автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Экспериментальные и расчетные исследования компактных люминесцентных ламп

МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ М. Е. ЕВСЕВЬЕВА

на правах рукописи

МИКАЕВА СВЕТЛАНА АНАТОЛЬЕВНА

УДК 621.327.534

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПАКТНЫХ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП

Специальность 05.09.07 - Светотехника и источники света

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ФЕДОРЕНКО А.С.

Саранск, 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Список основных сокращений и обозначений, использованных в работе 5

1. Введение 9

2. Анализ тенденций развития компактных люминесцентных ламп 15

2.1. Принципы и направления конструирования компактных люминесцентных ламп 15

2.2. Зависимость характеристик компактных люминесцентных ламп от условий эксплуатации 38

2.3. Анализ экспериментальных исследований и математического моделирования плазмы положительного столба компактных люминесцентных ламп 46

2.3.1. Анализ экспериментальных исследований 46

2.3.2. Анализ расчетных математических моделей плазмы положительного столба люминесцентных ламп 57

2.4. Выводы по аналитическому обзору и задачи работы 62

3. Экспериментальные исследования характеристик выпускаемых компактных люминесцентных ламп и ламп с защитными полимерными покрытиями 65

3.1. Исследования по уточнению методов и аппаратуры для измерений световых характеристик компактных люминесцентных ламп 65

3.1.1. Исследование процесса стабилизации характеристик компактных люминесцентных ламп 66

3.1.2. Особенности температурных измерений характеристик компактных люминесцентных ламп 70

3.2. Исследование характеристик компактных люминесцентных

ламп различных конструкции при изменении напряжения сети и положения горения 74

3.3. Исследование характеристик компактных люминесцентных ламп различных конструкций при изменении температуры окружающей среды 87

3.4. Определение температуры по поверхности KJIJI мощностью

18,24, 36 Вт 101

3.5. Выводы по главе 106

4. Экспериментальные исследования характеристик положительного

столба KJIJI и способов повышения их эффективности 107

4.1. Определение удельных характеристик положительного столба разряда компактных люминесцентных ламп 108

4.2. Экспериментальное определение коэффициента экранирования светового потока в многоканальных компактных люминесцентных лампах 111

4.3. Исследование спектральных характеристик разряда и определение давления инертного газа в компактных люминесцентных лампах спектральным методом 122

4.4. Использование амальгамного регулирования давления паров ртутив КЛЛ 131

4.5. Изменение электрических и световых характеристик ламп типа КЛ7, 9, 11/ТБЦ после 5000 ч. горения при переключении стартера на другие концы электродов 139

4.6. Выводы по главе 142

5. Расчет микро- и макрохарактеристик положительного столба и

характеристик компактных люминесцентных ламп 145

5.1. Основные процессы и характеристики, подлежащие учету в

математической модели положительного столба 145

5.2. Алгоритм и программа расчета микрохарактеристик плазмы

и удельных характеристик положительного столба 149

5.2.1. Алгоритм расчета 149

5.2.2. Программа LUMEN-COMPACT 156

5.3. Результаты расчетных исследований и их сравнение с результатами экспериментов 160

5.4. Расчет характеристик компактных люминесцентных ламп различного исполнения 188

5.5. Выводы по главе 199 6. Основные выводы и результаты работы 202 Список литературы 207 Приложения 225 Акты об использовании результатов работы 279

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ЛЛ - люминесцентная лампа

ПС - положительный столб

КЛЛ - компактная люминесцентная лампа

ПРА - пускорегулирующий аппарат

ЭВЧ ПРА - электронный высокочастотный ПРА

КПД - коэффициент полезного действия

ЭВМ - электронная вычислительная машина

ММ - математическая модель

РИС - разрядный источник света

ИС - источник света

ЛН - лампа накаливания

ЛОН - лампа общего назначения

РТ - разрядная трубка

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Е - градиент потенциала Ф - световой поток, лучистый поток

БД - функция распределения электронов по энергиям, частота тока I - ток, сила света, интенсивность излучения ] - плотность тока

