Содержание к диссертации
Введение
1. Существующие методы и средства контроля параметров светодиодных осветительных приборов 14
1.1. Типы входного контроля и уровень его применения при производстве светодиодных осветительных приборов 14
1.2. Методы и средства контроля параметров светодиодных осветительных приборов на этапе их производства, реализации и эксплуатации 17
1.3. Основные и дополнительные контролируемые параметры светодиодных осветительных приборов 23
1.4. О состоянии комплексного контроля параметров светодиодных осветительных приборов 30
1.5. Уровень применяемого контроля параметров импульсных и емкостных драйверов светодиодных осветительных приборов 32
Выводы по первой главе 36
2. Анализ и контроль качества светодиодных осветительных приборов на основе теоретических и экспериментальных исследований 37
2.1 Обоснование несовершенства методики определения качества светодиодных ламп и светильников на основе разнобалльной шкалы 37
2.2. Определение основных критериальных значений параметров светодиодных осветительных приборов 41
2.3. Применение методики оценки качества светодиодных осветительных приборов на основе критериальных значений их параметров 51
2.4. Оценка качества светодиодных осветительных приборов на основе сравнительного изучения их технической документации 53
2.5. Контроль качества светодиодных осветительных приборов на основе сравнения ряда заявленных и измеренных их параметров 58
2.6. Обоснование целесообразности применения дополнительных параметров для контроля качества светодиодных осветительных приборов 63
2.7. Контроль качества светодиодных осветительных приборов на основе унификации наименований их параметров 66
Выводы по второй главе 76
3. Разработка методик анализа и контроля качества светодиодных осветительных приборов на основе экспериментальных исследований их характеристик 77
3.1. Разработка измерительного комплекса для проведения исследований светодиодных осветительных приборов 77
3.2. Разработка измерительных установок и их метрологическое обеспечение 79
3.2.1. Разработка установки для определения осевой освещенности, угла рассеивания, светового потока и построения кривой силы света светодиодных ламп 79
3.2.2. Разработка термокамер для контроля параметров светодиодных ламп и светильников при повышенных температурах и отклонении напряжения электросети от номинального значения 83
3.2.3. Разработка установки и обоснования контроля коэффициента мощности и его составляющих 87
3.3. Разработка методики определения случайной погрешности измерения параметров светодиодных осветительных приборов 89
3.4. Усовершенствование методики контроля времени стабилизации температуры корпуса светодиодных осветительных приборов 92
3.5. Разработка методики определения спада светового потока светодиодного осветительного прибора и ее метрологическое обеспечение 97
3.6. Контроль температуры корпуса светодиодных ламп и светильников после их включения 105
3.7. Сравнительная оценка коэффициента пульсации светодиодных ламп и светильников мощностью 0,5-170 Вт 111
3.8. Методика контроля коэффициента мощности светодиодных осветительных приборов и его составляющих 113
3.9. Обоснование новых критериальных значений коэффициента мощности светодиодных осветительных приборов для контроля их качества 114
3.10. Разработка светодиодного осветительного прибора с емкостным стабилизатором и методика его контроля 124
3.11. Алгоритм комплексного контроля качества светодиодных осветительных приборов 128
Выводы по третьей главе 130
Заключение 132
Список публикаций автора по теме диссертации 137
Список цитируемой литературы 141
Приложение 1. Наградные дипломы 153
Приложение 2. Справки о внедрении 155
- Методы и средства контроля параметров светодиодных осветительных приборов на этапе их производства, реализации и эксплуатации
- Контроль качества светодиодных осветительных приборов на основе сравнения ряда заявленных и измеренных их параметров
- Усовершенствование методики контроля времени стабилизации температуры корпуса светодиодных осветительных приборов
- Разработка светодиодного осветительного прибора с емкостным стабилизатором и методика его контроля
Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности
В настоящее время с целью обеспечения существенного
энергосбережения, успешного внедрения, реализации большинство
организаций предприятия начинают все шире использовать светодиодные осветительные приборы – светильники, прожекторы и лампы мощностью от 5 до 300 Вт, обладающие высокой энергоэффективностью. Поиск и выбор наиболее энергосберегающих и качественных источников света с большим сроком службы является одной из важных и сложных задач современной светотехники и энергетики.
Светодиодные осветительные приборы, по сравнению с другими
источниками света, также относимыми, согласно постановлениям
Правительства России № 602 и № 898, к энергоэффективным [1], позволяют снизить энергопотребление в несколько раз [2].
Для успешного внедрения, реализации светодиодных осветительных приборов и предотвращения поступления на рынок некачественной продукции необходимы методики и доступные средства ускоренного проведения контроля качества светильников и светодиодов на этапах их разработки, приобретения и последующей эксплуатации [3].
Немалую роль при выборе светодиодных осветительных приборов играет рейтинг их производителей. В последние годы в журналах «Современная светотехника» и «Lumen&ExpertUnion» публикуются рейтинги ряда типов светодиодных светильников и ламп разных фирм. Достоверность этих рейтингов в немалой степени снижается в силу использования разной балльной шкалы, отсутствия достаточного обоснования применяемой методики и ее низкой чувствительности. Все это заметно сказывается на качестве проводимых анализов, достоверности результатов и указывает на необходимость проведения дальнейшей разработки методик контроля качества изделий.
Таким образом, только комплексное решение целого ряда методических, технических и метрологических задач может способствовать разработке и широкому внедрению энергоэффективных и качественных светодиодных осветительных приборов.
Объект исследования – светодиодные осветительные приборы с потребляемой мощностью от 5 до 200 Вт.
Предмет исследования – характеристики светодиодных осветительных приборов и установок.
Цель исследования – разработка метода и установки для комплексного контроля качества светодиодных осветительных приборов (ОП).
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие
задачи:
-
Разработать метод комплексного контроля качества светодиодных осветительных приборов.
-
Разработать измерительную лабораторную установку для оценки основных параметров светодиодных осветительных приборов.
-
Выявить критериальные значения параметров светодиодных ОП, необходимые для проведения экспресс-оценки их качества.
-
Разработать алгоритм комплексного контроля и анализа качества светодиодных осветительных приборов.
Научная новизна характеризуется тем, что были получены следующие результаты.
-
Разработан метод комплексного контроля и анализа качества светодиодных ОП – светодиодных ламп и светильников.
-
Разработаны метод и установка, образующие измерительный лабораторный комплекс, для оценки качества светодиодных ОП на основе исследования их основных и дополнительных параметров: спада освещенности, угла излучения, осевой освещенности, светового потока, кривой силы света, максимальной температуры корпуса, времени температурной стабилизации, коэффициента мощности и его составляющих при отклонении напряжения питания и температуры окружающей среды от номинальных значений.
-
Выявлены и предложены критериальные значения основных и дополнительных параметров ОП. Предложен дополнительный ряд параметров для экспресс-оценки качества светодиодных ОП.
4. Разработано метрологическое обеспечение методик измерения ряда
параметров светодиодных ОП (спада освещенности, угла рассеивания, осевой
освещенности и др.).
Теоретическая значимость
Проведенная работа создает научно-методическую основу обеспечения комплексного анализа качества светодиодных осветительных приборов. Практическая значимость заключается в следующем.
1. Разработанный метод комплексного контроля и анализа качества
светодиодных ОП будет способствовать повышению уровня их контроля в
процессе производства, реализации и эксплуатации.
-
Предложенные методики и измерительный комплекс для оперативного контроля параметров светодиодных ОП в широком диапазоне изменения напряжения питания и температуры окружающей среды могут быть использованы малыми предприятиями-изготовителями, торговыми домами и эксплуатирующими организациями.
-
Результаты диссертационной работы могут использоваться в учебном процессе в вузах при проведении занятий по светотехническим дисциплинам, а также на курсах повышения квалификации.
Результаты работы нашли применение в ООО «ТД «Ферекс» (г. Казань), ООО «Диодные технологии» (г. Казань) и в учебном процессе КГЭУ, о чем имеются соответствующие справки (приведены в приложении диссертации).
Методы исследования
В работе использованы методы: фотометрический, термометрический,
пирометрический, вольтамперный, моделирования, аппроксимации,
экстраполяции характеристик и статистической обработки данных, сравнения с контрольным образцом.
На защиту выносятся
1. Разработанный метод комплексного контроля и анализа качества
светодиодных ОП создает научно-методическую основу для повышения
качества выпускаемых изделий.
2. Созданный измерительный комплекс позволяет получать набор
характеристик параметров светодиодных ОП, необходимых для определения их
качества.
3. Разработанный набор критериальных значений обеспечивает большую
точность и достоверность оценки качества светодиодных осветительных
приборов по сравнению с ГОСТ Р 55705-2013 и ГОСТ Р 54350-2015.
Публикации
Основные положения диссертации получили полное отражение в 27 научных публикациях: 10 статей в журналах, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России (в том числе 4 статьи в журналах, входящих в Перечень ВАК по специальности диссертации), 2 патента на полезную модель, 5 статей в журналах, входящих в базу данных РИНЦ, и 10 публикаций в материалах докладов международных и всероссийских научных конференций.
Список основных публикаций автора приведен в конце автореферата, полный список – в диссертации.
Личный вклад автора
Результаты, представленные в диссертации и отраженные в публикациях,
получены при непосредственном участии соискателя. Разработка методик,
изготовление измерительного комплекса, проведение экспериментальных
исследований, статистическая обработка полученных результатов
осуществлены соискателем самостоятельно. Автор принимал участие в анализе и обсуждении результатов, написании публикаций и представлении докладов на конференциях.
Соответствие диссертации научной специальности
Диссертация соответствует специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» по следующим пунктам Паспорта специальности:
п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»;
п. 3 «Разработка внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами»;
п. 5 «Разработка метрологического обеспечения приборов и средств контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, оптимизация метрологических характеристик приборов.
Достоверность полученных результатов обеспечена проведением
исследований с использованием большого количества ОП,
усовершенствованных и новых методик измерения параметров светодиодных ОП и их метрологическим обеспечением. Полученные данные обработаны и проанализированы с использованием ряда методов математической статистики.
Отдельные результаты разработок легли в основу двух патентов на полезную модель.
Работа характеризуется логичностью построения, аргументированностью основных научных положений и выводов. Результаты работы не противоречат известным положениям науки и опубликованным в научно-технической литературе данным.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных и научно-технических конференциях:
IX, Х, XIII и XIV международных научно-технических конференциях
«Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники,
электротехники и энергетики» (Саранск, МГУ им. Н.П.Огарева, 2011, 2012, 2015, 2017); VIII, IX, Х и XII Международных молодежных научных конференций студентов и аспирантов «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2013-2015, 2017); VI Международной студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный Форум» (Москва, 2014); IX и X Международных научно-технических конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» (Саранск, МГПИ, 2015, 2017).
Материал диссертации доложен на III и IV Всероссийских светотехнических форумах с Международным участием (Саранск, 2015, 2017), в ООО «ТД «Ферекс» (Казань), ООО «Диодные технологии» (Казань), на аспирантско-магистерских семинарах КГЭУ и на расширенных заседаниях кафедры «Промышленная электроника и светотехника» КГЭУ (2015-2017).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, содержащих выводы, заключения, списка публикаций автора и цитируемой литературы и двух приложений. Она изложена на 157 страницах, включает в себя 25 таблиц и 25 рисунков. Библиографический указатель содержит 127 наименований использованной литературы, в том числе 15 зарубежных.
Методы и средства контроля параметров светодиодных осветительных приборов на этапе их производства, реализации и эксплуатации
Все светодиодные производства осуществляет разные виды контроля. Однако результаты контроля, глубины контроля и используемых методик, как правило, остаются конфиденциальными и не находят освещения в литературе.
Из общения с представителями ряда крупных фирм (ООО «Фокус», «ТД Ферекс» и др.) и посещения фирм следует, что специального контроля комплектующих СОП: радиаторов, оптики, термопроводящего клея, светодиодов на соответствие паспортным данным практически не проводится. Осуществляют выборочный контроль отдельных параметров светильников, а сплошной контроль проводится - только на работоспособность светильников при их цикличном включении на протяжении определенного этапа времени в соответствии с нормативным документом.
Это обусловлено тем, что ведущие фирмы Российской Федерации предпочитают сотрудничать с известными мировыми производителями светодиодов (Nichia, Cree, Osram, SeuolSemiconductor) и оптики (Lidel), что позволяет им не проводить входной контроль основных комплектующих: светодиодов (СД), оптики и драйвера.
Производители светодиодных ламп (СДЛ) и светодиодных светильников (СДС) в технических паспортах обычно приводят до 8-12 параметров, перечень которых несколько отличается. Еще 2-3 года тому назад немало известных фирм значение светового потока СДС приводило на основе простого умножения количества светильников на величину светового потока светодиода, то есть без учета потерь в драйвере и оптической системе. Ошибка в оценке светового потока была обусловлена еще и тем, что значение светового потока приводилось при температуре p-n перехода, равной температуре окружающей среды (25С), а не рабочей. Все это связано с тем, что лаборатории многих небольших фирм не обладают соответствующей измерительной техникой (гониофотометрами, фотометрическим шаром диаметром до 2-3 м и спектроколориметром) в силу их дороговизны. Кроме того, фирмы нередко на сертификацию представляют лучшие светильники из выпущенной партии. Поэтому имеется большая необходимость торговым домам и потребителям осуществлять собственный контроль качества СОП, глубина которой должна определяться объемом закупаемой партии.
В работах [77-79, А4] показано, что ряд заявленных параметров светодиодных ламп и светодиодных светильников их изготовителями отличаются от результатов, измеренных в испытательных сертифицированных лабораториях.
В резолюции Форума по нормам и стандартам сказано о необходимости внедрения единой и объективной системы контроля параметров изделий в независимых лабораториях как обязательной процедуры для участия в госзакупках, что позволит отсеять недоброкачественных поставщиков [105]. Следует отметить, что для реализации поставленной задачи необходимо провести большую методическую и метрологическую работу [27-29, 56, 105].
Все это указывает на необходимость входного контроля СДЛ и СДС на этапе приобретения пользователем и на необходимость разработки доступных методов контроля, простых установок и оснащения ими малых предприятий, оснащения которых доступными средствами контроля является важной задачей.
Имеющиеся в нашем распоряжении проколы испытаний светильников аккредитованных лабораторий трех фирм (ВНИСИ, ЦСОТ НАН Беларуси и Cree) позволяет рассмотреть уровень оснащения их лабораторий и дать сравнительную оценку проводимых испытаний. Наиболее подробная информация в литературе [27] представлена о Всероссийском научно-исследовательском институте светотехнических измерений (ВНИСИ).
Приведем общую характеристику ИЦ ВНИСИ. Оборудование ИЦ ВНИСИ проходит ежегодную проверку в ФГУ РОСТЕСТ и ВНИИОФИ [12, 13, 27, 28]. В спектрофотометрической лаборатории ИЦ ВНИСИ находится оборудование и измерительные приборы, позволяющие проводить широкий спектр фотометрических и колориметрических измерений. Лаборатория располагает двумя темными комнатами, фотометрическими шарами размером 0,5-2,0 м и фотометрическими скамьями, гониофотометрами трех типов, светоизмерительными лампами типа СИС и СИП, стабилизированными источниками переменного и постоянного напряжения, различными измерительными приборами и инструментами (спектроколориметр, люксметры, пульсметр, УФ-радиометр, мультиметры, ваттметры и др.) [12, 13].
Заслуживает интерес высокоточный гониофотометр RIGO-801 производства компании TechnoTeam (Германия). Он предназначен для проведения точных фотометрических измерений светового потока и кривых силы света (КСС) световых приборов размером до 1,8 м в автоматическом режиме. Абсолютная погрешность измерений светового потока составляет не более ±5 %, а силы света - не более ±6 %.
Процесс измерений автоматизирован и управляется с компьютера с помощью специального программного обеспечения. Результаты измерений записываются на жесткий диск компьютера и после их обработки в компьютере могут быть представлены в виде пространственного фотометрического тела в системе координат (С,).
Она обеспечивает проверку стойкости и прочности изделий к воздействию внешних климатических и механических факторов, в том числе проверку на пыле-и влагозащищенность, на вибро- и ударопрочность, испытания на повышенную и пониженную температуру в соответствии с ГОСТ 17516.1-90, ГОСТ 16962.1-89, ГОСТ Р МЭК 60598-1-2003 и т.д. Специальное оборудование позволяет также осуществлять тестирование электрических параметров (электрическую прочность изоляции, сопротивление изоляции и т.д.) и степень защиты (IP) оболочек светильников [1, 12, 13, 27].
В процессе испытания светодиодных светильников в данной лаборатории применяют до 18 приборов, перечень которых приводят в протоколах. К основным из них можно отнести двухпозиционную интегрирующую сферу CSLMC, 250 мм интегрирующую сферу ISP250-110, спектрометр для исследования СД (2 см сфера) MC-9801:3683 и инфракрасную камеру T300.
Испытательная лаборатория НИИИС успешно проводит экспертизы СОП. О важности таких лабораторий излагается в [1, 28]. 1.2.5. Испытательная лаборатория «ЦСОТ НАН Беларуси»
Данная испытательная лаборатория в работе использует гониофотометр SMS 10c, спектрорадиометрический комплекс модели DTS 320-21, прецизионный источник питания Agile 6812B. Для контроля влажности и давления применяют соответственно термогигрометр ИВА-6Б и зонд давления LeicaDISTOD5 [90].
На этом фоне только некоторые производители имеют специализированные измерительные лаборатории. Большинство малых предприятий по разработке ОП не обладают необходимыми измерительными средствами в силу их дороговизны. Вместе с тем, в процессе разработки новых моделей ОП имеется необходимость даже в упрощенных устройствах, что естественно сказывается на качестве их продукции.
Наиболее подробные сведения об используемых приборах, методиках и полученных результатах приводит фирма Creе. Она раскрывает подходы, приемы и уровень организации проведения испытаний в американской фирме. Лаборатория не ограничилась испытанием только светильника, но одновременно провели ряд измерений непосредственно и светодиодов, что позволило ей лучше оценить качество его проектирования.
Общим недостатком проанализированных протоколов испытания является представление ряда результатов с избыточной точностью - на один-два порядка выше, чем точность используемых методик измерения. Так, световой поток представлен с точностью до 1 лм, цветовая температура – до 1-10 К, потребляемая мощность – до 0,1 Вт, коэффициент мощности – до 0,001, а температура – до 0,1ОС. Поскольку условия испытания не предусматривают термостатирование, то обеспечить параметры точностью в течение 6 часов испытания, представляется невозможным.
Контроль качества светодиодных осветительных приборов на основе сравнения ряда заявленных и измеренных их параметров
Степень допускаемых отклонений приводимых в технических паспортах СОП значений светового потока, потребляемой мощности, цветовой температуры и индекса цветопередачи можно также получить на основе обработки данных [77], результаты которых представлены в табл. 2.8.
Как следует из табл. 2.8, до 30% фирм завышают значения светового потока и мощность на 10-25 % у промышленных светильников и ламп,, цветовой температуру на 10-20%, а индекс цветопередачи на 5-10 %.
Коэффициент пульсации освещенности у 65 % фирм имеет значения менее 1% и только у 3 фирм оно достигает 9,5 и 24 %. Это свидетельствует о том, что данный параметр по информативной значимости на сегодня уже существенно уступает другим. Из 15 фирм лишь у 4 отклонения всех 4 измеренных параметров не превышают 6 %, что соизмеримо с погрешностью измерителей и методик измерения ИЦ ВНИСИ.
Среди них в среднем наиболее точно данные параметров представлены фирмами БЗПП и «ТД «Ферекс», причем у второй фирмы СКО в 1,7 меньше чем у первой. Среднее арифметическое значение у хороших СДС не превышает 3,0-3,5 % (табл. 2.8)
Значения светового потока у 35 % офисных СДС [79] установлено меньше заявленных значений на 10-25%, то есть проявляется та же тенденция, что и у промышленных СДС.
Результаты анализа данных [72-77] свидетельствуют, что отклонения целого ряда параметров у мощных светильников значительно меньше, чем у ламп и не превышают 10%, за исключением светового потока, который у 30% светильников занижен на 20-25%.
Согласно нашим результатам измерений (табл. 3.2) заявленные значения углов излучения СДЛ на 20-30% выше измеренных нами в Испытательной лаборатории Мордовского государственного университета.
Результаты проведенного исследования свидетельствуют о необходимости проведения предварительного контроля качества СДЛ и предъявления определенных рекламаций к фирмам и дистрибьюторам , нацеленных на уточнение предъявляемых покупателю технических характеристик СДЛ.
На протяжении одного года тестированию и испытанию подвергнуты СДЛ торговых марок «Geniled», « Gayss », «Veribrait» и ЗАО «Светлана-оптоэлектроника» мощностью от 3 до 15 Вт.
У лампы «Geniled» 9W указан угол рассеивания указан равным, 200, а в действительности он равен лишь 130, чем подтверждается более высоким значением их осевой освещенности.
