CN111629591A - 杂草灭活设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种杂草灭活设备，其包括至少一个电极，由此至少一个电极针对杂草。杂草活化设备使能杂草控制而不利用有毒除草剂。

Description

杂草灭活设备
本发明涉及一种杂草灭活（weed inactivation）设备，其包括至少一个电极，由此至少一个电极针对（direct to）杂草。
为了控制种植园（plantation）中或农作物田（crop field）中的杂草，利用除草剂是众所周知的，其在某程度上具有植物特定效果。而想要的农作物对使用的除草剂不太敏感，不想要的杂草则由于除草剂有毒效果而恶化。为了控制环境的除草剂污染，以如下方式产生这些也是众所周知的：借助于太阳的紫外辐射或通过微生物代谢（metabolism）它们化学恶化（deteriorate）。虽然除草剂是可生物降解的或通过物理手段降解，但是除草剂污染是对生物圈的严重威胁。
为了克服除草剂污染，将希望通过除有毒物质之外的其他手段灭活不想要的杂草。
该特定问题可以通过一种杂草灭活设备来解决，所述杂草灭活设备包括至少一个电极，由此至少一个电极针对杂草。
理想地，植物电死（electrocution）的功效可以被认为是二元的，即具有两个保留（stets）：植物是死的或其不是死的。该功效可以被考虑为个体植物的根所需的致命能量消耗（fatal energy consumption）与根系（root system）的体积之间的关系。该关系可能逐个植物以及由于条件（温度，湿度等）而略有不同，但是所需的致命能量消耗与植物的根体积成正比：
Figure 373905DEST_PATH_IMAGE001
其中
-
Figure 233277DEST_PATH_IMAGE002
是在确定的条件中的该具体植物的电敏感性常数；
-
Figure 156627DEST_PATH_IMAGE003
是N植物根处的能量消耗；
-
Figure 330119DEST_PATH_IMAGE004
是N植物的根系的体积。
从理论观点来看，植物可以被看作两个串联电阻。关于系统性植物控制的功效是杀死植物的根系而不是空气系统（air system）的直接后果。如果植物的空气系统受到一定程度的损害，植物可能恢复，但是如果其根系变得不能将养分（nutrient）输送到植物的其余部分，则其将必然死亡，其必然将因养分缺乏而死亡。
总植物电阻
Figure 403117DEST_PATH_IMAGE005
是两个电阻
Figure 371073DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 280255DEST_PATH_IMAGE007
之和。
Figure 991859DEST_PATH_IMAGE008
Figure 919363DEST_PATH_IMAGE009
：减少对电除杂草的个体植物敏感性
Figure 58221DEST_PATH_IMAGE010
：增加对电除杂草的个体植物敏感性
Figure 641649DEST_PATH_IMAGE011
代表空气中植物部分的电阻并且
Figure 202949DEST_PATH_IMAGE012
代表土壤中植物部分的电阻（图21）。
不同的植物种类具有个体不同最小植物能量消耗。将总植物电阻
Figure 188223DEST_PATH_IMAGE013
考虑为两个电阻
Figure 560298DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 631022DEST_PATH_IMAGE007
之和，作为欧姆定律的直接后果，即电压（electrical tension）U与电流I并且与系统中的电阻R成正比。
欧姆定律：
Figure 878902DEST_PATH_IMAGE014
从中可以得出，流经整个植物的电流（I）的量将是
Figure 718682DEST_PATH_IMAGE015
。
由于功率由以下给出：
Figure 996080DEST_PATH_IMAGE016
并且能量是时间中施加的功率，由以下给出：
Figure 288521DEST_PATH_IMAGE017
因此，根据以下等式，给定设置电压（set voltage）U和施加该电压的设置时间量，总电阻
Figure 411198DEST_PATH_IMAGE018
越低意味着流经整个植物的能量越多：
Figure 105484DEST_PATH_IMAGE019
因此，植物总电阻增加与能量消耗成反比。
与每个个体植物种类的个体和不同的植物能量消耗有关，归因于空气系统体积/根系体积比的个体植物敏感性也有所不同。给定设置总植物电阻
Figure 632412DEST_PATH_IMAGE020
和施加的设置能量，由于目标是杀死植物的根系并且不是杀死空气系统，所以根系消耗的能量
Figure 677728DEST_PATH_IMAGE021
受到空气系统消耗的能量
Figure 387451DEST_PATH_IMAGE022
的影响：
Figure 936244DEST_PATH_IMAGE023
因此，在根系处消耗的总能量是：
Figure 86603DEST_PATH_IMAGE024
其中设置了电流
Figure 353636DEST_PATH_IMAGE025
、施加时间
Figure 552536DEST_PATH_IMAGE026
