Разработка методов расчета и трехфазных пускорегулирующих аппаратов для люминесцентных ламп холодного зажигания

В решениях ХХУ1 съезда КПСС о развитии народного хозяйства намечается повышение эффективности капиталовложений в промышленность, улучшение качества выпускаемой продукции и снижение затрат на ее изготовление. Решение таких задач требуют интенсификации производства, ускорения технического и социального прогресса, что в свою очередь связано со значительным повышением производительности общественного труда с целью обеспечения роста материального и культурного уровня жизни народа. Если учесть, что на искусственное освещение расходуется ежегодно около 10% всей выра-рабываемой энергии, становится понятным, как важна задача по разработке и применению новых экономичных газоразрядных источников света и совершенствованию приборов для включения их в электрическую сеть. Это будет способствовать повышению эффективности и качества осветительных установок (0У), а, следовательно, обеспечению наилучших условий труда и увеличению его производительности.

В свете этих решений применительно к наиболее массовым осветительным установкам с люминисцентными лампами (ЛЛ) возникает необходимость поиска и разработки новых, более совершенных источников света с повышенной световой отдачей, а также пускорегули-рующих аппаратов (ПРА) с пониженным расходом материалов на изготовление и уровнем непроизводительных потерь мощности в них. Решаются указанные задачи в области ПРА как в направлении создания принципиально новых устройств на основе полупроводниковой техники, так и по пути усовершенствования схем и конструкций существующих аппаратов электромагнитного типа.

В последнее время появилось множество схемных решений устройств для включения люминесцентных ламп (ЛЛ)на основе полупроводниковых элементов [I], что связано с малой массой, размерами, высокой стабильностью характеристик аппаратов данного типа. Одно из них — полупроводниковый балласт (ПБ) непрерывного действия, оснований на ограничении тока лампы на заданном уровне, имитирует принцип работы газоразрядной лампы (ГЛ), с активным балластом. В связи с этим данному типу полупроводникового аппарата присущи те же недостатки: наличие пауз в токе лампы, низкий КПД (60−70%) [I ], снижение световой отдачи и срока службы ламп и т. д.

Более целесообразным рещением для стандартных ЛЛ является их питание токами повышенной частоты, что увеличивает световую отдачу и срок службы ламп, снижает пульсации светового потока. Указанное, в основном, обеспечивает схемы, содержащие индивидуальные полупроводниковые преобразователи частоты [1] и электромагнитные элементы, поддерживающие устойчивый режим работы ламп.

Однако, самыми перспективными из полупроводниковых устройств являются ПБ импульсного действия. В данных аппаратах ток лампы стабилизируется посредством широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции. В течение каждого полупериода переменного напряжения лампа несколько раз подключается (при внутреннем сопротивлении балласта, практически равным нулю) и отключается от источника питания.

При работе в режимах широтно-импульсной или чаетотно-импульс-ной модуляции существенно возрастает световая отдача ламп. Однако, стандартные ЛЛ практически не пригодны для использования с данным типом ПБ, так как импульсный режим работы отрицательно сказывается на их сроке службы. Для полного использования достоинств ПБ импульсного действия необходимы специальные ЛЛ, имеющие следующие основные отличия от стандартных:

I. Электроды ЛЛ не должны быть подогревными: если обеспечить зажигание ламп при холодных электродах, то существенно облегчается режим пуска ПБ, упрощается его схемапоследнее связано с отсутствием режима короткого замыкания лампы, традиционно используемого для подогрева ее электродов в стандартных стартерных ПРА.

2. Конструкция и параметры электродов должны быть такими, чтобы резкое нарастание тока и его искаженная форма не оказывали существенного отрицательного воздействия на срок службы ламп.

3. Рабочее напряжение на лампе ([/Л) должно быть достаточно близким к напряжению сети ((J), т. е. коэффициент использования напряжения питания (t}1=UA/U) должен иметь большую величину, чем для стандартных Ш (fTJ =0,47 Ў 0,5) — последнее при постоянной мощности лампы будет способствовать увеличению ее световой отдачи, и также позволит в полной мере использовать высокие стабилизирующие свойства ПБ.

Применение ламп с указанными параметрами в схемах включения с ПБ импульсного действия позволит разрешить целый ряд довольно сложных проблем в области искусственного освещения, будет способствовать повышению экономических и качественных показателей 0У с ЛИ.

Однако импульсные ПБ в настоящее время находят весьма ограниченное применение. Последнее обстоятельство связано с тем, что для их широкого внедрения в серийное производство требуется длительное время, в течение которого предстоит решить целый комплекс сложных задач, таких как: разработка комплектов «ГЛ — импульсный ПБ», детальное изучение влияния специфической формы тока в таких ПРА на световые и эксплуатационные характеристики ГЛ, уменьшение стоимости ПБ, автоматизация процессов их производства и т. д. По-этоьфг в настоящее время достаточно интенсивно развивается направление, связанное с усовершенствованием электромагнитных ПРА.

