Prezentare Teza

7/30/2019 Prezentare Teza

1/96

CONTRIBUII PRIVIND INFLUENAINSTALAIILOR DE ILUMINAT ASUPRA

CALITII ENERGIEI ELECTRICE

Coordonator stiintific: Prof.dr.ing. Costin Cepisca

Doctorand: ing. Florin Argatu

2009

Tez doctorat

UNIVERSITATEA POLITEHNICA din BUCURESTI

Facultatea INGINERIE ELECTRICA


2/96

Cuprins

Introducere

CAPITOLUL 1 RELAIA CALITATEA ENERGIEI ELECTRICE ILUMINAT

CAPITOLUL 2 SOLUII TEHNICE UTILIZATE N CONSTRUCIA LMPILORPENTRU ILUMINATUL PUBLIC

CAPITOLUL 3 REDUCEREA PERTURBAIILOR PRODUSE DE ECHIPAMENTELE DEILUMINAT

CAPITOLUL 4 MODELAREA MATEMATIC A LMPILOR CU DESCRCRI N GAZECAPITOLUL 5 CONCLUZIIBIBLIOGRAFIE


3/96

INTRODUCERE

Dezvoltarea continu a societii s-a bazat pe creterea accentuat a energiei folosite n toate ramurileeconomice. Din totalul energiei obinute pe diverse ci, 1/3 este energie electric, adic 15,4 milioane GWh (2005).Din aceast cantitate de energie electric produs, consumul pentru iluminat este de aproximativ 19% din total. n

figura urmtoare se prezint o situaie a consumului de energie n diferite sectoare ale societii, observndu-sefaptul c iluminatul este domeniul n care se consum numai energie electric.

Consum de energie n diferite sectoare


4/96

Lmpile (sursele de lumina) se construiesc pe diferite principii fizice

Categorii de surse de lumin


5/96

CAPITOLUL 1 RELAIA CALITATEA ENERGIEI ELECTRICE - ILUMINAT

Studiul a urmrit:

- Influena reelei electrice asupra echipamentelor de iluminat (variaiafrecvenei, a amplitudinii, nesimetrii de tensiune, flickere etc).- - Influena echipamentului de iluminat asupra reelei electrice (armonice isubarmonice, perturbaii de bandlarg datorate amorsriidescrcrii n gaze).

- Elemente privind calitatea energiei electrice:

Furnizorul de energie electric se preocup ca reelele electrice de transport i distribuie pe

care le gestioneazsfuncioneze la anumii parametri de calitate, ca de exemplu, nivelul de tensiune

cu abaterile admisibile, valoarea frecvenei cu limitele de variaie admisibile n diferite regimuri de

funcionare, continuitatea alimentrii cu energie electric a consumatorilor etc.

Consumatorul de energie electric, la rndul su, este interesat s aib o calitate

corespunztoare a energiei electrice dar, n acelai timp, este implicat n meninereacalitii prin felul

i tipul de receptoare cu care este dotat i prin exploatarea judicioas a acestora. Principalele

influene negative produse de receptoarele consumatorilor se refer la producerea de armonice de

curent i de tensiune, precum i la funcionarea n regimuri nesimetrice, dezechilibrate.


6/96

CAPITOLUL 1 RELAIA CALITATEA ENERGIEI ELECTRICE - ILUMINATCalitatea energie electrice(PowerQuality): termenul a fost propus n S.U.A. de IEEE i preluat de

majoritatea publicaiilor de limba engleza. Calitatea energiei electrice, conform IEEE reprezintconceptul alimentarii i legrii la pmnt a echipamentelor sensibile, ntr-un mod care s permitfuncionareacorect a acestora. De fapt, n pofida acestei definiii, termenul este utilizat ntr-un sensmult mai larg, referindu-se att la problema polurii armonice generat de sarcinile neliniare, ct i laalte tipuri de perturbaii electromagnetice aprute n sistemele electroenergetice.

Compatibilitatea electromagnetica(Electromagnetic Compatibility EMC):termenul este utilizatde CEI i reprezint aptitudinea unui echipament sau sistem de a funciona satisfctor n mediul sauelectromagnetic, fr a induce perturbaii inacceptabile n orice alt echipament sau sistem existent nacel mediu.

Calitatea tensiunii (qualit de la tension):termenul este utilizat n Frana i n diferite publicaiieuropene i se refer la abaterile formei curbei de variaie n timp a tensiunii de la sinusoida ideal;poate fi interpretat ca referindu-se la calitatea produsului livrat de furnizor consumatorilor.

Calitatea curentului (current quality):este o definiie complementar celei anterioare i se referla abaterile curentului fa de forma ideal; noiunea se folosete pentru a descrie performaneleconvertoarelor electronice.

Calitatea alimentarii cu energie electric (quality of supply sau qulity of power supply): reflectarelaia furnizor-consumator; are o component tehnic, calitatea tensiunii i o alt component, frecventdenumit calitatea serviciilor (quality of service), care reflect relaiile cu consumatorul.

Calitatea consumului (quality of consumption):reflect relaia consumator-furnizor, se refer lacalitatea curentului, corectitudinea n plata facturii electrice etc.


7/96

Parametrii de apreciere a calitii energiei electrice

Indicatori de calitate aifrecveneiPentru evaluarea calitiifrecvenei sunt stabilii doi indicatori:

- evaluarea variaiilorrelativ lente ale frecvenei, ntr-un interval de timp de 10 minute;- variaiile rapide ce au loc cu viteze de peste 0,2 Hz/s.

Frecvenanominal a unui sistem electromagnetic trebuie s fie, conform normelor, de 50 Hz, cuo abatere de 0,5%.

Cderide tensiunei ntreruperiDefinire: Cderea de tensiune este o scderebrusc a tensiunii la un punct din reeauaelectric,

n aval, urmat de o restabilire a tensiunii dup un timp cuprins ntre jumtatea perioadeifundamentale din reea (10 ms la 50 Hz) i 1 minut (fig.1.1). ntreruperile sunt un caz particular de

cderi de tensiune de peste 90%. Ele sunt caracterizate de un singur parametru: durata. ntreruperilescurte i cele lungi sunt diferite att din punct de vedere al originii ct i al soluiilor.

Influen asupra echipamente iluminatSe poate afirma c lmpile cu incandescen sunt destul de puin influenate de

apariia golurilori ntreruperilor de scurtdurat de tensiune, ele vor lumina mai puinintens.

n cazul lmpilor cu descrcri n gaze, prevzute cu balast (cel inductiv este maipuin afectat dect cel electronic) apare fenomenul de flicker dar, cel mai ru fenomenconst n ntreruperea descrcrii i oprirea iluminatului, cu imposibilitatea unei noiporniri imediate, deoarece balastul nu mai are energia necesar.De exemplu, scdereatensiunii face ca lmpile cu sodiu s nu reia funcionarea dect dup cteva minute, lucruprimejdios pentru locul iluminat.


8/96

Gol de tensiune i ntrerupere scurt a alimentrii, clasificate n conformitate cu EN 50160;Untensiunea nominal a reelei de alimentare (valoare efectiv); UA amplitudineatensiunii de alimentare; U - valoarea efectiv curent a tensiunii de alimentare


9/96

Parametrii de apreciere a calitii energiei electriceSupratensiuniEle pot fi temporare (la frecven industrial), de manevr sau de origine atmosferici pot s

apar ntre conductoare active (faz/fazfaz/neutru) sau ntre conductoare active ipmnt.

Variaiiifluctuaiide tensiuneAcestea sunt variaii ale valorii efective de vrf a amplitudinii sub 10% din tensiunea nominal.

Variaiile lente de tensiune sunt cauzate de variaialent a sarcinilor conectate la reea. Fluctuaiile detensiune se datoreaz n principal unor sarcini industriale variabile rapid precum aparatele de sudur,cuptoare electrice, laminoare etc.

Dezechilibre de tensiune

Un sistem trifazat este dezechilibrat dac cele trei tensiuni de faz nu sunt egale n amplitudinei/sau nu sunt defazate unele fa de altele cu 120 grade.

Armonice i interarmoniceToate funciile periodice y(t) (de frecven f) se pot descompune ntr-o sum de sinusoide de

frecvena hf (h:ntreg), h este denumirea armonicei de rang (h>1). Componenta de rangul 1 estecomponentfundamental:.

1

0 )2sin(2)(h

hh hfYYty


10/96

Valoarea maxim a distorsiunii armonice (THD Total Harmonic Distortion) d odimensiune a deformrii semnalului:

2

2

1h

h

Y

Y

THD

Armonicele provin, n principal, din sarcinile neliniare; de aici caracteristica lor de aabsorbi un curent care nu are aceeaiform ca tensiunea care l alimenteaz. Armonicele decurent circul prin impedana reelei dnd natere la tensiuni armonice care pot perturbafuncionarea altor utilizatori racordai la aceeaisurs.

Degradarea tensiunii n reea prin sarcin neliniar.


11/96

Caracteristicile ctorva surse de armonice.


12/96

Flicker

Sarcinile mari care absorb un curent electric fluctuant, determinvariaii ciclice,cu frecvenredus a tensiunii care conduc la:

flicker al surselor delumin, care poate conduce la un semnificativ disconfort

fiziologic, stres fizic i psihologic i chiar efecte patologice asupra oamenilor; probleme privind stabilitatea funcionrii echipamentelor electrice i acircuitelor electronice.

n figur este indicat modul n care o modificare redus a tensiunii determin unefect semnificativ asupra fluxului luminos al unei lmpi cu incandescen.

Modificarea fluxului luminos ca rezultat al modificrii temporare a tensiunii


13/96

Un exemplu n care n spectrul tensiunii de reea apare flicker este indicat n fig.1.5.Spectrul indicat este tipic pentru tensiunea din reelele electrice care alimenteaz multe sistemede acionare cu sarcin variabil. O lamp cu incandescen alimentat din acest nod vaprezenta flicker cu o frecven de circa 1 Hz.

a) b)

a) Spectrul tensiunii de reea; b) fr componenta de 50 Hz .


14/96

Rezumat al perturbaiilor calitii energiei electrice


15/96

Norme, standarde i prescripii privind calitatea energiei electrice

Conform standardului EN 50160 furnizorul este cel care livreaz energia electric printr-unsistem de distribuie public, iar utilizatorul sau consumatorul este achizitorul (cumprtorul)

energiei electrice de la furnizor. Utilizatorul estendreptitsprimeasc de la furnizor o energiecu o calitate corespunztoare.

Totui, energia electric este un produs foarte special. Posibilitatea de stocare a energieielectrice ntr-o cantitate semnificativ este extrem de limitat astfel c ea este consumat nmomentul n care este generat. Msurarea i evaluarea calitii energiei electrice livratetrebuie fcut n momentul consumului ei. Msurareacalitii energiei electrice este complex,deoarece furnizorul i utilizatorul, ale cror echipamente electrice sensibile sunt i surse deperturbaii, privesc problema din perspective diferite.

Standardul CEI 60038 deosebetedou tensiuni diferite n reeai n instalaii: tensiunea de alimentare - care este tensiunea ntre faze sau faz-neutru n punctul

comun de conectare (PCC), adic n punctul principal de alimentare a instalaiei; tensiunea de utilizare, care este tensiunea ntre faze sau faz-neutru la priz sau borna

echipamentului electric.Principalul document care se refer la cerinele care se adreseaz furnizorului este

EN 50160 care caracterizeaz parametrii tensiunii aferent energiei electrice n sistemele

publice de distribuie. Acesta este un standard european dar el este completat n unele regiuniiri, cum ar fi Germani sau Polonia, prin alte standarde suplimentare, Multe coduri regionale,ca de exemplu TAB Germania aplicate unei anumite utiliti, au fost unificate ca o parte aliberalizriipieii de energie electric din Germania.


16/96

n standardul EN 50160 sunt definiiciva parametrii ai tensiunii. Cei mai importani sunt: Tensiunea de alimentare- valoarea efectiv a tensiunii existente la un moment dat n punctul

comun de conectare, msurat pe un anumit interval de timp. Tensiuneanominal a sistemului (Un) tensiunea pentru care sistemul este proiectat sau

identificat i la care se refer anumite caracteristici de funcionare. Tensiunea de alimentaredeclarat (Uc) este, de regul, tensiunea nominal a sistemului

Un.Dac, pe baza uneinelegeri ntre distribuitori utilizator n punctul (borna) de livrare a energiei

electrice se aplic o tensiune diferit de cea nominal, atunci aceasta este tensiunea de alimentaredeclaratUc.

Condiiinormale defuncionare- condiiile n care este satisfcut consumul, manevrele dinsistem i eliminarea defectelor prin sisteme automate de protecie n absena unor condiiiexcepionale datorate influenelorexterne sau evenimentelor majore.

Variaia tensiunii este o cretere sau o scdere a tensiunii, datoratvariaiei sarcinii totale asistemului de distribuie sau unei pri a acestuia.

Flicker impresia de instabilitate a senzaiei vizuale indus de un stimul luminos, a cruiluminan sau distribuiespectralfluctueaz n timp.

Severitatea Flickerului intensitatea jenei provocate de flickerdefinit de metoda UIE-CEIdemsurareievaluat prin urmtoarelemrimi:

severitate de scurtdurat (Pst)msurat pe o perioad de 10 minute; severitate de lungdurat (Plt)calculat pentru o secven de 12 valori a Pst

Gol de tensiune de alimentare - o reducere brusc a tensiunii de alimentare la o valoarecuprins ntre 90 % i 1 % din tensiunea declarat Uc, urmat de o restabilire a tensiunii dup operioad scurt de timp. Convenional, durata unui gol de tensiune este ntre 10 ms i 1 minut.

Adncimea unui gol de tensiune este definit ca fiinddiferena dintre tensiunea efectivminim ntimpul golului de tensiune i tensiunea declarat. Variaiile de tensiune care nu reduc tensiunea dealimentare sub 90 % din tensiunea declaratUcnu sunt considerate ca fiindgoluri de tensiune.


17/96

ntreruperea alimentriieste situaia n care tensiunea la bornele de alimentare estemai mic dect 1 % din tensiunea declarat Uc. O ntrerupere a alimentrii poate ficlasificat astfel:

- programat,cnd consumatorii sunt anunai anterior pentru a permite executareaunor lucrri programate n reeaua de distribuie,

- accidental,cauzat de defecte permanente (ntreruperi de lung durat) sautrectoare (ntreruperi de scurt durat), n majoritate datorate unor evenimente externe,defectri de echipament sau interferene.

Supratensiuni temporare de frecven industrial au o durat relativ mare, de regul,de cteva perioade de frecven industrial, i se datoreaz, n principal, manevrelor sauincidentelor, de exemplu n cazul unei reduceri brute a sarcinii sau a deconectrii unor

scurtcircuite. Supratensiuni tranzitorii- sunt oscilatorii sau neoscilatorii, amortizate rapid,supratensiuni scurte cu o durat de cteva milisecunde sau mai puin, datorate trsnetuluisau unor comutaii, de exemplu deconectarea unui curent inductiv.

Tensiunea armonic - o tensiune sinusoidal cu o frecven egal cu un multipluntreg al frecvenei fundamentale a tensiunii de alimentare. Tensiunile armonice pot fievaluate :

-individual,prin amplitudinea lor relativ Uh, raportat la tensiunea fundamental U1,

unde heste ordinul armonicii;-global,de regul prin factorul total de distorsiune armonic THD

Tensiune interarmoniceste o tensiune sinusoidal cu frecven ntre armonici,adic frecvena nu este un multiplu ntreg al fundamentalei.

Nesimetrie de tensiune -situaia n care valorile efective ale tensiunilor de faz sauunghiurile dintre faze consecutive ntr-un sistem trifazat nu sunt egale.


18/96

Comparaia dintre prevederile EN 50160 i cele ale standardelor de compatibilitateelectromagnetic seria EN 61000, listate n tabelele urmatoare, arat diferenesemnificative ale diferiilor parametri. Exist cteva motive principale pentru acestediferene:

Standardele de compatibilitate electromagnetic se refer la tensiuneadistribuitorului, conform CEI 038, n timp ce EN 50160 se refer la tensiunea de alimentare.Diferena dintre aceste tensiuni se datoreaz cderilor de tensiune n instalaii iperturbaiilor care provin din reea i de la alte echipamente alimentate prin aceeaiinstalaie. Datorit acestui fapt, n multe standarde din seria EN 61000 un parametruimportant este curentul echipamentului, n timp ce curentul de sarcin nu este relevantpentru EN 50160.

EN 50160 d numai limite generale, care sunt tehnic i economic posibil s

fie meninute de furnizor ntr-un sistem de distribuie public. Cnd se cer condiii mairiguroase, trebuie negociat onelegereseparat ntre furnizori consumator.Prescripiile standardului EN 50160 privitoare la valorile tensiunilor fiecrei armonici la

bornele (punctele) de alimentare, pentru armonici de ordin de pn la 25, date n procentedin Un.


19/96


20/96

CAPITOLUL 2SOLUII TEHNICE UTILIZATE N CONSTRUCIA LMPILORPENTRU ILUMINATUL PUBLIC

Lmpile electrice sunt surse primare artificiale de lumin care emit radiaie luminoas (eventual,

pe lng alte radiaii din domeniul optic) prin transformarea energiei electrice. Dup modul n care esteprodusradiaialuminoas,lmpile se mpart n dou categorii:- lmpi bazate pe fenomenul de radiaietermic;- lmpi bazate pe fenomenul de luminescen.

n cazul lmpilorbazate pe radiaiatermic, emisia de lumin este datorat unui corp solid adusla incandescen prin trecerea unui curent electric, corpul funcionnd n vid sau n atmosfer de gazinert.

Fenomenul de luminescen const n emiterea de ctre o substan a unei radiaiielectromagnetice a crei intensitate (pentru anumite lungimi de und) este mai mare dect cea aradiaiei termice emise de ctre substan la aceeai temperatur. Aceast radiaie poate avea locindiferent de starea de agregare a substanei.

Parametrii care servesc pentru compararea diverselor tipuri de lmpi, n vederea stabilirii surseide lumin care urmeaz a fi folosit ntr-o instalaie de iluminat, precum i pentru apreciereaavantajelori dezavantajelor acestora, se pot grupa n trei categorii:

- parametri tehnici de baz;

- parametri tehnico-economici i de exploatare;- parametri de cost.

ncadrarea unui parametru n una din cele trei categorii nu este strict deoarece nu se poate facetotdeauna o distincienet ntre un parametru tehnic (fizic) i un parametru de exploatare.


21/96

O privire asupra tipurilor de lmpiaprute n iluminatul casnic i stradal de-a lungul timpului esteprezentat n figur, unde se pune n eviden creterea eficacitii luminoase prin dezvoltarealmpilordu vapori de sodiu dejoasinalt presiune

Evoluia eficacitii luminoase a lmpilor


22/96

Exist mari diferene ntre lmpi din punct de vedere al eficacitii luminoase, redareaculorilori culoarea luminii.

Lmpile cu incandescen au cea mai mic eficacitate: aproximativ 95% din putereaabsorbit de la reea este transformat n clduri numai 5% se convertete n lumin. ns,aceste lmpi au o redare excelent a culorilor, ceea ce implicprezena n radiaie a unui spectrularg de lungimi de und; n plus, costul este mic. n prezent se mai pot utiliza n aplicaii de scurttimp ce impun o redare foarte bun a culorilor.

Lmpile cudescrcare n gaz cu mercur la nalt presiune, cea mai veche tehnologieHID, produc o luminalb, fiind utilizate n locurile unde se impune o eficacitate bun (30-60lm/W) i o redare bun a culorilor. Unele modele cu puteri mari sunt folosite n slile de sport,fiind montate la marenlime.

Lmpile cu descrcare n gaz cu sodiu la nalt presiune sunt folosite n iluminatulstradal i ariile intens populate. Eficacitatea este de 100-150 lm/W dar redarea culorii esteinsuficient.

Lmpile cu vapori metalicisunt cele mai eficiente surse de luminalb (100 lm/W), cu ofoarte bun redare a culorilor.

Lmpile cudescrcare n gaz cu mercur lajoas presiuneproduc luminalb. Cele maides ntlnite sunt lmpile fluorescente (TL,PL etc.), cu o eficacitate de cca. 100 lm/W i o bunredare a culorilor.


23/96

Lmpi cu descrcare n vapori metalici. Radiaia luminoas.Radiaia luminoas a lmpilor cu descrcare n vapori metalici are la baz fenomenul de

electroluminiscen datorat interaciunilor particulelor elementare din mediul n care are locdescrcarea.

Descrcarea electric reprezint trecerea curentului electric prin mediul care conine vaporimetalici, prin intermediul purttorilorde sarcini produi n spaiul de descrcareiantrenai de ctreun cmp electric creat de o diferen de potenialaplicat mediului.

Procesul de radiaie const n emiterea de ctre un atom, excitat n timpul procesului dedescrcare, ca urmare a trecerii sale ntr-o stare energetic inferioar, a unui foton care poart cu el

diferena dintre energiile poteniale corespunztoare atomului excitat (E2) i atomului dup radiaie(E1), frecvenaradiaiei fiind dat de relaia :

12EEh

n care heste constanta lui Planck.

ntruct nivelele energetice ale atomului au numai valori discrete i caracteristice fiecreisubstane, rezultc spectrul de radiaie al descrcrii este un spectru de linii (frecvene, i deci,lungimi de und discrete) specific fiecrui metal.


24/96

Forme de descrcare utilizate n lmpi

Principala form de descrcare la lmpile cu vapori metalici este descrcarea tip arc,caracterizat prin :

- prezena emisiei termoelectronice de ctre electrozii nclzii n principal de ctre ionii pozitiviprovenii din spaiul de descrcare (electrozi autonclzii), densitateaja curentului de emisie la otemperatur Ta catodului fiind dat de expresia :

kTeTAj /2

n care

este lucrul de extracie a electronilor,k

este constanta lui Boltzmann iarA

o constant deproporionalitate.

- densitate mare de curent la catod i contractarea arcului electric sub forma petei catodice sursaemisiei termoelectronice;

- cdere de tensiune redus la catod;- caracteristic volt-amperdescendent.

Descrcarea tip arc este precedat de un stadiu de descrcare luminescent caracterizat printr-ocdere de tensiune catodic mare, cerut de emisia electronicsecundar, care provoac, n acelaitimp, pulverizarea puternic a catodului la ciocnirea cu ionii pozitivi accelerai de cmpul electric intensformat n vecintatea acestuia.


25/96

Amorsarea descrcrii (aprinderea)

La alimentarea direct de la o surs de energie cu tensiune constant, cu rezisteninternmic, o lamp cu descrcareelectricprovoac practic un scurtcircuit; procesul

de ionizare n avalan nefiind limitat, intensitatea curentului n circuit crete necontenit,pn se ajunge la distrugerea unui element de circuit (n particular, a lmpii). Rezultdeci c un conductor gazos nu are o rezisten proprie caracteristic, aceastamicorndu-se pe msuracreteriiintensitii curentului din mediul gazos.

n consecin, o lamp cu descrcare electric nu poate fi conectat direct la osurs de tensiune constant, ci numai n serie cu o rezisten sau impedan de valoaresuficient pentru a limita valoarea intensitii curentului stabilit n circuit.

Stabilizarea descrcrii. Balasturi pentru lmpile electrice

Caracteristica u-iConectare balast


26/96

Lmpi cu vapori de mercurPrincipial, construcialmpii se prezint ca n figura i cuprinde ca pri principale soclul (1), tubul

de descrcare (9), subansamblul picioru (6) cu armtura pentru fixarea i alimentarea tubului dedescrcare, balonul exterior (5)

Tubul de descrcare este compus dintr-un tub de sticl de cuar (8) n interiorul cruia segsesc doi electrozi principali activai (7) i unul sau doi electrozi auxiliari (4) conectai, nexteriorul tubului, la electrozii principali opui, prin intermediul unorrezistener(3). Trecerile prinsticl, pentru conectarea n exterior a electrozilor, sunt realizate prin folii de molibden (2).


27/96

Lmpi cu vapori de sodiuLmpile cu sodiu emit o radiaieluminoas foarte apropiat de sensibilitatea maxim a ochiului uman n condiii

normale de vizibilitate, fapt pentru care au o ridicat sensibilitate luminoas

Radiaia la lampa cu vapori de sodiu


28/96

Utilizarea sodiului n corpurile de iluminat conduce la radiaii n intervalul 589589,6 nm,corespunztoare culorii galbene i astfel, redarea tuturor culorilor nu este posibil. Acest faptnu produce dificulti n iluminarea autostrzilor, a oselelor i a strzilor dar conduce lareducerea posibilitilorde utilizare n magazine sau alte locuri interioare asemntoare ncare se cere o corect redare a culorilor.

Distribuia spectral


29/96

Construcia unei lmpi cu vapori de sodiu de joas presiune

Lmpile cu vapori de sodiu de joas presiune sunt utilizate n general pentruiluminat stradal fiind sursele luminoase cu eficiena cea mai ridicat. Costul energieielectrice consumate este astfel cel mai sczut, lucru fundamental n cazul iluminriiautostrzilorsau oselelorfoarte lungi. Eficacitatea lmpii se datoreaz culorii luminiiemise, apropiat de sensibilitatea maxim a ochiului uman n condiii normale depercepie.


30/96


31/96

Sistemul de achiziie de date

Echipament METREL

Caracteristici ale echipamentului:- poate nregistra pn la 64 de semnale, pe cele 3 faze;- frecvena semnalului nregistrat 50/60 Hz;- tensiunea nominal 54-450 V;- perioada de integrare 1-900 s (intervalul la care se face achiziia de semnal);- nregistrarea semnalelor poate fi statistic sau periodic;

- memorie circular sau liniar (n cazul memoriei liniare, nregistrarea se oprete cnd seajunge la sfritul memoriei, n cazul celei circulare se va continua nregistrarea dupajungerea la sfritul memoriei);

- scara tensiunii are 100 poziii;- scara curentului are 1000 poziii;- baud rate-ul este disponibil pentru 6 valori: 2400, 4800, 9600, 19200, 38400 i 57600.


32/96

Calitatea energiei electrice n reea

Forma de semnal a tensiunii reelei

Voltage Ph1 (%) Thd = 3.54%

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

Factorul de distorsiune pentru tensiune fr nicio lamp conectat


33/96

206.12

206.98

207.83

208.68

209.54

210.39

211.24

212.09

212.95

213.80

214.65

215.51

216.36

217.21

218.06

218.92

219.77

220.62

221.48

222.33

223.18

11.04.2006. 16:34:00 12.04.2006. 10:22:00Relation 1 :2

U1 (V) Avg

Periodics ( 12APRNPT.MDT)

Variaia temporal tensiunii reelei

2.46

2.52

2.58

2.64

2.70

2.76

2.82

2.88

2.94

3.01

3.07

3.13

3.19

3.25

3.31

3.37

3.43

3.49

3.55

3.62

3.68

11.04.2006. 16:34:00 12.04.2006. 10:22:00Relation 1 :2

thdU1 (%) Avg

Periodics (12APRNPT.MDT)

Variaia factorului de distorsiune n reea


34/96

Determinri experimentale asupra lmpilor cu incandescen

Forme de semnal pentru lampa cu incandescen de 100W, 230V


0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0Current Ph1 (%) Thd = 4.23%

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

0.5

1.0

1.5

2.02.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

Factorii de distorsiune: a) tensiune; b) curent.


35/96

Determinri experimentale asupra lmpilor fluorescentePentru realizarea msurtorilors-a folosit o lamp neon cu tub fluorescent cu urmtoarelecaracteristici tehnice: putere 18W; tensiune nominal 220V; intensitate luminoas 950 Lm;frecvenanominal 50 Hz; balast electronic.


0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.54.0

4.5

5.0 Current Ph1 (%) Thd = 123.02%

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0160.0

180.0

200.0

Forme de semnal pentru lamp cu tub fluorescent

Factorii de distorsiune: a) tensiune; b) curent

Lamp cu tub fluorescent


36/96

Determinri experimentale asupra lmpii fluorescente de 36W


0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.03.5

4.0

4.5

5.0 Current Ph1 (%) Thd = 153.48%

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

180.0

200.0

Factorii de distorsiune pentru tensiune (a) i curent (b) la lampa economic de 36W

Forme de semnal pentru lampa economic fluorescentLamp economic fluorescent de 36W


37/96



Forme de semnal pentru lampa economic fluorescent


0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0Current Ph1 (%) Thd = 128.87%

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

180.0

200.0


38/96



Forme de semnal pentru lampa economic fluorescentLamp economic fluorescent de 26W


0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.53.0

3.5

4.0

4.5

5.0 Current Ph1 (%) Thd = 129.86%

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

180.0

200.0


39/96

Determinri experimentale asupra unui ansamblu de lmpi economice

Factorii de distorsiune la ansamblul de lmpi

Forme de semnal pentru ansamblul de lmpiAnsamblu de lmpi


0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

0.5

1.0

1.5

2.02.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0Current Ph1 (%) Thd = 130.66%

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

180.0

200.0


40/96

Tabelul prezint comparativ rezultatele obinute din determinrile asupra lmpilor de iluminat.

n concluzie, lmpile economice fluorescente au avantajul consumului redus de energieelectric,ns reducerea aceasta a consumului este realizat printr-o deformare extrem a

formei undei curentului absorbit i deci, se afecteaz considerabil calitatea energiei electricedin reeaua la care sunt conectate. Aadar, reducerea consumului de energie electric estetransformat intr-o scdere a calitii acestei energii.


41/96

70 W 150W 250W

Analiza performanelor ansamblului lamp cu vapori de sodiu

Lmpile cu vapori de sodiu studiate


42/96

Determinri experimentale


43/96

Schema de conectare la reea a unei lmpi este cea din figura urmatoare, care, pe lngbalastul B, cuprinde dispozitivul de aprindere DA i un condensator C pentru mbuntireafactorului de putere al circuitului lmpii L. Rezultatele determinrilor experimentale sunt

prezentate n continuare pentru fiecare tip de lamp supusncercrilor.

Schema de conectare la reea a lmpii cu vapori de sodiu


44/96

Lampa de 250W echipat cu condensator C= 32F

350.0V

5.0 A

3 wires

-5.0A-350.0 V

+ -

+ -

Forme de semnal pentru lampa de 250W, C=32F

Voltag e Ph1 (%) Thd = 2.85%

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

Cur rent Ph1 ( %) Thd = 41.30%

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

Factorii de distorsiune


45/96

214.30

214.56

214.83

215.10

215.37

215.64

215.90

216.17

216.44

216.71

216.98

217.25

217.51

217.78

218.05

218.32

218.59

218.86

219.12

219.39

219.66

16.10.2003. 17:36:00 16.10.2003. 17:40:18Relation 1 :1

U1 (V) Avg

Periodics (C36_1610.MDT)

1.25

1.25

1.26

1.26

1.27

1.27

1.27

1.28

1.28

1.29

1.29

1.30

1.30

1.30

1.31

1.31

1.32

1.32

1.33

1.33

1.33

16.10.2003. 17:36:00 16.10.2003. 17:40:18Relation 1 :1

I1 (A) Avg


Variaia n timp a valorilor efective ale tensiunii i curentului

Variaia factorului de distorsiune n funcie de timp


46/96

Puterile absorbite de lamp sunt reprezentate n figurile urmtoare:

0.27

0.27

0.27

0.27

0.27

0.28

0.28

0.28

0.28

0.28

0.28

0.28

0.28

0.28

0.28

0.28

0.29

0.29

0.29

0.29

0.29

16.10.2003. 17:36:00 16.10.2003. 17:40:18Relation 1 :1

St+ (kVA) Avg

Periodics (C 36_1610.MDT)

0.13

0.14

0.15

0.15

0.16

0.17

0.17

0.18

0.19

0.19

0.20

0.21

0.21

0.22

0.23

0.23

0.24

0.25

0.25

0.26

0.27

16.10.2003. 17:36:00 16.10.2003. 17:40:18Relation 1 :1

Pt+ (kW) Avg


Puterea aparent absorbit de lamp Puterea activ absorbit de lamp

0.00

0.02

0.03

0.04

0.05

0.07

0.08

0.09

0.10

0.12

0.13

0.14

0.15

0.17

0.18

0.19

0.20

0.22

0.23

0.24

0.25

16.10.2003. 17 :36 :00 16.10.2003 . 17:40:18Relation 1 :1

Qti+ (kVAr) Avg


Puterea reactiv absorbit de lamp


47/96

5.64

6.01

6.38

6.75

7.12

7.49

7.86

8.23

8.60

8.97

9.34

9.71

10.07

10.44

10.81

11.18

11.55

11.92

12.29

12.66

13.03

16.10.2003. 17:36:00 16.10.2003. 17:40:18Relation 1 :1

I1 h3 (%) Max


20.69

21.51

22.34

23.16

23.99

24.81

25.63

26.46

27.28

28.11

28.93

29.75

30.58

31.40

32.22

33.05

33.87

34.70

35.52

36.34

37.17

16.10.2003. 17:36:00 16.10.2003. 17:40:18Relation 1 :1

I1 h5 (%) Max


Armonica 3 de curent Armonica 5 de curent

1.39

1.82

2.26

2.69

3.13

3.56

4.00

4.44

4.87

5.31

5.74

6.18

6.61

7.05

7.49

7.92

8.36

8.79

9.23

9.66

10.10

16.10.2003. 17:36:00 16.10.2003. 17:40:18Relation 1 :1

I1 h7 (%) Max


2.18

2.30

2.41

2.53

2.65

2.77

2.89

3.01

3.12

3.24

3.36

3.48

3.60

3.72

3.83

3.95

4.07

4.19

4.31

4.43

4.54

16.10.2003. 17:36:00 16.10.2003. 17:40:18Relation 1 :1

I1 h9 (%) Max




48/96



7.82

8.07

8.32

8.57

8.82

9.07

9.32

9.57

9.82

10.07

10.32

10.57

10.82

11.07

11.33

11.58

11.83

12.08

12.33

12.58

12.83

16.10.2003. 17:36:00 16.10.2003. 17:40:18Relation 1 :1

I1 h11 (%) Max


3.37

3.61

3.86

4.10

4.35

4.59

4.84

5.09

5.33

5.58

5.82

6.07

6.32

6.56

6.81

7.05

7.30

7.54

7.79

8.04

8.28

16.10.2003. 17:36:00 16.10.2003. 17:40:18Relation 1 :1

I1 h17 (%) Max


1.68

1.96

2.23

2.51

2.78

3.05

3.33

3.60

3.88

4.15

4.43

4.70

4.98

5.25

5.52

5.80

6.07

6.35

6.62

6.90

7.17

16.10.2003. 17:36:00 16.10.2003. 17:40:18Relation 1 :1

I1 h23 (%) Max


0

0.40

0.79

1.19

1.58

1.98

2.37

2.77

3.16

3.56

3.95

4.35

4.74

5.14

5.53

5.93

6.32

6.72

7.11

7.51

7.90

16.10.2003. 17:36:00 16.10.2003. 17:40:18Relation 1 :1

I1 h29 (%) Max



49/96

Lampa de 250W cu condensator C=12F

350.0 V

5.0 A

3 wires

-5.0A

-350.0 V

+ -

+ -

Forme de und pentru lampa de 250W, C=12F

Cur rent Ph1 ( %) Thd = 8.27%

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

Factorul de distorsiune pentru curent


50/96

Puterile absorbite de lamp sunt prezentate mai jos

0

0.01

0.03

0.04

0.05

0.07

0.08

0.09

0.11

0.12

0.13

0.15

0.16

0.17

0.19

0.20

0.21

0.23

0.24

0.25

0.27

16.10.2003. 17:43:00 16.10.2003. 17:47:15Relation 1 :1

Pt+ (kW) Avg


0

0.03

0.06

0.09

0.12

0.15

0.18

0.21

0.23

0.26

0.29

0.32

0.35

0.38

0.41

0.44

0.47

0.50

0.53

0.56

0.59

16.10.2003. 17:43:00 16.10.2003. 17:47:15Relation 1 :1

Qti+ (kVAr) Avg


Puterea activ Puterea reactiv

Variaia factorului de putere n timpul funcionrii lmpii


51/96

Rezultate experimentale obinute la T.E.I. Kozani (Grecia)asupra unor lmpi din producia UE

Grup de 5 lmpi de 150W cu vapori de sodiu, alimentate cu Un:a) fr compensarea factorului de putere; b) cu compensarea factorului de putere.

a) b)


52/96

Rezultate experimentale obinute la T.E.I. Kozani (Grecia)asupra unor lmpi din producia UE

Alimentare cu: a) 0,9Un; b) 1,1Un.

a) b)


53/96

CAPITOLUL 3 REDUCEREA PERTURBAIILOR PRODUSEDEECHIPAMENTELE DE ILUMINAT

O importandeosebit n funcionarea lmpiloro are modul de racordare la reeaprin intermediul dispozitivelor de amorsare a descrcrii n lamp. De asemenea, modulde meninere a descrcrii prin intermediul balastului este extrem de important nfuncionare. Aceste elemente sunt cele care produc perturbaii electromagnetice, att defrecvena reelei (armonici superioare) ct i de frecvene foarte mari, n domeniulfrecvenelorspecifice telecomunicaiilor.

O altcomponent important a ansamblului lmpii cu vapori metalici o constituiebalastul. Pe lng balastul clasic de tip electromagnetic au aprut i soluii de tipelectronic.

Soluiile utilizate n prezent pentru ansamblul lamp cu vapori de sodiu indic ofuncionare defectuoas a balasturilor i a dispozitivelor de amorsare a descrcrilor,

majoritatea lor contribuind la deformarea semnalelor de curent i de tensiune i lapoluarea cu armonici a reelelorelectrice, modificnd n sens negativ calitatea energieielectrice. De remarcat cproductoriii transportatorii de energie electric au nceput simpun norme stricte n privina polurii electromagnetice privind echipamentele ce seintroduc n reele.


54/96

Modelarea amorsrii descrcrii n lamp

Apariia unui regim nesinusoidal important n funcionarealmpilorde iluminat stradal a condus

la iniierea unorcercetri de limitare a armonicilor superioare prin diferite procedee. Unul dinprocedeele ncercate i care a dat rezultate a constat n proiectarea i realizarea dispozitivelorde amorsare a descrcrii la anumite momente de timp.

Programul de calcul


55/96

n figura urmtoare se prezint semnalul de tensiune sinusoidal, de frecven 50 Hz, ce alimenteazlampa i peste care se suprapune impulsul de tensiune nalt.

Tensiunea reelei de alimentare a lmpii


56/96

a) amorsare la 27 grade b) amorsare la 45 grade

c) amorsare la 63 grade d) amorsare la 90 grade.

Poziionarea impulsului de nalt tensiune pe semnal sinusoidalla diferite poziii de amorsare


57/96

a) amorsare la 27 grade b) amorsare la 45 grade

c) amorsare la 63 grade d) amorsare la 90 grade.

Poziionarea impulsului de nalt tensiune pe semnal sinusoidalpe ambele alternane la diferite poziii de amorsare


58/96

0500

10001500

20002500

30003500

40000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

*10 [%] - POZITIE AMORSARE

frecv[Hz]

Putere

spectrala

Armonice generate de producerea impulsurilor de nalt tensiune

Cteva concluzii rezultate din aceste modelri i simulri privind apariiaimpulsului de amorsare produs de igniter:

a) utilizarea unui dispozitiv de amorsare monoalternan conduce laamplitudini mai mici ale armonicelor superioare. n acest caz apar i armonice de ordin

par. b) utilizarea unui dispozitiv de amorsare bialternan conduce la prezena doara armonicelor de ordin impar (3,5,7,9,11 etc.) de amplitudini importante, dar rangul loreste sensibil mai mic dect la monoalternan.

Fiecare soluie impus de normele specifice lmpilor de iluminat stradal areavantaje i dezavantaje i de aceea trebuie rezolvat fiecare situaie n parte.


59/96

Module de comand a amorsrii descrcrii n lamp

n funcie de rezultatele obinute prin modelarea matematic a proceselor ce apar ladescrcrile din lmpile cu vapori de sodiu am participat, n cadrul unui contract de cercetare, larealizarea unor noi variante de ignitere care respectcerinele rezultate din modelare.

La aceste variante de igniter, durata de funcionare a generatorului de impulsuri a fostproiectat i realizat ca s fie controlat de un secveniator electronic n vederea reduceriiduratei perturbaiilor electromagnetice introduse de sistem n reeaua de alimentare. Sefurnizeaz impulsuri cu poziiereglabil pe tensiunea de reeai se asigur conectarea n paralel

cu lampa a dispozitivului de aprindere, ceea ce reduce la dou firele de legturi nu solicitsuplimentar dispozitivul cu curenii de funcionare ai lmpii,permind conectarea dispozitivuluide aprindere la distan (maximum 4 metri) de lamp.

Perturbaiile electromagnetice produse de aprinderea lmpilor prin impulsuri de nalttensiune (minim 2,5 kV) sunt greu de limitat ca amplitudine, dar pot fi limitate ca durat printr-o

judicioas gestionare a timpului de funcionare a dispozitivului de amorsare astfel ca aprinderea

lmpiis fie sigur iar durata de funcionare a generatorului de impulsuri minim.Aceastfuncieeste realizat de secveniatorul electronic care asiguri renceperea secvenei de aprindere ncazul cderii, sub o anumitlimit, a tensiunii de reea.


60/96

n figura se prezint structura circuitului de comand a amorsrii descrcrii.

Blocul (7) ce realizeaz temporizarea secvenial este realizat dintr-un divizor defrecven (DF1) care realizeaz o divizare cu opt a frecvenei semnalului de 50Hz, perioadareelei de alimentare fiind folosit ca referin de timp. Semnalul astfel divizat este transmisunui divizor de frecven (DF2) care realizeaz o divizare cu 250 i transmite acest semnal laun al treilea divizor de frecven (DF3) care realizeaz o divizare cu patru n vedereaformrii unor impulsuri cu factor de umplere 0,25, realizate cu ajutorul unui multiplexor(MUX). Aceste impulsuri comand blocul de inhibare (6) prin intermediul unui rezistor.

Perioada total de funcionare aparatului este determinat de un circuit divizor cu 600(DF4), care la rndul sucomand blocul de inhibare (6).


61/96

Schema electronic a secveniatorului electronic

Semnalul generat de secveniatorul electronic

Forma de und a semnalului de la ieirea secveniatorului (fig.3.9), are urmtoarele durate

caracteristice: duratele de timp notate t1 reprezint perioadele de funcionare ale aparatului, iarduratele notate t2, unde t2= 3t1, reprezint perioadele n care funcionarea este inhibat pentrureducerea perturbaiilor. Durata total a secvenei generate este TC=13t1.

Faptul c numai din timpul de funcionare este folosit pentru amorsare conduce laproducerea unorperturbaii electromagnetice de valori mai sczute.

Aceastsoluie a fost aplicat la igniterele de tip monoalternanibialternan.


62/96

Este prezentat schema electric, organizat pe blocuri funcionale, a aparatului cu impulsurimonoalternan pentru aprinderea lmpilorde iluminat cu vapori metalici.

Igniter cu impulsuri monoalternan

n urma calculelor i a determinrilor experimentale, pentru obinerea unei funcionri optime, s-auobinuturmtoarele valori pentru elementele de circuit:Tr transformator : N1-320 spire, =0,2; N2-12 spire, =0,4; N3- 26 spire, =0,4D1, D2, D3 dioda redresoare 1N 4007; Ti1 tiristor T6N6; Di1 diac DC32;T1 tranzistor BC 107R1 rezistor 1 k, 2W; R2 rezistor 680 k; R3 rezistor 100 k; C1 condensator 6,8 nF, 275V c.a.C2condensator 0,1F, 275V c.a.; C3 condensator 0,47 F, c.a.; C4 condensator 10nF, 100V


63/96

Generarea impulsurilor de nalt tensiune pentru aprinderea lmpilorcu vapori metalici pe vrfulambelor alternane ale tensiunii de reea se realizeaz prin descrcarea sarcinii electrice,

nmagazinate ntr-un condensator, prin intermediul unui triac, pe nfurarea primar atransformatorului ridictorde tensiune, a creinfurare secundar este montat n paralel culampa prin intermediul unui condensator de decuplare. Acest mod de conectare a dispozitivului deamorsare a aprinderii evit trecerea curenilordin regimul nominal de funcionare al lmpii prinsecundarul transformatorului ridictorde tensiune i deci supradimensionarea inutil a acestuia.

Schema bloc pentru igniter cu amorsare bialternan


64/96

Realizarea unei instalaii cu instrument virtual pentru ncercri experimentale

Este prezentat instalaia realizat pentru testarea igniterelor realizate conform principiilor tehniceenunate anterior.

Instalaie testare ignitere

Pentru experimentrile asupra prototipurilor de lmpi cu igniterele prezentate a fostelaborati realizat o platform cu un instrument virtual bazat pe pachetul de programeLabVIEW.

Instrumentul virtual, are urmtoareleposibiliti de control:- surs de tensiune sinusoidal (0 250) V;- frecven (45 55) Hz;


65/96

2500 50 100 150 200

230.00SURSA DE TENSIUNE

10000 200 400 600 800

50.00REZISTENTA

50.15

FRECVENTA

1000.00.0

250.0 500.0 750.0755.43

WATTMETRU

59.10

IMPEDANTA

32.2193

DEFAZAJ

0.8460

FACTOR DE PUTERE

10000 200 400 600 800

100.00INDUCTIVITATE

5.00.0

1.02. 0 3. 0

4.03.89

AMPERMETRU

250.00.0

230.00

OLTMETRU

1000.00.0

250.0 500.0 750.0477.22

ARMETRU

55.045.0

48.0 50.0 52.0 50.15

FRECVENTMETRU

1.00.0

0.20. 4 0. 6

0.8 0.85

COSFIMETRU

895.08

PUTERE APARENTA

[Ohm]

[ mH ]

[ VA ]

A

A r

W

Hz

a)

2500 50 100 150 200

230.00SURSA DE TENSIUNE

600.0

-400.0

-300.0

-200.0

-100.0

0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

P_ACTIVA

P_INST.

NT. CR.EL

ENSIUNE

REPREZENTARE GRAFICA MARIMI SINUSOIDALE

x100

SCARA INTENSITATE

10 20 30 [ms] 40

135.25

IMPEDANTA

10000 200 400 600 800

400.0INDUCTIVITATE

10000 200 400 600 800

50.0REZISTENTA

0.3697

FACTOR DE PUTERE

68.3030

DEFAZAJ

50.00

FRECVENTA

[Ohm]

[mH]

1000.00.0

250.0 500.0 750.0144.26

WATTMETRU

1.70

AMPERMETRUW

[ V ]

300 V

DOMENIU TENSIUNE

2.5 A

DOMENIU INTENSITATE

AMONTE

MONTAJ

0.3470

CONSUM PROPRIU

W

b)Aplicaie LabVIEW


66/96

PUTERE APARENTA

1

COSFIMETRU

FRECVENTMETRU VARMETRU

VOLTMETRU

AMPERMETRU

INDUCTIVITATE FACTOR DE PUTERE

DEFAZAJ

IMPEDANTA

WATTMETRU

FRECVENTA

REZISTENTA

SURSA DE TENSIUNE

Diagrama bloc

Ansamblu lamp fr compensarea factorului de putere Ansamblu lamp cu o compensare a factorului de putere


67/96

Soluii pentru reducerea coninutului de armonicidin curba curentului absorbit de lamp

Lamp 70W fr condensator Tensiunea de alimentare i curentul prin condensator


68/96

Curenii prin schema ansamblului lamp

Armonice n curbele tensiunii i curenilor

R d i l d di i f i di b t l i


69/96

Reducerea armonicelor de ordin inferior din curba curentului

O prim cale este cea a filtrelor pasive, utilizate n mod tradiional pentru reducerea armonicelorgenerate de sarcini neliniare precum ansamblul lamp, caracterizate prin simplicitate, cost redus ieficienridicat.

Topologii de filtre pasive: a) pentru o armonic; b) pentru mai multe armonice


70/96

Pentru studierea acestui tip de filtru ca utilizare n circuitele lmpii s-a realizat un programn mediul SIMULINK. n figura urmatoare se prezint modul de studiu privind influenaarmonicei de ordin 5. Schema de modelare i simulare permite vizualizarea formelor deund, prezentarea analizei Fourier a acestora i calculul coeficientului de distorsiune.

Modelare SIMULINK


71/96

Se prezint rezultatul simulrii privind forma semnalelor de tensiune i de curent din circuitullmpii n prezena armonicei 5. Rezultatul analizei Fourier este prezentat n figura de mai jos. Seobserv limitarea armonicelor superioare din curba curentului, existnd doar fundamentala iarmonica n=3.

Curentul prezint armonica n=5

Analiza Fourier


72/96

S-a studiat i varianta utilizrii unui filtru trece jos special dimensionat pentru eliminareaarmonicelor din curba curentului absorbit de lamp. Schema de conectare este prezentatmai jos. Structura utilizat este de tip , dimensionarea corect a elementelor compatibile cucele existente n structura lmpii fiind elementul cheie al filtrului.

Schema de conectare a FTJ

Dup realizarea practic a acestui tip de filtru trece jos i echiparea unui ansamblu lampcu vapori de sodiu s-au realizat determinri experimentale.


73/96

a) b)

c) d)

Semnale n prezena FTJ


74/96

Analiza Fourier a formei de und a curentului total indic corectitudinea soluiei. Se observ cfactorul de distorsiune pentru curentul total este de numai THDI=3,7% n situaia n care coeficientulde distorsiune al tensiunii de alimentare este THDU =3,4%. Rezultc deformarea curentului fade tensiune este practic nesemnificativ. Rezultatele confirmcsoluiaadoptat este corect.

a) Tensiune b) Curent absorbit

Spectru armonice tensiune i curent


75/96

CAPITOLUL 4 MODELAREA MATEMATIC A LMPILORCU DESCRCRI N GAZE

Modelarea matematic este folosit pentru o mai bun descriere a fenomenelor

fizice reale. Descrierea unui astfel de fenomen este realizat printr-un anumit numrdeecuaii matematice. Ele sunt mai mult sau mai puin complexe i ncearc scaracterizeze ct mai obiectiv aceste fenomene fizice.

Crearea unui model matematic se bazeaz, n general, pe urmtoriipai:- analiza i formularea problemei;- crearea unui model matematic;- identificarea parametrilor modelului matematic;

- rezolvarea modelului matematic;- verificarea modelului matematic;- interpretarea rezultatelor.

Modelarea lmpilorcu descrcri n gaze este un exemplu tipic de modelare defenomen fizic. Ecuaiile matematice nu sunt capabile s descrie absolut toate aspecteleunui asemenea fenomen fizic i nu au n multe cazuri soluii analitice. De aceea, estenecesar o simplificare i aplicarea unei abordri numerice a soluiei.

Gsirea unei simplificri optime a soluiei pentru un model dat este destul dedificil. Ea presupune o foarte bun cunoatere a fenomenului fizic respectiv i ainterpretrii rezultatelorsimulrii acestuia.


76/96

Modelare matematic prin caracteristici neliniare tensiune-curent

Acest tip de modelare se bazeaz mai mult pe descrierea caracteristicilor tensiune-curent ladescrcri cu frecvene mai mari de 20kHz. Cu ct sunt frecvenele mai mari, cu att

caracteristica tensiune-curent devine mai liniar i poate fi aproximat prin caracteristica unuirezistor.Acest mod de abordare a fost folosit de M. Cervi, Ribarich i S. Ben Yaakov, A. Nachbaur, C.Ganahl si alii. Ei au ncercat s gseasc funcii matematice care s descrie relaia dintretensiune, curent i putere:

lampalampalampaPifu ,

Pentru o lamp cu descrcare n gaze de 32W, la 50kHz, se obine dependena prezentat mai jos


77/96


78/96

Funciile spline cubice sunt cele mai bune funcii care pot fi folosite n probleme deinterpolare, deoarece global minimizeaz erorile, chiari n afara punctelor de calibrare.

Pentru implementarea practic a unui mecanism de interpolare trebuie rezolvate dou

probleme majore i principial distincte:- calculul parametrilor de interpolare, care definesc expresia analitic a curbei caretrebuie trasat;

- trasarea efectiv a curbei interpolate.

n cazul interpolrii cu funcii spline cubice, curbele care trebuie trasate sunt reprezentateparametric prin polinoame de gradul 3 (sau mai mic). n acest caz particular, algoritmul de trasareprin metoda njumtirii poate fi optimizat, astfel nct s nu utilizeze nmuliri impriri, ci

numai operaii simple de adunare, scdere i deplasare binar. Acest rezultat este foarteimportant din punct de vedere al implementrii; aceasta nu se datoreaz faptului c eficienaprocedurii de trasare este determinat pentru performantele globale ale programului deinterpolare cu vizualizare.

Cele mai utilizate funcii spline s-au dovedit a fi polinoamele de gradul trei. n acest caz,curba interpolatoare este continumpreun cu primele dou derivate, ceea ce este suficient

pentru modelarea fenomenelor naturale. n plus, curba interpolatoare cu funcii spline cubice areo proprietate extremalnatural care minimizeazoscilaiaiasigur pentru curb aspectul celmai natural cu putin.


79/96

n simularea i modelarea pe calculator a fenomenelor reale curbele trebuie sandeplineasc o serie de condiii. Este de dorit ca acestea sa aib un aspect regulat,neted, fr discontinuiti, oscilaii sau bucle ntre punctele de control. Totodat,influena punctelor asupra aspectului general al curbei trebuie s fie limitat n sensul

c modificarea poziiei unui punct de control trebuie saib un efect local, schimbndaspectul curbei numai ntr-o vecintate restrns a punctului respectiv. Aceastproprietate a curbei poart denumirea de control local i permite proiectarea interactivaa formelor obiectelor prinncercri repetate.

