Характеристики люминесцентных ламп




Скачать 89.27 Kb.
НазваниеХарактеристики люминесцентных ламп
Дата конвертации08.12.2012
Размер89.27 Kb.
ТипДокументы
Характеристики люминесцентных ламп

при управлении поДОгревом КАТОдов от ЭПРА.

Смирнов Е.М., ассистент, Поляков В.Д., доцент, к.т.н.

Московский Энергетический Институт,

кафедра промышленной электроники


В процессе регулирования уровня искусственной освещенности возникает проблема, связанная со снижением срока службы люминесцентных ламп, работающих на пониженной мощности. Причиной этому является значительное снижение температуры катодов лампы относительно оптимальной в режимах глубокого регулирования мощности и, как следствие, ускорения процессов деградации [1,2]. Данная проблема решается различными способами, которые сводятся к организации дополнительного подогрева катодов при регулировании мощности ламп. Однако вопросы оптимального энергосберегающего управления подогревом катодов при сохранении максимально возможного срока службы лампы практически не исследованы. Не исследованы вопросы влияния режима питания катодов на электрические характеристики лампы, что необходимо учитывать при расчете электронного балласта.

В процессе проектирования электронных балластов возникает необходимость учета особенностей нагрузки – люминесцентных ламп. Модель нагрузки позволяет упростить процесс проектирования источника питания и сократить время разработки.

Целью моделирования является выявление оптимальных с точки зрения потерь и срока службы ламп алгоритмов управления ЭПРА и получения рекомендаций по схемотехническим решениям. По этой причине моделирование процессов в люминесцентной лампе можно разбить на следующие этапы:

- моделирование в режиме предварительного подогрева катодов ламп;

- моделирование в режиме управления мощностью лампы.

Вычисление времени подогрева существляется из соображений нагрева катодов от комнатной температуры до оптимального значения с точки зрения продолжительного срока службы работы лампы (10000С) [2]. При этом напряжение, подаваемое к люминесцентной лампе, должно быть таким, чтобы не произошло зажигание лампы на этапе прогрева.

Поскольку предварительный подогрев катодов осуществляется при условии отсутствия разряда, то модель люминесцентной лампы можно упрощенно представить в виде сопротивления катодов, зависящих от температуры.

Так как покрытие катодов специальным материалом наносится тончайшим слоем, то материал покрытия можно не учитывать и зависимость сопротивления катодов лампы от температуры сводится к температурному коэффициенту сопротивления вольфрама. Таким образом, сопротивление катода определяется по формуле:

(1)

где - температура катода;

- сопротивление катода при температуре T=0;

- температурный коэффициент сопротивления вольфрама.

Используя выражение (1) можно получить формулу для расчета установившейся температуры катода в следующем виде

, (2)

где - начальная температура катода, равная температуре окружающей среды;

- сопротивление катода как функция выделяемой на нем мощности , полученная экспериментально для стационарного режима;

- начальное сопротивление катода соответствующее температуре катода и мощности = 0.

Для составления модели лампы возникает необходимость в проведении экспериментальных исследований с целью снятия ряда электрических зависимостей и параметров. Зависимость сопротивления катода от потребляемой от источника мощности можно приближенно представить в виде экспоненциального закона:

(3)
где – значение сопротивления катода при температуре 200С;

– значение сопротивления, соответсвующее ;

– константа.



Рис. 1. Зависимость сопротивления катода от выделяемой мощности для лампы

GE F36W/33

На рис. 1. показано сравнение экспериментальных измерений с моделью зависимости сопротивления катода от выделяемой мощности для лампы GE F36W/33, для аппроксимации использованы следующие параметры: R0=1.67 Ом, Rmax=14.8 Ом, Pк1=1.7Вт.

Зная зависимость между сопротивлением и температурой (2) и подставив в выражение (3) можно получить связь между мощностью и температурой катода в установившемся режиме:

(4)

Динамические процессы прогрева катодов определяются дифференциальным уравнением

(5)

где τ – постоянная времени, характеризующая тепловую инерционность катода, - текущее значение мощности катода, зависит от режима электропитания и мгновенного значения сопротивления катода. Постоянная времени τ определяется экспериментально по переходному процессу, возникающему при скачкообразном изменении режима питания катода [3]. Для GE F36W/33 измеренная постоянная времени составляет τ= 0,13 с.

Уравнение (5) решается методом численного интегрирования при заданных начальных условиях. Для частного случая соответствующего скачкообразному изменению мощности на катоде от нуля до заданного значения Pк =const решение этого уравнения имеет вид:

(6)

Дополнив формулы (4),(5) математическими уравнениями, описывающими источник питания катода, получим систему уравнений, решение которых позволяет получить искомые зависимости температуры катода от времени его прогрева. Исходя из требований нагрева катодов до температуры 10000С, можно определить время нагрева при заданном режиме питания катодов.

В качестве примера на рис. 3 дана зависимость времени подогрева катода лампы GE F36W/33 до температуры 10000С при постоянстве подводимой мощности.