和总能量流
Figure 768885DEST_PATH_IMAGE027
。
因此，空气系统电阻
Figure 27828DEST_PATH_IMAGE028
越低意味着在根处消耗能量越多，并且因此对电除杂草的个体植物敏感性越高。由于总电阻
Figure 844475DEST_PATH_IMAGE029
是空气系统电阻与根系电阻之和
Figure 581486DEST_PATH_IMAGE030
考虑到不论空气系统发生了什么，如果根被杀死了，则植物就死了，所以以下为真：对于给定的总电阻
Figure 416456DEST_PATH_IMAGE031
，根系电阻越高意味着空气系统电阻越低。因此，在
Figure 846300DEST_PATH_IMAGE032
较高时，
Figure 884664DEST_PATH_IMAGE032
减少对电除杂草的个体植物敏感性并且在
Figure 425366DEST_PATH_IMAGE033
较高时，
Figure 68837DEST_PATH_IMAGE033
增加对电除杂草的个体敏感性。
还可以发现，植物个体上存在更多的叶子意味着更多的接触面积，因此，叶子越多意味着空气电阻越少并且根越多意味着接触面积越多，因此根越多意味着根电阻越少。
在下文中，在数学基础上定义了完善的植物电死系统的电变量及其相互作用（interaction）。利用下面的数学描述，系统的电阻与不同土壤和植物可能如何影响植物的功效之间的关系可以被进一步理解。结论应能够进一步解释和确定对系统的功效的影响的因素。在某些情况下，单个施加器（applicator）可能同时接触不止一个植物。在那些情况下，将通过施加器接触的所有植物划分消耗的能量。定义并联电阻的等效电阻的等式是：
Figure 607266DEST_PATH_IMAGE034
植物电死电阻电路（resistive circuit）是由土壤电阻加上由单个施加器接触的植物组成的并联电阻所形成，如图1的图中所示。
关于图1，理想的系统植物电死应具有以下特征：
- 系统的电压由变压器的次级侧定义，
- 系统始终递送标称功率，
- 当输出电阻负载正在变化时，电压立即调整自身以确保其以标称功率操作，
- 功率因数应是1。
这意味着，在该理想系统处：
Figure 385123DEST_PATH_IMAGE035
在下文中，着眼于植物的系统中的个体植物能量消耗。通过实验室测试，发现平均0.15m阔叶植物的致死（lethal）的能量的量通常从100-1,000（一百到一千）焦耳变化。在完善的植物电死设备中，变压器的电压U将针对变化的总电阻Rt随时调整自身，以确保在单位功率因数（unitary power factor）下其功率消耗等于总功率容量（power capacity）。对于植物电死而言可用的实际功率是系统递送的总功率减去土壤电阻消耗的功率：
Figure 276986DEST_PATH_IMAGE036
并且所得到的功率必须由植物N或者由除植物N之外的所有其他植物消耗：
Figure 774964DEST_PATH_IMAGE037
因此，可用于杀死任何具体植物的功率被确定为总功率减去土壤中损失的功率，减去用于电死其他植物的功率。
Figure 343348DEST_PATH_IMAGE038
根据欧姆定律，也可以将其视为：
Figure 559566DEST_PATH_IMAGE039
因此，可以得出结论，植物N的能量消耗是：
- 与总功率：
Figure 753656DEST_PATH_IMAGE040
成正比
- 与暴露的时间：t成正比
- 与施加的速率（velocity）成反比，这意味着暴露的时间成比例减少；
因此，可以进一步得出结论，在那之下，没有进一步改变的附加条款（proviso）（underthen proviso of no further changes）：
- 较高的土壤电阻减小功效；
- 较高的植物N电阻减小功效；
- 不包括植物N的植物系统上的较高电阻增加功效。
还可以得出结论，具有带有相似的电阻和相似的空气系统/根系的植物的系统将具有更均匀分布的功效。
在进一步的示范中，阐明了具有不同种类的功率使用的功效。在日本专利JP19991130中，Sayyou研究了直至〜1 kHz的植物电死，并且发现效率随着频率而增加，直至约DC的相同效率。在最近的尝试中，Sayyou发现其稳定在大约该相同的效率处，即使使用更高的频率。日本专利JP 19991130的公开的内容将是本公开的部分。
根据Sayyou的教导，当考虑个体植物时，不同植物对不同频率如何反应仍然是悬而未决的问题。预计不同的植物将具有不同的电阻特性，并且因此，在同时对较大量植物除杂草时，改变施加的频率以适应每一个植物将是艰巨的工程挑战。
来自现有技术的先前系统通常由一些或全部以下部件组成：系统的正弦电源（power source）。这通常可以是发电机组、耦合到拖拉机（tractor）的交流发电机、电源插座或任何其他电源。CLR电感器针对过电流流进行保护并且增加功率因数。电路的该步骤还可以包含/包括：保险丝、断路器、热磁断路器。另外，功率控制系统包括固态继电器（relay）或其他PWM（脉宽调制器）或功率控制部件，通常由软件或手动校准来控制。此外，变压器系统用于确保用于电气除杂草的适当的电压，通常的电源/电压正弦电源在100 – 1,000V范围内，并且电气除杂草需要1,000 – 20,000V。并且此外，由二极管和电容器组成的整流桥减少了对不同施加器的需要，增强了除杂草效率和性能，并使机械构建施加器更简单，其极（pole）处于彼此的相同距离处（并且因此具有大致相同的电阻）。
