабатывания фотореле, что обеспечивает работу ЭПРУ в технологии переменного облучения.

Ввиду отсутствия сведений о светотехнических характеристиках в непосредственной близости от поверхности кол

бы НЛВД была произведена оценка освещенности входного торца световода по методике, предложенной М. М. Гуто-ровым (рис. 6).

| \ « > \ / " \ «-А С----V-----' ^ Х' vx \ jt^-e i ж

у- \ * \ :>- \

8 »Ч "i £

г — [......<л......

L •4

L,

Рисунок 6 - К расчету освещенности входного отверстия световода

Рисунок 5 - Структурная схема ЭПРУ Освещенность точки А от горелки длиной L определяется как

F =F -К

AL A1Z AL '

Сила света с единицы длины линейного источника:

¡O = "горАх

/,, , sin 2а 2 h

EALy= ¡JE

Сила света от условной части светящей линии Ь' в направлении точки А:

h)L - ^ ^горАх-

(2)

(3)

(4)

(5)

Освещенность точки А от условной части светящей линии определяется как:

+£ш2О:

2й 2

V

Расчетное значение освещенности входного торца световода составило 170 клк.

Функции зажигающего и питающего устройств для НЛВД в одном ЭПРУ можно совместить за счет применения управляемого трансформатора в двухтрансформатор-ной схеме (рис. 7) с применением нестандартного способа параллельного соедине-

1;

•Вг

N..

Рисунок 7 - Двухтрансформаторное ЭПРУ для НЛВД

ния выпрямленных выходных напряжений разного уровня (300 и 3500 В), что стало возможным за счет применения защитного диода 20 (рис. 9) с обратным напряжением не мене 3200 В, высокоомного резистора 21 (4-8 МОм) на выходе высоковольтного источника 12 и свойств управляемого трансформатора, резко снижающего выходное напряжение после зажигания НЛВД.

Рассмотрены два способа ограничения постоянного тока с помощью реактивных элементов: конденсатора 11, включенного в первичную цепь питания указанных трансформаторов (рис. 7) и дросселя 18 (рис. 9), включенного до выпрямительного моста. В первом случае конденсатор становится элементом последовательного колебательного контура, обладающего комплексным сопротивлением, модуль 2ВХ = ЛлП + а" и аргумент фвх=агс\.%а которого зависят от обобщенной расстройки а=А7« = 2£М/у/с. Емкостью этого конденсатора можно в широких пределах менять сопротивление, придавая ему свойства как индуктивного, так и емкостного балласта. Однако этот способ требует индивидуальной настройки относительно его резонансной частоты для каждого ЭПРУ.

В связи с чем отдано предпочтение второму способу. Такой способ ограничения постоянного тока возможен в том случае, если в диагонали переменного тока выпрямительного моста, последовательно с которой и включен дроссель, будет протекать пульсирующий переменный ток. Задавшись частотой инвертора /= 30 кГц и используя программу «Трансформаторы и индуктивности» (V. 1.0.1), были рассчитаны его параметры для лампы ДНАТ400. Сердечник 442-14,95 (М2000НМ), количество витков 30, величина воздушного зазора 2,76 мм, индуктивность 0,1 мГн, диаметр провода 1,5, масса 200 г (для сравнения стандартный дроссель для ДНАТ400, работающей в сети 50 Гц, имеет массу 6,8 кг).

Не менее важным параметром в таком устройстве является выбор значения емкости конденсатора 19 (рис. 9), так как с одной стороны, чем меньше эта емкость, тем больше коэффициент пульсации напряжения на лампе, достигающий 100 % при отсутствии этого конденсатора. В таком режиме НЛВД будет работать по существу не в цепи постоянного тока, а униполярного пульсирующего с удвоенной частотой и неизбежным появлением бестоковых пауз. С другой стороны, если емкость конденсатора 19 будет значительной, то пульсация напряжения на лампе практически исчезнет. Но при этом снизится значение угла отсечки диодов выпрямительного моста и, соответственно, амплитуда переменного тока, протекающего по обмотке дросселя, теряющего при этом свойства реактивного балласта.

В результате расчетов с учетом принятых допущений была получена математическая модель, позволяющая выразить действующее значение напряжения Цд1

11

и 1/Д2 на конденсаторе 19 в периоды его заряда и разряда соответственно и безразмерный параметр - эффективность выпрямления А, и Д2:

А,=

ил> 1

Е 1 + а

Ао = иДг

Е

У-

ар(1-Л)(1-Я)

л(1 + а)(1-Л£) (\-А)В

1-

4(1 -АВ)

1 + а

1-

1 -АВ

л

4тг

(1

(7)

(8)

Общая эффективность выпрямления А будет определяться Д = Д1+Д2, где: Р = соЯС - условная частота; у = %/7 — коэффициент заполнения; Е - амплитудное значение питающего напряжения; Д = ид/Е - эффективность детектирова-

Т-'и 'и

ния; а = Яя/Л; А = е х>- ; В = е *\

Для того чтобы дроссель в этой схеме выполнял функции балласта, следует выбрать соЯС = 4-6 (рис. 8). Задаваясь частотой питающего напряжения (/= 30 кГц) и эквивалентным сопротивлением лампы (Я = 20 Ом), можно рассчитать значение С, выбрав в этом диапазоне среднее значение ы/?С = 5, получаем значение С = 1,32 мкФ (для сравнения, в сети промышленной частоты такую же функцию выполнил бы конденсатор емкостью 800 мкФ).

