Influenta calitatii tensiunii de alimentare asupra parametrilor lampilor fluorescente

INFLUENTA CALITATII TENSIUNII DE

ALIMENTARE ASUPRA PARAMETRILOR FUNCTIONALI AI LAMPILOR  FLUORESCENTE

1. Scopul lucrarii

In cadrul lucrarii se analizeaza dependenta de valoarea tensiunii de alimentare a principalilor parametrii energetici si functionali ai lampilor fluorescente : intensitatea curentului electric absorbit, puterea activa absorbita, fluxul luminos emis, eficienta luminoasa, impedanta interna. De asemenea, in cadrul lucrarii se pune in evidenta caracterul defazant si deformant al receptorului. Se analizeaza posibilitatea de compensare a factorului de putere prin utilizarea de condensatoare de compensare sau prin utilizarea de montaje speciale. Se pune in evidenta efectul stroboscopic al lampilor si se analizeaza posibilitatea limitarii acestui efect.

2. Aspecte teoretice

Lampile fluorescente sunt lampi cu descarcari electrice in atmosfera de vapori de mercur de joasa presiune (presiunea partiala a vaporilor de mercur (0,1.10)Pa ). Pentru amorsarea descarcarii electrice, in lampa se introduce si argon avand o presiune partiala de (1.5) 10² Pa.

Descarcarea electrica in atmosfera de vapori de mercur de joasa presiune conduce la aparitia de radiatii care apartin in special spectrului ultraviolet (lungimea de unda circa 253 nm). Radiatiile ultraviolete sunt transformate in radiatii vizibile de catre substanta fluorescenta plasata pe peretele interior al tubului de descarcare.

Dimensiunile geometrice ale tubului de descarcare depind de puterea lampii (vezi anexa 3). In functie de aceasta, eficienta lampii prezinta valori cuprinse intre (40.70) lm/W. Progresele realizate in ultima perioada in domeniul substantelor fluorescente, permit cresterea eficientei luminoase a acestor lampi pana la 100 lm/W.

Lampa functioneaza numai echipata cu starter si balast (fig. 2.1). Balastul B are urmatoarele functii : limiteaza valoarea curentului electric de incalzire a filamentelor in intervalul de timp in care starterul St este scurtcircuitat, limiteaza valoarea curentului electric prin tubul de descarcare T la functionarea in regim normal, contribuie la realizarea supratensiunii necesara amorsarii descarcarii electrice in tubul T.

Starterul St se compune dintr-un tub cu descarcari electrice luminiscente T si un condensator C si are urmatoarele functii : asigura conditiile pentru incalzirea filamentelor tubului proncipal T, (prin scurtcircuitarea electrozilor sai) si realizeaza o intrerupere brusca a circuitului inductiv, ceea ce conduce la aparitia la bornele tubului T a unei supratensiuni de amplitudine suficiene de mare pentru amorsarea descarcarii electrice intre filamentele F₁ si F₂. Condensatorul C contribuie la cresterea duratei supratensiunii la bornele tubului principal T si asigura limitarea nivelului perturbatiilor de inalta frecventa care apar pe durata conectarii lampii.

Functionarea corecta a lampii impune realizarea inegalitatilor

U_f<U_{a, St}<U_N<U_aL (2.1)

unde :

U_f este tensiunea de functionare a tubului T,

U_{a, St} - tensiunea de amorsare a starterului St,

U_N - tensiunea nominala a lampii,

U_aL - tensiunea de amorsare a descarcarii in tubul principal T.

Nerespectarea inegalitatilor de mai sus conduce la nefunctionarea lampii. In mod uzual, la lampile uzate nu este respectata inegalitatea U_f<U_{a, St}

La alimentarea lampii cu tensiune nominala, are loc amorsarea descarcarii electrice in tubul T^' al starterului. Pe durata descarcarii, intensitatea curentului electric in circuit este limitata de balastul B si de rezistenta electrica a filamentelor F₁ si F₂. Datorita acestei descarcari electrice, electrozii tubului T^' se incalzesc, iar unul dintre acestia care este realizat dintr-o lamela bimetalica arcuita, isi modifica forma, astfel incat ajunge sa atinga electrodul opus.

Datorita contactului intre electrozii starterului, intensitatea curentului electric in circuitul de alimentare creste, asigurand astfel o incalzire rapida a filamentelor F₁ si F₂. Dupa realizarea contactului intre electrozii starterului, acestia se racesc si, la un moment dat, electrodul bimetalic isi recapata forma initiala conducand la intreruperea circuitului. In circuitul inductiv ce cuprinde balastul B si in prezenta condensatorului C, la bornele tubului principal T apare o supratensiune care conduce la amorsarea descarcarii electrice in interiorul acestuia. Descarcarea se dezvolta in argon si apoi prin evaporarea mercurului aflat sub forma lichida in interiorul tubului, se realizeaza descarcarea in atmosfera de vapori de mercur.

Tensiunea U_f la bornele tubului principal de descarcare este inferioara tensiunii de amorsare a starterului si deci acesta nu mai are nici un rol.

Intensitatea curentului electric in descarcarea din interiorul tubului T este limitata de balastul B. Limitarea intensitatii curentului electric in descarcarea principala in tubul T cu ajutorul balastului B (de regula inductiv) conduce la aparitia unui defazaj important intre fazorul tensiunii aplicate si fazorul curentului electric absorbit.

Deoarece curentul electric i din circuit (fig. 2.2) are o forma alternativa, temperatura canalului arcului electric (dependenta de patratul intensitatii curentului prin arcul electric) prezinta o variatie in timp (cu o frecventa dubla fata de cea a curentului electric in circuit) si deoarece inertia termica a canalului arcului electric este redusa, fluxul luminos emis F este variabil in timp. La fiecare trecere prin zero a curentului electric, fluxul luminos va prezenta o valoare minima F_m, iar la valoarea maxima a curentului electric, fluxul luminos atinge valoarea sa maxima. Apare in acest fel un efect de palpaire care face ca obiectele luminate cu astfel de lampi si aflate in miscare continua sa apara ca avand o miscare sacadata (efect stroboscopic).

Una din metodele cele mai eficiente pentru limitarea efectului stroboscopic dar si pentru compensarea defazajului dintre tensiunea aplicata si curentul electric in circuit este folosirea lampilor fluorescente in montaj duo (fig. 2.3)

Tubul T functioneaza ca si in cazul unui montaj mono (fig. 2.1). Balastul B₂ are un caracter capacitiv, condensatorul C₂ fiind astfel ales incat impreuna cu bobina X_L conectata in serie sa conduca la o reactanta capacitiva practic egala, ca valoare, cu reactanta inductiva a bobinei X_L. Ansamblul celor doua lampi va fi caracterizat de un factor de putere mai mare de 0,95.

In figura 2.3 este prezentata si diagrama fazoriala a curentilor din circuit.

Pentru realizarea supratensiunii necesara amorsarii tubului principal T pot fi utilizate si montaje fara starter. In fig. 2.4 este prezentata schema cu circuit rezonant serie.

Pana la amorsarea descarcarii eloectrice in tubul T, tensiunea U la bornele tubului este superioara tensiunii de amosare a acestuia, asigurand astfel amorsarea descarcarii in tubul principal. Dupa amorsarea descarcarii in tubul T, limitarea intensitatii curentului electric este realizata de elementul X_L1 din ansamblul BRB, iar circuitul capacitiv conectat in paralel cu tubul principal asigura compensarea factorului de putere (l >0,95).

In figura 2.4 sunt indicate si diagramele fazoriale ale marimilor electrice, inainte (a) si dupa amorsarea descarcarii electrice in lampa (b).

3. Schema utilizata

In fig. 2.5 au fost utilizate notatiile :

AT este autotransformator reglabil;

C - condensator pentru compensarea factorului de putere,

R - rezistor pentru descarcarea condensatorului C ( rezistorul de descarcare este conectat rigid la bornele condensatorului ),

B₁, B₂ - balasturi inductive,

C₂ - condensator din schema balastului capacitiv,

T₁, T₂ - tuburi fluorescente,

St - starter,

OC - osciloscop catodic,

b₁, b₂, b₃ - intrerupatoare monopolare,

TF - traductor de flux luminos,

SAD - sistem de achizitie de date,

PC - calculator.

4.Modul de lucru

Dupa efectuarea montajului mono fara compensare ( b₁ si b₃ deschise, b₂ inchis ), se variaza tensiunea aplicata si se determina tensiunea U_a,st de amorsare a starterului.

Se variaza tensiunea aplicata montajului mono fara compensare, in intervalul (0,85.1,1)U_N iar marimile masurate se inscriu in tabelul 2.1.

La tensiunea nominala U_N aplicata montajului, se determina factorul de putere si se calculeaza capacitatea condensatorului C de compensare, astfel incat factorul de putere sa ajunga la valoarea dorita. Valoarea condensatorului de compensare rezulta din relatia :

(2.2)

in care : ω este pulsatia tensiunii aplicate,

U_N - tensiunea nominala a lampii,

φ_d - unghiul de defazaj dorit (corespunzator unui factor de putere neutral),

φ_r - unghiul de defazaj al lampii la alimentare cu tensiune nominala,

P - puterea absorbita de lampa la tensiunea nominala.

Pentru descarcarea condensatorului C dupa intreruperea tensiunii de alimentare, se utilizeaza rezistorul de descarcare R avand o valoare de (0,5.1,0)MΩ.

Se realizeaza montajul duo (b₁ si b₂ inchise iar b₃ deschis) si se va aprecia, cu ajutorul osciloscopului OC, defazajul curentului electric in circuit, in raport cu tensiunea aplicata.

Pe monitorul calculatorului se pune in evidenta caracterul defazant al lampii pentru montajul mono (b₂ inchis si actionand intrerupatorul b₃) si practic nedefazant pentru montajul duo. De asemenea, se pune in evidenta caracterul deformant al receptorului.

Se realizeaza montajul rezonant serie si se determina, pe monitorul calculatorului, defazajul curbei curentului in circuit in racord cu curba tensiunii aplicate.  4.7 Se conecteaza traductorul de flux luminos la una dintre intrarile osciloscopului si se pune in evidenta curba de variatie a fluxului luminos comparativ cu curba curentului electric in circuitul lampii.

Tabelul 2.1

Caracteristici ale lampilor fluorescente

5. Chestiuni de studiat

Se determina tensiunea de amorsare a starteruluiU_a,st , tensiunea la bornele lampii pe durata de functionare U_f, tensiunea de amorsare a lampii U_al si se verifica inegalitatea :

U_f < U_a,st < U_N < U_al ,

in care U_N este tensiunea nominala a lampii.

Se traseaza curbele :

 ;  ;  ;

 ; ,

in care U este tensiunea electrica la bornele lampii studiate, Z - impedanta lampii, I intensitatea curentului electric in circuitul lampii, P - puterea activa absorbita de lampa, h - eficienta luminoasa a lampii, F - fluxul luminos emis de lampa, D - durata de viata a lampii ; indicele "N " se refera la valorile nominale ale parametrilor.

Variatia in functie de tensiunea aplicata a eficacitatii minoase se determina plecand de la relatia care descrie variatia fluxului luminos in functie de tensiunea aplicata :

.

Caracteristicile fotometrice ale lampilor utilizate sunt indicate in anexa 3.

Deoarece in domeniul tensiunilor aplicate toate marimile variaza dupa o relatie de forma:

se vor determina, pe baza masuratorilor efectuate, valorile exponentului k pentru curbele de variatie ale curentului electric, puterii absorbite, eficientei luminoase si impedantei lampii.Coeficientul k va fi determinat pe baza coeficientilor k_i corespunzatori fiecarei masuratori efectuate, prin metoda celor mai mici patrate (vezi anexa 9).

Se va determina valoarea condensatorului de compensare C si se va verifica pe monitorul calculatorului modificarea unghiului de defazaj la introducerea condensatorului C. Se va pune in evidenta si accentuarea caracterului deformant.

Pentru tensiunea nominala aplicata montajului mono, se determina cu ajutorul traductorului de flux luminos TF coeficientul de neuniformitate al fluxului luminos :

in care s-a notat cu F_m valoarea minima a fluxului luminos pe durata unei perioade a tensiunii aplicate, iar cu F_M , valoarea maxima a fluxului luminos in acelasi interval de timp.

Se va realiza montajul duo si se va determina prin calcul factorul de putere la tensiunea nominala.

Pe monitorul calculatorului se va aprecia caracterul deformant si defazant al lampii fluorescente.

Se vor reprezenta grafic formele specifice ale tensiunii la bornele tubului principal T, curentului electric in circuitul lampii, tensiunii de alimentare si fluxului luminos, pentru cazul schemelor mono si duo.