Міністерство освіти і науки України

ХАРКІВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ МІСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

Мвуджо Олена

УДК 628.971

МЕТОДИ РОЗРАХУНКУ КОМПЛЕКТУ “РОЗРЯДНА ЛАМПА-

ПУСКОРЕГУЛЮЮЧИЙ АПАРАТ” НА ОСНОВІ НОВИХ ФОРМ

АПРОКСИМАЦІЇ ПРОВІДНОСТІ ЛАМП

Спеціальність 05.09.07. Світлотехніка та джерела світла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківській державній академії міського господарства,

Міністерство освіти і науки України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Намітоков Кемаль Кадирович,

Харківська державна академія міського господарства,

професор кафедри Світлотехніка та джерела світла

Офіційні опоненти доктор фізико-математичних наук, професор

Волков Євген Дмитрович,

Національний науковий центр

Харківський фізико-технічний інститут

Національної академії наук України,

начальник відділу стелараторів

доктор технічних наук, професор

Карпінський Микола Петрович,

Тернопільська академія народного господарства,

завідувач кафедри безпеки інформаційних технологій

Провідна установа Харківський державний науково-дослідний інститут

метрології Державного Комітету України з технічного

регулювання та споживчої політики, м. Харків

Захист відбудеться “ 20 ” 05 2003 р. о 16 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.086.02 у Харківській державній академії міського господарства за адресою: 61002, м. Харків, вул. Революції, 12.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківської державної академії міського господарства за адресою: 61002, м. Харків, вул. Революції, 12.

Автореферат розісланий “ 17 ” 04 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

канд. техн. наук., доц. Поліщук В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Штучне світлове середовище, необхідне людині у всіх сферах її діяльності, в даний час практично створюється тільки шляхом перетворення електричної енергії в світлову за допомогою двох видів джерел світла – ламп розжарювання (ЛР) і розрядних ламп (РЛ). Частка світлової енергії, вироблюваної за допомогою РЛ, безупинно зростає і досягла вже більше 2/3 усієї світлової енергії. Ця тенденція зберігається незважаючи на те, що абсолютна кількість світлової енергії, вироблюваної ЛР, не зменшується. Щорічне споживання електричної енергії на освітлення в економічно розвинутих країнах складає близько 15% усієї вироблюваної ними електричної енергії. Тому проблема підвищення ефективності генерації світлової енергії є однією з пріоритетних в енергетиці та комунальному господарстві. Вона є багатоаспектною, що включає наукові дослідження, проектно-конструкторські та технологічні розробки, спрямовані на створення все більш досконалих освітлювальних установок (ОУ) і їхніх базових компонентів – джерел світла (ДС), пускорегулюючих апаратів (ПРА), світлових приладів (СП) і систем керування (СК). Специфіка проблеми щодо РЛ полягає в тому, що ці джерела світла, на відміну від ЛР, працюють тільки в комплекті з ПРА, що забезпечує підтримку значень параметрів електричного режиму горіння РЛ у заданих межах. Тому тільки при правильному створенні комплекту “РЛ-ПРА” як єдиного цілого пристрою для генерації світлової енергії можна досягти необхідних показників надійності, світлової віддачі, довговічності при мінімальній вартості, матеріалоємності й оптимальних виробничих та експлуатаційних витратах.

При створенні комплектів “РЛ-ПРА” особливе значення має стадія передпроектних досліджень, на якій встановлюються орієнтовані величини електричних параметрів. При наявності достовірних знань про вольт-амперну характеристику (ВАХ) і структуру ланцюгів, у яких вони повинні функціонувати, задача в принципі аналітично розв'язна. Однак незважаючи на численні теоретичні дослідження електричних розрядів взагалі і, зокрема, стосовно РЛ, немає таких співвідношень, які без залучення дослідних даних могли б безпосередньо використовуватися у передпроектних розрахунках. Застосування відомих методів розрахунку комплекту “РЛ-ПРА” (еквівалентних синусоїд, гармонійного аналізу, припасовування) вимагає апріорно зведень (точних знань або припущень) про форму напруги на лампі. Як правило, вони базуються на попередніх дослідних даних і не завжди вірогідно відомі. Тому становить інтерес створення зручних в інженерній практиці методів, заснованих на принципово іншому підході-аналізі динаміки зміни провідності плазми розряду в лампі за напівперіод живильної напруги. У цьому випадку, маючи як відправні дані лише потужність лампи й ефективне значення струму в контурі “РЛ-ПРА”, (що, взагалі, завжди відомо при постановці проектних задач), можна визначити всі необхідні параметри і режими роботи проектованого комплекту “РЛ-ПРА” з достатньою в передпроектних дослідженнях точністю. Розробці таких методів присвячена ця дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках держбюджетної науково-дослідної роботи кафедри “Світлотехніка і джерела світла” Харківської державної академії міського господарства за темою “Дослідження, розробка принципів, методів розрахунку нових високоефективних засобів освітлення, оптимізація режимів експлуатації освітлювальних і опромінювальних установок різного функціонального призначення”.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є створення науково обгрунтованих методів інженерного передпроектного розрахунку комплектів “РЛ-ПРА” із РЛ низького і високого тисків і різних типів баластів на основі нових форм апроксимації динаміки провідності ламп. Для досягнення цієї мети в роботі поставлені наступні задачі:

провести аналіз існуючих способів математичного опису ВАХ розрядів взагалі і, зокрема, в РЛ, а також методів розрахунку комплектів “РЛ-ПРА” для визначення можливостей їхнього використання на стадії передпроектних досліджень при обмежених вихідних передумовах, зокрема, при відсутності зведень про форму напруги на РЛ;

розглянути дві нові форми апроксимації динаміки зміни електричної провідності РЛ при роботі на змінному струмі промислової частоти у вигляді g(t) = G0sin2t і g(t) = G'0(t)n(t). При цьому проаналізувати можливості теоретичного визначення G0, а за другою формою апроксимації дати її наукове обґрунтування;

на конкретних прикладах показати можливості застосування нових форм апроксимації динаміки провідності ламп для розрахунку комплектів “РЛ-ПРА” для двох основних класів ламп масового застосування – низького і високого тисків при використанні активного, індуктивного, активно-індуктивного і ємнісно-індуктивного баластів;

дослідити форми струму в ланцюзі стабілізації розрядних ламп низького тиску (РЛНТ):

а) активним баластом і встановити раціональні значення омічного опору баласту;

б) індуктивним баластом і виявити вплив активних втрат у баласті і його нелінійності на форму струму;

в) ємнісно-індуктивним баластом і встановити раціональні інтервали значень відношення реактивних опорів ємнісної та індуктивної складових баласту;

г) у трифазних схемах стабілізації ламп з індуктивними баластами в кожній фазі.

Об'єкт дослідження. Комплекти “Розрядна лампа - пускорегулюючий апарат” (“РЛ-ПРА”).

Предмет дослідження. Методи розрахунку електричних параметрів комплектів “РЛ-ПРА”, призначених для експлуатації в мережах змінного струму промислової частоти при варіаціях типів ламп і баластів.

Методи дослідження. Аналіз елементарних зіткнувальних і енергообмінних процесів у плазмі розряду ламп низького і високого тисків, а також ВАХ дугових розрядів. Використання рівнянь нелінійних ланцюгів з дугою змінного струму, варіаційних рівнянь Лагранжа Ейлера і рядів Фур'є.

Наукова новизна отриманих результатів:

На основі систематизованого критичного аналізу існуючих рівнянь ВАХ дугових розрядів, у тому числі в РЛ низького і високого тисків вперше визначено фактори, що ускладнюють їхнє безпосереднє використання для розрахунку комплектів “РЛ-ПРА” на стадії передпроектних досліджень в умовах обмеженості вихідних даних щодо форми напруги на лампі і струму в ній. Такими факторами є: відсутність вірогідних відомостей про просторово-часові характеристики елементарних процесів утворення і зникнення заряджених часток в об`ємі і на стінках ламп з урахуванням складного складу газового наповнення та різноманітності геометрії ламп; відсутність даних про динаміку змін таких важливих інтегральних параметрів розрядної плазми в лампах, як тепло- та електропровідність.

Проведено аналіз двох нових форм апроксимації динаміки провідності плазми газового розряду в РЛНТ і РЛВТ відповідно у вигляді G = G0sin2t і G = G'0(t)n( t). На основі аналізу елементарних процесів у плазмі розряду ламп вперше показано можливості визначення амплітудного значення G0, і труднощі, зв'язані з їхньою практичною реалізацією через відсутність конкретних даних про константи у рівняннях для опису процесів у лампах. За другою формою апроксимації здійснено її наукове обґрунтування з використанням варіаційного принципу при описі енергообмінних процесів утворення і зникнення заряджених часток у плазмі розряду ВТ за напівперіод змінного струму.

На основі використання апроксимації G = G0sin2t для ламп НТ і апроксимації G = G'0(t)n( t) для ламп ВТ удосконалено методи розрахунку, що дозволяють на стадії передпроектних досліджень для різних схемних рішень з активними і реактивними баластами для стабілізації РЛ встановити значення основних параметрів і провести аналіз режимів роботи комплектів “РЛ-ПРА”.

З використанням запропонованих розрахункових співвідношень проведено аналіз форми струму в схемах стабілізації РЛ низького і високого тисків з баластами різних типів. Установлено раціональні значення омічного опору баласту, виявлено характер впливу активних втрат в індуктивному баласті і його нелінійності на форму струму ламп. Для ємнісно-індуктивного баласту встановлено раціональні співвідношення його складових. Розраховано трифазні схеми включення комплектів “РЛ-ПРА” з індуктивними баластами в кожній фазі.

Практичне значення отриманих результатів. На основі отриманих наукових результатів запропоновано спрощені інженерні методи для розрахунку параметрів схем комплектів “РЛ-ПРА”, що можуть застосовуватися на стадії передпроектних досліджень при обмеженості вихідних даних, тому що вимагають знання тільки двох параметрів – потужності ламп і діючого значення їх струму. Виведено прості розрахункові формули і побудовано допоміжні графіки для спрощення розрахунків. Розроблені методи полегшують і прискорюють процеси проектування комплектів “РЛ-ПРА”, оскільки не потребують на стадії передпроектних досліджень і ескізного проектування створення та випробування дослідних і макетних зразків для одержання вихідних даних.