Примечание. Многие пользователи, используя ряд приборов (люксметр-пульсметр, измеритель качества электричества, ваттметр, электротермометр , ЛАТР), в состоянии определить такие параметры как освещенность на оптической оси, эквивалентную мощность лампе накаливания , коэффициент пульсации, коэффициент мощности, коэффициент потери мощности, температуру наиболее нагретых участков, удельную массу; проверить принадлежность драйвера заявленной фирме-изготовителю.
Дополнительную информацию о ОП можно получить при изменении напряжения питания и температуры в испытательной камере в широких пределах, то есть, используя принципы динамической светотехники.
Усовершенствование методики контроля времени стабилизации температуры корпуса светодиодных осветительных приборов
Для контроля времени стабилизации температурного режима осветительного прибора в литературе [25, 26] были предложены две методики, основанные на определении спада светового потока и максимальной температуре его корпуса. По нашим данным ведущие производители эти методики не используют и ограничиваются субъективной оценкой процесса стабилизации по «замедлению» показаний фотометра . Имеются также отдельные сообщения, посвященные изучению и контролю стабилизации параметров ОП после их включения [5, 10, 11, 78]. Однако специальных метрологических обоснований предложенных методик в литературе так и не встретили.
В связи с этим в работе поставлена задача - изучить уровень погрешности, допускаемой при использовании этих методик , и предложить усовершенствованную методику контроля времени стабилизации работы ОП.
Определение времени стабилизации температурного режима осуществлено по методикам ГОСТ Р 55350-2015 [26] и ГОСТ Р 54350-2013 [25], основанных на измерении соответственно спада светового потока и времени стабилизации температуры корпуса ОП после его включения.
По указанию [26] можно осуществлять измерения как светового потока ОП, так и освещенности, обеспечиваемой им рабочей поверхности. Следует иметь в виду, что измерение освещенности осуществляется существенно быстрее и с большей точностью, чем светового потока. Поэтому исследования проведены на основе измерения освещенности.
Контроль времени стабилизации (tcтаб) по освещенности позволяет обеспечить большую относительную точность измерения , чем по температуре корпуса ОП, поскольку относительная погрешность фотометрического метода измерения существенно меньше (+0,2-0,5 %), чем термометрического. При этом сокращается и время, затрачиваемое на анализ.
Если в раннем варианте нормативного документа предлагалось осуществлять измерения светового потока с произвольным выбором интервала измерения в пределах от 0 до 15 мин., то в последнем варианте данного документа [26] рекомендуется осуществлять измерения с интервалом уже не менее 5 мин. и не более 15 мин. Состояние стабилизации считается достигнутым, когда для очередных трех последовательных измерений отклонение освещенности становится менее одного процента.
Предложенное выражение [26] для упрощения методики вполне можно привести к виду где Emax, Еmin и Еср – максимальное, минимальное и среднеарифметическое для трех значений освещенности соответственно в пределах каждого временного интервала.
Для упрощения методики определение спада освещенности ОП осуществлялось только вначале и в конце каждого 15 минутного интервала, минуя промежуточное измерение, а относительные их значения определись относительно Еmax. Это вполне приемлемо на том основании, что на завершающих 15 мин . интервалах различие между Емах и Еminнастолько небольшое, что деление числителя в (3.6) на Emax, а не на Еср, не сказывается на снижение точности определения tстаб.
Для проведения исследований вначале была определена динамика снижения спада освещенности в течение 90 минут для 8 ламп разной мощности и разных производителей. На основе полученных данных была составлена таблица, на базе которой определялось время стабилизации по формуле (3.4). На рис. 3.7 лишь для наглядности представлен ряд графиков для ламп (Gauss 5Вт, Geniled 7 Вт, ЭРА 10 Вт, Komtex 5 Вт, EAC 13 Вт, Estares 5,5 Вт и др.) с разным уровнем спада освещенности . Из этого рисунка и дополнительно проведенных вычислений следует, что спад светового потока ОП несколько в большей степени определяется его конструкцией, чем потребляемой мощностью. Так, коэффициент корреляции меду спадом освещенности и удельной массой ОП составляет r = -0,16 (n = 11), а между спадом освещенности и мощностью ОП – 0,38 (n = 17).
