Главная » Литература » Электротехника » Ефимкина - Светильники с газоразрядными лампами высокого давления (1984)
Ефимкина - Светильники с газоразрядными лампами высокого давления (1984)
ВВЕДЕНИЕ
Широкое использование газоразрядных ламп высокого давления (ГЛВД) в разработанных для них светильниках объясняется высокой световой отдачей этих ламп, продолжительным сроком службы и большой единичной мощностью.
За годы 10-й пятилетки выпуск газоразрядных ламп возрос в 1,3 раза [2], в том числе ГЛВД — в 1,7 раз. Повысился их технический уровень. Новые металлогалогенные лампы мощностью от 250 до 1000 Вт имеют световой поток от 19 до 103 клм и срок службы 9—10 тыс. ч. Натриевые лампы высокого давления мощностью 400 Вт обладают световой отдачей 117—125 лм/Вт. В результате расширенного применения газоразрядных источников света в народном хозяйстве и совершенствования их параметров доля светового потока, излучаемого этими лампами, за пятилетку возросла с 52 до 63%. Благодаря этому достигнута экономия электроэнергии в размере около 88 млрд. кВт-ч. Народнохозяйственный эффект от внедрения новых высокоэффективных ламп составил за 5 лет свыше 1,3 млрд. руб. [2].
Выпуск светильников с ГЛВД вырос в 1,3 раза 13]. В настоящее время серийно производится свыше 25 серий светильников с ГЛВД, из которых около 75% — с дуговыми ртутными лампами (ДРЛ). Светильники с ГЛВД выпускают ПО «Ватра», СПО «Светотехника», ПО «Электролуч» и вскоре будет выпускать ПО Армэлектросвет. Светильники для наружного освещения в основном производит Лихославльский завод «Светотехника» и будет производить ПО Армэлектросвет.
Для освещения производственных помещений применяют, как правило, светильники с лампами ДРЛ и металлогалогенными лампами, а в освещении улиц наибольший экономический эффект достигается при использовании натриевых ламп высокого давления. В 11-й пятилетке намечен значительный рост выпуска газоразрядных ламп, светильников, пускорегулирующих, импульсных зажигающих и электроустановочных устройств. Расширится номенклатура ГЛВД, будут разработаны и внедрены лампы мощностью от 50 до 175 Вт, двух- цокольные софитные лампы и др. Расширятся области применения ГЛВД в светильниках местного освещения, в плоских световодах, светильниках для тяжелых условий среды и взрывоопасных зон. В светильниках будут широко использованы новые светотехнические схемы с цилиндрическими и фацетными зеркальными отражателями, с применением призматических преломлятелей и рассеивателей. Главной задачей конструкторов и технологов является повышение эффективности светильников при снижении материалоемкости и трудоемкости их изготовления с целью уменьшить годовые затраты и расход электроэнергии в осветительных установках.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И НОМЕНКЛАТУРА ЛАМП
Газоразрядными лампами называют источники света, в основе работы которых лежит явление излучения инертных газов или паров металлов при прохождении через них электрического тока. Процесс преобразования энергии в электрическом разряде высокоэффективен. Например, световой КПД современной газоразрядной металлогалогенной лампы достигает 26% по сравнению с 3% у лампы накаливания, а световые их отдачи отличаются в 6 раз. Спектр излучения разряда зависит от характера металлов или их соединений, помещенных в разрядную трубку источника света, а также от рода и давления газа в трубке. Спектр может быть непрерывным, линейчатым или полосатым [4]. Непрерывным спектром обладают инертные газы, например ксенон. Однако эффективность и срок службы источников света с преимущественным излучением инертных газов сравнительно невысоки. Трубчатые ксеноновые лампы большой мощности (до 20 кВт) еще применяются для освещения открытых пространств (железнодорожные станции, порты, карьеры рудников), но постепенно вытесняются более эффективными ГЛВД, использующими излучение паров металлов [5, 6J. Именно об этих лампах и светильниках с ними будет идти речь в книге.