Таким образом, для реализации математической модели системы «катод ЛЛ– источник пиатния катода» необходимо получить аналитическое выражение для зависмости и измерить тепловую постоянную времени τ. Далее, использовать для расчета уравнения (2), (5) и уравнения, описывающие источник питания катода. Математическая модель позволяет рассчитать параметры этого источника являющегося составной частью ЭПРА (ток, напряжение, мощность, время прогрева) выбрать электрическую схему и рассчитать параметры этой схемы, определить требования к системе управления.




Рис. 2. Временная зависимость температуры катода для различных значений мощности, подаваемой от внешнего источника питания (для лампы GE F36W/33).





Рис. 3. Зависимость времени прогрева катода лампы GE F36W/33 при постоянстве мощности источника питания.

Рассмотрим работу люминесцентных ламп в режимах пониженной мощности. Традиционно при рассмотрении и расчете электронных балластов люминесцентные лампы представляются в виде постоянных, либо полученных простым пересчетом исходя из уровня регулирования мощности ламп сопротивлений [4,5]. Однако при снижении мощности разрядная лампа значительно меняет свою проводимость, поэтому при исследовании данных режимов работы необходимо учитывать нелинейность. Лампа рассматривается как нелинейный элемент электрической цепи с сосредоточенными параметрами. В качестве основы выбрана одномерная модель, где все электрические и тепловые параметры зависят только от одной величины – времени.

Модель проводимости лампы представляет блок вычисления напряжения на лампе по измеряемым текущим значениям тока и рассчитываемой проводимости.

Вычисление проводимости в рамках заданного диапазона ее изменения производится с использованием алгебраических аппроксимаций «быстрой» статической и динамической ВАХ лампы. Инерционные свойства проводимости учитываются дифференциальным уравнением первого порядка. Рассчитываемая проводимость g представляется как функция

, (7)

мгновенных значений потребляемой мощности и мощности потерь , которые связаны между собой уравнением энергетического баланса

(8)

где – скорость изменения внутренней энергии (w) разряда; - постоянная времени, определяющая инерционность общих потерь мощности в лампе. Мощность pп равна суммарным текущим потерям мощности (в виде излучения и тепла) в плазме положительного столба, приэлектродных областях и катодах лампы.

При работе лампы в квазиустановившемся режиме на повышенной частоте учет инерционности потерь позволяет сделать следующие допущения неизменности потерь на периоде модуляции и ,

где – приведенная проводимость,

– среднее значение проводимости;

– среднее значение мощности.

Наличие дополнительных цепей (источников) питания катодов помимо непосредственно тока лампы оказывает влияние на статическую ВАХ лампы и соответственно на статическую характеристику мощность проводимость, которая получается непосредственно из ВАХ.

Для составления модели проводимости возникает необходимость исследований влияния дополнительного подогрева в режимах регулирования мощности лампы.



Рис. 4. Влияние внешнего подогрева от источника напряжения для различных режимов работы лампы GE F36W/33

Для зависимости напряжения на лампе от подводимой с внешнего источника мощности подогрева катодов удобно ввести аппроксимацию функцией arctg(x):

(9) где – определяется как среднее значение между напряжением на лампе без дополнительного подогрева и напряжением при максимальном подогреве;

– значение мощности подогрева, при котором напряжение на лампе равно ;

– определяется выражением.

В результате можно получить приближенное выражение, характеризующее влияние внешнего подогрева на напряжение на лампе.



Рис. 5. Сравнение практических измерений с аппроксимацией зависимости напряжения на лампе GE F36W/33 от мощности дополнительного подогрева катодов

Влияние источников питания можно представить в виде функциональной зависимости приведенной проводимости от мощности, подводимой к катоду от дополнительного источника [6]:

(10)

или (11)

Для получения зависимости удобно воспользоваться статическими характеристиками, связывающими полную мощность (Sл) напряжение (Uл) на лампе, которые по аналогии с вольтамперными ВАХ можно назвать вольтваттными характеристиками (ВВХ).

Напряжение ЛЛ практически линейно зависит от мощности вплоть до некоторого минимального значения мощности, где наблюдается резкое изменение напряжения. Поэтому для этой области линейного изменения напряжения можно использовать следующую аппроксимирующую зависимость:

, (12)

Коэффициент a вычисляется по формуле:

, (13)

где - номинальная мощность, - напряжение на лампе, соответствующее номинальной мощности.

Учитывая, принятые ранее допущения об инерционности потерь мощности, можно получить следующую расчетную формулу для приведенной проводимости в установившемся режиме:

, (14)

где - коэффициент, обратный коэффициенту мощности лампы; - коэффициент, учитывающий отличие значений усредненной () и эквивалентной проводимости ().

Учет влияния цепи дополнительного нагрева катода можно произвести, если ввести функциональную зависимость напряжения от мощности , подводимой к катоду от внешнего источника. Данную зависимость характеризует ранее полученная аппроксимация (9). Воспользовавшись выражениями (12), (13) и измеренными данными можно получить зависимость напряжения на лампе от мощности потерь и дополнительного подогрева:

(15)

где – коэффициент, учитывающий разницу между напряжением на лампе без подогрева и ранее полученным для аппроксимации (9) средним значением .