Рисунок 8 - Эффективность детектирования в зависимости от условной частоты р и коэффициента заполнения у: а) при а = 0,1; б) при а = 0,5

гэ

»

ю

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» рассмотрены общие положения, программы и методики экспериментальных исследований светотехнических, электрических и тепловых параметров НЛВД при питании постоянным током; исследований работоспособности действующего макета системы управления НЛВД, питаемой постоянным током при осуществлении полного цикла выращивания рассады.

При проведении исследований применялись прямые многократные равноточные измерения с последующей их обработкой по ГОСТ 8.207-76 «ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблю-12

дений. Общие положения». Погрешность прямых однократных измерений оценивалась в соответствии с рекомендациями МИ1552-86 «ГСИ. Измерение прямые однократные. Оценивание погрешностей измерений».

Практически полное отсутствие сведений и рекомендаций по работе НЛВД в сети постоянного тока и возможности использования этого режима в технологии переменного оптического облучения растений поставило следующие цели предварительных научных исследований: уточнение предельно допустимой бестоковой паузы, т. е. интервала времени на переключение полярности, не вызывающего погасания лампы; определение времени горения лампы до момента появления расслоения плазмы в горелке; измерение электрических и светотехнических параметров до и после возникновения расслоения плазмы в горелке; исследование температурных режимов электродов горелки НЛВД в режиме питания постоянным током.

Для проведения исследований предложен двухтрансформаторный вариант реализации устройства (рис. 9) для питания НЛВД, содержащий управляемый и силовой трансформаторы, обеспечивающие как режим зажигания, так и режим горения с возможностью управления световым потоком лампы.

Рисунок 9 - ЭПРУ для НЛВД: а) структурно-принципиальная схема; б) внешний вид действующего макета

Предложенное зажигающее устройство с использованием прямого пьезоэлектрического эффекта позволяет производить запуск НЛВД не зависимо от способа ее питания.

Для исследования работоспособности действующего макета системы управления НЛВД, питаемой постоянным током, при осуществлении полного цикла выращивания рассады была разработана экспериментальная фитокамера. Фитокамера состоит из двух блоков (рис. 10) с идентичными климатическими условиями (влажность, температура), что достигалось, с одной стороны, за счет применения системы управления микроклиматом, с другой — обеспечением постоянно работающей вентиляционной установкой принудительной циркуляции воздушной массы между двумя блоками. Это позволяет рассматривать проводимые эксперименты как однофакторные, так как условия в блоках отличались только уровнем освещенности. Полезная площадь каждой камеры 1 м2, что позволяло разместить в каждой камере по ] 0 экспериментальных образцов рассады. Высота подвеса лампы от поверхности почвы в горшках 1,5 м.

В первом (контрольном) блоке уровень освещенности не менялся и составлял 10±0,8 клк и лампа ДНАТ400 питалась от сети по классической схеме. Во втором (экспериментальном) блоке уровень освещенности менялся по соответствующей программе от 5±0,4 клк до 10±0,8 клк.

Таким образом, в экспериментальном блоке фотокамеры реализовывался режим переменного облучения при питании лампы ДНАТ с помощью действующего макета ЭПРУ.

Лабораторные исследования проводились на основе методик, предложенных Б. А. Доспеховым. Цель экспериментальных исследований:

- проверка работоспособности действующего макета спроектированной системы управления световым потоком НЛВД, питаемой постоянным током, при осуществлении полного цикла выращивания рассады, в частности огурцов, по технологии переменного оптического облучения;

- проверка эффективности замены ранее применяемых с этой целью ДРЛФ, питаемых переменным током, на НЛВД в сети постоянного тока.

Показатели качества (сухая масса листьев; сухая масса корневой системы растений; сухая масса стеблей; средняя длина стеблей) выращенной в лабораторной фотокамере рассады учитывались по основным критериям, определяющим состояние рассады, готовой к пересадке по методикам, описанным В. И. Эделыитейном и Г. И. Таракановым. Для исследований был выбран патенокарпичный гибрид огурца Б1 Кураж (скороспелый гибрид).

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований энергосберегающей технологии переменного оптического облучения для выращивания рассады огурцов» представлены экспериментальные исследования работы НЛВД в ре-14

Рисунок ! 0 - Система автоматического управления тепличной камерой

жиме питания постоянным током с периодическим изменением полярности питающего напряжения. В рамках исследований установлено предельное значение бестоковои паузы не вызывающей погасание НЛВД, которое зависит от ее номинальной мощности и режима питания и для ДНАТ400 в среднем составляет 1950±60 мкс.

Как показали исследования, время наступления расслоения плазмы в горелке НЛВД не поддается строгому расчету и зависит от ее номинальной мощности, режима питания, полярности электродов и индивидуальных свойств каждой лампы, что исключает возможность коммутации питающего напряжения с какои-либо постоянной частотой. При наступлении расслоения плазмы в горелке НЛВД изменяются электрические и оптические параметры, а именно: напряжение на лампе снижается на 17-34 %; ток лампы возрастает на 5-20 %; световой поток лампы снижается на 55-75 % Следовательно, оптическая обратная связь по цепи НЛВД - ЭПРУ обладает наибольшей достоверностью и может быть использована для управления коммутатором изменения полярности питающего НЛВД напряжения.

Исследование температурных режимов электродов НЛВД при работе в сети постоянного тока не выявило существенных отклонений от предусмотренных регламентом, что позволяет рекомендовать такой способ ее питания.

Действующий макет спроектированной системы управления световым потоком НЛВД, питаемой постоянным током, позволил снизить энергозатраты при реализации технологии переменного оптического облучения рассады овощных культур на примере огурца до 40 %. Качественные показатели рассады, выращенной в фотокамере с технологией переменного облучения, превосходят показатели контрольной, в которой уровень облучения не менялся, в частности увеличилась сухая масса: листьев на 46 %; корневой системы на 41 %; стеблей на 43 % (табл.).

Таблица - Средние параметры 25-дневных растений огурца

Показатель

Количество листьев, шт.

Сухая масса листьев.

Площадь листа, см2

Сухая масса стебля, г

Высота стебля, см

Диаметр стебля, мм

Масса корневой системы, г

Исходные данные

Результаты экспериментов на ДРЛФ 9,2

3,6

853,6

2,2

27,3

0,52

Экспериментальные данные

ФК-1 (контроль)

7,3

2,1

562

1,6

23,4

6,1

0,3

ФК-2

(эксперимент)

9,49

3,9

862

2,8

30,42

9,7

0,51

Изменение, %

23

46

35

43

23

37

41

По показаниям электрических счетчиков в контрольной камере было израсходовано 206 кВт - ч, в экспериментальной - 124 кВт-ч, что обеспечило экономию электроэнергии до 40 %. Кроме того, как показали фенологические наблюдения, рассада в экспериментальной камере достигла заданных параметров примерно на два-три дня раньше, чем в контрольной, что позволило бы сократить срок ее выращивания с дополнительным снижением потребления электроэнергии на 5-6 /о.

Сравнение показателей качества выращенной в фитокамере рассады с показателями полученными А. Г. Молчановым, доказывает конкурентоспособность и перспективность применения НЛВД, питаемой постоянным током, по сравнению с ДРЛФ-лампами при реализации технологии переменного оптического облучения рассады.

В пятой главе «Экономическое обоснование электронного пускорегулирующе-ш устройства» рассчитана технико-экономическая эффективность представленных решений. В сравнении с исходным, проектируемый вариант ЭПРУ имеет возможность регулировать световой поток НЛВД, имеет лучшие массо-габаритные показатели. При выходе на рынок предлагаемое устройство будет иметь цену 5629 руб., чистый дисконтированный доход при расчете на 3 года составит 86711 руб., внутренняя норма доходности - 38 %, срок окупаемости вложенных инвестиций составит 2,09 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Применение питания НЛВД постоянным током с целью снижения энергозатрат при реализации технологии переменного оптического облучения рассады в тепличных комплексах целесообразно и возможно за счет использования оптической обратной связи, управляющей моментом коммутации полярности питающего напряжения, устраняющей явление расслоения плазмы, наступление которой не поддается строгому расчету и зависит от номинальной мощности НЛВД, режима питания, полярности электродов и индивидуальных свойств каждой лампы. При наступлении расслоения плазмы в горелке НЛВД изменяются электрические и оптические параметры, а именно: напряжение на лампе снижается на 1734 %; ток лампы возрастает на 5-20 %; световой поток лампы снижается на 5575 %. В результате исследований установлено, что наиболее достоверным сигналом обратной связи для смены полярности питающего напряжения служит величина светового потока.

2. Для реализации технологии переменного оптического облучения, заключающейся в цикличной смене уровней освещенности, возможно использовать трехфазные регулируемые выпрямители, использующие фазовый метод управления тиристорами с применением стандартных аналоговых сигналов (0-5 В; 0-10 В; 4-20 мА, 0-5 мА и 0-20 мА). При этом предельное значение угла управления в несимметричном тиристорном модуле, обеспечивающее широкий диапазон регулирования светового потока с исключением возможности погасания НЛВД, составляет 95°. Управление таким модулем, обеспечивающим питание группы НЛВД, возможно осуществлять с помощью программируемого логического контроллера с дискретными выходами, формирующими стандартный аналоговый сигнал управления, разбитый на пять ступеней.

3. Функции зажигающего и питающего устройств для НЛВД в одном ЭПРУ можно совместить за счет применения управляемого трансформатора в друхтранс-форматорной схеме с применением нестандартного способа параллельного соединения выпрямительных блоков с различными значениями выходных напряжений (300 В и 3500 В) и внутренних сопротивлений. На основании теоретического анализа математической модели блока питания получено значение безразмерного параметра шКС = 4-6, обеспечивающего применение реактивного балласта для ограничения постоянного тока НЛВД, применяемой в системе оптического облучения рассады.

4. При проведении светотехнических исследований в экспериментальных теплицах и фитокамерах функции зажигания НЛВД, не зависимо от способа и режима ее питания, возможно осуществлять с помощью зажигающего устройства, использующего явление прямого пьезоэлектрического эффекта.

5. Действующий макет спроектированной системы управления световым потоком НЛВД, питаемой постоянным током, позволил снизить энергозатраты при реализации технологии переменного оптического облучения рассады овощных культур до 40 %. Качественные показатели рассады, выращенной в фитокамере с технологией переменного облучения, превосходят показатели контрольной, в которой уровень облучения не менялся, в частности сухая масса оказалась на 46 % выше, сухая масса корневой системы на 41 %, сухая масса стеблей на 43 %.

6. Технико-экономический расчет показал высокую инвестиционную привлекательность разработанных технических решений. Во-первых, в сравнении с исходным проектируемый вариант ЭПРУ имеет возможность регулировать световой поток НЛВД, имеет лучшие массо-габаритные показатели, сравнимый коэффициент мощности. Во-вторых, при выходе на рынок предлагаемое устройство будет иметь цену 5629 руб., ЧДД при расчете на 3 года составит 86711 руб., ВНД - 38 %, срок окупаемости вложенных инвестиций составит 2,09 года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Самойленко, В. В. Инновационная концепция регулирования факторов внешней среды растений / И. Г. Минаев, А. Г. Молчанов, В. В. Самойленко // Достижения науки и техники АПК. - 2010. -№ 9. - С. 58-60.

2. Самойленко, В. В. Многопараметрический униполярный источник питания для газоразрядных ламп высокого давления / В. В. Самойленко // Техника в сельском хозяйстве. - 2012.-№ 1.-С. 17-19.

3. Самойленко, В. В. Обоснование применения способа питания натриевых ламп высокого давления в системах искусственного оптического облучения тепличных комплексов/В. В. Самойленко//Вестник АПК Ставрополья.-2013.-№ 1.-С. 72-76.

2. Патенты на изобретения, полезные модели, свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ:

4. Пат. 2459392 Российская Федерация, МПК 9 Н05В41/00. Способ питания натриевых ламп высокого давления и устройство для его осуществления 1 Минаев И. Г., Молчанов А. Г., Самойленко В. В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ - 2011126046/07 ; заявл. 27.06.2011 ; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23.

5. Наг. 2455797 Российская Федерация, МПК 9 Н05В4!/ 24. Пускорегулирующее устройство / Минаев И. Г., Самойленко В. В. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ - 2011101303/07 ; заявл. 13.01.2011 ; опубл. 10.06.2012, Бюл. № 19.

6. Пат. 2454045 Российская Федерация, МПК 9 Н05В41/24. Зажигающее устройство для газоразрядных ламп высокого давления / Минаев И. Г., Самойленко В. В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ (1Ш). -№ 2011111698/07 ; заявл. 28.03.2011 ; опубл. 20.06.2012, Бюл. X» 17.

7. Пат. 121980 Российская Федерация, МПК Н05В41/26. Пускорегулирующее устройство для газоразрядных ламп высокого давления / Минаев И. Г., Самойленко В. В., Самойленко Д. В.; заявитель и патентообладатель ООО «НПП Каидела». - 2012110860/07 ; заявл. 21.03.2012 ; опубл. 26.06.2012, Бюл. № 31.

8. Пат. 62836 Украина, МПК Н05В41/24. Пускорегулирующее устройство (Пу-скорегулювальний пристрШ) / Минаев И. Г., Самойленко В. В., Шарапов В. М." ; заявитель и патентообладатель Шарапов В. М. - и201106985 ; заявл. 03.06.2011 • опубл 12.09.2011, Бюл. №17.

9. Пат. 62837 Украина, МПК Н05В41/24. Зажигающее устройство для газоразрядных ламп высокого давления (Запалюючий пристрш для газорозрядних ламп високого тиску) / Минаев И. Г., Самойленко В. В., Шарапов В. М. ; заявитель и патентообладатель Шарапов В. М.-и201106993 ; заявл. 03.06.2011 ; опубл. 12.09.2011, Бюл. № 17.