Totodat, este de dorit ca ecuaiile analitice ale curbelors fie ct mai simple.n general, se utilizeaz curbe descrise prin funcii polinomiale de grad redus (2 sau 3).O astfel de curb nu va putea acoperi ntregul set de puncte de control. Soluiaconst

n separarea setului de puncte de control n subgrupe de puncte i construirea unorcurbe de grad redus pentru fiecare subgrup. Curba cutat va rezulta din asamblareaacestor curbe elementare (poriuni de curb)i deci ea nu va fi descris de o ecuaieunic pe ntregul domeniu de definiie. Aspectul neted al curbei rezultate va fi obinutprin impunerea condiiilorde continuitate i derivabilitate a funciei asociate, n puncteledejonciune a douporiuni de curb.

Construind n acest mod curbe de interpolare, utiliznd curbe descrise defuncii polinomiale de grad 3 se obine curba spline cubic natural. Determinareaacestei curbe avnd n+1 puncte de control necesit rezolvarea unui sistem liniar de 4ecuaii cu 4 necunoscute. Acest sistem furnizeazcoeficienii funciilorpolinomiale degrad 3 asociate celornporiuni de curb care definesc curba de interpolare.


80/96

Obinerea experimental a datelor pentru modelare

n continuare sunt prezentate rezultatele experimentale pentru diferite lmpi cu

descrcri n gaze, necesare obinerii caracteristicilor electrice tensiune, curent, tensiune-curent, conductivitate i a parametrilor electrici ai elementelor de circuit.

Scopul acestor experimente a fost observarea diferenelor dintre rezultateleexperimentale i cele simulate pentru diferite tipuri de lmpi, pentru verificarea soluiei demodelare a lmpilor.

Osciloscop OX7042pentru determinri experimentale

n privina cercetrilor dezvoltate de mine n aceast direcie am experimentat soluiile


81/96

n privina cercetrilordezvoltate de mine n aceast direcie, am experimentat soluiileprin achiziionarea datelor de la o lamp dejoas presiune cu vapori de sodiu de 70W; s-auachiziionat eantioane ale tensiunii i ale curentului, cu ajutorul osciloscopului OX7042, ceachiziioneaz 250 de eantioane pe perioada la 50Hz


82/96

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Volts

curent

Reprezentarea grafic a mrimilor achiziionate

Reprezentarea grafic a valorilor msurate, pentru tensiune i curent,pentru o lamp cu sodiu de joas presiune de 70W

Conductivitatea electric nu este msurat direct, ea este obinut prin raportul dintre

curent i tensiune conform relaiei:

)(

)()(

tu

titg

lampa

lampa

1 5


83/96

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 50 100 150 200 250

Esantioane

Conduct

ivitate(mS)

a)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 2 4 6 8 10 12

Esantioane

Conductivitate(S)

b)Fig.4.6 a) msurarea conductivitii cu ajutorul interpolrii cubice; b) primele 10 puncte ale graficului


84/96

Funcia ce descrie conductivitatea G(x), ce are ca valori cunoscute doar cele n+1puncte, este definit n intervalul [a,b], unde a=x0


85/96

3. Prima derivat a funciei polinomiale a conductivitii s fie continu:

2,...,2,1,0

)()( 111

ni

xGxG il

ii

l

i

4.A doua derivat a funciei polinomiale a conductivitii s fie continu

2,...,2,1,0

)()(111

ni

xGxGi

ll

ii

ll

i

Utiliznd aceste condiii se obin cei patru parametrii ai funciei polinomiale ai, bi, ci,dipentru i=0,1,2,,n-1, i astfel avem valori pentru funciaG(x) pe tot intervalul [x0, xn].

Deci, am gsitcoeficieniifunciei polinomiale ce descriu conductivitatea:

ai=8147bi= -0,2113ci=1433di= -0,05353


86/96

Circuitul echivalent pentru simulri este cel din figura de mai jos, unde lampa este nlocuit cumodelul propus pentru conductivitate.

Circuit echivalent pentru simulri

Us,1 valoarea tensiunii efective de alimentareUlampatensiunea la lampaZsimpedana serieZpimpedana paralel

A=Cp/Csraport cu o valoare cuprins ntre 0.1 -0.25 n majoritateaaplicaiilor cu balast electronic.


87/96

Am dezvoltat o aplicaie Matlab Simulink care s descrie schema de mai sus

Modelare


88/96

Modelul lmpii echivalat cu expresia conductivitii


89/96


90/96

n figurile urmtoare sunt reprezentate att valorile msurate ct i cele simulate pentrulampa de 70W cu descrcri dejoas presiune cu sodiu.

Tensiune borne lampa

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025

timp (s)

Tensiune

(V)

Masurat

simulat

Curent lampa

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0 0,005 0,01 0,015 0,02

timp (s)

Tensiune

(V)

Masurat

Simulat

Caracteristica tensiune-curent

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

-0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6

curent (mA)

tensiune(V)

Masurat

Caracteristica tensiune-curent

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

-0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6

curent (mA)

tensiune(V)

Masurat

Simulat

Comparaie rezultate lampa de 70W

n continuare sunt prezentate spectrele armonice msurate i simulate pentru lampa de joas


91/96

presiune cu sodiu de 70W, att pentru tensiunea electric de alimentare ct i pentru curent.

a)

b)Spectru de armonici: a) pentru tensiune ; b) pentru curent

Se prezint n continuare rezultatele obinute pentru lampa cu putere de 32W.


92/96

p p p p

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 0,005 0,01 0,015 0,02

Timp (s)

Tensiune(V

)

masurat

simulat

a) tensiune

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025

Timp (s)

Curent(A)

masurat

simulat

b) curent

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6

Curent (A)

Tensiune(V)

c) carateristica u-imsurat

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6

Curent (A)

Tensiune(V)

d) caracteristica u-isimulat

Comparaie pentru lampa de 32W


93/96

a)

b)Spectru armonic msurat i simulat: a) tensiune; b) curent


94/96


95/96

Proiectarea unor noi soluii pentru lmpi cu consum redus de energie impune


96/96

Proiectarea unor noi soluii pentru lmpi cu consum redus de energie impuneposibilitatea modelriiisimulrii cu pachete de programe specializate. Folosirea acestoraimpune nsexistena unui model al lmpii,innd cont c aceasta este un circuit neliniarcu o caracteristic u-i ce are o poriune cu panta negativ. Am realizat un studiu almetodelor de modelare electric a lmpii, punnd n eviden diferitele metode dezvoltate,

calitilei limitele acestora.

Am realizat un nou mod de modelare a caracteristicii u-i a lmpii cu descrcare n gaze,bazat pe folosirea funciilorspline. Acest model a fost folosit n simularea funcionrii unorlmpi pentru care am msurat experimental i caracteristicile reale. Corespondenarezultatelor experimentale cu cele rezultate din modelare indic corectitudinea metodeipropuse pentru modelarea lmpii cu descrcri n gaze.

n concluzie, se poate observa c am adus att contribuii experimentale, prin noimetode i sisteme de msurare elaborate, ct i teoretice, prin noi metode de modelare,simulare i realizare de pachete de programe.

Activitatea de cercetare desfurat n cadrul laboratorului s-a materializat n prototipuridezvoltate i testate i echipamente implementate n producie. Rezultate ale cercetrilorau fost publicate n reviste de specialitate i comunicate la conferine interne iinternaionale; lista acestora este indicat, pe scurt, att n bibliografie ct i n capitolul

introductiv.Importana economic a domeniului abordat a fcut ca rezultatele s aib un impact

tehnic i economic, pe lng cel tiinific. Domeniul de studiu rmne deschis, n specialprin apariia lmpilor economice i a celor cu LED i prin nsprirea previzionat areglementrilorprivind calitatea energiei electrice.

Documents

Prezentare Teza