存在先前教导的电气除杂草系统的问题和挑战。由于以相对低的频率（通常50-65Hz）工作的大多数的先前系统的电气（而非电子）特性，那些系统具有：非常高的重量，是非常大的，不自我调整以避免问题、增强效率和功效，与新传感器和高功率电子技术的最近发展没有协同（synergy）。最终，没有部件以高得多的频率工作。
那些特性引起其他挑战，所述其他挑战极大地限制了该技术在市场中的应用。最常见的问题中的一些：
CLR（还有保险丝和热磁断路器）提供了策略来限制整个系统中的电流，但是没有做什么来对其进行控制，也没有确保系统工作在最佳性能和能量消耗/质量处或附近；
功率控制系统的低频率固有的应用中的高瑕疵（imperfection）（某些植物由于大“关闭（off）”时间而没有触电（electrify）），功率控制系统不能在比发电部件高得多的频率（50-65 Hz）中工作；难以调整适当电流波谷（trough）PWM,因为低频率被转化（translate）为发电部件（交流发电机、电源插座等）处的能量消耗的高变化；因此很难调节适当的电流通过PWM。
以确保连续功率和/或施加的适当的功率的方式自动调整去往每个变化的植物土壤电阻现实（reality）的电压的固有的不可能性；归因于系统的低频率（在PWM控制下，其不能具有比电源高得多的频率）的大周期和响应时间引起从标称功率（以及因此系统的能量、效率和功效）的不可避免的偏离——植物土壤系统的电阻可以比可以自我调整的系统更快地改变，尤其是如果此类设备运行得更快和/或具有大的宽度的话；
在电弧（voltaic-arc）（火花）形成的频率范围中以及对空气去离子（de-ionize）的时间（0.1-100 ms）以上对PWM的调整可以影响不希望的火花的产生，如果对大量的干的有机物完成施加，则不希望的火花可以引起火灾；
由于传统50-65hz变压器的固有大小、成本、重量和性质，将施加器细分为大量的变压器以进行单独控制是工程挑战——这引起贯穿系统的宽度的不均匀施加，因为施加器的一部分可以具有对与另一个完全不同的电阻的访问，使得某些部分施加过多的功率，而其他部分施加太小（可能不足以杀死不希望的入侵植物）；
传统的50-65 Hz变压器非常重并且昂贵；
由于缺乏功率控制并且缺乏功率消耗衰减，功率消耗可以快速改变并且反过来影响发电的频率（交流发电机的频率）——这不仅可以损害发电部件，还可以引起贯穿系统的频率和电压的快速改变，因为某些交流发电机不能针对电压足够快地自我调整以计及改变；
电压的潜在变化可以引起问题或损害，尤其是在功率控制系统（固态继电器）和整流桥处。
上面的那些问题有不同的解决方案，但重要的是要考虑到大多数问题来自如下事实：先前的技术是电的，不是电子的并且没有任何种类的遥测（telemetry）或自我调节。
在下文中，讨论了电子除杂草电路。这种系统的基本电路包括以下部件中的至少两个：交流发电机或其他AC电源、限制电流的CLR、为DC/AC转换器（通常是矩形波h桥逆变器（inverter））提供DC的整流器或整流桥、提供和减少针对DC/AC转换器（通常是矩形波h桥逆变器）的电压纹波（voltage ripple）的电容器组（capacitor bank）以及变压器。替代地，交流发电机、CLR和整流器可以由一个单个DC电源或类似物代替。
本质上，该基本的电除杂草电路虑及对先前的电气除杂草电路设计的问题的潜在解决方案，如先前所述和以下描述的那样。在以较低频率操作的先前系统中，电流控制传统上是通过使用固态继电器来完成的。在不干扰每个电源周期（50-65Hz）的情况下，那些继电器不能以比AC电源高得多的频率操作。这可以导致应用上的高瑕疵（某些植物由于大“关闭”时间而没有被适当地控制）。作为示例：以5 km/h运行的设备中的50 Hz周期中的一次间隙（onetime gap）意味着2,77 cm的关闭长度（off lenght）。考虑到小植物可以具有小于2,77cm，这样的间隙将完全阻止某些植物通过电死被控制。由于当前技术阶段DC/AC转换器（通常是方波h桥逆变器）虑及大约1 kHz到1 MHz的频率，因此与电流控制系统的低频率相关的问题在使用这里建议的电流控制技术时不相关。思想是控制DC/AC转换器（通常是方波h桥逆变器）处的脉冲，并且因此控制系统的总电流，这以前从未被用于电气入侵植物控制。理想化的PWM电流控制的简单示例如图2中所示。
如果在没有缓冲器（buffer）的情况下工作，则大的开关（on-off）时段（尤其是如果优于10 ms的话）可以引起发电部件处的功率消耗的巨大差异。该差异可以转化为机械和电气部件应力（stress）以及热量损失（loss over heat）。针对平均电流（上面的点）进行控制的关闭时段的尖峰时刻（high times）可以引起那样的情况，但是对PWM的其他控制，诸如火花控制，对电流保护关断（shutdown）的其他控制等也可以如此。通过电容器组大大地衰减了该效应，电容器组作为电源和DC/AC转换器（通常是方波h桥逆变器）之间的能量消耗缓冲器执行。在时间的短时段中，如果消耗瞬时大于生成以及正好相反（the other wayaround），则电容器组用作能量的储备。该系统的不利因素（down side）是流入电容器组中的高电流以在启动或重新启动系统时进行初始充电。在启动或重新启动设备时，流入电容器组的电流可以非常高以及对发电部件的过高要求（demanding）。
为了对此进行衰减，有必要在电容器组充电时刻处具有消耗衰减器。这可以被电子地或通过简单的电阻电路控制。
