CC BY
17
УДК 628.95: 621.3.017.3
щщ
ш
щ
щ
К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК И УСТАНОВОК ИНФРАКРАСНОГО НАГРЕВА
у-,
I ш
¡¡й!
•ЩуЖ
рщ ■
■ щ
и
С.И. Гамазин, А.Б. Кувалдин
Московский энергетический институт Е.В. Птицына
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгыроеа
Мацалада жарьщтандыру içoндыргылары мен инфрацызыл сэулелер арщылы цыздыру цондыргыларын жаца эМктррежимы крлдану физикасы жене техникасыныц квздерi туралы эдебиетке шолу жасаман. Kypdeni токтарды цолдануга байланысты жаца гылыми багыттьщ дамуыныц болжамдары мен Miudemmepi кдрастырылган.
В статье представлен обзор литературных источников по физике и технике применения токов сложной формы для питания осветительных установок и установок инфракрасного нагрева, рассмотрены перспективы и задачи нового научного направления.
The article presents the review of the references on physics and engineering of application of currents of the complex form for a feed of lighting installations and installations of infra-red heating, the prospects and tasks ofthe new scientific direction are considered.
Основными направлениями повышения эффективности осветительных установок являются: разработка и применение экономичных типов источников света, светильников, пускорегудирующей аппаратуры; рациональное размещение светильников и построение осветительных сетей; нормализация режимов напряжения в осветительных сетях; применение рациональных режимов
работы осветительных установок. Экономическая и технологическая эффективность низкотемпературных электропечей определяются не только свойствами нагреваемого материала и формой изделий, но и электрическим режимом установки.
В настоящее время для питания осветительных установок используется не только переменный ток промышленной частоты. Схемы
с импульсным питанием ламп накаливания находят применение в устройствах специального назначения: для лазерных установок размерной обработки; для регулирования яркости ламп в фототехническом полиграфическом оборудовании; для обеспечения безынерционности включения сигнальных ламп; для управления яркостью свечения новогодних гирлянд и рекламных панно; в системах управления освещением лестничных клеток и др. [1-4].
Установлено снижение потребляемой мощности температурными источниками света при питании их однополярными импульсами, амплитуда напряжения которых выше номинального напряжения питания ламп, а скважность импульсов определяется амплитудой напряжения импульсов и, и номинальным напряжением ламп:
Отмечено увеличение срока службы источников света при регулировании момента времени подачи напряжения на лампу [6] и стабилизации тока нагрузки при колебаниях питающего напряжения, обеспечении автоматического плавного пускового режима [7]. Повышение стабильности потока излучения установлено при использовании схем, содержащих регулируемый источник питания и цепь электрической обратной связи [8]. Доказано, что регулирование светового потока газоразрядных ламп возможно путем многократной коммутации тока источника света в течение одного полуперио-
да питающего напряжения [9], изменением среднего значения тока в лампе при регулировании момента зажигания лампы от начала каждого полупериода питающего напряжения, а также величины тока при регулировании момента гашения лампы [10].
В [11] достигнуто повышение кпд и экономия электроэнергии при автоматическом регулировании уровня освещенности в соответствии с дневным светом. При этом освещенность регулируется изменением частоты напряжения, подводимого к лампе, с помощью маломощного сигнала постоянного или переменного тока, то есть на основе магнитного регулирования. Устройство питания разрядной лампы током высокой частоты выполнено по схеме самовозбуждающегося инвертора на активных элементах (транзисторах), управление которыми осуществляется с помощью обмоток обратной связи, расположенных на сердечнике насыщающегося трансформатора.
Представляет интерес способ повышения светоотдачи люминесцентных ламп низкого давления и маломощных металлогалогенных ламп путем регулирования частоты питающего напряжения с помощью преобразователя частоты [12]. Так, при частоте 35кГц отмечено улучшение условий перезажигания ламп, повышение на 15% срока службы катодов, уменьшение в 30-35 раз массы дросселей и размеров пуско-регулирующей аппаратуры, уменьшение в 2,5 раза потерь в ПРА, снижение пульсаций излучения и повы-
шение коэффициента мощности источников света. В экспериментальных зависимостях градиента потенциала, удельной мощности столба от частоты наблюдаются минимумы значений этих величин в диапазоне частот 500-1000Гц. Реализация подобного способа возможна при использовании дорогих источников питания - полупроводниковых преобразователей частоты. Ограниченное применение способа в осветительных приборах с разрядными лампами низкого давления также является его недостатком. При этом механизмы явлений, возникающие в источниках света при регулировании частоты питающего напряжения, не исследованы. Это не позволило разработать рекомендации по оптимизации их режимов электропотребления.
В этом плане представляют интерес результаты исследований, излагаемые в [12-25]. Доказано [12,13], что в разрядных источниках света интенсивность оптического излучения определяется интенсивностью процессов электро- и фотолюминесценции. Мощность излучения положительного столба обусловлена мощностью излучения резонансных линий (открытых Р. Вудом в 1904 г), прохождение которых в поглощающих парах металла или газа вызывает ослабление потока излучения и определяет, главным образом, эффективность преобразования подводимой электрической энергии в оптическое излучение. Возбуждение люминофора под воздействием ультрафиолетового излучения разрядной трубки обусловливает затем
превращение ультрафиолетовой энергии в инфракрасную. Экспериментально подтверждено, что выход резонансного излучения можно увеличить, подбирая не только давление паров ртути, но и частоту питающего напряжения.
В 1938-40 гг. В.А. Фабрикантом было открыто явление «фотонного умножения». Экспериментально была подтверждена возможность увеличения энергетического кпд преобразования электрической энергии в световую: при возбуждении люминофоров линий 185нм ртутного разряда низкого давления происходит «размен» крупного поглощаемого фотона на 2-3 более мелких фотона люминесценции [14]. Согласно [15], такими устойчивыми люминофорами, обусловливающими квантовый выход больше единицы, считаются щелочно-галоидные люминофоры. Помимо устойчивых люминофоров для осуществления «фотонного умножения» необходимо, чтобы энергия возбуждающих фотонов была не менее 15эВ. Однако энергии линий 185нм ртутного разряда низкого давления для этого недостаточно.
На возможность существования индуцированного излучения указал в 1916 - 18 гг. А. Эйнштейн. Согласно [16], вынужденное излучение в точности совпадает с направлением распространения внешнего излучения, вызвавшего переход. Это же относится к частоте, фазе и поляризации вынужденного и вынуждающего излучения. В.А. Фабрикант доказал возможность существования среды не ослабляющей, а
усиливающей проходящее через нее излучение [17], что нашло отражение в способе усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного, радиодиапазонов волн), основанного на использовании явлений индуцированного испускания [18]. A.M. Прохоров предложил поместить активную среду в оптический резонатор, что позволило перейти от режима усиления к режиму генерирования. Практическое использование в квантовых генераторах в качестве усиливающей среды плазмы высокочастотного газового разряда позволило создавать лучи света огромной интенсивности, обладающие острой направленностью [16]. Однако в электрических источниках света данный способ не нашел применения.
В 30-х годах блестящую идею о возможности усиления света на фотодиссоциативных переходах «разлетных» молекул высказал австрийский физик Ф. Хоутерманс. Физические же принципы лазеров на фотодиссоциативных переходах молекул были разработаны в 1972 г. Это послужило основой для создания мощных эксимерных и эксип-лексных лазеров [19]. При этом необходимо отметить научный вклад спектроскопистов трех отечественных школ: С.Э. Фриша (г. Санкт-Петербург), H.A. Прилежаевой (г. Томск), М.А. Ельяшевича (г. Минск). В настоящее время известны не только газовые лазеры, но и лазеры на парах металлов, плазменные лазеры, лазеры на растворах органических соединений. В [20] до-
казывают, что резонансные лазерные воздействия - эффективный метод управления состоянием газа и плазмы.
Известны и другие способы усиления электромагнитных колебаний, основанные на взаимодействии электронного потока с пространственно- периодическим магнитным полем [21]; на взаимодействии электронного потока, распространяющегося вдоль магнитного поля, при котором периодически изменяют по амплитуде внешнее электростатическое поле вдоль оси потока [22]; на параметрическом взаимодействии электронного потока, распространяющегося вдоль магнитного поля, при котором периодически изменяют по амплитуде внешнее электростатическое поле вдоль оси потока (магнитное поле модулируют с пространственным периодом, равным периоду изменения электростатического поля) [23].
