Содержание к диссертации
Введение
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 Multisim 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
- Источники оптического излучения, применяемые в тепличных комплексах
- Теоретическое обоснование выбора параметров ЭПРУ для НЛВД
- Описание экспериментальной установки действующего макета системы управления НЛВД, питаемой постоянным током при осуществлении полного цикла выращивания рассады
- Экспериментальное исследования режимов работы НЛВД в режиме постоянного тока
Введение к работе
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 NI 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.
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 ФГБУ «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» (Hi-Tech, 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.
Источники оптического излучения, применяемые в тепличных комплексах
По данным многих исследователей [37,43,73,74] лучшие результаты при выращивании растений достигаются в том случае, когда источник света отвечает следующим требованиям: спектр излучения содержит все участки видимой области с определенным преобладанием красного и сине-фиолетового участков спектра, а также небольшую долю длинных ультрафиолетовых и коротких инфракрасных лучей. В спектре отсутствует ультрафиолетовое излучение короче 290 нм.
Анализ технологий переменного облучения [118] показал, что для создания требуемых световых режимов в промышленном овощеводстве защищенного грунта в настоящее время применяются следующие источники света (рисунок 1.3):
люминесцентные лампы низкого давления (ЛЛ);
газоразрядные лампы высокого давления (ГЛВД):
- дуговые ртутные люминесцентные (ДРЛ) лампы;
- металлогалогенные лампы (МГЛ);
- натриевые лампы высокого давления (НЛВД).
В последнее время в экспериментальных исследовательских теплицах стали применять светодиодные источники света (СД).
Перечисленные источники света имеют подходящие для растений спектральные характеристики, но отличаются по показателям светоотдачи и мощности. 1.2.1 ЛЛ, в силу своих определенных достоинств (возможность получения источников излучения разного спектрального состава, большой срок службы), до недавнего времени имели наибольшее распространение в светокультуре и при дополнительном облучении. Основным недостатком этих ламп является малая единичная мощность.
Световая отдача составляет от 50 до 80 лм/Вт при сроке службы 10-15 тысяч часов. КПД фотосинтетически активной радиации (ФАР) для люминесцентных ламп в среднем составляет 20-22% [167].
1.2.2 Наибольшее распространение до недавнего времени в тепличном овощеводстве промышленного типа имели ГЛВД типа ДРЛ 400, КПД ФАР которых составлял 10%. Светоотдача данного типа ламп составляет от 45 до 55 лм/Вт при сроке службы 10-15 тыс.ч. [167].
ДРЛ лампы стали внедряться для освещения растений в сооружениях защищенного грунта с 50-х годов прошлого века, т.к. в то время данный тип источников света был наиболее эффективным для этих целей. Во многих тепличных хозяйствах до сих пор широко используется модификация этих ламп, спектр которых обогащен красным светом - ДРЛФ.
В настоящее время в связи с появлением более эффективных и экономически выгодных источников искусственного света ртутные лампы постепенно заменяются на более современные источники света. Несмотря на низкую цену данного типа ламп эксплуатационные затраты более существенны по сравнению с НЛВД, что серьезно снижает их конкурентоспособ-ность.Световой поток лампы ДРЛ в 3-4 раза больше, чем лампы накаливания такой же мощности. КПД ФАР для ртутных ламп в среднем составляет 10-12% [167].
1.2.3 Следующим этапом развития ГЛВД стало создание МГЛ, светоотдача которых существенно выше, чем у ее предыдущих аналогов и составляет от 80 до 100 лм/Вт, при сроке службы в 6-10 тысяч часов.
Софитные двухцокольные лампы типа ДРИ-Сф выпускаются мощностью 70 и 150 Вт, используются в светильниках-прожекторах. Трубчатые лампы типа ДРИ-Т и зеркальные типа ДРИЗ выпускаются мощностью 250 и 3500 Вт [167].
Все перечисленные типы МГЛ можно с успехом применять для освещения рассады овощей. У этих ламп хорошая цветопередача, с их помощью создается освещение с высоким уровнем зрительного комфорта. Компромиссный вариант: использовать комбинированное освещение с помощью МГЛ и НЛВД. Световой поток МГЛ в 5-7 раз больше, чем лампы накаливания такой же мощности. КПД ФАР для металлогалогенных ламп в среднем составляет 26-30%.
