Экономичный источник света трансформаторного типа
Большие возможности по энергосбережению за счет экономии электрической энергии лежат в усовершенствовании наружного, бытового и производственного освещения, ибо в этой области затрачивается до 20% всей производимой в мире электроэнергии. Любые усовершенствования источников света, пуско регулирующей аппаратуры (ПРА), конструкции светильников, повышение коэффициента использования светового потока осветительной установки приводят к значительному экономическому эффекту. Особые сложности возникают с освещением крупных объектов и созданием мощных излучательных установок для фотохимических технологий.
Это, как правило, связано с низким ресурсом работы мощных ламп, поскольку все выпускаемые промышленностью газоразрядные излучатели имеют электроды, которые интенсивно разрушаются при высоких плотностях тока. Так, срок службы мощных газоразрядных ламп не превышает 1000 ч., при этом до 40 % подводимой мощности теряется в электродах. Одним из наиболее эффективных путей решения проблемы увеличения ресурса работы и эффективности газоразрядных источников света является переход к принципиально новым, безэлектродным технологиям генерации газового разряда, позволяющих значительно (в 10 раз и более) увеличить срок службы газоразрядных ламп. В этом случае, за счет отсутствия приэлектродных потерь, также увеличивается эффективность газоразрядных источников света.
В институте Теплофизики СО РАН на основе исследований низкочастотных (10 кГц) индукционных разрядов трансформаторного типа «были разработаны и созданы экспериментальные образцы индукционных безэлектродных газоразрядных ламп различной мощности — от 100 Вт до 100 кВт, выполнены экспериментальные исследования характеристик данных источников света.
рис. 1
Принцип работы данных ламп аналогичен принципу работы трансформатора. Газовый разряд представляет замкнутый тороидальный плазменный виток, охватывающий магнитопровод. Также на магнитопроводе изготовлена система первичных обмоток, на которые подается переменное напряжение от источника питания.Фактически, газовый разряд выполняет роль вторичной обмотки трансформатора (см.рис.1).
Отсутствие изнашивающихся узлов (электродов) позволяет снять ограничение на вкладываемую в лампу мощность и значительно увеличить срок службы газоразрядной лампы. Так, мощность экспериментального образца (рис. 2) достигает 100 кВт, а срок службы разрабатываемых ламп (определяемый только старением материала стенок колбы) превышает 30.000 часов.
рис. 2
Принцип работы данных ламп аналогичен принципу работы трансформатора. Газовый разряд представляет замкнутый тороидальный плазменный виток, охватывающий магнитопровод. Также на магнитопроводе изготовлена система первичных обмоток, на которые подается переменное напряжение от источника питания.Фактически, газовый разряд выполняет роль вторичной обмотки трансформатора (см.рис.1).
Отсутствие изнашивающихся узлов (электродов) позволяет снять ограничение на вкладываемую в лампу мощность и значительно увеличить срок службы газоразрядной лампы. Так, мощность экспериментального образца (рис. 2) достигает 100 кВт, а срок службы разрабатываемых ламп (определяемый только старением материала стенок колбы) превышает 30.000 часов.
рис. 3
Для сравнения: наиболее мощной из выпускаемых промышленностью ламп является ксеноновая лампа ДКсТВ 50000 мощностью ~50 кВт и сроком службы ~600 ч. (применяется в фотохимической промышленности). На рис.3 представлена индукционная лампа с ртутно-аргоновым наполнением. Мощность данной лампы составляет 200-400 Ватт, срок службы более 50.000 часов, что в 10 раз превышает срок службы дуговых ртутных ламп аналогичной мощности.
рис. 4
На рисyнке 4 представлен экспериментальный образец индукционной лампы с неоновым наполнением, мощностью до 500 Вт.
В настоящее время в ИТ СО РАН, совместно с Новосибирским электровакуумным заводом, ведутся научно- исследовательские и опытно-конструкторские работы, нацеленные на разработку индукционных ламп различных типов: люминисцентные лампы мощностью 100-200 Вт, натриевые лампы низкого давления мощностью 200-400 Вт, неоновые и ксеноновые газоразрядные лампы различной мощности, металлогалогенные лампы, лампы с парами металлов (цинк, кадмий). При этом особое внимание уделяется проблеме экологической безопасности разрабатываемых ламп — проблеме создания эффективных безртутных источников света. Так, разрабатываемые индукционные натриевые лампы низкого давления со световой отдачей 100-150 Лм/Вт в 2-3 раза эффективней «традиционных» ртутных ламп ДРЛ (светоотдача -50 Лм/Вт), при этом срок службы, благодаря безэлектродному принципу генерации разряда, увеличивается на порядок.Разрабатываемые индукционные газоразрядные источники света могут найти широкое применение в коммунальном хозяйстве и различных отраслях промышленности: освещение улиц и площадей городов, железнодорожных станций, буровых вышек, карьеров, применение в фотохимической промышленности, для обеззараживания воды и продуктов УФ излучением и т. д. Таким образом, сфера применения индукционных источников света очень широка. Фактически, данные источники света могут быть с успехом использованы в любой отрасли промышленности и коммунального хозяйства, применяющей газоразрядные источники света. Применение разрабатываемых индукционных ламп трансформаторного типа в коммунальном хозяйстве, благодаря большому сроку службы и высокой эффективности данных ламп, позволит существенным образом сократить расходы на освещение, замену и утилизацию отработанных ламп. Пример: Лампы ДРЛ-400, мощностью 400 ватт, применяемые в настоящее время для уличного освещения, имеют световой поток ~ 20000 люмен, срок эксплуатации ~1 года. Стоимость одной лампы ДРЛ-400 составляет ~150 руб., стоимость пускорегулирующей аппаратуры для лампы ДРЛ-400 составляет ~500 руб. Мощность натриевой индукционной лампы низкого давления с аналогичным световым потоком составит не более 200 ватт, срок эксплуатации ~7 лет. Стоимость одной индукционной натриевой лампы с ПРА составит не более 2000 руб. За один год эксплуатации одна натриевая индукционная лампа сэкономит электрической энергии на сумму ~700 руб. Таким образом, уже через три года эксплуатации натриевые индукционные лампы полностью окупятся за счет сэкономленной электроэнергии, а за весь срок эксплуатации экономический эффект (в пересчете на 1 светильник) составит ~4000 руб. В г. Новосибирске для уличного освещения применяется ~ 30 тысяч светильников с лампами ДРЛ. Полная замена данных светильников на светильники с индукционными натриевыми лампами позволит сэкономить в течении 7 лет примерно 120 миллионов рублей. Учитывая большой энергосберегающий эффект от применения.
разрабатываемых индукционных ламп трансформаторного типа, ученые института Теплофизики СО РАН совместно с конструкторскими подразделениями холдинговой компании ОАО «НЭВЗ-СОЮЗ» и ряда других предприятий города приступили к исследованиям, нацеленным на создание индукционных источников света промышленного назначения. Проведен ряд консультаций с ведущими специалистами нашей страны в области светотехники и освещения. Все участники консультаций отмечают уникальные возможности полученного способа излучения света, возможности получения целой гаммы светильников и ламп различного назначения. Сегодня практически невозможно найти лампу (кроме лампы накаливания), в которой технологии ключевых элементов конструкции были бы освоены в России. В нашем случае открываются очень большие перспективы по созданию и развитию собственного производства совершенно нового источника света. Совместно с разработкой индукционных ламп трансформаторного типа будут разработаны современные светильники с электронной пуско-регулирующей аппаратурой, которые также позволят увеличить эффективность осветительных устройств для уличного освещения. Следует отметить, что светильники, применяемые для уличного освещения городов РФ, безнадежно устарели. В них теряется до 30% светового потока, создаваемого газоразрядными лампами. В заключении следует отметить, что решение задачи, связанной с усовершенствованием осветительных устройств для наружного и внутреннего освещения зданий и сооружений будет способствовать значительной экономии электроэнергии в каждом городе и поселке.
И. М. Уланов, Институт теплофизики СО РАН (ИТ СО РАН), В. C. Медведко,
С. А. Сидоренко, Новосибирский электровакуумный завод (ХК ОАО «НЭВЗ-СОЮЗ») (статья из журнала «Я электрик»)
Ленточные магнитопроводы с длиной магнитной линии от 0,4 до 1,5 м нашли широкое применение при изготовлении трансформаторов тока, устанавливаемых на установках высокого напряжения. Для напряжений 6 и 10 кВ эти трансформаторы выполняются как ленточными, так и наборными из штампованных Г-образных пластин.Магнитопроводы, выполненные из штампованных пластин собираются так, чтобы зазоры чередовались со сплошными пластинами (вперекрышку). Так как каждая пластина имеет по два зазора, то на пути магнитного потока будет четыре стыка. Часть магнитного потока проходит через зазор, но большая часть потока переходит из плоскости соприкосновения в соседние пластины, что значительно повышает индукцию в этих пластинах, увеличивая ток намагничивания. Таким образом, на пути магнитного потока имеются четыре участка повышенного сопротивления. Для ориентировочной оценки повышения напряженности в этих стыках можно сравнить характеристики намагничивания, снятые до значительных кратностей напряженностей (до 100 АВ/см) на ленточных магнитопроводах и наборных из Г-образных пластин. На рисунке приведены заводские усредненные характеристики для некоторых марок стали. Характеристики 1 и 2 даны двойными линиями, верхние соответствуют лучшим сталям, нижние худшим.
1— магнитопровод ленточный, сталь Э41, Э42; 2-наборный, из штампованных Г-образных пластин, сталь Э11. Э-12, Э15, Э45,Э46, Э47,Э48; 3 — ленточный, сталь Э310.
Для таких магнитопроподов лучше всего применять ленточную сталь, например марки Э310, Э320 и другие толщиной 0,35 мм (или 0,2 мм для обеспечения более плотной намотки). От лен-
, при этом последующий лист перекроет и затянет место стыковки. В местах перегибов рекомендуется прокладывать вкладыши, которые могут быть выполнены из плотного дерева или гетинакса по одному из показанных образцов (в зависимости от толщины листа стали и ширины просвета). Вкладыши обеспечат более плотную намотку сердечника. Намотка ведется до полного заполнения окна каркаса, затем заклинивается полоской гетинакса толщиной 0,5—1,0 мм. При намотке сердечника двухкаркасного магнитопровода полоса стали проходит через оба каркаса (при сборке учесть правильную полярность обмоток). Предварительно, до намотки сердечника, рекомендуется скрепить оба каркаса. Для броневого трансформатора намотка сердечника ведется одновременно двумя лентами, так чтобы они заходили в окно каркаса с одной стороны. Оба полусердечника заклиниваются одной полоской гетинакса. Преимуществами таких магнитопроводов являются: размер каркаса не ограничен предварительно определенными размерами магнитопровода, в магнитопроводе отсутствуют участки повышенного сопротивления. К недостаткам следует отнести сложность изготовления и ремонта. В настоящее время ленточные сердечники начинают широко применять в различных устройствах автоматики и электроники. Однако выполнение, приведенное выше, нельзя поставить на конвейер, что является серьезным препятствием. В заводских условиях ленточный сердечник проклеивают, разрезают на две подковки и торцы пришлифовывают. Трансформаторы обычно выполняют стержневыми с двумя каркасами. Стыки магнитопstrongровода приходятся внутри каркасов. По данным инженеров
Если все шпильки соединены с каждой стороны магнитопровода стяжными накладками, то от внутреннего угла магнитопровода, где магнитные линии уплотнены, они частично уходят под образованный шпильками и накладками виток, но к следующему углу возвращаются обратно. В каждой половине витка наводится э.д.с. но в обоих половинах эти э. д. с. направлены встречно, при этом тока в витке не будет. Поэтому отверстия следует делать по шпилькам без лишних запасов, чтобы не ослаблять сечения стали. При Ш-образном магнитопроводе поток, выходящий из среднего стержня, расходится в обе стороны.(рис.4 .б) Те части потока, которые проходят по наружным сторонам отверстий, предварительно проходят сквозь виток, образуемый стяжными шпильками и накладками, а также пластинами стали, контактирующими со шпильками. Величина потока, проходящего по наружным сторонам отверстий, составляет до 20% полного потока (в зависимости от индукции). Короткозамкнутый виток, образованный шпильками и накладками, может в несколько раз снизить эту часть потока, особенно при увеличении сечения стали, когда э. д. с. витка значительно повышается. При этом повышаются потери. При отсутствии накладок остаются короткозамкнутые витки за счет контактирующих со шпильками пластин стали. Изоляция шпилек от стали и накладок требует увеличения отверстий, что также приводит к увеличению потерь. Надо указать, что эти потери случайны и учету не поддаются.
На рисунке 5 а-б показаны стяжка и крепление Ш- и П-образных магнитопроводов обоймами. Обоймы на шасси крепятся лапками (двумя или четырьмя), проходящими в прорези в шасси, либо винтами. Часто магнитопровод в обойме закрепляется свободными лапками —рис. 5 в, г (показаны снизу, без шасси), либо лапки отрезаются. При горизонтальном расположении магнитопроводов (как Ш-, так и П-образных) на шасси их можно крепить скобами , а более крупные — стягивать планками и шпильками (рис. 5,е). В последнем исполнении нижняя планка расположена под шасси, что создает более жесткую связь с шасси. При вертикальном креплении магнитопровода ширины лластины (малые размеры выполняются без пазов). Иногда выполняют аналогичные пазы на Ш-образных пластинах обычного выполнения. При пазах создаются значительно меньшие потери, чем при отверстиях, особенно при пластинах с повышенной шириной крайних стержней с замыкающей стороны. Кроме того, при этом короткозамкнутые витки не образуются. При стяжке магнитопровода двумя шпильками неизбежно применение стяжных рамок во избежание вибрации пластин стали. Для стяжки применять рамки с отбортовкой для жесткости, которые достаточно просто выполняются на двойных оправках из стали 8—10 мм. Между оправками в тисках зажимается заготовка (из листа стали от 1,2 до 1,8 мм в зависимости от размеров магнитопровода). Заготовка отгибается легкими ударами молотка, и в ней прорезается окно. Стержневые магнитопроводы мощностью 100 Вт и выше проще всего стягивать накладками (или уголками) и шпильками, как показано на рис.5,е. Но часто, особенно при больших размерах магнитопроводов, их крепят шпильками (или болтами) через отверстия.Такая стяжка проще по технологии и надежна. Хотя это крепление и не создает замкнутых витков, но при установке на шасси (или больших трансформаторов на раме) могут появиться замкнутые витки для части сечения стали от наружной стороны магнитопровода до отверстия за счет шпилек, крепежных скоб и шасси (или рамы), что показано на рис. 6. При витых магнитопроводах между магниптопроводом и стяжными скобами следует прокладывать тонкий прессшпан или гетинакс, не допуская образования замкнутых витков.(Стрелка показывает путь короткозамкнутого витка)
возросших бесполезных тепловых потерь. Точно такое же влияние на качество сварного соединения оказывает и увеличение сварочного тока I2ном. Поэтому получение на одних и тех же деталях сварных соединений одинакового размера и качества возможно только при определенных соотношениях этих параметров. Уменьшение в известных пределах I2ном может быть скомпенсировано соответствующим увеличением tсв и наоборот. Режимы, характеризующиеся относительно большим I2ном и малым tсв, принято называть жесткими, а режимы с малым I2ном и большим tсв— мягкими. Однако в режимах разной жесткости контактная сварка может осуществляться при разных давлениях на электродах Fсв. Поэтому, несмотря на многообразие сварочных режимов, все они должны выполняться с учетом ряда требований, что способствует получению высоких и стабильных результатов в производственных условиях. Соотношения I2ном,tcв,Fсв являются основными параметрами режима сварки.