Температура окружающей среды находилась в пределах 20,5-22,0 0С и ее влиянием можно было пренебречь. Измерение освещенности осуществляли люксметром ТКА-ПКМ (48) у светодиодных ламп, имеющих значения спада светового потока от 4 до 24 %. Использовали табличные данные измеренные через 5, 10 и 15 мин. после включения ОП и с периодичностью 5 и 15 мин в соответствии с рекомендациями [26].
Значения времени стабилизации светового потока ОП и затраченное время на проведение каждого опыта полученные при моделировании разных условий регистрации данных представлено в табл. 3.2.
При увеличении интервала измерения с 5 до 15 мин. происходит завышение значения tстаб в 1,5-2,5 раз, то есть ошибка его измерения достигает 100-250%.
При этом возрастает и время, затрачиваемое на его определение в 2-3 раза -до 60-100 мин. В случае определения величины спада освещенности в момент достижения стабилизации по усовершенствованной методике погрешность ее определения все еще будет значительной, достигая 10-20 %.
Время стабилизации лишь несколько зависит от выбора времени начала исследований при сохранении интервала опроса (на +10-15%). Из полученных данных следует, что для обеспечения воспроизводимости результатов и уменьшения времени на проведение эксперимента отсчет светового потока следует начинать уже через 5 мин . после включения ОП и проводить последующие измерения с интервалом 5 мин. При этом істаб в зависимости от величины спада освещенности (5спад) находится в пределах 20-35 мин., а время затрачиваемое на проведение каждого измерения уменьшается с 90-105 мин. до 20-35.
Время стабилизации в основном определяется удельной массой ОП и эффективностью его системы теплоотвода. Чем меньше масса ОП, тем быстрее наступает стабилизация его температурного режима, однако это зачастую сопровождается увеличением спада освещенности. У филаментной светодиодной лампы tстаб составляет не более 10 мин.
Выше изложенное позволяет прийти к следующему заключению.
1. Применение методики определения времени стабилизации режима работы осветительных приборов в соответствии с ГОСТ Р 54350-2015 ведет к значительной погрешности измерения, достигающая в ряде случаев 100-250%.
2. Усовершенствованная методика определения времени стабилизации ускоряет получение результата, снижает трудоемкость и позволяет обеспечить хорошую воспроизводимость и сходимость результатов . При этом у многих осветительных приборах время стабилизации будет равно 30 мин.
3. Время стабилизации необходимо в основном для оценки качества теплоотводящей системы ОП и пригодно для приближенной характеристики конструкции ОП. В момент достижения так называемой стабилизации ОП по усовершенствованной методике значение спада освещенности определяется с сравнительно большой погрешностью [А8].
Разработка светодиодного осветительного прибора с емкостным стабилизатором и методика его контроля
Структурная схема электроснабжения предприятий, организаций и ЖКХ состоит из генерирующего электроэнергию источника - теплоэлектростанций, электрических сетей и токоприемников с разным характером их реактивности. Вся энергосистема с разными токоприемниками для генерирующего устройства электростанции обычно в сумме представляет активно-индуктивную нелинейную нагрузку. Большинство же светодиодных светильников представляют активную-емкостную нагрузку. Подсоединение такой нагрузки фактически ведет к некоторой компенсации индуктивности сети, а, соответственно, и к увеличению пропускной способности электросистемы. Как показано в р . 3.9 и 2.4, все светодиодные ОП имеет емкостной характер. Следовательно, необходимо идти по пути создания светодиодных светильников даже с более выраженным емкостным характером нагрузки. Этому может способствовать использование в ОП емкостных стабилизаторов . Однако, такие светильники имеют коэффициент мощности менее 0,2-0,4 и поэтому не удовлетворяют требованиям существующего стандарта, согласно которому значение X для ОП мощностью до 8 и 20 Вт должны быть не менее соответственно 0,70 и 0,85 [25].
При доработке рассматриваемого документа для характеристики индуктивно -активных нелинейных нагрузок необходимо по- прежнему использовать коэффициент мощности с одновременным указанием коэффициента потерь мощности и THD, то-есть как и в ANSIC.82.11, а для светодиодных ОП, представляющие активной- емкостную нелинейную нагрузку - лишь коэффициента высших гармоник THD.
