Zasilanie lamp fluorescencyjnych pradem o podwyższonej

Przedmiot:
SIECI I INSTALACJE OŚWIETLENIOWE
ZASILANIE LAMP
FLUORESCENCYJNYCH
PRĄDEM O PODWYŻSZONEJ
CZĘSTOTLIWOŚCI
Wprowadzenie
Problem zasilania lamp fluorescencyjnych prądem o
częstotliwości większej od częstotliwości źródeł prądotwórczych
w sieciach elektroenergetycznych narodził się z chwilą
wykorzystania świetlówek jako źródeł światła.
Zaobserwowany wzrost strumienia świetlnego świetlówek
zasilanych z przekształtników dał podstawę do podjęcia prac
naukowonaukowo-badawczych w szeregu krajach.
Z wyników badań wypływał generalny wniosek, że podwyższona
częstotliwość zasilania lamp fluorescencyjnych jest właściwszą
od częstotliwości przemysłowej z powodu szeregu korzyści stąd
wynikających.
1. Charakterystyka wyładowania w lampie
fluorescencyjnej przy zmianach
częstotliwości prądu
Praca lamp fluorescencyjnych w sieciach z podwyższoną
częstotliwością w znacznym stopniu różni się od pracy lamp przy
częstotliwości sieciowej.
Ze wzrostem częstotliwości:
Æ skraca się stadium dejonizacji plazmy wyładowania,
Æ zwię
zwiększa się
się:
ž średnia wartość
wartość temperatury elektronowej,
ž gęstość
stość elektronó
elektronów,
ž gradient potencjał
potencjału,
Æ zmniejszają
zmniejszają się
się modulacje wszystkich charakterystyk
wył
wyładowania (zwł
(zwłaszcza powyż
powyżej 1 kHZ),
kHZ),
Æ gęstość
stość plazmy i przewodność
przewodność wył
wyładowania dążą
dążą do wartoś
wartości
stał
stałej przez cał
cały cykl zmian prą
prądu.
Wyładowanie zmienia swój charakter w zależności od
częstotliwości
częstotliwość
charakter wyładowania
sieciowa 50 Hz
lekko indukcyjny
od 1kHz do 100 kHz
rezystancyjny
powyżej 100 kHz
lekko pojemnościowy
ok. 4 MHz
rezystancyjny
Rys. 7.11/
7.11/1
Charakterystyka
dynamiczna
świetlówki
LF 40W
stabilizowanej
indukcyjnie dla
wybranych
częstotliwości
prądu
Rys. 7.11/
7.11/1
Charakterystyka
dynamiczna
świetlówki
LF 40W
stabilizowanej
indukcyjnie dla
wybranych
częstotliwości
prądu
Rys. 7.11/
7.11/2
Przebiegi czasowe prądu i napięcia świetlówki LF 40W stabilizowanej
stabilizowanej indukcyjnie
dla wybranych częstotliwości prądu
Rys. 7.11/
7.11/2
Przebiegi czasowe prądu i napięcia świetlówki LF 40W stabilizowanej
stabilizowanej indukcyjnie
dla wybranych częstotliwości prądu
Im wyższa częstotliwość tym krócej trwa proces ponownego
zapłonu prowadząc do zmniejszenia się, a następnie zaniku pików
w krzywej napięcia na lampie.
Zjawiska te są przyczyną wzrostu generacji promieniowania
rezonansowego w wyładowaniu niskiego ciśnienia w parach rtęci.
Rys. 7.11/
7.11/3
Zależność
luminancji
energetycznej
wyładowania
niskiego
ciśnienia
Hglinii
Hg-Ar
widmowych:
546,1mm
(1),
253,7nm
(2),
404,7nm (3), 435,8nm (4)
i 579nm (5)
Zależność strat przyelektrodowych od rodzaju stabilizacji
Rys. 7.11/
7.11/4
Zależność strat elektrodowych wyładowania niskiego ciśnienia
HgHg-Ar w funkcji częstotliwości prądu przy mocy kolumny
dodatniej 1 W/
W/cm
Przykładowe wyniki zmian parametrów lampy LF 40W w
funkcji częstotliwości prądu
Rys. 7.11/
7.11/5a
Zmiany
charakterystyk
świetlówki
LF 40W w funkcji
częstotliwości
prądu
przy
I=const
I=const..
