Г л а в а 6. ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ
Электротехнологией называют непосредственное использование электрофизических факторов в технологических процессах для целенаправленного изменения формы или состояния обрабатываемых объектов.
К электрофизическим факторам относят: магнитное и электрическое поля, электрический ток и ионизирующие излучения. Находят применение постоянные и переменные поля, постоянный и импульсный токи низкой и высокой частоты, рентгеновское и гамма-излучение.
Электрофизические факторы в зависимости от вида и интенсивности могут оказывать на материалы механическое, тепловое и химическое воздействия. Специфическое влияние этих факторов на биологические объекты ускоряет или замедляет рост и развитие животных, растений и микроорганизмов.
Характерной особенностью и преимуществом электротехнологии является высокое качество и производительность технологических процессов, зачастую при несоизмеримо малых затратах электрической энергии.
Электротехнологию стремятся применить там, где она повышает качество и количество продукции, увеличивает производительность труда и экономически оправдана.
В настоящее время известно много видов электротехнологии в сельском хозяйстве. Отдельные ее виды используются широко, а другие находятся еще в стадии исследования и разработок. Однако в целом применение электротехнологии в сельскохозяйственном производстве весьма перспективно, и она развивается очень быстро.
Для осуществления отдельных процессов электротехнологии в нашей стране и за рубежом создано большое количество технических средств, многие из них выпускаются промышленностью.
ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ ТЕХНИКА
Электроимпульсная техника основана на полезном использовании энергии электрического импульса в обрабатываемой среде.
На практике используют различные по форме импульсы электрического тока и источники их формирования.
Наиболее распространены формирователи импульсов с накопительным конденсатором. На рисунке 6.1, а показана схема простейшего формирователя импульсов для электроискровой обработки металлов. При подведении постоянного напряжения на конденсаторе С накапливается электрический заряд до значения разрядного напряжения пробоя Ua между электродом-инструментом и обрабатываемой деталью. Между ними возникает искровой электрический разряд, вызывая термическую эрозию и съем металла с поверхности детали.
Формирователь импульсов всегда имеет некоторую индуктивность разрядного контура, вызывая небольшое обратное напряжение, и электрические процессы имеют автоколебательный характер.
Электрический импульс характеризуется следующими основными параметрами: энергией, мощностью и временем.
Рис. 6.1. Схема формирователя электрических импульсов (а) и графики изменения тока и напряжения импульса (б):
R3 — переменный зарядный резистор. С — накопительный конденсатор; I — ванна с рабочей жидкостью (вода, керосин и др.); 2 — электрод-инструмент; 3 — обрабатываемая деталь.
Частоту импульсов регулируют изменением значений R3 и С.
К. п. д. разрядного контура формирователя импульсов достигает 80... 90%.
Съем металла при электроискровой обработке деталей составляет от 0,8 до 3,6 г/мин. Напряжение 50... 110 В. Энергия импульса при прорезании пазов в различных материалах составляет 1,7... 2,3 Дж.
Искровой электрический разряд можно применить также для предуборочной обработки подсолнечника, ускоряющей подсушивание семян, воздействия на всходы растений в целях прореживания, для обмолота зерна и др.
Электрогидравлический эффект является разновидностью электроимпульсной (электровзрывной) обработки. Он состоит в том, что при высоковольтном разряде в жидкости вокруг зоны разряда возникают импульсные сверхвысокие давления, передаваемые распространяющимися волнами, создавая явление кавитации (разряжение жидкости). Жидкость раздвигается и смыкается, создавая кавитационные удары, разрушающие или деформирующие объекты, помещаемые в жидкость вблизи разряда. При этом давление на фронте первой ударной волны подобно взрыву достигает сотен миллионов паскалей.
Рис. 6 2. Принципиальная схема генератора импульсов тока электрогидравлической установки.
На рисунке 6.2 показана принципиальная электрическая схема генератора импульсов тока. Основные узлы генератора: зарядная цепь с кенотроном V и накопительной емкостью С, коммутирующее устройство Е1 и рабочий искровой промежуток Е2, помещенный в жидкость и представляющий собой нагрузку генератора.
Коммутирующим устройством Е1 является воздушный или газовый промежуток, формирующий импульс электрического тока при разряде. Разрядное напряжение достигает нескольких десятков киловольт. Емкость батареи конденсаторов С обычно находится в пределах 0,1 ... 4-10~6 Ф.
Максимальное давление (кПа), развиваемое в канале разряда, оценивается эмпирической формулой:
(6.6)
где Uа — разрядное напряжение, В; L — индуктивность разрядного контура, мкГ; I — длина канала разряда, см.
В сельскохозяйственном производстве электрогидравлический эффект можно использовать для обработки металлов давлением, восстановления колец поршней, запрессовки труб, дробления и перемешивания материалов, обеззараживания навоза, очистки фильтров глубоких скважин, подъема воды и др.
