ВВЕДЕНИЕ

Курс «Светотехника и электротехнология» предполагает подготовку студентов в области расчета и эксплуатации электрического освещения и электротермического оборудования сельскохозяйственного назначения, а также их знакомство с методами и способами воздействия электрическим или магнитным полем на сельскохозяйственную продукцию.

Изучение курса следует проводить в два этапа.

Первый этап состоит в изучении темы «Электрическое освещение», второй – в изучении темы «Электротехнология».

Изучение каждой темы завершается выполнением соответствующей контрольной работы, задания для которой приводятся в конце каждого тематического раздела.

Весь курс изучается студентами-заочниками самостоятельно. Во время лабораторно-экзаменационной сессии студенты должны сделать определенное число лабораторных работ. В это же время по определенным разделам курса им читаются лекции.

Самостоятельное изучение курса встречает определенные трудности, обусловленные, в первую очередь, синтетическим характером изучаемого материала. Усвоение курса невозможно без знаний физики, электротехники и теплотехники.

При определении номера варианта контрольного задания и оформлении контрольной работы следует руководствоваться методическими указаниями, приводимыми ниже.

1. Указания по выолнению контрольных работ

Правильное решение задач является критерием степени усвоения студентом теоретического материала, умения практического использования полученных в процессе обучения знаний. Контрольные работы необходимо выполнять самостоятельно, опираясь на проработанный теоретический материал и справочные данные, приведенные в данном пособии. В соответствии с программой курса, каждый студент должен выполнить две контрольные работы по разделам «Электрическое освещение» и «Электротехнология». Задания для контрольных работ приведены в конце соответствующей раздела.

Номер варианта контрольной работы определяется суммой последних двух цифр учебного шифра студента. Например, если учебный шифр 97146 или 97255, то выполняется вариант 10, если 98010 или 98110– то вариант 1.

При выполнении контрольных работ следует соблюдать следующие требования:

контрольные работы выполнять чернилами, оставляя поля для заметок преподавателя;

контрольные задачи решать в общем виде, подробно объясняя основные этапы решения. В используемые формулы подставлять цифровые значения величин с указанием их размерности и размерности результата;

все рисунки выполнять аккуратно, в достаточно крупном масштабе;

в начале контрольной работы указать фамилию, имя, отчество, учебный шифр, специальность, домашний адрес (включая электронный) студента, а также название и год издания используемых методических указаний;

в конце контрольной работы поставить дату ее выполнения и личную подпись студента.

Контрольная работа засчитывается, если решение задачи выполнено принципиально правильно и отвечает перечисленным требованиям. Если контрольная работа не зачтена, все исправления должны быть сделаны студентом в той же тетради после подписи преподавателя. Исправленный вариант контрольной работы студент должен выслать вместе с первоначальным вариантом.

2. Электрическое освещение

2.1 Источники света

Лампы накаливания. Источником излучения в лампах накаливания служит вольфрамовая нить, нагретая электрическим током до температуры 2400—3000 К. Лампы накаливания просты и удобны в эксплуатации, практически могут работать при любых внешних условиях и не требуют специальных пускорегулирующих устройств.

Размеры и формы тела накаливания ламп могут быть самыми разнообразными. Лампы накаливания имеют большую яркость. Основные недостатки ламп накаливания — низкая эффективная отдача (световая отдача в 2,5—4 раза меньше, чем у люминесцентных ламп), большое содержание инфракрасного излучения в спектре (от 60 до 90% всего оптического излучения). Ультрафиолетовое излучение практически отсутствует. Конструктивно лампа накаливания представляет собой стеклянный баллон, внутри которого в инертном газе или в вакууме заключено тело накаливания. В зависимости от среды, в которой работает тело накаливания, лампы делятся на вакуумные и газополные.

В вакуумных лампах из баллона откачивается воздух, в газополных в баллон вместо воздуха вводятся инертные газы (аргон или криптон). Все эти мероприятия направлены на изоляцию вольфрамовой нити от кислорода воздуха, так как взаимодействие вольфрамовой нити с кислородом ускоряет ее разрушение.

Параметры газополных и вакуумных ламп отличаются друг от друга, при этом газополные лампы экономичнее. Вакуумные лампы выпускаются отечественной промышленностью мощностью до 40 Вт, лампы мощностью более 40 Вт изготовляются только газополными. Основные характеристики ламп накаливания для общего освещения приведены в таблице 1.

Газоразрядные лампы. В газоразрядных лампах электрическая энергия преобразуется в энергию оптического излучения за счет электрического разряда в газах или парах металлов. Газоразрядные лампы имеют преимущества и недостатки по сравнению с лампами накаливания. Преимущество — более высокий КПД в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, недостаток — необходимость в специальных пускорегулирующих устройствах со сложными схемами включения. Эти лампы чувствительны к качеству напряжения питающей сети, а также к изменениям условий окружающей среды (влажность, температура и подвижность воздуха). Кроме того, газоразрядные лампы для вхождения в установившийся режим требуют определенного времени.

