Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
11
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Одінцов Олександр Микитич
РОЗРОБКА ДІАГНОСТИЧНОГО СТЕНДА І ПРИСТРОЇВ
ПІДВИЩЕННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ ГАЗОРОЗРЯДНИХ ЛАМП
Спеціальність 05.09.03 –Електротехнічні комплекси та системи
АВТОРЕФЕРАТ
Дисертації на здобуття вченого степеня
кандидата технічних наук
Севастополь –
Дисертація є рукописом.
Робота виконана на кафедрі прикладної екології та охорони праці Севастопольського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Сєвріков Володимир Васильович, Севастопольський національний технічний університет
Офіційні опоненти:
- доктор технічних наук, професор Карась Станіслав Васильович, професор кафедри електромеханіки та теоретичних основ електротехніки Донецького національного технічного університету;
- кандидат технічних наук, доцент Оніщенко Олег Анатолійович, доцент кафедри електротехніки та електронних пристроїв Одеської державної академії холоду.
Провідна установа - Інститут електродинаміки НАН України м. Київ
Захист відбудеться ‘05’ жовтня 2006 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К50.052.03 при Севастопольському національному технічному університеті
(99053 м. Севастополь, СевНТУ).
С дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Севастопольського національного технічного університету
(99053 м. Севастополь, СевНТУ)
Автореферат розіслано ‘’серпня 2006 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К.В. Перепадя
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Системи освітлення є невід'ємною частиною електротехнічних комплексів промислових підприємств, різних будівель і споруд, а також житлових приміщень. За статистикою, системи освітлення споживають до 10-15 % усієї виробленої електроенергії. Тому, як в Україні, так і в усьому світі, залишаються актуальними проблеми енергозбереження і підвищення їх економічної ефективності.
Наразі, у системах освітлення використовують два основних типи джерел світла, це газорозрядні лампи і лампи розжарювання. Практично усі існуючі джерела світла є невідновлюваними виробами з обмеженим терміном дії до першої відмови.
Хоча загальносвітові обсяги виробництва газорозрядних ламп становлять близько 2 млрд. шт./рік, що у 6 разів менше обсягів виробництва ламп розжарювання, але за рахунок більш ефективного перетворення електричної енергії у світлову, вони генерують до 2/3 усього штучного світлового потоку і мають у 10-15 разів більший термін служби. Основна частка близько 85 % обсягу газорозрядних ламп припадає на ртутні газорозрядні лампи низького тиску або люмінесцен-тні лампи.
Оскільки в колбі кожної люмінесцентної лампи міститься 120 мг рідкої металевої ртуті, що належить до речовин першого класу небезпеки з ГПК<0,003мг/м, виведені з експлуатації лампи створюють серйозну екологічну проблему. Руйнування колби однієї лампи за наявності несприятливих метеоумов, може призводити до забруднення повітряного середовища обсягом 40000м до рівня ГПК. З цієї причини всі виведені з експлуатації люмінесцентні лампи мають бути демеркурізовані, перш ніж вони потраплять на смітник. Вартість “послуги”з демеркурізації однієї люмінесцентної лампи, практично порівнянна з вартістю нової лампи. Додаткові витрати, пов'язані з необхідністю оплати послуг з утилізації ртутних джерел світла, найчастіше змушують споживачів використовувати в системах освітлення менш економічні та у 3-5 разів більш енергоємніші лампи розжарювання, тим самим знижуючи ефективність використання електроенергії.
На попередньому етапі досліджень було встановлено, що значна частина виведених з експлуатації люмінесцентних ламп здатна засвічуватися й горіти тривалий час за умови використання спеціальних схем. Однак дотепер, з цілої низки причин, жодна з відомих розробок не одержала широкого застосування в системах освітлення через складність, великих габаритних розмірів, високої вартості та низьких експлуатаційних показників (пульсації світлового потоку, катафорезу парів ртуті, короткого терміну служби тощо) у порівнянні з найпоширенішим дросельно-стартерним пускорегулюючим апаратом.
Вартість більшості відомих пристроїв, що дозволяють повторно використовувати виведені з експлуатації люмінесцентні лампи, як правило, у кілька разів перевищує вартість нової лампи, що й пояснює їх неефективність і недоцільність широкого застосування. Розробка подібних схем звичайно носить несистематизований і спонтанний характер. Це пов'язано з відсутністю об'єктивних відомостей про справжні причини виведення люмінесцентних ламп з експлуатації, динаміку зміни основних експлуатаційних параметрів - напруги засвічування, робочої напруги, пускового й робочого струму, а також рівня залишкової світлової віддачі наприкінці терміну експлуатації.
Виробники люмінесцентних ламп, заявляють середній термін служби і номінальний світловий потік, опираючись на результати стендових випробувань, які проводяться при: забезпеченні стабільної напруги в мережі, використанні зразкових дроселів і стартерів, підтримці постійної температури, заданої циклічності включень і відключень. Як основні причини виведення ламп з експлуатації звичайно відзначають втрату емісійної здатності катодів (80-90 %) або зниження світлового потоку нижче певного рівня (10-20 %). Однак, відомо, що відмінність реальних умов експлуатації від стендових, може призводити до скорочення нормативного терміну служби люмінесцентних ламп у 1,5-2 рази.
Таким чином, актуальність теми дисертаційної роботи обумовлена необхідністю суттєвого збільшення корисного терміну служби люмінесцентних ламп відносно фактичного і вирішення трьох зазначених вище проблем. Для цього необхідно вдосконалювати методи діагностування стану освітлювальних приладів у цілому й розрядних джерел світла зокрема, оскільки існуючі методи або неефективні, або надзвичайно трудомісткі у практичному застосуванні.
Виникла гостра необхідність створення спеціалізованого стенда для здійснення комплексної діагностики стану люмінесцентних ламп, у тому числі й виведених з експлуатації. Використання діагностичного стенда безпосередньо в діючих системах освітлення дозволить вчасно виявляти й виводити з експлуатації ті люмінесцентні лампи, які мають низькі експлуатаційні показники. При цьому одним з основних завдань діагностичного стенда буде виявлення люмінесцентних ламп, з числа виведених з експлуатації, які мають високі експлуатаційні показники й можуть бути використані повторно за умови застосування спеціальних пускових пристроїв.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами НДР, темами. Проблема переробки й поховання токсичних відходів, до яких належать і виведені з експлуатації люмінесцентні лампи, має загальнодержавне значення. Вона знайшла відбиття у розпорядженні Кабінету Міністрів України від 13 листопада 1999 р. № 1236р “Про поліпшення екологічної й техногенної ситуації в країні, вирішення питань переробки й поховання токсичних відходів”. Робота узгоджується з постановою Кабінету Міністрів України № 1216 від 03.09.98 р. і Державною політикою України в галузі енергетики й охорони навколишнього природного середовища, а також планами НДР СевНТУ, зокрема темою № 0199U001038 (Розробка екологічно чистої технології і проекту переробки, знищення й утилізації шкідливих відходів підприємств м. Севастополя (г/д 1528 “Екологія”)).
Мета й завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка електротехнічних пристроїв, методів контролю і діагностування, спрямованих на підвищення довговічності газорозрядних, зокрема люмінесцентних ламп.
Досягнення висунутої мети ґрунтувалося на ідеї повторного використання частини виведених з експлуатації люмінесцентних ламп (без їх відновлення) у серійних світлових приладах, оснащених спеціально розробленим додатковим пусковим пристроєм з оптимізованими пусковим і робочим режимами.
Відповідно до поставленої мети були визначені основні завдання дослідження:
- оцінка енергетичних параметрів люмінесцентних ламп, що були в споживанні, встановлення основних причин виведення їх з експлуатації та визначення “слабкої ланки”;
- оптимізація електричних параметрів пускового імпульсу, що забезпечує стабільний пробій міжелектродного проміжку в режимі “холодного”пуску;
- оцінка довговічності люмінесцентних ламп при їх повторному використанні в серійних світлових приладах, оснащених додатковим пусковим пристроєм;
Об'єкт дослідження –електричні схеми пускорегулюючих апаратів для запуску газорозрядних ламп низького тиску та виведені з експлуатації люмінесцентні лампи.
Предмет дослідження - електричні характеристики пускорегулюючої апаратури, що забезпечує стабільний пробій міжелектродного проміжку і стійке формування дугового розряду в люмінесцентних лампах з холодними (дефектними) катодами, оптимізація параметрів пускового імпульсу, робочих характеристик струму й напруги.
Методи дослідження –експериментально-аналітичні. Фізичні експерименти в лабораторних умовах. Натурні експерименти в реальних умовах експлуатації. Статистичні методи обробки результатів експериментальних досліджень.
Наукова новизна отриманих результатів:
Практична цінність отриманих результатів.
Оснащення серійних світлових приладів розробленим додатковим пусковим пристроєм, дозволяє використати повторно до 90 % виведених з експлуатації люмінесцентних ламп з діаметрами колб 38 і 32 мм.
Основні технічні рішення, отримані в ході виконання дисертаційної роботи, становлять практичний інтерес для будь-яких споживачів, що застосовують у системах освітлення люмінесцентні джерела світла, а також можуть бути використані в навчальному процесі.
Результати досліджень доцільно враховувати при розробці й виробництві нових типів катодів для газорозрядних, насамперед люмінесцентних ламп.
Запропоновані схемні рішення можуть бути використані виробниками світлотехнічної апаратури для створення високонадійних гібридних освітлювальних приладів, що вимагають мінімального обслуговування, у яких додатковий пусковий пристрій перебуває в режимі “холодного”резервного елемента.
Результати досліджень були впроваджені на ряді підприємств м. Севастополя і дозволили одержати енергетичний, економічний і екологічний ефекти, підтверджені відповідними актами.
Розроблений метод “точкової”оцінки рівня світлової віддачі, дозволяє об'єктивно контролювати даний параметр у будь-яких існуючих люмінесцентних ламп, як в умовах діагностичного стенда, так і безпосередньо в діючих освітлювальних приладах.
Особистий внесок здобувача. У ході виконання дисертаційної роботи автором особисто виконані: дослідження з визначення основних причин виведення люмінесцентних ламп з експлуатації при їх роботі в серійних дросельно-стартерних пускорегулюючих апаратах; визначений розкид їх електричних параметрів і дана оцінка залишкових світлотехнічних характеристик; запропонована математична модель, що описує умови для стійкого виникнення і формування електричного розряду в люмінесцентних лампах з дефектними (холодними) катодами; науково обґрунтована структура спеціального пускорегулюючого пристрою; для зниження ефекту катафорезу висунуте теоретичне припущення про доцільність живлення люмінесцентних ламп квазіпостійним струмом; розроблений додатковий пусковий пристрій, оптимізовані його пускові й робочі характеристики; створений експериментальний діагностичний стенд, що дозволяє оцінювати енергетичні параметри як нормальних, так і виведених з експлуатації люмінесцентних ламп, а також побічно визначати залишкову емісійну здатність катодів; проведені натурні випробування для визначення довговічності люмінесцентних ламп використовуваних повторно в серійних світлових приладах, оснащених додатковим пусковим пристроєм; запропонована математична модель методу “точкової”оцінки рівня світлової віддачі люмінесцентних ламп; виготовлені макети насадок, що дозволяють проводити оцінку рівня світлової віддачі, як в умовах діагностичного стенда, так і в діючих світлових приладах; запропонована електрична схема гібридного світлового приладу, у якому розроблений додатковий пусковий пристрій використовується в якості ненавантаженого резервного елемента.
Апробація роботи. Основні результати окремих розділів і роботи в цілому викладені на: 6-й Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми охорони праці й техногенно-екологічної безпеки”, 20-23 вересня 1999 р., м. Севастополь; I-й Міжнародній науково-практичній конференції “Екологічна безпека - умова процвітання і здоров'я людства в XXI столітті”, 28-30 травня 2001 р., м. Севастополь; 7-й Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми охорони праці й техногенно-екологічної безпеки”, 21-24 вересня 2002 р., м. Севастополь; засіданні комісії з питань екології Севастопольської РДА, 1998 р.; курсах підвищення кваліфікації фахівців з охорони праці “Південь-Центр”у 2002 р., де демонструвалася можливість повторного використання виведених з експлуатації люмінесцентних ламп у серійних світлових приладах, оснащених додатковим пусковим пристроєм. У травні 2003 р., виставковий зразок демонструвався на постійно діючій виставці асоціації “Безпека життєдіяльності”, м. Севастополь. У червні 2004 р. результати дисертаційної роботи доповідалися на спільному міжкафедральному науково-технічному семінарі кафедр Суднових і промислових електромеханічних систем і Прикладної екології та охорони праці СевНТУ. У квітні 2005 р. результати дисертаційних досліджень доповідалися на кафедрі Світлотехніки й джерел світла Харківської національної академії міського господарства.
Публікації. За темою дисертації було опубліковано: 8 наукових праць, п'ять з яких опубліковані у виданнях, включених до переліку ВАК України; 3 тези доповідей; подано три заявки на винахід, по двох отримані патенти України.
Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з введення, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Дисертація має загальний обсяг 188 сторінок друкованого тексту, включаючи перелік умовних позначок, 14 таблиць, 70 ілюстрацій, список використаних джерел з 129 найменувань і 7 додатків на 43 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У введенні обґрунтована актуальність проблем енергозбереження, підвищення економічної ефективності та поліпшення екологічної безпеки систем електричного освітлення, в яких використовуються ртутні газорозрядні джерела світла низького тиску (люмінесцентні лампи). Показано, що збільшення їх корисного терміну служби відносно фактичного, тобто підвищення довговічності, сприяло б частковому вирішенню трьох зазначених вище проблем. Для цього виникла необхідність створення діагностичного стенда що дозволяє виконувати комплексну оцінку електричних і світлотехнічних параметрів люмінесцентних ламп, у тому числі й виведених з експлуатації.
Сформульовано мету й завдання дослідження, показані наукова новизна і практична цінність роботи.
У першому розділі розглянуті теоретичні основи функціонування джерел світла різних типів, особливості, проблеми й перспективи їх практичного застосування, обсяги виробництва та тенденції розвитку. Наведено порівняння енергетичних, кількісних і якісних характеристик джерел світла двох основних типів: теплових і люмінесцентних. Відзначено значні переваги використання газорозрядних джерел світла порівняно з тепловими.
Близько 85 % усього обсягу вироблених газорозрядних джерел світла різних типів припадає на ртутні люмінесцентні лампи. З них, 60-70%, припадає на 40-ватні лампи з діаметрами колб 38 і 32 мм, оскільки вони мають кращі експлуатаційні характеристики (менша напруга засвічування, більший термін служби, стабільні світлотехнічні характеристики) порівняно з компактними люмінесцентними лампами та люмінесцентними лампами енергоекономічного виконання з діаметрами колби 26 мм і менше.
У розділі розглянуто процес перетворення електричної енергії в резонансне ультрафіолетове випромінювання, за рахунок збудження атомів ртуті в електричному розряді при низькому (400 Па) тиску, а також принцип генерації світлового потоку люмінофорами в області спектра, що сприймається людським оком.
Розглянуто конструктивні особливості основних типів катодів, які застосовуються у ртутних газорозрядних лампах низького тиску і принципи їх роботи. На підставі даних літературних джерел здійснена спроба узагальнення основних причин виведення люмінесцентних ламп з експлуатації. У використаних джерелах, як правило, наводяться дані стендових випробувань, виконаних у суворо контрольованих лабораторних умовах. У більшості випадків, як основна причина, вказується втрата емісійної здатності катодів або зниження генерування світлового потоку нижче економічно доцільного рівня. Інформація про причини виведення люмінесцентних ламп з експлуатації при їх функціонуванні у звичайних дросельно-стартерних схемах у реальних умовах практично відсутня, і даний пробіл у цій галузі знань вимагає заповнення.
Паспортний термін служби люмінесцентних ламп, що становить 9-10 тис. годин, вказує на низьку швидкість процесу старіння і накопичення дефектів у структурі колби, люмінофора та інших елементів від впливу твердого ультрафіолетового випромінювання. Це дозволяє висунути теоретичне припущення про відсутність катастрофічних змін у конструкційних матеріалах у більшості люмінесцентних ламп, виведених з експлуатації.
У розділі розглянуті галузі застосування люмінесцентних ламп, а також екологічні та економічні аспекти їх використання.
У другому розділі виконані попередні дослідження щодо діагностування загального стану й уточнення основних причин виведення люмінесцентних ламп з експлуатації при їх використанні в серійних дросельно-стартерних пускорегулюючих апаратах (ПРА).
Для виконання попереднього етапу дослідження був створений спеціальний діагностичний стенд, див. рис. 1, на якому: визначалася основна причина виведення люмінесцентної лампи з експлуатації; оцінювалася можливість її засвічування в стандартному (дросельно-стартерному) і спеціальному пусковому пристрої (Спец ПП); проводилася оцінка рівня залишкової світлової віддачі. У випадку відмови в засвічуванні та за відсутності видимих дефектів колби за допомогою індуктора НВЧ генератора перевірялася герметичність колби.
У ході проведення досліджень були виявлені такі основні причини: дефекти цоколя, перегоряння одного катода, перегоряння двох катодів, втрата емісійної здатності катода(ів), порушення цілісності колби, забруднення поверхні колби (у тому числі струмопровідними плівками).
cd
d1.
ca
f7
cb
c1