Vertikalių ūkininkavimo sistemų maitinimo keitiklių projektavimas: įveikiant 100 % drėgmę ir LED šuolių ciklus

Įvadas: Šiuolaikinės patalpose vykdomos žemdirbystės milžiniškos elektros reikmės

Komercinis vertikalus ūkininkavimas yra aukštos technologijos sprendimas pasaulinės maisto saugos, dirvožemio nykimo ir klimato nestabilumo problemoms. Vertikaliai stumdami augalus ir naudodami tikslų aplinkos kontrolės sistemas vertikalūs ūkininkavimo ūkiai pasiekia iki dvidešimt kartų didesnius derlius nei tradicinis ūkininkavimas. Tačiau šis didelis produktyvumas labai priklauso nuo energijos. Vertikalūs ūkininkavimo ūkiai remiasi milžiniškomis aukštos intensyvumo LED auginamųjų lempų grupėmis, sudėtingomis hidroponinėmis ar aeroponinėmis siurblinėmis sistemomis bei sudėtingomis šildymo, vėdinimo ir oro kondicionavimo (HVAC) tinklais.

Iš elektros inžinerijos požiūrio vertikali ūkininkavimo sistema yra labai nepalanki aplinka galios elektronikos įrenginiams. Šimto procentų santykinė drėgmė, automatinis vandens purškimas ir milijonų šviesos diodų (LED) greiti, didelės galios jungimo ciklai sukuria unikalius iššūkius. B2B projektų kūrėjams ir ateities technologijų žemės ūkio architektams reikia suprojektuoti galios keitimo sistemas, kurios būtų patikimos šiomis sunkiomis sąlygomis, kad būtų išvengta perlaikos įrangos gedimų ir užtikrintas nuolatinis derliaus auginimas.

K: Kokios inžinerinės sąlygos turi būti įvykdytos, projektuojant galios keitimo sistemas vertikaliame ūkininkavime, kad jos atlaikytų 100 % drėgmę ir ekstremalius LED apkrovos jungimo ciklus?

Atsakymas:

Vertikalių ūkininkavimo sistemų energijos konversijos sistemų projektavimas reikalauja išspręsti dvi pagrindines problemas: absoliutų aplinkos apsaugą nuo drėgmės ir aktyvų didelių įjungimo srovės viršūnių valdymą, kurios kyla dėl LED šviesos diodų jungimo. Inžinieriai sprendžia aplinkos pavojų naudodami maitinimo blokus su įėjimo apsaugos (IP67 arba IP68) klasifikacija, hermetiškai užsandarintus aliuminio korpusus, specialias izoliuojančias dangas visuose spausdintųjų plokščių rinkiniuose (PCB) ir pasirenkant neaktyvią laidumine šilumos šalinimo sistemą vietoj ventiliatorių.

Norint valdyti LED ciklinimo sukeliamą elektrinį apkrovimą, sistemos architektai įdiegia minkštųjų paleidimų valdymo sistemas, naudoja aktyviuosius galingumo koeficiento korekcijos (PFC) modulius, nurodo aukšto įsijungimo srovės reitingo grandinės apsaugos komponentus ir integruoja protingas centrinės nuolatinės srovės maitinimo skirstymo architektūras. Šios inžinerinės priemonės mažina bendrą harmonikų iškraipymą, pašalina laikinus įtampos kritimus vietinėje mikrotinklo sistemoje ir padidina energijos konvertavimo įrangos tarnavimo trukmę taip, kad ji atitiktų šiuolaikinių vertikaliųjų ūkininkavimo įrenginių penkiolikos metų eksploatacijos tikslus.

Aplinkos grėsmės sprendimas: šimtaprocentinis drėgnumas ir kondensatas

Vertikaliame ūkininkavimo patalpų lange drėgmė yra nuolatinė. Iš arti vienas kito augančių pasėlių transpiracija, automatinės purškimo sistemos ir temperatūros pokyčiai sukelia kondensato susidarymą šaltose metalinėse paviršiuose. Kai vandens lašai susidaro ant veikiančių elektros komponentų, jie sukelia trumpuosius jungimus, vario koroziją ir elektrocheminį dendritų augimą, dėl ko sistema nedelsiant sužlunga.

