熒光燈對(duì)電壓波動(dòng)的敏感性研究

雍 靜 晏小龍 曾禮強(qiáng)

(重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400030)

1 引言

在建筑照明環(huán)境中，人們對(duì)照明的要求除了節(jié)能、環(huán)保以外，對(duì)照明的舒適性也提出了要求［1］，而電能質(zhì)量問題是影響照明質(zhì)量的一個(gè)因素。在電力系統(tǒng)中，許多電力電子設(shè)備的使用、大型負(fù)荷的投切等情況的出現(xiàn)，都會(huì)造成供電電壓波動(dòng)［2］。當(dāng)照明光源的輸入電壓中存在電壓波動(dòng)時(shí)，光源會(huì)發(fā)生輸出光通量波動(dòng)，表現(xiàn)為光照的閃爍，即稱為光閃變。光閃變?cè)斐梢曈X上的不舒適感，也會(huì)引起人視覺疲勞。長(zhǎng)期將使人的視力減退。閃變頻率過高，還會(huì)使工作人員注意力分散，影響人們的工作效率［3～4］。

不同的光源對(duì)電壓波動(dòng)具有不一樣的敏感性，表現(xiàn)出不同的光通量波動(dòng)情況。目前的研究中，已有對(duì)白熾燈在電壓波動(dòng)下的光通量波動(dòng)研究，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)［2，5］，但對(duì)熒光燈的研究較少，同時(shí)也很少有熒光燈對(duì)電壓波動(dòng)敏感性的定量研究。

文章通過實(shí)驗(yàn)的方法，通過設(shè)備給熒光燈輸入設(shè)定的電壓波動(dòng)，使熒光燈發(fā)生閃變。讀取熒光燈在電壓波動(dòng)下的光通量信號(hào)，來定量計(jì)算其光通量波動(dòng)深度與光閃變強(qiáng)度的大小，從而評(píng)估熒光燈對(duì)電壓波動(dòng)的敏感性情況。

2 電壓波動(dòng)引起的熒光燈光通量波動(dòng)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)波形下的熒光燈光通量曲線

由于在電力系統(tǒng)中大量使用的電力電子設(shè)備，使得供電電壓中存在電壓波動(dòng)等電能質(zhì)量問題。尤其是系統(tǒng)中存在間諧波時(shí)，輸入給光源的電壓會(huì)出現(xiàn)具有一定特征的電壓波動(dòng)，這個(gè)電壓波動(dòng)可以用波動(dòng)頻率與波動(dòng)幅度兩個(gè)參量來表征。

首先，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)基波電壓，頻率為50Hz，均方根值220V，作0.5s內(nèi)的電壓波形圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)波形曲線Fig.1 Curve of fundamental harmonic waveform

將220V頻率為工頻50Hz的基波電壓輸入給熒光燈，并用照度計(jì)來讀取熒光燈輸出的瞬時(shí)照度值曲線。由于光通量的大小與照度值線性相關(guān)，因此用照度計(jì)讀取到的信號(hào)即可表征光通量信號(hào)的變化，將這個(gè)光通量信號(hào)Φ(t)記錄下來，同樣取0.5s內(nèi)的曲線，如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)波形下的光通量曲線Fig.2 Curve of luminous flux under fundamental harmonic waveform

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，熒光燈瞬時(shí)光通量曲線的頻率為100Hz，是工頻的兩倍。由于這個(gè)頻率遠(yuǎn)高于人眼能感受到的光波動(dòng)的頻率范圍1～25Hz，因此人眼感覺到的光照是恒定不變的，并不會(huì)發(fā)生波動(dòng)。

2.2 電壓波動(dòng)下的熒光燈光通量曲線

當(dāng)輸入電壓中存在電壓波動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熒光燈輸入功率的波動(dòng)，從而導(dǎo)致其輸出光通量的波動(dòng)。已有學(xué)者進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn):輸入電壓的波動(dòng)幅度Δv vM與熒光燈的瞬時(shí)輸入功率波動(dòng)深度Δp pM具有一定的線性關(guān)系，而熒光燈光通量的波動(dòng)深度ΔΦ ΦM及頻率與輸入功率有線性相關(guān)的關(guān)系，因此可以得知輸入電壓的電壓波動(dòng)與熒光燈輸出光通量的波動(dòng)直接相關(guān)，且熒光燈的光通量波動(dòng)的頻率等于電壓波動(dòng)的波動(dòng)頻率［6］。

當(dāng)系統(tǒng)中含有波動(dòng)頻率為9Hz、波動(dòng)幅度為2%的電壓波動(dòng)時(shí):取1s內(nèi)的電壓波形如圖3所示:可知電壓波形在這50Hz基波下有幅度為2%、頻率為9Hz的包絡(luò)線。

圖3 含有電壓波動(dòng)的輸入電壓波形Fig.3 Curve of input voltage signal with fluctuations of voltage

將這個(gè)電壓輸入給熒光燈，取0.5s內(nèi)的曲線，得輸出的瞬時(shí)光通量曲線Φ(t)如圖4所示:

圖4 0.5s內(nèi)光通量波動(dòng)曲線Fig.4 Curve of luminous flux in 0.5s

提取光通量曲線的上包絡(luò)線，即可作為光通量波動(dòng)曲線，取1s內(nèi)的曲線如圖5所示:可知其包絡(luò)線波動(dòng)頻率為9Hz，即可知，人眼觀察到的光照波動(dòng)為9Hz。

圖5 1s內(nèi)光通量波動(dòng)曲線包絡(luò)線Fig.5 Envelope Curve of luminous flux in 1s

3 熒光燈光閃變敏感性評(píng)價(jià)方法

閃變是指燈光照度不穩(wěn)造成的視感，是人眼對(duì)燈光照度波動(dòng)的主觀反應(yīng)。在不同的電壓波動(dòng)條件下，熒光燈的光通量會(huì)出現(xiàn)不同的波動(dòng)狀況。而人眼接收到不同的熒光燈光照波動(dòng)時(shí)，也會(huì)有不同的反應(yīng)。當(dāng)輸入電壓中，電壓波動(dòng)幅度越大時(shí)，燈的閃變也就越明顯。影響人眼反應(yīng)的除了照度波動(dòng)的幅度外，還有波動(dòng)的頻率。實(shí)驗(yàn)表明:人眼對(duì)不同頻率的光通量波動(dòng)的敏感程度是不同的［7］，尤其對(duì)于8.8Hz附近的燈光閃爍最為敏感，可以用視感度曲線表示，如圖6所示。

圖6 視感度曲線Fig.6 Visibility curve

不同的熒光燈對(duì)于不同的電壓波動(dòng)，也會(huì)出現(xiàn)不同的光通量波動(dòng)，從而引起人眼不同的視覺反應(yīng)。因此，可以將熒光燈光通量波動(dòng)的情況作為熒光燈光對(duì)電壓波動(dòng)的光閃變敏感性評(píng)價(jià)的對(duì)象。

3.1 光閃變強(qiáng)度

關(guān)于光閃變的強(qiáng)弱的評(píng)價(jià)，目前國際上較通行的是針對(duì)白熾燈的IEC標(biāo)準(zhǔn)，它是基于調(diào)幅電壓對(duì)白熾燈的閃變效應(yīng)設(shè)計(jì)的，該標(biāo)準(zhǔn)以白熾燈為模型設(shè)計(jì)了flickermeter模型，通過輸入含有一定頻率與幅度的調(diào)幅電壓波動(dòng)的電壓到flickermeter中，來直接得出光閃變強(qiáng)度Pst，作為光閃變程度的評(píng)價(jià)結(jié)果。光閃變強(qiáng)度Pst值越大時(shí)，表明該燈的閃變程度越深。但由于白熾燈已漸趨于淘汰，且IEC的flickermeter并不直接適用于熒光燈。對(duì)此，本文提出以光通量波動(dòng)深度和基于flickermeter的改進(jìn)的光閃變強(qiáng)度Pst這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來作為熒光燈對(duì)于電壓波動(dòng)敏感性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)Pst＜1時(shí)，表示此時(shí)的光閃變?yōu)槿搜劭梢越邮?。?dāng)Pst＞1時(shí)，表明此時(shí)的光閃變已經(jīng)超出了人眼可以接受的范圍。

同一支熒光燈對(duì)于相同的電壓波動(dòng)幅度下，在某一頻率下若閃變強(qiáng)度越大，表明該燈具對(duì)這個(gè)頻率下的電壓波動(dòng)更敏感;對(duì)于不同的燈，在相同的電壓波動(dòng)幅度與頻率下，若某支燈具閃變強(qiáng)度越大，則表明該燈比其他燈對(duì)電壓波動(dòng)下的光閃變敏感性更大。

3.2 光通量波動(dòng)深度

設(shè)輸入電壓中含有頻率為f、幅度為m的電壓波動(dòng)時(shí)，獲取此時(shí)的光通量曲線，如圖7所示。光通量波動(dòng)深度的計(jì)算方法為:

其中，Φmax與Φmin為光通量波動(dòng)曲線上的最大與最小值。同樣地:同一支熒光燈對(duì)于相同的電壓波動(dòng)幅度下，在某一頻率下若光通量波動(dòng)深度越大，表明該燈具對(duì)這個(gè)頻率下的電壓波動(dòng)更敏感;對(duì)于不同的燈，在相同的電壓波動(dòng)幅度與頻率下，若某支燈具光通量波動(dòng)深度越大，則表明該燈比其他燈對(duì)電壓波動(dòng)下的光閃變敏感性更大。

對(duì)于光源的光通量波動(dòng)，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)可以作出假設(shè):當(dāng)光源產(chǎn)生相同頻率下的同樣波動(dòng)深度的光通量波動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生的閃變對(duì)于人眼的影響程度也是一樣的。據(jù)此，已有學(xué)者提出光通量波動(dòng)限制曲線:即人眼能接受的光通量波動(dòng)深度限值，如圖7所示。