电子解决方案包括高功率和高速晶体管（Mosfet、IGBT等），以在非常高的电流消耗时刻控制PWM。该晶体管将由控制系统进行控制并提供发电部件将不遭受过电流问题的保证，图3。该特定电流控制电容器组消耗衰减器IGBT可以从与控制系统耦合的具有数字信号的安培计的输出动态地控制或系统启动或重新启动的任何时候就变得活跃。一旦电容器组消耗衰减器在工作，多少电流可以通过的理想示例。电容器组消耗衰减器的调制的频率应是1 kHz – 1 MHz。
替代地，更便宜并且更鲁棒的解决方案是具有预充电电路，其确保当电流太高时，充电通过减小电流流的电阻。在电容器组达到某电荷水平并且电源可以提供足够的电流之后，电路被闭合（close）（在电阻周围短路）。允许电阻周围自由流（free flow）的开关的控制可以通过提供关于电流消耗的信息的安培计的读数（reading）、通过启动或重新启动时的计时器或两者的组合来自动完成。图5
虽然在巴西专利PI 0502291中完成了对多个电极的第一方法，但是在PI 0502291的教导与当前方法之间存在重大差异。由于传统的50-65 Hz变压器的大的大小，因此难以以较小的段来控制能量，这将不得不每个连接到仅一个变压器，不引起从一个变压器到另一变压器中的回流（back-flow）。这使得施加质量不均匀，尤其是在以下时候：某些植物提供低电阻路径，留下其他植物而没有足够的能量用于施加器的整个宽度中的良好质量控制。该技术通过系统中的每个变压器和相应的电极来交替全功率（full power），每个换向（commutation）周期将能量“集中”到减小量的植物中，该换向周期应在0,01和2,0秒之间。该技术具有减小同时电死大量植物所需的能量的总量的所述目的。尽管声明（claim）对于具有很少（few）变压器的50-65 Hz系统具有实际价值，但该技术极大地限制了可同时使用的变压器的潜在数量：如果存在x个变压器，则对于其单独换向一个变压器是可能的，存在关闭x-1变压器的需要。在要单独控制50个个体变压器的实际的示例（例如，针对巴西中的大面积大豆的潜在设备的情况）中，即使针对每个变压器使用最少量的“准时（on time）”换向（0,01秒）时，将花费0,5秒来再次使相同的电极活跃。如果所述设备以5 km/h（1,4 m/s）行进，这合理地是农业设备的标准速度，则示例的电极段在再次活跃之前将通过0,7米。由于要控制的或电死的大多数入侵植物在大小上在0,7 m之下，因此该方法对于较大量的并联变压器/电极段不切实际。此外，系统考虑了三相变压器，其需要AC/DC转换器以最小化每个变压器的电极的需要。变压器将需要三个不同的接触点（A、B和C）——电极——这使得其对于AC/DC转换器而言是方便的，因为其将该量减少到两个电极（+和-）。图6中示出了在2-100 Hz（0,01 – 2,0秒）的范围中使用PI 0502291处所描述的技术的一个变压器的单个换向的简化电路。替代地，这里描述的技术不宣称（preconize）一次“在”仅一个个体变压器“上”换向。通过电容器组消耗衰减器处阐述的类似技术，个体变压器电流控制（脉冲密度调制PDM）使针对每个变压器和其通信者（correspondent）电极的个体电流控制成比例。个体变压器电流控制调制周期本身，因为个体变压器电流控制的频率小于系统DC/AC转换器（通常是方波h桥逆变器）的频率。简化电路在图7中示出。
图8中示出了来自DC/AC转换器（通常是方波h桥逆变器）和个体变压器PDM电流控制的组合PWM的理想PWM格式。
不同于通过在PI 0502291——调制在与主频率（0,5-100Hz和50-65Hz）大致相同的频率范围中的用于杂草的电死的电子换向设备处描述的PDM和技术调制DC的电容器组消耗衰减器，个体变压器PDM电流控制在从100Hz至10 kHz的建议范围处进行调制。该频率本身虽然必然（necessarily）小于DC/AC转换器（通常是方波h桥逆变器）频率，但其在比PI0502291——用于杂草的电死的电子换向设备处建议的范围高得多的范围中。要考虑到那时没有可用的便宜技术来制造处在个体变压器PDM电流控制所建议的频率处的PDM。
考虑到其他条件不变（ceteris paribus），变压器大小与频率成反比，较高频率DC/AC转换器（通常是方波h桥逆变器）（1kHz-18kHz或更高）虑及使用小得多的变压器，使的使用较大量的较小的电源变压器（power transformer）可行且可能。
个体变压器PDM电流控制与较高频率DC/AC转换器（通常是方波h桥逆变器）的使用的组合使得可能不仅在段之间划分功率，而且通过DC/AC转换器（通常是方波h桥逆变器）的输出的AC的PWM控制以动态精度单独地控制在每个段处的电流。存在采用以前从未被用于电气入侵植物控制的该拓扑的两个主要原因：晶体管应力的减少以及如下可能性：可动态调整DC/AC转换器（通常是方波h桥逆变器）的DC输入中的电压，调整变压器的初级处（因此作为结果的次级中）的电压输入以确保变压器次级处的稳定功率的连续性，即使在动态且快速改变电阻（植物-土壤电阻系统）的情况下，这是通过升压（Boost）、降压（Buck）或降压-升压PFC电路地形学（topography）进行的，图9。输出负载运转得像可变电阻，因此当电阻值减小时，次级电流成比例地增加，导致了减小次级电压以保持相同功率的必要性。控制策略起作用以保持系统操作在这些条件中：当负载电流值改变时，命令控制策略的那些具体PFC电路处的晶体管将改变参数，修改DC输出电压，并适配其值以保持向负载传送的功率恒定。