На сегодня представлен ряд инновационных конструкций бездрайверных ОП с емкостным характером нагрузки. Все они являются новыми разработками, производство которых еще не начато. Полный анализ их достоинств и недостатков в литературе отсутствует. В ранее отмеченных публикациях практически отсутствуют количественные сведения об уровне допускаемых пульсаций, о крутизне вольт- люксовой характеристике или нестабильности светового потока, о степени повышения светоотдачи в этих конструкциях . Поэтому проработка требований для их контроля также отсутствует.
Наиболее близким техническим решением к нашей конструкции (рис. 3.14) является светодиодный светильник (патент РФ № 95214 по МПК H 05 В 37/00), содержащий группу последовательно соединенных светодиодов, подключенных параллельно к сглаживающему пульсации напряжения конденсатору, подсоединенному к диодному выпрямителю.
Недостатком такой схемы является наличие двух ограничительных резисторов, препятствующих изготовлению мощных, в том числе промышленных светильников с небольшим уровнем пульсаций освещенности [А17].
Устранение в схеме резисторов и применение нескольких светодиодных кластеров , питаемых через один токостабилизирующий конденсатор, обеспечивают большой световой поток и способствует снижению коэффициента пульсации до санитарных норм за счет уменьшения постоянного времени заряда сглаживающего конденсатора и увеличения постоянной времени его разряда, а также уменьшению коэффициента нелинейных искажений в 1,5-2,0 раза.
Кратковременные отклонения сетевого напряжения от номинального не представляют опасности для светильника, так как, с одной стороны, светодиодный кластер выдерживает кратковременные токовые перегрузки, а с другой стороны, срабатывают токостабилизирущий и сглаживающий конденсаторы. Вместе с тем, для дополнительного устранения влияния высоковольтных всплесков сети предусматривается варистор.
Задача данной разработки заключается в устранении указанных недостатков на основе такой схемы, которая должна быть работоспособна, иметь большую мощность, надежность, обеспечивать хорошую стабильность светового потока и коэффициент пульсации освещенности не выше нормативного значения при наличии отклонения напряжения сети промышленной частоты в допустимых пределах от номинального и наличии высоковольтных импульсных помех [А7].
В экспериментах установлено, что маломощные СД выдерживают десятикратные непрерывные перегрузки по току [А21]. Такие конденсаторные светильники имеют достаточно простую конструкцию и способны обеспечить уровень пульсаций освещенности в соответствии с нормативными требованиями (менее 10-20 %) и сравнительно постоянный световой поток при изменении напряжения сети на ±10% (рис. 3.18).
Предложенный светильник состоит из светодиодных кластеров 1, выпрямительных диодных мостов 7, 8, 9 варистора 12, токостабилизирующего конденсатора 10, резистора 11, подключенного параллельно конденсатору, и электролитических конденсаторов 6, подключенных параллельно светодиодным кластерам (рис. 3.18).
Уровень коэффициента пульсаций в соответствии с требованием СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 прежде всего обеспечивается выбором соответствующего значения емкости сглаживающего конденсатора. Дополнительное сглаживание пульсаций может быть обеспечено увеличением сопротивления кластера за счет увеличения количества светодиодов в модуле кластера или уменьшения числа модулей в каждом кластере, а также уменьшением мощности используемых светодиодов. Резистор , параллельно подключенный к токостабилизирующему конденсатору, предназначен для предотвращения умножения напряжения питания в момент прерывистого включения светильника и ускоренного разряда конденсатора после выключения светильника в соответствии с требованием ГОСТ 17677-82.
В зависимости от степени превышения сопротивления токостабилизирующего конденсатора над сопротивлением светодиодных кластеров и уровня сглаживания пульсации выпрямленного напряжения изменение напряжения сети на ± 10 % вызывает изменение светового потока лишь на ± 5-8 %. Такие уровни медленных колебаний светового потока вполне допустимы, поскольку не воспринимаются органами зрения человека.
В предложенном светильнике достигается повышение надежности, коэффициента полезного действия, экономичности, малый уровень крутизны вольт-люксовой характеристики, а также обеспечивается коэффициент пульсации освещенности меньше предельно допустимого нормативного значения.
Исключение из светильника сложного электронного стабилизатора тока (драйвера ) позволяет его несколько удешевить, повысить энергоэффективность за счет повышения кпд, надежность и срок его службы. Внешний вид разработанного светильника представлен на рис. 3.19.