автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Моделирование предпробойных полей, возникновение разряда и оптимизация параметров маломощных натриевых ламп высокого давления

московский энергетический институт (технический университет)

V

На правах рукописи ..

чумак лариса алексаццровна

моделирование предпроеойных полей, возникновение разряда и оптимизация параметров маломощных натриевых ламп высокого давления

Специальность 05.09.07 - Светотехника и источники света

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена на кафедре Светотехники Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Литвинов-Лунц В.С.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Краснопольский А.Е.

кандидат технических наук Прикупец Л.Б.

Ведущее предприятие

АО "!1ауч110-;;ссле,",0вательс1:';::

институт Зеипт"

Защита диссертации состоится " (Хп^гль?1995 г. в аудитории , в час. на заседании диссертационного совета Д 053.16.08 при Московском энергетическом институте, 111250, Москва, Красноказарменная, д.14, Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института.

Автореферат разослан ^¿^¿7^1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совсга Д 053.Io.08 кандидат технических наук, доцент

А.А.Григорьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Натриевые лампы высокого давления (НЛВД) являются одним из наиболее эффективных и перспективных источников света (ИС) благодаря высокой световой отдаче (СО), надежности и большому сроку службы (СС). Однако, несмотря на широко известные преимущества, к которым следует отнести также экономичность, компактность и экологичность, ассортимент выпускаемых в настоящее время НЛВД весьма ограничен.

Прогресс, достигнутый разработчиками и производителями в совершенствовании НЛВД, а также возросшие требования к экономии электроэнергии открывают перспективы широкого использования ламп указанного типа как в осветительных установках (ОУ) общего назначения, так и в специальных облучательных системах. Упомянутые лампы, имеющие высокие удельные электрические и светотехнические характеристики при повышенных СО и СС, вполне годятся для замены ламп накаливания и ряда разрядных ИС (РИС), в том числе и в тех случаях, когда цветопередающие характеристик НЛВД существенно хуже. Следует отметить и широкие возможности, открывающиеся при совместном использовании НЛВД с иными РИС, а также при реализации идеи единых балластов для серии РИС одного или разных классов.

Это дает все основания для расширения мощностного ряда НЛВД, в основном, в сторону меньших мощностей (Рд< 250 Вт) и габаритов при условии обеспечения эффективной работы ламп в различных ОУ. Увеличение доли сравнительно маломощных НЛВД (МНЛВД) в парке осветительных средств связано с такими показателями ламп как стабильность светотехнических и электрических параметров в процессе эксплуатации, приемлемые СО и СС и, главным образом, с вопросами зажигания. Явные сложности с зажиганием и неизученность предпробойных полей (ПП) в НЛВД, во многом предопределяющих напряжение возникновения самостоятельного разряда (НВСР,и0) и зачастую напряжение зажигания (Н3,из), обуславливают важность теоретико-расчетного определения ПП и выявления условий, обеспечивающих наименьшие и и и .

В 3

Моделирование и возможности управления ПП в МНЛВД должны позволить, в перспективе, выйти на решения, обеспечивающие у совокупности ламп с ксеноновым наполнением надежное зажигание без использования традиционных импульсных зажигающих устройств (ИЗУ).

Целью работы являлось теоретико-расчетное и экспериментальное моделирование возникновения разряда в условиях, имеющих место в НЛВД, а также оптимизация параметров МНЛВД различного назначения.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

- провести моделирование полей в горелках Ш5ВД различного конструктивного исполнения в момент, предшествующий пробою (моделирование предпробойных полей);

- выполнить комплекс экспериментальных исследований, направленных на выявление влияния параметров разрядного промежутка (РП) и внешних дополнительных проводников на напряжение возникновения самостоятельного раряда и напряжение зажигания ШВД; провести сопоставление ив, полученных экспериментально и с использованием Ш, с целью уточнения принятой к рассмотрению методики расчета 1)в;

- выполнить многовариантные расчетные исследования параметров МНЛВД при различных ограничениях; предложить методологию пересчета и корректировки параметров МНЛВД; осуществить выявление оптимальных решений МНЛВД различного назначения;

- разработать принципы использования и метод сочетания вариантов НЛВД и МГЛ с едиными нагрузочными вольт-амперными характеристиками (ЕНВАХ).

Объектом исследований являлись варианты НЛВД (горелок), отличающиеся конструктивным исполнением и наполнением; изучались па-параметры как серийных НЛВД типа ДНаТ, так и специально изготовленных в Украинском НШ ИС (г. Полтава) образцов горелок.

Методика исследований заключалась в: математическом моделиро-ваниии ПП и из последующем анализе; расчетно-экспериментальном исследовании влияния конфигурации РП, состава наполнения и внешних емкостных связей на НВСР и КЗ горелок НЛВД; экспериментальном исследовании ряда параметров и характеристик МНЛВД, способствующем оценке эффективности расчетных вариантов НЛВД; расчетном анализе совокупности электрических, конструктивных и световых параметров МНЛВД при различном наборе исходных данных и ограничений.