高频率变压器处的矩形波使用：这是逆变器可以产生的波形。不利因素是，矩形波具有谐波分量，其可以大幅度地改变变压器次级线圈中的电压行为，尤其是当其面对开路时。
由于任何电气除杂草系统都可能经历很高的电阻片（patch），所以从次级变压器线圈的观点来看，这可以被视作开路。该事实使得对于任何此类设备的安全使用存在电压峰值限制策略关键。由谐波相互作用引起的峰值在图10中被例示。
在开放负载情况中激励串联谐振（在漏电感和绕组电容（winding capacitance）之间），引起大的电压峰值和不希望的行为。
下图示出了变压器的次级电压，在发生开放负载情况时针对标称负载的次级电压。当预期的标称输出小于5 kV时，电压峰值达到超过10 KV（图11）。
存在用于那些峰值的限制的三个替代。作为第一替代，如果变压器具有小漏电感，则可以与变压器串联地添加外部电感器并且该外部电感器用于将电压峰值钳制（clamp）在等于DC链路的最大值中。该解决方案具有非常鲁棒的优势，但是具有如下劣势：由于标称条件中的电压峰值减少，要求低磁散（magnetic dispersion）变压器正常工作并减少可用于传送的功率。
简化的电路设计在图12中示出：针对没有（上）和具有（下）该保护系统的电压波形格式的给定变压器的模拟。第一，次级绕组中并且在如图13中所示的开放负载发生后存在负载。
为了避免电压峰值，第二替代是在变压器的次级线圈处与电极并联地添加整流器电路。该解决方案虑及非常好的和精确的最大电压限制，但具有如下劣势：需要用于高频率系统的（通常昂贵的）快速二极管。电阻器R必须高到足以限制V并且不耗散太多功率，图14。具有和没有负载的波函数几乎相同，没有明显的附加电压，图15。
作为第三替代，在该情况中使用的策略是通过PWM控制从初级电压去除谐波分量，产生准矩形波。这将减少谐振激励并且因此减少过电压峰值。该波具有与最有问题的谐波分量匹配的零电压的阶跃（step）。优势是该解决方案不需要添加的硬件，但劣势是它提供了较差的电压限制并且依赖于每个波中的零电压阶跃的时间和延长，其可能危及变压器可以递送的总功率和系统的功率密度。如图16中所示，在没有负载时，具有受控矩形波的电压增加限于较低谐波的影响。
新的和创新的电路、软件和新材料（例如，用于半导体的碳化硅和用于导磁（permeable magnetics）的晶体铁氧体（Crystal Ferrite））的开发允许使用高性能HFT（高频率变压器）。可以将开发的技术的通常的比考虑为1 Kg/KVA（0.1 l/KVA体积密度），总是考虑逆变器重量。这是从传统50-65Hz变压器的10 Kg/KVA功率密度的一个数量级的减少。系统的性能随频率增加而减少，因为热耗散随着逆变器处的较高频率增加——这是不希望的。变压器的大小和成本随频率增加而减小（在一定程度上（up to a point））——这是希望的。
变压器大小和成本随着频率增加而减少，具有减小的边际影响。这是由于绝缘材料保留的设置区域引起的，设置区域在较高频率和集肤效应（skin effect）的情况下不能减少，集肤效应增加了较高频率情况下所需的导线的体积。减少所需的导线的体积的增加的替代是使用利兹（litz）线，但是该减少具有限制，因为该组成的每个导线都必须以消耗涂层的空间来单独绝缘。
由于这两个事实，存在可能组合低重量、低成本和高效率的频率的最佳范围。通过使用碳化硅（或类似材料）IGBT逆变器和晶体铁氧体磁导变压器芯，该最佳范围是15 – 35KHz，合理的值从1-100 KHz变化。
每个变压器拓扑具有与不同的频率的不同的成本效益关系，但是所有可能性放在一起产生了不是最佳频率而是15-35 KHz的最佳范围。
作为该关系在给定的固定HFT处如何运转的示例，在来自ETH Zurich的PowerElectronic Systems Laboratory（功率电子系统实验室）处的Jonas E. Huber和JohannW. Kolar的 “Volume/Weight/Cost Comparison of a 1 MVA 10 kV/400 V Solid-Stateagainst a Conventional Low-Frequency Distribution Transformer”论文处。使用不同的但某种程度上仍可比较的HFT参数的研究者在3与5 KHz之间得到了最小成本、最大功率密度和最大效率，如图17中所示。当然，这从所选参数改变，但是该概念贯穿任何构造均有效。
虽然仅由线圈/卷轴（reel）系统、导线、芯、连接器和封装组成，但是高频率高功率变压器构造仍是当前技术（state of the art）的技术。在相同的构造下，你必须考虑不以线性方式彼此干扰的互相关的变量的大阵列。个体部分及它们之间的关系必须考虑变量，诸如（仅举几例）：集肤效应损耗、内部ca、锐度（acutance）、绕组比、热分散（thermaldispersion）、磁散、芯磁导率、芯物理电阻、潜在电晕效应、绕组窗口最佳大小、芯形状、串联谐波、并联谐波、小空间处的高电压绝缘、层划分、树脂粘度。
为了减小磁散，初级和次级之间的耦合必须非常高且精确。传统的线圈一个绕在另一个顶部中，在层之间有保护性绝缘纸，并且该构造几乎不提升磁散。在HTF中那是不可能的，因为它生成太多的内部电容，其因此生成内部电流、热量和功率损耗。在某些高电压（tension）变压器中使用了创建垂直槽的，但是在HTF中，由于小的大小和高电压的组合，所需的层的数量不可行。因此，解决方案是将插入的（intercalated）3-7个次级-初级-次级组织的槽与它们之间的绝缘纸组合起来。该看似简单的解决方案保证了具有低内部电容的低磁散。这种解决方案以前从未被用于电气入侵植物控制变压器构造。3槽卷轴结构示例在图18中示出。
