background image

286                                                        PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 8/2010 

Antoni SAWICKI, Łukasz ŚWITOŃ, Ryszard SOSIŃSKI 

Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny,  Instytut Elektroenergetyki 

 
 

Modelowanie i symulacja procesów elektrycznych w obwodzie z 

lampą rtęciową 

 
 
Streszczenie: W artykule oceniono przydatność wybranych modeli matematycznych lamp wyładowczych do symulowania procesów w obwodach 
instalacji elektrycznych. Zaproponowano nowy model aproksymujący charakterystyki napięciowo - prądowe lampy rtęciowej. Dokonano jego 
implementacji w programie Matlab-Simulink. Porównano wyniki badań eksperymentalnych i symulacji komputerowych obwodu z lampą rtęciową. 
Stwierdzono przydatność nowego modelu do obliczania instalacji elektrycznych z lampami wyładowczymi. 
 
Abstract: The paper evaluates the usability of the selected discharge lamps mathematical models in simulating processes in electric circuits.There is 
proposed the new model which approximates the voltage – current characteristics the mercury discharge lamp. The implementation has been done 
in  Matlab-Simulink program. There were compared the results of experimental research with the computer simulations of circuit with the mercury 
discharge lamp. The paper ascertains the usability of the new model used to calculation electric circuits with discharge lamps.  (
Modeling and 
simulation processing in electric circuit with mercury lamp). 

 

Słowa kluczowe: wyładowanie elektryczne, lampa rtęciowa, model matematyczny,   
Keywords: electrical discharge, mercury lamp, mathematical model 
 

 

Wstęp  

W obliczeniach obwodów elektrycznych z lampami 

rtęciowymi wykorzystuje się możliwie proste aproksymacje 
zarówno charakterystyk statycznych, jak i dynamicznych. 
Najprostszym jest model liniowy lampy zawierający stałe 
parametry  R

e

 i L

e

. Prowadzi to jednak do dużych 

niedokładności obliczeń w porównaniu z przebiegami 
rzeczywistymi. Zmniejszają się one wraz ze wzrostem 
częstotliwości napięcia zasilającego.  

Współczesne lampy rtęciowe wysokociśnieniowe dużej 

mocy z reguły zasilane są napięciem o częstotliwości 
sieciowej 50 Hz. To powoduje ujawnianie się efektów 
nieliniowych tych odbiorników energii w postaci skoków 
napięciowych i wyższych harmonicznych prądu. 
Podstawowe znaczenie ma więc odwzorowanie właściwości 
nieliniowych w makromodelach lamp wchodzących w skład 
bibliotek programów symulujących pracę instalacji 
oświetleniowych.  

Zadania stawiane modelom matematycznym lamp 

rtęciowych to [1]:  

1) wystarczająco duża dokładność obliczeń w szerokim 

zakresie zmian parametrów roboczych lampy;  

2)  prostota modeli, umożliwiająca osiągnięcie odpowiednio 

dużej szybkości i wysokiej stabilności algorytmów 
całkowania numerycznego;  

3) wykorzystanie łatwo interpretowalnych i łatwo 

mierzalnych parametrów fizycznych.  

Udaną próbę wykorzystania modeli łuku (Cassiego i 
hybrydowego Cassiego-Mayra) do symulowania procesów 
w obwodach z lampami rtęciowymi podjęli autorzy w pracy 
[2]. Stwierdzono jednak znaczne ograniczenia w 
możliwościach prawidłowego odwzorowania charakterystyk 
dynamicznych wyładowania w okolicach przechodzenia 
prądu przez wartość zerową. 

 

Ocena przydatności wybranych modeli 
matematycznych lamp wyładowczych do symulowania 
procesów w obwodach instalacji elektrycznych 

Do tej pory opracowano wiele modeli matematycznych 

lamp wyładowczych o różnej złożoności i różnej 
dokładności aproksymowania charakterystyk 
energetycznych. Pomimo, że zwykle istnieje potrzeba 
stosunkowo dokładnego określenia tylko charakterystyk 
zewnętrznych elektrycznych i optycznych, to ich 
jednoznaczne powiązanie w szerokim zakresie zmian 
warunków pracy wymaga analizy procesów cieplnych na 
poziomie cząstek elementarnych w plazmie wyładowania 

elektrycznego. Podstawą takich modeli są założenia 
uwzględniające makroskopijne zmienne wewnątrz rury 
wyładowczej. Przykładem tego może być wytwarzanie 
swobodnych elektronów. Wtedy zmienne makroskopowe 
uwzględniają:  średnią  gęstość elektronów 

e

, napięcie 

między elektrodami i prąd płynący przez lampę [3].  

Przyrost swobodnych elektronów wewnątrz rury 

wyładowczej zależy od ilości wytwarzanych swobodnych 
elektronów i strat elektronów. Te zjawiska elektryczne są 
reprezentowane przez równanie  

 

(1) 

     

 

dys

el

e

P

k

t

P

k

dt

d

2

1

 

 

 

 

 

 

 

gdzie k

1

 i k

2

 – stałe proporcjonalności. Dwa składniki mocy 

po prawej stronie równania odpowiadają:  
1) wytwarzaniu swobodnych elektronów wewnątrz rury 

wyładowczej, co jest proporcjonalne do wartości 
chwilowej mocy elektrycznej P

el

 dostarczonej lampie;  

2) wartości strat elektronów, co jest związana z gęstością 
elektronów. Tu powinny być brane pod uwagę dwa 
zjawiska: straty w ścianki rury i zjawisko rekombinacji.  

Przyjmuje się,  że straty elektronów w ścianki są 

proporcjonalne do gęstości elektronów, a straty 
rekombinacyjne szacuje się przez wielomian drugiego 
stopnia. Lepsze wyniki uzyskuje się jednak za pomocą 
oszacowania funkcją wykładniczą.  

Takie podejście powoduje, że pomimo otrzymania 

równania tylko pierwszego rzędu, to jest ono nieliniowe, o 
bardzo złożonej postaci i o licznych parametrach niełatwych 
do zidentyfikowania [3]. 

W mniej szczegółowym podejściu [4] wypadkowa 

konduktywność jest równa sumie konduktywności 

i

 

wszystkich składników plazmy   

(2) 

 

     

n

i

i

1

   

 

W przypadku słabo zjonizowanej plazmy 

konduktywność każdego składnika zależy od temperatury i 
opisuje się ją stosunkowo prostym wyrażeniem  

(3) 

     



kT

E

p

T

i

i

i

2

exp

75

,

0

0

   

 

background image

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 8/2010                                                        287 

gdzie: 

0i

 jest stałą, odpowiadającą każdemu składnikowi 

plazmy;  T – temperatura; p – ciśnienie gazu; E

i

 – energią 

jonizacji i-tego składnika; k – jest stałą Boltzmanna.  

Procesy elektryczne w lampie mogą być opisane przez 

jest stany termodynamiczne. Z równania bilansu energii 
wynika przyrost energii wewnętrznej  

(4)  

 

dys

el

P

P

dt

dH

 

 

 

gdzie:  P

el

 – moc elektryczna wprowadzana; P

dys

 – moc 

rozpraszana w lampie przez promieniowanie i prze-
wodzenie ciepła.  

(5)  

 

con

rad

dys

P

P

P

 

 

 

przy czym są one funkcjami temperatury T. Pierwsza zależy 
wykładniczo od odwrotności temperatury, a druga prawie 
liniowo [5]. Stąd wynika, że  

(6)  

 

 

 

 

T

P

T

P

ui

T

P

P

dt

T

dH

con

rad

dys

el

 

Opis analityczny modelu lampy wymaga przyjęcia wielu 

założeń upraszczających [4]. Wtedy można otrzymać 
pomocnicze równanie różniczkowe wiążące temperaturę 
plazmy termicznej  

(7) 

 

 

T

P

T

P

ui

dt

dT

a

con

rad

 

 

gdzie  a – odpowiednio dobierana stała modelu. Związek 
pomiędzy koncentracją  ładunków (konduktancją), a 
temperaturą opisuje znane równanie Sahy [6].  

Należy nadmienić,  że same procesy w plazmie 

kolumny wyładowania 

łukowego nie reprezentują 

wszystkich zjawisk elektrycznych w lampie, zwłaszcza w 
stanach przejściowych. W przypadku niskiej częstotliwości 
(sieciowej) równanie obwodu ma postać  

(8) 

 

  

dt

di

L

i

r

R

f

t

u

t

u

eAK

,

   

gdzie  L i R – są parametrami dławika;  r – rezystancją 
nieliniowa lampy (r = 1/g);  u

eAK

 – suma przyelektrodowych 

spadków napięcia. Ta składowa napięcia może być 
aproksymowana funkcją nieliniową względem czasu i 
częstotliwości harmonicznej podstawowej [7].  

Największą popularność w modelowaniu wyładowań 

elektrycznych w gazach o wysokich ciśnieniach uzyskały 
podejścia wykorzystujące uogólnione zależności opisujące 
konduktancję lub rezystancję dynamiczną łuku [8, 9]. Jedno 
z nich zostało zaproponowane przez Zissis i Damelincourt 
[10]. Ma ono postać  

(9) 

         

k

n

k

k

g

b

i

a

dt

dg

1

2

2

 

 

 

Forma wielomianowa mocy rozpraszanej utrudnia 
obliczanie współczynników aproksymacji i ich interpretację 
fizyczną.  
 
Badania eksperymentalne i symulacje procesów w 
obwodzie elektrycznym z lampą rtęciową 

Badana lampa rtęciowa była nowa, co gwarantowało 

symetrię jej charakterystyk napięciowo-prądowych. W 
obwodach prądu zmiennego lampy zwykle łączy się w 
szereg z dławikiem (statecznikiem). Najprostszemu 
szeregowemu obwodowi odpowiada równanie  

(10) 

   

dt

di

L

i

R

g

i

t

U

D

D

m

sin

 

 

gdzie:  R

D

 i L

D

 – rezystancja i indukcyjność  dławika;  g – 

konduktancja lampy. Zasilanie napięciem U odbywało się z 
autotransformatora. Rejestracji napięcia zasilania, napięcia 
i prądu lampy dokonywano przez komputer wyposażony w 
kartę pomiarową i przetworniki pomiarowe. Wcześniej 
jednak wyznaczono parametry dławika metodą techniczną. 
Do badań wybrano lampę rtęciową firmy OSRAM. 
Parametry katalogowe i zmierzone elementów układu 
zasilania zamieszczono w tabeli 1.  
 

Tabela 1. Parametry katalogowe i zmierzone lampy rtęciowej i 
dławika (P

n

 - moc znamionowa; I

n

 - prąd znamionowy) 

Lampa 
rtęciowa 

P

W] 

Dławik 

I

n

 [A] 

cosφ 

R

D

 

[

] 

L

D

 [H] 

HQL(MBF-
U) 

250 

STR 

250-500 

2,15 

0.55 

3 

0.254 

 

W proponowanym modelu matematycznym lampy 

rtęciowej wykorzystano uogólnione wyrażenie  

(11)  

 

g

i

U

i

dt

dg

st

1

 

 

 

gdzie:  θ – stała czasowa; U

st

 – charakterystyka statyczna 

wyładowania  łukowego. Podjęte próby zastosowania 
aproksymacji tej charakterystyki funkcjami stałą, 
hiperboliczną lub skojarzoną [2] dawały wyniki w 
ograniczonym stopniu zadowalające.  Świadczyły o tym 
jeszcze dość znaczne rozbieżności wartości wskaźnika 
THD prądu w układach rzeczywistym i modelowanym. 
Dlatego autorzy zaproponowali racjonalną aproksymację 
funkcjami wykładniczymi, uzyskując model matematyczny 
lampy w postaci  

(12)

g

i

d

c

i

b

i

a

i

dt

dg

exp

1

exp

1

 

gdzie:  a, b, c, d – stałe współczynniki. Pierwsza składowa 
mianownika odpowiada fragmentowi charakterystyki z 
małymi wartościami prądu. Jej zadaniem jest lepsze 
odwzorowanie wolniejszego przebiegu narastania napięcia 
do zadanej wartości, niż jest to osiągane w modelu Mayra. 
Druga składowa odpowiada przypadkom dużych wartości 
prądu. Jej wpływ ujawnia się stopniowo, osiągając stan 
napięcia wyładowania zgodny z modelem Cassiego. 
Porównując ten wzór z modelem hybrydowym [9], takie 
podejście umożliwia lepsze odwzorowanie charakterystyki 
w zakresie małych prądów. Implementację modelu (12) w 
programie Matlab-Simulink pokazano na rysunku 1. Oprócz 
obwodu zasilania zamieszczono tu także bloki niezbędnych 
przyrządów pomiarowych.  

Na rysunku 2 pokazano charakterystyki napięciowo - 

prądowe pochodzące z badań eksperymentalnych i 
symulacji. Na podstawie przebiegów czasowych napięcia i 
prądu obliczono parametry modelu matematycznego z 
użyciem algorytmu genetycznego. Różnice pomiędzy 
wynikami teoretycznymi a eksperymentalnymi maleją wraz 
ze wzrostem napięcia zasilania. Rozbieżności dotyczą 
przede wszystkim przebiegów czasowych napięcia (rys. 3). 
 
