VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В настоящее время во всем мире огромное значение уделяется экономии электроэнергии в осветительных и облучательных установках. Основные пути в этом направлении следующие:

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

1. Беззубцева М.М. Электротехнологии и электротехнологические установки в АПК – СПб, СПбГАУ, 2012. – с.2

2. Гулин С.В. Энергетическая эффективность спектральных параметров облучательных установок селекционных климатических сооружений// Известия МААО, №18 – 2013 – с.8-11.

3. 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.

4. Краснопольский А.Е., Соколов В.Б., Троицкий A.M. Пускорегулирующиеаппараты для разрядных ламп. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 208 с.

Код для цитирования: Скопировать