Энергосберегающее регулирование сельских осветительных электроустановок на основе компактных люминесцентных ламп с высокочастотными пускорегулирующими аппаратами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат технических наук Амузаде, Александр Сергеевич

• Амузаде, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Амузаде, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Основные понятия и определения

1.2 Анализ физических процессов в люминесцентных лампах

1.2.1 Газовый разряд в люминесцентной лампе

1.2.2 Процессы на электродах и в приэлектродных областях люминесцентных ламп

1.2.3 Процессы преобразования энергии в люминофорах люминесцентных ламп

1.2.4 Энергетические характеристики люминесцентных ламп

1.3 Обзор пускорегулирующих аппаратов для люминесцентных ламп

1.3.1 Высокочастотные пускорегулирующие аппараты для люминесцентных ламп

1.3.2 Микросхемы активных схем коррекции коэффициента мощности

1.3.3 Микросхемы двухтактных генераторов

1.3.4 Характеристики регулируемых высокочастотных пускорегулирующих аппаратов

1.4 Постановка и формализация задачи исследования высокочастотного электронного пускорегулирующего аппарата для компактных люминесцентных ламп

1.4.1 Анализ требований к пускорегулирующему аппарату

1.4.2 Формализация объекта управления и задачи исследования 32 ВЫВОДЫ

2 ВЫБОР МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПАКТНЫХ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП И ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ

2.1 Выбор методики исследования характеристик компактной люминесцентной лампы для оптимизации

2.1.1 Анализ полезного срока службы

2.2 Исследование характеристик компактных люминесцентных ламп

2.3 Обзор и анализ существующих моделей люминесцентных ламп

2.3.1 Физические модели

2.3.2 Алгебраические аппроксимации В АХ ламп

2.3.3 Дифференциальные аппроксимации ВАХ ламп

2.3.4 Анализ моделей люминесцентной лампы

2.4 Формирование модели компактной люминесцентной лампы для оптимизации

ВЫВОДЫ

3 ОПТИМИЗАЦИЯ ЗАКОНОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕННОЙ МОДЕЛИ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ ЛАМПЫ

3.1 Выбор критерия оптимизации

3.2 Исследование ограничений задачи оптимизации

3.3 Решение задачи оптимизации

3.4 Анализ результатов решения 77 ВЫВОДЫ

4 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩЕГО

АППАРАТА ДЛЯ КОМПАКТНОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ ЛАМПЫ

4.1 Анализ требований к устройству управления высокочастотным пускорегулирующим аппаратом

4.2 Синтез устройства управления

4.2.1 Управление инвертирующим активным корректором коэффициента мощности

4.2.2 Высокочастотный генератор

4.3 Отладка устройства управления 100 ВЫВОДЫ

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ВАРИАНТА ОБОРУДОВАНИЯ ОСВЕЩЕНИЯ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ

5.1 Методика определения экономической эффективности

5.2 Расчет экономической эффективности

5.3 Анализ результатов расчета

5.4 Разработка технического задания на высокочастотный пускорегулирующий аппарат для компактной люминесцентной лампы

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергосберегающее регулирование сельских осветительных электроустановок на основе компактных люминесцентных ламп с высокочастотными пускорегулирующими аппаратами»

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 мало. экономичных автономных бензиновых и дизельных электростанций малой мощности, имеющие нестабильное выходное напряжение. Кроме того, сущест-г вует 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. I

Компактные люминесцентные лампы (KJIJI) - это новый класс высокоэффективных источников света массового применения. Они находят применеЧ ние в тех же областях, что и трубчатые люминесцентные лампы. Главными особенностями применения таких ламп являются повышенная световая отдача (до 90. 110 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 № 2000/55/EG, начиная с 2000 г. источ-*■ ники 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 (ц, 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:

1) класс А (трубчатые ЛЛ с повышенной т] > 90 лм/Вт, KJIJI со встроенным электронным ПРА и цоколем Е27);

2) класс В (КЛЛ с л < 60 лм/Вт);

3) 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:

1) с 21 мая 2002 г. - ПРА класса D;

2) 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 функциональных. 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:

1. Проанализировать существующие математические модели и разработать модель KJ1JI, позволяющую учитывать её основные эксплуатационные параметры и решать задачу их оптимизации в составе комплекта ПРА - KJTJ1.

2. Сформулировать математически задачу оптимизации комплекта ПРА -КЛЛ, включая: разработку математической модели объекта оптимизации, обоснование критерия и выбор метода оптимизации, формирование ограничений на управляющие воздействия.

3. 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:

1. 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.

2. Математическая формулировка и решение задачи оптимизации комплекта ПРА - КЛЛ по критерию максимальной световой отдачи, позволяющие синтезировать энергоэффективные законы регулирования.

3. Энергоэффективные законы регулирования ПРА для КЛЛ.

4. Схема и алгоритм управления инвертирующим активным корректором коэффициента мощности схемы ПРА-КЛЛ.

Практическую ценность работы составляет:

Методика анализа полезного срока службы KJIJT, 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.

Заключение диссертации по теме «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве», Амузаде, Александр Сергеевич

ВЫВОДЫ j

1. Оптимальным является вариант освещения с ВЧ ПРА на КЛЛ. !

2. При данном уровне цен на комплектующие и лампы, дополнительные : капиталовложения варианта освещения телятника-профилактория на ВЧ ПРА КЛЛ окупают себя за 1.344 года в сравнении с вариантом освещения на ЭМ ПРА ЛЛ, что лежит в пределах срока, установленного инвестором. , I

3. Экономия электроэнергии по варианту освещения на ВЧ ПРА КЛЛ в | сравнении с вариантом на ЭМ ПРА ЛЛ составляет 32216 кВт-ч/год (50 %). При | j этом экономия затрат на электроэнергию составляет 40592.2 руб./год, a j экономия эксплуатационных расходов равна 35166.4 руб./год. !

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ существующих математических моделей позволил разработать модель КЛЛ, учитывающую основные эксплуатационные и световые параметры люминесцентных ламп, а также проанализировать влияние электрических величин на основные выходные параметры лампы. Применение модели позволяет определить рациональные параметры регулирования ламп в | составе комплекта ПРА-КЛЛ. !

Разработан компьютерный стенд для экспериментальных исследований параметров ламп и методика расчета полезного срока службы для целей идентификации уравнений модели КЛЛ.

2. Сформулирована математическая задача оптимизации лампы, включающая в себя: разработку математической модели объекта оптимизации на основе световых и эксплуатационных параметров лампы, обоснование критерия оптимизации и выбор метода решения задачи оптимизации, формирование ограничений на управляющие воздействия.

3. Синтезированы оптимальные энергоэффективные законы регулирования КЛЛ в составе ВЧ ПРА-КЛЛ. При этом достигается повышение | световой отдачи КЛЛ на 40-60 % от номинального значения.

4. Синтезирована схема управления ВЧ ПРА, основанная на новых эффективных законах регулирования. Разработанный в составе ВЧ ПРА, инвертирующий АККМ обеспечивает стабилизацию режима работы лампы при изменениях сетевого напряжения. Разработанный в составе ВЧ ПРА, ВЧ генератор для питания лампы обеспечивает стабилизацию амплитуды прямоугольного напряжения на лампе. На обе разработки идентифицированы формулы расчета статического режима на требуемую электрическую нагрузку.

5. Исследован экспериментально разработанный образец ВЧ ПРА КЛЛ. Производственные испытания показали, что образец ВЧ ПРА отвечает предъявляемым требованиям к энергоэффективности закона регулирования, j Экономия электроэнергии от применения ВЧ ПРА КЛЛ составляет не менее 40-1 60 %.

6. Оптимальным является вариант освещения с ВЧ ПРА на КЛЛ.

7. При данном уровне цен на комплектующие и лампы, дополнительные капиталовложения варианта освещения телятника-профилактория на ВЧ ПРА

КЛЛ окупают себя за 1.344 года в сравнении с вариантом освещения на ЭМ | ПРА ЛЛ, что лежит в пределах срока, установленного инвестором. '

8. Экономия электроэнергии по варианту освещения на ВЧ ПРА КЛЛ в сравнении с вариантом на ЭМ ПРА ЛЛ составляет 32216 кВт-ч/год (50 %). При этом экономия затрат на электроэнергию составляет 40592.2 руб./год, а экономия эксплуатационных расходов равна 35166.4 руб./год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Амузаде, Александр Сергеевич, 2004 год

1. Смета затрат на комплектующие для ВЧ ПРА 36/220.142

2. Наименование и область применения

3. Высокочастотный пускорегулирующий аппарат для компактных люминесцентных ламп, именуемый в дальнейшем «ВЧ ПРА КЛЛ».

4. Область применения: люминесцентное освещение для:1. жилых домов персонала и административных зданий;2. производственно-технологических помещений.

5. ВЧ ПРА КЛЛ планируется выпускать на ООО ПКП «Статус» в виде опытных образцов.

6. Задание «Энергосберегающее регулирование сельских осветительных электроустановок на основе компактных люминесцентных ламп» ООО ПКП «Статус».

7. Тема: Разработка энергоэффективного высокочастотного ПРА для компактных люминесцентных ламп.1.I I128 j1.

8. Цель и назначение разработки

9. Наименование и характеристика существующего устройства. Электромагнитный пускорегулирующий аппарат для люминесцентныхламп, содержащий индуктивный дроссель, стартер и конденсатор, jIпредназначенный для работы на частоте питающей сети. ;

10. Ориентировочная потребность в разрабатываемом устройстве: !!• I

11. Около 50 тысяч штук в год.33. Источник финансирования.1.i

12. Статья расходов предприятия на техническое перевооружение.

13. Максимально допустимая стоимость работ.

14. Составляет по смете около 3000 руб.

15. Сроки начала и конца разработки техно-рабочего проекта. По согласованию с заказчиком.4. Источники разработки

16. Информационные материалы на высокочастотные пускорегулирующие аппараты для люминесцентных ламп, изданные в РФ и за рубежом.

17. Технические условия на высокочастотные пускорегулирующие устройства для разрядных ламп.

18. Техническая документация на источники освещения и облучения ВНИИИС.44. Материалы из Internet.

19. Режимы работы высокочастотного пускорегулирующего устройства

20. Параметры, характеризующие работу устройства и его режимы работы.51.1. Основные режимы: режим зажигания (включая предварительный подогрев электродов), переходной режим (режим разгорания), установившийся рабочий режим.

21. Режим зажигания ВЧ ПРА характеризуется снижением частоты выходного напряжения через заданный промежуток времени.

22. Переходный режим не должен превышать 90 сек, по истечении которых режим работы лампы должен стабилизироваться.

23. Переход с режима зажигания в рабочий режим ВЧ ПРА КЛЛ ; должен происходить автоматически, при изменении сопротивления нагрузки или превышении регламентируемого времени зажигания лампы.

24. Допустимые отклонения выходных параметров.

25. Выходной параметр Двойная амплитуда напряжения зажигания,1 В Амплитуда рабочего напряжения на лампе, В Коэффициент мощности А, Рабочая частота тока лампы, кГц

26. Номинальная величина 400 130 0,93 40

27. Величина отклонения, % ±5 % ± 5 % ± 2,5 % ±5%1.I

28. Условия эксплуатации устройства J1 I1.I

29. В табл 6.1 приведена характеристика условий, в которых работает устройство.1.I i