Вольт-амперная характеристика электрического разряда. Источником оптического излучения в газоразрядных лампах является электрический разряд в газе или парах металлов, представляющийся частью электрической цепи, в которую включена лампа. Как любой элемент электрической цепи, газовый разряд может характеризоваться статической вольт-амперной характеристикой, каждая точка которой соответствует установившемуся во времени режиму для данных условий (рис. 1). Рабочим участком для газоразрядных ламп является область дугового разряда — участок ДЕ. На вольт-амперной характеристике ему предшествует переходный участок ГД, который характеризуется значительным нагревом катода от ударов положительных ионов газа. При этом начинается термоэлектронная эмиссия с катода. Сопротивление разрядного промежутка уменьшается из-за роста термоэлектронной эмиссии и ионизации газа, и разряд переходит в дуговой, характеризующийся интенсивным свечением ионизированного газа — плазмы. При этом электрическое сопротивление дуги уменьшается быстрее, чем возрастает ток. Вследствие этого с увеличением тока напряжение на разрядном промежутке убывает (дуга имеет спадающую» вольтамперную характеристику). Это означает, что при включении газоразрядной лампы непосредственно в сеть ток через нее неограниченно возрастает, и лампа выходит из строя; в ГЛВД при этом обычно разрушаются токоподводы внутри колбы или вводы в разрядную трубку. Поэтому для нормальной работы газоразрядная лампа должна включаться в сеть последовательно с балластным сопротивлением. Работа газоразрядных ламп на переменном токе. При включении газоразрядной лампы в сеть переменного тока ее электроды поочередно работают в режиме анода и катода, а ток в лампе изменяет свое направление в каждый полупериод. При этом происходят погасание и перезажигание разряда, которые иногда сопровождаются паузами тока, приводящими к остыванию электродов и распылению их в катодный полупериод.
В качестве балластных сопротивлений могут использоваться активные, индуктивные или емкостные сопротивления, включаемые последовательно с лампой. Активный балласт практически не применяется. Это объясняется тем, что в этом случае устойчивая работа лампы возможна лишь со значительными потерями в нем, превышающими 50 %. Кроме того, практическое отсутствие сдвига между фазами напряжения сети и тока через лампу отрицательно сказывается на ее перезажигании, так как имеют место паузы тока (рис. 2,а). Это вызывает повышенные пульсации излучения лампы и ухудшает режим работы электродов, что сокращает срок службы лампы.
Наиболее распространенный тип балласта — индуктивный. Он обеспечивает благоприятный сдвиг фаз между напряжением сети и током. В момент начала паузы тока к лампе оказывается приложенным почти амплитудное значение напряжения сети, которое немедленно перезажигает лампу (рис. 2,6). Это улучшает режим работы электродов и уменьшает пульсации излучения. Другим преимуществом индуктивного балласта являются малые активные потерн мощности. Обычно они не превышают 10% мощности лампы. К недостаткам таких балластов следует отнести их сравнительно большие массу и размеры, сложность изготовления, а также невысокий коэффициент мощности, который можно, однако, повысить почти до единицы, подключив к балласту конденсатор, компенсирующий реактивную мощность. Емкостный балласт, как и активный, в сетях промышленной частоты практически не применяется. Из рис. 2,в видно, что сдвиг по фазе о — активным; б — индуктивным; в — емкостным между напряжением сети и током оказывается в этом случае еще менее благоприятным, чем у активного балласта. Однако последовательное присоединение к емкостному балласту индуктивного при сохранении результирующего емкостного характера балласта значительно улучшает параметры: форма кривой тока приближается к синусоидальной, а форма напряжения на лампе — к прямоугольной. Такие балласты можно применять попарно с индуктивными для взаимной компенсации реактивной мощности в осветительной установке.
Пульсации излучения. Излучение газоразрядных ламп пульсирует с удвоенной частотой питающего напряжения, причем глубина пульсаций оказывается значительно выше, чем у ламп накаливания. Цветовые характеристики источников света. Характеристики излучения источника света в полной мере определяются его спектром — функцией спектральной плотности потока для непрерывной части спектра или потоком излучения, приходящимся на каждую спектральную линию,— для линейчатого спектра. Однако может оказаться, что излучения, совершенно не похожие по характеру спектра в видимой области, будут визуально казаться абсолютно тождественными как количественно, так и качественно. Принято считать, что такие излучения имеют одинаковый цвет. Система обозначения и измерения цвета — колориметрия основана на факте наличия в глазе человека трех видов светочувствительных приемников, различающихся спектральными свойствами. Впервые это предположение высказал М. В. Ломоносов, а позднее в трудах Т. Юнга и Г. Гельмгольца была детально разработана трехцветная теория цветового зрения. Многочисленные эксперименты подтвердили эту теорию, что позволило представить многообразие цветов в виде трехмерного пространства, т. е. выразить любой цвет как линейную комбинацию трех цветов, принятых за основные.
В