1.2.4 Широкие перспективы использования в светокультуре и для дополнительного облучения имеют НЛВД.
Исходя из вышеизложенного анализа и таблицы 13 можно сделать вывод, что по совокупности ряда светотехнических и экономических параметров НЛВД типа ДНаТ можно признать наиболее оптимальными для использования их в сооружениях защищенного грунта. 1.2.5 Необходимый спектральный состав оптического излучения возможно создать с помощью комбинации светодиодов разных диапазонов свечения (красные от 620...635 нм, оранжевые 610...620 нм, желтые 585...595 нм, зеленые 520...535 нм, голубые 465...475 нм, синие 450...465 нм и т.д.) размещенных в одном светильнике.
Очевидны достоинства СД - большая продолжительность полезного срока службы (до 100000), возможность плавного управления световым потоком и применения низких напряжений питания.
Ряд отечественных и зарубежных производителей предлагают светодиодные светильники, в том числе УСС-70БИО, L-Bio50 [141,142].
Однако, несмотря на свои преимущества, СД имеет и ряд недостатков: в том числе, меньшую по сравнению с НЛВД светоотдачу (светодиодные светильники 100...ПО лм/Вт, НЛВД 140... 150 лм/Вт) и высокую стоимость (при сопоставимых светотехнических параметрах стоимость одного светодиодного светильника промышленного исполнения составляет 18000..20000 рублей, а НЛВД - 400... 1000 рублей). Соответственно, удельная стоимость светового потока для СД составляет 2,6 руб/лм, а для НЛВД - 0,02 руб/лм.
Теоретическое обоснование выбора параметров ЭПРУ для НЛВД
На рисунке 2.24 изображена структурно-принципиальная схема двух-трансформаторного ЭПРУ. Выпрямительные блоки 12 и 13 соединены параллельно с помощью защитного диода 20 и высокоомного резистора 21. 2.7.1 Параллельное соединение источников постоянного напряжения применяется крайне редко. И если почему-либо возникает такая потребность, то только в случае равенства электрических параметров этих источников и наличия защитных диодов, исключающих перетоки зарядов. В нашем случае ни о каком равенстве этих параметров не может быть и речи.
Такое необычное включение источников постоянного напряжения стало возможным по следующим причинам:
- В режиме XX на выходе блока 12 напряжение максимальное (3,5 кВ). Диод 20 закрыт, т.к. напряжение на его катоде превышает напряжение на аноде, т.е. на конденсаторе 19.
- В этом случае нагрузкой для блока 12 служит цепь, содержащая резистор 21, обратное сопротивление диода 20, обратные сопротивления четырех диодов выпрямительного моста в блоке 13, соединенных между собой попарно параллельно-последовательного и параллельного (через коммутатор изменения полярности 14) с лампой 16.
- В режиме XX сопротивление лампы бесконечно велико (по сравнению с другими элементами схемы). Поэтому общее сопротивление RH нагрузки можно представить как
Условие (2.39) легко выполнить, т.к. для диодов, отвечающих требованиям данного устройства, обычное значение ROB составляет десятки и сотни мегаом. Например, для выпрямительного моста в блоке 13 можно рекомендовать диоды SF56, имеющие ROB.13 = 80 МОм и сохраняющие свою работоспособность при частоте 1000 кГц. Для диода 20, работающего в цепи выпрямленного тока, следует выбрать диоды с наибольшим значением допустимого обратного напряжения UOB т.к. в режиме XX к его электродам будет приложена разность выходных напряжений блоков 12 и 13, т.е. почти 3,3 кВ. Если взять, например, диод HER508, у которого прямой ток 5A, UOB = 1000В, ROB.I3 = 100 МОм, то потребуется 4 диода этого типа, соединенных последовательно. В этом случае значение эквивалентного обратного сопротивления UOB2O составит 400 МОм.
Следовательно, при выполнении (2.39) падением напряжения на резисторе 21 можно пренебречь и конденсатор 22 с момента включения схемы начинает заряжаться по экспоненциальному закону через резистор 21 (и внутреннее сопротивление блока 12). Как только напряжение на его обкладках достигает значения зажигания, в горелке НЛВД возникает искровой пробой, конденсатор 22 разряжается, диод 20 открывается и напряжение с конденсатора 19 поступает на электрод НЛВД 16.