10. Пат. 116732 Российская Федерация, МПК Н05В41/24. Пускорегулирующее устройство / Минаев И. Г., Самойленко В. В. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ. - 2011154637/07 ; заявл. 30.12.2011 ; опубл. 27.05.2012, Бюл. № 15.

11. Пат. 88146 Российская Федерация, МПК 8 G01L21/34. Вакуумметр / Минаев И. Г., Самойленко В. В. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ -2009126700/22 ; заявл. 13.07.2009 ; опубл. 27.10.2009, Бюл. № 30.

12. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2011140273 (05.10.2011) от 08.11.2012. Пускорегулирующее устройство для газоразрядных ламп высокого давления / Минаев И. Г., Самойленко В. В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ

13. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011614091. Ступенчатое регулирование уровня освещенности в экспериментальной тепличной установке / Минаев И. Г., Самойленко В. В.; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ. -№ 2011612217 ; заявл. 01.04.2011 ; зарег. 25.05.2011.

14. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ№ 2011614092. Программа управления освещением в экспериментальной теплице / Минаев И. Г., Самойленко В. В. ; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ. -№ 2011612218 ; заявл. 01.04.2011 ; зарег. 25.05.2011.

15. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ№2011618941. Программа управления инфранизкочастотным питанием газоразрядных ламп / Воротников И. Г., Минаев И. Г., Самойленко В. В. ; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ. -№2011616877; заявл. 14.09.2011 ; зарег. 16.11.2011.

16. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013612162. Программа управления трехфазным тиристорным выпрямителем / Минаев И. Г., Самойленко В. В. ; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ -№ 2012661597 ; заявл. 25.12.2012 ; зарег. 15.02.2013.

3. Монографии:

17. Самойленко, В. В. Энергосберегающее оптическое облучение промышленных теплиц : монография / А. Г. Молчанов, В. В. Самойленко. - Ставрополь : АГРУС 2013 -120 с.

4. Публикации в других изданиях:

18. Самойленко, В. В. Indicator of vacuum in technological equipment / И. Г. Минаев,

B. В. Самойленко // Вестник Черкасского государственного технического университета. — Черкассы : «Брама-Украина», 2009. - С. 72-74.

19. Самойленко, В. В. Программируемые логические контроллеры в автоматизированных системах управления / И. Г. Минаев, В. М. Шарапов, В. В. Самойленко, Д. Г. Ушкур // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2011. - № 7. -

C. 101-102. 18

20 Самойленко, В. В. Энергосберегающая система управления источниками оптического облучения в теплицах / И. Г. Минаев, А. Г. Молчанов, В. В. Самойленко // Материалы научно-практической конференции «Инновационные разработки молодых ученых Юга России». - Ставрополь : СНИИЖК, 2012. - С. 37-10.

21. Самойленко, В. В. Технология регулирования факторов внешней среды растений / А. Г. Молчанов, В. В. Самойленко // Вестник АПК Ставрополья. - 2011. - № 2. -С. 37-41.

22. Самойленко, В. В. ЮВТ-транзисторы / В. В. Самойленко, Д. А. Денисенко // Студенческая наука в XXI веке. - Ставрополь : АГРУ С, 2010. - С. 65-67.

23. Самойленко, В. В. Зажигающее устройство для газоразрядных ламп высокого давления / В. В. Самойленко // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе. - Ставрополь : Параграф, 2011. -С. 134-138.

24. Самойленко, В. В. Инновационная технология регулирования факторов внешней среды растений в теплицах / В. В. Самойленко // Актуальные проблемы развития АПК в научных исследованиях молодых ученых - М. : ФГНУ «Росинформагротех», 2011. -С. 62-66.

25. Самойленко, В. В. Информационная система управления экспериментальной тепличной камерой с возможностью дистанционного мониторинга / В. В. Самойленко,

A. С. Гализугов // Актуальные проблемы энергетики АПК : материалы II Международной научно-практической конференции / под ред. А. В. Павлова. - Саратов : Издательство «КУБиК», 2011.-С. 266-268.

26 Самойленко, В. В. Обзор высокочастотных преобразователей напряжения /

B. В. Самойленко, Д. А. Денисенко // Студенческая наука в XXI веке. - Ставрополь :

АГРУС, 2010.-С. 91-96.

27 Самойленко, В. В. Пьезоэлектрическое зажигающее устройство для газоразрядных ламп высокого давления / И. Г. Минаев, В. В. Самойленко // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве. - Ставрополь : АГРУС, 2011. - С. 266-269.

28. Самойленко, В. В. Пускорегулирующее устройство для газоразрядных ламп высокого давления / В. В. Самойленко // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве. - Ставрополь : АГРУС, 2011. - С. 273-277.

29 Самойленко, В. В. Система управления и удаленного мониторинга экспериментальной тепличной установки / В. В. Самойленко // Моделирование производственных процессов и развитие информационных систем : сборник материалов Международной научно-практической конференции. - Ставрополь : Бюро новостей, 2011. - С. 72 74.

30 Самойленко, В. В. Энергосберегающая система управления источниками оптического излу чения в теплицах / И. Г. Минаев, А. Г. Молчанов, В. В. Самойленко // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве. - Ставрополь : АГРУС, 2010. - С. 238-241.

31 Самойленко, В. В. Электронное пускорегулирующее устройство для газоразрядных ламп высокого давления / И. Г. Минаев, А. Г. Молчанов, В. В. Самойленко // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве. - Ставрополь : АГРУС, 2010. С 241-245.

32 Самойленко, В. В. Пускорегулирующее устройство / И. Г. Минаев, В. В. Самойленко // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве. - Ставрополь : А1 РУС, 2011.-С. 269-272. 19

Подписано в печать 15.04.2013. Формат 60x84 У16. Гарнитура «Тайме». Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ №179.

Отпечатано в типографии издательско-полиграфического комплекса СтГАУ «АГРУС», г. Ставрополь, ул. Пушкина, 15.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕМЕННОГО ОПТИЧЕСКОГО ОБЛУЧЕНИЯ РАССАДЫ ОВОЩНЫХ КУЛЬТУР В ТЕПЛИЦАХ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве (по техническим наукам)

04201357473

Самойленко Владимир Валерьевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Минаев И.Г.

Ставрополь - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ИСКУССТВЕННОГО ОБЛУЧЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАССАДЫ РАСТЕНИЙ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................................................................................9

1.1 Современные технологии освещения овощных культур с изменяющейся интенсивностью....................................................................................................9

1.2 Источники оптического излучения, применяемые в тепличных комплексах..........................................................................................................20

1.3 Анализ способов питания газоразрядных ламп высокого давления и реализующих их технических средств.............................................................25

1.4 Цели и задачи исследований.......................................................................35

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИСКУССТВЕННЫМ ОБЛУЧЕНИЕМ В СООРУЖЕНИЯХ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА................................................................................36

2.1 Структура системы управления искусственным оптическим облучением рассады...........................................................................................36

2.2. Управление регулируемым источником постоянного напряжения......41

2.3 Теоретическое обоснование способа питания НЛВД и устройства для его осуществления.............................................................................................47

2.4. Теоретическое обоснование параметров двухтрансформаторного ЭПРУ...................................................................................................................58

2.5 Методика расчета многопараметрического источника питания для НЛВД...................................................................................................................66

2.6 Моделирование выпрямительного блока в среде N1 МиШвип 10.1........74

2.7 Теоретическое обоснование выбора параметров ЭПРУ для НЛВД.......76

2.7 Выводы к главе 2..........................................................................................81

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................................82

3.1 Общие положения........................................................................................82

3.2 Программа и методика экспериментального исследования светотехнических, электрических и тепловых параметров НЛВД при питании постоянным током..............................................................................83

3.3 Описание экспериментальной установки для определения светотехнических, электрических и тепловых параметров НЛВД при питании постоянным током..............................................................................86

3.4 Программа и методика экспериментальных исследований работоспособности действующего макета системы управления НЛВД, питаемой постоянным током при осуществлении полного цикла выращивания рассады........................................................................................97

3.5 Описание экспериментальной установки действующего макета системы управления НЛВД, питаемой постоянным током при осуществлении полного цикла выращивания рассады............................................................101

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕМЕННОГО ОПТИЧЕСКОГО ОБЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАССАДЫ ОГУРЦОВ............................................................................................................109

4.1 Экспериментальное исследования режимов работы НЛВД в режиме постоянного тока..............................................................................................109

4.2 Исследование действующего макета ЭПРУ при реализации технологии переменного оптического облучения рассады овощных культур..............115

4.3 Выводы к главе 4........................................................................................116

5. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА.................................................118

5.1 Расчет затрат на стадии исследования и разработки..............................119

5.2 Расчет себестоимости изделия..................................................................122

5.3 Расчет капитальных вложений.................................................................124

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................127

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

По данным [171] на 2013 год на территории России функционирует более 2000 га зимних теплиц. Большая часть из них оснащена установками для искусственного оптического облучения. В структуре себестоимости продукции таких тепличных комплексов и особенно зимних, занятых подготовкой рассады, затраты на электроэнергию составляют порядка 40%, что в свете роста тарифов на электроэнергию также является немаловажной проблемой. Поэтому разработка нового электрооборудования и технологий, снижающих энергетические расходы, в том числе и в системе искусственного оптического облучения, является актуальной задачей, решение которой позволит снизить себестоимость тепличной продукции и расширить ее производство.