Особистий внесок здобувача. Основні дослідження дисертаційної роботи, включаючи наукове обґрунтування нової форми апроксимації динаміки провідності ламп ВД, розробку методів розрахунку комплектів “РЛ-ПРА” і на їхній основі виконання конкретних розрахунків схем стабілізації РЛ, а також аналіз форми струму при застосуванні різних типів баластів належать особисто здобувачеві, що відбито в 7 самостійно опублікованих роботах [1-7]. У 2 роботах [9,10], опублікованих у співавторстві з науковим керівником, здобувачем виконані аналітичні розрахунки. У 2 [11,12]патентах України і 1 [13] заявці на винахід здобувач розробила контактні системи.

Апробація результатів дисертації. За матеріалами дисертації зроблені повідомлення і доповіді на наукових семінарах кафедри “Світлотехніка і джерела світла” у період 1999 – 2002 р.р, на XXXI науково-технічної конференції викладачів, аспірантів і співробітників Харківської державної академії міського господарства, на двох міжнародних симпозіумах “Проблеми удосконалення електричних машин i апаратiв ” (Теорiя i практика) – Siema`2001, 18 – 20 жовтня 2001 і Siema`2002, 17 – 19 жовтня 2002).

Публікації. За матеріалами дисертації є 12 опублікованих робіт: 8 статей у фахових наукових журналах і збірниках, що входять до Переліку, затвердженого ВАК України; 1 робота – у тезах доповідей, на XXXI науково-технічній конференції викладачів, аспірантів і співробітників Харківської державної академії міського господарства 22 – 24 травня 2002; 2 патенти України і 1 заявка на винахід, по якому є позитивне рішення.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури. Робота подана на 191 сторінці, з яких основний текст займає 158 сторінок. Вона ілюстрована 64 рисунками, список літератури включає 151 найменування.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, наведено відомості про наукову новизну і практичне значення отриманих результатів і їхню апробацію.

У першому розділі розглянуті сучасні тенденції створення штучного світлового середовища для життєдіяльності людини, напрямки і способи підвищення ефективності перетворення електричної енергії у світлову, в тому числі шляхом удосконалення комплектів “РЛ-ПРА” та їхніх елементів. Проаналізовано теоретичні роботи, присвячені визначенню статичних і динамічних ВАХ електричних розрядів з погляду виявлення можливостей їхнього застосування при розрахунках комплектів “РЛ-ПРА”.

Проведений аналіз відомих рівнянь для опису ВАХ розрядів показує наявність принципових труднощів у їхньому безпосереднім використанні при розрахунках комплектів “РЛ-ПРА”. Це обумовлено не тільки наближеним характером фізичних передумов, що лежать в їх основі, але і специфікою та розмаїтістю видів розрядів у РЛ. У лампах розряд обмежений стінками колби і пристінкові явища відіграють дуже істотну роль, що виявляється по-різному в різних конструктивних виконаннях. Крім цього середовище, в якому формуються розряди в лампах, являють собою складну суміш газів з різними парами металів і їхніх з'єднань, мікро- і макроскопічні параметри, які часто важко піддаються визначенню. Вони вибираються шляхом компромісу подекуди дуже суперечливих вимог, виходячи з необхідності забезпечення оптимальних режимів запалювання розряду і високої ефективності генерації світлової енергії газорозрядної плазми як випромінюючого середовища. Тому створення загальної єдиної теорії для опису ВАХ РЛ є проблематичним. У кращому разі може бути вирішена приватна задача у конкретному додатку до певного типу лампи, для якої можуть бути чітко визначені особливості – геометричні параметри, склад і тиск наповнюючого середовища, матеріал електродів і т.д.

У результаті критичного розгляду існуючих методів, що найбільш часто використовуються в інженерній практиці для розрахунку основних параметрів комплектів “РЛ-ПРА, виявлено їхні основні недоліки. У першу чергу вони пов'язані з необхідністю спочатку прийняти деяку форму напруги на лампі uл(t), для якої потім використовуються в ряді випадків недостатньо обґрунтовані апроксимації, що містять “плаваючі” параметри. На конкретних прикладах показана “участь” цих параметрів у розрахункових співвідношеннях та їхній можливий вплив на результати розрахунків.

У другому розділі розглядаються альтернативні методи розрахунку комплектів “РЛ-ПРА”, створених на основі нових форм апроксимації динаміки провідності ламп у ланцюгах змінного струму.

Показано, що для визначення параметрів режиму роботи комплектів “РЛ-ПРА уявляється більш доцільним у першу чергу досліджувати форму струму в цих комплектах без залучення апріорно даних про форму напруги на лампі uл(t). Традиційні розрахункові методи не дають такої можливості, що утрудняє їхнє застосування на стадії передпроектних досліджень при створенні нових комплектів “РЛ-ПРА” з поліпшеними світлотехнічними, електротехнічними та техніко-економічними показниками.

Підтверджено раніше висловлену науковим керівником ідею про перспективність нового підходу до удосконалення методів розрахунків комплектів “РЛ-ПРА, заснованого на аналізі зіткнувальних, енергообмінних, дифузійних та інших елементарних процесів у газорозрядній плазмі ламп. Використання встановлених на основі такого аналізу закономірностей прояву конкуруючих процесів виникнення і зникнення носіїв зарядів у плазмі є можливість визначити динаміку зміни її провідності за напівперіод розряду при роботі лампи в ланцюгах змінного струму (переважно промислової частоти). Для ламп низького тиску, зокрема ЛЛ, може використовуватися з достатнім ступенем коректності нова форма апроксимації динаміки зміни провідності у вигляді g(t) = G0 sin2 t. Застосування такої апроксимації дозволяє знайти форму струму лампи iл(t) у комплекті “РЛ-ПРА” і потім визначити з прийнятною точністю всі параметри, необхідні на стадії проектування. Однак для цього необхідно знати амплітудне значення G0. Показано, що в принципі воно може бути визначене на основі аналізу конкуруючих між собою елементарних процесів утворення і зникнення носіїв зарядів за напівперіод розряду в лампі, тобто з рівняння балансу вигляду

, (1)

де F1 і F2 – деякі функції, що характеризують відповідно всі процеси утворення і зникнення вільних електронів.

У спрощеному варіанті в умовах, коли утворення електронів визначається в основному ударною іонізацією, а їхнє зникнення обумовлене переважно амбіполярною дифузією та об'ємною (електронно-іонною) рекомбінацією, стосовно до РЛ, що має, як правило, колби циліндричної форми, рівняння балансу часток можна записати у вигляді

, (2)

де Да – коефіцієнт амбіполярної дифузії; Кi – константа прямої іонізації; – константа східчастої іонізації; Na, Nm – відповідно концентрація нормальних і метастабільних атомів; – коефіцієнт об'ємної рекомбінації; r – поточна координата (0 r R, R – внутрішній радіус колби РЛНТ чи пальника РЛВТ).

Вирішення рівняння (2) є проблематичним, але його можна дещо спростити, розглядаючи граничні випадки формування плазми розряду, тобто окремо в лампах НТ і в лампах ВТ. Так, при відносно низьких тисках наближено можна вважати, що визначальним у механізмі утворення заряджених часток у плазмі є ударна іонізація, а в механізмі їхнього зникнення визначальним є амбіполярна дифузія, що обумовлює рекомбінацію електронів та іонів на стінках колби. У такому випадку рівняння балансу часток спрощується і приводиться до вигляду

. (3)

Тоді для знаходження екстремуму функції Ne(t) за півперіод розряду матимемо таке рівняння:

. (4)

Це рівняння слід вирішувати разом з рівнянням для провідності лампи, яке можна подати так:

, (5)

де d – внутрішній діаметр колби (пальника) лампи; е, m відповідно заряд і маса електрона; L міжелектродна відстань (у наближенні довжина лампи); e частота зіткнень електрона з атомами газового наповнення ламп; i частота іонізації атомів електронним ударом.

У цьому випадку завдання полягає в адекватній оцінці коефіцієнта амбіполярної дифузії, а також значень grad Ne і частоти зіткнень електронів з атомами і, що призводять до іонізації.

В іншому граничному випадку формування плазми розряду в лампах ВТ в умовах, коли можна вважати, що інтенсивність об'ємної рекомбінації значно перевершує інтенсивності унесення заряджених часток з об`єму плазми до стінок за рахунок амбіполярної дифузії, рівняння балансу часток можна подати в простому вигляді:

. (6)

Тоді максимальне значення провідності РЛ для розглянутого випадку має вигляд

. (7)

У цьому випадку завдання полягає в адекватній оцінці відношення і коефіцієнта об'ємної рекомбінації . Це, в свою чергу, зв'язано з необхідністю знання достовірних значень частот пружних e та іонізаційних i зіткнень електронів і коефіцієнта об'ємної рекомбінації . У такий спосіб при знанні вказаних констант елементарних процесів у плазмі розряду в лампах задача визначення G0 є принципово розв'язною. Але в більшості випадків вони невідомі або відомі, але з надто малою вірогідністю. Тому в інженерній практиці доцільно шукати способи оцінки G0, які будувалися б на основі використання більш загальних інтегральних параметрів, що характеризують режими роботи РЛ у контурі “РЛ-ПРА”. Такими параметрами, що задаються на стадії проектних розробок, є ефективне значення струму в ланцюзі живлення лампи і потужність лампи. Ввівши наведене значення провідності лампи як усереднене за півперіод струму лампи, можна записати

. (8)

З використанням зазначеної апроксимації вирішується інтегро-диференціальне рівняння для контуру “РЛ-ПРА”, що для загального випадку має вигляд

, (9)

де t x; ; ; ; .

На основі вирішення рівняння (9) отримано розрахункові формули для аналізу схем із ПРА різних типів. Спочатку розглянуто випадок застосування активного баласту. Підтверджено, що форма струму в такому ланцюзі є взагалі несприятливою у світлотехнічному аспекті. При розгляді схем стабілізації РЛ індуктивними баластами проаналізовані випадки “ідеального” (лінійного без активних втрат), неідеального (з активними втратами) і нелінійного баластів. Показано, що при раціональному виборі конструктивних параметрів баласту можна забезпечити сприятливу форму струму в ланцюзі і, відповідно, високі світлотехнічні показники комплекту “РЛ-індуктивний ПРА” (рис.1) . Так, при великих значеннях омічного опору баластового дроселя виникають струмові паузи і зміст вищих гармонік зростає, а при великих значеннях параметра його нелінійності (л.> 0,4) виникає спотворення форми струму на початку періоду (рис.1) і т. д.

Розглянуто розрахунок схеми стабілізації РЛ ємнісно-індуктивним баластом і встановлено раціональні інтервали значень його основних параметрів, при яких забезпечується сприятлива форма струму РЛ.

У третьому розділі на основі синус-квадратичної форми апроксимації провідності РЛ і вирішення рівняння вигляду (9) при варіаціях типів баластів і різних значень їхніх параметрів проведено аналіз форми струму в РЛ у схемах їхньої стабілізації. Наведено методи, формули і порядок виконання розрахунків. Виконано аналіз впливу різних факторів на форму струму РЛ у схемах з індуктивним, ємнісно-індуктивним, резистивно-індуктивним баластами, а також у трифазних схемах включення РЛ.

Дослідження форми струму в схемі стабілізації РЛ індуктивним ПРА показало, що параметри РЛ (Uл, Iл) і ПРА (індуктивність дроселя L) значно впливають на форму струму. Найбільш сприятливими для роботи комплекту “РЛ-ПРА є значення параметра в інтервалі 0,2 0,4. Відносне значення активного опору баласту не повинне перевищувати 0,2.

Складено зведену таблицю значень коефіцієнтів Фур'є, що характеризують гармонійний склад струму в ланцюзі “РЛ індуктивний ПРА” залежно від параметра А, що дає опорні дані для інженерних розрахунків комплектів “РЛ індуктивний ПРА” на стадії їхнього попереднього проектування (рис.2).

Форма струму в схемах стабілізації РЛ ємнісно-індуктивним баластом характеризується значеннями двох основних параметрів – зазначеного вище параметра А і відношення опорів ємнісного та індуктивного елементів ПРА: . Найбільш сприятливі величини l при раціональному значенні А = 0,33 знаходяться в інтервалі l = 2,0 2,5. При резонансних значеннях = 3, 5, 7,…у ланцюзі виникають струмові паузи, що можна використовувати при розробці енергоекономічних ПРА, що обумовлює імпульсний режим роботи РЛ (рис.3).

Сприятлива для роботи комплекту “РЛ-ПРА” форма струму виникає при використанні двохелементного баласту, що складається з конденсатора і резистора, з'єднаних послідовно, при ємності конденсатора порядку 10-6 Ф та опорі резистора 2 20 Ом при використанні як РЛНТ. Баласт такого типу можна застосовувати в малогабаритних ПРА для РЛНТ.

Запропоновано використовувати метод, заснований на апроксимації динаміки провідності плазми РЛ протягом півперіоду розряду на змінному струмі у вигляді g(t) = G0sin2t для аналізу форми струму в трифазних схемах стабілізації РЛ ємнісно-індуктивним баластом. Цей метод дозволяє визначати гармонійний склад струму і вибирати основні параметри елементів схеми на стадії попереднього проектування комплектів “РЛ-ПРА” при заданих діючих значеннях струму Iл і напруги Uл на РЛ.

Наведено зведені таблиці з розрахунковими формулами, порядком та послідовністю виконання розрахунків для найбільш розповсюджених схем включення РЛ.

У четвертому звернуто увагу на доцільність уточнення форми апроксимації динаміки провідності ламп для розрахунків комплектів, що містять РЛВТ. Оскільки із збільшенням тиску плазма за своїми властивостями наближається до ізотермічної, динаміка провідності плазми розряду в лампах ВТ на змінному струмі може відрізнятися від динаміки, властивої неізотермічній плазмі розряду в лампах НТ, для якої була запропонована і застосовувалася в розрахунках апроксимація у вигляді G = G0sin2t.

З огляду на зв'язок між напруженістю поля Е і температурою

, (10)

де w(Ті) – середня величина втрати енергії одним електроном за одиницю часу при врахуванні пружних і непружних зіткнень, і ввівши позначення

; ; , (11)

співвідношення між параметрами плазми розряду ВТ можна одержати, виходячи з принципу, аналогічного принципу Штеенбека: енергія джерела живлення, що розсіюється в плазмі розряду за півперіод його горіння – від моменту запалювання t1 до моменту загасання t2, – мінімальна при визначених тимчасових залежностях Ne(t) і T(t), тобто

чи . (12)

Варіаційна функція має вигляд

, (13)

для якої справедливі рівняння Ейлера:

, . (14)

З (13) і (14) виходить така система рівнянь:

(15)

,

причому

; ; . (16)

