Наиболее перспективными и, в последнее время, доступными являются лампы КЛЛ, у которых при использовании ЭПРА потери мощности достигают от 8 до 12% (при ЭМПРА – до 30÷40%). Высокое качество цветопередачи КЛЛ (Ra = 82÷85) обусловлено применением в них трехкомпонентных люминофоров, которые могут обеспечивать оттенки цвета излучения: дневной белый, белый и тепло - белый. Высокая надежность ЭПРА сделала КЛЛ практически «безразличными» к числу включений. Например, КЛЛ серии Dulux EL допускает около 0,5 млн. включений без ущерба для срока службы. КЛЛ значительно более критичны к температуре окружающего воздуха, чем обычные линейные ЛЛ. Однако тепловой режим светильников при прямой замене в них ЛН на КЛЛ резко улучшается, так как температура в их критических точках в 3 ÷ 4 раза ниже, чем в аналогичных точках ЛН, сопоставимых по световому потоку.

Специалисты фирмы Osram обращают особое внимание на уточнение понятия коэффициента мощности высокочастотной (ВЧ) цепи «лампа - ПРА» применительно к КЛЛ со встроенным ЭПРА. Используемый в теоретической электротехнике термин «коэффициент мощности» (cos) характеризует сдвиг фаз между сетевым током и напряжением и справедлив, строго говоря, только для основной синусоидальной составляющей при частоте 50 Гц. Фазовый сдвиг между высшими гармониками, возникающими из-за несинусоидальной формы  при этом не учитывается. Истинный коэффициент мощности ВЧ цепи «КЛЛ – встроенный ЭПРА» определяется как , где - активная мощность, потребляемая лампой вместе с ЭПРА; - эффективные значения тока и напряжения. У КЛЛ серии Dulux EL и других подобных ламп, как правило, не превышает 0,5, что является результатом искаженного по форме (несинусоидального) тока сети, содержащего ВЧ гармонические составляющие. Таким образом, для КЛЛ со встроенным ПРА коэффициент мощности не может определятся только сдвигом фаз (cos), как в случае компоненты частотой 50 Гц. По этой причине традиционный для схем включения ЛЛ метод компенсации коэффициента мощности с помощью конденсатора в рассматриваемом случае непригоден.

Потребление электроэнергии КЛЛ со встроенным ЭПРА составляет только 20% от сравнимой по световому потоку ЛЛ. Расход электроэнергии при работе КЛЛ не зависит от коэффициента мощности схемы и определяется только активной мощностью, фиксируемой обычным электросчетчиком. По сравнению с ЛН фактическое потребление тока у КЛЛ из-за невысокого коэффициента мощности ≈ 0,5 снижается не до 20, а до 40%. Но, и это обуславливает, соответственно, снижение потерь в линии между источником питания и потребителем, и дает дополнительную экономию.

Весьма перспективным направлением миниатюризации КЛЛ, предназначенных для прямой замены ЛН, является разработка так называемых спиральных ламп. Форма разрядной трубки в виде геликоида с тем или иным числом витков позволяет образовывать компактное и осесимметричное светящееся тело, уменьшить полную длину КЛЛ, свести к минимуму потери светового потока, за счет снижения взаимной экранировки отдельных участков трубки. По форме светящегося тела спиральные КЛЛ максимально приближаются к светораспределению ЛН, что повышает эффективность работы зеркальных отражателей светильников.

Как известно, вредное воздействие на окружающую среду при производстве электроэнергии (ЭЭ) на тепловых электростанциях (ТЭС) в наибольшей степени связано с выбросами двуокиси углерода (). В среднем выработка каждого кВт×ч ЭЭ на ТЭС, работающей на каменном угле, приводит к эмиссии 1 кг  и, в итоге, к образованию «парникового эффекта» на Земле. Применение КЛЛ с ЭПРА и высоким коэффициентом мощности может примерно на 50% снизить мощность питающих электрогенераторов и эмиссию в атмосферу.

Оценим среднюю экономию для России от замены одной ЛН мощностью = 100 Вт (криптоновая, со световым потоком 1500 лм и средним сроком службы 1000 ч) на эквивалентную ей по световому потоку КЛЛ мощностью = 23Вт с ЭПРА, со средним сроком службы 10000 часов и цоколем Е27, при среднем их времени суммарной работы 1000 ч/год, т. е. за 10 лет – = 10000 ч. Розничная цена Ц за одну штуку: для ЛН – Ц = 5 руб, для КЛЛ с ЭПРА – (250 ÷ 450) руб. (средняя цена на лампы фирм Osram, Philips, GE-Lighting). Тариф на электроэнергию =0,85 руб/кВт×ч (по данным Челябэнерго за 2003 год). Стоимость электроэнергии затраченная за время работы : для ЛН - = 0,1×10000×0,85 = 850 руб.; для КЛЛ - = 0,023×10000×0,85 = 196 руб. Стоимость ламп, заменяемых за время работы : для ЛН -= 10×5 = 50 руб; для КЛЛ - = (250÷450) руб. Суммарные затраты за время работы : для ЛН - = 850 + 50 = 900 руб; для КЛЛ -= 196 + (250÷450) = (446÷646) руб. Экономия = 900 - (446÷646) = (254 ÷ 454) руб. Видно, что срок окупаемости затрат на приобретение одной КЛЛ мощностью 20÷23 Вт ценной примерно 15 долл. США, за счет 80% - ной экономии энергии и 10 – кратного срока службы составит для России (с учетом постоянно растущих тарифов на ЭЭ) – не менее 5 лет (без учета затрат на обслуживание).

Прогнозный расчет показывает, что если в каждой из 145 млн. квартир России 3 штуки обычных ЛН по 60 Вт заменить тремя КЛЛ по 11 Вт с ЭПРА, то при средней ежесуточной наработке 4 часа можно было бы получить годовую экономию ЭЭ, эквивалентную 10 тепловых ТЭС мощностью 600 МВт каждая.

Необходимо учитывать, что на светотехническом рынке КЛЛ действуют производители (прежде всего из Китая и Юго-Восточной Азии), которые производят очень дешевые лампы (около 2 долларов) низкого качества, практически ни по одному из параметров, не удовлетворяющих международным нормам и стандартам и созданных с очевидным нарушением патентных прав и авторских приоритетов. Чем больше новых производителей КЛЛ будет проникать на рынок, тем труднее будет массовым потребителям отличать лампы высокого качества, от низкокачественных. Необходимо отдавать предпочтение лампам от ведущих мировых фирм – Osrum, Philips Lighting и других. Можно констатировать, что цены на КЛЛ, минимум в 20 раз превышающие стоимость ЛН, сегодня явно не по карману «среднему» гражданину России.

4. Особенности работы и включения газоразрядных ламп в сеть

Для газоразрядных ламп (ГРЛ) важным вопросом экономного расходования электроэнергии является усовершенствование схем и применяемых конструкций пускорегулирующих аппаратов (ПРА). Технические и экономические параметры ГРЛ существенно зависят от параметров ПРА, без которых не могут работать практически все газоразрядные лампы. Разрядный источник света и ПРА образуют единый комплект, элементы которого находятся в неразрывной взаимосвязи. От параметров ПРА зависят: световая отдача комплекта ГРЛ - ПРА, срок службы лампы, габаритные размеры и стоимость светильника, общие затраты на осветительную установку. Традиционные массовые электромагнитные ПРА (ЭМПРА) рассеивают в виде тепла до 40% номинальной мощности ЛЛ и до 10÷25% электрической энергии, потребляемой лампой типа ДРЛ. При традиционно используемых соотношениях электрических параметров разрядных источников света и питающей сети, параметры ЭМПРА близки к предельно возможным. В общем смысле ПРА – это изделие, с помощью которого осуществляется питание ГРЛ от сети, обеспечивающее необходимые режимы зажигания, разгорания и работы лампы. При этом ПРА должно обеспечивать: зажигания лампы, т.е. пробой межэлектродного промежутка; разгорание лампы, т.е. процесс установления рабочих параметров лампы после ее зажигания; устойчивость режима работы лампы в контуре, заключающуюся в способности контура автоматически восстанавливать исходное значение тока при его флюктуационных изменениях. Необходимо учитывать, что устойчивый режим работы от источника напряжения, без токоограничивающих элементов – балластов, принципиально невозможен для разрядных ламп, имеющих падающие вольт-амперные характеристики (ВАХ). Кроме основных функций ПРА может подавлять радиопомехи, создаваемые лампой, снижать пульсации ее светового потока, обеспечивать высокий коэффициент мощности схемы. Дополнительно ПРА должны обладать минимальными собственными потерями и надежностью.

ПРА классифицируются на:

1) электромагнитные с реактивными и активными токоограничивающими элементами (балластами) и их комбинациями, причем в основном контуре этих ПРА находятся только токоограничивающие элементы (индуктивный, индуктивно-емкостный и другие);

2) резистивные – с балластными резисторами или нелинейными резисторами (например, вольфрамовая спираль лампы накаливания);

3) полупроводниковые – со стабилизацией тока лампы с помощью полупроводниковых элементов (нелинейный транзисторный ПРА, импульсный транзисторный ПРА или динамический балласт);

4) комбинированные ПРА – стабилизация тока лампы осуществляется с помощью как реактивных элементов, так и полупроводниковых приборов (с ВЧ-генератором, емкостно- или индуктивно-полупроводниковые, резонансные ПРА с преобразованием частоты).

Таким образом, устойчивая работа ГРЛ высокого давления в электрической цепи возможна только при наличии в схеме устройств, огранивающих величину тока в пределах, допустимых для ламп данного типа. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) таких ламп имеет слабо падающий или слабо возрастающий характер. Поэтому при безбаластном подключении ламп к источнику питания, имеющему очень малое сопротивление, каким и является обычная электрическая сеть, ток через лампу неограниченно возрастает, что приводит к практически мгновенному разрушению лампы. В качестве балласта используют включаемые последовательно с лампой активные, индуктивные или емкостные сопротивления (или их комбинации), а также электронные балласты.

На переменном токе сетевое напряжение изменяется по синусоидальному закону, проходя в течение каждого полупериода через нулевое значение. Поэтому ток лампы также изменяется по некоторой периодической кривой. На рис 8, а-в приведены осциллограммы мгновенных значений тока и напряжения на лампе, а также кривые мгновенных значений напряжения на балласте, для случаев последовательного включения с тремя видами балластов. Из кривых видно, что для расчета таких схем непригодны электротехнические методы, используемые для схем с линейными элементами.

При питании лампы постоянным током используют только активные балласты. Применение схем с активным балластом энергетически не выгодно и связано с большим дополнительным расходом мощности, так как в лучшем случае КПД схемы составляет (60-70)%, причем потери мощности возрастают по мере повышения требований к устойчивости работы лампы. Кроме того, при активном балласте на переменном токе наблюдается мерцание или погасание разряда при переходе тока через ноль (рис.8, а).

Главным преимуществом индуктивного балласта является малая величина потерь мощности на нем (составляющая 4-8% от величины реактивной мощности, потребляемой дросселем – Jл×UL). Потери в дросселе, пересчитанные по отношению к мощности лампы, составляют от 5 до 12%. Индуктивный балласт обладает достаточно высокими стабилизирующими свойствами за счет того, что напряжение на балласте  больше разности . Также, практически отсутствуют паузы тока, так как при изменении знака тока в момент, когда  0 и этого достаточно для мгновенного перезажигания дуги (рис. 8, б).

Рис.8. Осциллограммы тока лампы, напряжений на лампе и на балласте при работе ГРЛ на переменном токе (а-в) последовательно с: а – активным сопротивлением; б – дросселем; в - конденсатором; влияние характеристик индуктивно-емкостного балласта на ток лампы (г): ¾ - кривые, рассчитанные из уравнения (36); - - - экспериментальные кривые, полученные в процессе разгорания лампы ДРЛ 400; относительное изменение мощности лампы, при изменении напряжения сети на 10%, в функции отношения напряжения на лампе к напряжению сети, для лампы, работающей на переменном токе с индуктивно-емкостным балластом (д)

