УДК 621.327

Компьютерное моделирование разрядной лампы

Кабышев Александр Михайлович ­– кандидат технических наук, доцент кафедры Промышленной электроники Северо-Кавказского горно-металлургического института (Государственного технологического университета).

Кайа Екатерина Исмаиловна – магистрант кафедры Промышленной электроники Северо-Кавказского горно-металлургического института (Государственного технологического университета).

Аннотация: В статье выполнено исследование электромагнитных процессов, протекающих в разрядных лампах низкого давления. Разработана электрическая эквивалентная схема и выполнено компьютерное моделирование процессов, протекающих в разрядной лампе. Получены временные диаграммы токов и напряжений разрядной лампы. Рассмотрена работа разрядной лампы совместно с пускорегулирующей аппаратурой.

Ключевые слова: разрядная лампа, эквивалентная схема, компьютерное моделирование, осциллограммы, временные диаграммы, разряд, ток, напряжение, пускорегулирующая аппаратура.

Разрядные источники оптического излучения отличаются большим разнообразием конструктивного исполнения и характеристик, находят применение в осветительных и технологических установках, работающих не только в видимом, но также в инфракрасном и ультрафиолетовом спектрах [1,2,3].

В настоящее время ведутся работы в направлении оптимизации схемотехнических решений, улучшения эксплуатационных характеристик, разрядных ламп и пускорегулирующей аппаратуры [4,5,6].

Разработка пускорегулирующей аппаратуры и оптимизация ее энергетических и эксплуатационных характеристик невозможна без учета особенностей электромагнитных процессов, протекающих в разрядных источниках оптического излучения.

Целью данной работы является разработка, на примере люминесцентной лампы OSRAM L36W/765, электрической схемы замещения, позволяющей анализировать электромагнитные процессы, протекающие в осветительных установках.

Для исследования электромагнитных процессов, протекающих в разрядной лампе, использовалась, показанная на рисунке 1, классическая схема пускорегулирующей аппаратуры (ПРА).

рис

Рисунок 1. Схема разрядной лампы с ПРА.

На рисунке приняты обозначения: S - стартер, РЛ – разрядная лампа, L – балластный дроссель; Iл – ток лампы; Uл – напряжение, приложенное к электродам лампы; Uc – напряжение сети электропитания.

Величина индуктивности дросселя L, ограничивает величину тока лампы Iл и обеспечивает его непрерывность.

 При замыкании контактов стартера S через нити накала электродов лампы протекает ток, происходит нагрев электродов и эмиссия электронов. При размыкании контактов S, к электродам лампы прикладывается напряжение Uл и в лампе инициируется разряд.

На рисунке 2 показаны осциллограммы напряжений Uc, Uл, приложенных к элементам схемы (а) и осциллограмма тока Iл (б), протекающего через люминесцентную лампу (рисунок 1).

image002

а)

image003

б)

Рисунок 2. Осциллограммы напряжений (а) и тока (б).

Из осциллограмм видно, что через лампу протекает непрерывный ток Iл, что обеспечивает устойчивое горение разряда, ток имеет индуктивный характер, так как отстает по фазе от напряжения питающей сети Uc.

Анализируя форму осциллограмм напряжения Uл и тока Iл можно синтезировать электрическую схему замещения разрядной лампы [7].

На рисунке 3 показана, адаптированная для компьютерного моделирования в среде программного продукта Orcad, схема подключения разрядной лампы к питающей сети.

рис

Рисунок 3. Схема компьютерной модели.

Сеть электропитания, на схеме рисунка 3, представлена в виде источника переменного напряжения Uc синусоидальной формы. Индуктивность L1 выполняет функции балластного дросселя. Величина резистора R1 учитывает сопротивление соединительных проводов и активное сопротивление обмотки дросселя.

Схема замещения разрядной лампы выполнена на основе тиристора VD3, включенного в диагональ диодного моста (VD1, VD2, VD5, VD6), это позволяет учесть двухстороннюю проводимость лампы. Элементы U1, VD4 и R3 задают величину напряжения включения тиристора VD3 и позволяют моделировать процессы изменения напряжения Uл в моменты перехода тока Iл лампы через ноль (рисунок 2). Элементы схемы С2, R2, R4, L2 и U2 служат для имитации процессов, протекающих на горизонтальном участке осциллограммы напряжения Uл (рисунок 2). Конденсатор С1 учитывает величину электрической емкости между электродами лампы.

Результаты компьютерного моделирования представлены на рисунке 4 и  рисунке 5.

рис

Рисунок 4. Временные диаграммы напряжений.

рис

Рисунок 5. Временная диаграмма тока лампы.

На рисунке 4 показаны временные диаграммы напряжения питающей сети Uc и напряжения на электродах разрядной лампы Uл.

На рисунке 5 показана временная диаграмма тока Iл, потребляемого из питающей сети и протекающего через лампу.

Сравнение формы временных диаграм с осциллограммами, показанными на рисунке 2, позволяет говорить об идентичности электромагнитных процессов, протекающих в компьютерной модели (рисунок 3) и в исследуемом объекте (рисунок 1).

Из временных диаграмм и из осциллограмм видно, что потребляемый из сети ток Iл отстает от напряжения сети Uc на величину угла φ=68 эл.град., т.е. из питающей сети схема потребляет реактивную мощность и оказывает негативное влияние на сеть, которое учитывается коэффициентом мощности: image007

где Ки – коэффициент искажения формы, потребляемого из сети тока. Если сделать допущение и считать ток синусоидальным (рисунок 5), т.е Ки=1, то получим маленькое значение коэффициента мощности:

 image008

Это является основным недостатком рассмотренной схемы.

Для повышения коэффициента мощности применяют емкостные компенсаторы реактивной мощности. На рисунке 6 показана модель исследуемой схемы, в которой для компенсации реактивной мощности используется конденсатор Ck.

рис

Рисунок 6. Модель схемы с компенсатором реактивной мощности.

На рисунке 7 показана временная диаграмма, потребляемого из сети тока Ic.

рис

Рисунок 7. Временная диаграмма тока, потребляемого из сети.

Из временной диаграммы видно, что отсутствует фазовый сдвиг между напряжение и током, потребляемым из сети (φ=0). Однако, применение компенсатора реактивной мощности приводит к искажению формы тока Ic, появляются высшие гармонические составляющие.

На рисунке 8 показан гармонический состав тока Ic, показана зависимость амплитуды Im гармонических составляющих тока Ic от номера гармоники k.

рис

Рисунок 8. Гармонический состав, потребляемого из сети тока.

Основное влияние на форму тока оказывают гармонические составляющие с номерами: 1, 3, 5, 7. Учитывая их амплитуды можно определить величину действующего значения тока:

image012

Действующее значение первой гармоники тока равно:

image013

Можно определить коэффициент искажения потребляемого из сети тока:

image014

Тогда, коэффициент мощности схемы с емкостным компенсатором будет равен:

image015

Таким образом, применение емкостного компенсатора позволяет значительно повысить коэффициент мощности установки, в состав которой входит схема имитирующая разрядную лампу.

Полученные в работе результаты могут найти применение при разработке пускорегулирующей аппаратуры для технологических установок оптического излучения.

Список литературы

  1. А.М. Бойченко, М.И. Ломаев, А.Н. Панченко, Э.А. Соснин, В.Ф. Тарасенко. Ультрафиолетовые и вакуумно-ультрафиолетовые эксилампы: физика, техника и применение. – Томск: STT, 2011. – 512 с.
  2. Краснопольский А.Е., Соколов В.Б., Троицкий А.М. Пускорегулирующие аппараты для разрядных ламп. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 208 с.
  3. Энергосбережение в освещении / Под ред. проф. Ю.Б. Айзенберга. – М.: Издательство «Знак», 1999. – 264 с.
  4. Вставский А.Ю., Вставская Е.В., Константинов В.И., Хатеева В.В. // Улучшение характеристик электронного балласта для газоразрядных ламп с частотным управлением мощностью. Вестник ЮУрГУ, 2010. № 22. – С.66-69.
  5. Левченко В.А., Васильев А.И., Василяк Л.М., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н. // Увеличение физического срока службы мощных газоразрядных ламп низкого давления. Прикладная физика, 2015. № 5. – С. 90-94.
  6. Мальков М.А. // Серная лампа. Современная светотехника, 2011. № 3. – С.69-72.
  7. Гуриев И.И., Кабышев А.М., Кольвах В.Ф. / Разработка эквивалентной схемы и компьютерное моделирование разрядной лампы. Развитие научных направлений в современных условиях: сборник материалов международной научно-практической конференции (г. Москва, 6 декабря 2017г.) в 2 частях. Ч. 2. – Иркутск: «Научное партнерство «Апекс», 2017. – С.15-19.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail