автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Комплексные исследования работы натриевых ламп высокого давления в электрической цепи и разработка согласованного комплекса "лампа-бра"



с ** з

ВС ЕСОКСНиЯ НЛУ «Я 10-1 га ОДОВАТЕД ЬС ¿СЫН ИРОВСШСЫШЯТУКГОГСККИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ СШЮТКХШГиеШ;1 ИНСТИТУТ имени С.».ВАВИЛОВА

На правах рукоятей

Ш'ДГСРЖСКАЯ /Шив Нит.олпевпа

УДК 621. ЗЛ. 532

КОШШККСШЕ ИССЛВДОГШШ РАБОТЫ НАТРИИШ

лаш высокою длшшш в алкктгичгеко'Л

ИМГИ К РАГЗГАЮТМ СОГЛАСОВАННО!!) КОМПЛЕЮ'А "ЛАМПА - ИРА"

Специальность: 05.09.07 - Светотехника и источники оичта

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание учвноП степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском щюектно-конетрукторском и технологическом светотехническом институте имени С.И.Вавилова (ВНИСИ).

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Троицкий A.M.

Научный консультант - кандидат технических наук

Болкова Е.Б.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Атаев А. И.

- кандидат технических паук Резаков Р.У.

Ведущее предприятие - Специальное конструкторско-тнхнологическое бюро источников света (г.Полтава)

Защита состоится " 14 " моя 1992 г. е часов на

«аседашш специализированного Совета К 143.01.01 при Всесоюзном научно-исследовательском нроектно-конструкторском и технологическом светотехническом институте им. С.И.Вавилова, I2930T, Москва, пр.topa, дом IOS, Совет ВНИСИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВШЮИ

Автореферат разослан " /¿^ « 993 г>

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: I29301, Москва, проспект Мира, дом 106, Совет ВНИСИ.

Ученый секретарь

специализированного Совета К 143.01.01

кандидат технических наук Д.Д.Юшков

) оыцля характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время в осветительных установках все большее применение находят газоразрядные лампы высокого давления, в том числе натриевые лампы высокого давления (ШШД). ШВД представляют одну из многочисленных и эффективных групп источников видимого излучения: они обладают самой высокой световой отдачей (100-130 т/Вт) среди известных разрядных ламп высокого давления и достаточно большим сроком службы, составляющим по нормативным документам 15-20 тыс.часов. Однако, как показал многолетний отечественный и зарубежный опыт эксплуатации осветительных установок с НЛВД, при работе в световых приборах с различными оптическими системами и параметрами комплектующих их ПРА, ЗУ, реальные сроки службы ниже нормируемых и могут значительно отличаться. Так, например, отечественные лампы производства ПЗГРЛ мощностью 400 Вт при эксплуатации в отечественных светильниках ЯКУ 400 имеют срок .службы в 2-2,5 раза меньший, чем при работе в светильниках, изготовленных и укомплектованных в Финляндии. Это свидетельствует о том, что эксплуатационные характеристики этих ламп зависят не только от их конструкции и технологии изготовления, но и от условий эксплуатации, и в первую очередь от схемы включения.

Известно, что при длительной эксплуатации НЛВД происходит непрерывный рост напряжения на лампе (1/д ) ДО значений, соответствующих возникновению циклического режима работы лампы "разго-раняе - погасание". При этом к концу срока службы Ц, приблизительно в 2 раза превышает начальное значение, одновременно имеет место изменение мощности лампы (Рл) как за счет физических процессов в самой лампе, так и за счет условий эксплуатации. Следовательно, комплект "НЛВД - ПРА - световой прибор" в отличие от других представляет собой динамическую систему, которая ставит крайне жесткие требования к балласту - поддерживать в заданных пределах мощность на нагрузке, сопротивление которой меняется почти в 4 раза. Зависимость между Рд и и* называется характеристической кривой комплекта, является его основной выходной характеристикой.

Использование традиционных методов согласования лампы и балласта по начальным электрическим параметрам, где в качестве

базовой величины использовался ток лампы, неприемлемо для электротехнического расчета контура "ШВД - ПРА", т.к. не учитывает динамику изменения характеристик ШВД.

Задача определения степени согласованности комплекта "ШШД -ИРА", оценка влияние его электротехнических параметров на долговечность лампы является безусловно актуальной и решение её позволит изыскать ноше возможности для повышения надежности работы установок. Достоверным критерием решения этого вопроса, принятым с позиции потребителя, могут служить оценки срока службы лампы по регламентированным выходным характеристикам комплекта.

Цель работы - рассмотрение характеристик комплекта как единого целого, определение степени взаимного влияния электротехнических параметров элементов контура "ШШД - ПРЛ" на срок службы лампы и выбор на этой основе наиболее рациональных путей повышения надежности комплекта.

Для достижения указанной дели необходимо:

1. Провести анализ причин выхода из строя НЛВД в процессе эксплуатации и определить систему требований к комплекту "ШШД -ПРА".

2. Разработать метод электротехнического расчета контура "НЛВД - ИБ" с целью получения аналитических связей мелку параметрами контура и выходной характеристикой комплекта.

3. Используя полученный метод расчета, провести теоретические исследования влияния различных параметров элементов контура на вид характеристической кривой комплекта (ХКК) с оценкой долговечности работы лампы.

4. Провести теоретические и экспериментальные исследования для оценки точности разработанного метода и получения необходимых исходных данных для расчетов.

5. Провести экспериментальные исследования для выявления основных связей между конструкторско-технологическими параметрами горелки и их электротехническими характеристиками.

6. Разработать математическую модель оценки долговечности работы лампы в комплекте "НЛВД - ИБ" с выбором критерия согласованности и разработкой рекомендаций по повышению его надежности.

7. Разработать на базе проведенных исследований и расчетов комплект "ДНаТ 250 - индуктивный балласт" с повышенной надежностью.

Объектом исследований является комплект "натриевая лаына высокого давления типа ДНаТ - пускорегулирующий аппарат", элементы которого отличались конструкцией и основными техническими данными. В основном исследовался наиболее широко используемый комплект "ДПаТ 250 - ИБ".

Выбор методики исследований обусловлен спецификой натриевых ламп высокого давления по сравнению с другими газоразрядными лампами. Теоретические исследования электротехнического контура проводились па основе метода гармонического анализа и синтеза с применением принципа Штрауха, причем при расчете выходной характеристики комплекта учитывались особенности МВД. С использованием известных численных методов составлен блок программ электротехнического расчета контура с одновременным проведением оценок надежности комплекта. Достоверность результатов расчетов обосновывалась их совпадением с экспериментальными данными.

При проведении экспериментальных исследований характеристик натриевого разряда применялись: метод полного факторного эксперимента со статической обработкой результатов для получения уравнений регрессий, сачзывающих параметры горелки (род и давление наполняющего газа, состав и температуру амальгамы н т.д.) с характеристиками лампы {мощность, напряжение, ток, вольт-ампер-секундная характеристика, световой параметр и т.д.); метод термостати-рогания "холодной" точки горелки; осциллографярогание и фотографирование динамических характеристик ламп; методы теоретической фотометрии при исследовании световых параметров горелки.

Научную новизну работы составляют:

- метод электротехнического расчета контура "МВД - ПРА", включающий расчет выходной характеристики комплекта с учетом изменения пика перезажигания.и аппроксимациошшх параметров формы напряжения на ламно в процессе эксплуатации;

- результаты расчетного исследования влияния параметров контура на ЖК и рекомендации по увеличешш надежности работы комплекта;

- методы и результаты исследования влияния конструкторско-технологических параметров горелки НЛВД на её электротехнические характеристики;

- математическая модель оценки надежности комплекта, полученная на основании комплексного рассмотрения контура "НЛВД -ПРА" и включающая методику расчета его выходной характеристики,

аналитические связи электротехнических параметров горелки от её конструкторско-технологических, методику оценки срока службы лам-пи;

- рекомендации и схемные решения, позволяющие увеличить надежность работы комплекта.

Практическая ценность. В работе создан инженерный метод расчета контура "1ШЗД - ИБ" с учетом особенностей ламп этого типа, разработан блок программ для ЭВМ. Уточнена методика расчета индуктивного балласта, согласованного с лампами типа ДНаТ. Проведены расчеты электротехнических параметров ламп и балластов для комплектов с повышенной надежностью, даны рекомендации по конструированию ламп и ПРА.

Но результатам работы проводится модернизация комплектов "ДНаТ 250 - ИБ" и "ДНаТ 150 - ИБ", разрабатываемых на НПО "Зенит" и заводе "Ксенон".

Апробация работы. Основные положения работы и отдельные её результаты докладывались и обсуждались на 8 Международной конференции по осветительной технике "Осветление 90" (Болгария, г.Варна, октябрь 1990 г.); на Международном семинаре "МЭИ - Светотехника - 1992" (г.Москва, январь 1992 г.); на Всесоюзном научно-техническом симпозиуме по газоразрядным источникам света (г.Полтава, октябрь 1991 г.); на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт эксплуатации источников света, и световых приборов" (Ленинград - Саранск, май 1988 г.); на заседаниях секции источников света и ПГА НТС ВНИСИ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано V печатных работ, в том числе I авторское свидетельство.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения (/'J/ ), списка литературы (51 наименование), 63 иллюстрации (61 с.) и I приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность диссертационной работы, сформулирована её цель, кратко аннотировано содержание каждой из четырех глав, изложены положения, выносимые на защиту.

I. АНАЛИЗ РАБОТЫ КОМПЛЕКТА "ШШД - ПРА -СВЕТОВОЙ ПРИБОР"

Проведен краткий анализ состояния рассматриваемых в диссертации вопросов.

Показано, что проблема повышения эффективности и ресурса оо-ветителышх установок с НЛВД стоит сегодня очень остро и комплексное рассмотрение системы "ШГВД - ПРА - световой прибор" позволит изыскать ноше возможности для повышения надежности их эксплуатации.

Динамизм в работу комплекта в первую очередь вносят Физические особенности работы лампы - наличие жидкой фазы амальгамы натрия, что проявляется в резкой зависимости всех характеристик НЛВД от параметров, в первую очередь от температуры амальгамы. С другой стороны, изменение характеристик лаш связано о электрическими и оптическими схемами, работающих с ними ПРА и светового прибора (утепляющее дейотвие светильников, нелинейность и изменение сопротивления дросселя и т.д.). Многообразие факторов, влияющих на работу комплекта "лампа - ПРА - световой прибор", представляющего динамическую систему, существенно затрудняет её описание и согласование. Однако можно сказать, что надежность работы комплекта в первую очередь определяется надежностью работы лампы, её сроком службы.

Показано, что применительно к НЛВД современного уровня качества основным критерием, определяющим срок службы является переход лаш в циклический режим работы "разгорание - погасание", причиной которого является рост напряжения на лампе в процессе эксплуатации до определенной величины, называемой напряжением погасания. Величина напряжения погасания, а также скорость роста напряжения на лампе в процессе горения являются основными параметрами, определяющими срок службы НЛВД и надежность работы комплекта, если исключить дефекты конструкции и технологический брак, присущий всем источникам света.

Из рассмотрения механизма погасания разряда становится ясным, что не столько действующее значение напряжения на лампа, сколько его форма влияют на переход лаг,ты в циклический режим, и в первую очередь величина пика перезалигашщ ( Ц~пз ). Отношение

/ ^л У НЛВД значительно, выше, чем у ртутных и металлогало-гегашх ламп, и увеличивается в процессе эксплуатации. Показано,

что уменьшение Ц,3/ Ц, на 0,1 дает повышение срока службы НЛВД на 1-3 тыс.часов в зависимости от скорости прироста С1Л в процессе горения.

Возрастание напряжения на лампе в процессе горения связано с тем, что амальгама натрия вводится в избыточном количестве. В процессе эксплуатации происходит, во-первых, изменение состава амальгамы за счет убыли натрия и, во-вторых, рост температуры амальгамы в первую очередь из-за почернения концов оболочки в результате распыления электродов, что является главной причиной роста напряжения на лампе.

Повышение температуры амальгамы и рост напряжения на лампе происходит и под воздействием внешних факторов, таких как, например, утепляющий эффект светотехнической арматуры. В МЭК регламентировано допустимое повышение напряжения на лампе ( й ИЛ) при её работе в световом приборе. В ряде случаев воздействие светотехнической арматуры на электрические характеристики ламп может быть учтено переносом левой точки ХКК на величину д 1_1Л и соответствующим изменением скорости роста напряжения на лампе. Указанное позволяет нам решать задачу долговечности лампы лишь для системы "ШШД - ПРА".

Величина вводимой в лампу мощности, характер её изменения при изменении напряжения на лампе в процессе срока службы зависит от характера изменения тока лампы, который в свою очередь зависит от вольт-амперной характеристики используемого в комплекте балласта. Область допустимых значений электрических параметров НЛВД принято характеризовать четырехсторонней диаграммой, построенной в координатах "мощность-напряжение на лампе", а комплект "лампа-ПРА" - соответствующей характеристической кривой (рис.1), которая описывает изменение мощности лампы в зависимости от напряжения на ней для данного балласта при фиксированном значении напряжения сети ( Цс ). Каждая система "лампа-ПРА" имеет свою, присущую ей ХКК.

Показано, что по виду и положению ХКК в координатах "Рд- Ц»" можно проводить не только качественную, но и количестве1шую оценку срока службы НЛВД. Расчет производится с привлечением известной методики, включающей интегрирование функции от ХКК с учетом скорости и диапазона изменения у . Проведенные оценки срока службы НЛВД с различными типами балластов, а также сопоставления

Ц

А НОМ

а

Рис Л. Диаграмма "мощность-напряжение на лампе" (связь между мощностью и напряжением на лампе для ШШД)

Характеристические кривые при напряжении питания: I - пониженном, 2 - номинальном, 3 - повышенном. Линия: 4 - наименьшего напряжения, 5 - максимально допустимой мощности лампы, 6 - наибольшего напряжения, 7 - погасания, 8 - минимально допустимой мощности лампы; А, В - характеристики лампы

их технико-экономических показателей наглядно свидетельствуют о преимуществе индуктивного баллаота по сравнению с другими типами.

Анализ существующих методов расчета контура "НЛВД-индуктив-иый балласт" показал, что их использование для расчета выходной характеристики ХКК приводит к заметным погрешностям (20% и более) определения Рл и ещё большим неточностям (3655 и более) при оценке долговечности лампы. Выявлены причини, приводящие к неадекватному воспроизведению ХКК.

На основе проведенного анализа сформулированы задачи диссертационной работы.

П. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПЛЕКТА "НЯВД-ПРА"

Основная цель теоретических исследований - получение аналитических соотношений для электротехнического расчета комплекта " НЛВД - ИБ " при изменении напряжения на лампе и параметров комплекта и оценка возможности регулирования ХКК за счет их вариаций,

В основу' расчета контура положен метод гармонического анализа в синтеза о применением принципа Штрауха. При этом использовались следующие основные положения и допущения.

I. Расчет ведется для эквивалентной охемы замещения линейного дросселя (рис.2) с учетом активных потерь в дросселе (Рда) резистором Гдр . Учет похерь последовательным сопротивлением является приближенным, но при уровне потерь в стали магнитопровода Рст/Р 0,2, которое справедливо для балластных дросселей ламп средней мощности, дополнительная погрешность расчета не превышает 1%. Уравнение контура имеет вид:

г»/>

-к

V*

х-

у

^-

Рис.2. Расчетная схема контура "ШВД-4ГС о потерями"

Э-,

о ыр

I

Рис.3. Формы аппроксимации напряжения на лампе

2. Кривая напряжения на лампа аппроксимирована четырехугольником (рис.3). Принимая за начало отсчета момент прохождения тока лампы через нулевое значение, напряжение на лампо маяно записать гармоническим рядом вида г 0,3

- га -^-И. (2)

Пик перезажигания учитывается путем соответствующего изменения (А п 8 (рис.3 - прямые А или В), а не введением в аппроксимацию дополнительных параметров ( (] , ипъ ). Выбор варианта аппроксимирующего четырехугольника будет определен при экспериментальной проверке расчетных соотношений.

В результате решения дифференциального уравнения контура (I) методом наложения, было получено выражение для мгновенного значения тока в контуре ¿л ( £). Наличие аналитических выражений для

ил ( ) и 4 ) решает задачу электротехнического расчета контура "ДНаТ _ ИБ с потерями", т.к. получение всех остальных электрических параметров контура связано лишь с выполнением определенных математических операций.

Уравнение для одной из основных характеристик контура - мощности лампы - имеет следующий вид:

- 1*шнг ""а2)- е^*4®)-ь М "

' + (з)

где т ; М^Т^Г;

а'^х»'>мП4=arctg±-arcsinQ;

' ir

т \Н*а

л т 4 1_ V

^ Af^a2 V 2 I7 А

X [еа*( /* mJj ♦ e2ad(fS(eM-мг))]

4.( a , X ) - сумма числового ряда вида V~ (J*-О?) COS(2п - 1)х

J1 {Zn-lfTttn-ifTcfi

е2ах -

a-eax(eajr+<}

где "х" принимает значения 0, о( , 2с/,.

Кроме выражения для мощности лампы получены соотношения для действующих значений тока лампы (1л), напряжения на лампе ( ил ), напряжения на дросселе ( Ц^ ), среднего значения напряжения на дросселе ( Щр ер ), коэффициентов амплитуды тока (К^) и формы напряжения на дросселе (Нф).

Уравнение (3) по существу является расчетным выражением для ХКК. Величина мощности зависит от параметров аппроксимации формы напряжения на лампе ( = И 11г , ск) $ ), от параметров балласта (ХДр, О ) и от величины сетевого напряжения ( 1/е ).

Для проведения расчетных исследований был разработан на ВЦ ВНИСИ блок программ, который позволяет, ввода параметры лампы, дросселя и величину сетевого напряжения, рассчитать все необходимые электротехнические параметры контура в зависимости от величины напряжения на лампе, и по виду ХКК производить оценку надежности. Проведены исследования влияния аппроксимационных параметров формы напряжения на лампе, изменения параметров балласта и величины сетевого напряжения на ХКК.

При проведении первой группы расчетных исследований параметры дросселя оставались неизменными, а варьировались параметры лампы. При изменении о( от 0,06 до 0,09 рад и £ от 0,03 до 0,06, что ооотватотвует их значениям без учета пика перезажигания (прямая А,

рис.3), расчетные данные по сравнению о экспериментом отличались на 20% и более. При определении аппроксимационных прямых с помощью метода наименьших квадратов в расчет прямой В, учитывающей пик перезажигания (рис.3), вводились не только точки, расположенные па "полочке" (т.4-8), но и на пике (т.1-3). В этом случае максимальная погрешность расчетов Рл составила 7%, наибольшая точность достигается при частичном учете пика (50-70$ его высоты). Изменение параметров d и 8 при частичном учете пика в зависимости от величины напряжения на лампе показано на рис.4.

8

0,6 • 0,4.

0,2 -

0,1

0,05

рад

0,2

0.4

0,6 • 0,8

-Sk

Uc

Рис.4. Зависимость параметров аппроксимации от величины напряжения на лампе

Вторая группа расчетов была направлена на определение степени влияния того или иного параметра балласта и величины сетевого напряжения на форму и положение ХКК в координатах "Рл - ид При этих расчетах оС и 8 выбирались в зависимости от величины напряжения на лампе из рис.4.

После проведения расчетов мы пришли к следующим выводам: - величина активных потерь в дросселе незначительно влияет на положение ХКК; однако в этом случае эффективность работы комплекта зависит от таких факторов как увеличение Кы , ухудшение стабильности работы лампы при колебаниях сетевого напряжения, следовательно, дроссели должны иметь рациональный уровень активных потерь;

- изменение импеданса линейного дросселя не искажает форму ХК1С и не изменяет положение максимума, а лишь смещает ЖК по вертикали;

- нелинейность БАХ дросселя искажает форму ХКК, максимум снижается и перемещается в сторону меньших напряжений, указанное увеличивает долговечность ламп. Однако при больших нелшейностях растет К^ , что отрицательно сказывается на сроке службы ламп;

- расчетные оценки срока службы НДВД показали, что эксплуатация ламп при повышенном напряжении сети резко сокращает их срок службы: так при Ц. = 231 В он уменьшается вдвое, а при 0С =242 В он составляет всего 36$ от номинального. Это подтверждено стендовыми испытаниями.

Ш. ЭКСПЕРШИШЛЫШЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью проведения экспериментальных исследований являлось получение количественных оценок и опредление степени влияния конструктивных параметров горелок Ш1ВД на электротехнические (включая динамические) и световые характеристики ламп.

Было проведено планирование полного факторного эксперимента типа 2®. В качестве откликов было выбрано напряжение на лампе (1/А ) и градиент потенциала (Е) столба разряда, мощность (Рд) и коэффициенты мощности (Кд) лампы и импульса перезажигания (Ки = И„ь/ ил ), длительность фронта () и относительный спад ( о ) напряжения за полупериод, световой параметр (И); б качестве факторов на основе литературных данных и априорных сведений были выбрани следующие: род (Х^) и давление (Х2) инертного газа, состав (Хд) и температура (Хд) амальгамы, величина тока (Х4) и длина межэлектродного расстояния (Х6). При выборе интервалов варьирования мы опирались на заводскую технологию, литературные данные и известные соотношения. Для ряда опорных точек использованы параметры серийных ламп. В результате мы получили .следующие уровни и интервалы варьирования.

Факторы Уровни Интервал :Размерность

. -I : о +1

Г 2 : 3 4 5 : 6

Род (молекулярная АГ КГ Хе -43,86 а.е.м.

масса) инертного газа- -(39,94) (83,8) (131,3) +47,5

Х1

I ! 2 : 3 : 4 : 5 1 6

Давление инертного газа - Х2 20 120 220 ±100 ИЛ рт.ст.

Соотав амальгамы - Хд 13 16 19 ±3 % веоовые

Ток лампы - Х4 2,1 3,1 4,1 ¿1 А

Температура холодной точки - Х5 640 660 680 ±20 °С

Длина межэлектродного расстояния - Х6 46 67 88 ¿21 им

При необходимом дублировании опытов общее число их составило 136. Для проведения эксперимента была разработана установка, которая обеспечивала:

- регулировку и регистрацию по току питания лампы и по температуре холодной точки горелки;

- работу горелки в вакуумной среде, чтобы исключить влияние монтажа использовалась разборная колба на шлифе о многовводной ножкой;

- высоковольтное силовое питание - для исключения влияния на результаты экспериментов параметров электрической схемы питания* •

- регистрацию вольт-секундных, ампер-секундаых и дишметес-ких вольт-амперных характеристик путем фотографирования$

- регистрацию действующих значений Рд, ил , 1Д, Ьгс :

- регистрацию световой характеристики.

Температура "холодной" точки менялась о помощью установки термостатирования.

В процессе проведения эксперимента было изготовлено и испытано 35 горелок о варьируемыми факторами и 4 "нулевых'* горелка» о предварительной рандомизацией проведения опытов. Было отснято и проанализировано 12 стандартных фотопленок с осциллограммами. Совместно с ВЦ ВНИСИ отработана программа» которая позволяет после введения точек экспериментальной кривой Ил (©} получить необходимые аппроксимациошше параметры: и 5 . Прогрвш» еоставяэна для одновременной обработки 12 осциллограмм.

В результате статистической обработки и ыгаэслеккй вохзчетг

уравнения регрессий для каждого отклика при линейной модели с учетом всех взаимодейотвий; коэффициенты регрессий были проверены на значимость, модели - на адекватность с помощью критерия Фишера. Уравнения регрессий в нормируемой форме для ряда откликов имеют вид:

у^ = 1,724 - 0,0759х2 + 0,0518х6 - 0,0402х1 - 0,0394х3 (4)

ур, = 0,0605 + 0,0139х2 - 0,0131x^3 - 0,0074х6 - 0,007х4 - (5)

- 0,0059х2х6 - 0,0049хзх6

= 0,2025 - 0,0127х4 - 0,0109х1 +• 0,01х6 + 0,0079х2х6 - (6)

- 0,0075х1х2 - 0,0074x2x3 - 0,0055х1х6

Аналогичные уравнения были получены и для остальных. Анализ влияния изменения факторов на отклики показывает, что в наиболее широки, пределах варьируются длительность фронта (на 86%) и наиболее слабо - Кд и Кд (14% и 17% соответственно). Изменение откликов в направлении, соответствующем повышению напряжения погасания, обеспечивается при уменьшении межэлектродного расстояния и использовании наиболее тяжелого зажигающего газа при повышенном давлении. Эти уравнения необходимы для оценки путей повышения надежности ком-, плекта путем изменения конструкторско-технологических параметров горелок. Кроме того, они позволяют производить оценку изменения электротехнических параметров лампы в зависимости от технологического разброса.

гу. разработка комплекта "нлвд-пра" говышешюй надежности

Повышение надежности комплекта за счет регулирования электротехнических характеристик можно достигнуть двумя путями - увеличением диапазона изменения напряжения на лампе и уменьшением скорости роста напряжения в процессе эксплуатации. Увеличение диапазона изменения напряжения на лампе можно осуществить как за счет лампы, путем уменьшения отношения Цц / 1/л . либо сдвигом момента перезажигания в сторону отставания от начала полупериода (увеличение значения игас ), так и за счет схемы - переносом начальной точки ХКК на левую границу диаграммы "Рл - 0'л ". Уменьшение скорости роста напряжения за счет схемы достигается путем стабилизации или уменьшением нарастания Рл в процессе эксплуатации, например, при исполь-

овании небольшой (примерно 10% ) нелинейности дросселя.

Увеличение долговечности лампы возможно путем уменьшения пи-а перезажигания, что можно осуществить увеличивая давление ксо-:она. Однако, при рассмотрении ранее этого вопроса все авторы 'бращали внимание лишь на изменение амплитуды пика перезажигания, я наш взгяд, увеличенное давление наполняющего газа не столько лияет на величину пика, сколько-на его положение, т.е. на вели-miyc< . Наши расчеты по уравнениям регрессий показали, что для ЛЕД мощностью 250 Вт увеличение давления ксенона с 20 мм.рт.ст. ;о 60 мм.рт.ст. уменьшает амплитуду пика всего на 10%, в то же ■ремя увеличивает о( на 65%. Напряжение погасания, согласно про-.еденным нами экспериментам, для этих условий увеличивается со 50 В до 170 В, что связано, на наш взгляд, в первую очередь с уве-ичением сД . Это соответствует увеличению срока службы НЛВД на -10 тыс.часов, как показывают проведешше наш оценки. Для об-егчения зажигания в модернизированной лампе мы использовали эа-игающую полосу.

При разработке лампы нами было обнаружено, что в зависимости т конструкции разрядной трубки (штенхелышя, бесштенгельная, дия-етр, давлете наполняющего газа, номинальная мощность) лампы меют различную чувствительность к изменению сетевого напряжения., бнаружено, что лампы штенгельной конструкции, а также о высоким ачальннм напряжением менее чувствительны к колебаниям сетевого апряжения. Эти факты необходимо учитывать при проектировании ос-етительиых установок.

При разработке балласта нами была исследована работа НЛВД с ндуктивным и емкостно-индуктивным балластами при номинальном наряжении сети, а также при его отклонениях, влияние конструкции ндуктивного балласта на ХКК (тип могнитопровода и изменение в роцессе эксплуатации). В результате этих исследований было под-верждено, что эксплуатация НЛВД возможна только с индуктивным алластом; конструкция дросселя, в том числе тип магнитопровода, лияют на долговечность лампы. Даш рекомендации по возможному зменению без ущерба для надежности комплекта при отклонвшс-х сетевого напряжения и в процессе эксплуатации.

Для реализации второго пути повышения надежности комплекта редложен дроссель, содержащий основную Wc и дополгагеельную Ivj

обмотки. При.встречном включении обмоток, либо использовании только основной (вариант 2) обеспечивается номинальный режим работы лампи, при согласном (вариант I) - с пониженными начальными эксплуатационными значениями. Дроссель одновременно используется как импульсный трансформатор зажигающего устройства. Кроме того, при согласном включении V/, и \л/| обеспечивается режим работы лампы, близкий к номинальному при напряжении питания 242 В.

Соотношение числа витков в обмотках дросселя при использовании их согласно или встречно определяется как

W» (7)

Ц V ¿5 RMJ

где Ья Lg - соответственно индуктивности основной и дополнитель ной обмоток дросселя,_

Lo-il&sLj + VUsbMUi'ltVkj]

Li t Li - требуемые значения индуктивности дросселя соответственно в вариантах I и 2, KQB - коэффициент магнитной связи между основной и дополнительной обмотками дросселя, R R - соответственно магнитные сопротивления для указанию

Mot "I

J обмоток.

При использовании в номинальном режиме лишь основной обмотки дросселя

и у <8>

Для изменения формы ХКК мы использовали нелинейность ВАХ дросселя, но не более 10/2. Это позволило уменьшить среднюю за срок службы мощность лашш с 260 Вт до 237 Вт при увеличении выработанной световой энергии в 1,6 раза. При этом имеет место выигрыш в массо-габаритных размерах дросселя на 10-20$. Проведенные нами оце! ки надежности комплекта показали увеличение срока службы лампы на 65-В0$. Приведены сведения практической реализации результатов работы.

В заключении изложены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ'

1. Выполнен анализ причин выхода из строя ШВД, который показал, что при современном уровне качества ламп их срок службы в ос-ювном определяется повышением в процессе эксплуатации напряжения ш лампе до предельной величины - напряжения погасания и переходом

з циклический режим работы - "рпзгорание-погасание". На возшшювч-ше указанного режима оказывают существенное влияние параметры >лектрической схемы включения и условия работы ламп в световом приборе, поэтому при оценке надежности необходимо рассматривать дина-гачесгсую систему "лампа - ПРА - светильник". Предложен способ уче-■а "утепляющего" действия светотехнической арматуры, что позволяет [ри исследовании проблемы долговечности ламп ограничиться рассмот-юниегл комплекта "ШВД - ПРА".

2. Показано, что существующий метод оценки срока службы ламп южет быть использован для относительной оценки долговечности рп-оты Ш1ВД с различными тшш ПРА по методу интогрпроншил ХКК.

ля проведения таких оценок в широком дигшазоно изменения парпмсг-ов элементов комплекта необходгао получить аналитическое описание КК и связей электрических характеристик контура с конструктивными араметрами ламп и ПРА.

3. Выбраны направления повышения надежности работы комплекта 11ЛВД - индуктив1шй балласт" за счет согласования характеристик

амп и балластов, расширения диапазона рабочих напряжений на лампе стабилизации по определенному закону мощности лампы в процессе ксплуатадаи.

4. Анализ существующих методов электротехнического расчета энтура "газоразрядная лампа - индуктивный балласт" ноказал, что та не адекватно воспроизводят характеристическую кривую комплек-а, т.к. не учитывают специфику НЛВД. Это приводит к большим пог-зшностям (до 40%) при оценке долговечности лампы.

5. При использовании гармонического анализа и синтеза разра-)тан метод электротехнического расчета основных параметров конту-1 "ШВД - ИБ с потерями", учитывающий характерные для этих ламп ¡личину и длительность пика перезажигания. Метод позволяет с пог-няностыо, максимальное значение которой не превосходит 7%, пропз->дить расчет ХКК при различных значениях напряжения сети, сопро-голения и уровня потерь дросселя. Впервые в светотехнической прак-

-го-

тике предложено проводить расчет индуктивного сопротивления дросселя по номинальной характеристике лампы - её мощности. Разработан блок программ для расчетов на ЭВМ.

6. Установлено, что форма и положение ХКК на диаграмме "мощность - напряжение на лампе" могут меняться за счет величины реактивного сопротивления дросселя, нелинейности его ВЛХ, параметра <? и величины сетевого напряжения, что существенно влияет на надежность работы комплекта. Эксплуатация ламп при сетевом напряжении, повышенном па Ъ% и 10$, по нашим оценкам приводит к уменьшению срока службы в 2 и 3 раза соответственно, что подтверждено стендовыми испытаниями. Учет совокупного влияния изменения напряжения питания ж отклонений значений сопротивления дросселя на надежность работы комплекта дает следующую оценку: для обеспечения регламентированных условий работы комплекта в течение всег< срока службы при отклонениях сетевого напряжения —Ъ% изменение импеданса в сторону уменьшения не должно превышать 3%.

7. Впервые проведет исследования, позволившие получить уравнения регрессии для линейной модели, описывающей связь кон-структорско-технологических параметров горелки Ш1ВД, с её электротехническими и световыми параметрами. Проведен полный факторный эксперимент, где в качество факторов были выбраны род и давление инертного газа, температура и состав амальгамы, геометрия горелки и рабочий ток; в качестве откликов - напряжение на лампе и градиент потенциала столба разряда, мощность и коэффициент мощности лампы, импульс перезажигания, длительность фронта и относи тельный спад напряжения за полупериод, световой параметр.

8. Предложена математическая модель оценки надежности рабо ты комплекта, включающая аналитическое выражение ХКК, уравне1шя регрессий и метод оценки долговечности лампы и позволяющая рассчитывать срок службы ПЛВД, определяемый как продолжительность горения до момента перехода в циклический режим работы, в зависимости от конструктивных параметров лампы и характеристик электрической схемы включения.

