авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Исследование и разработка индукционных люминесцентных источников света на частотах 100-15 000 кгц

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ПОПОВ Олег Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНДУКЦИОННЫХ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

НА ЧАСТОТАХ 100-15 000 кГц

Специальность:

05.09.07 – Светотехника

05.27.02 Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

МОСКВА – 2011 г.

Работа выполнена на кафедре Светотехники Московского энергетического института

(технического университета)

Официальные оппоненты Доктор физико-математических наук, профессор

Василяк Леонид Михайлович

Доктор физико-математических наук

Кралькина Елена Александровна

Доктор физико-математических наук, профессор

Степанов Владимир Анатольевич

Ведущая организация Рязанский государственный радиотехнический

университет

Защита состоится « 20 » января 2012 г. в 14:00 часов на заседании диссерта-

ционного совета Д 212.157.12 при Московском энергетическом институте

(Техническом университете) по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13-Е,

ауд. Е-603.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергетического института (Технического университета).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ.

Автореферат разослан « » _________________ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.157.12, к.т.н., доцент Ремизевич Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ:

Актуальность работы

Люминесцентные лампы (ЛЛ) с внутренними электродами являются одним из самых эффективных и широко применяемых источников света. Трубчатые прямые ЛЛ, работающие на переменном токе частотой от 50 Гц до 20 кГц и на мощностях от 13 до 80 Вт, имеют хорошие цветовые характеристики (цветовая температура Тц = 3000 - 6000 К, общий индекс цветопередачи Ra = 60 - 90), быстрое разгорание (< 1 мин), мгновенное перезажигание и высокие световые отдачи до 100 лм/Вт. Однако, ток ЛЛ ограничен «сверху» (I < 1 А), а давление инертного (буферного) газа «снизу» (ри.г. > 1 мм рт.ст.) интенсивным и быстрым разрушением оксидного слоя, нанесенного на внутренние электроды ЛЛ, приводящим к выходу лампы из строя.

С начала 80-х годов прощлого века ведется разработка безэлектродных газоразрядных люминесцентных источников света, использующих для генерации ультрафиолетового излучения плазму индукционного разряда, возбуждаемую в колбе внешним высокочастотным (ВЧ) индуктором. Индукционные лампы имеют простую конструкцию, хорошие световые и эксплуатационные характеристики и параметры, не уступающие таковым ЛЛ с внутренними электродами. А ресурс индукционных ламп 60000–100 000 ч значительно превышает срок службы традиционных ЛЛ. Безэлектродные люминесцентные индукционные лампы лишены тех ограничений на конструкцию вакуумного блока и на давление инертного газа, которые имеют ЛЛ с внутренними электродами. Они могут иметь практически любую конфигурацию, определяемую конструкцией и размерами ВЧ индуктора и газоразрядной колбы, и способны работать в широком диапазоне мощностей 15-500 Вт при весьма низких для традиционных ламп давлениях инертного газа 0,01-0,1 мм рт.ст. Это открывает возможности для создания новых типов индукционных люминесцентных ламп и улучшения характеристик и параметров существующих: снижением мощности потерь в ВЧ индукторе и повышением световой отдачи плазмы. Важную роль в повышении конкурентоспособности индукционных ламп играет возможность снижения их себестоимости, веса, габаритов, а также простота конструкции лампы и дешевизна технологического процесса их изготовления.



Существенным прогрессом в технологии индукционных ламп стало бы снижение частоты питающего их напряжения, что привело бы не только к ослаблению психологического барьера, связанного с эксплуатацией ламп, питающихся от генератора ВЧ мощности, но и к ряду технических преимуществ, повышающих энергетическую эффективность всего источника света, упрощающих конструкцию лампы и снижающих себестоимость источника света и стоимость его технического обслуживания. С уменьшением частоты генератора возрастает его к.п.д. и снижается уровень создаваемых ВЧ индуктором и плазмой электромагнитных помех, что устраняет необходимость экранировки лампы и упрощает ее конструкцию. Наконец, работающий на низких частотах 100-400 кГц электронно-пускорегулирующий аппарат (ЭПРА) можно размещать на значительном от лампы расстоянии (до нескольких метров), что упрощает обслуживание источника света и значительно расширает сферу его применения.

В связи с вышеизложенным представляется актуальным:

  1. Проведение экспериментальных и теоретических исследований индукционных разрядов низкого давления в парах ртути и инертного газа в широком диапазоне частот ВЧ поля, мощности лампы, давления инертного газа, параметров ВЧ индуктора, размеров вакуумного блока.
  2. Создание новых типов эффективных безэлектродных индукционных люминесцентных источников света, как с магнитным усилением, так и бесферритных, работающих на относительно низких частотах ВЧ поля 100-1000 кГц и низких давлениях инертного газа ри.г. < 0,5 мм рт.ст.
  3. Усовершенствование конструкций и характеристик существующих типов индукционных люминесцентных ламп, работающих на низких частотах.

Результаты работы могут быть использованы в качестве базы данных для исследователей индукционных разрядов низкого давления, для разработчиков источников УФ излучения, стандартов оптического излучения, источников плазмы, применяемых в плазменной технологии, источников ионов и других технологических применений плазмы низкого давления.

Основные цели работы

1. Создание нового направления в газоразрядных индукционных люминесцентных источниках света: индукционные люминесцентные лампы на низких частотах возбуждения f = 100-400 кГц, высоких удельных мощностях плазмы Р1 > 1 Вт/см и низких давлениях инертного газа ри.г. < 0,5 мм рт.ст.

2. Систематическое исследование электрических, энергетических и световых характеристик индукционных люминесцентных ламп различных типов в широком диапазоне условий питания (мощности лампы, частоты ВЧ поля), параметров ВЧ индуктора, размеров разрядной колбы/трубки и давления рабочей смеси.

3. Создание комплексной модели индукционной люминесцентной лампы низкого давления на частотах возбуждения (ВЧ поля) f = 0,1–15 мГц, включающей трансформаторную модель индукционного разряда, электродинамическую модель индукционной плазмы, уравнения мощности потерь в ВЧ индукторе и эмпирические соотношения, связывающие световые характеристики лампы с конструктивными параметрами разрядной колбы и условиями питания разряда.

4. Создание новых типов эффективных бесферритных индукционных люминесцентных ламп в замкнутых и незамкнутых разрядных трубках, в которых плазма индукционного разряда возбуждается ВЧ током индуктивной катушки, размещенной по периметру трубки.

5. Создание индукционных люминесцентных ламп с полостью, работающих на относительно низких частотах 100-150 кГц на уровнях мощности от 25 до 500 Вт.

6. Создание новых типов ламп трансформаторного типа на частотах 100-400 кГц.

Основные положения, выносимые на защиту, и научная новизна работы

В диссертационной работе впервые получены следующие результаты:

1. На основе трансформаторной модели индукционного разряда, электродинамических моделей ВЧ индукционного разряда низкого давления, уравнений мощности потерь в ВЧ индукторе и эмпирических соотношений для напряженности ВЧ электрического поля и световой отдачи плазмы диссертантом предложена комплексная модель индукционной люминесцентной лампы, связывающая электрические, энергетические и световые характеристки лампы с конструктивными параметрами вакуумного блока, ВЧ индуктора и плазмы индукционного разряда. Получены аналитические выражения, связывающие параметры плазмы индукционного разряда и мощность потерь в ВЧ индукторе с конструктивными параметрами лампы и условиями ее питания.

2. Созданы математические модели расчета плазмы индукционных разрядов низкого давления в разрядных бесферритных замкнутых и незамкнутых трубках, возбуждаемых индуктивной катушкой с витками, расположенными паралелльно оси разрядной трубки. На основе моделей рассчитано пространственное распределение напряженности ВЧ индукционного электрического поля, плотности разрядного тока и объемной плотности мощности плазмы индукционного разряда.

3. Экспериментальными исследованиями зажигания емкостного и индукционного разрядов, возбужденных ВЧ индуктором на частотах 100-15000 кГц в смеси паров ртути и инертного газа низкого давления, установлено, что зажиганию индукционного разряда предшествует зажигание емкостного разряда. Анализ двух типов ВЧ электрических полей, емкостного и индукционного, генерированных током индуктивной катушки показал, что вблизи витков катушки напряженность емкостного поля в несколько раза превышает напряженность индукционного поля.

4. Экспериментально обнаружено, что на частотах ВЧ поля 100–1000 кГц напряженность ВЧ электрического поля зажигания индукционного разряда и ВЧ

напряжение на индуктивной катушке не зависят от частоты поля. ВЧ ток катушки и мощность зажигания индукционного разряда уменьшаются с частотой ВЧ поля.

Результаты эксперимента находятся в хорошем согласии с результатами расчета, проведенного в рамках комплексной модели индукционной лампы.

5. Экспериментальные исследования, проведенные в установившемся режиме работы индукционных ламп с полостью и ламп трансформаторного типа с кольцевыми магнитопроводами, показали что характер зависимости мощности потерь в ВЧ индукторе от мощности лампы определяется отношением частот / и величиной добротности плазменного витка/шнура Q2. На низких частотах ВЧ поля / <<1 и низкой добротности плазмы Q2<< 1, повышение мощности плазмы и частоты ВЧ поля вызывает уменьшение мощности потерь в ВЧ индукторе.

6. Экспериментально обнаружено, что на частотах ВЧ поля < световая отдача плазмы pl = Ф/Рpl не зависит от частоты ВЧ поля, но уменьшается с мощностью плазмы со скоростью, практически не зависящей от мощности плазмы, но возрастающей с давлением инертного газа и уменьшающейся с размером разрядного промежутка. К.п.д. ВЧ индуктора с возрастает с увеличением мощности лампы, ассимптотически приближаясь к 1.

7. Экспериментально установлено, что на частотах ВЧ поля f = 100-10 000 кГц световая отдача лампы v есть произведение световой отдачи плазмы pl на к.п.д. ВЧ индуктора с, а ее зависимость от мощности лампы имеет максимум, сдвигающийся в сторону меньщих мощностей лампы с увеличением частоты ВЧ поля, давления инертного газа, сечения сердечника/магнитопровода, диаметра разрядной трубки/колбы и с уменьшением длины плазменного витка/щнура. Зависимость световой отдачи лампы от давления инертного газа имеет максимум, который с увеличением мощности лампы и размеров разрядной колбы/трубки сдвигается в сторону меньших давлений.

8. Предложены, сконструированы и экспериментально апробированы два новых типа бесферритных безэлектродных индукционных люминесцентных ламп в

замкнутых и незамкнутых разрядных трубках, возбуждаемых ВЧ током индуктивной катушки, охватывающей лампу по ее продольному периметру. Лампы

работают на частотах ВЧ поля 200-15 000 кГц и мощностях 100-500 Вт со световыми отдачами 80-90 лм/Вт.

9. Предложены, сконструированы и исследованы мощные 300-450 Вт индукционные люминесцентные лампы с двумя полостями и ВЧ индукторами, симметрично размещенными на оси цилиндрической разрядной колбы. Лампы работают на частоте 130-400 кГц со световыми отдачами свыше 90 лм/Вт.

10. Предложены, сконструированы и экспериментально исследованы новые модификации ламп трансформаторного типа: а) с одной индуктивной катушкой, охватывающей кольцевые магнитопроводы и б) с разрядной трубкой эллиптического сечениия. Лампы работали на частотах 100-150 кГц и мощностях 60-300 Вт со световой отдачей свыше 90 лм/Вт.





11. На основе результатов проведенных в работе исследований диссертантом предложены, сконструированы и разработаны:

а) эффективные (v > 90 лм/Вт) индукционные люминесцентные лампы с полостью и ферромагнитным сердечником, работающие на частоте 135 кГц и уровнях мощности от 40 до 450 Вт;

в) компактная индукционная люминесцентная лампа с ЭПРА, встроенным в цоколе лампы, работающая на частотах 130-200 кГц и мощностях 20-25 Вт со световой отдачей 70 лм/Вт.

Результатом исследований свойств и характеристик индукционных люминесцентных ламп низкого давления, проведенных в диссертации в широком диапазоне частот ВЧ поля и мощности лампы, конструкций ВЧ индукторов и конструктивных параметров разрядных колб и трубок стало создание нового направления в технологии индукционных люминесцентных источников света: низкочастотные 100-400 кГц безэлектродные индукционные люминесцентные лампы с низким давлением инертного газа 0,01- 0,3 мм рт.ст. работающие на высоких удельных мощностях плазмы 1,515 Вт/см со световой отдачей 80-100 лм/Вт.

Практическая значимость работы

1. Полученные в работе аналитические выражения могут быть использованы для создания эффективных инженерных методов расчета характеристик и конструктивных параметров безэлектродных газоразрядных источников излучения.

2. Рассчитанные для частот ВЧ поля 100-400 кГц характеристики и параметры плазмы индукционного разряда низкого давления позволяют оценить, насколько оптимально выбраны конструктивные параметры и условия питания индукционных люминесцентных ламп, и наметить пути их улучшения.

3. Разработаны, исследованы и доведены до опытного образца индукционные люминесцентные лампы с полостью, работающие на частоте 135 кГц со световой отдачей 94-95 лм/Вт. На их основе фирмой Matsushita (Panasonic) выполнены инженерные разработки и налажен промышленный выпуск индукционных источников света различной мощности: Everlight 50, Everlight 150 и Everlight 240.

4. Разработана, исследована и доведена до опытного образца компактная индукционная люминесцентная лампа мощностью 23 Вт, работающая на частоте 100 кГц со световой отдачей 65 лм/Вт. На ее основе фирмой Matsushita (Panasonic) разработаны два компактных люминесцентных источника света марки Pa-look Ball со сроком службы 30 тыс. часов, работающих на частоте 480 кГц: а) 12 Вт (световой поток 800 лм); b) 20 Вт (световой поток 1300 лм).

5. Впервые предложены и экспериментально апробированы бесферритные индукционные люминесцентные лампы с прямой и замкнутой (кольцевой) трубкой, возбужденные ВЧ током индуктивной катушки с продольным расположением витков. Лампы работают на частотах 0,3 - 14 МГц и мощности 100-200 Вт со световой отдачей 83-85 лм/Вт. Они отличаются простотой конструкции и представляют практический интерес для ламп общего освещения и для источников УФ излучения.

6. Разработаны методы контроля температуры ртутной амальгамы, обеспечивающие в заданном интервале температур окружающей среды

максимальный световой поток лампы. Предложены метод и конструкция устройства, поддерживающие температуру индуктивной катушки и ферромагнитного сердечника ниже критической.

7. Диссертантом получены 19 патентов США на конструкции и материалы индукционных люминесцентных ламп и методы контроля их параметров.

8. Результаты исследований включены в программы курсов «Источники оптического излучения», «Тенденции развития источников света и ПРА» и «Расчет и конструирование источников света» и легли в основу учебного пособия «Индукционные источники света» для бакалавров и магистров светотехнической специальности (Изд. дом МЭИ, 2010, 64 с.)

Достоверность полученных результатов

1. Измерения проводились на большом количестве экспериментальных образцов при широком варьировании конструктивных параметров вакуумных блоков и ВЧ индукторов с применением современного высокоточного измерительного оборудования.

2. По результатам исследований предложены, сконструированы и разработаны опытные образцы индукционных люминесцентных ламп, которые легли в основу промышленных изделий, светотехнические и эксплутационные параметры которых соответствуют таковым, полученным диссертантом в ходе исследований.

3. Результаты расчетов электрических и энергетических характеристик индукционных разрядов, проведенных диссертантом в рамках развитой им модели, находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.

Апробация работы и публикации

Список работ, в которых нашли свое отражение основные результаты диссертации, содержит 45 публикаций, в том числе одна монография, 20 статей в ведущих научно-технических журналах из списка ВАК и 19 патентов США. Материалы диссертации докладывались на отечественных и зарубежных конференциях и симпозиумах (International Symposium on Science and Technology of Light Sources, International Сonference on Phenomena in Ionized Gases, Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов и др.)

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения. Общий объем диссертации (без Приложения) - 412 страниц машинописного текста, включающего 236 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 247 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обосновывается актуальность темы исследования, ставится ее цель, формулируются основные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ работ, посвященных исследованиям индукционных разрядов и дается краткая история развития индукционных люминесцентных источников света. Отмечаются работы Томсона, заложившего в 20-х годах ХХ века основы теории электромагнитного возбуждения разряда в газах и предложившего аналитические выражения, описывающие зажигание индукционного разряда, а также работы Таунсенда и Дональдсона, указавших на важную роль «электростатических» сил в зажигании и поддержании разрядов в газах. Обсуждаются работы Эккерта, создавшего в конце 60-х годов прошлого века на относительно низких частотах f = 800–10 000 Гц индукционный источник плазмы низкого давления в парах ртути в замкнутых разрядных трубках с железным кольцевым магнитопроводом. Подробно обсуждаются работы сотрудника фирмы General Electric Джона Андерсона, предложившего в конце 60-х годов три основных типа индукционных ламп: лампу трансформаторного типа, лампу с полостью и компактную люминесцентную лампу с кольцевым магнитопроводом и с инегрированным в базе лампы электронным пуско-регулирующим аппаратом (ЭПРА). Обуждаются работы советских специалистов

А.М. Троицкого и Д.Д. Юшкова, разработавших в начале 80-х годов ХХ века компактную индукционную люминесцентную лампу в сферической колбе Db = 8,5



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.