• Hermetiškas sandarinimas ir įėjimo apsaugos (IP) klasifikacija: Standartinės patalpų viduje naudojamos energijos elektronikos sistemos remiasi oro aušinimo ventiliatoriais, kurie per circuito plokštę priverčia išorinį orą. Vertikalioje ūkininkavimo sistemoje tai greitai sukeltų drėgno, korozinio oro patekimą prie veikiančių komponentų. Vertikaliame ūkininkavime naudojami energijos konvertavimo įrenginiai turi būti visiškai užsandarinti aliuminio korpusais su įėjimo apsaugos (IP) klasifikacija IP66 arba IP67. Tai neleidžia jokiam drėgmei, dulkių dalelėms ar ore plūduriuojantiems maistiniams medžiagoms patekti į energijos modulį.
• Šiluminis užpildymas ir apsauginė danga: Visiškai užsandarintame maitinimo šaltinyje komponentai turi būti apsaugoti nuo likusios vidinės drėgmės ir nuo vibracijos. Visos spausdintosios grandinės plokštės turi būti padengtos aukščiausios kokybės silikonine arba poliuretanine apsaugine danga. Be to, kritiniai stipriai įkaitantys komponentai yra užpildyti šiluminiu užpildymo mišiniu. Šie mišiniai visiškai izoliuoja elektroniką, tuo pačiu perduodami vidinę šilumą į išorinį aliuminio korpusą.
• Šilumos laidumu aušinama inžinerija: Kadangi korpusai yra hermetiškai užsandarinti, negalima naudoti aušinimo ventiliatorių. Maitinimo šaltiniai turi būti suprojektuoti veikti pasyviai šilumos laidumu aušinami. Šiluminė energija išsisklaidoma per maitinimo šaltinio fizinį korpusą į vertikalių auginimo lentynų konstrukciją arba tiesiogiai į šalto plokščio šilumos laidumo aušinimo kontūrą. Tai reikalauja labai efektyvių elektrinių schemų, kurios mažina vidinę šilumos išsiskyrimą.

LED perjungimo ciklų elektrinių apkrovų valdymas

Skirtingai nuo tradicinės žemės ūkio apšvietimo, LED auginimo lempos įsijungia ir išsijungia greitai, kad imituotų natūralius šviesos laikotarpius arba vykdytų sudėtingus cirkadinio ritmo impulsų ciklus. Nors LED lempos yra labai efektyvios, vienu metu įjungiant didelius LED masyvus kyla didžiulių laikinų srovės smūgių elektros tiekimo sistemoje.

• Didelės įjungimo srovės sumažinimas: Kai įsijungia milijonai LED šviesos diodų, LED valdymo įrenginių talpinių įėjimų įkrovimas sukuria didelę įjungimo srovės bangą. Ši banga gali būti iki penkiasdešimt kartų didesnė už normalią veikimo srovę ir trukti kelias milisekundes. Jei ši laikina banga nekontroliuojama, ji gali aktyvuoti apsaugos automatus, pažeisti jungiklių kontaktus ir sukelti reikšmingus įtampų kritimus vertikaliojo ūkininkavimo mikrosistemos tinkle. Inžinieriai šią problemą išsprendžia įdiegdami aktyviuosius įjungimo srovės ribotuvus, pvz., NTC termistorius su aplenkimo rele, taip pat įdiegdami minkštą įsijungimą reguliuojančius profilius centrinėse maitinimo sistemose.
• Aktyvioji galios koeficiento korekcija (PFC): LED maitinimo šaltiniai turi užtikrinti aukštą elektros energijos naudingumo koeficientą, kad būtų išvengta tinklo baudų ir sumažintas šilumos išsiskyrimas. Aukštos kokybės aktyviosios galios koeficiento korekcijos (PFC) grandinių įdiegimas užtikrina galios koeficientą, didesnį nei 0,98. Taip pat tai padeda išlaikyti bendrąjį harmonikų iškraipymą (THD) žemiau 10 procentų, neleidžiant žalingoms harmonikoms iškraipyti vietinę kintamosios srovės (AC) skirstomąją sistemą.
• Centrinė nuolatinės srovės (DC) energijos skirstymo sistema prieš išsklaidytą kintamosios srovės (AC) sistemą: modernioje žemės ūkio technologijoje vis dažniau naudojama centrinė nuolatinės srovės energijos skirstymo sistema. Vietoj atskirų aukšto įtampos kintamosios srovės laidų, vedančių į kiekvieną šviesos diodų (LED) valdiklį augimo lentynose, centrinė maitinimo stotis keičia tinklo kintamosios srovės energiją į stabilų nuolatinės srovės magistralinį tinklą (pvz., 380 V DC). Ši stabilioji nuolatinės srovės energija toliau paskirstoma per augimo takus supaprastintiems nužeminamiesiems konvertoriams (buck-converter), kurie valdo LED lempas. AC-DC konversijos centralizavimas supaprastina lentynų konstrukciją, sumažina apkrovą vertikalioms konstrukcijoms ir jautriąją maitinimo elektroniką įrengia specialioje, klimatu kontroliuojamoje elektros patalpoje, nutolusioje nuo drėgno augimo zonų.