Чтобы лучше понять принцип действия газоразрядной лампы, рассмотрим процесс электрического разряда в газах и парах металлов. Газ, применяемый в газоразрядных лампах, в обычных условиях является изолятором. Под воздействием внешних факторов (радиоактивность, космическое излучение) в газе образуются электроны и ионы. При наличии необходимого напряжения на электродах лампы эти заряженные частицы начинают перемещаться в направлении к электродам и на своем пути не вызывают образования новых ионов, ток при этом очень небольшой. При определенном повышении напряжения скорость движения заряженных частиц увеличивается настолько, что они начинают ионизировать нейтральные частицы газа. Процесс этот является нарастающим: происходит пробой газового промежутка. Газ становится проводником.

Напряжение, при котором происходит пробой газового промежутка, называется напряжением зажигания. После снятия электрического напряжения газ восстанавливает свои свойства изолятора.

Отметим, что напряжение зажигания у разных типов ламп одинаково. Оно зависит от конструкции лампы, материала электродов и газа, заполняющего баллон. Напряжение зажигания можно уменьшить за счет нагрева электродов лампы; для поддержания разряда в пробитом газе требует напряжение, меньшее напряжения зажигания. Такое напряжение называется напряжением горения.

В газоразрядных лампах используют два вида разряда в газах: тлеющий и дуговой.

При тлеющем разряде плотность тока в газе чрезвычайно мала (несколько мА/см²), при дуговом — она достигает больших значений (десятки и сотни А/см²). В общеосветительных установках применяются газоразрядные лампы, работающие на переменном токе, но для представления процесса работы лампы рассмотрим включение ее в сеть постоянного тока (рис. 1). Как следует из схемы, газоразрядная лампа включена последовательно с балластным резистором R_б.

В момент включения лампы в сеть ток в цепи чрезвычайно мал и падение напряжения на балластном резисторе U_б= R_б.I будет также чрезвычайно мало, поэтому практически все напряжение в сети оказывается приложенным к лампе:

U_л =U_с - U_б.

Происходит пробой газового промежутка. При установлении в цепи стабильного разрядного тока приложенное к лампе напряжение уменьшается за счет увеличения U_б . При соответствующем подборе сопротивления балластного резистора R_б. на л ампе устанавливается напряжение, достаточное для поддержания стабильного разряда, — напряжение горения.

Рис. 1. Схема включения газоразрядной лампы

Таким образом, балластный резистор выполняет защитные и регулирующие функции. Защитные функции заключаются в том, что сопротивление R_б. ограничивает ток в лампе, увеличение которого сверх допустимого может привести к необратимому разрушению газоразрядной лампы.

Для газоразрядных ламп переменного тока в качестве балластного используют индуктивное сопротивление, что обусловлено более стабильной работой лампы и значительно меньшими, чем при работе с активным сопротивлением, периодическими колебаниями излучаемого потока.

В этой связи основным типом балластных резисторов, стабилизирующих электрический режим газоразрядных ламп, являются индуктивные дроссели. При питании газоразрядной лампы переменным током разряд в ней каждый полупериод зажигается и гаснет. Поэтому поток, излучаемый лампой, пульсирует с частотой, в два раза большей частоты переменного тока. Освещение такими лампами движущихся предметов может приводить к так называемому стробоскопическому эффекту, сущность которого заключается в том, что равномерно движущийся предмет воспринимается как перемещающийся скачками (импульсивно).

Трубчатые газоразрядные лампы низкого давления. Наиболее широко для освещения применяются трубчатые ртутные лампы низкого давления (около 0,01 мм рт. ст) с нанесенным на внутренние стенки трубок светосоставом (люминофором) — так называемые люминесцентные лампы.

Электрический ток, проходя между электродами люминесцентной лампы, вызывает электрический разряд в парах ртути и аргона, наполняющих трубку.

Первоначально разряд происходит при низком давлении паров ртути, которое определяется температурой лампы в момент зажигания. По мере разогревания трубки и испарения ртути повышается давление ее паров, вместе с тем изменяются характеристики разряда. Нормально процесс завершается полным испарением ртути и стабилизацией характеристик ламп. Не видимое для газа ультрафиолетовое излучение, возникающее в результате этого разряда и составляющее около 85% всей энергии излучения (электролюминесценция), облучает тонкий слой люминофора и вызывает видимое свечение (фотолюминесценцию). Благодаря такому преобразованию в люминофорах ультрафиолетового излучения в видимое люминесцентные лампы обладают значительно более высокой экономичностью и долговечностью. Срок службы ламп накаливания 1000 ч, а люминесцентных ламп — 12 000 ч.

