Посібник

ними світлу, видність об’єкта буде тим кращою, чим більшим є відбитий ним світловий потік. Зрозуміло теж, що відбитий потік буде тим більший, чим більшим є потік, що падає на об’єкт. Враховуючи це, в освітлювальній техніці рівень освітлення, створений освітлювальною установкою, оцінюють густиною світлового потоку, що падає на освітлювану поверхню. Цю величину називають освітленістю, Е:

,

де Ф – світловий потік, який (опромінює) падає на поверхню площею S. Одиницею освітленості є люкс (скорочено лк). Освітленість на відкритому місці вдень сягає кількох тисяч люксів. Для читання потрібна освітленість біля 300 лк, а для виконання точних робіт – 2000 5000 лк. Повний місяць при ясному небі створює освітленість 0,1 0,2 лк.

Рівень освітленості в приміщеннях залежить від влаштованої системи освітлення, типу світильників і їх розташування, стану освітлювальної установки і, безумовно, від застосованих джерел світла.

Використовують головним чином систему загального освітлення – спосіб розташування світильників, коли вони розміщені досить далеко від освітлювальної поверхні. Така система освітлення забезпечує найкращі умови освітлення з погляду гігієни зорової роботи.

Систему комбінованого освітлення, яка утворюється, коли до світильників загального освітлення додають світильники місцевого освітлення, доцільно застосовувати в деяких лабораторіях, кабінетах, майстернях особливо там, де в процесі роботи треба змінювати напрям світлового потоку на робочу поверхню.

В освітлювальних установках внутрішнього освітлення використовують в основному люмінесцентні лампи низького тиску та лампи розжарення. Царина застосування того чи іншого типу ламп визначається економічними чинниками, умовами експлуатації, характеристиками ламп. У широкому розумінні освітлювальна установка – це поєднання багатьох елементів, кожен з яких має певне призначення. Значна частина цих елементів по-своєму впливає на розподіл світлового потоку в приміщені: це безпосередньо освітлювальний пристрій (світильник), розміри приміщення, колір побілки поверхні стін, робочі поверхні.

Деякі характеристики ламп для внутрішнього та зовнішнього освітлення наведені у табл. 3.2.

Люмінесцентні лампи складаються зі скляної трубки, внутрішня поверхня якої покрита люмінофором, який випромінює світло під дією ультрафіолетового випромінювання. Трубка заповнена інертним газом (аргоном) або сумішшю газів з тиском декілька паскалів (Па). Газ запобігає руйнування електродів та підсилює інтенсивність випромінювання. Всередину трубки вводять також дозовану кількість ртуті, яка під час роботи лампи переходить у пароподібний стан. Максимальне світіння газового розряду спостерігається за значення тиску

61

парів ртуті 0,8 – 1,33 Па. Газовий розряд у парах ртуті за низького тиску генерує майже невидиме ультрафіолетове випромінювання. Перетворення ультрафіолетового випромінювання у видиме світло базується на явищі люмінесценції. Деякі речовини, поглинаючи енергію ультрафіолетового випромінювання, випромінюють енергію у видимій частині спектру. Вони називаються люмінофорами. Комбінуючи різні люмінофори та змішуючи їх у певній пропорції, можна отримати бажаний спектр світла.

На кінцях трубки змонтовані цоколі зі скляними тримачами електродів – вольфрамових ниток розжарення. Електроди покриті спеціальним оксидним шаром для покращення емісії електронів.

Люмінесцентні лампи виготовляють потужністю від 4 до 200 Вт. Потужність лампи залежить від довжини трубки. Наприклад, лампу потужністю 4 Вт виготовляють з трубки діаметром 16 мм, довжиною 140 – 150 мм; потужністю 40 Вт – з діаметром трубки 38 мм і довжиною 1213,6 мм; потужністю 80 Вт – з діаметром трубки 38 мм і довжиною 1514,2 мм; потужністю 200 Вт – з діаметром трубки 54 мм і довжиною 1523 мм. Лампи можуть мати прямолінійну, кільцеву, прямокутну, W-подібну, U- подібну та інші форми.

Таблиця 3.2

Деякі технічні та споживчі характеристики ламп фірми Philips

62

Люмінесцентна лампа може вмикатися у мережу лише через баластний опір, яким може бути резистор, дросель або конденсатор. Для запалювання лампи використовують пуско-регулювальну апаратуру. На рис 3.10 наведена схема запуску люмінесцентної лампи з використанням стартера і дроселя.