Розглядаючи на основі цих рівнянь процеси для початкового і кінцевого часових ділянок горіння розряду за півперіод струму, можна встановити, що характер зміни провідності на цих ділянках описується відповідно залежностями вигляду

G(t) tn і G(t) (1 Ct). (17)

Об`єднуючи їх за весь півперіод, одержуємо

G(t) tn (1 Ct) (18)

З огляду на такий вид функції G(t) і приймаючи n ? 1, пропонована апроксимація динаміки провідності РЛВТ записується у вигляді

. (19)

Із використанням такої апроксимації розроблено метод уточненого аналізу форми струму в ланцюзі стабілізації РЛВТ і приведені розрахунки схем їхньої стабілізації з різними типами баластів. Показано, що розрахункові методи, засновані на цій і синус-квадратичній апроксимаціях, дають загалом близькі значення параметрів роботи комплектів “РЛ-ПРА”. Нову форму апроксимації доцільно використовувати при необхідності більш точного аналізу форми струму в ланцюзі з РЛВТ, хоч розрахунки з використанням нової апроксимації мають більш складний характер.

ВИСНОВКИ

На основі аналізу відомих рівнянь дуги змінного струму та її ВАХ показано труднощі при їхньому безпосередньому використанні для розрахунків схем стабілізації режимів роботи РЛВТ і РЛНТ. Дається пояснення основних причин, якими обумовлені ці труднощі.

Розглянуто існуючі методи розрахунку комплектів “РЛ-ПРА”, їхні достоїнства і недоліки, області доцільного застосування. Відзначено, що загальним недоліком є необхідність апріорного прийняття тієї чи іншої форми кривої напруги на РЛ як вихідного параметра. На початковій стадії проектування нових комплектів “РЛ-ПРА” такі вихідні дані, як правило, відсутні, якщо немає адекватних аналогів.

На основі проведеного аналізу найбільш розповсюдженого і рекомендованого в РТМ методу розрахунку комплектів “РЛ-ПРА” і на конкретних прикладах його реалізації виявлено основні фактори, що обмежують можливість їхнього використання на стадії попереднього проектування. Основним з цих недоліків є використання апріорно прийнятної форми напруги і штучних прийомів її апроксимації.

Виявлено принципову можливість використання закономірності динаміки провідності плазми розряду на змінному струмі промислової частоти, обґрунтовану розглядом елементарних зіткнувальних процесів у неізотермічній плазмі розряду НТ.

Розроблено методи розрахунку параметрів, що визначають режими роботи комплекту “РЛ-ПРА”, включаючи форму струму лампи як найважливішого параметра схеми. Вихідними даними для цього розрахунку є дійсні значення напруги (Uл) на РЛ і струму РЛ (Iл), а також значення мережної напруги (Uс). На базі цих даних розраховуються значення допоміжних величин і , які потім використовуються в алгоритмі послідовного розрахунку вказаних параметрів на стадії попереднього проектування. Особливістю даної методики є представлення форми струму РЛ рядом Фурьє, що дозволяє аналізувати зміст вищих гармонік залежно від різних факторів.

Отримано формули для розрахунку схеми стабілізації РЛ з активним баластом і розглянуто ілюстративні приклади, які показують, що застосування баласту зазначеного типу не дозволяє забезпечити форму струму в ланцюзі, сприятливу в світлотехнічному аспекті, через появу струмових пауз на початку і в кінці півперіоду горіння розряду.

Отримано формули для розрахунку схеми стабілізації РЛ з “ідеальним” індуктивним баластом, в якому активні втрати і відхилення від лінійності нехтовно малі, наведено ілюстративні приклади проведення розрахунків. Показано, що найбільш сприятлива форма струму в ланцюзі виходить при значеннях параметра ( = 2f, f = 50кгц, L – індуктивність баластового дроселя). При цьому зміст вищих гармонік знаходиться в межах, установлених стандартами.

Проаналізовано вплив активних втрат у баластовому дроселі на форму струму в ланцюзі РЛ з індуктивним ПРА. Показано, що для забезпечення сприятливої форми струму в ланцюзі (відсутність струмових пауз) відношення омічного опору дроселя Rб до згаданого раніше R0 не повинно перевищувати 0,2. Аналіз впливу нелінійності баласту на форму струму в даному ланцюзі свідчить, що значення параметра , де – максимальне відхилення індуктивності дроселя від найбільшого її значення L0, не повинне перевищувати 0,4 для запобігання появ струмової паузи на початку і в кінці півперіоду розряду.

Досліджено форму струму в схемі стабілізації РЛ з ємнісно-індуктивним баластом. Знайдено, що сприятлива форма струму забезпечується при значенні згаданого вище параметра А = 0,3 і при відношенні в опорі ємнісного й індуктивного елементів ПРА в інтервалі 2,0...2…2,5. При резонансних значеннях у даному ланцюзі виникають струмові паузи, що можна використовувати при розробці енергоекономічних ПРА, які обумовлюють імпульсний режим роботи РЛ.