Przykładowe wyniki zmian parametrów lampy LF 40W w
funkcji częstotliwości prądu
Rys. 7.11/
7.11/5b
Zmiany
charakterystyk
świetlówki
LF
40W w funkcji
częstotliwości
prądu
przy
I=const
I=const..
Przykładowe wyniki zmian parametrów lampy LF 40W w
funkcji częstotliwości prądu
Rys. 7.11/
7.11/6a
Zmiany
charakterystyk
świetlówki
LF
40W w funkcji
częstotliwości
prądu
przy
P=const
P=const..
Przykładowe wyniki zmian parametrów lampy LF 40W w
funkcji częstotliwości prądu
Rys. 7.11/
7.11/6b
Zmiany
charakterystyk
świetlówki
LF
40W w funkcji
częstotliwości
prądu
przy
P=const
P=const..
Przykładowe wyniki zmian parametrów lampy LF 40W w
funkcji częstotliwości prądu
Rys. 7.11/
7.11/7a
Zmiana strumienia świetlnego świetlówki LF 40W w funkcji
częstotliwości prądu dla różnych barw świecenia, 1 – ciepłobiała,
2 – biała, 3 – chłodnobiała,
chłodnobiała, 4 – dzienna
Przykładowe wyniki zmian parametrów lampy LF 40W w
funkcji częstotliwości prądu
Rys. 7.11/
7.11/7b
Zmiana strumienia świetlnego świetlówki LF 40W w funkcji
częstotliwości prądu dla różnych barw świecenia, 1 – ciepłobiała,
2 – biała, 3 – chłodnobiała,
chłodnobiała, 4 – dzienna
Ważnym aspektem zasilania świetlówek prądem o podwyższonej
częstotliwości jest:
c zmniejszenie zniekształ
zniekształcenia prą
prądu na lampie,
lampie,
c zmniejszenie zniekształ
zniekształcenia napię
napięcia na lampie
w takim stopniu, że powyż
powyżej pewnej czę
częstotliwoś
stotliwości (kilka kHz)
kHz)
świetló
wietlówki nie zniekształ
zniekształcają
cają pobieranego z sieci prą
prądu i mogą
mogą
być
być traktowane jak odbiorniki liniowe.
liniowe.
Rys. 7.11/
7.11/8
Zmiany współczynnika zawartości wyższych harmonicznych prądu
(THDi) i napięcia na lampie (THD
(THDu) w funkcji częstotliwości prądu dla
świetlówki LF 40W
Ze wzrostem częstotliwości prądu zmienia się współczynnik
tętnienia strumienia świetlnego,
świetlnego, przy czym wykazuje on tendencje
malejącą dopiero powyżej 1 kHz.
kHz.
Pozytywnymi aspektami tego są:
c poprawa warunkó
warunków spostrzegania,
spostrzegania,
c zmniejszenie zmę
zmęczenia wzroku,
wzroku,
c moż
możliwość
liwość wzrostu wydajnoś
wydajności pracy.
pracy.
Rys. 7.11/
7.11/9a
Zmiany współczynnika tętnienia strumienia świetlnego świetlówki
świetlówki
LF 40W w funkcji częstotliwości dla różnych barw świecenia,
świecenia,
1 – ciepłobiała, 2 – biała, 3 – chłodnobiała,
chłodnobiała, 4 – dzienna
Rys. 7.11/
7.11/9b
Zmiany współczynnika tętnienia strumienia świetlnego świetlówki
świetlówki
LF 40W w funkcji częstotliwości dla różnych barw świecenia,
świecenia,
1 – ciepłobiała, 2 – biała, 3 – chłodnobiała,
chłodnobiała, 4 – dzienna
Przy podwyższonych częstotliwościach warunki pracy elektrod
lamp są łagodniejsze, należy więc oczekiwać zwiększenia
trwałości lamp.
Z badań
eksperymentalnych
wynika, że w
warunkach
bezprzerwowego
palenia się dla f=800Hz
trwałość lamp zwiększa
się o 2020-25%
Rys. 7.11/
7.11/10
Spadek strumienia świetlnego świetlówki
LF 40W w czasie eksploatacji dla 50 Hz i
800 Hz
Charakterystyki zapłonu lamp o różnych wykonaniach
Rys. 7.11/
7.11/11
Charakterystyki zapłonu świetlówki o różnych
wykonaniach przy częstotliwości 50 Hz i 2500
Hz: 1 i 4 – bez wstęgi przewodzącej, 2 i 5 – ze
wstęgą przewodzącą nie połączoną z
elektrodą, 3 – ze wstęgą przewodzącą
połączoną z elektrodą
Zalety wynikające
ze stosowania prądu o podwyższonej
częstotliwości do zasilania świetlówek:
świetlówek:
þ zmniejszenie gabarytów i ciężaru stateczników ,
þ możliwość zastosowania kondensatorów w charakterze
stateczników,
þ wzrost strumienia świetlnego i skutecznoś
skuteczności świetlnej lamp,
þ zmniejszenie strat mocy w statecznikach,
þ wyeliminowanie zapł
zapłonnika termicznego,
þ zmniejszenie spadku strumienia świetlnego lamp w funkcji czasu,
þ sinusoidalny kształ
kształt prą
prądu w sieci zasilają
zasilającej,
þ zmniejszenie pulsowania strumienia świetlnego.
Wady wynikające
ze stosowania prądu o podwyższonej
częstotliwości do zasilania świetlówek:
świetlówek:
Q konieczność zasilania sieci oświetleniowej lub pojedynczych
lamp ze specjalnych przekształtników,
Q konieczność stosowania w statecznikach specjalnych
specjalnych
materiałów magnetycznych a także kondensatorów o wysokiej
jakości,
Q moż
możliwość
liwość wystą
wystąpienia zimnych zapł
zapłonó
onów lamp,
Q w przypadku grupowego zasilania lamp konieczność
konieczność
uwzglę
uwzględnienia efektu naskó
naskórkowoś
rkowości i zbliż
zbliżenia przekroju
przewodó
przewodów.
2. Rezonansowe układy zapłonowo-stabilizacyjne
do lamp fluoroscencyjnych zasilanych prądem
o podwyższonej częstotliwości
Przy częstotliwości prądu powyżej 400 Hz zapłonniki z
wyładowaniem tlącym nie zapewniają niezawodnego zapłonu
lampy. Spowodowane jest to:
Ø skróceniem czasu stykowego i
Ø niemożliwością otrzymania odpowiedniego co do wielkości
impulsu przepięciowego na lampie.
W takich przypadkach zapłon lampy może nastąpić:
Ø w ukł
układach bezzapł
bezzapłonnikowych
Ø za poś
pośrednictwem zapł
zapłonnika elektronicznego.
Spośród układów zapłonowozapłonowo-stabilizujących podwyższonej
częstotliwości szerokie
zastosowanie
w zagranicznych
instalacjach oświetleniowych znalazły układy rezonansowe.
rezonansowe.
a)
c)
b)
Rys. 7.11/
7.11/12
Przykłady układów rezonansowych: a) układ „opóźniający”, b) układ
układ
„wyprzedzający”, c) układ z transformatorem żarzenia
Analiza pracy obwodu lampy fluorescencyjnej w
warunkach roboczych
PRZEDMIOT ANALIZY:
obwód lampy fluorescencyjnej pracującej w rezonansowym
układzie zapłonowozapłonowo-stabilizującym i zasilanej napięciem
sinusoidalnym o podwyższonej częstotliwości.
PRZYJĘTE ZAŁOŻENIA UPRASZCZAJĄCE:
8 straty mocy czynnej w dławikach i kondensatorach oraz na
elektrodach lampy są pomijalnie małe,
8 dławiki pracują
magnesowania,
na
prostoliniowej
części charakterystyki
8 lampa fluorescencyjna jest odbiorem czysto rezystancyjnym.
Schemat zastępczy obwodu
świetlówki z rezonansowym
układem
zapłonowym
uwzględniający
przyjęte
założenia:
Równania Kirchhoffa
dla obwodu z rys. 7.11/
7.11/13
Rys. 7.11/
7.11/13
Schemat
zastępczy
obwodu
świetlówki
z
rezonansowym
układem
zapłonowym
w
warunkach roboczych
U = ±jXsz·I+U1
(7.11/
(7.11/1)
U1= ±jXr·Ir
(7.11 /2)
I=I1+Ir
(7.11 /3)
Po przekształceniach wcześniejszego układu równań dla
zadanych skutecznych wartości U, I1, U1 otrzymamy zależność:
(
X sz
)
U 2 2
U1 ±
I1 ⋅ X r 1 − U12 /U2 + U12
U1
= U1 ⋅ X r ⋅
Ir2 ⋅ X r2 + U12
(7.11/
(7.11/4)
Powyższe wyrażenie przedstawia charakterystykę układu
rezonansowego Xsz =f(X
=f(Xr) odpowiadającą warunkom roboczym
lampy.
Przy Xr →∞
X szg =
U ⋅ 1 − U12 /U 2
I1
(7.11/
(7.11/5)
Analiza pracy obwodu lampy fluorescencyjnej w
warunkach zapłonowych
Zakres dopuszczalnych warunków zapłonowych lamp można
przedstawić w postaci prostokąta leżącego nad charakterystyką
zapłonową lampy.
Uz – napięcie zapłonu
Ip – prąd podgrzewania
elektrod
Rys. 7.11/
7.11/14
Charakterystyka zapłonowa
lampy fluoroscencyjnej z
zaznaczonym
obszarem
dopuszczalnych warunków
zapłonu
Schemat zastępczy układu
rezonansowego,
odpowiadający
warunkom
zapłonowym
lampy
i
uwzględniający
przyjęte
założenia upraszczające:
Równania Kirchhoffa
dla obwodu z rys. 7.11/
7.11/15
U = ±j(Xsz-Xr)·Ip
(7.11/
(7.11/6)
Uz= ±jXr·Ip
(7.11 /7)
Z powyższych równań po
przekształceniach
otrzymamy:
Rys. 7.11/
7.11/15
Schemat zastępczy obwodu
świetlówki
w
warunkach
zapłonowych
X sz
U
= Xr ±
Ip
X sz

U
= X r 1 ±
 Uz
(7.11 /8)



(7.11 /9)
3. Zasady doboru reaktancji elementów układów
rezonansowych
Jednoczesne spełnienie wymagań stawianych układom
rezonansowym sprowadza się do rozwiązania układu trzech
równań (7.11/
(7.11/4), (7.11/
(7.11/8), (7.11/
(7.11/9) z których pierwsze dotyczy
warunków roboczych, a dwa następne – warunków zapłonowych
lampy.
Graficzne rozwiązanie tego układu daje wszystkie możliwe
kombinacje wartości reaktancji elementu szeregowego Xsz i
równoległego Xr, zapewniające określone warunki zapłonu
lampy.
Rys. 7.11/
7.11/16
Charakterystyki
Xsz=f(X
układu
rezonansowego
lampy
=f(Xr)
fluorescencyjnej LF 40W przy założonych warunkach świecenia i
zapłonu
Tabela 7.11/
7.11/1. Wartości reaktancji elementów układu rezonansowego świetlówek
LF40W dla różnych napięć zasilających U przy częstotliwości
prądu f =10kHz
U
[V]
140
150
160
170
180
190
200
210
220
Element szeregowy
Xsz
[Ω]
330
330
350
390
400
430
450
480
500
L
[mH]
mH]
C
[nF]
nF]
4,8
5,3
5,5
6,2
6,4
6,8
7,2
7,7
8,0
53
48
45
41
40
37
35
33
32
Element równoległy
Xr
[Ω]
580580-750
600600-770
650650-800
700700-820
720720-850
800800-880
820820-900
860860-920
900900-950
L
[mH]
mH]
C
[nF]
nF]
9,29,2-11,9
9,59,5-12,4
10,310,3-12,7
11,111,1-13,1
11,511,5-13,5
12,012,0-14,0
13,113,1-14,3
13,713,7-14,6
14,614,6-15,1
21,221,2-27,4
20,720,7-26,5
19,919,9-24,5
19,419,4-22,7
18,718,7-22,1
18,118,1-19,9
17,117,1-19,4
17,317,3-18,5
16,816,8-17,7
4. Sieci oświetleniowe podwyższonej częstotliwości
Sposoby zasilania sieci oświetleniowej prądem o podwyższonej
częstotliwości
Istnieje szereg możliwych wariantów wykonania instalacji i
zasilania lamp prądem o podwyższonej częstotliwości.
Warianty zasilania sieci oświetleniowej różnią się między sobą:
¢ miejscem zainstalowania prostownika i falownika,
¢ mocą jednostkową prostownika i falownika.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Rys. 7.11/
7.11/17
Sposoby instalowania
prostownika i falownika
w sieci oświetleniowej
podwyższonej
częstotliwości
Właściwości i dobór parametrów
podwyższonej częstotliwości
sieci
oświetleniowej
Przy częstotliwości podwyższonej głębokość przenikania prądu
zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości i przekroju
przewodnika. Oprócz efektu naskórkowości przy umieszczeniu
przewodników w pobliżu siebie obserwuje się zjawisko wypierania
prądu.
prądu.
a)
c)
b)
d)
e)
Rys. 7.11/
7.11/18
Rozkład
prądu
podwyższonej
częstotliwości w
przewodach
o
różnym kształcie
• Rezystancja leżących w pobliżu siebie przewodów okrągłych, z
uwzględnieniem zjawiska naskórkowości i wypierania prądu
przy podwyższonej częstotliwości:
Rf = R ⋅ kd
(7.11 /10)
l
gdzie: R =
– rezystancja przewodu dla prądu stałego
γ ⋅s
kd – współczynnik strat dodatkowych
kd = kz ⋅kf
w którym: kz – współczynnik zbliżenia,
kf – współczynnik naskórkowości
(7.11 /11)
• Obciążalność prądowa przewodów:
I2dd ⋅ R = I′dd2 R f
(7.11 /12)
gdzie: Idd – prąd długotrwale dopuszczalny przy częstotliwości
sieciowej,
I’dd – prąd długotrwale dopuszczalny przy częstotliwości
podwyższonej,
Rf – rezystancja przewodnika dla częstotliwości f
Biorą
Biorąc pod uwagę
uwagę zależ
zależnoś
ności (7.11/
(7.11/10) i ( 7.11/
7.11/12) otrzymuje
się wyrażenie:
I′dd = Idd
1
kd
(7.11 /13)
• Głębokość przenikania:
ρ
Δ = 5030
f
(7.11 /14)
gdzie: ρ – rezystywność
rezystywność przewodnika w Ω·cm
• Spadek napięcia w przewodach sieci o podwyższonej
częstotliwości:
δU = I ⋅ cosϕ ⋅ R f + Isinϕ ⋅ X f
(7.11 /15)
KONIEC WYKŁADU