Если при этом лампа не зажигалась конденсатор 22 начинает снова заряжаться наступает новый искровой пробой горелки и т.д.
Кстати, на этом принципе заряда-разряда RC-цепи с использованием газоразрядных ламп (газонаполненные диоды, тиратроны и др.) в свое время создавались релаксационные генераторы пилообразного сигнала [139].
Емкость конденсатора С22 определяется минимальным значением запасенной в нем энергии Q, обеспечивающей надежное зажигание лампы. По данным [94] для этого достаточно накопить в конденсаторе 1 мДж.
При экспериментальной проверке работоспособности действующего образца двухтрансформаторного ЭПРУ по рис.2.24 было установлено, что лампа зажигалась с вероятностью 0,95 при первом же импульсе.
При этом напряжение на выходе блока 13 до момента зажигания составляло лишь 80% от номинального.
В момент зажигания лампы на обмотке 10 потечет ток. Управляемый трансформатор 3 перейдет в режим насыщения и, как было описано в п.3.3, произойдет перераспределение напряжений между первичным цепями трансформаторов 2 и 3. Напряжение на выходе блока 13 повышается до номинального значения питания НЛВД, а блока 12 - падает.
Снижение напряжения на выходе блока 12 вызвано не только ранее описанными процессами насыщения управляемого трансформатора, но и свойствами маломощной несимметричной схемы умножения, обладающей большим внутренним сопротивлением и малым запасом энергии в накопительных конденсаторах (Даже измерить это напряжение можно только с помощью электростатического вольтметра).
В этом режиме нагрузкой для блока 12 становится высокоомный резистор 21 и последовательно с ним соединенная НЛВД 16, сопротивление которой несоизмеримо меньше, чем R21. потенциал узла а (рис.2.24) будет определяться напряжением разгорания лампы, которое через 2...4 минуты поднимается до номинального значения.
Потенциал узла Ъ будет равен «просевшему» значению напряжения на выходе блока 12. разность этих потенциалов выделится в виде падения напряжения на резисторе 21. Следовательно, в процессе горения лампы блок 12 участия не принимает.
Но в момент погасания лампы по каким-либо причинам «на выручку» приходит блок 12, восстанавливающий процесс ее горения.
Также включение блоков 12 и 13 позволяет обмотки 8 и 9 управляемого трансформатора выполнить самым возможно тонким проводом с целью увеличения количества витков и повышению напряжения на них в режиме XX.
Кроме того, получение требуемого значения выходного напряжения на выходе блока 12 можно получать путем изменения количества ступеней ум-ножения,что несколько проще, чем увеличение числа витков в катушках 8и 9.
Эта особенность рассматриваемого устройства по сравнению с исходным вариантом (по рисунку 2.13) позволила произвести перераспределение первичных напряжений между обмотками 6 и 7 трансформатора 3 и обмоткой 4 трансформатора 2 в пользу последнего, подняв в режиме XX напряжения на выход блока 13 до 75.. .80%. 2.7.2 Основные требования к диодам в схеме умножения: постоянное обратное напряжение не мене 2V2Us, максимальная частота не менее /в, обратное сопротивление КОБ - как можно больше. Прямой ток диодов в данной схеме, работающей по существу без нагрузки, влияет лишь на их стоимость. С учетом этого можно рекомендовать диоды: FR104, 1N5395 или аналоги. Так, например диода FR104: UOEP = 400В; ЯОБР=80МОМ; /МАХ=Ю00кГц. Количество диодов в каждой ступени умножителя определяется по допустимому обратному напряжению, исходя из условия UOBP 2V2(U8+U9).
Значения емкостей накопительных конденсаторов определяется постоянной времени их разряда Тр через обратное сопротивление ROE В течение к полупериодов питающего напряжения: к - количество ступеней умножения. Если умозрительно принять, что за этот период времени, равный 0,5к//в каждый конденсатор с емкостью С# разрядится на 1%, то это условие с учетом экспоненциального характера разряда можно представить в виде уравнения
Описание экспериментальной установки действующего макета системы управления НЛВД, питаемой постоянным током при осуществлении полного цикла выращивания рассады
В экспериментальной установке в качестве регулируемого источника постоянного напряжения применили более доступный в лабораторных условиях однотактный выпрямитель по схеме Миткевича на базе трехфазного автотрансформатора, сочлененного с электродвигательным однооборотным механизмом МЭО 40-0,63/0,63.
