CC BY
4Ежеквартальный
УДК 628.94
Самойленко В. В.
Samoylenko V. V.
ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ СПОСОБА ПИТАНИЯ НАТРИЕВЫХ ЛАМП ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ИСКУССТВЕННОГО ОПТИЧЕСКОГО ОБЛУЧЕНИЯ ТЕПЛИЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ
SUBSTANTIATION OF THE METHOD OF POWER SUPPLY OF HIGH PRESSURE SODIUM LAMPS IN ARTIFICIAL OPTICAL RADIATION SYSTEMS OF GREENHOUSE COMPLEX
Доказаны возможность и целесообразность применения питания натриевых ламп высокого давления постоянным током с периодической коммутацией полярности питающего напряжения, регулируемой с помощью оптической обратной связи, в системах переменного оптического облучения рассады в тепличных комплексах.
Ключевые слова: оптическое облучение, расслоение разряда, натриевая лампа высокого давления, электронный балласт.
The studies shown the possibility and feasibility of supply of high pressure sodium lamps with d.c. power with periodic switching polarity voltage, regulated by optical feedback in systems of variable optical radiation of seedlings in a greenhouse.
Keywords: optical radiation, bundle discharge, high pressure sodium lamp, electronic ballast.
Самойленко Владимир Валерьевич -
ассистент кафедры
автоматики, электроники и метрологии Ставропольский государственный аграрный университет Тел.: 8-928-313-06-89 E-mail: vvs_stv@mail.ru
Samoylenko Vladimir Valeryevich -
Assistant of
Department of Automation,
Electronics and Metrology Stavropol State Agrarian University Tel.: 8-928-313-06-89 E-mail: vvs_stv@mail.ru
Известно, что свет является мощным фактором, воздействующим на метаболизм растений, тем более светолюбивых. Анализ приемов искусственного оптического облучения растений в теплицах показал, что для создания требуемых световых режимов в теплицах предлагаются различные технологии оптического облучения: постоянного, переменного, импульсного, прерывистого и комбинированного [1, 2].
Наибольший интерес вызывают результаты исследований А. Г Молчанова [1], который обосновал критерии оптимизации интенсивностей переменного облучения растений, экспериментально выявил наиболее близкие к оптимальным низкую и высокую облученности для выращивания рассады огурцов и томатов в зимних теплицах. Внедрение в промышленные тепличные комплексы предложенной им электротехнологии переменного оптического облучения было затруднительно в силу недостаточного на тот момент уровня техники.
Представляет научный и практический интерес применение малоисследованных режимов питания натриевых ламп высокого давления (НЛВД) от источников постоянного тока. По имеющимся сведениям в этом случае можно увеличить их светоотдачу до 20 % и расширить диапазон регулирования светового потока. По-
этому использование такого режима позволило бы дополнительно снизить энергозатраты на искусственное облучение.
Предварительные испытания подтвердили сведения о возрастании до 20 % светоотдачи НЛВД при ее питании постоянным током. Однако при этом было обнаружено явление расслоения плазмы в горелке лампы, наступающее через 5-15 минут после ее включения и сопровождающееся снижением светового потока на 55-75 %. После смены полярности питающего напряжения это явление мгновенно исчезало, светотехнические параметры восстанавливались и режим работы сохранялся до повторного возникновения этого нежелательного явления через примерно такой же интервал времени. Смена полярности снова восстанавливала режим и все повторялось с такой же закономерностью. Однако увеличение светоотдачи при питании НЛВД постоянным током позволяет снизить энергозатраты при реализации технологии переменного оптического облучения. Поэтому исследование такого режима работы НЛВД представляет значительный интерес.
Практически полное отсутствие сведений и рекомендаций по этому вопросу поставило следующие цели предварительных научных исследований:
- определение предельно допустимой бес-токовой паузы, т. е. интервала времени на
в
№ 1(9), 2013!
Агроинженерия
13
переключение полярности, не вызывающего погасания лампы;
- определение времени горения лампы до момента появления расслоения плазмы в горелке;
- измерение электрических и светотехнических параметров до и после возникновения расслоения плазмы в горелке.