圖7 光通量波動(dòng)限制曲線Fig.7 Luminous flux fluctuation limit curve

根據(jù)這條曲線，可以查找到對(duì)應(yīng)光通量波動(dòng)頻率下的波動(dòng)深度的限制值。若在該頻率下波動(dòng)深度大于限制曲線上的限制值，表明閃變已經(jīng)超出人眼能接受的范圍。

以輸入電壓中含有頻率為9Hz、幅度為2%的電壓波動(dòng)時(shí)為例，可以計(jì)算得到:其光通量波動(dòng)深度為1.2743%。表明，該燈的光照已經(jīng)對(duì)人眼構(gòu)成不良影響，超出可接受的范圍。

另外，通過針對(duì)直接輸入光通量曲線的改進(jìn)的Flickermeter計(jì)算方法，可以得到其光閃變強(qiáng)度Pst為1.9786，同樣，表明其閃變情況已經(jīng)超出人眼能接受的范圍內(nèi)。

4 對(duì)不同的熒光燈的實(shí)驗(yàn)研究

為得出不同的熒光燈對(duì)電壓波動(dòng)的敏感性情況，本文采用實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)熒光燈輸入不同幅度和頻率的電壓波動(dòng)，然后獲取熒光燈的光通量信號(hào)，對(duì)光通量信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出其閃變強(qiáng)度 Pst與波動(dòng)深度。

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)中:使用Chroma(致茂)公司的設(shè)備Chroma 61505來發(fā)生含一定頻率與幅度的電壓波動(dòng)的電壓，并輸出給熒光燈。使用某公司的高精度照度計(jì)T～10來讀取熒光燈的光通量，并輸出瞬時(shí)光通量信號(hào)。為了防止外界光照的干擾，將照度計(jì)與燈用一個(gè)紙盒子封閉起來。用示波器來讀取并記錄照度計(jì)的光通量信號(hào)，然后將這個(gè)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)平臺(tái)中，進(jìn)行計(jì)算。這樣，便可以通過實(shí)驗(yàn)的方法，獲得在一定頻率與幅度的電壓波動(dòng)下，熒光燈的光通量波動(dòng)情況，并得出熒光燈的敏感性的指標(biāo):光閃變強(qiáng)度Pst與波動(dòng)深度。實(shí)驗(yàn)的設(shè)備連接圖如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置連接原理框圖Fig.8 Block diagram of experimental installation

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中，選取幾支熒光燈作為研究對(duì)象:14W、23W的飛利浦緊湊型熒光燈各一支。對(duì)這兩支燈具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得如下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)人眼通過觀察燈的光照，來感受其閃變情況。

對(duì)于14W飛利浦緊湊型熒光燈，設(shè)定輸入電壓的電壓波動(dòng)幅度為2%時(shí)，取波動(dòng)頻率分別為6、7、8、9Hz，分別計(jì)算其波動(dòng)深度與閃變強(qiáng)度 Pst，如表1所示。

表1 14W飛利浦緊湊型熒光燈的閃變強(qiáng)度與光通量波動(dòng)深度Table 1 The Pst and luminous flux fluctuation of 14W Philips CFL

從表1可以看出:在相同的波動(dòng)幅度下，熒光燈閃變強(qiáng)度在電壓波動(dòng)頻率越接近8.8Hz時(shí)越強(qiáng)，而波動(dòng)幅度幾乎不變。

對(duì)比23W飛利浦緊湊型熒光燈，同樣，取輸入電壓的電壓波動(dòng)幅度為2%時(shí)，分別取波動(dòng)頻率為6、7、8、9Hz，計(jì)算波動(dòng)深度與 Pst，如表2所示。

表2 23W飛利浦緊湊型熒光燈的閃變強(qiáng)度與光通量波動(dòng)深度Table 2 The Pst and luminous flux fluctuation of 14W Philips'CFL

對(duì)比表1、表2可知:同樣的電壓波動(dòng)條件下，23W飛利浦熒光燈比14W的波動(dòng)深度更大，閃變強(qiáng)度也更大，可知功率更大的熒光燈發(fā)生光通量波動(dòng)的程度更大，對(duì)電壓波動(dòng)的敏感性也更大些。

5 結(jié)論

熒光燈在輸入電壓含有一定頻率與幅度的電壓波動(dòng)下，會(huì)發(fā)生光通量波動(dòng)，產(chǎn)生光閃變。本文結(jié)合現(xiàn)有的研究成果，對(duì)熒光燈產(chǎn)生光通量波動(dòng)，發(fā)生光閃變的過程進(jìn)行分析，并提出對(duì)應(yīng)的熒光燈對(duì)電壓波動(dòng)的敏感性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過實(shí)驗(yàn)研究的方法，對(duì)兩支燈具在一定的電壓波動(dòng)條件下的波動(dòng)深度與閃變強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與計(jì)算，并獲得其對(duì)電壓波動(dòng)敏感性的情況。

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