Економічне джерело світла трансформаторного типу
Великі можливості з енергозбереження за рахунок економії електричної енергії лежать у вдосконаленні зовнішнього, побутового та виробничого освітлення, бо в цій галузі витрачається до 20% усієї електроенергії, що виробляється у світі. Будь-які удосконалення джерел світла, пуско регулюючої апаратури (ПРА), конструкції світильників, підвищення коефіцієнта використання світлового потоку освітлювальної установки призводять до значного економічного ефекту. Особливі складнощі виникають із освітленням великих об'єктів та створенням потужних випромінювальних установок для фотохімічних технологій.
Це, як правило, пов'язано з низьким ресурсом роботи потужних ламп, оскільки всі газорозрядні випромінювачі, що випускаються промисловістю, мають електроди, які інтенсивно руйнуються при високих щільності струму. Так, термін служби потужних газорозрядних ламп не перевищує 1000 год., при цьому до 40 % потужності, що підводиться, втрачається в електродах. Одним із найбільш ефективних шляхів вирішення проблеми збільшення ресурсу роботи та ефективності газорозрядних джерел світла є перехід до принципово нових, безелектродних технологій генерації газового розряду, що дозволяють значно (в 10 разів і більше) збільшити термін служби газорозрядних ламп. В цьому випадку, за рахунок відсутності приелектродних втрат, також збільшується ефективність газорозрядних джерел світла.
В інституті Теплофізики СО РАН на основі досліджень низькочастотних (10 кГц) індукційних розрядів трансформаторного типу були розроблені та створені експериментальні зразки індукційних безелектродних газорозрядних ламп різної потужності — від 100 Вт до 100 кВт, виконані експериментальні дослідження характеристик даних джерел світла.
Рис. 1
Принцип роботи цих ламп аналогічний принципу роботи трансформатора. Газовий розряд є замкнутим тороїдальним плазмовим витоком, що охоплює магнітопровід. Також на магнітопроводі виготовлено систему первинних обмоток, на які подається змінна напруга від джерела живлення. Фактично, газовий розряд виконує роль вторинної обмотки трансформатора (див. рис.1).
Відсутність вузлів (електродів), що зношуються, дозволяє зняти обмеження на потужність, що вкладається в лампу, і значно збільшити термін служби газорозрядної лампи. Так, потужність експериментального зразка (рис. 2) досягає 100 кВт, а термін служби ламп, що розробляються (визначається тільки старінням матеріалу стінок колби) перевищує 30.000 годин.
Рис. 2
Принцип роботи цих ламп аналогічний принципу роботи трансформатора. Газовий розряд є замкнутим тороїдальним плазмовим витоком, що охоплює магнітопровід. Також на магнітопроводі виготовлено систему первинних обмоток, на які подається змінна напруга від джерела живлення. Фактично, газовий розряд виконує роль вторинної обмотки трансформатора (див. рис.1).
Відсутність вузлів (електродів), що зношуються, дозволяє зняти обмеження на потужність, що вкладається в лампу, і значно збільшити термін служби газорозрядної лампи. Так, потужність експериментального зразка (рис. 2) досягає 100 кВт, а термін служби ламп, що розробляються (визначається тільки старінням матеріалу стінок колби) перевищує 30.000 годин.
Рис. 3
Для порівняння: найбільш потужною з ламп, що випускаються промисловістю, є ксенонова лампа ДКсТВ 50000 потужністю ~50 кВт і терміном служби ~600 год. (застосовується у фотохімічній промисловості). На рис.3 представлена індукційна лампа із ртутно-аргоновим наповненням. Потужність даної лампи становить 200-400 Ватт, термін служби понад 50.000 годин, що у 10 разів перевищує термін служби дугових ртутних ламп аналогічної потужності.
Рис. 4
На малюнку 4 представлений експериментальний зразок індукційної лампи з неоновим наповненням потужністю до 500 Вт.
В даний час в ІТ СО РАН, спільно з Новосибірським електровакуумним заводом, ведуться науково-дослідні та дослідно-конструкторські роботи, націлені на розробку індукційних ламп різних типів: люмінісцентні лампи потужністю 100-200 Вт, натрієві лампи низького тиску потужністю 200-40 неонові та ксенонові газорозрядні лампи різної потужності, металогалогенні лампи, лампи з парами металів (цинк, кадмій). При цьому особлива увага приділяється проблемі екологічної безпеки ламп, що розробляються, — проблемі створення ефективних безртутних джерел світла. Так, індукційні натрієві лампи низького тиску, що розробляються, зі світловою віддачею 100-150 Лм/Вт в 2-3 рази ефективніше «традиційних» ртутних ламп ДРЛ (світловіддача -50 Лм/Вт), при цьому термін служби, завдяки безелектродному принципу генерації розряду, збільшується на порядок. Розроблювані індукційні газорозрядні джерела світла можуть знайти широке застосування у комунальному господарстві та різних галузях промисловості: освітлення вулиць та площ міст, залізничних станцій, бурових вишок, кар'єрів, застосування у фотохімічній промисловості, для знезараження води та продуктів УФ випромінюванням тощо. Таким чином, сфера застосування індукційних джерел світла дуже широка. Фактично дані джерела світла можуть бути з успіхом використані в будь-якій галузі промисловості та комунального господарства, що застосовує газорозрядні джерела світла. Застосування розроблюваних індукційних ламп трансформаторного типу в комунальному господарстві, завдяки великому терміну служби та високій ефективності даних ламп, дозволить істотно скоротити витрати на освітлення, заміну та утилізацію відпрацьованих ламп. Приклад: Лампи ДРЛ-400, потужністю 400 ватів, що використовуються в даний час для вуличного освітлення, мають світловий потік ~ 20000 люмен, термін експлуатації ~1 року. Вартість однієї лампи ДРЛ-400 становить ~150 руб., Вартість пускорегулюючої апаратури для лампи ДРЛ-400 становить ~500 руб. Потужність натрієвої індукційної лампи низького тиску з аналогічним світловим потоком складе не більше 200 Вт, термін експлуатації ~7 років. Вартість однієї індукційної натрієвої лампи з ПРА становитиме не більше 2000 руб. За рік експлуатації одна натрієва індукційна лампа заощадить електричної енергії у сумі ~700 крб. Таким чином, вже через три роки експлуатації натрієві індукційні лампи повністю окупляться за рахунок заощадженої електроенергії, а за весь термін експлуатації економічний ефект (у перерахунку на 1 світильник) складе 4000 руб. У Новосибірську для вуличного освітлення застосовується ~ 30 тисяч світильників з лампами ДРЛ. Повна заміна даних світильників на світильники з індукційними натрієвими лампами дозволить заощадити протягом 7 років приблизно 120 мільйонів рублів. З огляду на великий енергозберігаючий ефект від застосування.
розроблюваних індукційних ламп трансформаторного типу, вчені інституту Теплофізики СО РАН разом із конструкторськими підрозділами холдингової компанії ВАТ «НЕВЗ-СОЮЗ» та інших підприємств міста розпочали дослідженням, націленим створення індукційних джерел світла промислового призначення. Проведено низку консультацій з провідними спеціалістами нашої країни в галузі світлотехніки та освітлення. Усі учасники консультацій відзначають унікальні можливості отриманого способу випромінювання світла, можливості отримання цілої гами світильників та ламп різного призначення. Сьогодні практично неможливо знайти лампу (крім лампи розжарювання), в якій технології ключових елементів конструкції було б освоєно в Росії. У нашому випадку відкриваються дуже великі перспективи щодо створення та розвитку власного виробництва абсолютно нового джерела світла. Спільно з розробкою індукційних ламп трансформаторного типу будуть розроблені сучасні світильники з електронною пуско-регулювальною апаратурою, які дозволять збільшити ефективність освітлювальних пристроїв для вуличного освітлення. Слід зазначити, що світильники, які застосовуються для вуличного освітлення міст РФ, безнадійно застаріли. Вони втрачається до 30% світлового потоку, створюваного газорозрядними лампами. У висновку слід зазначити, що вирішення завдання, пов'язаного з удосконаленням освітлювальних пристроїв для зовнішнього та внутрішнього освітлення будівель та споруд сприятиме значній економії електроенергії в кожному місті та селищі.
І. М. Уланов, Інститут теплофізики СО РАН (ІТ СО РАН), В. C. Медведко,
С. А. Сидоренко, Новосибірський електровакуумний завод (ХК ВАТ «НЕВЗ-СОЮЗ») (стаття з журналу «Я електрик»)
Стрічкові магнітопроводи з довжиною магнітної лінії від 0,4 до 1,5 м знайшли широке застосування під час виготовлення трансформаторів струму, що встановлюються на установках високої напруги. Для напруг 6 і 10 кВ ці трансформатори виконуються як стрічковими, так і набірними зі штампованих Г-подібних пластин. Так як кожна пластина має по два зазори, то на шляху магнітного потоку буде чотири стики. Частина магнітного потоку проходить через зазор, але більша частина потоку переходить з площини дотику до сусідніх пластин, що значно підвищує індукцію в цих пластинах, збільшуючи струм намагнічування. Таким чином, на шляху магнітного потоку є чотири ділянки підвищеного опору. Для орієнтовної оцінки підвищення напруженості в цих стиках можна порівняти характеристики намагнічування, зняті до значних кратностей напруженостей (до 100 АВ/см) на стрічкових магнітопроводах та набірних Г-подібних пластин. На малюнку наведено заводські усереднені характеристики деяких марок стали. Характеристики 1 і 2 подані подвійними лініями, верхні відповідають кращим сталям, нижні гіршим.
1 - магнітопровід стрічковий, сталь Е41, Е42; 2-набірний, із штампованих Г-подібних пластин, сталь Е11. Е-12, Е15, Е45, Е46, Е47, Е48; 3 - стрічковий, сталь Е310.
Для таких магнітопроподів найкраще застосовувати стрічкову сталь, наприклад марки Е310, Е320 та інші товщиною 0,35 мм (або 0,2 мм для забезпечення більш щільного намотування). Від льон-
, при цьому наступний лист перекриє та затягне місце стикування. У місцях перегинів рекомендується прокладати вкладиші, які можуть бути виконані із щільного дерева або гетинаксу по одному з наведених зразків (залежно від товщини листа сталі та ширини просвіту). Вкладиші забезпечать більш щільну намотування сердечника. Намотування ведеться до повного заповнення вікна каркаса, потім заклинюється смужкою гетинаксу завтовшки 0,5-1,0 мм. При намотуванні сердечника двокаркасного магнітопроводу смуга сталі проходить через обидва каркаси (при складанні врахувати правильну полярність обмоток). Попередньо, до намотування сердечника, рекомендується скріпити обидва каркаси. Для броньового трансформатора намотування сердечника ведеться одночасно двома стрічками, щоб вони заходили у вікно каркаса з одного боку. Обидва напівсердечники заклинюються однією смужкою гетинаксу. Перевагами таких магнітопроводів є: розмір каркаса не обмежений попередньо визначеними розмірами магнітопроводу, у магнітопроводі відсутні ділянки підвищеного опору. До недоліків слід віднести складність виготовлення та ремонту. В даний час стрічкові сердечники починають широко застосовувати в різних пристроях автоматики та електроніки. Однак виконання, наведене вище, не можна поставити на конвеєр, що є серйозною перешкодою. У заводських умовах стрічковий осердя проклеюють, розрізають на дві підковки і торці пришліфовують. Трансформатори зазвичай виконують стрижневими із двома каркасами. Стики магнітопроводу припадають усередині каркасів. За даними інженерів
Якщо всі шпильки з'єднані з кожної сторони магнітопроводу стяжними накладками, то від внутрішнього кута магнітопроводу, де магнітні лінії ущільнені, вони частково йдуть під утворений шпильками та накладками виток, але до наступного кута повертаються назад. У кожній половині витка наводиться е.р.с. але в обох половинах ці е. д. с. спрямовані зустрічно, при цьому струму у витку не буде. Тому отвори слід робити по шпильках без зайвих запасів, щоб не послаблювати переріз сталі. При Ш-подібному магнітопроводі потік, що виходить із середнього стрижня, розходиться в обидві сторони. , що контактують зі шпильками. Величина потоку, що проходить по зовнішнім сторонам отворів, становить до 20% повного потоку (залежно від індукції). Короткозамкнений виток, утворений шпильками та накладками, може у кілька разів знизити цю частину потоку, особливо при збільшенні перерізу сталі, коли е. д. с. витка значно підвищується. У цьому підвищуються втрати. За відсутності накладок залишаються короткозамкнені витки за рахунок пластин, що контактують зі шпильками сталі. Ізоляція шпильок від сталі та накладок вимагає збільшення отворів, що також призводить до збільшення втрат. Потрібно зазначити, що ці втрати випадкові та обліку не піддаються.