(15)


Рис. 6. Аппроксимация зависимости напряжения на лампе от мощности потерь и внешнего подогрева для лампы GE F36W/33


Результатом моделирования электрических процессов для выбранной люминесцентной лампы являются получение зависимости проводимости от заданной мощности (режима работы) и мощности внешнего источника подогрева катодов. Данные выражения позволяют построить ВАХ люминесцентной лампы для всего диапазона регулирования мощности и оценить влияние дополнительного подогрева, наличие которого необходимо для обеспечения длительного срока службы ламп в режимах пониженной мощности.

Дополнительной проверкой предложенных аппроксимаций служили проведенные практические исследования и моделирование на примере лампы типа Comtech FL16 13/840 G5.

Используя выведенные зависимости, можно провести моделирование процессов люминесцентных ламп в составе регулируемых ЭПРА при использовании источника подогрева катодов, имеющего любую выходную вольтамперную характеристику. При этом для составления моделей выбранного типа ламп необходимо на основе экспериментальных измерений рассчитать свои коэффициэнты аппроксимирующих выражений.

Список литературы.

  1. Investigation of the effects of dimming of fluorescent lamp life // Lighting research center. - 2002. http://www.lrc.rpi.edu/researchAreas/reducingBarriers/resources.asp

  2. Durability testing for Energy Star residential light fixtures // Lightning Research Center.–2003. http://www.lrc.rpi.edu/programs/lightingTransformation/pdf/durabilityTestingFinalReport.pdf

  3. Wu, T.-F.; Chen, C.-C.; Wu, J.-N.An electronic ballast with inductively coupled preheating circuits // Industry Applications Conference, 2001. Thirty-Sixth IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2001 IEEE Volume 1, Issue , 30 Sep-4 Oct 2001 P. 517 – 523.

  4. Liang T.J. Liu T.S. Chang F.J. Design and analysis of dimming electronic ballast // IEEE International Symposium on Circuits and Systems – 1997 – C.364-369.

  5. Zhi Li Philip K.T. A simple method to design resonant circuits of electronic ballast for fluorescent lamp // IEEE International Symposium on Circuits and Systems – 1997 – P.373-376.

  6. Обжерин Е.А. Поляков В.Д. Пузанов В.А. Смирнов Е.М. Особенности анализа и расчет современных систем питания ламп высокой интенсивности // Светотехника. – 2006. - №6. – C.49-54.




Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Характеристики люминесцентных ламп iconМатериалы и технология изготовления лайт-боксов
Для подсветки букв обычно применяют люминесцентные лампы или неоновые трубки. Установка люминесцентных ламп более целесообразна благодаря...

Характеристики люминесцентных ламп iconРеферативная
Экологические показатели при использовании ламп накаливания и энергосберегающих ламп

Характеристики люминесцентных ламп iconСистемы утилизации ртутьсодержащих ламп путем формирования региональных специализированных центров и механизмов социальной рекламы, включающая в себя организацию учета, сбора, транспортировки и переработки ламп. Нормативно-правовая база
Требования к техническим характеристикам научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы

Характеристики люминесцентных ламп iconПримерное выступление будущего учителя
Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50% Солнца; инфракрасные излучения...

Характеристики люминесцентных ламп iconПрочие вопросы 138. Внедрение энергосберегающих ламп должно одновременно сопровождаться
Внедрение энергосберегающих ламп должно одновременно сопровождаться решением вопроса об их утилизации

Характеристики люминесцентных ламп iconЭнергосберегающие лампы – шаг в будущее
России. Так, с 2011 года будет прекращено производство и продажа ламп мощностью 100 ватт и более, с 2013 года мощностью 75 ватт и...

Характеристики люминесцентных ламп iconТюнина Н. А. и Родина А. В. Инверторы питания ламп подсветки жк телевизоров, мониторов и ноутбуков
Инверторы питания ламп подсветки жк телевизоров, мониторов и ноутбуков. — М.: Солон-пресс, 2011

Характеристики люминесцентных ламп iconИсследование спектрально-люминесцентных свойств эпитаксиальных пленок гадолиний-галлиевого
Выращивание и исследование спектрально-люминесцентных свойств эпитаксиальных пленок гадолиний-галлиевого

Характеристики люминесцентных ламп iconДля начала разберемся откуда бск узнает о неисправности ламп. Изучив схему электрооборудования автомобиля, выясняем, что сигнал о неисправности ламп выдает реле
К3, которое находится в монтажном блоке ("черном ящике"). Это реле является самым крупным Вы его ни с чем не перепутаете маркировка...

Характеристики люминесцентных ламп iconОтчет о научно-исследовательской работе «Разработка и исследование новых кристаллических, аморфных и наноструктурированных материалов для сцинтилляционных и люминесцентных преобразователей, сенсоров и других применений»
«Разработка и исследование новых кристаллических, аморфных и наноструктурированных материалов для сцинтилляционных и люминесцентных...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница