熒光燈對電壓波動的敏感性研究

雍 靜 晏小龍 曾禮強

(重慶大學電氣工程學院，重慶 400030)

1 引言

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

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

文章通過實驗的方法，通過設備給熒光燈輸入設定的電壓波動，使熒光燈發(fā)生閃變。讀取熒光燈在電壓波動下的光通量信號，來定量計算其光通量波動深度與光閃變強度的大小，從而評估熒光燈對電壓波動的敏感性情況。

2 電壓波動引起的熒光燈光通量波動

2.1 標準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備，使得供電電壓中存在電壓波動等電能質量問題。尤其是系統(tǒng)中存在間諧波時，輸入給光源的電壓會出現(xiàn)具有一定特征的電壓波動，這個電壓波動可以用波動頻率與波動幅度兩個參量來表征。

首先，對于標準基波電壓，頻率為50Hz，均方根值220V，作0.5s內的電壓波形圖如圖1所示。

圖1 標準波形曲線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，并用照度計來讀取熒光燈輸出的瞬時照度值曲線。由于光通量的大小與照度值線性相關，因此用照度計讀取到的信號即可表征光通量信號的變化，將這個光通量信號Φ(t)記錄下來，同樣取0.5s內的曲線，如圖2所示。

圖2 標準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)，熒光燈瞬時光通量曲線的頻率為100Hz，是工頻的兩倍。由于這個頻率遠高于人眼能感受到的光波動的頻率范圍1～25Hz，因此人眼感覺到的光照是恒定不變的，并不會發(fā)生波動。

2.2 電壓波動下的熒光燈光通量曲線

當輸入電壓中存在電壓波動時，會導致熒光燈輸入功率的波動，從而導致其輸出光通量的波動。已有學者進行研究后發(fā)現(xiàn):輸入電壓的波動幅度Δv vM與熒光燈的瞬時輸入功率波動深度Δp pM具有一定的線性關系，而熒光燈光通量的波動深度ΔΦ ΦM及頻率與輸入功率有線性相關的關系，因此可以得知輸入電壓的電壓波動與熒光燈輸出光通量的波動直接相關，且熒光燈的光通量波動的頻率等于電壓波動的波動頻率［6］。

當系統(tǒng)中含有波動頻率為9Hz、波動幅度為2%的電壓波動時:取1s內的電壓波形如圖3所示:可知電壓波形在這50Hz基波下有幅度為2%、頻率為9Hz的包絡線。

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

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

圖4 0.5s內光通量波動曲線Fig.4 Curve of luminous flux in 0.5s

提取光通量曲線的上包絡線，即可作為光通量波動曲線，取1s內的曲線如圖5所示:可知其包絡線波動頻率為9Hz，即可知，人眼觀察到的光照波動為9Hz。

圖5 1s內光通量波動曲線包絡線Fig.5 Envelope Curve of luminous flux in 1s

3 熒光燈光閃變敏感性評價方法

閃變是指燈光照度不穩(wěn)造成的視感，是人眼對燈光照度波動的主觀反應。在不同的電壓波動條件下，熒光燈的光通量會出現(xiàn)不同的波動狀況。而人眼接收到不同的熒光燈光照波動時，也會有不同的反應。當輸入電壓中，電壓波動幅度越大時，燈的閃變也就越明顯。影響人眼反應的除了照度波動的幅度外，還有波動的頻率。實驗表明:人眼對不同頻率的光通量波動的敏感程度是不同的［7］，尤其對于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

不同的熒光燈對于不同的電壓波動，也會出現(xiàn)不同的光通量波動，從而引起人眼不同的視覺反應。因此，可以將熒光燈光通量波動的情況作為熒光燈光對電壓波動的光閃變敏感性評價的對象。

3.1 光閃變強度

關于光閃變的強弱的評價，目前國際上較通行的是針對白熾燈的IEC標準，它是基于調幅電壓對白熾燈的閃變效應設計的，該標準以白熾燈為模型設計了flickermeter模型，通過輸入含有一定頻率與幅度的調幅電壓波動的電壓到flickermeter中，來直接得出光閃變強度Pst，作為光閃變程度的評價結果。光閃變強度Pst值越大時，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。對此，本文提出以光通量波動深度和基于flickermeter的改進的光閃變強度Pst這兩個標準來作為熒光燈對于電壓波動敏感性的評價標準。當Pst＜1時，表示此時的光閃變?yōu)槿搜劭梢越邮堋．擯st＞1時，表明此時的光閃變已經超出了人眼可以接受的范圍。

同一支熒光燈對于相同的電壓波動幅度下，在某一頻率下若閃變強度越大，表明該燈具對這個頻率下的電壓波動更敏感;對于不同的燈，在相同的電壓波動幅度與頻率下，若某支燈具閃變強度越大，則表明該燈比其他燈對電壓波動下的光閃變敏感性更大。

3.2 光通量波動深度

設輸入電壓中含有頻率為f、幅度為m的電壓波動時，獲取此時的光通量曲線，如圖7所示。光通量波動深度的計算方法為:

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

對于光源的光通量波動，根據(jù)IEC標準可以作出假設:當光源產生相同頻率下的同樣波動深度的光通量波動時，其產生的閃變對于人眼的影響程度也是一樣的。據(jù)此，已有學者提出光通量波動限制曲線:即人眼能接受的光通量波動深度限值，如圖7所示。

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

根據(jù)這條曲線，可以查找到對應光通量波動頻率下的波動深度的限制值。若在該頻率下波動深度大于限制曲線上的限制值，表明閃變已經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%的電壓波動時為例，可以計算得到:其光通量波動深度為1.2743%。表明，該燈的光照已經對人眼構成不良影響，超出可接受的范圍。

另外，通過針對直接輸入光通量曲線的改進的Flickermeter計算方法，可以得到其光閃變強度Pst為1.9786，同樣，表明其閃變情況已經超出人眼能接受的范圍內。

4 對不同的熒光燈的實驗研究

為得出不同的熒光燈對電壓波動的敏感性情況，本文采用實驗的方法，對熒光燈輸入不同幅度和頻率的電壓波動，然后獲取熒光燈的光通量信號，對光通量信號進行處理，計算出其閃變強度 Pst與波動深度。

4.1 實驗步驟

實驗中:使用Chroma(致茂)公司的設備Chroma 61505來發(fā)生含一定頻率與幅度的電壓波動的電壓，并輸出給熒光燈。使用某公司的高精度照度計T～10來讀取熒光燈的光通量，并輸出瞬時光通量信號。為了防止外界光照的干擾，將照度計與燈用一個紙盒子封閉起來。用示波器來讀取并記錄照度計的光通量信號，然后將這個信號輸入計算機平臺中，進行計算。這樣，便可以通過實驗的方法，獲得在一定頻率與幅度的電壓波動下，熒光燈的光通量波動情況，并得出熒光燈的敏感性的指標:光閃變強度Pst與波動深度。實驗的設備連接圖如圖8所示。

圖8 實驗裝置連接原理框圖Fig.8 Block diagram of experimental installation

4.2 實驗結果分析

實驗中，選取幾支熒光燈作為研究對象:14W、23W的飛利浦緊湊型熒光燈各一支。對這兩支燈具進行實驗，獲得如下的實驗結果，同時人眼通過觀察燈的光照，來感受其閃變情況。

對于14W飛利浦緊湊型熒光燈，設定輸入電壓的電壓波動幅度為2%時，取波動頻率分別為6、7、8、9Hz，分別計算其波動深度與閃變強度 Pst，如表1所示。

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

從表1可以看出:在相同的波動幅度下，熒光燈閃變強度在電壓波動頻率越接近8.8Hz時越強，而波動幅度幾乎不變。

對比23W飛利浦緊湊型熒光燈，同樣，取輸入電壓的電壓波動幅度為2%時，分別取波動頻率為6、7、8、9Hz，計算波動深度與 Pst，如表2所示。

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

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

5 結論

熒光燈在輸入電壓含有一定頻率與幅度的電壓波動下，會發(fā)生光通量波動，產生光閃變。本文結合現(xiàn)有的研究成果，對熒光燈產生光通量波動，發(fā)生光閃變的過程進行分析，并提出對應的熒光燈對電壓波動的敏感性的評價指標。通過實驗研究的方法，對兩支燈具在一定的電壓波動條件下的波動深度與閃變強度進行了實驗與計算，并獲得其對電壓波動敏感性的情況。

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