На малюнку 5 а-б показані стяжка та кріплення Ш- та П-подібних магнітопроводів обоймами. Обойми на шасі кріпляться лапками (двома або чотирма), що проходять у прорізі в шасі, або гвинтами. Часто магнітопровід в обоймі закріплюється вільними лапками - мал. 5, г (показані знизу, без шасі), або лапки відрізаються. При горизонтальному розташуванні магнітопроводів (як Ш-, так і П-подібних) на шасі їх можна кріпити скобами, а більші - стягувати планками та шпильками (рис. 5,е). В останньому виконанні нижня планка розташована під шасі, що створює жорсткіший зв'язок з шасі. При вертикальному кріпленні магнітопроводу ширини латини (малі розміри виконуються без пазів). Іноді виконують аналогічні пази на Ш-подібних пластинах звичайного виконання. При пазах створюються значно менші втрати, ніж при отворах, особливо при пластинах з підвищеною шириною крайніх стрижнів з боку, що замикає. Крім того, при цьому короткозамкнені витки не утворюються. При стяжці магнітопроводу двома шпильками неминуче застосування стяжних рамок, щоб уникнути вібрації пластин сталі. Для стяжки застосовувати рамки з відбортуванням для жорсткості, які досить просто виконуються на подвійних оправках зі сталі 8-10 мм. Між оправками в лещатах затискається заготовка (з листа сталі від 1,2 до 1,8 мм залежно від розмірів магнітопроводу). Заготівля відгинається легкими ударами молотка, у ній прорізається вікно. Стрижневі магнітопроводи потужністю 100 Вт і вище найпростіше стягувати накладками (або куточками) та шпильками, як показано на рис.5,е. Але часто, особливо при великих розмірах магнітопроводів, їх кріплять шпильками (або болтами) через отвори. Така стяжка простіше за технологією та надійна. Хоча це кріплення і не створює замкнутих витків, але при встановленні на шасі (або великих трансформаторів на рамі) можуть з'явитися замкнуті витки для частини перерізу сталі від зовнішньої сторони магнітопроводу до отвору за рахунок шпильок, кріпильних скоб та шасі (або рами), що показано на рис. 6. При кручених магнітопроводах між магніптопроводом і стяжними скобами слід прокладати тонкий прессшпан або гетинакс, не допускаючи утворення замкнутих витків. (Стрілка показує шлях короткозамкнутого витка)
зрослих марних теплових втрат. Такий самий вплив на якість зварного з'єднання робить і збільшення зварювального струму I2ном. Тому отримання на одних і тих же деталях зварних з'єднань однакового розміру та якості можливе лише за певних співвідношень цих параметрів. Зменшення у відомих межах I2ном може бути компенсовано відповідним збільшенням tсв і навпаки. Режими, що характеризуються відносно великим I2ном і малим tсв, прийнято називати жорсткими, а режими з малим I2ном і великим tсв-м'якими. Однак у режимах різної жорсткості контактне зварювання може здійснюватися за різних тисків на електродах Fсв. Тому, незважаючи на різноманіття зварювальних режимів, вони повинні виконуватися з урахуванням низки вимог, що сприяє отриманню високих і стабільних результатів у виробничих умовах. Співвідношення I2ном, tcв, Fсв є основними параметрами режиму зварювання.
