Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ объекта исследования и постановка задачи 9
1.1 Основные понятия и определения 11
1.2 Анализ физических процессов в люминесцентных лампах 13
1.2.1 Газовый разряд в люминесцентной лампе 13
1.2.2 Процессы на электродах и в приэлектродных областях люминесцентных ламп 17
1.2.3 Процессы преобразования энергии в люминофорах люминесцентных ламп 18
1.2.4 Энергетические характеристики люминесцентных ламп 20
1.3 Обзор пускорегулирующих аппаратов для люминесцентных ламп 22
1.3.1 Высокочастотные пускорегулирующие аппараты для люминесцентных ламп 22
1.3.2 Микросхемы активных схем коррекции коэффициента мощности 24
1.3.3 Микросхемы двухтактных генераторов 26
1.3.4 Характеристики регулируемых высокочастотных пускорегулирующих аппаратов 30
1.4 Постановка и формализация задачи исследования высокочастотного электронного пускорегулирующего аппарата для компактных люминесцентных ламп 31
1.4.1 Анализ требований к пускорегулирующему аппарату 31
1.4.2 Формализация объекта управления и задачи исследования 32
Выводы 38
2 Выбор методики исследования характеристик компактных люминесцентных ламп и построение модели для оптимизации 39
2,1 Выбор методики исследования характеристик компактной люминесцентной лампы для оптимизации 39
2.1.1 Анализ полезного срока службы 40
2.2 Исследование характеристик компактных люминесцентных ламп 43
2.3 Обзор и анализ существующих моделей люминесцентных ламп 49
2.3.1 Физические модели 49
2.3.2 Алгебраические аппроксимации ВАХ ламп 50
2.3.3 Дифференциальные аппроксимации ВАХ ламп 51
2.3.4 Анализ моделей люминесцентной лампы 52
2.4 Формирование модели компактной люминесцентной лампы для оптимизации 54
Выводы 66
3 Оптимизация законов регулирования для полученной модели люминесцентной лампы 67
3.1 Выбор критерия оптимизации 67
3.2 Исследование ограничений задачи оптимизации 68
3.3 Решение задачи оптимизации 69
3.4 Анализ результатов решения 77
Выводы 81
4 Разработка устройства управления для высокочастотного пускорегулирующего аппарата для компактной люминесцентной лампы 82
4.1 Анализ требований к устройству управления
высокочастотным пускорегулирующим аппаратом 82
4.2 Синтез устройства управления 83
4.2.1 Управление инвертирующим активным корректором коэффициента мощности 84
4.2.2 Высокочастотный генератор 92
4.3 Отладка устройства управления 100
ВЫВОДЫ 101
5 Технико-экономическое обоснование выбора варианта оборудования освещения животноводческих помещений 102
5.1 Методика определения экономической эффективности 104
5.2 Расчет экономической эффективности 108
5.3 Анализ результатов расчета 112
5.4 Разработка технического задания на высокочастотный пускорегулирующий аппарат для компактной
люминесцентной лампы 113
Выводы 114
Заключение 115
Литература
- Газовый разряд в люминесцентной лампе
- Исследование характеристик компактных люминесцентных ламп
- Исследование ограничений задачи оптимизации
- Управление инвертирующим активным корректором коэффициента мощности
Введение к работе
Актуальность работы.
Существующие на сегодняшний день сельские электрические сети не удовлетворяют требованиям качества электроэнергии в связи с ростом электропотребления и плохим состоянием сельских электрических сетей. Питаемые таким напряжением источники света либо не обеспечивают требуемой нормируемой освещенности (источники света с лампами накаливания), либо вообще не зажигаются при значительном снижении напряжения питания (газоразрядные источники света). Это особенно проявляется для мелких автономных объектов: жилища чабанов, отдельные жилые дома или группы из двух-трех домов, в которых проживает персонал, обслуживающий отдаленные животноводческие фермы, бригадные полевые станы и дома бригад, передвижные домики для рабочих. Обычно электропитание таких объектов производится от малоэкономичных автономных бензиновых и дизельных электростанций малой мощности, имеющие нестабильное выходное напряжение. Кроме того, существует необходимость обеспечения птицеводческих и животноводческих комплексов наиболее экономичными источниками света.
Способом экономии электроэнергии в сельском хозяйстве является организация управления освещением и его автоматизация для высокоэкономичных источников света со стабилизацией статического режима их работы. Экономичными источниками света являются газоразрядные лампы, в частности, трубчатые люминесцентные лампы (ЛЛ). Они находят широкое применение для освещения:
жилых домов для персонала и административных зданий;
производственно-технологических помещений.
Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) - это новый класс высокоэффективных источников света массового применения. Они находят применение в тех же областях, что и трубчатые люминесцентные лампы. Главными особенностями применения таких ламп являются повышенная световая отдача (до 90...ПО лм/Вт) за счет использования редкоземельных люминофоров, а также малые габариты и вес.
Для зажигания и ограничения тока ЛЛ необходим пускорегулирующий аппарат (ПРА). Источник света является совокупностью применяемых типов КЛЛ и ПРА (или комплектом КЛЛ-ПРА). Законы регулирования используемого ПРА определяют эффективность каждого конкретного источника света с КЛЛ.
В соответствии с директивой ЕС № 2000/5 5/EG, начиная с 2000 г. источники света (ИС), предназначенные в основном для применения в помещениях жилых зданий, мощностью более 4 Вт и со световым потоком не выше 6500 лм
должны иметь на упаковке обозначение одного из четырех классов энергоэкономичности (КЭ), Характеристикой класса КЭ является диапазон величины световой отдачи ламп (г|, лм/Вт). На этикетке специальной стандартизированной формы, отпечатанной на упаковке, стрелка указывает тот тип КЭ, к которому относится данный тип ИС.
Для пускорегулирующих аппаратов ЛЛ утверждены следующие КЭ:
класс А (трубчатые ЛЛ с повышенной л > 90 лм/Вт, КЛЛ со встроенным электронным ПРА и цоколем Е27);
класс В (КЛЛ с ч < 60 лм/Вт);
класс С (ЛЛ со стандартными типами электромагнитных ПРА);
4) класс D (ЛЛ с электромагнитными ПРА с максимальными потерями).
Той же директивой, с целью вытеснения с рынка ЕС низкоэффективных
электромагнитных ПРА и ускорения широкого внедрения электронных ПРА, предписан запрет на продажу и применение;
с 21 мая 2002 г. - ПРА класса D;
с 21 ноября 2005 г. - ПРА класса С.
В России в основном эксплуатируются и производятся ПРА класса D. Следовательно, для производства конкурентоспособной продукции на мировом рынке нужно освоить производство электронных ПРА для КЭ А и В.
Наиболее перспективны электронные ПРА КЭ А, поскольку только электронный ПРА позволит использовать все технические преимущества нового класса люминесцентных ламп. Большинство российских ПРА построено на основе зарубежной электроники. Немногие ПРА российского производства построены на основе отечественной электроники. Однако эти ПРА не являются высококачественными, так как их схемотехника максимально упрощена и удешевлена за счет снижения эксплуатационного срока службы ЛЛ. Такая ситуация сложилась в связи с тем, что российские разработчики учитывают низкий российский уровень цен на электроэнергию (относительно мировых цен). Цены на электроэнергию в свою очередь определяют срок окупаемости и максимальную стоимость комплектующих для ПРА. Ситуация осложняется тем, что цены на КЛЛ значительно выше цен на трубчатые ЛЛ. Поэтому для эффективного применения высокоэкономичных КЛЛ для класса энергоэкономичности А в условиях России необходима разработка новейших электронных ПРА для КЛЛ на уровне мировых стандартов. Вместе с тем электронный ПРА для КЛЛ должен быть экономически выгодным в сферах его производства и потребления. Экономически выгодный в условиях России ПРА будет автоматически более выгодным в странах с более высоким уровнем цен на электроэнергию.
Одним из выходов из сложившейся ситуации является разработка и применение новых законов регулирования КЛЛ, позволяющих удешевить схемотехнические решения новейших электронных ПРА при увеличении функцио-
нальных. возможностей и улучшении технических характеристик комплекта ПРА-люминесцентная лампа.
В связи с вышеизложенным целью настоящей работы является создание энергоэффективных законов регулирования компактными люминесцентными лампами и схем управления электронными пускорегулирующими аппаратами, улучшающих технико-экономические показатели люминесцентных источников света до классов энергоэкономичности А и В.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи исследований:
Проанализировать существующие математические модели и разработать модель КЛЛ, позволяющую учитывать её основные эксплуатационные параметры и решать задачу их оптимизации в составе комплекта ПРА - КЛЛ.