Особый интерес вызывают работы А.Г. Молчанов [62-72], направленные на исследование технологии переменного оптического облучения, основанной на чередующихся четырехчасовых циклах низкой и высокой освещенности рассады огурцов и томатов. Предложенная им электротехнология позволила существенно до 35% снизить энергозатраты при выращивании рассады овощных культур [66, 93].

Внедрение в промышленные тепличные комплексы предложенной им электротехнологии переменного оптического облучения было затруднительно в силу недостаточного на тот момент уровня техники. Следует также отметить, что эта технология рассчитана на использование дуговых ртутных люминесцентных (ДРЛ) ламп, которые в настоящее время практически полностью вытеснены из тепличных комплексов более совершенными (с позиции фитотехнических и экономических требований) натриевыми лампами высокого давления (НЛВД). Пуск и управление этими лампами значительно сложней, чем у ДРЛ. Поэтому предложенные Молчановым А.Г. достаточно эффективные и оригинальные технологические решения нельзя машинально без дополнительных исследований перенести на теплицы, оборудованные лампами типа НЛВД.

Представляет научный и практический интерес применения малоисследованных режимов питания НЛВД от источников постоянного тока. По имеющимся сведениям [86, 179] в этом случае можно увеличить их светоотдачу до 20 %. Поэтому использование такого режима позволило бы дополнительно снизить энергозатраты на искусственное облучение.

Однако, известные технические решения предназначены для ДРЛ и не применимы для НЛВД поскольку в этом случае, как показали первые же испытания, возникает после включения лампы через неопределенный интервал времени (1...10 мин) явление расслоения плазмы газового разряда в горелке НЛВД, сопровождающееся значительным снижением светового потока. Известны [86, 179] попытки устранения этого явления путем периодического изменения полярности питающего напряжения с помощью коммутатора по задаваемым таймером временным уставкам. Недостатком подобных устройств, как показали предварительные диссертационные исследования, является невозможность полного устранения последствий этого явления при периодической смене полярности, осуществляемой с постоянной частотой. Да и само значение этой частоты осталось, к сожалению, вне области рассматриваемой проблемы. Поэтому разработка и исследование принципиально новых способов и устройств для реализации технологии переменного оптического облучения рассады овощных культур с использованием НЛВД представляется актуальной задачей, решение которой позволит дополнительно снизить энергозатраты на искусственнее освещение, особенно при выращивании рассады в зимних теплицах.

На основании изложенного, целью работы стало снижение энергозатрат в системе переменного оптического облучения рассады овощных культур в теплицах за счет повышения эффективности облучающих устройств.

Научная гипотеза. Повысить эффективность технологии переменного оптического облучения рассады овощных культур в зимних теплицах можно за счет питания НЛВД постоянным током с принудительной периодической коммутацией питающего напряжения.

Рабочая гипотеза. Режим питания НЛВД постоянным током с периодической коммутацией полярности напряжения возможен за счет применения оптической обратной связи источника света с электронным пускорегули-рующим устройством (ЭПРУ).

Объект исследования. Технология переменного оптического облучения рассады с применением НЛВД, питаемых постоянным током.

Предмет исследования. Закономерности влияния режима питания НЛВД на выбор параметров технических средств для управления уровнем освещенности рассады в технологии переменного облучения.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложений.

В главе 1 «Анализ технологий искусственного облучения и технических средств для выращивания рассады растений защищенного грунта и задачи исследований» приведен обзор современных технологий освещения овощных культур с изменяющейся интенсивностью, приведена сравнительная классификация применяемых в тепличных комплексах источников оптического излучения, произведен анализ способов питания НЛВД и реализующих их технических, выявлена научная проблема, сформулирована научная гипотеза и задачи исследований.

В главе 2 «Теоретическое обоснование параметров энергосберегающей системы управления искусственным облучением в сооружениях защищенного грунта» проведено теоретическое обоснование параметров регулируемого источника постоянного напряжения, устройства управления источником постоянного напряжения, предложен способ питания НЛВД, реализующий принудительную коммутацию полярности питающего напряжения посредством оптической обратной связи НЛВД-ЭПРУ. Обосновано использование двухтрансформаторной схемы питания с использованием индуктивного балласта для ограничения постоянного тока, питающего НЛВД. Проведено теоретическое обоснование параметров ЭПРУ. Разработана математическая модель многопараметрического источника питания для НЛВД.

В главе 3 «Программа и методика экспериментальных исследований» приведены общие положения, основные задачи экспериментальных исследований, описан лабораторный макет экспериментального устройства по исследованию влияния постоянного тока на светотехнические и электрические параметры НЛВД, приведена конструкция и электрооборудование экспериментальной фитокамеры, указаны методики по определению показателей качества рассады, выращенной в экспериментальной фитокамере.

В главе 4 «Результаты экспериментальных исследований энергоэффективных технических средств, реализующих технологию переменного оптического облучения» представлены результаты исследований светотехнических и энергетических параметров работы НЛВД в режиме постоянного тока, представлены экспериментальные результаты исследования работоспособности действующего макета спроектированной системы управления световым потоком НЛВД, питаемой постоянным током и проверки эффективности замены раннее применяемых с этой целью ламп ДРЛФ.