9. Даш рекомендации по совершенствованию конструкции ламп с целью повшения её долговечности. Предложено использовать МВД с повышенным давлением ксенона, не менее 60 мм рт.ст. Впервые пс казано, что эффект от повышения давления инертного газа в большей степени проявляется в сдвиге пика перезажигания в сторону отставания (увеличения о£ ), чем в снижении его амплитуды. Для

laT 250 переход от давления ксенона 20 мм рт.ст. к 60 мм рт.ст. юньшает амплитуду пика перезажигания на 10$, увеличивает I 65%, что сопровождается смещением границы погасания с 150 В ) 170 В, увеличением долговечности лампы на 7-10 гнс.часов и ¡стом коэффициента мощности с 0,8 до 0,85 без изменения светоФех-гаеских параметров. Для облегчения зажигания рекомендуется ис-)льзовать зажигающую полосу.

10. На основании исследований предложены схемные решения и шструкция дросселя на штампованном магнитопроводе, имекяцим ос->вную ( Wa ) и дополнительную ( \а/й ) обмотки. При встречном сличении обмоток, либо использовании только основной, обеспечи-1ется номинальный режим работы лампы, при согласном - режим на-1льной пониженной мощности, позволяющей увеличить долговечность 1мпы на 1-3 тыс. часов. Согласное включение позволяет также обе-[ечить допустимый по мощности режим работы лампы при повышенном

> +10$ от номинального напряжения сети. Предложен инженерный меда расчета соотношения VJC/ Ц, дросселя. Для уменьшения приюта мощности лампы в процессе эксплуатации- используется нет-¡йность БАХ дросселя (не более 10$). При эксплуатации НЛВД в юхо стабилизировашых сетях рекомендовано вопрос ограничения щности лампы решать за счет применения дросселей, секциониро-1шшх на несколько уровней напряжения питания, либо за счет спе-гально разработанных стабилизирующих устройств.

11. Предложенный модернизированный комплект для мощности

50 Вт позволил увеличить долговечность лампы на 65-30$ и вырабо-1нную световую энергию в 1,6 раза при уменьшении средней за >ок службы мощности лампы с 260 Вт до 237 Вт. При этом потери кцности в дросселе снижены на 7-8$, а его масса - на 10-20$. [повременное использование дросселя в качестве импульсного )ансформатора зажигающего устройства уменьшает массо-габаритные стоимостные показатели последнего.

12. Проведенные теоретические и экспериментальные исследо-1ния позволили выполнить ряд практических разработок. Создана ¡рия модернизированных комплектов "ДНаТ 250 - ИБ" л "ДНаТ 150 ->" повышенной надежности, в которой реализованы предлагаемые пне пути повышения долговечности ламп. Изготовлены опытные об-1зцы модернизированных ламп во НЖСИ и индуктивных балластов

I Гомельском У1Ш БелОС, проводятся ресурсные испытания комплек->в.

При проведении работ на ПО "Лисма" по созданию комплекта с лампой-светильником ДНаЗ 250 был разработан и изготовлен индуктивный балласт, секционированный на два уровня сетевого напрете' 1шя 220 и 230 В.

ф

Основное.содержание диссертации изложено в следующих публи нациях:

1. Вердеревская А.Н., Волкова Е.Б., Меркушкин В.В. Особенности эксплуатации натриевых ламп высокого давления // Тезисы доклада на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт эксплуатации источников света и световых приборов". Саранск, май 1988. Ленинград.' 1988. С.23.

2. Вердеревская А.Н., Волкова Е.Б., Троицкий A.M. Особенности эксплуатации комплекта "натриевая лампа высокого давления-пускорегулирующий аппарат" // Светотехника. 1989. MI. C.8-II.

3. Вердеревская А.Н., Волкова Е.Б., Троицкий A.M. Стабильность характеристик натриевых ламп высокого давления различной конструкции при отклонениях параметров электрической схемы питания // 8 Междунар. конф. по осветител. техн. "Осветление 90". Варна, 1990s Рез.-Б.м., 1990. С.10.

4. Вердеревская А.Н. Расчетные исследования контура "натриевая лампа высокого давления - пускорегулирующий аппарат" // Тезисы доклада на Всесоюзном научно-техническом симпозиуме по газоразрядным источникам света. Полтава, 1991. С.65.

5. Вердеревская А.Н., Волкова Е.Б., Репьева Р.И., Семенов Н.Я., Троицкий A.M. Влияние качества сети на основные характеристики НЛВД // Тезисы доклада на Всесоюзном научно-техническом симпозиуме по газоразрядным источникам света. Полтава, I99L С.64.

6. Вердеревская А.Н., Волкова Е.Б., Троицкий A.M. Исследование характеристик комплекта "натриевая лампа высокого давлеши пуокоре1улирующий аппарат" // Международный семинар "МЭИ - Светотехника - 1992". Москва, январь 1992. Тезисы докладов. Мл МЭ1 1992. С.21.

7. Вердеревская А.Н., Клыков М.Е. и др. Пускорегулирующий аппарат для газоразрядной лампы высокого давления, A.c. №692119 СССР о приоритетом от 23 мая 1977.