Сформулировать математически задачу оптимизации комплекта ПРА -КЛЛ, включая: разработку математической модели объекта оптимизации, обоснование критерия и выбор метода оптимизации, формирование ограничений на управляющие воздействия.
Синтезировать оптимальные законы регулирования КЛЛ.
4.Синтезировать схему управления электронным балластом, основанную на новых эффективных законах регулирования.
5. Исследовать экспериментально разработанные схемы управления.
Методы исследования
Для представления модели объекта исследования и его оптимизации использовались методы теоретической кибернетики, методы оптимизации, основанные на последовательном анализе вариантов.
Оценка эффективности разработанных алгоритмов осуществлялась методами имитационного и статистического моделирования.
При разработке специального программного обеспечения использовались принципы структурного программирования.
Научную новизну работы составляют:
Математическая модель компактной люминесцентной лампы, основанная на дифференциальной аппроксимации вольт-амперных характеристик, учитывающая её основные эксплуатационные параметры и позволяющая решать задачу их оптимизации в составе комплекта ПРА - КЛЛ.
Математическая формулировка и решение задачи оптимизации комплекта ПРА - КЛЛ по критерию максимальной световой отдачи, позволяющие синтезировать энергоэффективные законы регулирования.
Энергоэффективные законы регулирования ПРА для КЛЛ.
Схема и алгоритм управления инвертирующим активным корректором коэффициента мощности схемы ПРА-КЛЛ.
Практическую ценность работы составляет:
Методика анализа полезного срока службы КЛЛ, позволяющая провести кратковременное сравнительное экспериментальное исследование различных типов ПРА по продолжительности срока службы люминесцентной лампы при работе в комплекте с данным ПРА.
Схема экспериментального стенда, позволяющего идентифицировать значения параметров математической модели КЛЛ и определить значение полезного срока службы лампы по соответствующей методике.
Методика расчета статического режима АККМ, позволяющая выбрать номиналы элементов для корректора коэффициента мощности на требуемую нагрузку.
Разработанная схема электронного ПРА для КЛЛ 36 Вт класса энергоэкономичности А, предназначенная для бытового и производственного освещения в сельском хозяйстве.
Материалы работы использованы в техническом задании на высокочастотный ПРА для компактных люминесцентных ламп (ВЧ ПРА КЛЛ). Основное содержание работы.
Во введении сформулирована цель и основные задачи исследования, изложены основные положения разделов работы.
В первой главе рассматривается современное состояние работ по существующим ПРА и обсуждаются некоторые общие аспекты разработки пускоре-гулирующих аппаратов для ЛЛ: понятие ПРА и цели его разработки, основные понятия и определения в области ПРА для ЛЛ, физические процессы в ЛЛ, обзор существующих ПРА, анализ и формализация задачи, а также другие общие вопросы, касающиеся разработки ВЧ ПРА для ЛЛ.
Во второй главе рассматриваются существующие модели ЛЛ, рассматривается методика исследования для построения модели КЛЛ для оптимизации, проводятся экспериментальные исследования КЛЛ и осуществляется идентификация уравнений требуемой модели КЛЛ.
В третьей главе выбирается критерий оптимизации, исследуются ограничения задачи оптимизации, решается задача оптимизации и анализируются результаты решения.
В четвертой главе анализируются требования к устройству управления ПРА, производится синтез и отладка устройства управления.
В пятой главе проводятся расчеты экономической эффективности варианта осветительной установки с разработанными ВЧ ПРА с КЛЛ вместо варианта использования электромагнитных ПРА с трубчатыми ЛЛ. Также приводится разработка технического задания на энергоэкономичный ВЧ ПРА для КЛЛ.
Газовый разряд в люминесцентной лампе
На основе анализа данных из источников /12, 51 составлена схема процессов преобразования энергии в люминесцентной лампе и ее конструктивного состава (рисунок 1.2).
В приведенной схеме самый нижний ряд - уровень физических взаимодействий, выше - уровень физических процессов, далее идет уровень конструктивного состава лампы. Эта схема указывает, какой физический процесс реализуется на конкретном конструктивном элементе лампы.
Рассмотрим возможные типы электрического разряда в люминесцентной лампе. Газовый разряд делится на: 1) самостоятельный, который после возникновения существует, пока на разрядный промежуток подается рабочее напряжение; 2) несамостоятельный, который протекает до тех пор, пока действуют внешние факторы (например, ионизирующее излучение).
Различают следующие виды самостоятельного разряда: тихий (горизонтальная полка на рисунке 1.3 в области минимальных токов), нормальный тлеющий, аномальный тлеющий, дуговой (рисунок 1.3).