较高的频率增加集肤效应，引起电流通过导线的外部不成比例地流过，而不是均匀地贯穿。因此，导线必须是利兹组织的。利兹导线由彼此电绝缘的多个线（strand）组成。
该事实也限制了较高频率的频率一次——将需要较大量的导线并且其减少比传导/绝缘材料，因为较小的导线规格（gauge）对于相同量的导体具有更多的绝缘（组成利兹的导线必须彼此绝缘，否则它们将如同仅一个导线那样运转）。无限频率将需要无限量的绝缘材料来使利兹组织中的导线绝缘。
作为在较高频率处这具有的效果的示例，下面存在在21°C（70°F）处的24规格 PIC电话电缆的代表性参数数据：
Figure 106140DEST_PATH_IMAGE041
该看似简单的解决方案（利兹导线）是使用高频率变压器的关键，一旦它大大地增加了正交切口（orthogonal cut）的表面积，因此增加了可以通过设置半径的高频率导线的最大电流。这种解决方案以前从未被用于电气入侵植物控制变压器构造。通常，线被扭曲（twist）或编织（woven），但在图19中未示出扭曲。
通常，电子真空封装使用简单的倒入容器中方法发生。这做起来容易且便宜，但是HTF存在两个问题：它产生使变压器热绝缘的大的树脂层，引起其不可避免地随着时间过热，由于部件的小的大小和密闭度，它没有穿透更深的层。由于那些事实，使用真空袋，其中树脂保持在正常气压中。低粘度树脂入口必须在卷轴的最低中央点处并且真空吸引（suction）在最高中央点处来确保树脂在到达空气出口点之前通过所有变压器体积。流动与重力相反以确保没有气泡。该过程确保了变压器内部不仅没有空气，而且没有空的空间。两者都可能对电晕效应和绝缘问题有所贡献。可以使用袋子和格子（form）。袋子具有不需要额外的树脂的优势并且格子具有被重复使用多次的优势。参见图20。
一方面，传感器确定要电杀死的结构（杂草），但同时它们也能够确定要保留的结构（有用的植物）。这意味着结构的有目的破坏是足够的，由此有用的结构被允许保留并且不被杀死。
这样的控制电路已经内置在个体变压器功率控制技术中，仅需外部传感器来使其工作。这也意味着，运载交通工具以以下这样的方式行进：它与其施加器到达杂草结构并且不危及有用的结构，无论交通工具是部分自主还是自主的。通常存在用于自主驾驶的此类系统，但是到目前为止没有与电死相结合。
而且，由于概念是通过可编程集成电路（PIC）电子地控制除杂草参数（频率、电流、电压、电压峰值、功率、能量、电极的机械位置、施加的连续性和火花），所以这以如下方式开辟了将传感器包括在影响参数的技术中的可能性：虑及新的、更精确的、更高效的和更高功效使用。

Claims (45)

1.杂草灭活设备，包括至少两个电极，由此至少一个电极针对杂草，其特征在于，
- 至少一个电源为至少一个电极供应电能，
- 由此至少一个电源包括用于DC/AC转换的至少一个电子h桥逆变器，产生矩形波AC电流，
- 由此逆变发生在1.0 kHz以上的频率处。
2.杂草灭活设备，包括至少一个电极，由此至少一个电极针对杂草，其特征在于，至少一个电子h桥逆变器包括控制脉冲宽度的装置，从而提供脉冲宽度调制（PWM）。
3.杂草灭活设备，包括至少一个电极，由此至少一个电极针对杂草，其特征在于，至少一个晶体管，其包括控制脉冲密度的装置，从而提供脉冲密度调制（PDM）。
4.根据权利要求2和权利要求3所述的杂草灭活设备，其特征在于，根据权利要求2所述的PWM和根据权利要求3所述的PWM串联连接。
5.杂草灭活设备，包括至少一个电极，由此至少一个电极针对杂草，其特征在于，
- 至少一个电源为至少一个电极供应电能，
- 由此至少一个电源之后是至少一个预充电单元，以对至少一个电容器进行预充电，
- 该至少一个电容器充当能量消耗缓冲器，
- 至少一个预充电单元使至少一个电容器的涌入电流衰减。
6.根据权利要求5所述的杂草灭活设备，其特征在于，至少一个预充电单元包括电阻和/或晶体管以控制至少一个电容器的涌入电流。
7.杂草灭活设备，包括至少一个电极，由此至少一个电极针对杂草，其特征在于，
- 至少一个电源为至少一个电极供应电能，
- 由此至少一个电源包括限制电路上的电压峰值的装置，由此所述装置从由以下内容组成的组选择：
- 电感电压峰值控制，其通过限制外部电感器和变压器的固有电感性质之间的关系来确保对次级处的电压峰值的限制，
- 与施加并行的AC/DC电压峰值控制并且其对通过电容器和电阻运行其的输出的小部分进行整流，通过以通过电阻的系统的总功率的小部分对电容器进行充电/放电来限制电压峰值，
- 选择性谐波消除（SHE）解决方案，以滤除可能引起电压增加的有问题的谐波。
8.杂草灭活设备，包括至少一个电极，由此至少一个电极针对杂草，其特征在于，
- 至少一个电源为至少一个电极供应电能，
- 由此至少一个电源包括电子装置，所述电子装置根据测量的参数来调整DC电压以确保具体功率传递（例如，降压、升压和降压-升压 PFC拓扑）。
9.杂草灭活设备，包括至少一个电极，由此至少一个电极针对杂草，其特征在于，至少一个电源为至少一个电极供应电能，至少一个电源包含变压器，所述变压器具有彼此之间绝缘的插入的3-7个次级-初级-次级组织的槽。
10.杂草灭活设备，包括至少一个电极，由此至少一个电极针对杂草，其特征在于，至少一个电源为至少一个电极供应电能，至少一个电源包括具有利兹组织的导线结构的变压器，利兹导线由彼此电绝缘并且未扭曲的多个线组成。
11.杂草灭活设备，包括至少一个电极，由此至少一个电极针对杂草，其特征在于，至少一个电源为至少一个电极供应电能，至少一个电源包括具有利兹组织的导线结构的变压器，利兹导线由彼此电绝缘并且未扭曲的多个线组成。
12.杂草灭活设备，包括至少一个电极，由此至少一个电极针对杂草，其特征在于，至少一个电源为至少一个电极供应电能，至少一个电源包括具有平面布线结构的变压器。
13.杂草灭活设备，包括至少一个电极，由此至少一个电极针对杂草，其特征在于，检测器利用传感器来检测个体杂草，所述传感器选自由以下内容组成的组：
- X射线照相机，单个传感器和传感器矩阵，用于检测环境性质，以及在适当情况下检测材料覆盖的结构，
- 地表上或地表下方的施加器附近的X射线分光镜或光分光镜传感器或传感器矩阵，用于结构的相关预测以及过程参数对土壤性质的适配，
- 雷达照相机，单个传感器和传感器矩阵，用于检测地下结构和地上空间条件；
- 超声传感器，用于针对选择性过程参数设置识别和表征空间结构，
- 主动和被动照相机系统，单个传感器和传感器矩阵，在250-3500 nm的辐射范围中，用于生成结构或相关表面结构或具有具体结构特征的辐射发射的二维或三维光学图像，所述辐射发射诸如是UV发射、颜色、针对某个波长、水分的吸收能力等，用于当前施加器和结构的面向过程的表征，
- 主动荧光照相机系统，单个传感器和传感器矩阵（叶绿素荧光和其他结构成分），用于针对电死和过程参数的优化的控制与工作结果的文档记载的结构以及在电死过程中它们的过程引起的改变的选择性表征，
- 热成像照相机，单个传感器和传感器矩阵，用于过程周期的安全监视，
- 太赫兹照相机，单个传感器和传感器矩阵，用于针对位置和过程监视确定结构的表面和折射性质，
- 机械传动和激光光学系统，具有三角测量或渡越时间测量，用于定位结构和它们的表面性质，或用于避免电化学系统、载体系统和致动器控制的空间危害，
-空间成像传感器，在运载交通工具和当前施加器周围中，使用超声、激光系统、雷达系统或用于创建空间工作模型的目的的其他空间扫描和成像方法，
- 环境监视传感器，用于确定性质，诸如湿度、露点、水膜、雨强、温度（用于电死的过程优化的土壤、土壤表面、空气，
- 用于过程表征和安全控制的化学/物理敏感性，诸如臭氧测量、烟雾、一氧化碳、VOC、土壤导电性、水分、施加器的牵引力，
- 磁性和感应传感器，用于针对过程控制检测金属材料，
- 地中的场测量传感器，用于电死参数的优化控制，
- 电死系统的电工过程监视传感器（例如电流、电压、频率）。
14.根据权利要求13所述的杂草灭活设备，包括其特征在于，用于地理映射的设备以位置相关的方式包括运载交通工具的移动、致动器以及电死的功率和定位参数——电流、电压、土壤电阻、湿度。
15.根据权利要求14所述的杂草灭活设备，包括其特征在于，用于地理映射的设备是GPS传感器，其跟踪灭活的杂草。
16.根据权利要求13或权利要求15所述的杂草灭活设备，包括其特征在于，它具有控制系统，所述控制系统从传感器数据计算结果并且将它们传输给相关联的系统，特别地但非排他地是BUS系统，所述控制系统用于控制电死系统，包括所有系统链接的致动器、运载交通工具的移动和定位以及结构的绝对位置和生物学特性或在特定范围中的它们的当前和未来发生概率的文档记载。
17.根据权利要求13至权利要求16中的任一项所述的杂草灭活设备，包括其特征在于，也可以利用独立可移动的传感器或其他数据输入方法独立于电死系统来处理和使用关于结构的数据，诸如它们自己的传感器数据。
18.根据权利要求13至权利要求17中的任一项所述的杂草灭活设备，包括其特征在于，传感器数据可以被地理参考为空间图像并且可以以如下这样的方式被处理和使用：在之后的时间其可以被部分地转换为可以用于控制和进一步处理的结构的增强现实。
19.杂草灭活设备，包括至少一个电极，由此至少一个电极针对杂草，其特征在于，它具有控制设备，所述控制设备特别地但非排他地连接至BUS系统或集成在那里，以便影响可移动载体的速度。
20.根据权利要求19所述的杂草灭活设备，包括其特征在于，可移动载体是拖拉机、拖车、自行式交通工具或履带车或步行陷阱上的移动物体。
21.根据权利要求19中的任一项所述的杂草灭活设备，包括其特征在于，可移动载体是飞行物体。
22.根据权利要求19至权利要求20中的任一项所述的杂草灭活设备，包括其特征在于，可移动载体是自行式的或遥控式的。
23.用于电死的设备，即直接或间接处理生物结构以借助电物理方法和/或环境中的结构的电流来弱化它，其特征在于，其包括移动载体、电流施加器、致动器和传感器，其检测某些结构的存在以便使能有针对性的电死。
24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，传感器基于近场定位或GPS信号来确定结构和移动载体的位置。
25.根据权利要求24所述的设备，其中传感器（在与有源辐射源组合的有源系统的情况中）选自以下传感器的组：
- X射线照相机，单个传感器和传感器矩阵，用于检测环境性质，以及在适当情况下检测材料覆盖的结构，
- 地表上或地表下方的施加器附近的X射线分光镜或光分光镜传感器或传感器矩阵，用于结构的相关预测以及过程参数对土壤性质的适配，
- 雷达照相机，单个传感器和传感器矩阵，用于检测地下结构和地上空间条件；
- 超声传感器，用于针对选择性过程参数设置识别和表征空间结构，