В главе 5 «Экономическое обоснование электронного пускорегули-рующего устройства» дана технико-экономическая эффективность представленных решений, в которой приведен расчет затрат на стадии исследования и разработки, рассчитана себестоимость ЭПРУ, произведен расчет капитальных вложений, чистого дисконтированного дохода, внутренней нормы доходности.

Научную новизну составляют

1. Разработка способа питания НЛВД постоянным током с применением оптической обратной связи.

2. Установление и математическое описание зависимости предельного значения угла управления трехфазным тиристорным выпрямительным модулем от допустимой продолжительности бестоковой паузы для НЛВД.

3. Обоснование и теоретическое описание использования управляемого трансформатора в двухтрансформаторном устройстве, обеспечивающем как пуск, так режим горения НЛВД.

4. Методика выбора параметров источника питания для НЛВД, обеспечивающих выполнение реактивным элементом функции токоограничивающего балласта при ее включении в цепь постоянного тока. Практическая ценность. По результатам исследований разработаны:

1. Способ питания НЛВД постоянным током, позволяющий реализовать технологию переменного облучения рассады в теплицах, обеспечивающий снижение энергозатрат более 40% с одновременным повышением ее качества.

2. Электронное пускорегулирующее устройство, позволяющее регулировать световой поток НЛВД при питании ее постоянным током.

3. Зажигающее устройство, использующее явления прямого пьезоэлектрического эффекта, работающего с любым типом НЛВД не зависимо от способа и режима их питания, что особенно актуально при проведении светотехнических исследований в экспериментальных теплицах и фитокамерах.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований способа питания НЛВД постоянным током с применением оптической обратной связи.

2. Результаты исследований электрических, светотехнических и тепловых параметров НЛВД, питаемой постоянным током, обеспечивающие ее работу в технологии переменного оптического облучения.

3. Математическая модель многопараметрического источника питания, обеспечивающая выбор параметров реактивного элемента, используемого для ограничения постоянного тока в цепи питания НЛВД.

4. Методика определения предельного значения угла управления трехфазным тиристорным выпрямительным модулем от допустимой продолжительности бестоковой паузы для НЛВД.

5. Обоснование и теоретическое описание использования управляемого трансформатора в двухтрансформаторном устройстве, обеспечивающем как пуск, так режим горения НЛВД в системе управления освещением при реализации технологии переменного оптического облучения.

1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ИСКУССТВЕННОГО ОБЛУЧЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАССАДЫ РАСТЕНИЙ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1 Современные технологии освещения овощных культур с изменяющейся интенсивностью Развитие овощеводства на современном этапе не может быть успешным только за счет овощеводства открытого грунте. Климатические условия в нашей стране таковы, что из открытого грунта основная масса свежих овощей поступает в конце лета и осенью.

Дополнительное облучение повсеместно используется при выращивании рассады, а в северных регионах входит в практику использование искусственного освещения для полной светокультуры растений. Применение искусственного облучения позволяет не только ускорить получение первого урожая, но и существенно повышает урожайность овощных культур [33, 43, 44, 73, 150, 151, 152].

Одними из основных факторов микроклимата зимних теплиц, влияющих на получение качественной рассады, является интенсивность и продолжительность облучения. В пределах России условия естественной облученности позволяют выращивать огурцы и томаты в зимних теплицах в любое время года только в шестой и седьмой световых зонах, к которым, в частности, относится юг России. Однако и здесь выращивание светолюбивых культур в несезонное время возможно только в переходном культурообороте, когда рассада формируется в сентябре - ноябре. При выращивании рассады огурцов и томатов в зимнее - весеннем культурообороте следует применять дополнительное электрическое облучение. Возможность искусственного облучения и его экономическая целесообразность подтверждены многочисленными исследованиями и опытом передовых хозяйств. Однако, широкому внедрению искусственного облучения рассады огурцов и томатов в теплич-

ных хозяйствах препятствует все еще значительный расход электрической энергии.

Интенсивность света влияет на скорость фотосинтеза. При низкой интенсивности света преобладают процессы дыхания растений, т.к. энергия для жизнедеятельности черпается за счет распада ранее синтезированных веществ. При повышении интенсивности света линейно увеличивается фотосинтез. При дальнейшем ее росте фотосинтез увеличивается медленнее, потом не увеличивается, наступает «фаза насыщения». Если продолжать увеличивать интенсивность света, фотосинтез начинает снижаться. При низкой интенсивности света растения получаются вытянутые. У корнеплодных (например, редиса) корнеплоды образуются плохо, растения формируют цветоносные стебли. У томатов и огурца цветы опадают, плоды невелики, вкусовые качества низкие.

Наряду с интенсивностью и продолжительностью облучения в прои