Використання електроенергії для освітлення

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.

Рис. 3.10. Схема увімкнення люмінесцентної лампи	Рис. 3.11. Безстартерна схема пуску лампи

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 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.

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

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 “відчуває” люмінесцентна лампа зниження температури – за температури

0 ⁰С світловий потік лампи зменшується в десять разів. Підвищення температури понад 30 ⁰С спричиняє зменшення світловіддачі приблизно на 0,8 % на кожен 1 ⁰С 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 10 хвилин.

Комплексна ефективність освітлювальних установок, що використовуються для загального рівномірного освітлення в приміщеннях, може бути оцінена коефіцієнтом використання освітлювальної установки η_оу:

,

де Ф_р.п. – світловий потік, що потрапляє на робочу поверхню; Ф_лΣ – 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:

,

де – коефіцієнт використання світлового потоку в приміщенні для заданого способу розташування вибраних типів світильників; – сумарний світловий потік світильників у приміщенні; – 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. Запалювання ламп високого тиску після глибокого відхилення напруги живлення триває як мінімум декілька хвилин і супроводжується комутаційними перенапругами і тривалими надструмами. Незважаючи на те, що доля електричного освітлення в промисловому електропостачанні мала, розв‘язання викликаних ним проблем вимагає певної уваги.

Таблиця 3.3

Частка електроенергії, що витрачається в освітлювальних
уставах різних країн світу

Таблиця 3.4

Парк світильників в Україні (млн..штук)

Таблиця 3.5

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