Положения, выносимые на защиту: метод расчетного моделирования ПП, основанный на принципах метода Монте-Карло; алгоритм анализа ПП и методология выявления условий, обеспечивающих наименьшие ив; принципы использования серии РИС с одним и тем же индуктивным балластом, методика построения ЕНВАХ; методология оптимизации параметров МНЛВД для вариантов ограничений; алгоритм пересчета и корректировок параметров НЛВД; основные итоги комплексного исследования возникновения разряда в НЛВД; обобщенные результаты многовариантных расчетных оценок параметров МНЛВД при различных ограничениях.

Научную новизну определяют представленные в работе: метод расчета ПП; алгоритм анализа ПП; принципы единых балластов, методика построения ЕНВАХ; методология оптимизации параметров МНЛВД для вариантов ограничений.

Практическую ценность работы определяют:

- научно-практические результаты анализа ПП и расчетных исследований НВСР при вариациях параметров РП, давлений и сред; выявление возможностей косвенного подогрева горелки биспиралью с позиции снижения НЗ;

- основные итоги экспериментального исследования возникновения разряда и зажигания НЛВД с Мв-Ю,7ХАг наполнением;

- экспериментальные данные, касающиеся влияния ряда условий эксплуатации на характеристики МНЛВД;

- принципы многорежимного использования ламп;

- обобщенные результаты многовариантных расчетных, оценок параметров МНЛВД при различных ограничениях, выявление возможностей перехода к малым ил при варьировании, в том числе, параметрами режима эксплуатации;

- методология расчетной оценки СО и Ф вариантов ЛВИ по данным о 7)^=1 (Р ) освоенных производством ламп; алгоритм пересчета и корректировок параметров НЛВД.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждалась на юбилейной научно-технической конференции МЭИ "Новые информационные и электронные технологии в народном хозяйстве и образовании" (1990г.), Всесоюзном научно-техническом симпозиуме по газоразрядным источникам света (г.Полтава, 1991г.), международном семинаре "Светотехника 92" (г.Москва, 1992г.), I международной светотехнической конференции (г.С-Петербург, 1993г.), а также на научных семинарах кафедры Светотехники МЭИ.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 3 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 146 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы - 134 наименования, 34 таблиц по тексту, 86 иллюстраций на 63 страницах, 5 приложений, а также 2 актов об использовании результатов работы.

- г, -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной тематики, сформулированы цель и задачи исследований, перечислены научные положения и прикладные решения, выносимые на защиту, а также кратко отражено основное содержание работы.

I. Анализ литературных данных. Задачи работы.

В главе рассмотрено современное состояние работ в области развития и совершенствования МНЛВД, проанализированы модели процессов возникновения разряда в РИС и способы снижения напряжения зажигания НЛВД.

Проведенный анализ тенденций развития современных НЛВД средних и малых мощностей показал, что в настоящее время, благодаря значительным успехам, достигнутым разработчиками и производителями, НЛВД приобретают все большую роль среди ИС массового применения. Наиболее весомый вклад в исследования процессов в столбе разряда, приэлектродной области и на электродах внесли работы под руководством Дж.Уэймауса, Дж.Влаета и Дж.Грута, Х.Акуцу, П.Денбиха, Г.Н.Рохлина, Е.Б.Волковой, В.С.Литвинова, обстоятельные исследования были также проведены В.В.Меркушкиным, А.Н.Григоряном, Н.П.Петренко и др.

Изложенные в литературе подходы к разработке МНЛВД позволяют говорить об особой актуальности работ по следующим направлениям: I) переход к меньшим напряжениям на лампе и большим токам, что положительно скажется на световой отдаче; 2) переход к большим внутренним диаметрам горелок и давлениям ксенона, что улучшит цветопе-редающие характеристики НЛВД; 3) расчетно-экспериментальное исследование возникновения разряда в НЛВД для понимания и управления процессом зажигания; 4) поиск рационального ряда мощностей МНЛВД при различных ограничениях с целью расширения ассортимента выпускаемых ламп, и области их применения.

Анализ методов и результатов исследований возникновения самостоятельного разряда и зажигания РИС показал важность и необходимость изучения стадии возникновения самостоятельного разряда (пробоя) в НЛВД. Констатировано, что основными факторами, оказывающими воздействие на условия зажигания разрядных ламп являются, прежде всего: размеры разрядной трубки; состав и концентрации компонент среды к моменту возникновения разряда; форма, размеры и эмиссионные свойства электродов; конфигурация ПП, а также внешние емкост-

ныв связи. Существенный вклад в области создания физических и математических моделей возникновения разрядов сделан Дж.Уэймаусом, К.Такахаши, А.Е.Атаевым, А.В.Андреевым и др. Показано, что существующие методы расчетов ПП и НВСР не лишены недостатков, затрудняющих их использование в качестве инструмента инженерного конструирования ламп.