Розглянуто форму фазних струмів у трифазній схемі стабілізації РЛ із ємнісними й індуктивними елементами при симетричному режимі навантаження фаз. Показано, що зміст 5-ї і 7-ї гармонік відповідає вимогам згаданого вище стандарту при значеннях параметрів А = 0,27; = 2,25 чи А = 0,33; = 2,47. Зміст гармонік з номером, кратним 3, у формі струму в цій схемі дорівнює нулю, що дозволяє поліпшити деякі основні електротехнічні показники схеми.

На основі аналізу динаміки зіткнувальних процесів у плазмі розряду РЛВТ, що працюють у ланцюгах змінного струму промислової частоти, обґрунтована друга форма апроксимації тимчасової зміни провідності ламп. Розглянуто особливості цієї апроксимації, що підлягають врахуванню при розрахунку форми струму в ланцюзі “РЛВТ-ПРА”, запропоновано методику розрахунку основних електричних параметрів цього ланцюга. Через істотно більшу складність розрахунків у порівнянні з тими, що проводяться при використанні синус-квадратичної форми апроксимації, обґрунтованої для РЛНТ, застосування нової апроксимації рекомендується переважно при необхідності уточненого аналізу форми струму в ланцюзі “РЛВТ-ПРА.

Перелік опублікованих праць здобувача за темою дисертації

1. Мвуджо Е.А. К анализу электрических цепей с разрядными лампами // Вестник Национального технического университета “ХПИ”. 2000 №118. Харьков, 2000.– С. 48-52.

2. Мвуджо Е.А. О форме тока в схемах стабилизации режима работы разрядной лампы с активным балластом //. Коммунальное хозяйство городов: Науч.-техн. сб. Вып. 33. – К.: Техника, 2001. – C. 221-227.

3. Мвуджо Е.А. О методах расчета комплектов “РЛ-ПРА” / Программа и тезисы докладов на XXXI научно-технической конференции преподавателей, аспирантов и сотрудников Харьк. гос. акад. гор. хозяйства. Харьков: ХГАГХ, 2002. Ч. 2. – С. 55-56.

4. Мвуджо Е.А. Исследование формы тока в схеме стабилизации комплекта “РЛ-индуктивный балласт” с применением синус-квадратичной аппроксимации динамики проводимости плазмы разряда // Коммунальное хозяйство городов: Науч.-техн. сб. Вып. 38. – К.: Техника, 2002. – C. 225-230.

5. Мвуджо Е.А. Исследование влияния активных потерь в дросселе на форму тока в цепи “РЛ-индуктивный балласт” // Коммунальное хозяйство городов: Науч.-техн. сб. Вып. 42. – К.: Техника, 2002. – C. 170-175.

6. Мвуджо Е.А. О влиянии нелинейности балластного дросселя на форму тока в контуре “РЛ-индуктивный ПРА // Коммунальное хозяйство городов: Науч.-техн. сб. Вып. 43. – К.: Техника, 2002. – C. 216-221.

7. Мвуджо Е.А. О режимах работы РЛ в трехфазных схемах стабилизации // Вестник Национального технического университета “ХПИ”. 2002 №6. Харьков, 2002.– С. 148-153.

8. Намитоков К.К., Мвуджо Е.А. Возможности применения синусквадратичной аппроксимации проводимости РЛНД для расчетов схем их стабилизации // Вестник Национального технического университета “ХПИ”. – 2002 №14. Харьков, 2002.– С. 65-71.

9. Намитоков К.К., Мвуджо Е.А. Новая форма аппроксимации динамики проводимости разряда ламп ВД // Вестник Национального технического университета “ХПИ”. 2002 №14. Харьков, 2002.– С. 57-64.

10. Намитоков К.К., Мвуджо Е.А. Возможности применения синус-квадратичной аппроксимации проводимости РЛНД для расчетов схем их стабилизации // Вестник Национального технического университета “ХПИ”. 2002 №20. Харьков, 2002.– С. 210-217.

11. Пат. МПК 7H05B41/06 Україна. Стартер для люмінесцентних ламп. /Брезинский В.Г., Намітоков К.К., Харченко В.Ф., Мвуджо О.О./ №50265А; Заявл. 10.12.2001; Опубл. 15.10.2002; Бюл. №10. – 2 с.

12. Пат. МПК 7H05B41/02; Україна. Пускорегулювальний апарат. /Брезинский В.Г., Намітоков К.К., Харченко В.Ф., Мвуджо О.О./ №50273А Заявл. 11.12.2001; Опубл. 15.10.2002; Бюл. №10. – 2 с.

13. Заявка на винахід. МПК 7H05B41/06. Стартер для запалювання люмінесцентних ламп. /Брезинский В.Г., Намітоков К.К., Харченко В.Ф., Мвуджо О.О./поз. ріш. від 12.04.2002; №65396. 2 с.

АНОТАЦІЇ

Мвуджо О. Методи розрахунку комплекту “Розрядна лампа-пускорегулюючий апарат” на основі нових форм апроксимації провідності ламп. Рукопис.

Диссертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.07. світлотехніка та джерела світла. Харківська державна академія міського господарства. Харків, 2003.

Дисертація присвячена розробці методів розрахунку комплектів “Розрядна лампа-пускорегулюючий апарат” на основі двох нових форм апроксимації динаміки провідності ламп у ланцюгах змінного струму промислової частоти. Показано, що форма апроксимації у вигляді краща для розрахунку схем стабілізації ламп низького тиску, а друга у вигляді для схем стабілізації розрядних ламп високого тиску. З використанням цих форм апроксимації провідності ламп виконано розрахунки схем, аналіз форми струму в контурі “Розрядна лампа-пускорегулюючий апарат” при різних баластах: активному, індуктивному, активно-індуктивному, індуктивно-ємнісному. Показано вплив на форму струму параметрів баласту: співвідношення активної, індуктивної і ємнісної складових. Розглянуто ідеальні дроселі, без урахування і з урахуванням активних втрат, з урахуванням нелінійності дроселя.

Ключові слова: розрядна лампа, плазма, вольт-амперна характеристика, баласт, дросель, провідність лампи, апроксимація, пускорегулюючий апарат.

Мвуджо Е. Методы расчета комплектов “разрядная лампа-пускорегулирующий аппарат” на основе новых форм аппроксимации проводимости ламп. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.07. светотехника и источники света. Харьковская государственная академия городского хозяйства. Харьков, 2003.

Диссертация посвящена разработке методов расчета комплектов “разрядная лампа-пускорегулирующий аппарат” на основе двух новых форм аппроксимации динамики проводимости ламп в цепях переменного тока промышленной частоты. Рассмотрены уравнения дуги переменного тока и ВАХ дуговых разрядов с точки зрения возможности их применения для расчетов схем стабилизации разрядных ламп. Показаны трудности их непосредственного использования. Проанализированы существующие методы расчета и возможности их применения в предпроектных расчетах в условиях ограниченности исходных предпосылок, в частности, о форме напряжения на лампе. Показаны возможности создания методов расчета комплектов “РЛ-ПРА” с использованием закономерностей изменения проводимости РЛ в цепях переменного тока промышленной частоты. Эти закономерности устанавливаются на основе рассмотрения элементарных столкновительных и энергообменных процессов в плазме разряда в лампах. Рассмотрены две формы аппроксимации динамики проводимости ламп. Показано, что форма аппроксимации в виде более предпочтительна для расчета схем стабилизации ламп низкого давления, а другая в виде для схем стабилизации разрядных ламп высокого давления. С использованием этих форм аппроксимации проводимости ламп выполнены расчеты схем, анализ формы тока в контуре “разрядная лампа-пускорегулирующий аппарат” при различных балластах: активном, индуктивном, активно-индуктивном, индуктивно-емкостном. Показано влияние на форму тока параметров балласта: соотношение активной, индуктивной и емкостной составляющих. Рассмотрены идеальные дроссели, без учета и с учетом активных потерь, с учетом нелинейности дросселя. Рассмотрена форма фазных токов в трехфазной схеме стабилизации РЛ с емкостными и индуктивными элементами при симметричном режиме нагружения фаз.

Приведены сравнительные расчеты с использованием обеих форм аппроксимации для одних и тех же схем. На основе анализа динамики столкновительных процессов в плазме разряда ламп высокого давления, работающих в цепях переменного тока промышленной частоты, обоснована вторая из указанных форм аппроксимации временного изменения проводимости плазмы за полупериод разряда. Рассмотрены особенности этой аппроксимации, подлежащие учету при расчете формы тока в цепи разрядная лампа высокого давления пускорегулирующий аппарат и предложен метод расчета основных электрических параметров этой цепи.

Ключевые слова: разрядная лампа, плазма, вольтамперная характеристика, балласт, дроссель, проводимость лампы, аппроксимация, пускорегулирующий аппарат.

Mwoudjo E. Computation methods of discharge lamp-start regulator sets on the basis of novel lamp conductivity approximation forms. Manuscript.

Thesis for candidate’s degree of engineering by speciality 05.09.07. lighting engineering and sources of light. Kharkov State Municipal Academy. Kharkov, 2003.

The dissertation is devoted to development of computation methods of discharge lamp-start regulator sets on the basis of two novel lamp conductivity dynamics approximation forms in industrial frequency AC circuits. It was shown that approximation form as gl(t) = G0sin2щt is preferable for computation of low-pressure lamp stabilization circuits, whereas another one in the form g(t) = G’0(щt)n(р-щt) for computation of high-pressure lamp stabilization circuits. With the use of those approximation forms some circuits were computed, current forms in discharge lamp-start regulator sets analyzed under various ballast loads – resistive, inductive, resistive inductive, inductive capacitative. The effect of ballast load parameters upon current form shown as well as relation between resistive, inductive and capacitative components. Some ideal chokes discussed with and without consideration of active losses, having on mind choke non-linearity.

Key words: discharge lamp, plasma, voltage-current characteristic, ballast load, choke, lamp conductivity, approximation, start regulator.

Відповідальний за випуск В.Т. Семенов

Підп. до друку 02.03 03 Формат 6084 1/16

Друк на ризографі. Папір офісний. Обсяг 0,9 ум.-друк. арк.

Тираж 100 прим. Зам. № 2292 Безкоштовно.

Сектор оперативної поліграфії ІОЦ ХДАМГ

ХДАМГ, 61002, Харків, вул. Революції, 12