автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Прогнозирование долговечности осветительных приборов со светодиодами для условий защищенного грунта

На правах рукописи

ВОВДЕНКО Константин Петрович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ СО СВЕТОДИОДАМИ ДЛЯ УСЛОВИЙ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005545624

Челябинск-2013

005545624

Работа выполнена на кафедре «Электрические машины и эксплуатация электрооборудования в сельском хозяйстве» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Буторин Владимир Андреевич

Официальные оппоненты: Новикова Галина Владимировна,

доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Электрооборудование и механизация переработки сельскохозяйственной продукции» ФГБОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»

Кочетков Николай Петрович,

кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Электротехника, электрооборудование и электроснабжение» ФГБОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный

аграрный университет»

Защита состоится «29» ноября 2013 г., в 9.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 на базе ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Автореферат разослан «23» октября 2013 г. и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak.ed.gov.ru и на сайте ФГБОУ ВПО ЧГАА http://www.csaa.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета

Возмилов

Александр Григорьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В 70-80-х годах XX века, одновременно с повсеместным внедрением люминесцентного освещения, произошел качественный скачок в области развития светодиодных источников света. За короткий промежуток времени был пройден путь от использования светодиодов в качестве сигнальных ламп до массового использования их в светильниках для промышленного и сельскохозяйственного назначения. Появились серии осветительных приборов со светодиодами (ОГТ со светодиодами), обеспечивающие процесс фотосинтеза и роста растений.

При решении задач для растениеводства, связанных с планированием выпуска тех или иных серий осветительных приборов со светодиодами, с оценкой качества изготовления ОП со светодиодами, с комплектованием светодиодной продукцией участков производства сельских товаропроизводителей, с разработкой оптимального варианта организации технического обслуживания и ремонта светотехнического оборудования, с созданием необходимого резерва запасных ОП со светодиодами и выбором номенклатур приобретаемой светодиодной продукции, необходимо иметь возможность за короткие сроки получать информацию о долговечности этих светильников.

Наиболее достоверную оценку долговечности ОП со светодиодами дают эксплуатационные испытания. Длительность таких испытаний составляет 5-12 лет в непрерывном режиме работы, что делает их неприемлемыми для решения поставленных задач. К значительному сокращению сроков ресурсных исследований ведут ускоренные испытания, однако существующие методы ускоренных испытаний ОП со светодиодами требуют дальнейшего развития и совершенствования.

Исследования проводились в соответствии с разделом федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ: шифр 01.02 «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.».

Цель исследования. Разработка методики ускоренной оценки долговечности ОП со светодиодами по результатам контроля деградации светового потока для растениеводства в условиях защищенного грунта.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

1. Теоретически обосновать возможность ускоренной оценки долговечности ОП со светодиодами в ее вероятностном аспекте на нормальных режимах нагрузки.

2. Установить основные эксплуатационные факторы, влияющие на ресурс ОП со светодиодами, создать установку, обеспечивающую воздействие данных факторов на исследуемый ресурс во всем диапазоне их изменения в процессе эксплуатации.

3. Разработать методику ускоренных испытаний, базирующуюся на теории активного планирования эксперимента и математической статистике, позволяющую экспериментально-аналитическим путем производить оценку статистических характеристик ресурса ОП со светодиодами.

4. Произвести оценку соответствия результатов ускоренных испытаний по разработанной методике с данными эксплуатационных наблюдений.

Объект исследования. Процесс деградации светового потока ОП со светодиодами для растениеводства в период эксплуатации.

Предмет исследования. Закономерности деградации светового потока ОП со светодиодами для растениеводства, определяющие их ресурс в различных условиях эксплуатации.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

1. Разработана математическая модель надежности ОП со светодиодами для растениеводства, описывающая ресурс с учетом стохастических значений скорости деградации светового потока и его величины после периода стабилизации.

2. Установлена аналитическая зависимость скорости деградации светового потока ОП со светодиодами для растениеводства от воздействующих эксплуатационных факторов при выращивании рассады огурцов.

3. Разработана методика ускоренной оценки ресурса ОП со светодиодами для растениеводства, отличающаяся от известных тем, что позволяет по результатам ускоренных испытаний прогнозировать ресурс в вероятностном аспекте с учетом различных условий эксплуатации.

Практическая ценность работы и ее реализация

1. Разработанная методика ускоренной оценки ресурса ОП со светодиодами позволяет существенно (в 10 и более раз) сократить время получения информации о долговечности ОП со светодиодами для растениеводства по сравнению со сроком их эксплуатационных испытаний.

2. Результаты ускоренных испытаний на надежность позволяют принимать обоснованные и своевременные решения по реализации мероприятий, направленных на повышение качества производства, ремонта и эксплуатации ОП со светодиодами для растениеводства.

3. Разработанные технические средства ускоренных испытаний обеспечивают комплексное воздействие влияющих на ресурс факторов во всем диапазоне их эксплуатационных значений и контроль деградации светового потока ОП со светодиодами.

4. Методика ускоренных испытаний ОП со светодиодами на долговечность принята к внедрению тепличным комбинатом ГУСП совхозом «Алексеевский» Республики Башкортостан и ООО «КВАНТ» г. Челябинска.

5. Материалы теоретических и экспериментальных исследований по прогнозированию долговечности ОП со светодиодами для растениеводства используются в курсе лекций «Эксплуатация электрооборудования в сельском хозяйстве» и «Надежность электроснабжения» ЧГАА.

Апробация. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и одобрены на ежегодных научных конференциях ЧГАА (г. Челябинск, 2011-2013 гг.); на II и III Международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы энергетики АПК» (г. Саратов, 2011, 2012 гг.); на Международной научно-практической конференции «Аграрная наука - основа инновационного развития АПК» (г. Курган, 2011 г.); на Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 35-летию факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства, «Инновационные электротехнологии и электрооборудование — предприятиям АПК» (г. Ижевск, 2012 г.).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе четыре в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 161 странице машинописного текста, в том числе 135 страницах основного текста, содержит 35 рисунков, 16 таблиц, состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы и приложений. Список используемой литературы включает в себя 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, указаны цель, объект, предмет, научная новизна и практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту, дана общая характеристика работы.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» изучена проблема оценки долговечности ОП со светодиодами, дан обзор существующих методов оценки надежности объектов электрооборудования, проведен анализ существующих математических зависимостей для определения долговечности светодиодов.

Значительный вклад в исследования деградации светоиз-лучающих полупроводниковых структур внесли известные ученые: Н.И. Бочкарева, Р.И. Горбунов, A.A. Ефремов, Д.А. Зак-гейм, A.B. Клочков, А.Н. Ковалев, В.Е. Кудряшов, Ф.И. Маняхин, С.Г. Никифоров, А.Г. Полищук, И.В. Рожанский, В.П. Сушков, А.Н. Туркин, А.Э. Юнович и др. Вопросам долговечности светодиодных источников света посвящены работы С.Г. Никифорова, А. Г. Полищука, А. Н. Туркина, Дж. Мао, М. Майлса и др.

Условиями эксплуатации в тепличных электротехнологиях занимались С. Ф. Ващенко, Т. Б. Лещинская, JL Г. Прищеп, Н. В. Цугли-нок и др.

Проведенный анализ литературных источников позволяет утверждать, что существующие условия эксплуатации ОП ускоряют деградацию приборов на основе светодиодов.

В настоящее время для сельскохозяйственного производства изготавливают ОП со светодиодами серии «AGRO». Данные производителей о долговечности светодиодов, установленных в све-

тальники, носят разрозненный характер, иногда на порядок отличающийся друг от друга. Для разработки мероприятий по повышению качества изготовления, ремонта и эксплуатации ОП со светодиодами необходимы своевременные и достоверные сведения об их долговечности.

Долговечность ОП со светодиодами в первую очередь определяется долговечностью светоизлучающих полупроводниковых диодов — светодиодов. Определяющим параметром технического состояния светодиодов является их световой поток. Принято, что снижение (деградация) светового потока на 30 % от первоначального значения является отказом ОП со светодиодами.

Анализ методов, применимых для испытания ОП со светодиодами на долговечность, показывает, что сведения о долговечности можно получить по результатам эксплуатационных и ускоренных испытаний. По целому ряду преимуществ ускоренные испытания на нормальных режимах нагрузки находят все более широкое применение. Существующие методы ускоренных испытаний не позволяют производить оценку ресурса в его вероятностном аспекте вследствие того, что не учитывают случайный характер светового потока после периода стабилизации, а также стохастическое влияние эксплуатационных факторов на деградацию светодиодов. Это определило постановку цели и задач исследования.

Во второй главе «Теоретические предпосылки ускоренной оценки долговечности ОП со светодиодами для растениеводства» обосновывается необходимость и возможность оценки параметров ресурса ОП со светодиодами по результатам ускоренных испытаний на нормальных режимах работы с учетом случайного характера факторов, влияющих на деградацию ОП, и начального значения светового потока после периода стабилизации.

Универсальной зависимостью, отображающей широкий спектр процессов реальной эксплуатации при определенных условиях применения по назначению и описывающей изменение параметра технического состояния объектов электрооборудования от наработки, является степенная функция, предложенная Б. С. Сотсковым и Г.В. Дружининым, которая применительно к светодиодным светильникам будет иметь вид

ф = ф0-па,

(1)

где Ф - значение светового потока при наработке /;

Ф0 — значение светового потока после периода стабилизации;

Г - наработка после периода стабилизации;

V и а — постоянные показатели процесса деградации светового потока.

Показатель V учитывает влияние внешних условий на деградацию светового потока, его величина зависит от эксплуатационных факторов. Показатель деградации а определяет характер изменения светового потока от наработки, и его значение зависит от конструктивно-технологических факторов. При а > 1 скорость деградации светового потока в зависимости от наработки будет увеличиваться, и наоборот, при а < 1 — снижаться. Величина а для определенных типов ОП со светодиодами будет иметь вполне определенное значение.

При снижении светового потока до предельного значения Фпр наработка ОП со светодиодами для растениеводства будет соответствовать его ресурсу:

Предварительными исследованиями установлено, что Ф0 и V являются случайными величинами, распределенными по нормальным законам с параметрами: тФа и ту - математические ожидания Ф0 и V; сГф и Су — среднеквадратические отклонения Ф0 и V.

Величина АФ описывается нормальным распределением с параметрами тАФ = /яФо - Фпр и стДФ = стФо.

Для разработки вероятностно-статистической модели надежности воспользуемся геометрической интерпретацией (рисунок 1).

Из уравнения (2) следует, что ресурс является функцией двух случайных величин. Функция распределения ресурса 7^(7) будет вероятностью выполнения неравенства

Т=ЦУ, АФ)

Рисунок 1 - Поверхность функции Т = я-

Чтобы выполнялось неравенство (3), случайная точка (V, АФ) должна оказаться в области Д, поэтому

F(Г) = ^г[(F, АФ)еД]= \\/(У,АФ)с1Ус1АФ, (4)

д

где/(К, АФ) - совместная плотность распределения двух случайных

величин КиАФ.

Поскольку эти величины независимы, их совместная плотность составляет

/(Г,АФ) = /(Г)-/(АФ),

(5)

гдеДР) и ДАФ) - плотности распределения V и Ф.

Подставляя плотности распределения/Р) и/(АФ) в (5), а затем в (4), получим выражение

-.2 "

р{т)= [Г—^ехр

{у-щ)

1

хехр

(АФ — /иДФ )2

2<Тл

dVd АФ.

(6)

В выражение (6) ресурс Т входит неявно, через пределы интегрирования. Зная область интегрирования, двойной интеграл можно свести к повторному:

о

(ЛФ-/иАФ)

{У-ГПу)2

т°г

|ехр

2ст

ЛФ

2<Уу

а АФ \йУ.

(7)

Дифференцируя Р(Т) по Т, получим плотность распределения ресурса:

т-^-г^ р

2псткаФо 0

2ст*

2

Выразим значение показателя V через измеряемую в процессе эксперимента величину - скорость деградации светового потока:

¿Ф

У=-

Л

Учитывая выражения (1) и (9), имеем у = аП"-1.

(9)

(10)

Скорость деградации светового потока при единичной наработке t—\ равна

У,=1 =а.¥1,

(П)

где т — коэффициент размерности, численно равный единице, его размерность равна (ед. наработки)"-1.

Если наработка измеряется в часах, то размерность т равна ч"~'. Из равенства (11) выразим параметр V:

у = Ум . ат

Используя теорему о математическом ожидании и среднеква-дратическом отклонении, найдем параметры распределения V:

т„ --

-шуг- 1 _ _

,„ =-(13)

ат ат

Как отмечалось выше, параметры ту_х и ау =1 скорости деградации светового потока целесообразно определять с помощью ускоренных испытаний на нормальных режимах нагрузки. К значительному сокращению сроков испытания ведет использование при этом многофакторного планирования эксперимента. После реализации матрицы такого эксперимента устанавливается зависимость скорости деградации светового потока от воздействия основных эксплуатационных факторов:

1=1 ¡<) 1=1 где Ьа, Ь{, Ь2,..., Ь),..., Ър..., Ък - коэффициенты уравнения регрессии, оценивающие степень влияния отдельных факторов на скорость деградации светового потока.

Закон и параметры распределения у1 =, обуславливаются величиной коэффициентов уравнения (14) и законами распределения действующих факторов.

Значение показателя деградации а светового потока определяется результатами испытаний при строго построенных значениях воздействующих факторов методом наименьших квадратов.

Вычисление интеграла в выражении (8) аналитическим путем не представляется возможным, поэтому плотность распределения Д7) находилась численными методами, для реализации которых была разработана программа, приведенная в диссертации.

Полученная плотность распределения ресурса позволяет вычислить его математическое ожидание тТ и дисперсию Дг по формулам

шт = "\Т/(Т)0Г, Дт = )(Т-тт)г/{Т)с1Т. (15)

о о

Зная плотность распределения ресурса, можно определить вероятность безотказной работы для любого количества часов ^ наработки:

л(гт)=1-}/(г)л-, (16)

о

где — гамма-процентный ресурс.

Из графика зависимости гамма-процентного ресурса от вероятности безотказной работы методом трассировки можно найти любой 1у ресурс.

Таким образом, для оценки надежности ОП со светодиодами необходимо из данных замеров первоначального светового потока установить его предельное значение Фпр, по данным ускоренных испытаний определить параметры скорости деградации светового потока т _, и а _, и показатель деградации а этого потока, статиста-

у: 1 у:

ческим путем установить параметры начального светового потока отФо и стФо, замеренные после периода стабилизации. Затем, используя математическую модель (8), установить статистические характеристики ресурса ОП со светодиодами.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» рассмотрены методики оценки показателей, входящих в функцию плотности распределения ресурса, методика проведения ускоренных испытаний, методика определения статистических характеристик ресурса по результатам ускоренных испытаний, методика сравнения результатов ускоренных испытаний с данными экспериментальных наблюдений. Основные положения методики ускоренной оценки ресурса были апробированы на светильниках Х1л§Ы Х1ЛЭ-РП2-А0я0-220-115-01, применяемых в растениеводстве.

Из всего многообразия действующих на ОП со светодиодами эксплуатационных факторов на основании априорных данных и предварительных исследований были выявлены основные, оказывающие наибольшее влияние на деградацию светового потока. К этим факторам относятся: !%¥,) - температура окружающей среды, °С; ЩХ2) -относительная влажность окружающей среды, %; 17(Х3) - величина питающего напряжения, В.

Измерение значений отмеченных выше факторов проводилось в условиях выращивания огуречной рассады в теплице. Данные факторы носят стохастический характер, в связи с этим диапазоны их изменения в процессе проведения ускоренных испытаний устанавливают-

ся в соответствии с методическими рекомендациями активного планирования экспериментов. Уровни варьирования факторов охватывали до 99,7% диапазона возможных эксплуатационных значений.

Разработанные технические средства (рисунок 2) для испытаний ОП со светодиодами обеспечивают воздействие на осветительные приборы каждого из выделенных факторов во всем диапазоне их эксплуатационных значений. Другие факторы, например, такой, как число коммутаций в единицу времени, поддерживались на постоянном уровне.

1 - камера влажности; 2 — испытываемый ОП; 3 - наполненный водой поддон 9; 4 - нагревательный элемент; 5 - температурный датчик; 6 — вентилятор; 7 — гигрометр

Рисунок 2 — Конструктивная схема стенда для обеспечения комплексного воздействия эксплуатационных факторов на ОП со светодиодами

Дополнительно стенд оснащен блоком управления питания для установки необходимых уровней варьирования питающего напряжения и необходимого коммутационного режима, а также блоком управления камерой для обеспечения необходимых уровней варьирования температуры.

Переход от освещенности поверхности датчика люксметра PCE 172 к световому потоку исследуемого светильника осуществлялся с использованием полученных данных на разработанной установке (рисунок 3).

1 - рабочая камера; 2 - испытываемый ОП со светодиодами; 3 - световой поток; 4 - датчик люксметра; 5 - люксметр; б - светофильтр; 7 - контактный термометр; 8 - вентилятор; 9 - нагревательный элемент; 11 - блок управления температурой внутри камеры; 12 - вентиляционные отверстия; 13-концентрирующая линза

Рисунок 3 - Конструктивная схема фотометрической части стенда для испытания ОП со светодиодами

Планирование опытов при проведении ускоренных испытаний проводилось с использованием теории многофакгорного планирования эксперимента. Эксперимент осуществлялся по полнофакторной матрице 23. За выходной параметр приняли скорость деградации светового потока.

По результатам ускоренных испьгганий строится полиномиальная зависимость скорости деградации светового потока от основных воздействующих эксплуатационных факторов. Результаты эксперимента проверяются на воспроизводимость (по критерию Кохрена), на значимость коэффициентов регрессии (по критерию Стьюдента), на адекватность полученной модели результатам испытаний (по критерию Фишера). В случае, если выяснится, что полученная модель неадекватно описывает изучаемый процесс, следует переходить к более сложным планам второго порядка, например, к ортогональному центральному композиционному планированию.

Параметры распределения светового потока после периода стабилизации задавались с помощью предлагаемой нами установки (рисунок 2).

Показатели надежности рассчитывали по формулам (8), (13), (15), (16) численными методами. Численные расчеты целесообразно проводить в пакете МаШСАБ.

Сопоставление результатов, полученных по данньм ускоренных и эксплуатационных испытаний ОП со светодиодами, проводилось путем сравнения однородности двух выборок в связи с тем, что скорость деградации ОП со светодиодами является величиной случайной. Гипотеза о несущественности различия средних значений с учетом среднеквадратических отклонений проверяется по /-критерию Стьюдента. Если расчетные значения /-критерия Стьюдента (/рас) меньше табличного (/таб), то различие между средними значениями является несущественным.

В четвертой главе «Результаты и анализ экспериментальных исследований» приводятся результаты обработки экспериментальных данных при определении долговечности ОП со светодиодами для растениеводства.

Установлены законы и параметры распределения выделенных основных эксплуатационных факторов, влияющих на деградацию

светового потока ОП со светодиодами в теплицах при выращивании рассады огурцов, позволяющие определить уровни варьирования данных факторов (таблица 1).

Таблица 1 - Уровни варьирования факторов при проведении ускоренных испытаний

Фактор Код Уровни варьирования Полуинтервал варьирования Средний уровень

верхний (+1) нижний (-1)

Температура Г>, "С 36 11 13 23

Относительная влажность ТУ, % 93 66 13 79

Напряжение II, В 228 196 16 212

На основании обработки статистических данных определен закон распределения начальных значений светового потока исследуемых светильников после периода стабилизации ^ = 3000 ч. Установлено, что начальное значение светового потока после периода стабилизации распределено по нормальному закону с параметрами (таблица 2). Предельное значение светового потока составляло 70% от значения светового потока, замеренного при введении светильника в эксплуатацию (таблица 2).

Показатель деградации а светового потока был установлен расчетным путем на основании испытаний на средних режимах нагру-жения (таблица 2).

В результате реализации матрицы планирования эксперимента было определено уравнение, описывающее скорость деградации светового потока при единичной наработке от действующих факторов. Проверка на значимость коэффициентов уравнения показала, что коэффициенты при факторах Х2 и Х3, а также при взаимодействии данных факторов оказались незначимы. Гипотеза адекватности полученного уравнения подтвердилась. Полученное уравнение в кодированном и раскодированном виде можно представить равенствами

= (148 +12,8*,)-Ю"*, (1253 + 9,8313Г0)-ЮЛям/ч. (17)

Уравнения (17) позволили установить, что величина у1 = { распределена по нормальному закону с параметрами, представленными в таблице 2.

Таблица 2 - Параметры функции плотности распределения ресурса ОП со светодиодами

Параметр Ф пр <4 ту,., а

Значение 407 557 11,9 14,8-Ю-2 4,29-10"3 0,629

Размерность лм лм лм лм/ч лм/ч -

Данные таблицы 2 являются исходными для построения функции плотности распределения ресурса ОП со светодиодами. Вид функции плотности распределения по результатам ускоренных испытаний представлен на рисунке 4.

АТ), 1/ч

9x10-5

6х10-5

ЗхЮ'5

О 1х

Рисунок 4 - Плотность распределения ресурса ОП со светодиодами

Полученные статистические характеристики распределения ресурса исследуемых ОП со светодиодами по результатам ускоренных испытаний представлены в таблице 3.

Результаты проверки по /-критерию Стьюдента показывают, что различия между результатами ускоренных и эксплуатационных испытаний ОП со светодиодами можно считать несущественными, поскольку Грас < Гта6. Приведенные расчеты указывают на однородность ускоренных и эксплуатационных испытаний.

/ N /

/ / \ \ \

/ / / / \ \ \ X

/ У / \ \

К)4 ~ 2хЮ4 ЗхЮ4 4x104 Г, ч

Таблица 3 - Статистические характеристики ресурса ОП со светодиодами для растениеводства

Гамма-процентный

Статистические характеристики Среднее Среднее ресурс Т, тыс. ч

значение Т, тыс. ч квадратическое отклонение аг, тыс. ч о\ оС о 1! г- о ОЧ II о оо II ?- 1-4 о" II

Величина 31,8 3,9 21,1 26,9 28,6 45,1

Эффективность ускоренных испытаний состоит в значительном (в 10 и более раз) сокращении времени получения информации об эксплуатационной долговечности ОП со светодиодами по сравнению с эксплуатационными испытаниями.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Существующие методы ускоренных испытаний светильников на основе светодиодов не позволяют получить показатели надежности в их вероятностном аспекте с учетом стохастических процессов изготовления и эксплуатации.

2. Разработана вероятностно-статистическая модель надежности ОП со светодиодами применительно к различным условиям эксплуатации и стохастического распределения светового потока после периода стабилизации, апробированная в условиях растениеводства.

3. Установлены статистические характеристики основных эксплуатационных факторов в условиях теплиц, влияющие на долговечность ОП со светодиодами. К ним относятся: температура (Т°р = 23,1 °С, стго = 4,3 °С), относительная влажность ({Гр = 79,5%, = 4,4%) окружающей среды и питающее напряжение (£/р 212,6 В, оц 5,3 В). К эксплуатационным факторам относится также периодичность коммутации, при этом освещение включается один раз в сутки на 12 часов. Комплексное воздействие факторов имитируется на разработанном стенде.

4. Достоверная оценка долговечности ОП со светодиодами за короткий срок полгода возможна с помощью разработанной методики ускоренных испытаний. При этом:

- установлено значение показателя а деградации светового потока, оценивающего характер изменения скорости этой деградации в зависимости от наработки (а = 0,629);

— определены статистические характеристики начального значения светового потока Ф0 = 557 лм и аФо = 11,9 лм после периода стабилизации;

— путем проведения эксперимента с использованием активного планирования опытов получена зависимость скорости деградации светового потока от эксплуатационных факторов, при этом значимым фактором является температура = 12,8-10 3); относительная влажность (Ь2 = 1,37-10-3) и питающее напряжение фг = 1,21-10-3) со всеми взаимодействиями оказывают несущественное влияние на изучаемый процесс;

- на основании разработанной математической модели надежности с использованием результатов ускоренных испытаний установлены статистические характеристики ресурса ОП со светодиодами, которые с учетом периода стабилизации составили: Т = 31,8 тыс. ч, аг=3,9 тыс. ч, Ту=999 = 21,1 тыс. ч, Г =ю=28,6 тыс. ч, Г=01 = 45,1 тыс. ч).

5. Сравнительная оценка результатов ускоренных испытаний, проведенных по предлагаемой методике, с результатами эксплуатационных наблюдений в тепличных условиях выращивания рассады огурцов указывает на статистическую незначимость их расхождений.

6. Внедрение ускоренных испытаний на долговечность позволяет существенно сократить (в 10 и более раз) затраты времени на получение информации о долговечности ОП со светодиодами. Такое сокращение позволит принимать своевременные и обоснованные решения, направленные на совершенствование технологий изготовления и эксплуатации этих светильников.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Буторин, В. А. Разработка испытательного стенда для проведения ресурсных испытаний прожектора светодиодного (светильника) ХЫбЫ ХЬО-РЬ12-АСБЮ-220-115-01 [Текст] / В. А. Буторин,

К. П. Вовденко // Ползуновский вестник. — 2011. - № 2/1. - С. 62-65 : рис. - Библиогр.: С. 65 (4 назв.).

2. Вовденко, К. П. Исследование световой характеристики светодиодного светильника [Текст] / К. П. Вовденко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2011.— № 11— С. 31.

3. Буторин, В. А. Детерминированная математическая модель надежности светодиодных светильников [Текст] / В. А. Буторин, К. П. Вовденко // Достижения науки и техники АПК. -2013. -№ 5. -С. 76-78.

4. Буторин, В. А. Вероятностно-статистическая модель оценки долговечности светодиодных светильников [Текст] / В. А. Буторин, К. П. Вовденко // Международный научный журнал. -2013. -№ 3. -С. 80-82.

Публикации в других изданиях

5. Вовденко, К. П. Влияние ресурса пускорегулирующей аппаратуры стартерной системы зажигания люминесцентных ламп на экономию электрической энергии [Текст] / К. П. Вовденко // Ин-формлисток ЦНТИ. — № 74-018-10. Челябинск, 2010.

6. Вовденко, К. П. Методика прогнозирования ресурса пускорегулирующей аппаратуры люминесцентных светильников [Текст] / К. П. Вовденко // Информлисток ЦНТИ. - № 74-030-10. Челябинск, 2010.

7. Буторин, В. А. Исследование изменения вольтамперной характеристики светодиодов от наработки [Текст] / В. А. Буторин, К. П. Вовденко // Материалы Ь междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки — агропромышленному производству». Челябинск : ЧГАА, 2011. Ч. 5. - С. 19-24.

8. Буторин, В. А. Предпосылки к проведению ресурсных испытаний светодиодных светильников в сельском хозяйстве [Текст] / В. А. Буторин, К. П. Вовденко // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Аграрная наука — основа инновационного развития АПК». Курган : Изд-во Курганской ГСХА, 2011. Т. 2. - С. 180-182.

9. Вовденко, К. П. Исследование изменения силы света светодиодов от наработки [Текст] / К. П. Вовденко // Материалы II междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы энергетики АПК». Саратов : Изд-во «КУБиК», 2011. С. 63-66.

10. Буторин, В. А. Исследование деградации светового потока от наработки по времени агропромышленного светодиодного светильника [Текст] / В. А. Буторин, К. П. Вовденко П Материалы LI междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки - агропромышленному производству». Челябинск : ЧГАА, 2012. Ч. 5. - С. 42-44.

11. Вовденко, К. П. Разработка методики испытания светодиодного светильника на примере его применения при выращивании рассады огурцов [Текст] / К. П. Вовденко // Материалы III междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы энергетики АПК». Саратов : Изд-во «КУБиК», 2012. - С. 57-59.

12. Вовденко, К. П. Исследование изменения спектрального излучения аграрного светодиодного светильника в зависимости от изменения температуры окружающей среды [Текст] / К. П. Вовденко // Аспекты современной науки. - 2012. - № 2. — С. 6-10.

13. Вовденко, К. П. Исследование изменения спектрального излучения аграрного светодиодного светильника в красной области спектра, в зависимости от изменения температуры окружающей среды [Текст] / К. П. Вовденко // Материалы Всерос. науч.-практ. конф., посвящ. 35-летию факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства «Инновационные электротехнологии и электрооборудование - предприятиям АПК». Ижевск : ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2012.-С. 136-138.

14. Буторин, В. А. Результаты оценки скорости деградации светового потока светодиодных светильников в зависимости от эксплуатационных факторов в условиях теплиц [Текст] / В. А. Буторин, К. П. Вовденко //Вестник ЧГАА.-2013.-Т. 63.-С. 17-20.

Подписано в печать 17.10.2013 г. Формат 60x84/16 Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № КЗ -4

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия» 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75

ЧЕЛЯБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

04201451260

Вовденко Константин Петрович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ СО СВЕТОДИОДАМИ ДЛЯ УСЛОВИЙ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор В.А. Буторин

Челябинск - 2013

Содержание

Введение......................................................................................................................................................................5

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования.............. 9

1.1. Проблема определения долговечности осветительных приборов со светодиодами в растениеводстве................................ 9

1.2. Существующие методы испытаний на надежность объектов электрооборудования.......................................................... 17

1.3. Существующие математические модели надежности све-тодиодов................................................................................... 32

1.4. Выводы и задачи исследования.......................................... 39

Глава 2. Теоретические предпосылки ускоренной оценки долговечности осветительных приборов со светодиодами для растениеводства........................................................................ 41

2.1. Место рассматриваемой проблемы в предмете теории эксплуатации электрооборудования............................................... 41

2.2. Разработка вероятностно-статистической модели оценки ресурса осветительных приборов со светодиодами................... 47

2.3. Оценка скорости деградации светового потока осветительных приборов со светодиодами.......................................... 57

2.4. Определение показателя деградации светового потока осветительных приборов со светодиодами................................... 61

2.5. Выводы............................................................................... 63

Глава 3. Методика проведения исследований........................ 65

3.1. Общая методика................................................................. 65

3.2. Выбор для исследования марки осветительных приборов

со светодиодами........................................................................ 66

3.3. Выбор факторов, влияющих на деградацию осветительных приборов со светодиодами при их эксплуатации в условиях растениеводства........................................................................ 68

3.4. Методика оценки параметров распределения эксплуатационных факторов, влияющих на деградацию осветительных приборов со светодиодами........................................................ 72

3.5. Методика оценки распределения начального значения светового потока осветительных приборов со светодиодами......... 77

3.6. Методика оценки показателя деградации светового потока осветительных приборов со светодиодами................................ 78

3.7. Планирование эксперимента............................................... 79

3.8. Конструкция разработанного стенда для ресурсных испытаний осветительных приборов со светодиодами...................... 82

3.9. Методика проведения ускоренных испытаний и обработки результатов экспериментальных исследований......................... 94

3.10. Методика сопоставления результатов ускоренных и эксплуатационных испытаний осветительных приборов со светодиодами .................................................................................... 99

3.11. Выводы............................................................................. 101

Глава 4. Результаты и анализ экспериментальных исследований........................................................................................ 103

4.1. Выбор условий проведения ускоренных испытаний........... 103

4.2. Характеристика начальных значений светового потока осветительных приборов со светодиодами ................................... 107

4.3. Оценка показателя деградации светового потока осветительных приборов со светодиодами.......................................... 108

4.4. Аналитическая зависимость скорости деградации светового потока от основных эксплуатационных факторов................. 109

4.5. Оценка ресурса осветительных приборов со светодиодами 111

4.6. Соответствие результатов ускоренных и эксплуатационных испытаний осветительных приборов со светодиодами....... 113

4.7. Эффективность ускоренных испытаний осветительных приборов со светодиодами........................................................ 116

4.8. Выводы..............................................................................................................................................................121

Основные выводы......................................................................................................................................123

Литература ............................................................................................................................................................125

Приложения..........................................................................................................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

В 70-х - 80-х годах одновременно с повсеместным внедрением люминесцентного освещения, произошел качественный скачек в области развития светодиодных источников света. За короткий промежуток времени был пройден путь от использования светодиодов в качестве сигнальных ламп до массового использования в осветительных приборах для промышленного и сельскохозяйственного назначения. Появились серии осветительных приборов со светодиода-ми (ОП со светодиодами), обеспечивающие оптимальные производительность разводимых животных, рост цыплят и яйценоскость птицы, процесс фотосинтеза и роста растений. Светодиоды в отличии от ламп накаливания и люминесцентных ламп обладают высокими светоотдачей, долговечностью, энергосберегающими показателями, вандалоустойчивостью, низким выделением тепла, возможностью регулирования в светильнике интенсивностью и спектральным составом излучения, экологической чистотой.

Для решения задач, связанных с планированием выпуска тех или иных серий осветительных приборов со светодиодами, с оценкой качества изготовления ОП со светодиодами серии «AGRO», с комплектованием светодиодной продукцией участков производства сельских товаропроизводителей, с разработкой оптимального варианта организации технического обслуживания и ремонта светотехнического оборудования, с созданием необходимого резерва запасных ОП со светодиодами для поддержания работоспособности освещения производственных предприятий необходимо иметь возможность за короткие сроки получать информацию о долговечности этих осветительных приборов со светодиодами.

Наиболее достоверную оценку о долговечности осветительных приборов со светодиодами дают эксплуатационные испытания. Длительность таких испытаний составляет 5-12 лет в непрерывном режиме работы, что делает их неприемлемыми для решения поставленных задач. Существующие методы ускоренных испытаний являются сравнительными и не учитывают стохастический характер воздействующих эксплуатационных факторов на деградацию светодиодов. Они не учитывают случайный характер параметра технического состояния после периода стабилизации светодиодов. В связи с этим методы ускоренной оценки долговечности светодиодных светильников требуют дальнейшего развития и совершенствования.

Цель исследования. Разработка методики ускоренной оценки долговечности ОП со светодиодами по результатам контроля деградации светового потока для растениеводства в условиях защищенного грунта.

Объект исследования. Процесс деградации светового потока ОП со светодиодами для растениеводства в период эксплуатации.

Предмет исследования. Закономерности деградации светового потока ОП со светодиодами для растениеводства, определяющие их ресурс в различных условиях эксплуатации.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

1. Разработана математическая модель надежности ОП со светодиодами для растениеводства, описывающая ресурс с учетом стохастических значений скорости деградации светового потока и его величины после периода стабилизации.

2. Установлена аналитическая зависимость скорости деградации светового потока ОП со светодиодами для растениеводства от воздействующих эксплуатационных факторов при выращивании рассады огурцов.

3. Разработана методика ускоренной оценки ресурса ОП со све-тодиодами для растениеводства, отличающаяся от известных тем, что позволяет по результатам ускоренных испытаний прогнозировать ресурс в вероятностном аспекте с учетом различных условий эксплуатации.

Практическая ценность работы и ее реализация

1. Разработанная методика ускоренной оценки ресурса ОП со светодиодами позволяет существенно (в 10 и более раз) сократить время получения информации о долговечности ОП со светодиодами для растениеводства по сравнению со сроком их эксплуатационных испытаний.

2. Результаты ускоренных испытаний на надежность позволяют принимать обоснованные и своевременные решения по реализации мероприятий, направленных на повышение качества производства, ремонта и эксплуатации ОП со светодиодами для растениеводства.

3. Разработанные технические средства ускоренных испытаний обеспечивают комплексное воздействие влияющих на ресурс факторов во всем диапазоне их эксплуатационных значений и контроль деградации светового потока ОП со светодиодами.

4. Методика ускоренных испытаний ОП со светодиодами на долговечность принята к внедрению тепличным комбинатом ГУСП совхозом «Алексеевский» Республики Башкортостан и ООО «КВАНТ» г. Челябинска.

5. Материалы теоретических и экспериментальных исследований по прогнозированию долговечности ОП со светодиодами для растениеводства используются в курсе лекций «Эксплуатация электрооборудования в сельском хозяйстве» и «Надежность электроснабжения» ЧГАА.

Апробация. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и одобрены на ежегодных научных конферен-

циях ЧГАА (г. Челябинск, 2011-2013 гг.); на II и III Международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы энергетики АПК» (г. Саратов, 2011, 2012 гг.); на Международной научно-практической конференции «Аграрная наука - основа инновационного развития АПК» (г. Курган, 2011 г.); на Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 35-летию факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства, «Инновационные электротехнологии и электрооборудование - предприятиям АПК» (г. Ижевск, 2012 г.).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе четыре в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 161 странице машинописного текста, в том числе 135 страницах основного текста, содержит 35 рисунков, 16 таблиц, состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы и приложений. Список используемой литературы включает в себя 108 наименований.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи

исследования

1.1. Проблема определения долговечности ОП со светодиодами в растениеводстве

Одной из главных характеристик качества и эксплуатационных преимуществ любого технического изделия является его надежность. Согласно ГОСТ Р 27.002-2009 [35] надежность - это свойство готовности и влияющие на него свойства безотказности и ремонтопригодности, и поддержка технического обслуживания. При оценке надежности светодиодов особое значение занимает долговечность [37, 65, 80, 83].

Долговечность - это способность изделия выполнять требуемую функцию до достижения предельного состояния при данных условиях использования и технического обслуживания [35].

Показателями долговечности являются гамма-процентный ресурс, средний ресурс, гамма-процентный срок службы и средний срок службы [35]. Исчерпывающей характеристикой ресурса, как и любой случайной величины, является закон его распределения [8, 52].

До 70-х годов прошлого столетия основным источником освещения в сельскохозяйственном производстве являлись лампы накаливания. В настоящее время накальное освещение скоро закончит свое применение и исчезнет с животноводческих комплексов, птицефабрик, теплиц и других сельскохозяйственных объектов. В 70-х -80-х годах на сельскохозяйственных предприятиях начали устанавливать линейные люминесцентные лампы, которые в отличие от ламп накаливания являлись более экономичными и долговечными, с ресурсом до 10000 час. [55, 59].

Одновременно с массовым внедрением люминесцентного освещения, произошел качественный скачек в области развития светодиодных источников света. Согласно ГОСТ Р 54350-2011 [34], светоди-од, это источник света, основанный на испускании некогерентного излучения в видимом диапазоне длин волн при пропускании прямого тока через р-n переход полупроводникового прибора. За короткий период времени был пройден путь от использования светодиодов в качестве сигнальных ламп до массового использования в светильниках для промышленных и сельскохозяйственных помещений. Появилось энергосберегающее и долговечное светодиодное освещение в помещениях агропромышленного комплекса, включая животноводство, птицеводство и растениеводство [75, 76].

Светодиодное освещение является одним из самых развивающихся процессов в сельскохозяйственном производстве. Данный прогресс дает основание полагать, что в ближайшее время светодиодное освещение вытеснит с рынка все имеющиеся системы освещения [29, 103], бурное развитие данного процесса происходит в растениеводстве [76, 81, 83, 91, 92, 94, 101].

Главный показатель эффективности ОП со светодиодами — его светоотдача. Измеряется она в лм/Вт, т.е. в единицах светового потока (лм) на единицу потребляемой электрической мощности (Вт). Для сравнения в табл. 1.1 [73, 79] приведены характеристики светоотдачи различных источников света в том числе и светодиодных ламп LED и XLight. Специалисты HACA первыми предложили идею использования LED светильников для выращивания растений в космосе. В начале 90-х годов LED освещение начало применяться в сельском хозяйстве и особенно в растениеводстве [79, 94]. В последние годы происходит широкое внедрение в растениеводство ОП со светодиодами XLight [92].

Таблица 1.1 — Светоотдача различных источников света

№ Тип источника Светоотдача, лм/Вт

1 Обычные лампы накаливания 12

2 Галогенные лампы 20

3 Компактные люминесцентные лампы 55

4 Люминесцентные лампы 70

5 Металлогалоидные 90

6 Светодиодные LED и XLight 100

Как следует из табл. 1.1 высокая светоотдача осветительных приборов со светодиодами позволяет экономить до 90% электроэнергии по сравнению с лампами накаливания [79]. По сравнению с люминесцентными светильниками эта величина достигает 60% [29].

Энергосберегающие параметры светодиодной продукции гораздо выгоднее, чему традиционных источников света [91].

Источником измерения светового потока в ОП со светодиодами является полупроводниковый кристалл, способный преобразовывать потребляемую электроэнергию в видимый свет. Вид излучающего кристалла представлен на рис. 1.1 [68].

Слой распределения тока

Рисунок 1.1 — Вид излучающего кристалла с гетероструктурой типа 1пОаЫ/АЮап/ОаЫ на подложке из АЬОз. Активная область (область р-п переходов) и расположение омических контактов

Для наглядности общих положений строения светодиодов представим конструкцию светодиода компании №сЫа [79].

Соединительный Линза Герметик

Рисунок 1.2 - Конструкция светодиода компании №сЫа

Оптическое излучение становится неотъемлемой частью фотохимических производств, оно играет всевозрастающую роль в повышении продуктивности животноводства и птицеводства, урожайности растительных культур. В 18 веке было открыто явление фотосинтеза - образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических элементов. Более 95% сухого вещества растений создается в результате этого процесса. Русский ученный К.А. Тимирязев доказал, что источником энергии для фотосинтеза служит преимущественно длинноволновая часть спектра (красные лучи), а влияние коротковолновой части (сине-зеленой) менее существенно [83]. Красный свет необходим для роста корней, созревания плодов и цветения, синий - для развития листьев и роста растения [101]. Исследования показали, что оптимальный состав излучения имеет следующие соотношения по спектру: 30% в

синей области (380-490 нм), 20% в зеленой (490-590 нм) и 50% в красной области (600-700 нм) [83, 94]. Современные светодиоды перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра, начиная с 430 нм и заканчивая 780 нм. Составляя комбинацию из светодиодов разных цветовых групп, можно получить источник света с практически любым спектральным составом. Возможность такой комбинации является одним из главных преимуществ осветительных приборов со светодиодами. Такое преимущество позволяет успешно вытеснять натриевые лампы, находившие до настоящего времени наиболее широкое распространение в сельскохозяйственном производстве ОП со светодиодами. Это подтверждает спектры натриевой лампы высокого давления, ОП со светодиодами Х1Л§Ь1;, и кривая эффективности фотосинтеза [83, 92].

Длина волны, нм

1 - эффективность фотосинтеза; 2 - спектр натриевой лампы высокого давления; 3 - спектр светильника Х1л§1^ Рисунок 1.3 - График соотношения спектра эффективности фотосинтеза, натриевой лампы высокого давления и ОП со светодиодами

Другим преимуществом осветительного прибора со светодио-дами является низкое выделение тепла, по