Критическое рассмотрение литературных данных по названным вопросам и общая направленность работы позволили сформулировать основные задачи диссертации:

-разработать алгоритм моделирования ГШ с использованием принципов метода Монте-Карло (ММК);

-предложить методологию расчетной оценки НВСР для условий, имеющих место в НЛВД;

-усовершенствовать методику расчета, предложить и обосновать принципы оптимизации параметров НЛВД малой мощности при различных ограничениях;

-разработать принципы использования и метод сочетания вариантов МНЛВД и иных ЛВИ с едиными нагрузочными вольт-амперными характеристиками индуктивных балластов;

-выполнить комплекс экспериментальных исследований, направленных на выявление влияния параметров РП и внешних дополнительных проводников на напряжение возникновения разряда и зажигания НЛВД, а также на получение исходных данных для расчета параметров МНЛВД;

-осуществить моделирование ПП в горелках НЛВД различного конструктивного исполнения; выполнить расчетные оценки Ив для вариантов сред, давлений, диаметров горелок, мекэлектродных расстояний; с целью уточнения принятой к рассмотрению методики определения ив сопоставить ив, полученные экспериментально и с использованием ПП;

-выполнить расчетные оценки вариантов ЕНВАХ и параметров согласованных с ними ламп; провести многовариантные расчетные исследования параметров МНЛВД при различных ограничениях; предложить наиболее эффективные решения МНЛВД для вариантов исходных условий.

2. Методы расчета, особенности оптимизации и исследований.

В настоящей главе рассмотрены: метод и особенности определения ПП с использованием возможностей метода Монте-Карло; методология анализа ПП и алгоритмы расчетных оценок напряжения возникновения самостоятельного разряда в промежутках различной конфигурации; принципы и особенности оптимизации маломощных НЛВД; методология расчета и корректировки ЕНВАХ для серии ламп различной мощности;

вопросы многорежимного использования ламп, а также алгоритм определения и пересчета параметров НЛВД.

В основе моделирования ПП методом "блужданий по сферам" лежит использование теоремы о среднем из теории потенциала. Построение алгоритма блужданий для моделей РП имеет ряд особенностей, к которым относятся принимаемые допущения при задании краевой задачи и отличительные моменты организации самого алгоритма и вычислений. Анализ условий, имеющих место в горелке НЛВД в момент, предшествующий пробою, позволил обосновать следующие граничные условия и допущения при формулировке задачи нахождения потднциалав точек поля. Объекты, формирующие поле (электроды, кольца, траверса и т.д.) заменяются эквипотенциальными поверхностями определенной конфигурации с заданными потенциалами; параметры электродной системы определяют размер области блужданий; роль объемных зарядов в формировании ПП пренебрежимо мала; влияние диэлектрической стенки в большинстве случаев можно не учитывать.

Представление исходного дифференциального уравнения в интегральной форме и включение особенностей ядра в плотность перехода моделируемой цепи Маркова позволяет использовать стандартные алгоритмы ММК. Для оценки значения функции в искомой токе А0 берется матожидание случайной величины ^. моделируемой соотношением =П(Ао)+2(0пЬ(Аг1))+0мф(Ам*), где (Ап)= Ао-»А1-».. .-»А^- организованная цепь блужданий по сферам с центрами в т.А0,А1, —; МАп)- обобщенная плотность, соответствующая равномерному распределению вероятностей на сфере; 0п~ соответствующие веса переходов (здесь учитывается объемный заряд, диэлектрическая стенка и т.п.); ф(Ан*)-значение функции на границах области или в ее О-окрестности.

Для универсальной плотности распределения узлов была использована шаровая функция Грина, моделируемая с помощью порядковых статистик. С целью повышения надежности определения потенциалов вблизи поверхностей электродов и иных носителей зарядов при организации блужданий закладывалась возможность одновременного отыскания потенциалов в нескольких точках по одной траектории с введением весового множителя. Точность определения потенциала контролировалась дисперсией; алгоритмы и программные блоки тестировались на моделях РП простой конфигурации с известным законом распределения потенциала. Погрешность полученных полей с учетом результатов повторного независимого моделирования не превышает 5%.

Возможности, даваемые ММК, предопределили алгоритмы поиска и анализа ПП, включающие сравнение густоты и формы линий потенциала,

хода линий напряженности, идущих от примерно одних и тех же зон электрода, исследование эффективности различных силовых линий. Алгоритм расчетной оценки НВСР основан на условии Таунсенда, однако с учетом диффузионных потерь частиц путем определения эффективного коэффициента объемной ионизации а.

На основе критического рассмотрения современных подходов к разработке НЛВД были сформулированы и обоснованы варианты ограничений для расчетных поисков эффективных решений МНЛВД. При этом принималось, что МНЛВД, учитывая их весьма высокую СО, останутся, в основном, ИС для многоламповых ОУ, а значит определяющими параметрами должны быть соответствующие средние значения Ф, Р , и т.п. Предложены следующие основные направления расчетных исследований параметров МНЛВД.