Для выполнения поставленных целей использовалась экспериментальная установ-
ка (рис. 1)[3, 4]. Производилась регистрация значения времени наступления режима расслоения плазмы разряда с момента переключения полярности питающего напряжения. Кроме того, люксметром (ТКА-ПКМ) фиксировали значения освещенности в контрольной точке на расстоянии 1 метра от НЛВД до появления режима расслоения разряда и в момент его возникновения.
Рисунок 1 - Принципиальная схема экспериментальной установки:
1 - трехфазный двухтактный выпрямитель; 2 - коммутатор изменения полярности; 4 - люксметр; 5 - пьезоэлектрическое зажигающее устройство; 6 - трехфазный автотрансформатор; 7 - программный задатчик;
8 - ЖК-дисплей
При проведении лабораторных исследований были выбраны НЛВД типа ДНаТ мощностью по 400 Вт (которым присвоили номера
1, 2 и 3) и три ДНаТ мощностью по 100 Вт (с номерами 4, 5 и 6). Электрические параметры выпрямительного блока питания устанавливались в соответствии с действующими стандартами [5, 6, 7].
В качестве балласта использовалось активное сопротивление R. Высокочастотный дроссель L служил заграждающим фильтром для импульсов, поступающих с пьезоэлектрического зажигающего устройства 5 в момент пуска лампы [8].
Первым электродом условно обозначен ближний к цоколю электрод горелки. Второй, соответственно, дальний электрод.
В программный задатчик, выполненный на основе микроконтроллера Atmel Attiny 2313, было установлено 25-минутное значение уставки переключения полярности питающего напряжения. Кнопкой SB можно было вручную производить переключение, не дожидаясь завершения времени уставки.
Для каждой лампы предусматривалось по 10 переключений. Проводилась регистрация освещенности Ен и Ер в контролируемой точке до и после расслоения плазмы соответственно, продолжительности интервалов времени с момента предыдущего переключения до момента появления расслоения плазмы. В та-
блице 1 показаны минимальные Ттт и максимальные Ттах значения этих интервалов и усредненные значения Ен и Ер.
Таблица 1 - Результаты экспериментальных исследований
№ лампы Полярность электродов Tmax, Ен, Ep,
1-го 2-го c c клк клк
1 - + 5SQ 6Q5 S,4±Q,7 3,2±Q,3
+ - б12 б44 9,Q±Q,7 3,S±Q,3
2 - + 55Q 57Q S,9±Q,7 3,4±Q,3
+ - б32 64Q S,7±Q,7 3,7±Q,3
3 - + 71Q 76Q S,S±Q,7 3,4±Q,3
+ - б17 7QQ S,9±Q,7 3,6±Q,3
4 - + 121Q 126s 4,6±Q,4 1,5±Q,1
+ - 1253 13Q2 4,S±Q,4 1,S±Q,1
5 - + 1225 1271 4,9±Q,4 1,7±Q,1
+ - 124Q 12SQ 5,Q±Q,4 1,3±Q,1
б - + 12Q1 1241 4,9±Q,4 1,5±Q,1
+ - 1212 1262 4,S±Q,4 1,4±Q,1
Фиксировали значения освещенности (Ен и Ер) в контрольной точке, напряжения (Ц и Up) и тока (/л и /р), протекающего через лампу, до появления режима расслоения разряда и после его возникновения соответственно и значения интервала времени Тс наступления этого явления с момен-
74
жквар™нй^...-.
Др Ставрополья
та последнего переключения. Для эксперимента выбрана лампа № 3 ДНаТ мощностью 400 Вт. Регистрировались вышеназванные параметры при различных режимах питания:
- при номинальном режиме питания. Экспериментальные данные представлены в таблице № 2;
- при повышенном и пониженном напряжении сети на 10 % (табл. 3-4). Данные режимы могут возникать по причине колебания напряжения сети (предельно допустимое значение установившегося отклонения напряжения на выводах приемников электрической энергии равно±10 % от номинального напряжения электрической сети по [5, 6, 7]).