Известен способ усиления электромагнитных колебаний, где энергию модулированного электронного потока используют для возбуждения настроенной в резонанс с частотой усиливаемых колебаний ионно-электронной плазмы дугового разряда, являющейся выходной частью устройства. С целью получения одновременного детектирования усиливаемых колебаний применяют помещенные около плазмы коллекторы - электроды [24]. Совместное действие высокочастотного и низкочастотного напряжения на неоновую лампу тлеющего разряда используют в устройствах радиоприема для доведения лампы до по-
рога ионизации, которая происходит лишь при наложении проходящих сигналов.
Исследованиями процессов в температурных источниках света установлено, что теоретически возможная световая отдача вольфрама может составлять 50лм/Вт. В настоящее время практически достигнутое значение этого показателя в современных температурных источниках света составляет только 25лм/ Вт [25].
Обзор литературных источников подтверждает целесообразность применения токов сложной формы для повышения эффективности установок, работающих на принципе теплового излучения и излучения столба разряда. Однако современные теории теплового излучения, излучения столба разрядов низкого давления и высокой интенсивности не содержат анализа механизма явлений при воздействии тока сложной формы на газоразрядную плазму и электронную плазму металлов. Более того, процессы в температурных и разрядных источниках света, установках инфракрасного нагрева рассматриваются на качественном уровне, так как их формализация для таких нелинейных объектов достаточно сложна и связана с принятием упрощений и допущений. При этом световые и электрические характеристики источников света и установок получены экспериментальным путем. Всесторонне исследованы светотехнические параметры при изменении амплитудных значений токов и напряжений. На основе этих характеристик
и положений теории излучения разг работаны современные методы инженерного расчета осветительных установок и низкотемпературных печей. Однако экспериментально установлено и влияние формы тока (напряжения) на светотехнические величины. По аналогии с другими системами выявлено наличие минимумов в кривых приэлектродных (прикатодных и прианодных) падений напряжения и удельной мощности столба дуги, а также увеличение светоотдачи и срока службы в определенном диапазоне частот для разрядных источников света. Это свидетельствует о едином механизме явлений в различных системах при воздействии на систему токов полигармонического состава, что открывает новые возможности для снижения электропотребления и повышения эффективности работы осветительных установок и установок инфракрасного нагрева.
В этом плане представляют интерес совместные разработки по повышению эффективности осветительных установок и установок инфракрасного нагрева, проводимые совместно кафедрами электроснабжения промышленных предприятий Московского энергетического института и производства и распределения электроэнергии Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова. Достигнуто увеличение светоотдачи не только разрядных, но и температурных источников света с питанием током сложной формы. Однако теоретическое и экспериментальное доказательство возможности усиления в
системах электромагнитных колебаний предполагает разработку новых способов получения токов сложной формы и управления ими для достижения рациональных режимов работы электроприемников. Для этого также необходимо знание общих закономерностей, которым подчиняются процессы в газоразрядной плазме и электронной плазме металлов при протекании токов сложной формы, что предполагает проведение дальнейших исследований. Это
в свою очередь позволит решить другие технические задачи: разработать новые источники питания электроприемников током сложной формы с регулируемым гармоническим составом и средств измерения электрических параметров, характеризующих работу оборудования при протекании токов полигармонического состава, а также системы управления технологическими процессами.
ЛИТЕРАТУРА
1. A.c. 629653 (СССР). МКИ Н 05 В 39/02 // Н 02 М 1/08. Устройство для регулирования яркости ламп накаливания / С.Г. Варшавский// Бюллетень изобретений. 1978. №39.
2. A.c. 1798933 (Россия). МКИ Н 05 В 39/02, Осветительное устройство/А.Н. Филиппов, В.М. Сидоркин // Бюллетень изобретений. 1993. №8.
3. A.c. 1292210 (СССР). МКИ Н 05 В 37/02 // Н 02 J 3/18. Об-лучательная установка/П.В. Гаври-лов, В.Г. Волков, Е.Д. Днеков, Ю.П. Кравченко // Бюллетень изобретений. 1987. №7.
4. A.c. 9305280607 (Россия). МКИ И 05 В 39/09. Прерыватель указателей поворотов/А.Г, Карасев, С.Л. Макаров, Ю.А. Смуров // Бюллетень изобретений. 1993.