Нетрудно показать, что изменение параметров ЛЛ в вышеуказанном направлении будет способствовать и существенно^ повышению эффективности традиционных электромагнитных ПРА.

— 7 —.

Как известно, в настоящее время установилось мнение, что электромагнитные ПРА практически исчерпали свои возможности, что уменьшения материалоемкости аппаратов возможно добиться только за счет улучшения качества используемых в них материалов, причем, сокращение массы ПРА в этом случае не превысит 10*20 $. С этим трудно согласиться. Превде всего можно получить экономию дефицитных материалов (как минимум до 30%), используемых для изготовления электромагнитного балласта, исключив в работе контура режим короткого замыкания лампы [з], т. е. подогрев ее электродов. Еце более существенного сокращения массы электромагнитного ПРА и потерь мощности в нем можно добиться за счет повышения коэффициента использования напряжения сети. Таким образом, отказ от традиционных соотношений и режимов работы контура ЛЛ — электромагнитный стартерный ПРА уже в самое ближайшее время даст возможность получить заметную экономию в расходе дефицитных меди и трансформаторной стали на ОУ с ЛЛ, а также уменьшить потребление электроэнергии на цели искусственного освещения. Для реализации этой возможности необходим поиск схемных решений электромагнитных ПРА, обеспечивающих надежное зажигание и устойчивую работу ЛЛ с холодными электродами при повышенных значениях /77, а также разработке ламп данного типа.

Важным шагом в решении последней проблемы явилось появление в последнее время ряда отечественных и зарубежных патентов [4*6] с предложением использовать полые спеченные катоды на основе порошков тугоплавких металлов и соединений щелочноземельных элементов в газоразрядных источниках оптического излучения.

Устойчивость к ионной бомбардировке и связанное с этим малое распыление позволяют катодам данного типа работать в режиме дугового разряда в широком диапазоне изменения токов [7]. Это открывает возможность создания унифицированных электродов для серии ЛЛ, упрощает технологию изготовления электродных узлов за счет использования прогрессивных методов порошковой металлургии. Указанное будет способствовать повышению эффективности производства ГЛ, а также улучшению их качества. Наполнение ламп более легким инертным газом, либо широко используемое в настоящее время уменьшение диаметра трубки до 26 мм, при постоянной ее длине, позволит увеличить рабочее напряжение на лампах, т. е. полностью удовлетворить перечисленным выше направлениям изменения параметров ламп, способствующим совершенствованию как самих ЛЛ, так и ПРА.

Варианты ЛЛ холодного зажигания с полыми синтерированными электродами и стандартным галофосфатным люминофором разработаны в настоящее время во ВНИСИ [7,8]. Так лампы в трубке диаметром 38 мм и длиной 150 см при наполнении неоном до давления 3−3,5 мм рт. ст (напряжение зажигания Щ = 750 В) имеют при мощности 100 Вт рабочее напряжение 145 В и световую отдачу, меньшую чем у стандартных ламп мощностью 80 Вт примерно на 12%. Лампы с диаметром трубки 26 мм и длиной 120 см при мощности 40 Вт (рабочее напряжение 150 В) имеют номинальный световой поток 3300 лм, что примерно на 3% больше, чем у стандартных ламп типа ЛБ40, и совпадает с потоком энергоэкономичных ламп мощностью 36 Вт зарубежного производства (например, 361*У21, фирма «Осрам»), в которых используется весьма дорогостоящий трехполосный люминофор. Вариант ЛЛ холодного зажигания с диаметром трубки 26 мм имеет аргоно-нео-новое наполнение (60%Аг + 40, давление 3,5 мм рт. ст) и напряжение зажигания примерно 420 В.

Применение данных ламп в 0У производственных и общественных зданий может заметно повысить их экономическую эффективность. Однако, вместе с тем, очевидным является и тот факт, что использование традиционных схем и типов ПРА не позволит обеспечить надежное зажигание и стабильную работу ламп такого типа. Указанное обстоятельство свидетельствует о актуальности работ, связанных с проведением всесторонних исследований и разработкой вариантов схем включения ЛЛ с холодными электродами.

В связи с этим основная цель диссертационной работы состояла в выборе целесообразных схем включения ЛЛ с холодными электродами, в разработке методов их расчета, а также в составлении на этой основе инженерных рекомендаций по областям применения вариантов указанных ПРА и их конструированию.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В. Выводы по работе.