Тлеющий разряд возникает преимущественно в процессе зажигания лампы и сильно влияет на продолжительность горения лампы в связи с распылением активного материала электродов. Основные характеристики тлеющего разряда: 1) малая плотность тока у катода j=0,1 „ Л О А/м ; 2) высокое катодное падение потенциала UK=50...40O В; 3) . малое давление газа или паров ртути, заполняющих разрядный промежуток (от 1-2 до 5—6-Ю3 Па). В связи с наличием вблизи поверхности электродов лампы объемного заряда, УФ-излучение лампы имеет характерный вид (рисунок 1.4).
Дуговой разряд люминесцентной лампы имеет следующие характеристики (газовый разряд низкого давления): 1) высокая плотность тока на катоде j=l О2.. Л О4 А/м2; 2) малое околокатодное падение потенциала UK=5 ...20В; 3) широкий диапазон давлений (от 0,1 до 25-10 Па) и токов (от долей до единиц ампер).
Дуговой разряд разделяется на приэлектродные области и положительный столб. Столб дугового разряда подобен столбу тлеющего разряда. В люминесцентных лампах используется излучение столба, обладающее значительно более высоким КПД по сравнению с излучением приэлектродных частей газового разряда. Рассмотрим физические процессы, происходящие при газовом разряде в люминесцентной лампе.
Атомы в газе находятся в свободном состоянии из-за незначительности сил взаимодействия. Внутренняя энергия атома квантуется на различные уровни энергии. Нижний уровень энергии - основной, остальные - возбужденные. Атомы могут получить дополнительную энергию от соударений с электронами или атомов между собой. Энергия свободных электронов не квантуется, а представляет собой непрерывный спектр. Если энергии возбуждения недостаточно для отрыва электрона от атома, то электрон переходит на более удаленную от ядра атома орбиту, а затем через некоторое время возвращается к ядру, отдавая с фотон. Возбужденные атомы могут испускать фотон через время порядка 10" с после возбуждения. Существует и особое метастабильное состояние: возбужденный атом отдает энергию другой частице, с которой столкнется, но фотон не излучается (сопровождается изменением внутренней энергии частицы). Время жизни метастабильного состояния составляет порядка 10"3 с (неупругое столкновение второго рода).
В газе из-за внешних природных ионизирующих факторов всегда присутствуют свободные заряженные частицы, которые при воздействии внешнего электрического поля двигаются вдоль силовых линий поля. Скорость заряженных частиц газа зависит от их заряда, массы и напряженности электрического поля. Если заряженная частица на своем пути встретит атом, то возможно изменение скорости атома (упругое соударение) или возбуждение или даже ионизация с отрывом электрона (неупругое соударение). Тип соударения зависит от кинетической энергии частицы и свойств атома. Процесс ионизации при достаточно высокой напряженности электрического поля развивается лавинообразно. Также возможна рекомбинация - захват положительными ионами ближайших электронов с образованием нейтральных атомов и молекул. Часть частиц соударяются с оболочкой, нагревая её. Возможные явления в газе представлены на рисунке 1.5.
Для ЛЛ стадия тлеющего разряда начинается с ионизации газа между стенкой колбы и электродом. Затем ионизируется газ по всей длине трубки, достигая противоположного электрода. Тлеющий разряд существует в значительном интервале (в десятки раз) изменении тока лампы и при значительном падении напряжении на лампе (несколько сотен вольт). При низких давлениях газа в результате большой длины свободного пробега электронов и большой разницы в массах между электронами и атомами температура электронного газа может быть значительна (7000 - 8000 К) при низкой температуре основного газа. При увеличении тока возникает аномальный тлеющий разряд, при этом вся поверхность катода занята разрядом, и рост тока вызывает увеличение плотности тока, что связано с увеличением катодного падения потенциала и напряжения на лампе. При дальнейшем росте тока (и напряжения) возникает дуговой разряд в результате нарастания лавины электронов.
Из вышесказанного следует, что для ограничения вредного влияния тлеющего разряда значение времени зажигания нужно уменьшать, ограничивая при этом амплитуду напряжения зажигания.
Электроды являются важными конструктивными элементами люминесцентных ламп. Лампы имеют два основных электрода - катод и анод. Катод обеспечивает необходимое для поддержания разряда поступление электронов в разрядный промежуток. Анод является приемником электронов, поступающих из разрядного промежутка в цепь.
Явления на катоде и в прикатодных областях разряда в значительной мере определяют форму разряда, его эффективность и срок службы лампы.
Явления на аноде имеют меньшее значение для поддержания разряда, но они важны с точки зрения эффективности и долговечности работы электродов и лампы, т. к/ тепловой режим анода определяет скорость испарения активного материала.. Весь ток на анод переносится электронами, так как анод практически не эмитирует ионов.
В люминесцентных лампах применяются горячие катоды, эмиссия электронов с которых определяется главным образом термоэлектронной эмиссией, увеличенной за счет ускоряющего поля у поверхности электродов. Плотность тока термоэлектронной эмиссии Je (А/мм ) резко возрастает с увеличением температуры поверхности катода Т& (К) и уменьшением работы выхода е ри /6/:
Исследование характеристик компактных люминесцентных ламп
Главной целью создания исследовательского стенда является изучение световых, электрических и эксплуатационных режимов работы люминесцентных ламп (ЛЛ) с целью дальнейшего анализа их характеристик. В связи с тем, что экспериментальные данные стенда должны служить целям оптимизации характеристик люминесцентных ламп при работе в комплекте «лампа-электронный балласт», необходимо выделить величины1 люминесцентной лампы, работающей в подобном комплекте /47/.
Для того чтобы определить, какие величины стенда являются управляемыми по отношению к лампе, а какие - управляющими, что, в конечном счете, и определит необходимые конструктивные решения при создании стенда, нужно проанализировать идеализированную модель люминесцентной лампы на предмет разделения величин этой модели на три группы (рисунок 2.2): 1) управляющие величины; 2) переменные величины; 3) возмущающие величины;
Из вышеприведенных величин могут быть непосредственно измерены и проконтролированы следующие: температура окружающего среды (teo3d, С), напряжение питающей сети (Umm, В), рабочее напряжение на лампе (Ц,, В), рабочий ток лампы (7Л, А), световой поток (Ф, лм), пульсации светового потока (размах А Ф, лм).
В связи с тем, что относительная влажность воздуха (FF, %) имеет существенное влияние лишь на стадии зажигания лампы (за счет образования высокоомного проводящего слоя на поверхности стекла при влажности более 80 %) /5/, то на стадии горения влияние этой величины незначительно (в силу шунтирования высокоомного поверхностного слоя малым сопротивлением лампы в рабочем состоянии), что позволяет использовать прибор невысокой точности (порядка 10 %).
Цвет и спектральный состав света лампы можно оценивать преобладающей спектральной составляющей. Эта величина влияет на правильность цветопередачи и, соответственно, определяет области применения ламп с такими светотехническими величинами. Оценка преобладающей спектральной составляющей приближенно определяется путем разложения света лампы на три цветовые составляющие (красный, зеленый, синий светофильтр).
Срок службы ламп (7 , ч) является статистической величиной, и определить его значение можно лишь при испытаниях серии опытных образцов электронного балласта либо расчетным путем согласно изложенному в разделе 2.2.1, В связи с этим в стенде не предусмотрено канала, отвечающего за измерение этой величины. Определение срока службы осуществляется расчетным путем с использованием канала светового потока.
Такие величины, как тип разряда в лампе, мощность лампы (Рл, Вт), частота тока лампы if, Гц) и световая отдача (//, лм/Вт) могут быть определены расчетным путем на основе рабочего напряжения {иЯі В), тока лампы (/„, А) и светового потока от лампы (Ф, лм). Эти величины также не требуют каналов экспериментального стенда.
В связи с тем, что для оптимизации управления люминесцентной лампой нужно исследовать достаточно сложную модель лампы, то использование в качестве задающего генератора - функционального генератора с обычными сигналами прямоугольной, треугольной и синусоидальной формы заданной частоты является недостаточным. Для исследования такой модели нужен генератор сигналов периодической, но достаточно сложной формы. Подобным! генератором может служить цифро-аналоговый преобразователь в комплекте с соответствующим программным обеспечением. При этом, имея в составе стенда компьютер, можно осуществлять ввод аналоговой экспериментальной информации в компьютер с использованием аналого-цифрового преобразователя. При такой схеме стенда многие величины лампы, в частности, тип разряда в лампе, мощность лампы (Рл, Вт) и световая отдача (у, лм/Вт) получаются после обработки измерительной информации компьютером.
Для минимизации помех на входной и выходной аналоговые сигналы следует осуществлять преобразования (аналого-цифровое и цифро-аналоговое) непосредственно у объекта управления (люминесцентной лампы), а связь с компьютером производить по цифровым линиям. В составе IBM-совместимого ПК имеется стандартный параллельный интерфейс ЕРР, который обеспечивает! достаточную по скорости цифровую связь, при этом компьютер и преобразователи могут быть разнесены на стандартную длину кабеля параллельного интерфейса 1,8 м.
В соответствии с рекомендациями /48/ выберем в качестве выходного сигнала мл, В. В качестве выходного сигнала нельзя выбрать /л, А в связи с тем, что генераторы тока обладают низкой энергоэффективностью и плохими динамическими характеристиками. Действительно, при токах до 0,5 А (лампы до 40 Вт) и диапазоне напряжений от 400 В (минимальное напряжение зажигания) до 50-100 В (рабочее напряжение на стадии горения лампы), і получим в рабочем режиме рассеиваемую стендом мощность равную (400 В-100В) 0І5А=150ВТ. В связи с тем, что выходной сигнал Цраб, В должен иметь диапазон изменения от минус 500 до плюс 500 В, а напряжение на выходе цифро аналогового преобразователя (ЦАП) не превышает нескольких вольт, то нужен промежуточный усилитель мощности. В качестве такового был выбран магнито-электрический преобразователь /49/ (DA1, ТІ) по схеме рисунка 2.3а. Выбор был обусловлен тем, что коэффициент передачи трансформатора за счет обратной связи (обмотки I и II трансформатора ТІ) стабилизируется в некотором диапазоне частот. В результате такой трансформатор можно рассматривать как обыкновенный масштабирующий усилитель. ! Канал іл, А также построен по схеме магнито-электрического преобразователя (тока в напряжение) (DA2, ТА1), сигнал с выхода которого подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) канала. Остальные каналы ввода измерительной информации строятся на основе АЦП и масштабирующего преобразователя соответствующего канала. В качестве датчиков этих каналов выступают: 1) кремниевый фотодиод (канал ввода светового потока; ток фотодиода преобразуется в напряжение); 2) делитель напряжения (канал ввода напряжения питающей сети).
Для измерения возмущающих воздействий используется аспирационный психрометр типа М-34 (измерение относительной влажности воздуха от 10 до 100 % в диапазоне температур от плюс 5 до плюс 40 С; погрешность измерений относительной влажности не более ± 6 %) и сухой метеорологический термометр типа ТМ6, входящий в состав вышеописанного психрометра (диапазон измерения температур от минус 30 до плюс 50 С; цена деления шкалы 0,2 С).
Исследование ограничений задачи оптимизации
Математическая формулировка задачи оптимизации законов регулирования КЛЛ включает в себя несколько обязательных этапов: 1) обоснование критерия оптимизации и его математическая запись; 2) математическая модель объекта оптимизации (лампы); 3) формирование ограничений на возмущающие воздействия, управляющие и управляемые величины; 4) выбор математического аппарата решения задачи оптимизации. ; В связи с тем, что настоящая работа имеет своей целью создание I светильников с КЛЛ классов энергоэкономичности А и В, то ВЧ ПРА для таких ] источников света должны обеспечивать высокую энергоэкономичность ! комплекта ВЧ ПРА - лампа. Энергоэкономичность источника света характеризует такая управляемая величина лампы как ее световая отдача tf, ! лм/Вт (см. рисунок 1.14). При решении задачи оптимизации ее нужно разделить на ряд подзадач: I
1) решение для ВЧ ПРА (максимальная световая отдача при световом потоке лампы не менее нормируемого - оптимальное решение);
2) решение для ВЧ ПРА (максимальная световая отдача при нормируемом значении светового потока лампы - экономичное решение).
Вторая подзадача дает возможность определить максимально достижимую энергоэффективность КЛЛ при номинальном световом потоке, j Это решение позволяет сравнивать разные варианты ПРА, не обеспечивающих : оптимальный закон регулирования КЛЛ, а лишь обеспечивающих значение ; светового потока лампы на уровне номинального (большинство существующих \ ПРА).
Из вышесказанного следует, что значение критерия оптимизации должно быть прямо пропорционально световой отдаче лампы г\, лм/Вт. Вместе с тем ] следует учитывать такую важную величину как полезный срок службы лампы. В связи с монотонностью спада светового потока, который и определяет полезный срок службы, целесообразно критерий оптимизации J задать в виде световой отдачи в момент времени эксплуатации, равный номинальному сроку службы лампы
В этом случае критерий оптимизации согласно (3.1) пропорционален начальной световой отдаче и полезному сроку службы, достигаемым при рассматриваемом законе регулирования КЛЛ. Таким образом, при максимуме критерия оптимизации будет достигнута оптимальная совокупность максимума энергоэффективности лампы (rj (0)) при максимуме полезного срока службы ; лампы. Достижение максимума критерия оптимизации при прочих равных условиях соответствует минимуму расхода электроэнергии на освещение и і минимальному числу замен перегоревших ламп за требуемый: срок ; эксплуатации. То есть максимум предложенного критерия оптимизации при і прочих равных условиях соотвествует минимуму эксплуатационных затрат на ; освещение.
Разрабатываемый ВЧ ПРА не должен ухудшать основные величины используемой люминесцентной лампы (световые, электрические, эксплуатационные) относительно нормируемых значений. Это подразумевает, что ВЧ ПРА должен обеспечивать, как минимум, номинальный световой поток лампы, с тем, чтобы источник света с ВЧ ПРА для КЛЛ допускал прямую j замену устаревших ЭМ ПРА с равным значением номинального светового ! потока люминесцентных ламп. Кроме того, оптимальный закон регулирования . должен обеспечивать значение электрической мощности лампы не больше : номинального значения, что гарантирует отсутствие перегрева колбы лампы, і
Кроме того, ГОСТ Р МЭК 929-98 рекомендует устанавливать рабочие частоты: тока люминесцентных ламп для высокочастотных ПРА в диапазоне 20..50 кГц. Нижний предел обусловлен условием отсутствия слышимого человеком акустического шума от ВЧ ПРА. Верхний предел частоты тока обеспечивает отсутствие значительных радиопомех от ВЧ ПРА. В связи с вышесказанным ; при решении задачи оптимизации для ВЧ ПРА необходимо задать следующие ограничения: 1. Ф Фном. (световой поток не должен быть меньше нормируемого ! светового потока лампы); ; 2r PJS.PJL НОМ. (электрическая мощность лампы не должна превышать ; значение нормируемой мощности лампы); 3. 50000 Гц / 20000 Гц. , Из-за монотонности спада светового потока и изменения электрических: характеристик лампы в процессе эксплуатации, целесообразно задавать ограничения через 100 ч от начала экслуатации (номинальный режим по /55/): 1. Фв(ЮОч) ФЖИ; 2. Ря\Шч) Рлнам ; 3. 50000 Гц / 20000 Гц. При этом Фнам =1 о.е. и Ря. ном =\ о.е. 3.3 Решение задачи оптимизации В качестве объекта для решения задачи оптимизации выбрана КЛЛ 36 Вт (см. главу 5). С учетом выбранного критерия оптимизации и ограничений задачи оптимизации кибернетическую модель задачи оптимизации можно представить в виде, приведенном на рисунке 3.1. Полученная в главе 2 математическая I модель КЛЛ (см. п. 2,4) включает в себя все величины лампы, необходимые для \ решения задачи оптимизации:
Управление инвертирующим активным корректором коэффициента мощности
При создании устройства управления ВЧ ПРА для КЛЛ необходимо выполнить технические требования к вновь создаваемым устройствам и обеспечить выполнение требований стандартов ГОСТ Р МЭК 928-98 и 929-98 к рабочим, аномальным и аварийным режимам. Кроме того, ВЧ ПРА должен удовлетворять общим задачам, возникающим при проектировании нового технического устройства, таким как: 1) малые потери; 2) электромагнитная совместимость с питающей сетью переменного напряжения (высокий коэффициент мощности и минимум высокочастотных гармоник во входном токе устройства); 3) защита от перенапряжений и понижения напряжения в питающей сети. і
В результате анализа вышеперечисленных требований к ВЧ ПРА можно сформулировать следующие требования к создаваемому устройству управления /59,60,61/: 1.. Высокий коэффициент мощности ВЧ ПРА (не менее 0,9) и высокий КПД (не менее 0,9); 2. ] Защита от работы ВЧ ПРА в аномальных режимах питающего напряжения (пониженное напряжение сети, перенапряжение в сети, короткое замыкание внутри ВЧ ПРА); 3. Простота построения схемы и надежность работы; 4. Удовлетворение требований к рабочим характеристикам лампы согласно требований ГОСТ Р МЭК 929-98.
Из вышеперечисленных требований вытекает, что для удовлетворения: требования 3 необходимо применение специализированных ИМС для: управления блоками ВЧ ПРА (см. рисунок 1.10).
Анализ существующих ключевых элементов для применения в ВЧ ПРА выявил технико-экономические преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными на соответствие требованиям 2 и 3. Полевые транзисторы лучше переносят короткие замыкания и не требуют применения схем управления с большим током, за счет чего возможно упрощение их схем управления и повышения надежности /62, 63, 64,65,66, 67/.
Для удешевления ВЧ ПРА при построении целесообразно ориентировать на использование отечественной элементной базы, в том числе аналогов зарубежных микросхем.
В качестве исходных данных при. расчетах элементов принято (см. светотехнический расчет в главе 5): одноламповый ВЧ ПРА для КЛЛ 36 Вт; мощность лампы 36 Вт, напряжение сети 220В -30..+20 %, частота сети 50 Гц.
Для стабилизации режима работы выходного ВЧ генератора при колебаниях напряжения сети (см. рисунок 1.10) требуется импульсный стабилизатор напряжения питания ВЧ генератора в виде активного корректора коэффициента мощности.
Автором был разработан инвертирующий активный корректор коэффициента мощности с более простым законом регулирования, чем типовые активные корректоры (см. п. 4.2.1).
Как было выявлено в 3-й главе, наиболее энергоэффективным законом регулирования для КЛЛ является прямоугольная симметричная форма кривой тока на частоте 50 кГц (с максимальной амплитудой тока лампы не более номинального значения тока лампы). Но выбор такой номинальной частоты не дает запаса в пределах частот, ограниченных ГОСТ Р МЭК 928-98 с учетом разброса параметров частотозадающих элементов, поэтому частота обычно задается в диапазоне 30..40 кГц.
В имеющихся ВЧ ПРА в основном используются; последовательное, параллельное или последовательно-параллельное соединение резонансных элементов (L С), с питанием от полумостового инвертора. Но такая схемотехника дает лишь близкий к треугольной форме ток лампы /68/. Известные схемы получения прямоугольной формы кривой тока лампы в основном построены на основе мостовых инверторов с питанием от импульсных источников тока /69, 70/, что требует большого числа силовых транзисторов и соответствующей схемы их управления, что улучшает использование транзисторов по току и напряжению по сравнению с полумостовой схемой, однако это существенно удорожает реализацию, поэтому такую схемотехнику применяют на более мощных нагрузках, нежели люминесцентные лампы. С учетом перечисленных требований была разработана силовая схема генератора ВЧ для питания КЛЛ (см. п. 4.2.2).
При рассмотрении существующих схем АККМ (см. п. 1.3.3) были выявлены несколько их недостатков и реализуемых ими алгоритмов управления /71,72, 73, 74/: 1) выходное напряжение повышающих схем АККМ не может быть меньше амплитудного значения входного переменного напряжения в силу принципа работы (см. п. 1.3.3); 2) алгоритм управления требует множество датчиков напряжения и тока; 3) структура, алгоритма сложна и требует применения умножения аналоговых сигналов, следовательно, цена ИМС для традиционных АККМ достаточно велика.
В связи с тем, что средний входной ток традиционного АККМ повторяет форму синусоидального входного напряжения без сдвига фазы, то режим заряда конденсатора Сф будет определяться огибающей напряжения сети, а не частотой преобразования АККМ (см. рисунок 1Л2). Поэтому переходные процессы на выходе традиционного АККМ соизмеримы по времени с периодом сетевого напряжения. В связи с вышеприведенными соображениями представляется нецелесообразным применение умножителя напряжения и датчиков выпрямленного напряжения и тока. Основной проблемой, препятствующей простой реализации схемы управления типовыми АККМ является тот факт, что усредненный входной ток на интервале времени, соответствующем малым изменениям напряжения, зависит от величины как входного напряжения, так и выходного напряжения. На рисунке 4.1 представлена упрощенная схема АККМ на интервале времени, равном периоду преобразования, при котором мгновенное значение входного сетевого напряжения практически не меняется.
Проанализируем процессы, происходящие за период преобразования в традиционном АККМ.
Примем, что транзистор и диод являются идеальными ключами, а активное сопротивление дросселя L ничтожно мало. На интервале включенного состояния транзистора t входной ток увеличивается от 0 со скоростью VJL и достигает максимального значения 1тк /75/:
