Енергийно-ефективни решения за осветителни уредби с ...

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - СОФИЯЕЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИ ФАКУЛТЕТКАТЕДРА „ЕЛЕКТРОСНАБДЯВАНЕ, ЕЛЕКТРООБЗАВЕЖДАНЕ ИЕЛЕКТРОТРАНСПОРТ”Професионално направление:5.2. “Електротехника, електроника и автоматика”Научно направление:“Светлинна техника и източници на светлина”МАГ. ИНЖ. КАМЕЛИЯ ТОДОРОВА НИКОЛОВАЕнергийно-ефективни решения заосветителни уредби с халогеннинажежаеми лампи и светлодиодиАВТОРЕФЕРАТна дисертационен трудза придобиване наобразователна и научна степен “ДОКТОР”Научен ръководител:Проф. д-р инж. Ангел Саракинов Пачаманов, ТУ - СофияНаучно жури:1. Проф. дтн Димитър Димитров, ТУ-Варна2. Проф. дтн Емил Рац, ТУ-София3. Проф. д-р Ангел Пачаманов, ТУ-София4. Доц. д-р Стойо Платиканов, ТУ-Габрово5. Доц. д-р Ганчо Ганчев, пенсионер МГУ-СофияРезерви: Проф. Никола Трифонов, ТУ-София; Доц. Захари Иванов, ТУ-СофияСофия 2012

Дисертационният труд е обсъден и насрочен за защита от разширен катедрен наученсъвет на катедра „Електроснабдяване, електрообзавеждане и електротранспорт” наЕлектротехнически факултет към Технически университет – София на 20.02.2012 г.Докторантът е зачислен в редовна докторантура към катедра ЕСЕОЕТ на 01.07.2004 г.След прекъсване от 2 години по майчинство и удължение на срока с 6 месеца е отчислен справо на защита през 2010 г. От същата година работи като асистент в катедра „Общаелектротехника”, ЕФ при Технически университет – София.Изследванията по дисертационния труд са извършени в катедра „Електроснабдяване,електрообзавеждане и електротранспорт” и катедра „Обша електротехника” наЕлектротехническия факултет при Технически университет – София.Дисертационният труд съдържа 220 страници със 234 фигури и 33 таблици. Състои сеот увод, пет глави, библиография, заключение, списък на публикациите по труда и 61 стр.приложения. Цитирани са 132 литературни източника, от които 30 на кирилица и 102 налатиница. По труда са направени 6 публикации - 4 на конференции с международно участиев България и чужбина (София 2005, Варна 2010, Габрово 2011 и Дорнфелд, Германия 2011);2 в годишници на университети (ТУ–София 2009 и 2010);Защитата на дисертационния труд ще се състои на 19.06.2012 г. от 14 ч. в зала 12126„Проф. Димитър Димитров” на Електротехнически факултет на заседание на научно жури,назначено със заповед на Ректора на Технически университет-София.Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се в канцеларията наЕлектротехнически факултет.Aвтор: Камелия Тодорова НиколоваЗаглавие: Енергийно-ефективни решения за осветителни уредби с халогеннинажежаеми лампи и светлодиодиТираж: 50бр.Печатна база при ТУ - София2

Увод и актуалност на проблемаХалогенните нажежаеми лампи (ХНЛ) се прилагат широко за рекламно, сценично истудийно осветление, както и в хотелиерския и обслужващия сектор. Основните импредимства са ниската цена, компактните размери и доброто цветопредаване на осветяванитеобекти. Недостатъци на този вид светлинни източници спрямо техните алтернативи сасравнително краткия живот и малкия светлинен добив, който е предпоставка за нискаенергийна ефективност на изпълнените с тях осветителни уредби (ОУ).Делът на осветлението в хотелиерския сектор съставлява 12% от общото потребление приизцяло електрифицирано оборудване, а при газифициране на сградата - 45%. Резултатите отанализа на потреблението на електроенергия в осветителни уредби на обществени сградипоказват, че над 50% от нея може да бъде спестена, ако се използват съвременни средства заповишаване на ефективността на осветлението, включително повишаване на изискваниятакъм устройствата за управление – надеждност, регулиране на светлинния поток наосветителите по ниво на естествената осветеност, сензори за присъствие на хора впомещенията, програмируеми контролери за управление на осветлението.Фиг.1.1. Консумирана енергия в хотелиерския сектор при изцяло електрифицирано оборудванеа) без да са предприети мерки за повишаване на енергийната ефективност;б) при предприети мерки за повишаване на енергийната ефективностПовишаването на енергийната ефективност на уличното осветление също представляваактуален въпрос. Изискванията за осветление на обществени места традиционно сеопределят от съображения за безопасност на движението по пътното платно и получаваноточувство за сигурност при пешеходци, особено в гъсто населените райони. В този аспект емного важно да се изберат подходящи светлинни решения със съответстващексплоатационен режим, които да осигурят не само качествено осветяване, но и надежден иикономичен режим на работа на уредбата.Глава първа - Състояние на проблема, определяне на цел изадачи на дисертационния труд1.1. Ефективност на осветителни уредби с ХНЛ и СДЕфективното изпълнение на една осветителна уредба (ОУ) се определя от множествофактори. Освен използване на светлинни източници с висок светлинен добив и ефективнонасочване на светлинния поток, съществен принос имат експлоатационните режими насветлинните източници (СИ), определяни от използваните захранващи и управляващиустройства (системи). Осигуряването на безпроблемен режим на работа, който съхранява иудължава живота на СИ е съществен проблем, който може да допринесе за повишаване наефективността на ОУ, изпълнени с ХНЛ. Съществуват множество решения и богатаелементна база за разработване на захранващи и управляващи устройства. В литературнотопроучване са разгледани области на приложение, технологични и конструктивни особеностина най-разпространените ХНЛ и на наличните устройства за осигуряване на пускови иексплоатационни режими - както в българската, така и в чуждестранната литература.3

Съвременните тенденции в осветителната техника са към все по-масово приложение нанай-перспективните СИ, светлодиодите (СД). Независимо от предлагането на разнообразнивъзможности за осветяване със светлодиодни осветители (СДО), те все още представляватзначителна първоначална инвестиция, което ограничава масовата им употреба.Захранването на СД е тясно свързано с конструктивното изпълнение на осветителите.Производителите непрекъснато разработват и предлагат различни топологии, които целятзадоволяване на нарастващите разнообразни потребности за осветители със СД, катотенденция е да се използват захранващи източници с изход на константен ток. Актуално иоригинално решение за повишаване на ефективността на уредби със ХНЛ може да бъдеприлагането на групови захранващи устройства. Освен удължаване на живота на ХНЛ,използването на захранващи устройства с изход на константен ток позволява лесна замяна накласическите ОУ с ХНЛ със светлодиодни, без промяна на топологията на инсталациите.41.2. Цел и задачи на дисертационния трудНаправеното литературно проучване показва липсата на подробни изследвания заексплоатационни режими на ХНЛ при захранване от източник на ток. Освен товаизползваните напоследък иновативни технологии за производство на ХНЛ с повишенсветлинен добив се характеризират с различни от стандартните конструктивни особености.Тези особености определят различно поведение на СИ при еднакви номинални електрическипараметри. От друга страна, тъй като ХНЛ са представители на СИ с най-нисък светлинендобив, а СД – на най-перспективните, обезпечаването на безпроблемната им работа приеднакви инсталационни условия може съществено да допринесе за реализирането наенергийно-ефективни решения на съществуващи осветителни уредби. Ето защо дисертациятаима за цел намиране на енергийно-ефективни решения за осветителни уредби схалогенни нажежаеми лампи при поетапната им замяна със светлодиоди. За постиганетой е необходимо да се решат следните задачи:1. Изследване ефективността на съвременни осветителни уредби с халогеннинажежаеми лампи и светлодиоди и определяне на експлоатационните им режими наработа (Глава втора);2. Моделиране на процесите в светлинните източници с цел изследване наповедението им в избрани експлоатационни режими. Оценка на достоверността намоделите посредством експеримент (Глава трета);3. Изследване на алтернативи за групово захранване за най-масово използванитехалогенни нажежаеми лампи, осигуряващи надеждност, безпроблемна експлоатация исъвместимост при замяна със светлодиоди (Глава четвърта);4. Разработване, реализация и изследване на групови захранващи и управляващиустройства посредством достоверни модели на светлинни източници и елементи назахранващите устройства (Глава пета);5. Анализ на постигнатите режими на работа на светлинните източниципосредством разработените устройства.Глава втора - Eфективност на осветителни уредби при прилагане наразлични видове светлинни източници2.1. Eфективност на осветителни уредби при използване на различнивидове светлинни източници в хотелиерския секторИзследването на ефективността на ОУ се извършва на базата на многовариантнопроектиране за избрано представително помещение в хотелиерския сектор при режим науправление по редове на база известни коефициенти на естествена осветеност (КЕО),целогодишна денонощна използваемост на помещението и спазване на нормативнитесветлотехнически изисквания. Изчисляват се „инсталирана мощност на единица площ”,„годишна консумация на енергия на единица площ” и „годишни разходи за осветление наединица площ” при зададена нормена осветеност и денонощна използваемост на

помещението. Предложени са класове на енергийна ефективност на ОУ (А, B, C, D, E, F и G)по гореописаните показатели при изпълнение с различни светлинни източници (ХНЛ,компактни луминесцентни лампи (КЛЛ) и СД) и възможни начини на захранване (за ХНЛ).Класификация по критерий „инсталирана мощност на единица площ”Изчислените стойности и класове по енергийна ефективност на ОУ, изпълнена с различнисветлинни източници са показани на фиг. 2.1. Най-ефективни решения по отношение наинсталираната мощност на единица площ се получават със СД осветители. Осветителите сХНЛ с повишен светлинен добив попадат в клас B.a) получени резултати б) възприети класове по енергийна ефективностФиг. 2.1. Класификация на ОУ във фоайета по критерий за инсталирана мощност на единица площКласификация по критерий „годишна консумация на енергия на единица площ”Плановият разход на електрическата енергия, определен при автоматично управление наосветлението по редове според наличието на естествена светлина за най-ефективните (класА) и най-ниско ефективните (клас G) изпълнения на ОУ са показани на фиг. 2.2. и 2.3.б) предложена класификацияФиг. 2.2. Годишна консумирана енергия заосветление на фоайета за единица площ -клас А (в автоматичен режим на управлениепо КЕО)Фиг. 2.3. Годишна консумирана енергия заосветление на фоайета за единица площ -клас G (в автоматичен режим на управлениепо КЕО)Класификация по критерий „годишни разходи за осветление на единица площ и норменаосветеност 200lx”Изчислените годишни разходи за осветление за най-ефективните (клас А) и най-нискоефективните (клас G) изпълнения на ОУ във фоайета са показани на фиг. 2.4. и 2.5.Резултатите показват, че към момента на проучването, ефективни решения могат да сепостигнат с ХНЛ с повишен светлинен добив (U н =12V), с КЛЛ и много малка част отсветлодиодните осветители. Независимо от ниските стойности на консумираната енергия,високата цена на осветителните уредби със светлодиодни осветители им отрежда място в по-5

ниски класове по този критерий за разглеждания 3-годишен период на възвръщане напървоначалните инвестиции.Фиг. 2.4. Годишни разходи за осветление нафоайета за единица площ - клас А (вавтоматичен режим на управление по КЕО)Фиг. 2.5. Годишни разходи за осветление нафоайета за единица площ - клас G ( вавтоматичен режим на управление по КЕО)2.2. Eфективност на осветителни уредби за пешеходни зони, изпълнени сосветители с халогенни нажежаеми лампи и светлодиодиСъществуват изследователски програми (САЩ, 2003 г.), които препоръчват използванетона комбинирани осветители със светлодиоди (СД) и нажежаеми светлинни източници. Чрезизползване на детектор за движение те удовлетворяват, както условията за ниска консумацияна енергия, така и необходимата сигурност на пешеходците. За такова техническо решение еважно да се определи по какъв начин ще се възвърнат вложените средства за реализиранетому, за сметка на предприетите мерки за повишаване на ефективността на уредбата. Къммомента на изследването (2009 г.) са представени резултати за ефекта от прилагане нааналогични решения, сравнени с конвенционални с КЛЛ и ценово сравнение за териториятана България. Направените изчисления се отнасят за геометричните параметри на уредбите,показни съответно на фиг. 2.7 и 2.8, с обща годишна продължителност на работа 4100 ч. Закомбинираната уредба е заложен режим на управление, при който до 22ч. се използват самоСД осветители, а след 22ч. и ХНЛ, за да се удовлетворят изискванията за вертикалнаосветеност на лицето на пешеходец с оглед наличие на повишен криминален риск.a) разрез a) разрезб) изглед отгореб) изглед отгореФиг. 2.7. Геометрия на УОУ, изпълнена с КЛЛФиг. 2.8. Геометрия на УОУ, изпълнена с ХНЛ и СД6

Оценка на инвестициите при реализиране на улични осветителни уредби сконвенционални осветители и комбинирани уредби с ХНЛ И СД кактоОценяването на годишните разходи и реализиране на улична осветителна уредба призададените условия се извършва посредством известни методи, съответно „Срок наоткупуване на първоначалните инвестиции”, „Общи годишни разходи (Total Annual Value -TAV)” и „Минимум на разходите за целия период на експлоатация (Life cycle costs - LCC)” задължина на улицата 1000м. Изчисленията показват, че първоначалните инвестиции закомбинирана уредба могат да се възвърнат за 3 годишен период на експлоатация.Общи годишни разходи (TAV), лвМинимум на разходите за целия период наексплоатация (LCC), лвCmaint1835,571183,98Zmaint59503,0722652,86CenPP/AF539,77148,18Вар. 1Вар. 28579,338921,87ZenОЕCA*N34546,689483,7094049,7532136,56180165,92187359,21Вар. 1Вар. 2TAV10954,6710254,02LCC274215,68219495,76Фиг.2.9. Общи годишни раходи за осветление,изчислени за варианти на изпълнение на УОУ I и IIФиг.2.10. Минимум на разходите за целия период наексплоатация, изчислени за варианти на УОУ I и IIИзводиСъставените класификации по критерии «инсталирана мощност на единица площ» можеда допринесат за оценяване на ефективността от прилагане на осветители със светлинниизточници с различна ефективност (ХНЛ, КЛЛ и СД) и светлотехнически параметри ихарактеристики. Класовете енергийна ефективност по критерий «годишна консумация наенергия на единица площ» са подходящи за оценка на ефекта от прилагане на режими зауправление с интегриране на естествено осветление. Получените резултати за ефективностна уредбите по отношение на «годишни разходи за осветление на единица площ» заизбраното представително помещение от хотелиерския сектор е необходимо да сеактуализират периодично и са подходящи за изследване на динамиката на пазара.Въпреки получения положителен ефект от прилагането на комбинирани уредби и потрите метода (фиг. 2.9 и фиг.2.10), динамичното развитие СД в последните години поотношение на цени, параметри и ефективно насочване на потока към осветяванатаповърхност, в близко бъдеще може да се очаква използване основно на СД за УО.Независимо от областта на приложение, ефективното функциониране на една ОУ сеопределя от осигуряването на работни режими, съхраняващи и удължаващи живота наизползваните светлинни източници. Това може се постигне с използване на захранващиустройства, които обезпечават от една страна адаптивност при изпълняване науредбата, а от друга неизменни изходни характеристики. Обезпечаване на условия заизследване при разнообразни есплоатационни режими може да се реализира посредствомразработване на модели на светлинните източници и изследването им в комплект сконкретни схемни решения в програмна среда. Достоверни резултати за режимнитепараметри на товара и елементите, участващи в схемите, може да се получат със задаване нареалните им характеристики за конкретни конструктивни изпълнения.Глава трета – Математичеко моделиране на светлинниизточници и експлоатационните им характеристикиТази глава е посветена на разработване математически модели на ХНЛ и избор на СД среални характеристики, които ще се използват и изследват в комплект с конкретни проектнирешения на алтернативи за захранване на халогенни нажежаеми лампи и светлодиоди.7

3.1. Моделиране на ХНЛ. Основни показатели и характеристики наХНЛ – аналитичен моделСъздаването на достоверен програмен модел на ХНЛ се извършва както следва:- извежда се аналитичен модел за основните показатели и характеристики на ХНЛ;- разработва се модел в програмна среда, основан на изведените аналитични изрази ивзаимната връзка на величините, участващи в тях;- въвеждат се конструктивни параметри на конкретна ХНЛ за симулиране на процеситев програмна среда - уравнения [3.2], [3.10], [3.11], [3.12], [3.13], съпротивление нанажежаемата нишка при дадена температура на околната среда;- заснемат се експериментално реални електрически параметри на ХНЛ с технитемоментни стойности;- след обработката на експерименталните данни се извършва корекция на теоретичнитемодели, посредством въвеждане на конкретни стойности на корекционни коефициенти.Аналитичен моделЗа установен режим аналитичният модел на ХНЛ се получава чрез изразяване на балансамежду отделяната в нажежаемата жичка електрическа енергия dWe=i(t) 2 .R(T).dt иразсейваната чрез излъчване p и (t).dt, конвекция p к (t).dt и топлопроводност p тп (t).dt топлинниенергии:i(t) 2 .R(T).dt=p и (t).dt+p к (t).dt+p тп (t).dt , [3.1]където R(T) e съпротивлението на нажежаемата нишка в зависимост от температурата и Т,i(t) – моментни стойности на тока на лампата.В пусковия режим е необходимо да се отчете и топлинната енергия, изразходвана заповишаване на температурата на жичката, газовата среда около нея и температурата наколбата:[c н (T).M н + c г (T).M г +c к (T).M к ].dT=K(T).dT, [3.2]където c н (T), c г (T), c к (T) са специфичните топлинни капацитети на волфрама, газовата среда влампата и стъклото, от което е изработена колбата; M н , M г , M к са съответно масите наволфрамовата спирала, газовата среда в лампата и стъклената колба; dT е промяната натемпературата на жичката за елементарно време dt.С отчитане на [3.2] за баланса на енергиите се получава:dT/dt={u(t) 2 /R(T) –p и (t)-p к (t)-p тп (t)}/K(T). [3.5]За изчисляване на излъчената мощност p и (t), предаваните чрез конвекция p к (t) итоплопроводност p тп (t) топлинни потоци се използват съответно [3.10], [3.11-12] и [3.13],като във всяко от уравненията се въвеждат параметрите на изследваната ХНЛ.Излъчената мощност се определя по:p и (t)=a 1 . S и .C и .(T 4 -T 4 к) , [3.10]където a 1 държи сметка за вида и формата на излъчващата повърхност с площ S и , C и =c 0 .e и еприведен коефициент на лъчист топлообмен между излъчващата повърхност (волфрамоватаспирала) и стените на лампата, c 0 =5,67 [W/(m 2 .K)] e константа на Стефан-Болцман, e и –приведен коефициент на излъчване на системата (дава възможност за отчитане и накоефициента на излъчване на колбата, което е съществено предимство при изследване наХНЛ с инфрачервен отразяващ слой), T к е температурата на стената на колбата. Приведенияткоефициент на излъчване на системата e и се определя при известни коефициенти наизлъчване на нажежаемото тяло и повърхностите, обкръжаващи изделието (колбата) поизчислителен път, а при липса на конструктивни данни се задава като корекционенкоефициент.Предаваните чрез конвекция топлинни потоци от нажежаемото тяло към газовата средаp к1 (t) и от държателите към газовата среда се определят съответно от [3.11] и [3.12]:8p к1 (t)=a 2 .S к1 .C к1 .(T-T ср ) , [3.11]

където a 2 държи сметка за вида и формата на топлопредаващата чрез конвекция повърхност сплощ S к1 , C к1 е коефициент на отдаване на топлина от повърхността към газовата среда чрезконвекция, T ср e температурата на обкръжаващата газовата среда;p к2 (t)=a 2 .k д .S к2 .C к2 .(T к2 -T ср ), [3.12]където участват аналогичните величини за държателите, като T к2 е тяхната температура, а k д– броят им.Отдаваните чрез топлопроводност топлинни потоци от нажежаемото тяло къмподдържащите проводници p тп1 (t) и от поддържащите проводници към електродите p тп2 (t)са:p тп1 (t)=a 3п .q 1 .K тп1 .(T-T тп1 )/L тп1 ; [3.13]p тп2 (t)=a 3е .q 2 .K тп2 .(T-T тп2 )/L тп2 ,където a 3п и a 3е държи сметка за броя, вида и формата на поддържащите проводници иотвеждащите електроди, q 1 и q 2 e сечението им, K пт1 и K пт2 – съответно коефициент натоплопроводимост поддържащите проводници и електродите, L тп1 и L тп2 – дължината им,T тп1 и T тп2 са съответно температурите на проводниците и електродите.3.2. Модел на ХНЛ в симулативна компютърна средаНа базата на аналитичния модел за баланса на енергиите е съставен програмен модел всреда „MATLAB”, показан на фиг. 3.1.Фиг.3.1. Програменмодел в средаMatlab нахалогеннанажежаема лампа,захранена отизточник насинусоидалнонапрежение3.3. Модели на ХНЛ с различни номинални параметриЗа пълнота изследването е направено, както за класически така и за съвременни СИ.За експериментално заснемане на характеристиките на ХНЛ се използва съществуващамикроконтролерна система в съответната схема на свързване.Сравнение на получени от моделиране и посредством експеримент характеристики накласически линейни ХНЛ с U н = 230V с номинални мощности (P н ) 150 и 500WСравнение на получени посредством моделиране характеристики и експерименталнозаснети чрез микроконтролерна система моментни стойности i(t) при директно прилагане назахранващо напрежение u(t), както и определени по изчислителен път p(t) и R(T) заизследваните ХНЛ са дадени на фиг. 3.9., 3.11. (за 150W) и на фиг. 3.10., 3.12. (за 500W).9

543210‐400 ‐300 ‐200 ‐100 0 100 200 300 400‐1‐2‐3a) измерена б) моделиранаФигура 3.9. Динамична волт-амперна характеристика при включване на ХНЛ 150W към захранващотонапрежение 230V, 50Hz ( до установен режим)151050‐400 ‐300 ‐200 ‐100 0 100 200 300 400‐5‐10a) измерена б) моделиранаФигура 3.10. Динамична волт-амперна характеристика при включване на ХНЛ 500W към захранващотонапрежение 230V, 50Hz ( до установен режим)Фигура 3.11. Сравнение на получените чрезмоделиране (в синьо) и експерименталнозаснетите (в червено) характеристики нахалогенна нажежаема лампа - 150W, 230VФигура 3.12. Сравнение на получените чрезмоделиране (в синьо) и експерименталнoзаснетите (в оранжево) характеристики нахалогенна нажежаема лампа - 500W, 230VМодели на съвременни ХНЛ с различни номинални параметриЕкспериментално заснети моментни стойности на i(t) при директно прилагане назахранващо напрежение u(t), резултантната експериментална характеристика за p(t) иполучените посредством моделиране характеристики за i(t), p(t), R(T) и T(R) за ХНЛ сU н =230VАC, P н = 28W с инфрачервено ИЧ отразяващо покритие на колбата са показни нафиг. 3.14.10

Фигура 3.14. Моделирани и експерименталнозаснети характеристики при включване на лампатакъм мрежата 230V (50 Hz) за образец, производствона фирма GE, съответно с номинална мощност инапрежение - 28W, 230VФигура 3.20. Получени посредством моделиранехарактеристики (в синьо) и експериметналнозаснети моментни стойности (в червено) на токана ХНЛ - 20W,12VACЕкспериментално заснетите моментни стойности на i(t) при променливо захранващонапрежение u(t) и получените посредством моделиране характеристики за i(t), p(t), R(T) иT(R) за рефлекторна ХНЛ с U н = 12VDC, P н = 20W са показни на фиг. 3.20.За разширяване на възможностите моделът е адаптиран за приложения в програмна средаPSpice, фиг. 3.23. Резултати от моделиране на съвременно конструктивно изпълнение наХНЛ с повишен светлинен добив и U н = 12VDC, P н = 50W са показани на фиг. 3.24, 3.25,3.26.Задаване на брой посл.св. ХНЛФигура 3.23. Вградена структура на макромодел на ХНЛ11

В модела на фиг.3.23. са означени съответните блокове за изчисляване на p и (t) - P i , p к1 (t) -P k1 , p к2 (t) - P k2 , p тп1 (t) - P тп1 , p тп2 (t) - P тп2 , Т(R) - Calc_T nt , R(T) - Calc_R, ток на лампата I взависимост от R(T) – Calc_I и нейната мощност P – Calc_Pow.60A40AФиг. 3.24. Моделиран ток през ХНЛс инфрачервен отразяващ слой 50W(In=4.1667A) при директно20Aзахранване от източник напостоянно напрежение 12VIn_m=4.1667Фиг. 3.25. Моделирано съпротивлениена нажежаемото тяло нa ХНЛ синфрачервен отразяващ слой 50W(R=2.88Ω) при директно захранване отизточник на постояннонапрежение 12V0A0s 200ms 400ms 600ms 800msI(L_50W.G2)Time5.0V2.5VR_m=2.88 ohm0V0s 200ms 400ms 600ms 800msV(L_50W.Calc_R:R)Time3.0KVФиг. 3.26. Моделирана температурана нажежаемото тяло за ХНЛ с 2.0KVинфрачервен отразяващ слой 50W(Т=3000K) при директно захранване отизточник на постоянно напрежение12V1.0KVTnt_m=3013K120V0s 200ms 400ms 600ms 800msrms(V(L_50W_TNT))Time3.4. Избор на компютърни модели на СД източници по зададена V-AхарактеристикаВсе по-широкото приложение на светлодиодите в различни области и техните характерниособености определят необходимостта от моделирането им в програмна среда. За тази целсъвременните производители предоставят модели на произвежданите от тях продукти за найчестоизползваните стандартни програми за симулиране на работата им в електрическиустройства. Резултатът от прилагане на програмни модели на СД, използвани восветителната техника, със задаване на тяхната V-A характеристика за решаване напоставените задачи е даден на фиг. 3.29. Генериране на зададена V-A характеристика насветлодиоди може да се осъществи чрез въвеждане на характерни параметри всъществуващи стандартни програмни модели на полупроводникови диоди. Основните

параметри, които се задават са: ток на насищане в обратна посока I s („мащабенкоефициент”); активно съпротивление R s , участващо в еквивалентната заместваща схема отпоследователно свързани резистор и източник на електродвижещо напрежение и N - фактор,отчитащ идеализирането на диода (държи сметка и за праговото напрежение насветлодиодите).1.2A1.0A0.8A0.6A0.4A0.2AФиг. 3.28. Каталожна V-A характеристика наСД Rebel ES0A2.6V 2.8V 3.0V 3.2VI(U10:A)VdcФиг. 3.29. V-A характеристика на СД Rebel ES,моделирана с програмен модел в среда PSpice3.5. Разширяване на възможностите на стенд за експерименталнозаснемане на характеристики на светлинни източнициРазширяването на възможностите за експериментално заснемане на характеристиките наразлични светлинни източници може да допринесе за рационално използване насъществуващата микропроцесорна система и въвеждането и в учебния процес.Принципна схема на усъвършенствания стенд е показана на фиг. 3.30. Изработен е челенпанел с индикация, като са предвидени изводи за реализиране на различни електрическисхеми за изследване на светлинни източници в комплект с преобразуващи устройства ивключване на допълнителни измервателни уреди. Приложена е инструкция за експлоатацияна стенда.Фиг. 3.30. Принципна схема на стенд за заснемане на характеристиките на СИРеализираният стенд за измерване на характеристиките на СИ е показан на фиг. 3.33.13

Фиг.3.33. Стенд за заснемане на характеристиките на СИИзводиПолучените резултати от експерименти показват, че създадените програмни модели набазата на баланса на мощностите за ХНЛ (включително и на ниско напрежение), отразяватдостоверно процесите, протичащи в тях, както в преходен, така и в установен режим сотклонения на моделираният ток до 0,5%. Съществуващите програмни модели на СД иналичните данни от производители за задаване на конкретна V-A характеристика наразлични модели (намиращи приложение в конструкции на съвременни осветители) саподходящи за изследване на резултантните характеристики в процеса на разработване назахранващи устройства.Достоверността на създадените (за ХНЛ) и приложените (за СД) модели дававъзможност те да бъдат използвани за моделиране и изследване на реалнитеексплоатационни режими на ХНЛ и СД и преминавне към разработване на захранващиустройства, осигуряващи ефективна експлоатация и удължаване на животът им.14

Глава четвърта - Възможности за захранване на халогеннинажежаеми лампи и светлодиодиФункционални изисквания към захранващи устройства за ХНЛ и СД.Електрическо захранване посредством източник на токВидът на товара и характерните му особености на работа са основните фактори, коитоопределят функционалните изисквания към източниците за захранването му. Халогеннитенажежаеми лампи и светлодиодите имат различен принцип на светлоотдаване и диаметралнопротивоположни характеристики. Тъй като първите са представители на най-нискоефективните светлинни източници, а вторите - на най-перспективните, използването наединен принцип за реализиране на захранващи и управляващи устройства ще внесезначителни улеснения при замяната им.Всички широко употребявани методи за захранване на ХНЛ предлагат системи, прикоито регулираният параметър е захранващото напрежение. Независимо по какъв начин еизпълнена системата с регулиране по напрежение, тя има следните недостатъци:‣ Усложнени електронни решения с множество компоненти и обратни връзки;‣ По-големи инвестиции при използване на индивидуални пусково-регулиращиапарати (ПРА);‣ Относително по-ниска ефективност на устройствата за ниско напрежение и голямток при паралелно свързване на голям брой СИ;‣ Различен светлинен добив на СИ в осветителната уредба, който се дължи нападовете на напрежение по захранващата линия. Този резултат се наблюдава по-отчетливопри групово захранване на ХНЛ, поради по-големите дължини на трасетата междузахранващото устройство и светлинните източници;‣ Промяна на параметрите на ХНЛ при дефектиране на СИ.Светлодиодите, от друга страна, се характеризират със следните основниелектротехнически показатели: действие с постоянен ток, твърдe ниско единично номиналнонапрежение и малки единични мощности. По тази причина трябва да се използватсъответните токо-преобразувателни устройства с изход на постоянен ток.Използването на токова система за захранване и на ХНЛ може да допринесе заповишаване на ефективността и безпроблемната експлоатация на уредбата със своитехарактерни предимства:• Напрежението на клемите се определя от броя на включените СИ и може да емногократно по-високо от номиналното напрежение на единичния СИ, следователноустройството е за малък ток и високо напрежение, от което се определят относително повисокитехнически и енергетични показатели;• Напрежението на отделните СИ се определя от собствените им характеристики и нее зависимо от отдалечеността им от клемите на източника;• Токът на захранващите линии не зависи от дължината им и е равен на номиналнияток на единичния СИ, следователно проводниците са с еднакво сечение по цялата имдължина;• Лесно овладяване на пусковите процеси;• Поддържане на неизменен ток при промяна на мощносттта на товара (дефектиране иотпадане на СИ).Трябва да се има предвид, че при захранване от източници на ток е задължително той дабъде винаги с включен към клемите му товар. Тази особеност не променя схемното решениепри товар от СД, тъй-като при тях пробивът завършва обикновено с късо съединение, изгасвасамо повреденият. Дефектирането на ХНЛ е свързано обаче с прекъсване на веригата напоследователно свързаните СИ, което е недопустимо при захранване от токова система. Тозипроблем може да бъде решен с елементарни преобразувания като е необходимо единственопаралено на всяка ХНЛ да бъде свързан полупроводников елемент с нелинейнахарактеристика. По този начин при дефектиране на коя да е от ХНЛ, веригата в този участъке свързана на късо и токът през работещите СИ се запазва.15

Съществуващите на пазара устройства, които се характеризират с изходнахарактеристика на константен ток имат сравнително тесен диапазон на поддържанатамощност. Използването на надеждни групови захранващи устройства с приемлива грешка настабилизирания константен ток, независим от големината на товара може да допринесе занякои удобства, както при реконструиране на съществуващи инсталации, така и приизграждане на нови. Реализирането на такова устройство е възможно с прилагане напараметрични преобразуватели тип “Бушеро”, които се характеризират именно с таковадействие.4.2.1. Изследване на характеристиките на еднофазни параметрични преобразувателина източник на напрежение в източник на неизменен променлив ток (по схеми тип“Бушеро”) с идеализирани елементиСтатични характеристики на идеализиран преобразувател. Избор на тип на схемата„Бушеро”При еднофазно изпълнение най-лесно приложими са преобразуватели с принципна схема“Г” (фиг.4.1.) и с принципна схема “Т” (фиг.4.2). На фигурите 4.1. и 4.2. с прекъсната линия еочертан преобразувателят.а) б)Фиг.4.1. Преобразуватели напрежение-ток тип „Г”Фиг.4.2. Преобразувател напрежение-ток тип „Т”Означенията на елементите са Z 1 – кондензатор, Z 2 – дросел, R 0 – товар, U R – напрежениена източника, I R – ток на входа на преобразувателя (към източника), I 1 – ток на кондензатора,I 2 – ток на дросела, I 0 – ток на товара (последователно свързани ХНЛ или светлодиоди).Определянето на режимите на работа на товара, преобразувателя и захранващия източникпо-нататък се прави при следните условия: източникът е с безкрайно голяма номиналнамощност: ( U R ≠ f(I R ) ); напрежението на източника U R е синусоидално с честота f=50 Hz;дроселът е с линейна характеристика: Z 2 ≠f(I 2 ); кондензаторът е с линейна характеристика: Z 1≠ f(I 1 ); товарът е с активно съпротивление и линейна характеристика: R 0 ≠ f(I 0 ); дроселът нафигура 4.2. е с магнитопровод и две намотки, магнитно свързани с коефициент на взаимнаиндуктивност m.При тези условия всички напрежения и токове са синусоидални и може изчисленията дасе правят с използване на методи с комплексни числа.16Преобразувател тип „Г”Токовете и напреженията се определят чрез система комплексни уравнения.

Фиг.4.5. Характеристики I 0 *, I R *= f (R 0 *) запреобразувател тип „Г”Фиг.4.6. Характеристики U 1 *, U 2 *, U 0 *= f (R 0 *) запреобразувател тип „Г”Фиг. 4.7. Характеристика cosφ н *=f(R 0 *) запреобразувател тип „Г”Характеристиките на така определенияизточник на ток в относителни числа сапредставени на фигури 4.5, 4.6 и 4.7, катосъпротивлението на товара е представено сотносителна величина: R 0 * =R/x.Характерно за преобразователите тип„Г” е, че факторът на мощността къмзахранващия източник винаги е cosφ н 2,което определя използване напреобразувателя за номинално напрежениена товара U 0 >2U R . Другата характернаособеност е, че токът на източника имаминимална стойност, равна настабилизираната – ток на СИ (I и_min *=1) и приувеличаване на съпротивлението на товара е винаги по-голям от тока на СИ.Преобразувател тип „Т”Означените на фигура 4.2 импеданси са:Z 1 =−jx1 ; Z 21 = jx 21 ; Z22 = jx 22[4.6]Импедансите Z 21 и Z 22 са свързани с взаимна индуктивност с коефициент m, която сеопределя от общия им магнитопровод. В изчисленията взаимната индуктивност се отразява секвивалентен импеданс:x = j ωM = jωL L[4.7]M21 22Токовете и напреженията се определят чрез системата уравнения:• • • •U = jx I − jx I + jx IR21 21 1 1 M 22• • • •1 1 22 22 M 21 + 22 0− jx I = jx I + jx I I R• • •I = I + I12 122[4.8]Решенията са:17

− jx + jx + R• •1 22 0I R = UR;x2 21( x 22 + x 12 + 2 x M) + x M − x 22 + j ( x 22 − x 1)R 0• •jx22 + jxM+ R0I1= U ;[4.9]Rx2 21( x 22 + x 12 + 2 x M) + x M − x 22 + j ( x 22 − x 1)R 0• •−jx1− jxMI0= URx2 21( x 22 + x 12 + 2 x M) + x M − x 22 + j ( x 22 − x 1)R 0Условието за получаване на характеристика за източник на ток е:x21 − x 1 = 0; x21 = x1 = x ;1C =ωxПри изпълняване на [4.10] ефективните токове и напрежения, съответно са:[4.10]IR=U R∗ R 0 + (1 −m)x(1 + m) 1 + m2 2;U21∗ 2 20 + (1 − )U= RR m1 + m 1 + m;I1=∗ 2 2 20 + ( + )U RR m mx( 1+ m)1+m;U1∗ 2 2 20 + ( + )U= RR m m1 + m 1 + m;[4.11]IU0 = R;x(1 + m)U= mU22 21В [4.11] са възприети и следните означения:I ∗ 0 = 1; R∗ 0 = R2x ; Mm =L L12 22;ϖ22 2 22m = ; m ;ϖ 21 x= x[4.12]където ϖ21е броят на навивките на намотката за импеданса Z 21 , а ϖ22е броят нанавивките на намотката за импеданса Z 22 .Факторът на мощността cosφ н към захранващия източник се определя от комплексноторешение за тока I и [4.9], от където се получава:tg ϕн2m − 1= ;R∗0cosϕ=нR∗R0∗2 2 20 + ( m −1)[4.14]при m=1, cosφ н =1 .Решенията, описващи характеристиките на преобразувателя тип “Т” при m=1 вотносителни единици са илюстрирани на фигури 4.8, 4.9 и 4.10.Фиг. 4.8. Характеристики I 0 *, I R *, I 1 *= f (R 0 *) запреобразувател тип „Т”Фиг. 4.9. Характеристики U 21 *, U 22 *, U 1 *= f (R 0 *) запреобразувател тип „Т”18

Фиг. 4.10. Характеристика cosφ н *=f(R 0 *) запреобразувател тип „Т”Те показват важен резултат: при m=1( ϖ21= ϖ22) факторът на мощността къмизточника, независимо отсъпротивлението на товара, е с неизменнастойност cosφ н =1. Този резултатпредопределя използване само напреобразуватели тип “Т” при m=1.От изследването на схема тип „Т”може да бъдат направени следните посъществениизводи:• Токът на източника епропорционален на съпротивлението натовара и при късо съединение на товараима нулева стойност.• Факторът на мощността към захранващия източник за целия диапазон на изменение натоварното съпротивление остава cosφ н =1, което е безспорно предимство на преобразувателятип “Т” с m=1.Преобразувател с товар за постоянен токТовар, изискващ постоянен ток, а именно светлодиоди, или ХНЛ, работещи нанапрежение 12V, се включва към преобразувателя чрез двупътен токоизправител, който е врежим на изправяне на задължителния ток. Напрежението на изхода от токоизправителя U 0се определя от тока и може да варира 0

Във вторият се уточняват решенията за съвместнаработа на трите фазни преобразувателя, токоизправителяи товара.Представеното изследване е реализирано приусловие, че захранващата трифазна система променливинапрежения е с безкрайна номинална мощност,следователноU = U 2sin ωt ≠ f ( R )R02π[4.22]US= U 2(sin ωt − ) ≠ f ( R0)32πUT= U 2(sin ωt + ) ≠ f ( R0)3От предварителни анализи е определено,чеизчислителният фазов ток се определя посредствомвъвеждане на корекционен коефициент при зададенефективен ток на товара и при зададен среден ток натовара, съответно:Фиг. 4.16. Схема на свързванена трифазен източник спреобразовател от тип„Бушеро”2феквeff . . 0 .3 *2I = I ;ном eff k eff _ ф = ;322Iфеквeff. . = 1,11* * I ср. R0; k eff _ Ф = 1,11*33[4.27]С този ток и захранващото напрежение се определят необходимите фазни индуктивностии кондензатори от реактанса:Uмр.eff Ux = =2Iфекв.eff 22* I 3мр0 ном.eff[4.28]Извършени са числени решения при използване на стандартния програмен продуктORCAD. Решенията се отнасят за основен (базов) числен модел със следните базови данни:U * =1,56; f * *=50; I0= 1; x * =1;L * =x * /2πf * =3,185*10 - 3 ; 1/ωC * =x*=1; C * =1/ωx * =3185*10 - 6[4.29]На фигура 4.20-21. са представени всички изчислени базови величини при различнистойности на относителното съпротивление на товара R* 0 (0,5≤R 0 *=R 0 /x*≤10), с помощта накоито може да се изберат номиналните данни на елементите при зададени условия, различниот данните на базовия модел. Изчисленията се отнасят за трите фази по еднакъв начин.20а) б)Фиг. 4.20. Характеристики на в относителни единици а) напреженията и б) токовете на елементите напреобразователя за фаза R при изменение на товара в относителни единици от 0,5 до 10

в) г)Фиг. 4.21. Зависимости на относителните стойности на а) коефициента на мощността k м и б)потокосцепленията на индуктивностите за фаза R при изменение на товара в относителни единици от 0,5до 10ИзводиОт направения анализ се вижда, че при зададените условия преобразувателят има изходнахарактеристика на източник на ток при изменение на R 0 в целия разгледан диапазон натовара R 0 *. Изтъкнатите качества дават основание за разработване, реализация и изследванена разгледаните преобразуватели като алтернатива за групово захранване както на ХНЛ, такаи на СД.Подходящи за анализ резултати за различни режими на работа, както на товара, така и назахранващите устройства могат да бъдат получени посредством прилагане на достовернипрограмни модели на реални СИ (Глава трета) и елементи на изследваните груповизахранващи устройства (Глава четвърта) за практически приложения на осветителниуредби (Глава втора).ГЛАВА ПЕТА - Реални преобразуватели – източници на ток.Проектиране и изпълнениеПосочените в глава четвърта решения се отнасят за преобразуватели, изградени сидеализирани градивни елементи с редица пренебрегвания, от които се внасят методичнигрешки. В тази глава са направени изследвания на реални захранващи устройства за работапри мрежова и повишена честота и конкретни практически приложения в ОУ, изпълнени сХНЛ и СД. Те сe извършват в следната последователност:• По зададени изходни величини се оразмерява идеален фазен преобразувател по схема„Т” за работа при захранващо напрежение с мрежова честота. Избират се реалнилабораторни образци на кондензатор и дросел с феромагнитен магнитопровод с минималниактивни съпротивления. Заснемат се експериментално характеристиките на преобразувателя– изходна характеристика при активен товар и промяна на големината му, характерниелектрически величини на реалните елементи, участващи в схемата. Дефинира сематематическа функция за характеристиката на намагнитване на материала на дросела,базирана на резултати от експеримент. Разработва се модел в програмна среда на реалендросел с феромагнитен магнитопровод с въздушна междина, две намотки и коефициент навзаимна индукция m=1. Симулира се работата на фазния преобразувател с реални елементис отчетени активни съпротивления и характеристика на намагнитване, като се прависравнение с резултатите при използване на стандартни идеализирани елементи, моделираниреални елементи и заснети, посредством експеримент. Получените резултати за фазнияпреобразувател се прилагат за изследване на характеристиките на реален трифазенпреобразувател и експлоатационните режими на реален товар от СД;• На базата на направения анализ на работата на трифазния преобразувател се прависинтез на трифазен преобразувател за захранване на ХНЛ – отчитат се теоретично получении зададени с матеметическа функция характеристики на намагнитване на дросела законкретно конструктивно изпълнение, данни за активното съпротивление на избраниконкретни елементи, характеристики на товар от реални ХНЛ. От получените резултати се21

посочват характерните особености при групово захранване на ХНЛ от трифазенпреобразувател напрежение-ток;• Проектират се и се избират конкретни конструктивни елементи за работа назахранващите устройства при повишена честота. Отчитат се резултати за изходнитехарактеристики на изследваните устройства при повишена честота и моделиранепосредством еквивалентни заместващи схеми на реалните елементи по данни напроизводители.Изходните условия за оразмеряване на преобразувателите са определени в съответствие снаправени светлотехнически изчисления (Dialux) на ОУ за конкретно приложение.Изчисленията третират помещение от хотелиерския сектор и изпълнение на уредбата сосветители с ХНЛ и СД, показали най-добри резултати по критерий „годишна консумация наенергия на единица площ”, фиг. 5.3.а) б)Фиг. 5.3. Варианти на изпълнение на ОУ в помещение на фоайе с осветители: а) светлодиоди 15W, η=60lm/W; б) халогенна нажежаема лампа с инфрачервен отразяващ слой 50W, 12V, η=29,48 lm/WПредложени са решения, които удовлетворяват необходимите изисквания на уредбатапосредством групови захранващи устройства и автоматизирано управление посредствомконтролери по редове в зависимост от КЕО. Решенията предлагат възможности както заповишаване на ефективността при изпълнение с ХНЛ, така и за директна замяна напоследните с осветители със СД с минимизирани първоначални инвестиции (дължащи секакто на ефективното насочване на светлинния поток към работната повърхност, така и напо-ниската сумарна инвестиция по отношение на изпълнение с индивидуални захранващиустройства за всеки осветител).Изчислителните резултати от конструираните модели на реални преобразуватели призахранване с мрежово напрежение с честота f=50Hz са с очетени активни съпротивления наелементите, участващи в схемата, характеристики на намагнитване на дроселите ихарактеристики на товара за реални светлинни източници.При работа с повишена честота за отчитане на активното съпротивление на елементите сеизползват еквивалентни заместващи схеми и конкретни каталожни параметри за проектнитерешения.5.3. Tрифазен източник на постоянен ток с преобразувател тип„Бушеро” за групово захранване на СД осветителиХарактеристиките на еднофазен преобразувател, оразмерен за подходящи изходнипараметри са заснети експериментално като са отчетени характерните за елементитеелектрически величини (включително активните съпротивления и характеристиката нанамагнитване на дроселите). Експерименталните данни са използвани за разработване надостоверни програмни модели за параметричен преобразувател с реални характеристики,22

изпълнен по схема „Т”, фиг. 4.2. Отчитането на характеристиката на намагнитване надроселите се осъществява чрез използване на интерполационно изведена математическафункция (MATLAB/Cftool) за зависимостта на потокосцеплението от протичащия ток Ψ L (i L )– фиг. 5.7 и формула 5.4, където a, b и c са константи.Ψ L1 = Ψ L2 = f(i 2 )= a*tanh((b*x)/a)+c*x=a*tanh((b*i 2 )/a)+c*i 2 [5.4]а)10,90,80,70,60,50,40,30,20,10-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1Ia, A-6 ,0 -4,0 -2,0 0,0 2,0 4,0 6,0б)Фиг.5.7. а) експериментално заснета характеристика на дросела Ψ L (i L ); б) получена характеристика Ψ L (i L )посредством математическо моделиранеПолучените резултати за характеристиките на преобразувателя и участващитекомпоненти при моделиране (ORCAD) с идеализирани елементи, експериментално заснети ипрограмно реализирани реални елементи са дадени на фиг. 5.9. до фиг. 5.13.Наблюдаваните отклонения в изходната характеристика на стабилизирания ток напрограмно реализирания преобразувател и експериментално заснетите при промяна наголемината на товара са незначителни - от 0 % за R 0 = min и +2% за R 0 = max.Получени характеристики на преобразувателя за Фиг. 5.9. I 0eff = f (R 0 ); Фиг. 5.10. I Seff = f (R 0 ); Фиг. 5.11.U m C = f (R 0, ),Фиг. 5.12. U eff L22 = f (R 0 ) и Фиг. 5.13. B = f (R 0 ) посредством моделиране със стандартниидеализирани елементи (ideal), разработени програмни модели (real modeled) и посредством експеримент500m 0,5500m 0,50,4I0 (R0) real modeledI0 (R0) ideal0,4Is (R0) ideal0,3250m0,20,3250m0,2Is (R0) real modeled0,10,100 50 100 150 200 250 300 350 400 450 450YatX(rms(I(R0)),6)I0 (R0) realRvarФиг.5.9.00 100 200 300 400 450YatX(rms(I(VS)),6)Is (R0) realRvarФиг.5.10.23

300300200250200200Um C (R0) ideal150Ueff L22 (R0) real modeled150Um C (R0) modeled real100Ueff L22 (R0) ideal100100505000 50 100 150 200 250 300 350 400 400 450 4500.5*(max(V(v5,v6))-min(V(v5,v6))) Um C (R0) realRvar1.51.00.51,510,50Фиг.5.11B (R0) real modeledB (R0) idealB (R0) real0 100 200 300 40000 200 400 450B1RvarФиг. 5.1300 100 200 300 400 450YatX(rms(V(v7,v12)),6)U L22 (R0) realRvarФиг.5.12Този резултат дава основание заприлагане на реализираните програмнимодели на фазните преобразуватели(основани на експериментални резултати) иизследване на режимите на работа натрифазен преобразувател в комплект стовар от последователно свързани СДосветители. Характерните електрическивеличини за елементите, участващи всхемата са показани на фиг. 5.16 до 5.21.Всички характеристики се отнасят заустановен режим при мрежово захранващонапрежение, f=50Hz и изменение на товараот 1 до 10 осветителя, посочено поабсцисата и обозначено с n.Получени посредством моделиране със стандартни идеализирани елемeнти (ideal) и с програмни модели (realmodeled), основани на експериментални данни, характеристики за:Фиг. 5.16. Напрежение на една отнамотките на дросела U eff L22 =f(nLED) [V] и Фиг. 5.17. Амлитудни стойности на напрежение на кондензатораU m C =f(nLED) [V]220200180160140120100806040200Ueff L 22 real modeledUeff L 22 ideal0 2 4 6 8 10n220200180160140120100806040U m C real modeled20U m C idealn00 2 4 6 8 1024Фиг. 5.16 Фиг. 5.17Получени посредством моделиране със стандартни идеализирани елемeнти (ideal) и с програмни модели (realmodeled), основани на експериментални данни, характеристики за:Фиг. 5.18. Тока на товара I eff LO =f(nLED)[A]; ]; Фиг.5.19. Тока на една от намотките на дросела I eff L22 =f(nLED) [A]; Фиг. 5.20. Тока към мрежатаI eff phR =f(nLED) [А] и Фиг. 5.21. Магнитната индукция B= f(nLED) [T]

110,90,9Ieff L22 real modeled0,80,8Ieff L22 ideal0,70,70,60,60,50,50,40,40,30,30,2Ieff L0 real modeled0,20,10Ieff L0 ideal0 2 4 6 8 10n0,100 2 4 6 8 10n10,90,80,70,60,50,40,30,20,10Фиг. 5.18 Фиг. 5.191Ieff R real modeledIeff R ideal0,90,8B real modeledB real modeled0,70,60,50,40,30,20,1n0n0 2 4 6 8 100 2 4 6 8 10Фиг. 5.20 Фиг. 5.21Наличието на реактивни елементи в схемата е съпроводено с протичането на преходнипроцеси при прилагане на напрежение към схемата, които са съпроводени с характернипикови стойности на токовете и напреженията на елементите, участващи в схемата. Заобезпечаване на безпроблемен режим на работа, както на товара, така и на захранващотоустройство е направено изследване на динамичните характеристики при различна фаза наприлаганото захранващо напрежение и различна големина на товара, фиг. 5.21.а) б)Фиг.5.21. Зависимост на амллитудните стойности на първоначалния ток (от 2 до 10 осветителя) при:а) идеализирани елементи (IDEAL) и б) реални елементи (REAL) от фазата на прилагане на захранващотонапрежениеЗависимостите показват, че при използване на идеализирани елементи за изследване надинамични характеристики се получават недопустимо големи отклонения, които значително25

се отличават от действителните. Пиковите стойности на тока на товара са с малкапродължителност (до 0,5ms), но значително надвишават номиналният работен ток, дори и внай-благоприятния случай. Именно за това е необходимо да се допълни схемното решениепо начин, който да обезпечи захранване на товара с определено времезакъснение следприлагане на захранващо напрежение към устройството. За периода на закъснение енеобходимо веригата на товара да бъде свързана на късо, тъй като прекъсването и може дадоведе до недопустимо големи стойности на токовете и напреженията както на елементите,участващи в схемата, така и към мрежата. Необходимите схемни решения за защита натовара и елементите на преобразувателя са обект на бъдещи изследвания.Изследвани са също така и амплитудните стойности на характерни за елементите,участващи в схемата на преобразувателя, електрически величини. Те могат да послужат заизбор на конкретни конструктивни компоненти.5.4. Синтез на трифазен източник на постоянен ток с преобразувателтип „Бушеро” за групово захранване на осветители със съвременни ХНЛ,работещи на понижено напрежениеНаправеният синтез на трифазен преобразувател за групово захранване на осветители сХНЛ е основан на анализа на получените резултати при разработката на групово захранващоустройство за СД осветители и разработена методика за оразмеряване на елементите наразглежданите преобразуватели.За отчитане на характеристиката на намагнитване на дроселите Ψ L (i L ) се използваттеоретично определени данни по каталожни и конструктивни параметри за конкретнотоизпълнение. В програмните модели се въвеждат съответните константи като се използваполучената математическа зависимост, посочена във формула [5.4]. Активнитесъпротивления се определят по изчислителен път, както за конкретното констуктивноизпълнение на дроселите, така и за избраните кондензатори.Преобразувателят е оразмерен за работен обхват на устройството – от 5 до 15 осветителя.Основните статични характеристики, определени от съместната работа на устройството стовар от ХНЛ са дадени на фиг. 5.31 до фиг. 5.35. Получените резултати за магнитнатаиндукция показват, че при брой на осветителите над десет, дроселите навлизат в насищане.Това определя максимална мощност за проектираното устройство 500W.Получени числени характеристики в зависимост от големината на приложения товар при идеализирани иреални елементи на Фиг. 5.31 Тока на товара I eff LO =f(nХНЛ) [А]; Фиг. 5.32 Тока на една отнамотките на дросела I eff L11 = I eff phR =f(nХНЛ) [А]; Фиг. 5.33. Магнитната индукция B=f(nХНЛ) [T] иФиг. 5.34. напрежението на една от намотките на дросела U eff L22 =f(nХНЛ) [V]Ieff L0 ХНЛ,A54,543,5Ieff L0 ид3Ieff L0 ре2,521,510,5n05 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Ieff L11 ХНЛ,A54,543,5Ieff L11 ид3Ieff L11 ре2,521,510,5n05 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Фиг.5.31 Фиг. 5.3226

B ХНЛ,Т1,61,41,2B идB ре10,80,60,40,2n05 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Ueff L22 ХНЛ,V220200Ueff L 22 ид180Ueff L 22 ре16014012010080604020n05 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Фиг.5.33 Фиг. 5.34При захранване на ХНЛ освен изходната характеристика на преобразувателя, същественинтерес представляват преходните процеси, протичащи при директно прилагане нанапрежение към схемата.Um C ХНЛ,V220200180160140U m CR ид120U m CR ре10080604020n05 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Im_ХНЛ_ре,A250I_ХНЛ N=5I_ХНЛ N=6I_ХНЛ N=7200I_ХНЛ N=8I_ХНЛ N=9150I_ХНЛ N=10I_ХНЛ N=11I_ХНЛ N=12100I_ХНЛ N=13I_ХНЛ N=14I_ХНЛ N=1550PHASE, DEG00 30 60 90 120 150 180Фиг. 5.35. Числени характеристики в завиcимост отголемината на приложения товар при идеализирани иреални елементи на амлитудните стойности нанапрежението на кондензатора U m C =f(nХНЛ) [V]Фиг.5.36. Зависимост на амлитуднитестойности на първоначалния ток на товара (от5 до 15 осветителя) от фазата на прилагане назахранващото напрежение при реални елементиПолучените динамични характеристики за тока на товара се обуславят от значително понискитестойности на неговото съпротивление в първоначалния момент и съвместнатаработа с реактивните компоненти на захранващото устройство, фиг. 5.36. Числените имстойности са недопустимо големи и определят безусловно включване на ХНЛ след директноприлагане на напрежение към захранващото устройство.Използването на елементи с нелинейни характеристики е свързано с наличието нахармонични съставки и в тази връзка е направен анализ на коефициента на мощността (PF)на устройствата при работа с различен по характер (ХНЛ и СД) и големина товар.И в двата случая коефициентът на мощността (PF) нараства с увеличаване на товара катостойности над 0,8 се получават при работа с повече от 5 осветителя, фиг. 5.26 и фиг. 5.38.При захранване на СД товар от 2 осветителя PF е =0,7, а при 10 - PF=0,87. При захранване натовар от 5 осветителя с ХНЛ PF=0,81, а при 10 - PF=0,86. За конкретното приложение изахранване посредством групови трифазни преобразуватели напрежение-ток се получаваефективност на системата (захранващо устройство, инсталационни проводници, осветител):при захранване на СД източници 79,7% при PF=0,87, а при захранване на ХНЛ 81% приPF=0,85.27

10,90,80,70,60,50,40,30,2Коефициент на мощността (PF) и общихармонични изкривявания (THD) при захранванена СД0,1n01 2 3 4 5 6 7 8 9 10PFTHD10,90,80,70,60,50,40,30,2Коефициент на мощността (PF) и общихармонични изкривявания (THD) при захранванена ХНЛ0,1n05 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15PFTHDФиг.5.26 Фиг. 5.38Направеният анализ на работните режими на СД и ХНЛ, захранвани от параметричнипреобразуватели на източник на напрежение в източник на константен ток се отнасят зазахранващо напрежение с мрежова честота f=50Hz. Конструктивните размери на основнитеелементи (дросели и кондензатори), участващи в схемите, се определят освен от работнитепараметри на захранвания товар и от честотата на захранващото напрежение. Значителнонамаляване на техните размери, респективно загуби на активна мощност, може да сепостигне посредством работа на схемата при повишена честота.За конкретните приложения по фиг. 5.3 са предложени проектни конструктивни решения.Решенията са моделирани в програмна среда чрез използване на еквивалентни заместващисхеми с отчитане на активните съпротивления на елементите. Изчисленията показват, че визследваните приложения, използваните ферити работят в линейната част на тяхнатахарактеристика (далечe от насищане) и е допустимо използването на стандартни програмниелементи.Получените резултати за изходната характеристика на захранващите устройства приработа с мрежова (50Hz) и повишена честота (50 kHz) са показани на фиг. 5.38 и 5.39.Съвместната работа на преобразувателите и с двата вида СИ (ХНЛ и СД) при моделиранес въведени реални характеристики (на елементите на устройствата и СИ ) показва грешка настабилизирания ток на товара за разглежданите диапазони до 4% при захранване на СД и до3,5% при захранване на ХНЛ. Посочените грешки при работа с повишена честота със СДтовар са с по-малък размах в сравнение с работата при мрежова честота до 1%, докато притовар от ХНЛ разликата е незначителна – 0,5%.0,80,70,60,50,40,30,20,10Ieff L0 ре LED,AIeff L0 50kHzIeff L0 50Hz1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Фиг.5.38. Изходна характеристика на реалнитрифазни параметрични преобразуватели зазахранване на СД при работа на мрежова (50Hz) иповишена (50kHz) честотаn54,543,532,521,51Ieff L0 ре ХНЛ,AIeff L0 50kHzIeff L0 50Hz0,5n05 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Фиг.5.39. Изходна характеристика на реалнитрифазни параметрични преобразуватели зазахранване на ХНЛ при работа на мрежова (50Hz)и повишена (50kHz) честота28

35,0030,0025,0020,0015,0010,005,000,00Годишни разходи за осветление на единица площпри различни варианти на изпълнение на ОУ, лв/m24321С ХНЛ ииндивидуалниелектроннитрансформаториС ХНЛ и груповизахранващиустройстваСъс СД ииндивидуалнизахранващиустройстваСъс СД и груповизахранващиустройстваФиг.5.40. Ефект върху годишните разходи за осветлениена единица площ от прилагане на групови захранващиустройстваЗа оценяване на ефекта от прилагане наизследваните алтернативи за груповозахранване на ХНЛ и СД е направеносравнение на годишните разходи заосветление при изпълнение на ОУ сгрупови електромагнитни и синдивидуалниелектроннизахрахранващи устройства, фиг. 5.40.Резултатите показват редуциранигодишни разходи за осветление приизползване на групови захранващиустройства. Те се обуславят от понискатасумарна инвестиция и помалкитесумарни загуби на мощност отпреобразуване по отношение наизпълнение с индивидуални захранващиустройства за всеки осветител.За разработването на прототипи на захранващи устройства е необходимо да бъдатпроведени подробни експериментални изследвания. Обезпечаването на възможности заекспериментални изследвания на работата на параметрични преобразуватели и изходните имхарактеристики при прилагане на конкретни товари е изпълнено като лабораторен макет.Практическата му реализация е показана на фиг. 5.43 и 5.44. Разработеният стенд позволяваизследване на: 1. Еднофазни и трифазни параметрични преобразуватели в комплект с избрантовар; 2. Избор на режим за ток на товара; 3. Изследвания при к.с. във веригата на товара; 4.Изследване на динамични характеристики на изхода на преобразувателя при директноприлагане на захранващо напрежение.Фиг. 5.43.Челен панел на стенда с изведенитепревключвател за избор на режим, ключове, външнивръзки за избор на работна схема и свързване наизмервателни уредиФиг. 5.44.Силови и оперативни вериги настенда за заснемане на характеристиките напреобразователи напрежение-токИзводиРазработените и изследвани лабораторни образци на преобразуватели с изход наконстантен ток, изпълнени по схеми «Бушеро» дават възможност за реализиране на груповозахранване, както на ХНЛ, така и на СД.Създадените методики за оразмеряване и програмни модели на преобразуватели сотчитане на реалните характеристики на елементите им са полезни от гледна точка наизследване и разработване на промишлени образци.29

От изследването на съвместната работа на преобразувателите и светлинни източници сразработените програмни модели с реални характеристики, доказани посредствомексперименти, се получават добри енергийни характеристики на уредбите. И в дватаразгледани варианта на изпълнение на осветителна уредба, с ХНЛ и със СД за избранопредставително помещение от хотелиерския сектор при използване на разработенитеустройства за групово захранване, се получава ефективност приблизително 80% при PF=0,87за СД и PF=0,86 за ХНЛ. Този резултат показва, че предложените алтернативи иматсъизмерими показатели по отношение на използваните съвременни системи с електронниустройства, които по данни на водещи производители се характеризират с ефективност от 62до 95%.З А К Л Ю Ч Е Н И ЕЕфективността при изпълнението на една осветителна уредба е комплексна задача,която се определя от много фактори. Направените изследвания и разработки обхващатопределящите фактори за реализиране на енергийно-ефективни решения:1. Анализ на ефективността на ОУ от прилагане на осветители с различни светлинниизточници в комплект с необходимите захранващи устройства и управление,осигуряващо минимизирано потребление на електрическа енергия (Глава 2);2. Разработване на алтернативи на съвременните захранващи устройства за груповозахранване на ХНЛ и СД, които се характеризират с:- благоприятни експлоатационни условия за СИ, способстващи за съхраняване иудължаване на живота им;- безпроблемна работа за функциониращите СИ при дефектиране на други отверигата;- приемливи цени;- малка грешка на стабилизирания изходен параметър за широк диапазон отмощността.От друга страна, за разработване на захранващите устройства се преминава през всичкиетапи, необходими за получавана на достоверни резултати за режимите на работа наелементите, участващи в схемите и захранваните СИ, а именно:I. Разработване (за ХНЛ) и прилагане (за СД) на програмни модели на СИ с технитереални характеристики (Глава 3);II. Извеждане на общи решения за електрическите величини, характерни за елементитена конкретни схеми и захранвания товар и обоснован избор на практическа схемавъз основа на изведените зависимости (Глава 4);III. Изследване на режимите на избраните схеми с характеристики на реалниконструктивни елементи и ефекта от прилагането им (Глава 5) посредством: Проектиране и експериментално определяне на електрическите величини заизбраните схеми; Създаване на програмни модели с реални характеристики, основани нааналитично определени зависимости и експерименти; Моделиране на работата на захранващите устройства и СИ с характеристики нареални конструктивни елементи за конкретни практически приложения; Технико-икономическо обосновка за ефективността на предложенитевъзможности за захранване на ХНЛ и СД приложението им в практиката.Анализите показват, че предложените алтернативи за захранване на ХНЛ и СД може данамерят практическо приложение и да допринесат за постигане на енергийно-ефективнирешения с тези светлинни източници. Основните недостатъци на тези устройства са големитеим габаритни размери и ограничените възможности по отношение на намаляване на загубитеот преобразуване.30

ПриносиНаучнo-приложни приноси на труда1. Създаден е програмен модел на халогенни нажежаеми лампи в среда MATLAB,основан на аналитичен математически модел за процесите, протичащи в този видсветлинни източници и баланса на мощностите. Достоверността на модела е доказана(включително и по отношение на протичащите динамични процеси) посредством отчитанена конструктивните особености на лампи с различни номинални параметри, моделиране ипроведени експериментални изследвания при директно прилагане на захранващонапрежение. Моделите са приложими за изследване на работните им режими в комплект сразлични схемни решения (Глава втора).2. Създаден е програмен модел на конструирания реален дросел, включващ двемагнитно свързани намотки и нелинеен феромагнитен магнитопровод с въздушнамеждина. Моделът е основан на експериментални изследвания и изведена математическафункция за характеристиките на намагнитване посредством апроксимираща крива. Моделитеса подходящи за изследване в комплект с различна елементна база (Глава трета).3. Създадени са методики за синтез на преобразуватели на източници напроменливо напрежение в източници на променлив и на постоянен ток тип «Бушеро».Определени са критерии за използване на преобразувателите, на базата на техникоикономическипоказатели.4. Разработени са преобразуватели напрежение-ток за ефективно груповозахранване на халогенни нажежаеми лампи и светлодиоди, съизмеримо съссъществуващите съвременни решения (Глава четвърта и пета).Инженерно-приложни приноси на труда5. Програмно реализиране в среда Matlab и PSpice на пусково-регулиращиапарати за захранване на халогенни нажежаеми лампи и светлодиоди със зададениреални характеристики, както на елементите в захранващите устройства, така и на товара(Глава пета).6. Създадени са класификации по енергиийна ефективност и критерии“инсталирана мощност на единица площ“, респективно “годишна консумация на енергия заединица площ” при управление по КЕО и “годишни разходи за осветление за единица площи нормена осветеност” на базата на многовариантно проектиране за представителнипомещения на хотели и изпълнение на осветителни уредби с различни типове СИ - ХНЛ,КЛЛ и СД (Глава втора).7. Технико-икономически анализ за приложения на комбинирани осветителниуредби за пешеходни зони, изпълнени с комбинация от осветители с ХНЛ и СД иефективността им по отношение на конвенционално изпълнение с КЛЛ (Глава втора).8. Създаден е лабораторен макет за експериментално изследване на захранващиустройства с приложение на параметрични преобразуватели на източници нанапрежение в източници на неизменен ток от тип „Бушеро” за ХНЛ и СД (Глава пета), асъщо така са разширени възможностите на съществуваща система за заснемане нахарактеристиките на СИ (Глава трета). Разработени са две лабораторни упражнения зануждите на учебния процес по дисциплините ОИТ и ОУ с приложения на макетите.Публикации във връзка с труда[1] Pachamanov A.,Nikolova K., Ratz N., Matanov N., “ Modeling of Starting Regimes ofTungsten Halogen Lamp ”, ELMA 2005 15-16 sept, Vol 1, TM.6, p. 189-194;[2] Николова К., “Изследване на енергийната ефективност на типови осветителни уредби вхотели”, Годишник на ТУ-София, Том 59, Книга 2, 2009г., стр. 252 – 261;[3] Трифонов Н., Пачаманов А., Николова К., Христов К. „Осветителни уредби с хибридниосветители, захранвани от класически източници на неизменен ток”, XIV Национална31

конференция с международно участие BulLight/България Светлина 2010, 10-12 Юни2010, Варна, България, Сборник доклади, стр. VII-19 – VII -25;[4] Николова К., Трифонов Н., „Преобразувател на трифазна система променливинапрежения в източник на постоянен ток, изпълнен с приложение на схема „Бушеро””,Годишник на Техническия университет – София, Том 60, книга 1, 2010г., стр.183-190;[5] Nikolova K., Trifonov N., Pachamanov A., Gadjeva E., “A Real Converter of “Boucherot”Type with Ferromagnetic Core Reactor for Applications in Lighting Technology”, Lux junior2011, 23. bis 25.9.11 Dörnfeld, Germany;[6] Nikolova K., “Dynamic Characteristics of a Real Constant Current Source for Group LEDSupply”, International Scientific Conference UNITECH’11-Gabrovo, 18-19 November 2011,Volume I, Session Electrical Engeneering I, стр. I-130 – I-134ENERGY EFFICIENT SOLUTIONS OF LIGHTING INSTALLATIONS WITH HALOGENFILAMENT LAMPS AND LIGHT EMITTING DIODESThe objective of this work consists in studying alternative energy-efficient solutions for lightinginstallations using reliable current supplying devices for halogen filament lamps (HFL), which give optimalworking conditions and compatibility with light emitting diodes (LEDs).It has been performed a review of the recent international literature for the characteristics of HFL, theirsupplying devices, performance problems and conditions for the use of LEDs compatible supplying devices.The low luminous efficacy and the short life are the main reasons which make the filament sources noneffective. The demand of more efficient lighting technologies leads to dynamic development of the productmarket. Thus, it is necessary to know both if there are suitable present-day solutions for applications of themost efficient HFL (low voltage) and if it’s suitable to use a reliable group current supplying devices forthem. The use of current supplying devices in lighting installations for HFL has some important advantages:equal current of all light sources in the branch (equal luminous flux) and LED lumaires compatibility withminimized installation expenses. The experimental research of that kind of problems is expensive and needswide potential.Adequate results for the behavior of the light sources and the supplying devices are achievable with acomprehensive study of their combined operation. The objective of this work consists of analysis of energyefficientalternatives and group current supplying devices performance both with HFL and LEDs.A study of efficiency in typical fields of application of HFL installations was made by comparison withlight sources with higher luminous efficacy – compact fluorescent lamps and LEDs. Based on the resultswere made classification of the installations with several criteria: installed power for lighting per area, yearconsumed energy for lighting with daylight control per area for an year and lighting expenses per area for anyear.Various models of HFL based on mathematical model were constructed in MATLAB(Simulink)/ORCADand validated by experimental data. A research for program models, applicable in lighting technologies anddesign was made.In the next stage it was made an approach to suitable scheme for supplying device by the use ofparametric converter with outer characteristics of current source. Based on universal solutions in relativefigures were made analyses for different types of schemes with idealized elements. The results were used fordetermination of basic parameters for constructive elements, outer characteristics of the devices and choiceof scheme.For the chosen scheme were constructed laboratory models of a current supply. The parameters andcharacteristics of all constructive elements were measured for discrete load range. The results were used forcreation of analytical and simulation models of devices with real characteristics. The models show goodconvergence and models were applied for practical solutions of lighting installations both with HFL andLEDs. Analyses of the achieved working conditions and the typical parameters of the scheme elements andlight sources were made. The research was made both for static and dynamic characteristics. Similarly weremade models for the same installations and higher then the net frequency by application of equivalentelectrical schemes for discrete constructive solutions. The results show effective and good operationconditions for lighting installations with both HFL and LEDs and will allow further studies in more aspects.32