Применение емкостного балласта очень заманчиво в силу того, что такие балласты должны иметь малые габариты и характеризоваться практическим отсутствием активных потерь. Однако, при низкой частоте питающего напряжения, форма кривой тока имеет вид узкого пика (рис.8, в) амплитуда которого в несколько раз превосходит действующее значение тока. Это объясняется тем, что в момент изменения направления тока лампы емкость, напряжение на которой достаточно велико, практически накоротко разряжается через лампу. Резкие броски тока очень неблагоприятно сказываются на работе катодов и сокращают долговечность лампы. Кроме того, качество освещения с помощью ламп, включенных последовательно с емкостью, получается низким из-за больших темных пауз. Практически емкостный балласт комбинируют с последовательно включенным индуктивным и, при правильно подобранном соотношении С и L, удается сохранить в значительной мере положительные свойства чисто емкостного балласта и снизить амплитудные значения тока до величины, при которой срок службы лампы практически не отличается от срока службы в схеме с индуктивным балластом.

Используя метод гармонического анализа можно представить прямоугольное напряжение на лампе, которое аппроксимирует реальную кривую напряжения, в виде бесконечной суммы синусоид – ряда Фурье:

  (26)

Основная частота этого ряда совпадает с частотой изменения напряжения на лампе, а сумма мгновенных значений относительных ординат синусоид для любого момента времени  равна p/4, так, что Uл = uл. В уравнение, описывающее мгновенные значения сетевого напряжения uc необходимо ввести фазовый угол  определяющий угол сдвига гармоник, представляющих напряжение на лампе, относительно основной синусоиды сетевого напряжения:

.                      (27)

Причем, что мгновенные значения напряжения на балласте равны:

Реактивное сопротивление балласта зависит от частоты и определяется формулами:

 - для основной гармоники тока;        (28)

 - для n-ой гармоники тока.

Цепь, состоящая из последовательно включенных дросселя и конденсатора, характеризуется некоторой частотой , при которой наступает резонанс напряжения на этих элементах цепи:

.                           (29)

Если обозначить , то выражения Zб1 и Zбn могут быть переписаны в виде:

                        (30)

Используя формулы (26), (27) и (30), составим уравнение мгновенных значений тока, имея в виду что  и  сдвинуты по фазе на 90°, и получим:

.        (31)

Определим из (31) , исходя из условия, что iл=0 при uл=0, или то же самое, при . После проведения вычислений получаем:

.     (32)

Действующее значение основной гармоники тока определяется из (31) и (32) обычным интегрированием:

.       (33)

Для реальных схем, в которых используются балласты с 1<h<2, доля высших гармонических составляющих в токе лампы мала и можно без особых погрешностей считать, что . Соответственно, мощность лампы для рассматриваемого случая (синусоидальная форма кривой , прямоугольная форма кривой Uл) определяется из уравнения:

    (34)

Видно, что характеристики схемы с емкостно-индукционным балластом зависят от величины h и при некоторых ее значениях в поведении характеристик обнаруживаются особые эффекты. Если h = 1 наблюдается резонанс на основной частоте, и величина тока резко возрастает, причем при отсутствии активного сопротивления в последовательной цепи, величина  теоретически становится бесконечно большой. При 1<h<2 форма тока близка к синусоидальной и роль высших гармоник, учитываемая последним членом в формуле (31), мала. При h = 2 угол сдвига между Uc и Ul [см. формулу (32)] равен 90° и не зависит от их величины. Необходимо отметить, что формальный вывод, который делают некоторые разработчики ПРА, о том, что схема не потребляет мощности (когда полная нагрузка сети имеет чисто реактивный характер), является ошибочным. Фактически угол сдвига между Uc и основной гармоникой тока, которая и определяет величину Pл, меньше 90°. При h > 2 наблюдаются резонансные явления, причем каждый раз, когда h принимает целое значение, совпадающее с n. При некоторых значениях h, зависящих от Uл/Uс, величина  становится мнимой. Очевидно, эти варианты схем не имеют практического значения.

Одной из важных особенностей реальной схемы с индуктивно-емкостным балластом, в которой соотношение между L и С соответствует 1< h < 2, является слабая зависимость величины тока от напряжения на лампе. Наиболее просто можно оценить эту зависимость, сравнивая  в реальной схеме с током , устанавливающимся в цепи при закороченной лампе. При этом величина  может быть определена из формулы (33), если полагать, что Uл = 0:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9