Рис. 2. Газоразрядная лампа низкого давления

Газоразрядная лампа низкого давления представляет собой длинную стеклянную колбу 2 в виде трубки (рис. 2), на внутреннюю поверхность которой нанесен слой люминофора 3. Из колбы удален воздух и вместо него введен инертный газ (аргон), а также дозированное количество ртути. В торцы колбы впаяны электроды 7, изготовленные из свитой в спираль вольфрамовой проволоки 4 и покрытые специальным составом (углекислыми солями бария и стронция), который в процессе обработки превращается в так называемый оксид. Каждый электрод лампы имеет два вывода, которые заканчиваются штырьками, закрепленными в цоколе. Конструкция электрода, показанная на рисунке, известна под названием самокалящегося катода с предварительным подогревом. В установившемся режиме работы лампы требуемый нагрев катодов поддерживается током разряда. Поэтому их и называют самокалящимися. Для подогрева катодов в начальный период зажигания лампы по вольфрамовой спирали пропускается ток, что позволяет снизить напряжение зажигания лампы и уменьшить разрушение катодов. После зажигания разряда необходимость в подогреве электродов отпадает. Полный срок службы люминесцентной лампы определяется в основном долговечностью активирующего покрытия катодов. Зажигание люминесцентных ламп без предварительного разогрева катодов уменьшает долговечность активизирующего покрытия. Люминесцентные лампы различаются по форме колбы, мощности и спектральному составу (цветности) излучения.

Для общего освещения промышленностью выпускаются люминесцентные лампы следующих цветностей: дневного света (ЛД); белого света (ЛБ); холодно-белого света (ЛХБ) и тепло-белого света (ЛТБ); лампы типа ЛДЦ предназначены для улучшенной цветопередачи. По форме колбы различают прямолинейные и секционно-кольцевые колбы. Основные характеристики люминесцентных ламп для общего освещения приведены в таблице 2.

Газоразрядные лампы высокого давления. Наиболее широкое распространение для наружного освещения и освещения производственных помещений получили ртутно-кварцевые лампы высокого давления с исправленной цветностью типа ДРЛ (дуговые ртутные с люминофором). Источником первичного излучения этих ламп является ртутно-кварцевая горелка высокого давления, которая представляет собой мощный источник ультрафиолетового излучения.

Сама горелка используется как ртутно-кварцевая лампа типа ДРТ (ПРК), которая представляет собой трубку из кварцевого стекла, на концах которой впаяны электроды. Внутрь трубки вводятся аргон и капельки ртути. Лампы типа ДРТ (ПРК) используются для оздоровительных и лечебных целей как источник ультрафиолетового излучения; для нужд искусственного освещения эта лампа непригодна из-за низкого качества цветности излучения ртутного разряда, который дает интенсивный свет синеватого оттенка (лица людей становятся мертвенно-бледными, губы синевато-серыми, привычные краски окружающих предметов искажаются). Лампы типа ДРЛ в значительной степени лишены этого недостатка с помощью люминофора, который наносится на внутреннюю поверхность внешней колбы.

Конструкция лампы ДРЛ показана на рис. 3. Лампа представляет собой ртутно-кварцевую горелку 3 высокого давления, заключенную в стеклянную колбу 1, из которой откачан воздух. На внутреннюю поверхность колбы нанесен люминофор 2. Коротковолновое ультрафиолетовое излучение ртутной горелки преобразуется люминофором в длинноволновое видимое (красное) излучение. Излучение, генерируемое люминофором, дополняет спектр ртутной горелки красной составляющей.

Рис.3. Лампа ДРЛ

Световая отдача ламп ДРЛ ниже, чем у люминесцентных ламп низкого давления (ЛД и ЛБ). От последних они отличаются большей единичной мощностью, меньшими габаритными размерами и большей яркостью. Условия окружающей среды (температура, влажность, подвижность воздуха) на работу ламп ДРЛ оказывают меньшее влияние, чем на работу люминесцентных ламп низкого давления. В спектре лампы ДРЛ содержится значительно меньше инфракрасного излучения, чем в спектре ламп накаливания.

Напряжение зажигания двухэлектродных ламп ДРЛ во много раз превышает напряжение питающей сети. Они зажигаются с приложением к их электродам импульсного напряжения в несколько киловольт. В связи с этим для включения двухэлектродной лампы ДРЛ требуется сложный пускорегулирующий аппарат (ПРА), состоящий из дросселя и зажигающего устройства, что является их существенным недостатком. Стремление к упрощению ПРА и увеличению надежности работы привело к созданию четырехэлектродных ламп ДРЛ, включение которых в сеть осуществляется через дроссель без применения зажигающего устройства.

Четырехэлектродные лампы ДРЛ отличаются от двухэлектродных наличием двух дополнительных электродов, расположенных рядом с главными и соединенных с противоположными катодами через значительное сопротивление. Дополнительные электроды предназначены для облегчения зажигания лампы. При включении лампы между дополнительными электродами и ближайшими катодами возникает тлеющий разряд, обеспечивающий необходимую ионизацию газа. В результате ионизации газа разряд устанавливается между главными катодами, так как сопротивление газового промежутка меньше сопротивления включенного в цепь дополнительного электрода.

Четырехэлектродные лампы ДРЛ, как и двухэлектродные, снабжаются обычно резьбовым цоколем и от ПРА к ним прокладывают только два провода. Среди новых источников электрического света, применяемых для освещения площадей больших городов, имеются ксеноновые лампы ДКсТ (дуговые ксеноновые трубчатые), которые могут быть изготовлены мощностью от 2 до 100 кВт.