NG200高显色高压钠灯内管设计.doc

摘要：此课程设计介绍了一种NG200高显色高压钠灯内管设计的新方法。分析钠摩尔分数、放电管内径、管壁厚度、极间距等主要参数对其发光效率的影响,并总结传统设计方法所提供的经验,建立新的放电数学模型。以此为依据,优化各种设计参数, 提高光效，最终得出光效为109.05lm/w，钠汞比为0.78，直径为6.00mm，管壁厚度为0.70mm，极间距为58.09mm的高显色性高压钠灯内管设计。 1、文献综述1.1、高压钠灯简介高压钠灯经历了3O余年的发展1-2。高压钠蒸气放电灯是一种光效高、寿命长、透雾性好的高气压气体放电光源，有逐步取代荧光高压汞灯的趋势。近年来，人们开始注重小功率高显色性高压钠灯的开发，进入室内照明，取代白炽灯3，有着广泛的应用前景4-5。1.2 高压钠灯内管的结构高压钠灯的设计以光、电参数的要求为依据。灯的发光效率、寿命和光色决定于多晶氧化铝放电管。多晶氧化铝放电管的结构示意图如图1所示。1.3 高压钠灯的产品分类 1)按显色指数分为普通型、中显色型和高显色型； 2)按启动方式分为内启动式和外启动式； 3)按玻壳形式分为E型（椭球形）和T型（管形）。 1.4 型号表示规则灯的型号由五部分组成，型号第一部分表示灯的代号，第二部分表示灯的显色性，第三部分表示灯的功率，第四部分表示灯的启动方式，第五部分表示灯的玻壳型式；其中第五部分可由企业自行取舍6。型号示例：NGG250NENG:表示高压钠灯G :表示高显色性（中显色性为Z，普通型则可省略）250：表示灯功率N :表示内启动式（如为外启动型，则省略）E :表示E型玻壳（如为T型玻壳，则省略）1.5 高压钠灯的发光原理1.6 光谱特点1.7 填充气体的含量及作用1.8 应用场合 广泛应用于道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、街道交汇处、工矿企业、公园、庭院照明及植物栽培。高显色高压钠灯主要应用于体育馆、展览厅、娱乐场、百货商店和宾馆等场所照明。 2、高压钠灯放电数学模型 传统的设计方法试验法7，即在一定范围内选几个灯管的尺寸做几只灯，最后选出光效、寿命、光色最佳者即为实验结果。这种办法周期长、费用高。此次课程设计应用一种新的设计方法。该方法通过经验总结并且建立放电的数学模型，计算光效，再根据约束条件，优化出对应的管内径( i)、管壁厚度(t)、两电极的间距，即极距(L)和钠摩尔分数(x(Na)8。 高压钠灯放电管的设计计算，主要是计算高压钠灯的获得最大光效时，氧化铝放电管应具备的几何尺寸及放电管内填充的钠摩尔分数。放电管的几何尺寸包括放电管的内径、放电管的壁厚和极距。计算步骤(计算公式及参数取值范围见文献1)为：(1)确定放电电流I；(2)确定最高光效时的电场强度E ；(3)计算极间距离L；(4)确定灯的最大光效 。 进行高压钠灯的设计时，首先根据要求决定多晶氧化铝陶瓷管的管壁负载Ws。管壁负载大，光效高，但寿命短，故Ws一般取为1520W/cm2。管壁负载的值给出了极距larc和内径d所应满足的第一个关系为 （1）式中，Pl为所要设计的灯的功率。在通常电源下，灯的管压Vl=100V。为获得高光效，灯的=100nm.2.1 确定灯的电流Il(A) 根据灯的功率Pt(W)和管压降值Vt(V)，确定灯的电流Il(A)，即 （2）式中，功率因数 cos=0.839+4.310-4Pl-4.7910-4Vl-1.4610-6Pl2 -5.8310-6Vl2+4.5110-6PlVl （3）2.2 确定最高光效时的电场强度E(V/cm)如前所述，=100nm时光效最高，显然，在此条件下的电场强度就是所要求的最高光效时的电场强度，其表示式 E=2.805659+0.0572551927Il-0.26572727d +1.7295894/Il-0.1765058d/Il （4）式中，d的单位为mm。上式所得的结果与观测值的误差在15%以内。最高光效时的电场强度也受钠汞比x的影响。