Один з електродів стартера виготовлений з біметалевої пластини. Після увімкнення схеми в електромережу між електродами стартера виникає тліючий розряд, теплом якого розігрівається біметалева пластина, згинається і замикає контакти у стартері. У цей час через електроди лампи (спіралі нитки розжарення) проходить струм, що розігріває їх до температури близько 1000 0С. Виникає термоелектронна емісія з електродів, що зумовлює іонізацію газу у лампі. За цей час біметалева пластина стартера охолоджується і розмикає контакт у стартері. Напруга, що виникає на дроселі у момент розмикання контакту додається до напруги мережі і зумовлює виникнення електричного розряду у лампі. Під дією ультрафіолетового випромінювання газового розряду люмінофор лампи світиться. Конденсатор С1 у стартері служить для зменшення радіозавад, а конденсатор С2 призначений для компенсації реактивної потужності, яку споживає дросель. У робочому стані індуктивний опір дроселя обмежує струм електричного розряду у лампі.

Суттєвим недоліком люмінесцентних ламп є те, що увімкнення їх в мережу здійснюється лише з допомогою спеціальної пускорегулювальної апаратури (ПРА). Останнім часом входять в експлуатацію електронні ПРА, а також лампи з вбудованими електронними ПРА – компактні люмінесцентні лампи. Електронні ПРА забезпечують живлення ламп напругою підвищеної частоти 30 40 кГц, що збільшує термін служби ламп і практично усуває пульсації світлового потоку. Зі збільшенням частоти напруги живлення збільшується світловіддача лампи; наприклад, за частоти 10 000 Гц світловіддача збільшується на 10 – 15 % порівняно з її

63

значенням за частоти 50 Гц. Зі збільшенням частоти зростає також термін служби лампи на 20 – 30% та сповільнюється зниження світлового потоку. За частоти напруги живлення понад 400 Гц стартери не забезпечують надійне запалювання лампи, тому використовують безстартерні схеми пуску. Варіант такої схеми наведений на рис. 3.11. Підбором величини ємності конденсатора та індуктивності дроселя можна налаштувати L-C – ланку у резонанс напруг, що дозволить у 2 – 2,5 рази збільшити напругу на лампі під час пуску, після запуску лампи явище резонансу у колі припиняється і напруга на елементах схеми значно зменшується.

Для високочастотного живлення лампи використовують напівпровідникові перетворювачі частоти. Вони можуть розраховуватися на групу ламп, або індивідуально для окремої лампи. Для зменшення шумового впливу під час роботи перетворювача бажано частоту напруги живлення вибирати понад 15 кГц. У складі індивідуального перетворювача частоти є випрямляч та інвертор на базі транзисторів. Напруга на лампу подається через вихідний трансформатор, осердя якого виготовляють з феритів, що збільшує вартість схеми. Вихідний трансформатор має також обмотки для попереднього прогрівання ниток розжарення лампи. На сьогоднішній день напівпровідникові перетворювачі настільки малогабаритні, що їх можна розташувати у цоколі лампи. Наразі компактні люмінесцентні лампи мають достатньо високу вартість.

Рис. 3.12. Схема пускового пристрою економної лампи

Volta КЛС24/ПК-3 230 В 50/60 Гц

На рис. 3.12 наведена схема пускового пристрою економної люмінесцентної лампи. Лампи різних виробників відрізняються номінальними параметрами конденсатора фільтру С2, конденсатора С3 і С4. Пускова схема – автоколивний генератор на транзисторах VT1 і VT2 з трансформаторним зв’язком. Коливний контур складається з індуктивності L1 та конденсаторів С3, С4 і люмінесцентної лампи. На жаль, не усі лампи служать протягом паспортного часу експлуатації. Причинами виходу з ладу є руйнування одного з електродів лампи, несправність резисторів R1 чи R3 , а також конденсаторів С1, С3 і С4.

64

Лампи розжарення (жарівки) складаються зі скляного балона (колби) у який вмонтована вольфрамова спіраль. Ця спіраль є джерелом світла, оскільки після увімкнення лампи розжарюється до температури близько 2200 0С. Для уникнення інтенсивного окиснення вольфраму у колбі лампи утворюють вакуум, або заповнюють її інертним газом (аргоном чи криптоном). Спектр світла лампи розжарення відрізняється від денного. Для збільшення температури розжарення нитки колбу заповнюють галогенним газом. Середній термін служби лампи розжарення близько 1000 годин. На номінальну напругу 220 В випускають лампи з різним діапазоном напруг: 215-225; 220-230; 230-240; 235-245. Діапазон напруг вказується на колбі лампи. Необхідність такого асортименту ламп пояснюється тим, що термін їх служби суттєво залежить відзначення напруги живлення. Оскільки з віддаленням від початку лінії напруга зменшується, то для кожного значення напруги бажано підбирати лампу з відповідним допустимим діапазоном. В іншому випадку прийдеться часто замінювати перегорілі лампи. Шкала потужностей ламп розжарення від 15 до 500 Вт. Колби ламп - матові, молочні чи опалові. Конструктивне виконання ламп розжарення наведено на рис. 3.13.

Лампи бувають вакуумні, газонаповнені (аргоном), моноспіральні, біспіральні (з дротини виконана спіраль, а зі спіралі виконана ще одна спіраль), криптонові біспіральні. Криптонові мають більшу світловіддачу і менші розміри порівняно з вакуумними та аргоновими. Світлова віддача лампи – це випромінюваний нею світловий потік на одиницю споживаної лампою потужності, лм/Вт.

Рис. 3.13. Конструктивне виконання ламп розжарення: а – з аргоновим наповненням балона; б – такої ж потужності з криптоновим наповненням балона; в – лампа типу свічка; г – автомобільна двоконтактна лампа; д –

автомобільна одноконтактна

65

Порівнюючи люмінесцентні лампи та лампи розжарення, можна відзначити, що люмінесцентні лампи набагато переважають лампи розжарення за світловіддачею. Світловіддача характеризує світлову ефективність лампи. Сучасні люмінесцентні лампи мають світловіддачу 75 80 лм/Вт, а лампи розжарення 7 20 лм/Вт. Світловий потік люмінесцентних ламп суттєво залежить від температури середовища: максимальна світловіддача є при температурі 18 20 0С. Особливо

температури понад 30 0С спричиняє зменшення світловіддачі приблизно на 0,8% на кожен 10С підвищення температури. Крім того, люмінесцентні лампи нормально працюють лише в сухих приміщеннях, у яких вологість не перевершує 60 65 %. З підвищенням вологості погіршується запалення лампи і зменшується її світловіддача.

Світловий потік ламп розжарення від температури оточуючого середовища практично не залежить, зате на термін її служби дуже впливає значення напруги мережі. Збільшення напруги живлення на 1 % від номінального спричиняє зменшення терміну служби на 13 %. Досліди показали, що за тривалого збільшення напруги на 20 % термін служби ламп розжарення скорочується більше, ніж у 10 разів, в той час, як для люмінесцентних ламп – лише вдвічі.

Світловіддача, спектр (колір випромінювання) і пульсації світлового потоку люмінесцентних ламп залежать від складу люмінофору. Найбільшу світловіддачу, найменші пульсації і найнижчу вартість з хорошим спектром світла мають лампи типу ЛБ (білого світла).

Не можна рекомендувати для внутрішнього освітлення газорозрядні лампи високого тиску (ДРЛ та їм подібні), тому що їм властива низька якість передачі кольорів, дуже великі пульсації світлового потоку, тривалий час розпалювання (5 7 хвилин), а у випадку раптової перерви живлення лампи гаснуть і для повторного розпалювання їм потрібно ще 5 6 хвилин для остигання, тобто перерва в освітленні становитиме біля

використовуються для загального рівномірного освітлення в приміщеннях, може бути оцінена коефіцієнтом використання освітлювальної установки

ηоу:

зоу Фр.п.ФлУ ,

де Фр.п. – світловий потік, що потрапляє на робочу поверхню; ФлΣ – сумарний світловий потік усіх ламп, які заінстальовано у цій освітлювальній установці.

В загальному коефіцієнт використання освітлювальної установки враховує участь приміщення в розподілі світлового потоку, розташування світильників і світлову ефективність застосування світильників:

зоу з пр зсв ,

66

де пр Фр.п Фсв – коефіцієнт використання світлового потоку в

приміщенні для заданого способу розташування вибраних типів світильників; Фсв– сумарний світловий потік світильників у приміщенні;

св Фсв Фл – світловий коефіцієнт корисної дії світильника.

Для підвищення коефіцієнта використання освітлювальної установки поверхні приміщень слід фарбувати в світлі тони і застосовувати високоефективні світильники.

Освітлювальні устави споживають істотну частку виробленої електроенергії (табл. 3.3)

За деякими даними у 2009 році Великобританія відмовиться від традиційних ламп розжарення, оскільки вони споживають на 70-80% енергії більше, ніж енергозберігаючі (люмінесцентні лампи з високочастотним перетворювачем). Австралія планує повністю відмовитися від жарівок до 2010 року і перейти на економні люмінесцентні лампи.

Електричне освітлення може викликати певні проблеми, які пов‘язані із застосуванням високоекономічних розрядних ламп замість ламп розжарення. Параметри цих ламп нелінійні і чутливі до короткочасної (навіть на долі секунди) перерви електропостачання.

комутаційними перенапругами і тривалими надструмами. Незважаючи на те, що доля електричного освітлення в промисловому електропостачанні мала, розв‘язання викликаних ним проблем вимагає певної уваги.

67

Таблиця 3.4

Парк світильників в Україні (млн..штук)

Таблиця 3.5

Парк світильників з різними джерелами світла в Україні і за кордоном, (%)

Останнім часом інтенсивно розробляється енергоефективна технологія освітлення з використанням світлодіодів. Розроблене компактне джерело світла зі світловим потоком понад 1000 люменів (Лм), що за яскравістю перевищує галогенну лампу потужністю 50 Вт. До складу світлодіода з наведеними параметрами входять шість мікросхем площею 1 мм2, які розташовані максимально близько одна від одної. Цим розташуванням пояснюється висока яскравість світла. Одного такого світлодіода достатньо для отримання на письмовому столі освітлення у 500 люкс з двометрової висоти. Світловіддача таких приладів – світлодіодів становить 75 лк/Вт..

68

Таблиця 3.6

Економія електроенергії з використанням різних джерел світла, (%)

3.4. Використання електроенергії у побутових електроприймачах

Серед приладів побутового призначення можна виділити електромеханічні, нагрівні та прилади для охолодження й зберігання продуктів.

Уелектромеханічних побутових приладах застосовують переважно колекторні та безколекторні двигуни змінного струму.

З колекторних двигунів найпоширеніші двигуни з послідовним збудженням. Вони мають великий пусковий момент, пропорційний квадрату струму, широкий діапазон регулювання частоти обертання вала, зручне регулювання частоти обертання тощо. Вони застосовуються у пилососах, електродрилях, підлогонатирачах, кухонних комбайнах та інш.

Безколекторні, до яких відносять однофазні та трифазні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором застосовують у пральних машинах, холодильниках, тобто там, де немає потреби мати велику кількість обертів та регулювати частоту обертання.

Унагрівних електроприладах основною енергоспоживальною частиною є нагрівачі, які виконують з високоомних провідникових матеріалів. Виділене тепло використовують для приготування їжі, обігріву приміщень, прасування білизни тощо. Часто основний виробничий простір приладу теплоізолюють для зменшення втрат тепла (наприклад у духовках).

Прилади для охолодження і тривалого зберігання продуктів – холодильники та морозильні камери використовують електромеханічний привід компресора, що здійснює циркуляцію холодоагента. Здатність здійснювати охолодження будується на термодинамічних властивостях рідин і газів.

3.4.1.Характеристики електропобутових приладів

Упобуті приймачі електричної енергії використовують для приготування їжі, зберігання харчових продуктів при низькій температурі,

69

прання та прасування білизни, прибирання приміщень, створення мікроклімату, для особистої гігієни, обігрівання приміщень тощо. Електроприймачами також є радіо- і телеапаратура, комп’ютери та інш. Середні технічні характеристики основних побутових електроприймачів наведені у табл. 3.7.

Електроприлади за енергетичною ефективністю розділені на сім груп від А (максимальна ефективність), через B, C, D, E, F до G (мінімальна ефективність). Сьогодні багато електроприладів характеризуються не установленою потужністю, а електроспоживанням кВт·год за годину. Наприклад, прально-сушильний автомат Bosch WVT 1260 EU споживає електроенергії 0,95 кВт·год/год; електричний водонагрівач заводу “Elektromet” типу WJ 10 потужністю 1,5 кВт споживає у середньому 0,5 кВт·год за годину; холодильник/морозильник “Атлант” енергоефективністю класу В споживає 438 кВт·год за рік, або за неперервної роботи протягом року – 1,2 кВт·год за добу.

70