Для управления МЭО с целью реализации технологии переменного облучения был выбран ПЛК100 P-L. На рисунках 3.12, 3.13 представлены схема и внешний вид этой установки. Установка подключена к сети через трехфазный счетчик электрической энергии ЦЭ6850М.
Через такой же автотрансформатор и счетчик электрической энергии подключена к сети через контакты КМ НЛВД в контрольном блоке. Разумеется, что лампа питается от одной секции (фазы) автотрансформатора. Две другие работают в режиме XX.
Такая схема устраняет разность в показаниях счетчиков, которая могла бы возникнуть за счет энергопотребления самого автотрансформатора в случае использования его только в одном блоке.
Кроме того, с помощью второго автотрансформатора и люксметра можно выравнивать максимальные уровни освещенности в этих блоках (по (10 ± 0,8) клк в каждом).
Так как выходной вал этого МЭО может перемещаться в пределах 0,63 рад (225), т.е. от 0% до 100% его возможного хода за 63 с, то в наших условиях этот диапазон ограничен пределами 75%-100% .
Программа для ПЛК представлена на рисунке 3.14.
Для перемещения регулируемого органа в указанных границах потребовалось бы всего 16 с, т.е. четверть от полной продолжительности. Поэтому, чтобы уменьшить среднюю скорость изменения напряжения питания НЛВД как при его снижении так и при его подъеме, в программе установлены функциональные блоки F1 и F2, реализующие принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
При этом количество импульсов на включение — отключение двигателя М в МЭО (рисунок 3.12) будет ограничиваться автоматически при срабатывании конечных выключателей SQ1 (при достижении нижнего предела, примерно равного {15%) и SQ2 (при достижении 100% уровня освещенности). Регулировка этих пределов выполнялась с помощью кулачков Ъ и с так, чтобы в контрольной точке фитокамеры обеспечить требуемые уровни освещенности (5 и 10 клк, соответственно) при реализации технологии переменного облучения.
Вся аппаратура управления и приборы контроля (за исключением датчиков и исполнительных механизмов) расположены вне камеры в относительно постоянных температурно-влажностных условиях, что исключает погрешности измерений.
Был проведен анализ технических решений, позволяющих производить дистанционный мониторинг объектов регулирования. Рассматривались варианты использования среды MasterScada. Однако, в демо-версиях программы существует ряд ограничений, не позволяющих использовать ее для круглосуточного контроля за системой автоматического управления экспериментальной тепличной камерой.
Наиболее оптимальным решением поставленной задачи с нашей точки зрения является использование Remote desktop protocol (RDP протокол). RDP - это протокол прикладного уровня, разработанный Microsoft и используемый для обеспечения удаленной работы пользователя с сервером (рис.4.6) [165].Роль сервера в нашем случае выполняет ПК с подключенными устройствами управления тепличной камерой (самописцем, регуляторами) с операционной системой Microsoft Windows 7 [124].
Предлагаемая технология позволила производить контроль за работой экспериментальной фитокамеры и устранить несколько нештатных ситуаций, вызванных отключением электроэнергии.
Представленный способ является относительно дешевым и надежным, что позволяет успешно использовать его для круглосуточного дистанционного мониторинга системы автоматического управления экспериментальной тепличной камерой.
Экспериментальное исследования режимов работы НЛВД в режиме постоянного тока
В рамках рассматриваемого вопроса представляется интересным выбор наибольшего допустимого «мертвого времени» при котором не будет происходить погасания лампы. В связи с чем, был поставлен простой эксперимент, заключается в постепенном наращивании времени Ти (рис.3.6) начиная с 20 мкс до момента погасания. Были испытаны три лампы ДНАТ400. В результате было установлено, что для лампы ДНаТ400 при номинальных параметрах режима питания среднее значение Ти составляет (1950±60) мкс, что подтвердило ранее опубликованные сведения [116] и принятые за основу при проведении теоретического анализа (п.2.1).
Для дальнейших экспериментальных исследований с целью снижения вероятности выхода из строя силовой части экспериментальной установки было выбрано время переключения 500 мкс.
Для удобства проведения эксперимента были приняты следующие обозначения: первый электрод - электрод горелки, расположенный ближе к цоколю лампы, второй электрод - электрод, расположенный дальше от цоколя НЛВД.
При запуске лампы на дисплее 1 (рисунок 3.5) высвечивалось время (в секундах). При появлении расслоения фиксировались эти показания. Нажатием кнопки S8 (рисунок 3.5) они обнулялись. Коммутатор менял полярность на лампе и начинался новый отсчет показаний.
В таблице 4.1 показаны зафиксированные минимальные ТМш и максимальные ТМАХ значения этих интервалов для каждой лампы из десяти циклов переключений и усредненные значения Ен и ЕР. При этом поддерживалось постоянство электрических параметров (напряжение питания, ток лампы).
Как показали проведенные исследования (табл.4.1...4.4) продолжительность цикла горения НЛВД с момента переключения до наступления явления расслоения плазмы зависит от многих факторов.
Прежде всего, от номинальной мощности лампы (табл.4.1). Чем мощнее источник света, тем короче этот временной интервал. Так у ДНаТ400 по сравнению с ДНаТЮО в среднем происходит уменьшение этого параметра в 2 раза. Во вторых, от индивидуальных скрытых от нас свойств каждой лампы. Как следует из таблицы 4.1 этот разброс может превышать почти 50%. В третьих, от полярности электродов, что приводит к разбросу, достигающему для отдельных ламп 10%. В четвертых, самая существенная зависимость - отрежима питания: напряжения сети и тока лампы (табл.4.2...4.4). Так в пределах ±10% изменения питающего напряжения от номинального уровня время горения меняется почти в 2 раза. Этот недостаток сразу же ставит новую проблему: как управлять световым потоком такой лампы при использовании ее в технологии переменного оптического облучения рассады?
Кроме того, как показали наши дополнительные исследования, которые трудно свести к каким-либо таблицам или графикам в силу значительной непредсказуемости результата, при подключении НЛВД к источнику постоянного тока состояние плазмы в газоразрядном промежутке зависит от режима работы НЛВД, существовавшего в момент ее последнего отключения, даже если между моментами отключения и последующего включения прошло значительное время, достаточное для ее охлаждения.
Так в процессе эксперимента было замечено, например, если НЛВД, имеющая фиксированный девятиминутный цикл смены полярности была отключена от источника постоянного тока после смены полярности через 8 минут, т.е. приблизительно за 1 минуту до наступления явления расслоения плазмы и затем, спустя какое-то время снова подключена к этому источнику с сохранением предыдущей полярности, то примерно 1 минуту она будет работать в нормальном режиме. Затем наступит режим расслоения плазмы разряда и последующие 8 минут до окончания цикла лампа будет оставаться в этом режиме.
Если бы в этом же примере лампу отключить не через 8 минут, а через 3 минуты, то при повторном подключении к источнику постоянного тока на девятиминутный цикл НЛВД будет гореть в нормальном режиме не 1 минуту, как в предыдущем примере, а примерно 6 минут, после чего произойдет расслоение плазмы и оставшиеся до окончание цикла 3 минуты она будет работать в этом режиме. Следовательно, НЛВД в режиме питания ее постоянным током обладает своеобразной «памятью», что, возможно, связано с конечной скоростью переноса ртутно-натриевой амальгамы от анода к катоду.
Это явление еще раз подтверждает нецелесообразность коммутации полярности питающего напряжения с фиксированной частотой.
Но самым интересным (с позиции продолжения научных исследований в этом направлении) является вывод, что снижение светового потока НЛВД при расслоении плазмы в ее горелке может послужить наиболее достоверным сигналом этого явления и командой для срабатывания коммутатора смены полярности.
Действительно, если для ДНаТ400 этот момент характеризуется снижением напряжения горения на 13...25%, тока лампы всего то на 2...5%, то уменьшение уровня освещенности в контрольной точке на 54...78%!
Кроме того, сам процесс расслоения плазмы и ее восстановление после смены полярности происходит практически мгновенно.
Как показала экспериментальная проверка температурных режимов электродов НЛВД при питании лампы постоянным током (таблица 4.5) температура электрода, являющегося анодом, выше температуры электрода - катода.
Сравнивая данные представленные в таблицах 4.5 и 4.6, можно сделать вывод, что температуры электродов являющихся анодами в режиме питания постоянным током соизмерима с температурами электродов при питании их током промышленной частоты, что позволяет использовать НЛВД в режиме питания постоянным током.