К - коэффициент мощности, теплопроводности, экранирования

к - коэффициент поглощения для центра линии излучения, постоянная Больц-

мана

Ь - яркость, длина, энергетическая яркость, расстояние 1 - расстояние, длина

М - масса атома, молекулы

т - масса частицы, отношение напряжения на лампе к напряжению сети п - концентрация

N - полное число частиц на единицу длины разряда Р - мощность, давление

<3 - поперечное сечение для неупругого процесса, площадь поверхности зонда

К - радиус трубки, квантовое отношение

г - текущий радиус, радиус трубки, расстояние

Б - площадь

Т - температура (К)

I - температура (°С), время

и - падение напряжения, потенциал

V - разность потенциалов, энергия электронов в эВ, объем уаг - варьируемая величина

Ш - потери энергии электронами X - длина волны излучения, длина свободного пробега а - коэффициент поглощения

р - коэффициент отклонения распределения излучения от ламбертовского, коэффициент диффузии метастабильных атомов

т| - световая отдача, энергетический КПД, КПД слоя для выхода излучения \х - молекулярная масса, подвижность

V - частота излучения, частота ионизации р - коэффициент отражения

х - продолжительность горения, время жизни возбужденного атома ст - эффективное сечение столкновения атомов и Аг Ф - функция, фазовый угол ю - телесный угол, круговая частота

Ье - подвижность электронов

а, е - энергия, средняя энергия электронов

ОСНОВНЫЕ ПОДСТРОЧНЫЕ ИНДЕКСЫ

а - амбиполярный ак - анодно-катодный в - возбужденный Б - доплеровский з- зонд

и - ион, ионизация иг - инертный газ Аг - аргон Кг - криптон Ие - неон Щ - ртуть изл - излучение

к - кинетический, колба, обозначение порядкового номера л - лампа

люм - люминесценция, люминофор

ос - окружающая среда

рез - резонансный

рек - рекомбинация

сл - слой

ст - стекло

у - упругий

уд - удельный

хз - холодная зона

э - энергетический эфф - эффективный е - электронный, энергетический {- обозначение порядкового номера Ь - лоренцовский г - расстояние от оси трубки 1 - удельный + - ион

1. ВВЕДЕНИЕ

Люминесцентные лампы (ЛЛ) за 60 лет своего развития прочно завоевали позиции в освещении промышленных, административных и общественных зданий. Они находят все большее применение в освещении жилья, в технологических процессах сельскохозяйственного производства, в медицине, на транспортных средствах и т.д. В нашей стране доля световой энергии, вырабатываемой ЛЛ, составляет более 60% общей световой энергии от всех источников света (ИС), при этом доля потребляемой электроэнергии составляет около 36%. Световая отдача наиболее массовых ЛЛ (36-40 Вт) белого света повышена более чем в два раза, средняя продолжительность горения - почти в 4 раза, а стабильность светового потока в процессе срока службы - в 3 раза. Энергоэкономичные ЛЛ (ЭЛЛ) с люминофорами, активированными редкоземельными металлами (РЗМ - люминофоры), при работе с электронными высокочастотными полупроводниковыми пускорегулирующими аппаратами (ЭВЧ ПРА), превзошли заветный рубеж световой отдачи -100 лм/Вт (световой КПД ЛЛ около 40%). Последние два десятилетия характеризуются интенсивным развитием компактных ЛЛ (КЛЛ), для которых открыты неограниченные в ближайшие 50 лет перспективы по замене ламп накаливания общего назначения (ЛОН) при существенной (до 75-80%) экономии электроэнергии. Выбор КЛЛ из всего многообразия выпускаемых источников света объясняется тем, что эти лампы, при габаритах, близких к ЛОН, имеют срок службы и световую отдачу в пять и более раз выше, что обеспечивает им большие перспективы и широкую область применения. Альтернативой развитию КЛЛ могут быть металогалогенные и натриевые лампы высокого давления с улучшенной цветопередачей, если удастся создать конструкции, обеспечивающие быстрое их разгорание, мгновенное перезажигание и приемлемую стоимость. Пока практически все передовые фирмы исключительно большое внимание уделяют компактным ЛЛ, которые уже до

конца этого тысячелетия заменят большую часть ЛОН, особенно в быту. Расчеты показывают, что для обеспечения всех световых точек в быту потребовалось бы по крайней мере в пять раз уменьшить выпуск источников света, если бы этими источниками были компактные ЛЛ. Но учитывая, что такое наращивание производства новых изделий невозможно осуществить быстро, процесс замены ЛОН на КЛЛ будет продолжаться и в начале третьего тысячелетия.

В программном анализе развития корпорации "Российский свет" авторы [55] отмечают следующее. В 1993 г. выпуск ИС в России составил более

1 млрд. шт., из них ЛОН составляют 53,2%, специальные ИС - 39%, ЛЛ - 7% и РЛВД - 0.73%. К 2000 г. объем производства ИС, по сравнению с 1993 г., должен возрасти в 1,6-1,7 раза и потребность населения России в них по основным группам будет удовлетворена полностью. При этом изменение структуры выпуска должно максимально приблизиться к структуре, сложившейся в мировой практике. Так, доля ЛЛ, РЛВД и специальных ИС должна возрасти более чем в

2 раза, а КЛЛ - в 30 раз. При этом планируется расширение номенклатуры КЛЛ за счет освоения производства 4-канальных, мощных, панельных и безэлектродных ламп, создание оборудования с производительностью 400-1500 шт./ч., развития производства светильников, ЭВЧ ПРА и РЗМ - люминофоров. Предполагается, что экономия электроэнергии от расширенного выпуска КЛЛ составит более 10 млрд. кВт. ч.

В настоящее время светотехнические системы с КЛЛ находятся в стадии развития и совершенствования и менее других изучены. Следует отметить чрезмерно большую номенклатуру КЛЛ и многообразие их конструкций, которые порой оправданы только фирменными интересами. Для выбора оптимальных конструкций и номенклатуры КЛЛ, выпускаемых в России, необходимо выполнить ряд исследований как по определению реальных характеристик наиболее массово выпускаемых ламп различных фирм при различных условиях их эксплуатации, так и по созданию новых технических решений.

Развитие и широкое внедрение методов математического моделирования источников света позволило в последние годы внести определенный вклад в решение ускорения их разработок, так как с помощью ЭВМ можно рассчитать и сравнить между собой тысячи вариантов ламп. Применение методов математического моделирования при разработке КЛЛ позволит с меньшими затратами повысить эффективность инженерных исследований.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ определяется необходимостью экспериментальных исследований КЛЛ и разработки методов их математического моделирования и проектирования.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ явилось проведение комплекса исследований, позволяющих установить взаимосвязи основных характеристик ПС с параметрами разряда и люминофорного слоя и использовать полученные результаты при разработке новых КЛЛ, и совершенствовании существующих:

- разработка и выбор методов экспериментальных исследований микро- и макрохарактеристик ПС; выполнение исследований и установление связей характеристик с параметрами разряда в условиях, максимально приближенных к режимам работы КЛЛ в осветительных установках;

- разработка программы и проведение многовариантных расчетных исследований основных характеристик ПС на базе микрохарактеристик ПС, физических характеристик атомов Н§ и инертного газа, с учетом процессов, имеющих место в разряде КЛЛ, работающих в реальных условиях;

- разработка инженерных решений и предложений по совершенствованию существующих и созданию новых типов КЛЛ, методов расчета и контроля характеристик КЛЛ и их элементов.

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ являлись КЛЛ с люминофорным слоем и без него, с защитным покрытием, отличающиеся размерами ПС (по длине и по радиусу трубки), наполнением.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИИ заключалась в определении основных характеристик ПС путем расчета их с учетом радиально изменяемых микрохарактеристик плазмы, либо прямым измерением. Особенностью расчетных исследований является максимальный учет процессов, существующих в ПС ламп. Особенностью экспериментальных исследований является работа измеряемых КЛЛ в условиях, максимально соответствующих условиям работы их в светильниках.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые проведены комплексные экспериментальные и расчетные исследования: зависимостей световых и электрических характеристик ПС и КЛЛ различной конструкции (с защитными утепляющими покрытиями на поверхности колб и без них) при изменении температуры окружающей среды (toc), напряжения сети (Uc), положения горения; влияния количества каналов на экранирование (потери) светового потока в КЛЛ по сравнению с прямыми лампами; влияния температуры поверхности (холодной зоны и трубки в зоне ПС) и распределения ртути в объеме КЛЛ на режимы стабилизации и зависимости характеристик ламп от температуры окружающей среды.

НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

- формулировка принципов и направлений конструирования КЛЛ на основе анализа тенденций их развития;

- алгоритм, программа расчета и результаты расчетных исследований характеристик ПС ЛЛ с трубками малого диаметра (0,8-2 см) в функции тока, радиуса трубки и параметров наполнения;

- установление зависимости процесса стабилизации КЛЛ от температур наиболее холодной зоны и колбы, количества и распределения ртути по внутренней поверхности лампы;

- обнаружение и объяснение эффекта положительного влияния утепляющего действия полимерных защитных покрытий на характеристики КЛЛ;

- результаты экспериментального определения коэффициента экранирования светового потока в многоканальных KJIJI;

- результаты экспериментального определения удельных световых и электрических характеристик ПС в трубках малого диаметра (<1^=10 мм);

- оптический метод определения давления инертного газа в КЛЛ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ и реализация результатов работы:

- программа LUMEN-COMPACT для расчета характеристик ПС с учетом определенных экспериментально коэффициента экранирования светового потока и приэлектродных характеристик применена для расчета ряда типоразмеров многоканальных КЛЛ с различным расположением трубок;

- улучшение температурных характеристик КЛЛ предложено осуществлять следующими путями: нанесением на поверхность ламп утепляющих неразрушающихся полимерных покрытий (для ламп, работающих при toc=20-40°C); применением амальгамы индия 55%Hg-45%In, образуемой непосредственно в лампе (для ламп работающих при toC=35-70°C);

- повышение эффективности освещения с КЛЛ при эксплуатации предложено проводить путем реализации следующих мероприятий: созданием КЛЛ на 2 диапазона напряжений (180-220 В; 220-250 В); корректировкой электрического режима некоторых типов КЛЛ за счет изменения газового наполнения; повышением стабильности светового потока четырехштырьковых КЛЛ путем изменения подключения концов электродов к схеме питания в процессе работы лампы в светильнике;

- разработан и испытан в производстве КЛЛ во ВНИИИС (при настройке и контроле системы газового наполнения на откачном полуавтомате) спектральный метод определения давления аргона в лампах.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные результаты работы доложены на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием (г. Саранск, 1994, 1995, 1996, 1997г., г. Суз-

даль, 1995г., г. Варна, Болгария, 1996г.), на всероссийском международном совещании (МИСЭПСИ-4) (г. Саранск, 1996 г.).

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа изложена на 224 страницах, полностью оформленных с применением ЭВМ, состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, включает список литературы (162 наименования, в том числе 19 работ автора по теме диссертации, опубликованных к моменту оформления работы), 58 страниц иллюстраций (71 рисунок), 19 таблиц по тексту, 10 приложений на 54 страницах, акты об использовании результатов работы на 4 страницах.

2. АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ КОМПАКТНЫХ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП

2.1. ПРИНЦИПЫ И НАПРАВЛЕНИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ КОМПАКТНЫХ

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП

Анализ этапов развития ЛЛ [85] показал, что более 40 лет их совершенствование осуществлялось без существенного изменения габаритных размеров. Рассмотрим и проанализируем основные технические решения по миниатюризации Л Л, которые мы представили на схеме рис. 2.1.

Разработка и-образных, кольцевых и V/-образных ЛЛ (их можно назвать среднегабаритными ЛЛ или крупногабаритными КЛЛ) позволила уменьшить максимальный размер ЛЛ в 2-4 раза. Однако технология производства таких ламп существенно ухудшается по сравнению с таковой для линейных ЛЛ (по производительности, применению свинецсодержащего стекла для кольцевых ЛЛ, затратам ручного труда, выходу годных изделий), а качество ламп снижается - это обусловлено применением процесса изгибания (местного или по всей длине) стеклотрубок с нанесенным люминофорным слоем. При этом цена ламп возросла в несколько раз п