- 主动和被动照相机系统，单个传感器和传感器矩阵，在250-3500 nm的辐射范围中，用于生成结构或相关表面结构或具有具体结构特征的辐射发射的二维或三维光学图像，所述辐射发射诸如是UV发射、颜色、针对某个波长、水分的吸收能力等，用于当前施加器和结构的面向过程的表征，
- 主动荧光照相机系统，单个传感器和传感器矩阵（叶绿素荧光和其他结构成分），用于针对电死和过程参数的优化的控制与工作结果的文档记载的结构以及在电死过程中它们的过程引起的改变的选择性表征，
- 热成像照相机，单个传感器和传感器矩阵，用于过程周期的安全监视，
- 太赫兹照相机，单个传感器和传感器矩阵，用于针对位置和过程监视确定结构的表面和折射性质，
- 机械传动和激光光学系统，具有三角测量或渡越时间测量，用于定位结构和它们的表面性质，或用于避免电化学系统、载体系统和致动器控制的空间危害，
-空间成像传感器，在运载交通工具和当前施加器周围中，使用超声、激光系统、雷达系统或用于创建空间工作模型的目的的其他空间扫描和成像方法，
- 环境监视传感器，用于确定性质，诸如湿度、露点、水膜、雨强、温度（用于电死的过程优化的土壤、土壤表面、空气，
- 用于过程表征和安全控制的化学/物理敏感性，诸如臭氧测量、烟雾、一氧化碳、VOC、土壤导电性、水分、施加器的牵引力，
- 磁性和感应传感器，用于针对过程控制检测金属材料，
- 地中的场测量传感器，用于电死参数的优化控制，
- 电死系统的电工过程监视传感器（例如电流、电压、频率、相移、波形等），用于结构和过程优化的表征以及文档记载。
26.根据权利要求23至25中的一项所述的设备，其特征在于，它具有控制系统，所述控制系统从传感器数据计算结果并且将它们传输给相关联的系统，特别地但非排他地是BUS系统，所述控制系统用于控制电死系统，包括所有系统链接的致动器、运载交通工具的移动和定位以及结构的绝对位置和生物学特性或在特定范围中的它们的当前和未来发生概率的文档记载。
27.根据权利要求23至26中的一项所述的设备，其特征在于，也可以利用独立可移动的传感器或其他数据输入方法独立于电死系统来处理和使用关于结构的数据，诸如它们自己的传感器数据。
28.根据权利要求23至27中的一项所述的设备，其特征在于，传感器数据可以被地理参考为空间图像并且可以以如下这样的方式被处理和使用：在之后的时间其可以被部分地转换为可以用于控制和进一步处理的结构的增强现实。
29.根据权利要求23至28中的一项所述的设备，其特征在于，用于地理映射的设备以位置相关的方式包括运载交通工具的移动、致动器以及电死的功率和定位参数——电流、电压、土壤电阻。
30.根据权利要求23至28中的一项所述的设备，其特征在于，它具有控制设备，所述控制设备特别地但非排他地连接至BUS系统或集成在那里，以便影响可移动载体的速度。
31.根据权利要求23至29中的一项所述的设备，其特征在于，可移动载体是拖拉机、拖车、自行式交通工具或履带车或步行陷阱上的移动物体。
32.根据权利要求23至30中的一项所述的设备，其特征在于，可移动载体是飞行物体。
33.根据权利要求24至30中的一项所述的设备，其特征在于，可移动载体是自行式的或遥控式的。
34.电子除杂草电路，包括以下部件中的至少两个：
- 交流发电机或其他AC电源，
- 电感电流限制电抗器（CLR）以限制电流，
- 整流器或整流桥，以为DC/AC转换器（通常是方波h桥逆变器）提供DC，
- 电容器组，以为DC/AC转换器（通常是方波h桥逆变器）提供并且减少其电压纹波，以及，
- 变压器。
35.根据权利要求34所述的电子除杂草电路，其特征在于，交流发电机、CLR和/或整流器由一个单个DC电源或类似物代替。
36.根据权利要求34或权利要求35所述的电子除杂草电路，其特征在于，控制DC/AC转换器（通常是方波h桥逆变器）处的脉冲，并且因此控制系统的总电流。
37.根据权利要求34至36中的一项所述的电子除杂草电路，其特征在于，在电容器组之前使用预充电电路以限制涌入电流。
38.根据权利要求34至37中的一项所述的电子除杂草电路，其特征在于，个体变压器PDM电流控制与较高频率DC/AC转换器（通常是方波h桥逆变器）的使用的组合以通过DC/AC转换器（通常是方波h桥逆变器）的输出的AC的PWM控制以动态精度单独地控制在每个段处的电流。
39.根据权利要求34至38中的一项所述的电子除杂草电路，其特征在于，用于借助于逐步减低（降压）、逐步增高（升压）或增高和减低（降压-升压）的电压调节和功率因数修正的PFC拓扑，由此在整流器之前的高频率滤波器避免了交流发电机的开关频率污染。
40.根据权利要求34至39中的一项所述的电子除杂草电路，其特征在于，变压器具有小的漏电感，与变压器串联地添加外部电感器并且所述外部电感器用于将电压峰值钳制在等于DC链路的最大值中。
41.根据权利要求34至40中的一项所述的电子除杂草电路，其特征在于，在变压器的次级线圈处与电极并联地添加整流器。
42.根据权利要求32至41中的一项所述的电子除杂草电路，其特征在于，通过PWM从初级电压去除谐波分量，产生准矩形波。
43.根据权利要求34至42中的一项所述的电子除杂草电路，其特征在于，变压器线圈结构包括彼此之间绝缘的插入的3-7个次级-初级-次级组织的槽。
44.根据权利要求34至43中的一项所述的电子除杂草电路，其特征在于，变压器中的导线是利兹组织的或以固定平面（平面的）构造。
45.根据权利要求44所述的电子除杂草电路，其特征在于，使用真空袋来封装变压器线圈。
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