Как следует из таблиц 2-4, продолжительность цикла горения НЛВД с момента пере-
ключения до наступления явления расслоения плазмы зависит от многих факторов.
Прежде всего, от номинальной мощности лампы (табл. 1). Чем мощнее источник света, тем короче этот временной интервал. Так, у ДНаТ400 по сравнению с ДНаТ100 в среднем происходит уменьшение этого параметра в 2 раза. Во-вторых, от индивидуальных скрытых от нас свойств каждой лампы. Как следует из таблицы 2, этот разброс может превышать почти 50 %. В-третьих, от полярности электродов, что приводит к разбросу, достигающему для отдельных ламп 10 %. В-четвертых, самая существенная зависимость - от режима питания: напряжения сети и тока лампы (табл. 2-4). Так, в пределах±10 % изменения питающего напряжения от номинального уровня время горения меняется почти в 2 раза.
Таблица 2 - Номинальный режим питания натриевой лампы высокого давления ДНаТ400
Полярность первого электрода Полярность второго электрода =5“ ил/иР -$< -$< 1л/1р Ен, клк Ер, клк Ен/Ер Т, с
- + 221±1 101±1 77±1 1,31 4,0±0,2 4,8±0,2 0,83 8,6±0,7 3,5±0,4 2,46 709
+ - 218±1 98±1 79±1 1,24 4,1±0,2 4,9±0,2 0,84 8,9±0,7 3,8±0,4 2,34 729
- + 218±1 97±1 76±1 1,28 4,1±0,2 4,9±0,2 0,84 8,5±0,7 3,5±0,4 2,43 703
+ - 219±1 100±1 78±1 1,28 4,1±0,2 4,9±0,2 0,84 8,9±0,7 3,8±0,4 2,34 725
- + 217±1 96±1 76±1 1,26 4,1±0,2 4,9±0,2 0,84 8,8±0,7 3,5±0,4 2,51 700
+ - 220±1 99±1 78±1 1,27 4,1±0,2 4,9±0,2 0,84 8,8±0,7 3,7±0,4 2,38 715
Таблица 3 - Режим превышения установившегося значения сетевого напряжения на 10 %
Полярность первого электрода Полярность второго электрода ил/ир 1л, А 1л/1р Ен, клк Ер, клк Ен/Ер Т, с
- + 238±1 110±1 86±1 1,28 4,8±0,2 5,9±0,2 0,81 11,3±0,7 5,0±0,4 2,26 628
+ - 241±1 115±1 86±1 1,34 4,4±0,2 5,4±0,2 0,80 11,4±0,7 5,2±0,4 2,19 648
- + 237±1 112±1 84±1 1,33 4,4±0,2 5,5±0,2 0,81 11,3±0,7 5,0±0,4 2,26 620
+ - 240±1 114±1 87±1 1,31 4,5±0,2 5,4±0,2 0,83 11,3±0,7 5,0±0,4 2,26 639
- + 239±1 112±1 84±1 1,33 4,4±0,2 5,5±0,2 0,80 11,2±0,7 5,0±0,4 2,24 618
+ - 241±1 114±1 86±1 1,33 4,4±0,2 5,5±0,2 0,80 11,4±0,7 5,1±0,4 2,24 633
Таблица 4 - Режим понижения установившегося значения сетевого напряжения на 10 %
Полярность первого электрода Полярность второго электрода ип, В и,л В ир, В ил/ир 1р, А 1л/1р Ен, клк Ер, клк Ен/Ер Т, с
- + 201±1 80±1 68±1 1,18 3,7±0,2 3,8±0,2 0,97 5,8±0,4 1,9±0,1 3,05 921
+ - 198±1 74±1 58±1 1,28 3,7±0,2 3,9±0,2 0,96 5,4±0,4 1,3±0,1 4,15 940
- + 199±1 78±1 68±1 1,15 3,6±0,2 3,7±0,2 0,97 5,5±0,4 1,8±0,1 3,06 914
+ - 203±1 74±1 60±1 1,23 3,7±0,2 3,8±0,2 0,97 5,2±0,4 2,2±0,1 2,18 938
- + 201±1 77±1 66±1 1,17 3,6±0,2 3,6±0,2 0,98 5,2±0,4 1,6±0,1 3,25 913
+ - 197±1 74±1 56±1 1,32 3,6±0,2 3,7±0,2 0,95 5,1±0,4 1,1±0,1 4,45 928
в
№ 1(9), 2013
Агроинженерия
75
Как показали вышеописанные экспериментальные исследования, при наступлении расслоения плазмы в горелке НЛВД изменяются электрические и оптические параметры, а именно:
- напряжение на лампе снижается на 1734 %;
- ток лампы возрастает на 5-20 %;
- световой поток лампы снижается на 5575 %.