Выявление целесообразности и возможностей расширения ассортимента ламп путем вариаций т=ил/и при Рл=сопз1;; переход к малым 11л привлекателен, главным образом, с позиции увеличения СО за счет роста удельной мощности положительного столба. Поиск эффективных решений МНЛВД разной мощности при фиксированном токе; роализация такого подхода логична для С-Ь балластов и вариантов отработанных технологией конструкций электродных узлов. Рассмотрение вариантов МНЛВД, имеющих одинаковые размеры горелок, привлекает с позиции использования ламп разных мощностей с одним СП.

Поиск решений ПРА-группа ламп разного типа и различной мощности, что дает возможность регулировки параметров ОУ простой заменой ламп. При решении поставленной задачи исходные электрические параметры ламп должны быть согласованы с нагрузочной ВАХ, единой для группы вариантов ЛВИ (ЕНВАХ). Универсальность (диапазон мощностей и электрических режимов) и эффективность рассчитываемой ЕНВАХ во многом определяется выбором исходного режима иДисх, 1Лисх. С учетом известных ограничений по напряжению и по току исходный режим расчета ЕНВАХ должен выбираться для ламп с невысокими ил,-близкими к средним и минимально реализуемым. При этом рабочая об-" ласть ЕНВАХ будет располагаться в основном выше исходной точки. Расчет ЕНВАХ индуктивного балласта проводится итерационным способом с использованием формулы А.Е.Краснопольского, определяющей ток в контуре лампа-ПРА, и учитывает изменение потерь в балласте (Рб) по мере перемещения по НВАХ.

Жесткая привязка конкретных РИС к конкретным ПРА, являющаяся принципиальным недостатком разрядных ламп, обусловила целесообразность теоретико-расчетного анализа возможности эксплуатации одних

и тех же РИС в разлиных режимах, например, при использовании ИРА соседних по мощности ламп. Предложен алгоритм решения поставленной задачи, основанный на определении точки пересечения статической БАХ лампы и новой НВАХ с учетом реальных значений р, типа ВАХ и начальных электрических характеристик рассматриваемого ИС.

Анализ сложностей сопоставления и выявления наиболее эффективных вариантов МНЛВД, а также специфика предлагаемых в настоящей работе решений МНЛВД, определили алгоритмы расчета и оптимизации параметров ламп для вариантов ограничений. К специфическим особенностям оптимизации относятся следующие положения. Лучшие решения МНЛВД ищутся для новых ОУ (в основном многоламповых), СП, в виду компактности горелок МНЛВД, при сопоставлении вариантов не учитываются. Стоимость ламп при Рл=сопз1; и ш=уаг остается примерно постоянной, а при Рл=уаг сравнительно слабо растет с увеличением мощности ИС. Показано, что одной из определяющих целевых функций для выявления эффективных решений МНЛВД должен быть расход электроэнергии (0Э); лучшими являются те варианты, которые обеспечивают наименьшие 0э и, следовательно, наибольшие СО.

Для сравнительной оценки СО вариантов ламп предложен способ, основанный на анализе данных о т^=Г(Рл) реальных, освоенных массовым производством ламп и учитывающий отклонение пяти основных параметров (температура холодной зоны 1; , содержание N8 в амальгаме

внутренний диаметр горелки температура стенки Т2, давление ксенона рхв) расчетных вариантов от базовых путем введения поправочных коэффициентов. С учетом ряда ограничений рассмотрен алгоритм пересчета и корректировки параметров НЛВД.

3. Экспериментальные исследования и их основные результаты.

Глава посвящена технике экспериментальных исследований и анализу их результатов. Исследования проводились на кафедре Светотехники МЭИ и ставили своей целью: в сочетании с теоретико-расчетным подходом способствовать расширению современных представлений об условиях, возникновения и зажигания разряда в вариантах НЛВД; получить да-шые, дающие возможность проводить нормировки расчетных связей; выявить решения НЛВД, обеспечивающие наименьшие значения И3 при распространенных исходных условиях; определить ряд данных, которые в настоящее время оцениваются приблизительно; а также набрать материал, использование которого сделает расчет и сопоставление вариантов НЛВД более достоверным.

Объектом изучения являлись серийные лампы типа ДНаТ мощностью 70, 100, 150 Вт (в количестве 11шт.), а также специально изготовленные образцы горелок НЛВД (в количестве 35шт.). Для реализации экспериментальных исследований были разработаны методы и соответствующие экспериментальные установки.

С целью выявления эффективности перехода к большим с^ и меньшим I для снижения напряжения зажигания, а также определения характера зависимости из от 7э были обследованы горелки бесштенгель-ной конструкции двух диаметров (^=4,8 и 6,8мм) и пяти длин (Iэ=3, 5, 6, 7, 9см), имеющие примерно одинаковые размеры и форму электродов, состав и дозировку амальгамы, наполненные смесью Ие+0,7%Аг при холодном давлении 20 мм рт.ст. Получено, что уменьшение 1э, с позиции зажигания, эффективнее (рис.1) для РТ с большими й . Выявлен практически линейный характер зависимости иэ=Г(1э) в диапазоне 7 = 3-9см для горелок с ^=6,8мм и в пределах 1э=3-7см для горелок с ^=4,8мм. Установлено, что уменьшение ! в указанном диапазоне два раза меняет Ла примерно на 25-35$, а переход к 2э=3см при 0^= =6,8мм не обеспечивает надежного зажигания горелок с Ые+0,7%Аг смесью (р=20 мм рт.ст.) от сети.

Незначительная разница меаду и ив (за которое принималось напряжение в контуре непосредственно перед появлением свечения в области электрода) по данным эксперимента (рис.1) позволяют использовать результаты оценок ив> полученные на основе численного моделирования распределения шля в горелках НЛВД различного конструктивного исполнения, для погнозирования НЗ.

Исследование зависимости НЗ и НВСР между электродом и внешним заземленным кольцом от расстояния электрод-кольцо (гк) для описанных выше горелок позволило установить оптимальное расстояние между электродом и кольцом, обеспечивающее наибольшее снижение из и не зависящее от диаметра горелки и межэлектродного расстояния. Область наименьших НЗ в зависимости и =Г(г ) находится (рис.2) примерно на йк=20-26мм от конца электрода. Получено, что роль облегчающего зажигание кольца заметно снижается для коротких горелок, так при 1э=3см и (11=6,8мм напряжение зажигания практически перестает зависеть от ак. Результаты исследования ив(1]Вэ_к) подтвердили, что НВСР составляет основную долю НЗ практически во всем диапазоне изменения ък (исключая приэлектродную область). Следует также отметить высокую дисперсию результатов в пределах исследуемой партии и влияние схемы включения (заземлено кольцо или нет) на велиину иэ.

1Ш,В

Рис.I. Зависимость Цз(Цб)= =S (Сэ) горелок ШШД с cU = =0,81.1м (I) п dj= 4,8ш (2).

Рис.2. Зависииость U3(Ue)--= J Uk) горелок НЛВД с di= =6,3ш, £э=30ш (I) и = =70гш (2).

Исследование влияния положения траверсы на НЗ.горелок показало, что начиная примерно с 18мм от РТ траверса перестает действовать на горелку, а приближение проводника непосредственно к поверхности РТ не приводит к зажиганию горелки с I = 7см и сЫб.Вмм от сети.

В согласии с общей направленностью работы на маломощных ШШД был проведен ряд экспериментов, связанных с вопросами выбора и оптимизации параметров рассматриваемого типа ламп. По начальной стадии разгорания для МНЛВД было оценено значение коэффициента мощности анодно-катодной области к~ 0,98. По стадии разгорания были получены области НВАХ трех балластов для НЛВД мощностью 70,100 и 150 Вт. Показано, что точки расчетной НВАХ с достаточной точностью могут задавать рабочие режимы согласованных с ней ламп, в том числе и при работе ЛВИ не' со своим по мощности балластом. Констатировано также, что у каждой лампы может быть своя реальная НВАХ при

одном и том же ПРА из-за отклонений параметров балласта от ДОИ и отличий ламп.

Исследование зависимости электрических параметров МНЛВД от колебаний напряжения сети позволили определить значения коэффициентов нестабильности Р ,0 ,1 и Ф по Ч, а также получить диапазон-

Л Л

ные оценки динамического и статического относительных дифференциальных сопротивлений ламп р. Усредненное по всем обследованным лампам значение р=0,77 оказалось несколько ниже традиционно принимаемых, причем в условиях снижения напряжения сети р примерно на 35% выше, нежели при увеличении и. Данные эксперимента показывают, что использование конкретных значений р и коэффициентов нестабильности 7ао корректно при рассмотрении фиксированных небольших изменений электрического режима ламп, поскольку в зависимости от Д1Т и ламп (исследуемого образца) отмеченные параметры могут иногда значимо меняться. Следует также отметить, что повторные оценки параметров одних и тех же ламп нередко давали далеко не такое, как казалось бы должно бы быть, воспроизведение результатов исходного исследования. Поэтому данные ори 7АО, используемые при расчетных оценках, должны носить диапазонный характер.

4. Расчетные исследования. Инженерные предложения.

В настоящей части работы рассмотрена применимость предложенных в гл.2 метода расчетного моделирования ПП и алгоритмов анализа ПП и оценки напряжения возникновения самостоятельного разряда для РП различной конфигурации, вариантов давлений и сред, а также способов расчетных исследований, связанных с определением и оптимизацией прараметров МНЛВД при различных ограничениях.

Благодаря возможностям ММК в части задания граничных условий решаемой краевой задачи было промоделировано распределение потенциала для РП различной конфигурации (для вариаций I , положения кольца или траверсы, формы и размеров электродов). Получен набор из 34 ПП, причем в первую очередь моделировались промежутки, соответствующие реальным конструкциям горелок, обследованных нами экспериментально.

Анализ влияния контура и размеров электродов на потенциальную картину поля в горелке и распределение напряженности вдоль силовых линий показал необходимость включения в модель РП керна и заэлект-родной части с позиции не только точности оценки ионизационного усиления, но и определения участка пробоя. Важность рассмотрения полной модели электрода косвенно подтверждена и экспериментальными

- и -

исследованиями (гл.З), в ходе которых было отмечено появление слабого свечения в области керна на стадии, предшествующей зажиганию. Исследование изменения напряженности вдоль ряда силовых линий, идущих от различных участков поверхности электрода, позволило выявить области с наибольшей интенсивностью ионизационных процессов. Показано, что в зависимости от I и ^ силовые линии в указанных зонах замыкаются либо на стенку горелки, либо на противоположный электрод, определяя тем самым характер пробоя и объясняя ход зависимости и =?(I ).

3 э

Оценено влияние 7, вида аппроксимации а/р=Г(Е/р), диффузионных потерь заряженных частиц на величину НВСР, показано, что во многих случаях упрощенная оценка ив и и^АК без знания ПП дает весьма существенную погрешность. Сопоставление расчетных оценок НВСР, полученных на основе имеющихся ПП с использованием условия самостоятельности Таунсенда, учитывающего диффузию частиц на стенки, с данными экспериментальных исследований зажигания НЛВД дало удовлетворительное согласие и позволило провести расчетное исследование возможностей снижения НВСР горелок ламп при вариациях рода и давления инертного газа, параметров РП, положения траверсы или кольца.

Сравнительный анализ поведения функции ив=Г(7э) для группы газов и различных с^ позволяет отметить (рис.3) наличие двух участков: возрастающего и практически безразличного к изменению 7д. Общее рассмотрение совокупности полученных ПП с кольцом показывает, что при малых расстояниях между кольцом и электродом противоположного потенциала силовые линии, идущие от большей части поверхности электрода, замыкаются на участки стенки, непосредственно прилегающие к зоне размещения кольца. При перемещении кольца.растет доля силовых линий, замыкающихся на близлежащие к электроду участки РТ. Внесение траверсы в модель РП приводит к усилению неоднородности поля в приэлектродной зоне и увеличению доли радиальной составляющей напряженности в предполагаемой области пробоя.

Результаты расчетных оценок НВСР для вариантов условий, имеющих место в НЛВД, показали, что переход к малым 7э~1,8-2см, большим с!1~6,8-10гйм и пониженым р~10 мм рт.ст. не обеспечивает зажигание горелок с Хе-наполнением от сети, однако создает возможность использования иных ЗУ, например, стартеров тлеющего разряда. Малые 7 и большие позволит повышать рхж до 100-120 мм рт.ст., обеспечивая тем самым увеличение СО и СС ламп. Переход к Кг при реальных вариациях 7 -с^-р также не снижает НВСР до 198 В. Размещение

эльца в области его наибольшего воздействия уменьшает ив по срав-энию с НВСР горелок без кольца примерно на 25-305& при ¿1^=6,у Г с с1=4,8мм снижение НВСР составляет приблизительно 20%.

Рассмотрена эффективность вариантов косвенного подогрева го-элок МНЛВД биспиралью с целью уменьшения НЗ. В расчетах допуска-эсь снижение СО комбинированной лампы не более чем на 10-15% по равнению с таковой для МНЛВД без спецподогрева. Получено, что ис-эльзование тела накала для нагрева горелки в пусковой период дос-эточно эффективно при малых т, а также при сравнительно небольших асстояниях между РГ и биспиралью подогрева.

В согласии с предложенной в гл.2 методологией выбора парамет-эв исходного режима дросселя и задания рабочей области ЕНВАХ был роведен расчет групп ЕНВАХ с учетом возможных вариаций исходного эжима (и_ =50, 60, 70 В), потерь в балласте и коэффициента О

\Гв,В

■:км%Аг бо

Сэ.см

з 5 т ^э-^

Рис.З. Результата расчетных оценок Ц"в с учетом влияния дпщ-йузин зарядов для промежутков с с! 1 =6,8т.ш при различном наполнении (р=20ш рг.ст.).

1,0 10. 1,4 1,6 Рис.Рассчитанные НЗАХ на

исходный"ре:аш Рл =75Вт; "1ГЛ=

=70В (а), (в), ЯГЛ =

=50В (с).

для трех исходных мощностей (РЛисх=50, 75, 100 Вт). Получены следующие диапазоны изменения мощности ламп в пределах рабочей области ЕНВАХ: 35-90 Вт,(рис.4); 50-130 Вт, 65-180 Вт, что составляет примерно 2,5-2,8 раза. Оценка параметров согласованных с ЕНВАХ ламп (в основном НЛВД) показала, что световые потоки в пределах ЕНВАХ могут меняться в 3-4 раза; диапазон изменения I для всех рассмотренных ламп допускает одинаковое внешнее исполнение (размеры колбы, цоколь) и, следовательно, вид светового прибора. Кроме этого, из-за разницы в световой отдаче НЛВД и ДРЛ (МГЛ) возможно получение эффекта снижения мощности ОУ при сохранении общего светового потока и числа ИС.

Показана целесообразность использования НЛВД в нескольких режимах (с различными, но близкими по мощности балластами). Перевод ламп на НВАХ меньшей по мощности лампы или на соседнюю ЕНВАХ приведет к уменьшению тока лампы и снижению СО, однако даст увеличение СС; переход в режим большей мощности позволит несколько поднять СО лампы.

На основе многовариантных расчетных оценок конструктивных и светотехнических параметров серий НЛВД мощностью 30-180 Вт предложены группы зависимостей в виде набора кривых, позволяющие проводить отбор эффективных вариантов и корректировку их параметров с помощью формул пересчета при различных исходных ограничениях. Показана эффективность перехода к ил=50-70 В для МНЛВД мощностью Рл<100 Вт, что способствует повышению СО лампы на 10-15%, эффективно с позиции снижения НВСР из-за уменьшения I на 30-50% и целесообразности использования косвенного подогрева горелки биспи-ралью. Для Р >100 Вт малые т особых преимуществ в СО не дают.

С целью поиска рациональных мощностей рассмотрены группы вариантов МНЛВД с постоянным током и с фиксированными размерами горелок. На основе принятых критериев сопоставления сделан вывод о логичности использования С-Ъ балластов в функции ЕНВАХ. Получено также, что в группе решений НЛВД на заданные размеры горелок рациональна удельная нагрузка на стенку ~16-19 Вт/см2.

Особое внимание в завершающем разделе главы было уделено сопоставлению вариантов МНЛВД при различных ограничениях в условиях нестабильности напряжения питания с использованием расчетных и полученных экспериментально значений р и 7дв. Показано,что при длительном снижении сетевого напряжения на 10% относительные преимущества и недостатки ламп с р<2,0 практически не меняются: при малых и НЛВД несколько теряют светотехнические преимущества. В ус-

ловиях длительного повышения напряжения питания на 10% целесообразно у ламп с р>2,0 выбирать меньшие (на 40-70 К) значения Т2. Констатировано также, что выбор ил следует согласовывать с предварительным выявлением наиболее распространенных значений р.

В завершающем разделе работы отражены в обобщенном виде выводы по работе и основные итоги проведенных теоретико-расчетных и экспериментальных исследований в области маломощных НЛВД.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность Будаку Владимиру Павловичу за помощь в постороении алгоритмов и отладке программ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Предложен и реализован численный метод расчета предпробой-ных полей (ПП), основанный на принципах метода Монте-Карло. Обоснована допустимость применения уравнения Лапласа для расчета ПП в горелках НЛВД. Разработанные алгоритмы позволяют решать задачу Дирихле при широких вариациях граничных условий.

2. Получен и проанализирован набор из 34 ПП для разрядных промежутков (РП) различных размеров и конфигураций. Выявлены области наиболее интенсивного развития ионизации. Показано, что для коротких промежутков (1э< 2см) указанная область располагается между электродами и не достигает стенки горелки. Для длинных промежутков (1э> 7см) область замыкается на стенку. Проведен отбор значений коэффициента вторичной эмиссии 7 и вида аппроксимации коэффициента объемной ионизации а для вариантов давлений, сред и материала электродов, имеющих место в горелках НЛВД.

3. Предложенная методика расчетной оценки напряжения возникновения самостоятельного разряда (НВСР, 11в), основанная на анализе ПП и условии самостоятельности Таунсенда с учетом диффузионных потерь частиц, позволила провести расчетные оцеши НВСР для вариантов конфигураций РП, давлений и сред. Показано, что переход к малым межэлектродным расстояниям и большим диаметрам горелок не решает проблему зажигания маломощных НЛВД в Хе непосредственно от сети, однако существенно (на 25-45%) снижает НВСР, делая целесообразным использование, например, стартеров тлеющего разряда или, при том же ЗУ, повышенных давлений Хе.

4. Получены экспериментальные зависимости напряжения зажигания (НЗ) горелок НЛВД с наполнением Ме + 0,7%Аг (р= 20 мм рт.ст.) при вариациях межэлектродного расстояния (1э), диаметра горелки (с^), положения внешнего заземленного кольца на поверхности РТ

(йк), расстояния до траверсы (хт). Показано, что с уменьшением 1э и увеличеним с^ напряжение зажигания может быть снижено на 10-25% (в зависимости от исходных 7э. с^ и величины Д7). Получено, что оптимальное положение кольца с позиции наибольшего снижения НЗ не зависит от I и ^ и соответствует (2к)опт= 20-25 мм. Рассмотрена возможность повышения надежности зажигания НЛВД с Не-Аг наполнением с помощью стартеров тлеющего разряда; показано, что использование стартеров дает снижение КЗ на 30-50 В.

5. На основе экспериментальных данных сделан вывод о значимости рассмотрения стадии возникновения разряда, во многих случаях определяющей величину НЗ, а также проведено сопоставление с результатами расчетных оценок НВСР по соответствующим ПП. Получено удовлетворительное согласие экспериментальных и расчетных кривых, позволившее использовать выбранную методику расчетной оценки ив, Ц^ для вариаций давлдений, сред и конфигураций РП. Показано, что определение НВСР по упрощенной методике без знания ПП дает во многих случаях большую неточность даже в оценках относительного действия влияющих факторов на Ив.

6. Сформулированы основные принципы использования серии ламп разной мощности и источников различных типов с одним балластом. Предложена методология выбора параметров исходного режима дросселя и задания рабочей области единой нагрузочной вольт-амперной характеристики (ЕНВАХ) балласта. Проведен расчет трех видов ЕНВАХ и параметров согласованных с ними НЛВД, МГЛ. Показана возможность варьирования мощности источников в пределах рабочей области ЕНВАХ в 2,5-3 раза при изменении потока установки в 3-3,5 раза. Предложен (для вариантов р) алгоритм перевода ламп на НВАХ балластов ламп соседних мощностей, тем самым обращено внимание на возможности еще одного способа расширения ассортимента ИС.

7. Предложена методика расчетной оценки световой отдачи (СО) и светового потока ламп, основанная на использовании зависимости СО столба реальных освоенных производством ламп от удельной мощности положительного столба и соответствующих поправках, учитывающих вариантность по 1; , рх<>, Тг, ^. Приняты критерии сопоставления ламп при различных допущениях и ограничениях, позволившие оценить эффективность полученных решений МНЛВД для вариантов исходных условий.

8. На основе экспериментальных данных (для ДНаТ 70-150 Вт) определены: коэффициенты мощности лампы и анодно-катодной области, коэффициенты настабильности тока, мощности, напряжения и потока

ламп по напряжению питания (7ди). а также относительные дифференциальные сопротивления р вариантов ламп. Получено, что значения 7ди и р зависят, и порой очень сильно, от величины и направления изменения сетевого напряжения. Указанные параметры были использованы при сопоставлении ламп в условиях настабильного напряжения питания и при рассмотрении вопросов многорежимного применения ламп.

9. Проведены многовариантнко расчеты конструктивных и световых параметров МНЛВД мощностью от 30 до 180 Вт при различных П^. Показано, что для сравнительно маломощных НЛВД (Рл<100 Вт) переход к пониженным значениям ш=11л/11=0,23-0,32 ведет к увеличению СО ламп примерно на 15-20%, уменьшению на 35-40%, а также эффективен при реализации косвенного подогрева горелки биспиралыо для снижения НЗ. Рассмотрены параметры вариантов ламп, созданных на один и тот же ток. Полученные данные дают основание считать, что в перспективе вполне логично использование при Рл=уаг, I=conat ЕНВАХ, основанных на возможностях емкостно-индуктивных балластов.

10. Обоснованы и на конкретных примерах проиллюстрированы связи, позволяющие сопоставлять варианты ламп в условиях нестабильности напряжения сети. Показано, что при длительном снижении U на 10% относительная эффективность вариантов ламп при различных ограничениях меняется незначительно, однако выбор U^ следует согласовывать с предварительным выявлением наиболее распространенных значений р. Предложены и апробированы связи, с помощью которых можно пересчитывать параметры НЛВД при различных ограничениях.

Сведения об использовании результатов работы приведены в приложении диссертации.

Основноэ содержание диссертации изложено в следукэдих ряботах.

1. Литвинов B.C., Петренко Н.П., Чумак Л.А. Улучшение зажигания натриввых лат высокого давления // Тезисы „докладов зобилэйной научно-технической конференции МЭИ "Новые информационные и электронные технологии в народном хозяйстве и образовании". Москва, 1012 декабря 1990г. С.68.

2. Литвинов B.C., Петренко Н.П., Чумак Л.А. О замене ламп ДРЛ натриевыми в действующих осветительных установках // Светотехника.— 1991No5С. 5-7.

3. Литвинов B.C., Петренко Н.П., Чумак Л.А. О зажигании натриевых ламп высокого давления // Тезисы докладов Всесоюзного науч-но-техничэского симпозиума по газоразрядным источникам света. Полтава, 15-18 октября 1991г. С.71.

го -

Литвинов B.C., Чумак Л.А. О зажигании натриевых лаап высокого давления // Деп. в Информэлектро. 1992.-22с. ^0-эт92.

5. Литвинов B.C., Петренко Н.П., Чумак Л.А. Цайомовдые НЛВД и способы их совершенствования / Тезисы докладов Международного семинара L13II "Светотехника 92", 1992г. С.35-36.

6. Литвинов B.C., Петренко Н.П., Чуыак Л.А. О перспективности совершенствования маломощных натриевых лаып высокого давления // Светотехника.-1992 ,-¡.'5 .-С. 15-17.

7. Велит В.А., Литвинов B.C., Чуыак Л.А. Влияние различных факторов на зажигание натриевых лаып высокого давления с неоново-аргоновыы наполнением // Светотехника.-1993, №9. С.12-15.

8. Чуыак Л.А. Моделирование предпробойных полей в горелках натриевых ламп высокого давления методом Ыонте-Кар'ло // Светотехника.--1994- ,■-Ш .-С .1-3.

КГТg jpntW0 Заказ 3 0"4.....

" ~~ " Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.