Например, для очистки фильтров скважин, понизивших свой дебит в процессе эксплуатации, используют электрогидравлическую установку, смонтированную на автомобиле ЗИЛ-157. Установка состоит из импульсного генератора, соединенного с рабочим разрядником коаксиальным кабелем длиной 130 м. Рабочий разрядник опускают в скважину на уровень фильтра и подают напряжение 50 кВ с частотой 2 Гц. При этом энергия в импульсе достигает 5 кДж. Очистка фильтра скважины увеличивает дебит воды в несколько раз. Производительность установки достигает 100 скважин в год.
Электрические изгороди нашли широкое применение в животноводстве. Их используют для загонной пастьбы крупного рогатого скота, свиней, овец и других животных, а также для ограждения летних лагерей, выгульных площадок, стогов сена, прогонов скота и других мест, охраняемых от животных.
Рис. 6.3. Принципиальная электрическая схема генератора импульсов ИЭ-200.
Электрическая изгородь состоит из ограждения, генератора электрических импульсов высокого напряжения (электропульсатора) и источника питания.
Ограждение выполняется в один или несколько (в зависимости от вида животных) рядов мягкой стальной оцинкованной проволоки диаметром 1... 1,5 мм, подвешенной на изоляторах опорных стоек и соединенной с генератором импульсов. При прикосновении животного к изгороди оно получает легкий электрический удар, который его отпугивает, не причиняя вреда.
Заслуживают внимания электрические изгороди ИЭ-200 с бесконтактными электропульсаторами электронного типа, рассчитанные на одновременное ограждение площади до 4 га.
На рисунке 6.3 показана принципиальная электрическая схема генератора импульсов ИЭ-200 с источником питания.
Источником питания генератора импульсов служат четыре сухих батареи БАС-Г-60 (60 В каждая) или однофазная сеть переменного тока напряжением 220 В.
Главным узлом электрической схемы генератора импульсов является зарядно-разрядный контур, состоящий из конденсатора С2, сопротивлений R3, R4 и R5, тиристора V4 и первичной обмотки импульсного высоковольтного трансформатора Т.
Питание пульсатора от батареи сухих элементов или от сети переменного тока включается переключателем S 1.
Тумблер S2 служит для переключения схемы с режима «меньше» на режим «больше», при котором параллельно зарядно-разрядному конденсатору подключаются дополнительно емкости С3 и С4 для получения импульса большей силы.
Тумблер S3 служит для переключения с автоматического режима работы на ждущий режим.
В автоматическом режиме пульсатор непрерывно генерирует электрические импульсы напряжением 6... 8 кВ и силой тока, зависящей от положения переключателя «меньше» или «больше». Режим «больше» служит для выработки у животных условного рефлекса боязни электрической изгороди.
В ждущем режиме напряжение, возникающее на емкости С2, через замкнутые контакты К1 и S3 подается на вторичную обмотку трансформатора Т и на линию изгороди. Импульс высокого напряжения на изгороди появится только при прикосновении к ней животного, когда замыкается цепь тока от линии изгороди через тело животного на землю. Сила тока в этой цели составляет 0,1мА. При этом заряжается емкость С5 до напряжения зажигания тиратрона V3, управляющего открытием тиристора V4, который включает трансформатор Т, образуя высоковольтный импульс. Импульс появляется при снижении изоляции ниже 1,5 мОм или после прикосновения к ней животного через 0,2 с. Ждущий режим предусмотрен для контроля изоляции линии изгороди и уменьшения расхода электроэнергии при питании от батареи сухих элементов.
Диоды VI и V2 служат для однополупериодного выпрямления питающего тока электрической сети; сопротивления R1 и R2 — для выравнивания обратного потенциала на этих диодах; конденсатор С1 — для предохранения диодов от перенапряжения и предотвращения радиопомех. Диод V6 предназначен для защиты тиристора V4 от обратного перенапряжения.
Разрядник V5 изолирует от земли цепь управления тиратроном V3, и на нее не проникает импульс напряжения со стороны линии изгороди в ждущем режиме.
Оптимальная частота импульсов в пределах 50... 60 в минуту регулируется переменным сопротивлением R5.
Масса генератора импульсов с батареями питания составляет 11 кг. Срок службы батарей в автоматическом режиме достигает 185, а в ждущем — 6500 ч. Потребляемая мощность находится в пределах от 0,036 до 1,26 Вт.
Безопасная и эффективная работа электрической изгороди обеспечивается при соблюдении следующих требований.
Общее количество электричества, проходящее через тело животного при прикосновении к изгороди, не должно превышать 3-10~3 Кл (то есть 3 мА-с). В этом случае импульс тока через сопротивление 500 Ом должен иметь амплитуду не более 1000 мА при частоте импульсов не более 120 в минуту. Самодельные электропульсаторы, безопасность которых не доказана государственными испытаниями, эксплуатировать запрещается.
Перед включением корпус генератора импульсов должен быть заземлен путем соединения кронштейна заземления с клеммой «Земля» генератора импульсов. Рабочее заземление электрической изгороди не должно иметь электрической связи с рабочим и защитным заземлением электроустановок. Свободные концы выводов батарей должны быть изолированы.
Подвеска провода электрической изгороди по опорам линий высокого и низкого напряжения не допускается. Электрическая изгородь должна иметь разрядники в нескольких точках для снятия возможных атмосферных перенапряжений.