В результате исследований установлено, что наиболее достоверным сигналом обратной связи для смены полярности питающего напряжения служит величина светового потока.
В завершение цикла экспериментальных исследований нельзя было оставить без внимания вопросы, касающиеся температурного режима работы электродов горелки НлвД при питании ее постоянным током.
Если в цепи переменного тока каждый из электродов поочередно в течение одного периода становится то анодом, то катодом, и период при этом в различных системах питания может изменяться от десятков миллисекунд (20 мс в сети промышленной частоты) до десятков микросекунд (при высокочастотном питании), то при питании лампы постоянным током эти временные интервалы достигнут сотен секунд.
Замерить температуру электродов НЛВД, учитывая, что горелка помещена в колбу, было затруднительно. Бесконтактным способом, например с помощью пирометра (Теэ^ 830-Т1), не удалось, так как мешал сильный фон высокотемпературной плазмы.
Поэтому была предложена следующая методика эксперимента. Разрушалась кварцевая колба и извлекалась горелка НЛВД, которая потом устанавливалась в стеклянном баллоне 1 (рис. 2), закрываемом толстой крышкой 2 из стеклотекстолита. На крышке закреплен штуцер 3 для подключения форвакуумного насоса 4 и вакуумметра 5.
Рисунок 2 - Экспериментальная установка для измерения температуры электродов горелки
Проводники хромель-копелевых термопар и провода для питания горелки протягивались
через засверлованные в крышке отверстия и герметизировались эпоксидным компаундом. Каждая термопара рабочим спаем закреплялась на соответствующем электроде. Измерительные приборы 6, 7были тщательно изолированы друг от друга и возможной «земли».
Результаты экспериментальных исследований температурных режимов электродов НЛВД представлены в таблицах 5, 6.
Таблица 5 - Экспериментальные данные температурных режимов электродов НЛВД при питании постоянным током
мин Ті, оС Т2, оС I, А иламп, В
1 110±4 (К) 277±4(А) 4,2±0,2 102±1
2 150±4 (К) 315±4(А) 4,1±0,2 105±1
3 168±4 (К) 320±4(А) 4,0±0,2 102±1
4 174±4 (К) 323±4(А) 4,0±0,2 104±1
5 175±4 (К) 325±4(А) 4,0±0,2 100±1
6 232±4 (А) 317±4 (К) 4,3±0,2 106±1
7 230±4 (А) 310±4 (К) 4,3±0,2 108±1
8 227±4 (А) 306±4 (К) 4,2±0,2 105±1
9 229±4 (А) 307±4 (К) 4,0±0,2 107±1
10 236±4 (А) 306±4 (К) 4,0±0,2 106±1
Таблица 6 - Экспериментальные данные температурных режимов электродов НЛВД при питании переменным током
Ї, мин Т1, оС Т2, оС I, А иламп, В
1 89±4 199±4 4,3±0,2 102±1
2 155±4 290±4 4,2±0,2 105±1
3 190±4 309±4 4,2±0,2 102±1
4 203±4 316±4 4,2±0,2 104±1
5 207±4 314±4 4,2±0,2 100±1
6 207±4 306±4 4,3±0,2 106±1
7 208±4 303±4 4,3±0,2 108±1
8 201±4 312±4 4,2±0,2 105±1
9 205±4 315±4 4,2±0,2 107±1
10 207±4 314±4 4,2±0,2 106±1
Как показала экспериментальная проверка температурных режимов электродов НЛВД при питании лампы постоянным током (табл. 5) температура электрода, являющегося анодом, выше температуры электрода-катода.
Однако, сравнивая данные, представленные в таблицах 5 и 6, можно сделать вывод, что температуры электродов, являющихся анодами, в режиме питания постоянным током соизмеримы с температурами электродов при питании их током промышленной частоты, что позволяет использовать НЛВД в режиме питания постоянным током.
76
жквар™нй^...-.
Др Ставрополья
Литература
1. Минаев И. Г, Молчанов А. Г., Самойлен-ко В. В. Инновационная концепция регулирования факторов внешней среды растений // Достижения науки и техники АПК. 2010. № 9. С. 58-60.
2. Минаев И. Г, Молчанов А. Г., Самойлен-ко В. В. Энергосберегающая система управления источниками оптического облучения в теплицах // Материалы научнопрактической конференции «Инновационные разработки молодых ученых Юга России». Ставрополь : СнИИЖК, 2012. С.37-40.
3. Минаев И. Г, Шарапов В. М., Самойлен-ко В. В., Ушкур Д. Г Программируемые логические контроллеры в автоматизированных системах управления // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2011. № 7. С.100-102.
4. Пат. 2459392 Российская Федерация, МПК 9 Н05В41/00. Способ питания натриевых ламп высокого давления и устройство для его осуществления / Минаев И. Г, Молчанов А. Г, Самойленко В. В. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. № 2011126046/07 ; за-явл. 27.06.2011 ; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23.
5. ГОСТ 21128-83. Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии.
6. ГОСТ 721-77. Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии.
7. ГОСТ Р53073-2008. Лампы натриевые высокого давления. Эксплуатационные требования.
8. Пат. 2454045 Российская Федерация, МПК 9 Н05В41/24. Зажигающее устройство для газоразрядных ламп высокого давления / Минаев И. Г, Самойленко В. В. ; заявитель и патентообладатель Ставропольский государственный аграрный университет (Яи). № 2011111698/07 ; заявл. 28.03.2011 ; опубл. 20.06.2012, Бюл. № 17.
References
1. Minaev I. G., Molchanov A. G., Samoylen-ko V. V. The innovative concept of regulation of environmental factors of plant // Achievements of science and technology in agribusiness. 2010. № 9. P. 58-60.
2. Minaev I. G., Molchanov A. G., Samoylen-ko V. V. Energy-saving control system of sources of optical radiation in greenhouses // Proceedings of the Conference «Innovation development of young scientists in southern Russia». Stavropol : SNIIZHK, 2012. P 37-40.
3. Minaev I. G., Sharapov V. M., Samoilen-ko V. V., Ushkur D. G. Programmable logic controllers in automated control systems // International Journal of Applied and Basic Research. 2011. № 7. P 100-102.
4. Pat. 2459392 Russian Federation, IPC 9 N05V41/00. Powering high pressure sodium lamps and device for its implementation / Minaev I. G., Molchanov A. G., Samoylen-ko V. V. ; applicant and patentee FSBEI HPE Stavropol State Agrarian University. № 2011126046/07 ; appl. 27.06.2011 ; publ. 20.08.2012, Bull. № 23.
5. GOST 21128-83. Power supply systems, networks, power, transmitters and receivers of electricity.
6. GOST 721-77. Power supply systems, networks, power, transmitters and receivers of electricity.
7. GOST R53073-2008. High-pressure sodium lamps. Operating requirements.
8. Pat. 2454045. Russian Federation, IPC 9 N05V41/24. Ignitor for HID lamps high pressure / Minaev I. G., Samoilenko V. V. ; applicant and patentee of public Stavropol State Agrian University (RU). № 2011111698/07 ; appl. 28.03.2011 ; publ. 20.06.2012, Bull. № 17.