上述公式适用于钠汞比x为0.686时，当x取其他数值时，E应加一修正值E，即 （5）2.3 计算极间距离larc(mm) （6）式中，代表灯正柱区的电压。2.4 确定灯的最佳光效 实验观测到的灯的光效为 =(-1858+88.94Pcol+11.02Pcold +13.16larcd-4.58larcd2)/Pl （7）式中，为正柱区的功率，光效与管壁厚度有关，当管壁厚度增加时，由于向管内的热导增加，致使管壁温度下降，造成光效的降低。为表示壁厚的影响，可以在（7）式右边乘一修正因子 （8）式中，t的单位为mm.最佳光效还与钠汞比x有关，这可用下式表示为 （9）式中是x=0.686时的光效，则是在所考虑的钠汞比之下的光效。将以上3式结合起来得到 =(-1858+88.94Pcol+11.02Pcold+13.16larcd-4.58larcd2) 1-0.0787(t-0.508)/Pl-34(x-0.686) (10)(1) 式-(10)式的经验公式适用范围为 根据以上数学模型，来设计计算不同功率的高压钠灯要获得最大光效时各参数的最佳取值。 已知各参数的取值范围：功率取值分别为：45，5O，70，100，150，175，200，250，300，400 W；管压降取值：100 V；管径取值：3974 mm ，步长为0.1 mm；管壁厚度取值：0.51mm，步长为0.01 mm；钠摩尔分数取值：0.620.8，步长为0.01。在高压钠灯的设计中，高压钠灯有4个输入参数的值都是变化的，分别为光源功率、气体放电管的内管管径、内管管壁厚度、钠摩尔分数。这4个参数构成(功率、管径、管壁厚、钠摩尔分数)四元组合。每一种组合对应唯一的光效值。要遍历每一种组合，完成计算，单纯的靠手工是不现实的。故课程设计采用计算机辅助设计技术，对该问题的算法进行研究。该算法的核心思想是：对不同功率的高压钠灯，依据限定步长，遍历管径、管壁厚、钠摩尔分数的所有取值，计算出功率、管径、管壁厚、钠摩尔分数各种取值组合下的光效值的最大值。计算机辅助设计的程序NS图如图2所示。3、计算结果分析及修正3.1 计算结果将图2所示逻辑结构，采用C语言编程工具编写程序代码，程序运行后，输出高压钠灯的功率、管压降、计算获得的最大光效及光效最大值时所对应的钠摩尔分数、管内径、管壁厚度、极间距等主要参数值。计算结果如表1。3.2 计算结果分析以上结果为理论上尽量增大光效而优化出的结果。但是实际设计时，还要兼顾显色性及光源寿命等因素。研究发现，光源寿命与管壁厚度成正比，即厚度越厚，寿命越长；显色性与钠摩尔分数成正比关系，即要获得好的显色性，应尽量将钠摩尔分数取得高些，最好可达0.78左右。高压钠灯的放电管管径和放电管内填充的钠摩尔分数既是影响高压钠灯显示性的主要指标，同时也对高压钠灯的光效值的高低起决定性的作用。为此，研究了“光效-管径”、“光效-钠摩尔分数”的关系。以高显色5Ow小功率高压钠灯为例，在固定管壁厚度和钠摩尔分数的前提下，计算不同管径取值下高压钠灯的光效值，从而获得管径与光效之间的关系。在固定管径和管壁厚度的前提下，计算不同钠摩尔分数取值下高压钠灯的光效值，从而获得钠摩尔分数与光效之间的关系。将上述思想用计算机程序实现，分别获得数据关系曲线图。图3为t=0.5mm，x=0.78时，光效与管径之间的关系。根据自己的计算结果做出实际图像 从图3可以看出，高压钠灯的光效与放电管内径之间是曲线关系。当管径d=3.5 mm 时，光效获得最大值(75.85lmW)。随着管径的增大，光效会有所下降。图4为d=3.4mm，t=0.5mm时，光效与钠摩尔分数之间的关系。从图4可以看出，高压钠灯的光效与钠摩尔分数之间接近线性关系。随着钠摩尔分数的增加，光效下降。但是钠摩尔分数的增大，意味着显色性的提高。因此，钠摩尔分数的取值在光效与显色性之间构成了明显的矛盾。在高压钠灯的设计中，要根据高压钠灯应用场合折衷处理。大功率室外照明的高压钠灯主要考虑光效的提高，因此可以将钠摩尔分数的值取得小些；而小功率室内照明的高压钠灯，对显示性要求较高，要将钠摩尔分数的值取得大些。3.3 对计算结果的修正对高显色型高压钠灯将大功率的高压钠灯的壁厚值适当修正，如，457Ow取0.5 mm；100200W 取0.7 mm；250400 W 取0.8 mm。对高显色性高压钠灯将钠摩尔分数值修正为0.78，表3为修正后的高显色型高压钠灯的设计结果。参考文献：1 BRANAS C,AZCONDO J,BARACHOS. Contributions to the design and control of LCsCp resonant inverters to drive high- power HPS lampsJ.IEEE Trans IE,2000,47(4):796-808.2 武田一男，Parabeam ceramic metal halide lampJ.Matsushita 2001,(4):22-27.3 丁有生，郑继雨.电光源原理概论M.上海：上海科学技 术文献出版社4 汪渊，路焙.我国推广高效照明电器的节电效益分析J.照 明工程学报，2003,14(2):17-22.5 李悦铭.LED路灯与高压钠灯路灯的能效对比J.科技创 新导报.2012,(29):84.6 GBT 13259-2005 高压钠灯.7 周太明.光源原理与设计M.上海：上海复旦大学出版社， 2006：274-276.8 赵秀岩,曹冠英等.高压钠灯设计的新方法J.大连轻工业 学院学报.2006,25(2):142-144.N-S图程序：#include#includeint DianLiu(int p,int v)int i,a,b,c,d,z;a=pow(10,-4);b=pow(10,-6);c=pow(p,2);d=pow(v,2);z=0.839+4.3*a*p-4.79*a*v-1.46*b*c-5.83*b*d+4.51*b*p*v;i=p/(v*z);return i;int DianChang(int p,int v,int d,int x)int i,e;i=DianLiu(p,v);e=2.805629+0.0572551927*a-0.26572727*d+1.7295894/a-0.1765058*d/a +0.833-1.215*x;return e;int JiJianJuLi(int p,int v,int d,int x)int e;e=DianChang(p,v,d,x);l=(v-4)/DianChang(p,v,d,x);return l;int GuangXiao(int p,int v,int d,int x)int i,q,l,a;i=DianLiu(p,v);q=p-4*i;l=JiJianJuLi(p,v,d,x);a=pow(d,2);n=(-1858+88.94*q+11.02*q+13.16*l*d-4.58*l*p*a)*(1-0.0787(t-0.508)/p)-34*(x-0.686);return n;int main(void)int p,v,d,x,t;int a=0,b=0,c=0;printf(请输入高压钠灯的功率:n);scanf(%d,&p);printf(请输入高压钠灯的管压降:n);scanf(%d,&v);printf(请输入高压钠灯的钠摩尔分数:n);scanf(%d,&d);printf(请输入高压钠灯的管压降:n);scanf(%d,&x);printf(请输入步长:n);scanf(%d,&t);while(d7.4)while(x0.8)while(t1)if(xc)c=GuangXiao(p,v,d,x);t=t+0.01;x=x+0.01;d=d+0.01;printf(电流Il=%dn,DianLiu(p,v);printf(电场E=%dn,int DianChang(p,v,d,x);printf(级间距离l=%dn,JiJianJuLi(p,v,d,x);printf(最佳光效n=%dn,GuangXiao(p,v,d,x);或#include#includemain()float cos,V,P,d,x,t,K,L,I,E,Vcol,Larc; V=100;/管压降取值100vfloat a,b,c,e,