 
 
 
 
 

background image

288                                                        PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 8/2010 

u=f(i)

theta

-C-

powergui

Continuous

g0

-C-

g

dlawik

d

-C-

c

-C-

b

-C-

array

U( : )

am

i

+

-

a

-C-

V

v

+
-

U_I

Total Harmonic

Distorsion 1

signal THD

Total Harmonic

Distorsion

signal THD

Product 4

Product 3

Product 2

Product 1

Product

Math

Function 1

eu

Math

Function

eu

Integrator

1

s

Gain 1

-1

Gain

-1

Divide 2

Divide 1

Divide

Display 1

0.1144

Display

0.1114

Current with experiment

[t ie ]

Con

s

-

+

Add 3

Add 2

Add 1

Add

Abs1

|u|

AC

1

1

 

Rys. 1. Makromodel lampy rtęciowej w prostym obwodzie zasilania  

 

a) 

b)

 

c) 

d) 

 

Rys. 2. Charakterystyki napięciowo - prądowe eksperymentalne i 
symulacyjne lampy rtęciowej z różnymi wartościami napięcia 
zasilania: a) U = 150 V (a = 420.17 VA

-1

b = 3.31 A

-1

c = 81.12 V, 

d = 3.14 A

-1

θ = 3.31e-4 s); b) U = 210 V (a = 350.41 VA

-1

b=1.87 

A

-1

,  c = 130.62 V, d = 1.20 A

-1

,  θ = 3.15e-4 s); c) U = 230 V 

(a=309.61 VA

-1

b = 1.81 A

-1

c = 136.5 V, d = 1.18 A

-1

θ = 3.09e-4 

s); d) U = 260 V (a = 280.72 VA

-1

b = 1.49 A

-1

c = 142.93 V, d = 

0.88 A

-1

θ = 2.92e-4 s)  

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

t [s]

U [V

]

 

 

eksperyment
model

a) 

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.05

0.055

0.06

-3

-2

-1

0

1

2

3

t [s]

I [A

]

 

 

eksperyment
model

b) 

 

Rys. 3. Przebiegi czasowe napięcia i prądu lampy rtęciowej 
zasilanej napięciem 230 V 

 

0

200

400

600

800

1000

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

f[Hz]

am

plit

ude [

dB

]

a) 

0

200

400

600

800

1000

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

f[Hz]

a

m

pli

tude

 [

dB]

b) 

 

Rys. 4. Widma harmonicznych prądu zasilającego układ 
rzeczywisty lampy rtęciowej: a) U =150V; b) U=230 V 

background image

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 8/2010                                                        289 

Analiza widmowa prądu (rys. 4) wskazuje na wyraźną 

obecność harmonicznych nieparzystych. Choć występują 
także harmoniczne parzyste, to jednak ich amplitudy są 
znacznie mniejsze. Świadczy to o stosunkowo dobrej 
symetrii charakterystyk wyładowania. Precyzyjniejszą 
ilościową ocenę oddziaływania lamp rtęciowych na sieć 
elektroenergetyczną uzyskano obliczając wskaźnik THD. 
Wyniki pomiarów i obliczeń zamieszczono w tabeli 2. Ich 
porównanie wykazuje na znacznie lepszą zgodność modelu 
matematycznego (12) z badaną lampą rtęciową, niż 
zgodność z modelami Cassiego i hybrydowego, uzyskaną 
w pracy [2].  

 

Tabela 2. Wskaźnik zawartości harmonicznych prądu  THD w 
obwodzie rzeczywistym i w obwodzie z modelem lampy rtęciowej 

 

 

U [V] 

THD prądu-lampa 

rzeczywista 

THD prądu –model 

lampy 

150 0,1144 

0,1114 

180 0,1371 

0,1377 

210 0,1076 

0,1035 

230 0,1009 

0,09821 

260 0,0984 

0,09375 

 

W celu ułatwienia praktycznego wykorzystywania 

proponowanego modelu w symulowaniu procesów w 
instalacjach oświetleniowych obliczono rozkłady 
parametrów w zależności od prądu i napięcia zasilania 
rzeczywistej lampy rtęciowej. W tym celu użyto algorytmu 
genetycznego. Odpowiednie wykresy pokazano na rysunku 
5. Widać z nich, że są one słabo nieliniowe. Odpowiednie 
aproksymacje funkcjami wielomianowymi i logarytmicznymi 
zamieszczono w tabeli 3.  
 

 

Rys. 5. Rozkłady parametrów modelu (12) w zależności od prądu i 
napięcia zasilania lampy rtęciowej.  

 

Tabela 3. Współczynniki funkcji aproksymujących rozkłady 
parametrów modelu  

Argument - napięcie 

zasilania układu U [ V] 

Argument - prąd zasilania 

układu I [A] 

= -2,47log(U)+16,59 

= -1,7log(I)+4,55 

= -3,32log(U)+19,84 

= -2,2log(I)+3,61 

= -0,04U

2

+0,15U+1,21  = -0,049I

2

+0,12I+1,21 

= 0,09U

2

-0,64U+1,85 

= 0,24I

2

-0,57I+1,85 

 = -0,003U+3,84 

 = -0,24I+3,62 

 
Wnioski 
1.  Opracowany model matematyczny przyczynia się do 
zmniejszenia rozbieżności pomiędzy wymaganą precyzją 
odwzorowania zjawisk fizycznych w lampie rtęciowej, a 
wymaganą prostotą modelu matematycznego, dogodnego 
do identyfikacji parametrów i symulowania procesów w 
instalacjach oświetleniowych.  

2.  Zaproponowany model matematyczny lampy rtęciowej 
lepiej odwzorowuje charakterystyki wyładowania  łukowego 
w porównaniu z modelami Cassie i hybrydowym, zwłaszcza 
w zakresie małych prądów.  
3. Rozbieżność między charakterystyką dynamiczną 
modelu, a charakterystyką lampy rzeczywistej rośnie wraz 
ze wzrostem napięcia (prądu) zasilania.  
4. Z porównania wyników badań eksperymentalnych z 
modelem matematycznym lampy rtęciowej wynika duża 
zgodność odwzorowania wartości ekstremalnych napięcia i 
prądu.  
 

LITERATURA 

1.  Краснопольский  А.Е.,  Соколов  В.Б.,  Троицкий  А.М.: 

Пускорегулирующие  аппараты  для  разрядных  ламп. 
Энергоатомиздат, Москва 1988.  

2. Sawicki 

A., 

Świtoń Ł., Sosiński R.: Próba wykorzystania modeli 

Cassiego i hybrydowego Cassiego-Mayra do symulowania 
procesów w obwodach z lampami rtęciowymi.  Śląskie 
Wiadomości Elektryczne 2010, nr 1 (w druku). 

3.  Blanco C., Antón J.C., Robles A., Ferrero F.J., Campo J.C.: A 

Discharge Lamp Model Based on Lamp Dynamic 
Conductance. IEEE Transactions on Power Electronics 2007, 
vol. 22, no. 3, p. 727-734. 

4.  Shvartsas M., Ben-Yaakov S.: A SPICE Compatible Model of 

High Intensity Discharge Lamps. Conf. 69, Internet.  

5.  Wei Yan, Hui S.Y. Ron: An Improved High-Intensity Discharge 

Lamp Model Including Acoustic Resonant Effect on the Lamp 
Arc Resistance. IEEE Transactions on Power Electronics 2004, 
vol. 19, no. 6, p. 1661- 1667. 

6.  Laskowski E.L., Donoghue J.F.: A Model of a Mercury Arc 

Lamp's Terminal V-I Behavior. IEEE Transactions on Industry 
Applications 1981, vol. IA-17, no. 4, p. 419-426. 

7.  Wei Yan, Hui S.Y. Ron: A Universal PSpice Model for HID 

Lamps. IEEE Transactions on Industry Applications 2005, vol. 
41, no. 6, p. 1594-1602. 

8. Sawicki A., Świtoń  Ł., Sosiński R.: Wykorzystanie modelu 

Cassiego do symulowania procesów w obwodzie z łukiem 
elektrycznym. Przegląd Spawalnictwa 2009, nr 12, s. 62-65. 

9. Sawicki A., Świtoń  Ł., Sosiński R.: Evaluation of usability of 

Cassie and hybrid Cassie-Mayr models to simulate processes 
in AC arc circuits. Przegląd Elektrotechniczny 2010, nr 1, s. 
255-259.  

10. Zissis G., Damelincourt J.J.: Modelling discharge lamps for 

electronic circuit designers: a review of the existing methods. In 
The 29 IEEE International Conference on Plasma Sciences 
(ICOPS2002), p. 318. Ban, Canada, May 26–30 2002. 

 

Autorzy:  
dr hab. inż. Antoni Sawicki prof. PCz., tel. służb. 034-32 50 816, 
mob. 504 275 732,  
e-mail: sawickia@el.pcz.czest.pl  
mgr inż. Łukasz Świtoń, tel. służb. 034-32 50 816, mob. 513 602 
759 
e-mail: lukaszswiton@wp.pl  
dr inż. Ryszard Sosiński, tel. Służb. 034-32 50 306, 034-32 50 829  
e-mail: sryszard@op.pl 
 
Politechnika Częstochowska,  
Wydział Elektryczny,  
Instytut Elektroenergetyki 
Zakład Elektrotechnologii i Automatyki Budowlanej  
Al. Armii Krajowej 17,  
42-200 Częstochowa