1. Замена традиционных источников света, таких как лампы накаливания, галогенные лампы, на лампы – с более высокой светоотдачей (люминесцентные, ртутные, натриевые высокого давления).
2. Замена традиционных электромагнитных пускорегулирующих аппаратов (ПРА) на современные – электронные пусковые регулирующие аппараты (ЭПРА).
3. Применение средств автоматического управления осветительными и облучательными установками.
4. Своевременное проведение мероприятий по техническому обслуживанию осветительных и облучательных установок и т.д.
Технические и экономические параметры разрядных ламп, светильников, облучателей, осветительных и облучательных установок существенно зависят от параметров ПРА, без которых не могут работать практически все разрядные лампы. Разрядный источник света и ПРА образуют единый комплект, элементы которого находятся в неразрывной взаимосвязи. Так, от параметров ПРА зависят световая отдача комплекта «лампа – ПРА», срок службы лампы, габаритные размеры и стоимость светильника, затраты на облучательную установку [4].
Традиционно для электропитания ламп используются системы, работающие от сети переменного тока 50-60 Гц и состоящие из токоограничивающего реактора, последовательно включенного с лампой, и устройства для зажигания разряда. К достоинствам таких систем следует отнести низкую стоимость и достаточно высокую надежность самого электромагнитного балласта. Основные проблемы, связанные с электромагнитными балластами: мерцание от сети 50 Гц; нестабильность мощности и светового потока лампы при колебаниях напряжения сети; низкий коэффициент мощности, необходимость применения емкостного компенсатора; большие масса и габариты всей системы электропитания, трудности в управлении радиационным режимом в теплице.
Растущий интерес к возможности использования ЭПРА, или электронных балластов, для питания газоразрядных ламп высокого давления, (ГЛВД) вызвано рядом причин,
Первая из них - рациональное управление в рабочем и аномальном режимах.
Дело в том, что ГЛВД очень критичны к перегрузке по мощности, а традиционные электромагнитные балласты не в состоянии обеспечить стабилизацию мощности на заданном уровне при изменении условий эксплуатации лампы (например, при повышенном напряжении сети), а также изменении ее характеристик в процессе старения. По данным исследований [1,2], при повышенном напряжении сети (242 В) срок службы сокращается в среднем в 2-3 раза. Требуется более частая замена ламп, что приводит к дополнительным затратам.
Второй причиной является возможность управления мощностью лампы (энергетическим потоком) в зависимости от времени суток и изменяемых условий облученности, например, в тепличных хозяйствах. Это потенциально дает значительную экономию электроэнергии. Решение этой проблемы в светильниках с электромагнитными ПРА (ЭмПРА) затруднительно. Использование ЭПРА позволяет осуществлять управление светом без дополнительных усложнений питающей сети. Экономия электроэнергии за счет более высокого КПД ЭПРА и возможности управления светом может достигать 40% по сравнению с питанием от электромагнитного ПРА [4].
Поэтому использование ЭПРА вызывает повышенный интерес в сельском хозяйстве и многих других отраслях народного хозяйства.
Сравнительные характеристики двух типов ПРА приведены в таблице 1.
Таблица 1. Сравнительные характеристики основных типов ПРА
Тип |
Пусковые токи |
Коэффициент мощности |
Стабилизация мощности на лампе при колебании напряжения сети |
Возможность управления световым потоком |
Вес, кг |
Электромагнитный ПРА |
1.4 * 1ном |
0,85 |
плохо |
нет |
10 |
Электронный ПРА |
0.7 * 1ном |
0,96 |
хорошо |
есть |
~ 3.5 |
К преимуществам ЭПРА можно отнести: отсутствие пусковых токов, высокий коэффициент мощности, хорошая стабилизация мощности лампы при колебаниях напряжения сети, возможность регулировки светового потока, малый вес. В результате, применение ЭПРА является весьма перспективным и позволяет повысить эффективность тепличных облучательных установок на 20^30 %. Основными причинами, сдерживающими более быстрое внедрение ЭПРА, является их недостаточная надежность и более высокая цена.
Экономичность облучательной установки необходимо рассматривать с учетом характеристик пускорегулирующей аппаратуры (ПРА). Активные потери в стандартных электромагнитных ПРА могут достигать 25% мощности, потребляемой ОУ, потери в электронных высокочастотных ПРА (ЭПРА) не превышают 10% [2].
Стандартные электромагнитные ПРА экономически целесообразно использовать в относительно недорогих светильниках в ОУ с малым временем эксплуатации в течение года. В ОУ с годовой наработкой более 2000ч., укомплектованных относительно дорогими светильниками, преимущественно с зеркальными оптическими элементами, экономически целесообразно использовать электромагнитные ПРА с пониженными потерями и ЭПРА. Применение ЭПРА эффективно в ОУ с системами автоматического управления освещением.
Для зажигания разрядных ламп необходим импульс напряжения порядка нескольких сотен вольт, а для стабилизации процесса горения требуется ограничение рабочего тока лампы до нескольких сотен миллиампер. Обе функции в обычных ПРА выполняет индуктивное сопротивление (дроссель) в комплекте с зажигающим устройством (ИЗУ).
Рис.1 Схема включения ГЛВД с электромагнитным индуктивным балластом: ЕL – лампа; LL – дроссель; ИЗУ – импульсное зажигающее устройство
ЭПРА зажигает лампу быстро и «без миганий»; потери в электронных ПРА более чем в 2 раза ниже, чем у обычных дросселей в электромагнитных ПРА. Электронный ПРА включает несколько функциональных блоков, показанных на рисунке 2.
Сетевое напряжение 220 В частотой 50 Гц преобразуется выпрямителем 1 со сглаживающим конденсатором в постоянное напряжение - 325 В. Высокочастотный генератор на двух транзисторах 2 преобразует это постоянное напряжение в переменное (с прямоугольной формой кривой) частотой выше 40 кГц. Напряжение с выхода преобразователя через усилитель мощности 3 подается на лампу 4, включенную, как и в стандартных стартерно-дроссельных схемах, через дроссель 5. Однако, благодаря тому, что схема работает на высокой частоте, индуктивность дросселя и его габариты очень малы по сравнению с обычным ПРА. Вместо стартера параллельно лампе обычно включается конденсатор 6. Дроссель 5 и конденсатор 6 образуют последовательный резонансный контур.
Электронный блок управления 7 выполняет несколько функций: стабилизирует ток лампы при колебаниях сетевого напряжения; корректирует коэффициент мощности; обеспечивает регулирование светового и фитопотока ламп за счет изменения частоты напряжения преобразователя 2.
Рис. 2. Структурная схема ЭПРА: 1 – выпрямитель; 2 – инвертор; 3 – усилитель мощности; 4 – лампа; 5 – дроссель; 6 – конденсатор; 7 – блок управления.
Для достижения процесса зажигания лампы, как упоминалось выше, к ней должно быть приложено достаточно высокое напряжение, а для обеспечения приемлемого полезного срока службы электроды лампы перед зажиганием разряда должны быть прогреты до температуры электронной эмиссии. В высокочастотном режиме работы схемы ПРА указанные условия зажигания обеспечивает резонансная цепь, последовательно включенная с электродами. Колебательный режим этого контура регламентируется так называемым «холодным» проводником. Помехозащитный низкочастотный фильтр на входе схемы препятствует обратному воздействию генератора высокой частоты на сеть (проникновению в сетевые провода высших гармоник тока). Благодаря встроенному электронному ПРА лампы могут включаться во все сети со стандартными значениями частот (50/60 Гц) и колебания частоты на работе лампы не сказываются; возможно также питание ламп постоянным напряжением.
Таблица 2. Работа ЭПРА для лампы ДНаТ-250 в различных режимах
Режим полной мощности |
|||||||
Напряжение сети U, В |
Потребляемая мощность PK, Вт |
Напряжение на лампе UH, В |
Ток лампы IH, А |
Потребляемый ток IC, А |
КПД |
Коэффициент мощности |
|
220 |
272 |
102 |
2,55 |
1,27 |
0,96 |
0,98 |
|
250 |
266 |
102 |
2,55 |
1,1 |
0,97 |
0,97 |
|
190 |
279 |
102 |
2,55 |
1,5 |
0,93 |
0,98 |
|
Режим пониженной мощности |
|||||||
220 |
109 |
71,5 |
1,41 |
0,52 |
0,93 |
0,96 |
Экономичность ЭПРА определяется уменьшенным энергопотреблением при сохранении светового потока за счет уменьшения на 50-55% потерь по сравнению с электромагнитным ПРА, дополнительным энергосбережением благодаря возможности управления световым потоком лампы (переход на пониженную мощность), уменьшенными эксплуатационными расходами за счет повышения срока службы ламп. Как видно, из представленных в таблице 2 данных, коэффициент мощности имеет высокое значение при всех возможных режимах в диапазоне изменения напряжения 220В ± 15% .
В настоящее время разработана и изготавливается целая гамма ЭПРА. Отечественные ЭПРА не только не уступают импортным аналогам, но и имеют ряд преимуществ, решающим среди которых, несомненно, являются их значительно более низкая стоимость, а также адаптация под наши светильники - конструктивно ЭПРА сделан в типоразмере дросселя, что позволяет легко произвести замену дросселя на ЭПРА.
Одна из последних отечественных разработок - ЭПРА для натриевых ламп высокого давления (или ДРЛ) большой мощности 250 Вт, 400 Вт. Данный ЭПРА не имеет аналогов в мире. К его особенностям относится:
высокий коэффициент использования мощности;
стабилизация постоянной мощности на лампе в диапазоне напряжений от 189 В до 280 В;
отсутствие мерцания;
увеличение срока службы ламп;
экономия электроэнергии.
Таким образом, использование ЭПРА позволяет осуществлять гибкое регулирование и стабилизацию режимов облучения растений в теплице без дополнительных усложнений питающей сети. Экономия электроэнергии за счет более высокого кпд ЭПРА и возможности управления может достигать 40% по сравнению с питанием от электромагнитного ПРА. Поэтому, использование ЭПРА вызывает повышенный интерес в сельском хозяйстве и многих других отраслях.
Литература
Беззубцева М.М. Электротехнологии и электротехнологические установки в АПК – СПб, СПбГАУ, 2012. – с.2
Гулин С.В. Энергетическая эффективность спектральных параметров облучательных установок селекционных климатических сооружений// Известия МААО, №18 – 2013 – с.8-11.
А.с. СССР №1598918, МПК А 01 G 9/24, G 05 F 1/44, А 01 G 9/26. Способ стабилизации светотехнических характеристик газоразрядных источников излучения и устройство для его осуществления / СВ. Гулин, В.Н. Карпов, В.П. Шарупич, О.В. Смехун, А.З. Саакян. Опубл. 15.10.90. Бюл. № 38.
Краснопольский А.Е., Соколов В.Б., Троицкий A.M. Пускорегулирующиеаппараты для разрядных ламп. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 208 с.