Przedmiot: SIECI I INSTALACJE OŚWIETLENIOWE ZASILANIE LAMP FLUORESCENCYJNYCH PRĄDEM O PODWYŻSZONEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

Transkrypt

1 Przedmiot: SIECI I INSTALACJE OŚWIETLENIOWE ZASILANIE LAMP FLUORESCENCYJNYCH PRĄDEM O PODWYŻSZONEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

2 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 naukowo-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.

3 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: skraca się stadium dejonizacji plazmy wyładowania, zwiększa się: średnia wartość temperatury elektronowej, gęstość elektronów, gradient potencjału, zmniejszają się modulacje wszystkich charakterystyk wyładowania (zwłaszcza powyżej 1 khz), gęstość plazmy i przewodność wyładowania dążąd do wartości stałej przez cały y cykl zmian prądu.

4 Wyładowanie zmienia swój charakter w zależności od częstotliwości częstotliwość sieciowa 50 Hz od 1kHz do 100 khz powyżej 100 khz ok. 4 MHz charakter wyładowania lekko indukcyjny rezystancyjny lekko pojemnościowy rezystancyjny

5 Rys. 7.11/1 Charakterystyka dynamiczna świetlówki LF 40W stabilizowanej indukcyjnie dla wybranych częstotliwości prądu

6 Rys. 7.11/1 Charakterystyka dynamiczna świetlówki LF 40W stabilizowanej indukcyjnie dla wybranych częstotliwości prądu

7 Rys. 7.11/2 Przebiegi czasowe prądu i napięcia świetlówki LF 40W stabilizowanej indukcyjnie dla wybranych częstotliwości prądu

8 Rys. 7.11/2 Przebiegi czasowe prądu i napięcia świetlówki LF 40W stabilizowanej indukcyjnie dla wybranych częstotliwości prądu

9 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. 7.11/3 Zależność luminancji energetycznej wyładowania niskiego ciśnienia Hg-Ar linii widmowych: 546,1mm (1), 253,7nm (2), 404,7nm (3), 435,8nm (4) i 579nm (5)

10 Zależność strat przyelektrodowych od rodzaju stabilizacji Rys. 7.11/4 Zależność strat elektrodowych wyładowania niskiego ciśnienia Hg-Ar w funkcji częstotliwości prądu przy mocy kolumny dodatniej 1 W/cmW

11 Przykładowe wyniki zmian parametrów lampy LF 40W w funkcji częstotliwości prądu Rys. 7.11/5a Zmiany charakterystyk świetlówki LF 40W w funkcji częstotliwości prądu przy I=const const.

12 Przykładowe wyniki zmian parametrów lampy LF 40W w funkcji częstotliwości prądu Rys. 7.11/5b Zmiany charakterystyk świetlówki LF 40W w funkcji częstotliwości prądu przy I=const const.

13 Przykładowe wyniki zmian parametrów lampy LF 40W w funkcji częstotliwości prądu Rys. 7.11/6a Zmiany charakterystyk świetlówki LF 40W w funkcji częstotliwości prądu przy P=const const.

14 Przykładowe wyniki zmian parametrów lampy LF 40W w funkcji częstotliwości prądu Rys. 7.11/6b Zmiany charakterystyk świetlówki LF 40W w funkcji częstotliwości prądu przy P=const const.

15 Przykładowe wyniki zmian parametrów lampy LF 40W w funkcji częstotliwości prądu Rys. 7.11/7a 7a Zmiana strumienia świetlnego świetlówki LF 40W w funkcji częstotliwości prądu dla różnych barw świecenia, 1 ciepłobiała, 2 biała, 3 chłodnobiała,, 4 dzienna

16 Przykładowe wyniki zmian parametrów lampy LF 40W w funkcji częstotliwości prądu Rys. 7.11/7b 7b Zmiana strumienia świetlnego świetlówki LF 40W w funkcji częstotliwości prądu dla różnych barw świecenia, 1 ciepłobiała, 2 biała, 3 chłodnobiała,, 4 dzienna

17 Ważnym aspektem zasilania świetlówek prądem o podwyższonej częstotliwości jest: c zmniejszenie zniekształcenia prądu na lampie, c zmniejszenie zniekształcenia napięcia na lampie w takim stopniu, że e powyżej pewnej częstotliwo stotliwości (kilka khz) świetlówki wki nie zniekształcaj cają pobieranego z sieci prądu i mogą być traktowane jak odbiorniki liniowe.

18 Rys. 7.11/8 Zmiany współczynnika zawartości wyższych harmonicznych prądu (THD i ) i napięcia na lampie (THD( u ) w funkcji częstotliwości prądu dla świetlówki LF 40W

19 Ze wzrostem częstotliwości prądu zmienia się współczynnik tętnienia strumienia świetlnego,, przy czym wykazuje on tendencje malejącą dopiero powyżej 1 khz. Pozytywnymi aspektami tego są: c poprawa warunków w spostrzegania, c zmniejszenie zmęczenia wzroku, c możliwo liwość wzrostu wydajności pracy.

20 Rys. 7.11/9a Zmiany współczynnika tętnienia strumienia świetlnego świetlówki LF 40W w funkcji częstotliwości dla różnych barw świecenia, 1 ciepłobiała, 2 biała, 3 chłodnobiała,, 4 dzienna

21 Rys. 7.11/9b Zmiany współczynnika tętnienia strumienia świetlnego świetlówki LF 40W w funkcji częstotliwości dla różnych barw świecenia, 1 ciepłobiała, 2 biała, 3 chłodnobiała,, 4 dzienna

22 Przy podwyższonych częstotliwościach warunki pracy elektrod lamp są łagodniejsze, należy więc oczekiwać zwiększenia trwałości lamp. Rys. 7.11/10 10 Spadek strumienia świetlnego świetlówki LF 40W w czasie eksploatacji dla 50 Hz i 800 Hz Z badań eksperymentalnych wynika, że w warunkach bezprzerwowego palenia się dla f=800hz trwałość lamp zwiększa się o 20-25% 25%

23 Charakterystyki zapłonu lamp o różnych wykonaniach Rys. 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

24 Zalety wynikające ze stosowania prądu o podwyższonej częstotliwości do zasilania świetlówek: zmniejszenie gabarytów i ciężaru stateczników, możliwość zastosowania kondensatorów w charakterze stateczników, wzrost strumienia świetlnego i skuteczności ci świetlnej lamp, zmniejszenie strat mocy w statecznikach, wyeliminowanie zapłonnika termicznego, zmniejszenie spadku strumienia świetlnego lamp w funkcji czasu, sinusoidalny kształt t prądu w sieci zasilającej, zmniejszenie pulsowania strumienia świetlnego.

25 Wady wynikające ze stosowania prądu o podwyższonej częstotliwości do zasilania świetlówek: Q konieczność zasilania sieci oświetleniowej lub pojedynczych lamp ze specjalnych przekształtników, Q konieczność stosowania w statecznikach specjalnych materiałów magnetycznych a także kondensatorów o wysokiej jakości, Q możliwo liwość wystąpienia zimnych zapłon onów w lamp, Q w przypadku grupowego zasilania lamp konieczność uwzględnienia efektu naskórkowo rkowości i zbliżenia przekroju przewodów. w.

26 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: skróceniem czasu stykowego i niemożliwością otrzymania odpowiedniego co do wielkości impulsu przepięciowego na lampie. W takich przypadkach zapłon lampy może nastąpić: w układach bezzapłonnikowych za pośrednictwem zapłonnika elektronicznego.

27 Spośród układów zapłonowo-stabilizujących podwyższonej częstotliwości szerokie zastosowanie w zagranicznych instalacjach oświetleniowych znalazły układy rezonansowe. a) b) c) Rys. 7.11/12 12 Przykłady układów rezonansowych: a) układ opóźniający, b) układ wyprzedzający, c) układ z transformatorem żarzenia

28 Analiza pracy obwodu lampy fluorescencyjnej w warunkach roboczych PRZEDMIOT ANALIZY: obwód lampy fluorescencyjnej pracującej w rezonansowym układzie zapłonowo-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 na prostoliniowej części charakterystyki magnesowania, 8 lampa fluorescencyjna jest odbiorem czysto rezystancyjnym.

29 Schemat zastępczy obwodu świetlówki z rezonansowym układem zapłonowym uwzględniający przyjęte założenia: Równania Kirchhoffa dla obwodu z rys. 7.11/13 13 U = ±jx sz I+U 1 (7.11/1) 1) U 1 = ±jx r I r (7.11 /2) I=I 1 +I r (7.11 /3) Rys. 7.11/13 13 Schemat zastępczy obwodu świetlówki z rezonansowym układem zapłonowym w warunkach roboczych

30 Po przekształceniach wcześniejszego układu równań dla zadanych skutecznych wartości U, I, U 1 1 otrzymamy zależność: X sz = U 1 X r U 1 ± U U 1 I 2 1 I 2 r X 2 r X ( U /U ) 2 r + U U 2 1 (7.11/4) Powyższe wyrażenie przedstawia charakterystykę układu rezonansowego X sz =f(x r ) odpowiadającą warunkom roboczym lampy. Przy X r X szg U 1 U = (7.11/5) I 1 /U

31 Analiza pracy obwodu lampy fluorescencyjnej w warunkach zapłonowych Zakres dopuszczalnych warunków zapłonowych lamp można przedstawić w postaci prostokąta leżącego nad charakterystyką zapłonową lampy. U z napięcie zapłonu I p prąd podgrzewania elektrod Rys. 7.11/14 14 Charakterystyka zapłonowa lampy fluoroscencyjnej z zaznaczonym obszarem dopuszczalnych warunków zapłonu

32 Schemat zastępczy układu rezonansowego, odpowiadający warunkom zapłonowym lampy i uwzględniający przyjęte założenia upraszczające: Równania Kirchhoffa dla obwodu z rys. 7.11/15 15 U = ±j( j(x sz -X r ) I p (7.11/6) U z = ±jx r I p (7.11 /7) Rys. 7.11/15 15 Schemat zastępczy obwodu świetlówki w warunkach zapłonowych Z powyższych równań po przekształceniach otrzymamy: X X ± sz sz r U I = (7.11 /8) p 1 ± U = Xr U z X (7.11 /9)

33 3. Zasady doboru reaktancji elementów układów rezonansowych Jednoczesne spełnienie wymagań stawianych układom rezonansowym sprowadza się do rozwiązania układu trzech równań (7.11/4), (7.11/8), (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 X sz i równoległego X r, zapewniające określone warunki zapłonu lampy.

34 Rys. 7.11/16 16 Charakterystyki X sz =f(x r ) układu rezonansowego lampy fluorescencyjnej LF 40W przy założonych warunkach świecenia i zapłonu

35 Tabela 7.11/1. 1. Wartości reaktancji elementów układu rezonansowego świetlówek LF40W dla różnych napięć zasilających U przy częstotliwości prądu f =10kHz U [V] Element szeregowy X sz [Ω] L [mh] 4,8 5,3 5,5 6,2 6,4 6,8 7,2 7,7 8,0 C [nf] X r [Ω] Element równoległy L [mh] 9,2-11,9 9,5-12,4 10,3-12,7 12,7 11,1-13,1 13,1 11,5-13,5 13,5 12,0-14,0 14,0 13,1-14,3 14,3 13,7-14,6 14,6 14,6-15,1 15,1 C [nf] 21,2-27,4 27,4 20,7-26,5 26,5 19,9-24,5 19,4-22,7 18,7-22,1 18,1-19,9 19,9 17,1-19,4 19,4 17,3-18,5 18,5 16,8-17,7 17,7

36 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.

37 a) b) c) d) e) f) Rys. 7.11/17 17 Sposoby instalowania prostownika i falownika w sieci oświetleniowej podwyższonej częstotliwości

38 Właściwości i dobór parametrów sieci oświetleniowej podwyższonej częstotliwości 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. a) b) c) d) e) Rys. 7.11/18 18 Rozkład prądu podwyższonej częstotliwości w przewodach o różnym kształcie

39 Rezystancja leżących w pobliżu siebie przewodów okrągłych, z uwzględnieniem zjawiska naskórkowości i wypierania prądu przy podwyższonej częstotliwości: R = R f k d (7.11 /10) gdzie: l R = rezystancja przewodu dla prądu stałego γ s k d współczynnik strat dodatkowych k d = k z k w którym: k z współczynnik zbliżenia, k f współczynnik naskórkowości f (7.11 /11)

40 Obciążalność prądowa przewodów: I R = I 2 dd 2 dd R f (7.11 /12) gdzie: I dd prąd długotrwale dopuszczalny przy częstotliwości sieciowej, I dd prąd długotrwale dopuszczalny przy częstotliwości podwyższonej, R f rezystancja przewodnika dla częstotliwości f Biorąc c pod uwagę zależno ności (7.11/10) 10) i ( 7.11/12) 12) otrzymuje się wyrażenie: 1 dd dd (7.11 k d I = I (7.11 /13)

41 Głębokość przenikania: ρ Δ = 5030 f gdzie: ρ rezystywność przewodnika w Ω cm (7.11 /14) Spadek napięcia w przewodach sieci o podwyższonej częstotliwości: δu = I cosϕ R + Isinϕ (7.11 f X f (7.11 /15)

42 KONIEC WYKŁADU