Sunkiosios naudotos technikos maitinimo sprendimų tiekimas su JYINS Electrical

Kaip patikimas pramoninės energijos konversijos partneris, JYINS Electrical projektuoja aukšto naudingumo off-grid ir hibridinius invertorius, nuolatinės srovės–nuolatinės srovės (DC-DC) konvertorius bei specializuotus maitinimo blokus, kurie puikiai veikia kietose, didelės drėgmės aplinkose. B2B vertikaliosios žemės ūkio kūrėjai naudojasi mūsų griežta inžinerine standartų sistema:

• Jūrinės klasės korozijos apsauga: taikome antikorozines apdorojimo priemones ir patikimus anodizuotus paviršius mūsų aliuminio korpusams, kad apsaugotume juos nuo cheminių dezinfekcinės priemonių ir aukštos druskos koncentracijos žemės ūkio aplinkos.
• Aukščiausios kokybės apsauginis dengimas: kiekvieną JYINS gamintoją plokštę automatiškai padengiame dvigubu apsauginiu dengimu, užtikrindami visišką izoliacinio barjero dengimą nuo kondensato.
• Pažangus puslaidininkių pasirinkimas: pasirenkame aukštos temperatūros veikimo kondensatorius ir mažų nuostolių puslaidininkius, kad užtikrintume, jog mūsų įrenginiai nepertraukiamai veiktų pilna nominaliąja galia laidymo būdu aušinamos aplinkos sąlygomis.
• Atitiktis tarptautinėms standartų reikalavimams: mūsų įranga atitinka ir viršija CE, RoHS bei kitus tarptautinius saugos standartus, supaprastindama vietinės atitikties procedūras žemės ūkio technologijų projektų kūrėjams.

Žemės ūkio technologijų inžinierių geriausios praktikos tiekiant ir integruojant įrangą

Kai nustatote energijos konvertavimo įrangą vertikaliam žemės ūkio projektui, taikykite šiuos keturis inžinerijos principus:

• Nurodykite tik pasyvią aušinimą: vengti maitinimo šaltinių su aktyviais vidiniais ventiliatoriais, kurie naudojami auginimo zonose. Ventiliatoriai yra fizinis verslo nutraukimo taškas ir į elektroniką įtraukia drėgną orą.
• Įdiegti centralizuotas nuolatinės srovės (DC) architektūras: maitinimo konvertavimo centralizavimas supaprastina priežiūrą, pašalina šilumos šaltinius iš augalų ir sumažina rėmelio bokštų konstrukcijos svorio ribas.
• Naudoti fazėmis persidengiančius apšvietimo ciklus: programuoti LED auginimo šviesos bankus taip, kad jie įsijungtų nuosekliai, fazėmis persidengiančiomis grupėmis (pvz., kas 10 sekundžių), kad būtų išvengta didelės vienkartinės įsijungimo srovės smūgio mikrotinkle.
• Reikalauti išsamios IP patvirtinimo informacijos: visada reikalauti patikrintų IP bandymų ataskaitų iš tiekėjų, kad būtų užtikrinta, jog jų korpusai buvo išbandyti stiprių vandens srautų sąlygomis ir ilgalaikės drėgmės poveikio sąlygomis.

Apibendrinant, vertikalusis žemdirbystės būdas atstovauja pelningai ir tvariai ateities maisto sistemai visame pasaulyje, tačiau jo naudingumas priklauso nuo patikimos ir labai efektyvios energijos tiekimo infrastruktūros. Projektų kūrėjai, kuriantys įrenginius su IP67 aplinkos izoliacija ir įdiegdami aktyvią virštolerancinę bei įjungiamąją srovę kontroliuojančią sistemą, gali statyti vertikaliuosius žemdirbystės objektus, kurie veikia patikimai, derliaus po derlių, metų metais.