Проведенные в диссертационной работе теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Анализ возможных направлений повышения экономических и качественных показателей комплектов ЛЛ — электромагнитный ПРА показал, что наиболее целесообразным является направление, связанное с разработкой ЛЛ холодного зажигания, имеющих увеличенное по сравнению со стандартными рабочее напряжение, и трехфазных индуктивных схем включения типа звезда без нейтрального провода.

2. На основе гармонического анализа и синтеза разработан метод электротехнического расчета рабочего режима трехфазного индуктивного ПРА при использовании трапециидальной аппроксимации напряжения на лампах. Экспериментальная проверка предложенных расчетных соотношений выявила, что при соблюдении основных положений метода на модели комплекта погрешности расчета основных электрических параметров трехфазного контура не превышают 4%, а при использовании лампы и дросселей с разбросом параметров в пределах производственного допуска — 10%. Применение в расчетах трехфазного индуктивного контура с ЛЛ прямоугольной аппроксимации напряжения на лампах более чем в 3 раза увеличивает погрешности расчета, что неприемлемо для инженерной практики.

3. На основе предложенного метода расчета проведен всесторонний анализ режимов работы комплекта ЛЛ холодного зажигания — трехфазный индуктивный ПРА, позволивший с учетом различных ограничений рекомендовать для него оптимальное значение коэффициента использования напряжения сети М =0,7+0,72. При постоянной мощности ЛЛ увеличение /77 в трехфазных ПРА до уровня 0,7 вместо 0,5 для однофазных позволяет:

— увеличить световую отдачу ЛЛ примерно на 10% при постоянных диаметре колбы и ее наполнении, а также типе люминофора;

— уменьшить примерно на 30% рабочий ток ЛЛ, что наряду с заметно меньшим искажением его формы должно способствовать увеличению срока службы ламп;

— сократить примерно в 1,9 раза массу ПРА и потери мощности в нем при постоянных площности тока в обмотке и максимальной индукции в магнитопроводе дросселей;

— уменьшить примерно вдвое реактивную мощность компенсирующих конденсаторов.

4. Исследованные по выбору способа зажигания ЛЛ с халодными электродами в трехфазном ПРА показали, что для ЛЛ, повышение напряжения на которых достигается уменьшением диаметра трубки, наиболее целесообразными схемами являются резонансные с искусственной ассимметрией, в которых для поочередного зажигания ламп одновременно используются переходные процессы. Предложены оригинальные варианты схем такого типа, показана возможность использования в качестве коммутаторов в схеме с зажигающим конденсатором в групповой нейтрали стандартных стартеров тлеющего разряда.

5. Предложена методика расчета параметров ассиметричных резонансных схем зажигания в нормальном и аномальных режимах работы, на основании которой для ЛЛ различной мощности рекомендованы оптимальные соотношения элементов в схемах, обеспечивающие наряду с надежным зажиганием ламп минимальный расход материалов на изготовление ПРА.

6. Исследования условий зажигания ЛЛ, повышение напряжения на которых достигается наполнением легким интертным газом, показали, что наиболее целесообразным для них является использование групповых импульсных зажигающих устройств. Разработаны варианты устройств последовательного и параллельного типов.

7. На основании результатов исследования светотехнических характеристик ЛЛ и параметров трехфазных трехпроводных схем зажигания и стабилизации разряда ЛЛ рекомендован наиболее экономически эффективный способ повышения напряжения на лампах с холодными электродами, заключающийся в уменьшении диаметра трубки при постоянных длине, роде и давлении наполняющего интертного газа. Даны рекомендации разработчикам ламп по оптимальной величине рабочего напряжения на ЛЛ (Ул = 1504−155 В).

8. Проведен выбор целесообразного варианта конструктивного исполнения трехфазного дросселя с магнитосвязанными обмотками и предложен метод инженерного расчета конструктивных параметров дросселя с учетом потоков рассеяния. Показано, что с экономической точки зрения более целесообразно конструирование трехфазного ПРА в магнитнонезависимом исполнении.

9. Предложен порядок расчета оптимального дросселя с учетом особенностей работы трехфазного ПРА. Разработаны и изготовлены на РСЗ опытные образцы дросселей для ЛЛ типа ЛБ-40 МТ, которые прошли испытания во ВНИСИ. По сравнению со стандартными балластными дросселями типа 1УБИ40/220-ВПП-800, предназначенными для включения ЛЛ той же мощности в однофазную сеть, обеспечивается экономия в расчете на одну лампу: обмоточного медного провода примерно на 23%, трансформаторной стали — 28 $, электроэнергии за год (Т — 2400 ч) -9%.

10. Проведенный технико-экономический анализ различных вариантов осветительных установок показал, что наиболее низкие годовые приведенные затраты имеют установки, в которых используются разработанные комплекты лампы ЛБ-40 МТ — трехфазный ПРА. При этом экономический эффект по сравнению с существующими вариантами составляет от 10% до 19%.