5. Пат. 2094962 (Россия). МКИ 6 Н 05 В 39/09. Способ электропитания ламп накаливания/ Л.Н. Касимов, Е.С. Шаньгин // Бюллетень изобретений. 1997.
6. A.c. 1467802 (СССР).
МКИ Н 05 В 39/02. Способ питания амп накаливания от сети переменного тока / С.М. Вугман, В.Д. Ду-динов, Н.П. Киселева, B.C. Литвинов, О.М. Муратов // Бюллетень изобретений. 1989. №11.
7. A.c. 788453 (СССР). МКИ Н 05 В 39/00. Устройство для питания ламп накаливания/ В.В. Зайцев // Бюллетень изобретений. 1980. №46.
8. A.c. 1372634 (СССР). МКИ Н 05 В 39/04. Стабилизированный источник светового потока/ A.B. Гохман, Ю.С. Григорьев//Бюллетень изобретений. 1988. №5.
9. Булатов О.Г. Тиристор-ные схемы включения высокоинтенсивных источников света. М.: Энергия, 1975.
10. A.c. 876652 (СССР). МКИ Н 05 В 39/04. Способ регулирования светового потока газоразрядных ламп / А.З. Аксельрод, В.В. Барсуков, А.М. Евсюков, Е.А. Попов, В.А. Попова // Бюллетень изобретений. 1981. №39.
11. Пат. 1831774 (СССР).
МКИ Н 05 В 37/02. Система освещения и устройство питания переменным электрическим током потребителя мощности, преимущественно газоразрядных ламп, таких как флуоресцентная трубка / Пеер Хербслеб, Келль Хербслеб, Курт Халберг, Калд Аге Енсен // Бюллетень изобретений. 1993. №28.
12. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света,- 2-е изд., перераб. идоп.-М.:Энергоатомиздат, 1991.-С.442-445,606.
13. Иванов А.П. Электрические источники света. Лампы газового разряда.- М.: Госэнергоиз-дат, 1948.
14. Бутаева Ф.А., Фабрикант В.А. Влияние параметров разряда на интенсивность резонансных
о о
линий ртути 1850д и 2537 д //Журнал технической физики. 1948. Т. 18, вып.9,С.1127-1135.
15. Пляскин П.В., Федоров
B.В., Буханов Ю.А. Основы конструирования электрических источников света.- М.: Энергоатомиздат, 1983.
16. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.З. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. М.: Наука. Гл. редакция физ,- мат. лит., 1982.-
C.148-153.
17. Фабрикант В.А. Механизм излучения газового разряда // Тр. Всесоюз. Электротехнического института. Электронные и ионные
приборы / Под ред. П.В. Тимофеева.- М.: Госэнергоиздат. 1940. Вып.41 .С.236-296.
18. Открытие №12 (СССР). Способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радио-дипазонов волн), основанный на использовании явлений индуцированного испускания / В.А. Фабрикант, М.М. Вудынский, Ф.А. Бутаева // Бюллетень открытий и изобретений. 1951.
19. Гудзенко Л.И., Яковл ен-ко С.И. Плазменные лазеры. -М.;А-томиздат, 1978. -256с.
20. Гаврилюк А.П., Краснов И.В., Полютов С.П., Шапарев Н.Я. / Известия ВУЗов. №8, 1999. -С. 96-105 (ISSN 0021-3411).
21. Журнал технической физики. 1975, Т.46, С.3800.
22. Журнал технической физики. 1972, Т.42, С.2264.
23. A.c. 698121 (СССР). МКИ Н 03 F 9/00. Способ усиления электромагнитных колебаний / Г.Г. Асеев, Г.Г. Кузнецова, Н.С. Репалов, H.A. Хижняк // Бюллетень изобретений. 1979. №42.
24. A.c. 24017 (СССР). МКИ Н 03 F 21/00. Описание для радиоприема/ А.И. Яковлев // Заявлено 29 апреля 1929 г. в НКЭП. Опубликовано 30 ноября 1931 г.
25. Электротехнический справочник. В 3 т. Т.З: В 2 кн. Кн.2. Использование электрической энергии / Под общ. ред. профессоров МЭИ: И.Н. Орлова (гл. ред.) и др.-
