Studiul Variatiei Parametrilor Caracteristici Ai Lampilor cu Descarcare In Vapori Metalici la Inalta Presiune In Functie de Valoarea Tensiunii de Alimentare

Studiul Variatiei Parametrilor Caracteristici Ai Lampilor cu Descarcare In Vapori Metalici la Inalta Presiune In Functie de Valoarea Tensiunii de Alimentare

Byadmin ianuarie 1, 2024

PROIECT DE DIPLOMĂ

STUDIUL VARIAȚIEI PARAMETRILOR CARACTERISTICI AI LĂMPILOR CU DESCĂRCARE ÎN VAPORI METALICI LA ÎNALTĂ PRESIUNE ÎN FUNCȚIE DE VALOAREA TENSIUNII DE ALIMENTARE

CUPRINS

Introducere

CAPITOLUL I. Noțiuni generale privind rețelele de joasă tensiune.

I.1 Rețele electrice de joasă tensiune. Structura.

I.2 Tensiuni standardizate a rețelelor electrice de joasă tensiune.

I.3 Tipuri de receptori în rețelele de joasă tensiune.

I.3.1 Receptori de forță.

I.3.2 Receptori de iluminat.

I.3.3 Prize monofazate.

I.4 Clasificarea consumatorilor în rețele electrice de joasă tensiune.

CAPITOLUL II. Surse electrice pentru iluminat.

II.1 Clasificarea lămpilor electrice pentru iluminat.

II.2 Parametri principali ai lămpilor electrice.

II.3 Lămpi cu descărcări pentru iluminat.

II.3.1 Lampa cu descărcare în vapori de mercur (Hg) la înaltă presiune cu balon fluorescent.

II.3.2 Lampa cu descărcare în vapori de mercur (Hg) la înaltă presiune cu halogenuri metalice.

II.3.3 Lampa cu descărcare în vapori de mercur (Hg) la înaltă presiune cu lumină mixtă.

CAPITOLUL III. Proiectarea unei instalații de iluminat.

III.1 Alegerea sistemului de iluminat.

III.2 Alegerea surselor de lumină și a corpurilor de iluminat.

III.3 Amplasarea corpurilor de iluminat.

III.4 Dimensionarea instalației de iluminat. Metoda factorului de utilizare.

CAPITOLUL IV. Studiul variației parametrilor caracteristici ai lămpilor cu descărcare în vapori metalici la înaltă presiune în funcție de tensiunea de alimentare.

Schema electrică a standului

Concluzii

Bibilografie

Anexe

Introducere

Proiectul de diplomă cu tema Studiul variației parametrilor caracteristici ai lămpilor cu descărcare în vapori metalici la înaltă presiune în funcție de valoarea tensiunii de alimentare se referă la realizarea unui stand experimental care cuprinde trei lămpi diferite cu descărcări la înaltă presiune, cu ajutorul căruia se vor analiza caracteristicile de tensiune-curent, respectiv se vor determina parametrii electrici ai lămpilor.

În ziua de azi există o multitudine de lămpi electrice pentru iluminat cu diferite caracteristici de funcționare. Indicatori energetici și modul de funcționare diferă pentru fiecare lampă în parte. Aceste diferențe le putem observa în Capitolul II, subcapitolul II.3 sunt prezentați factorii care influențează parametrii principali ai lămpilor. Parametrii principali ai lămpilor electrice sunt descriși în Capitolul II, subcapitolul II.2 iar printre factorii care influențează acești parametri putem aminti: mediul în care este utilizată lampa, tensiunea de alimentare, procesul de aprindere a lămpii, amestecul de gaze și substanțe cu care se umple balonul lămpilor.

Lucrarea este structurată în IV capitole, astfel:

Capitolul I – Noțiuni generale privind rețelele de joasă tensiune. Descrie structura standard a rețelelor de joasă tensiune de la care sunt alimentate circuitele de iluminat. Această structură devine importantă atunci când trebuie proiectată o instalație de iluminat de exemplu a unei hale, sau unui spațiu industrial.

Capitolul II – Surse electrice pentru iluminat. În acest capitol sunt prezentate informații utile despre parametri principali ai lămpilor electrice, structura lor și particularitățile de funcționare ale acestora.

Capitolul III – Proiectarea unei instalații de iluminat. Acest capitolul cuprinde detalii legat de etapele de proiectare ale unei instalații de iluminat, respectiv calculul de alegere, amplasare și dimensionare a instalațiilor de iluminat.

Capitolul IV – Studiul variației parametrilor caracteristici ai lămpilor cu descărcare în vapori metalici la înaltă presiune în funcție de tensiunea de alimentare. Stand experimental. Acest capitol prezintă Standul experimental realizat, măsurătorile realizate cu acest stand.

NOȚIUNI GENERALE PRIVIND

REȚELELE DE JOASĂ TENSIUNE

I.1 Rețele electrice de joasă tensiune. Structura

Energia electrică, care se produce în centralele electrice trebuie transportă la distanțe mari cu ajutorul rețelelor electrice de transport (RET) iar apoi este distribuită, în aria unor aglomerări rurale, urbane, sau a unor zone industriale.

Există mai multe tipuri de rețele electrice de distribuție (RED) cu care se poate transporta puterea cerută la consumatori la un anumit nivel de tensiune standard. Clasele de tensiuni sunt prezentate în Tabelul I.1[10].

Tabelul I.1

Diferite clase de tensiuni

Rețelele electrice de distribuție de medie tensiune (RED-MT) alimentează de obicei posturile de transformare sau în cazul în care alimentează mari consumatori industriali sunt capabile să alimenteze și receptori de medie tensiune.

Alimentarea consumatorilor a căror tensiune nominală a receptorilor de energie electrică se încadrează în clasa de joasă tensiune (sisteme de iluminat și prizele monofazate), trebuie realizată prin, sau și prin rețele electrice de joasă tensiune (RE-JT).

În cazul RE-JT, cele două aspecte au o pondere însemnată deoarece, consumatorii de joasă tensiune sunt foarte numeroși, iar receptorii de joasă tensiune din cadrul acestora sunt de nelipsit (de exemplu: sistemele de iluminat și receptori electrocasnici) și deosebit de răspândiți.

RE-JT, are legătură directă cu un număr foarte mare de consumatori, și în al doilea rând cu un imens număr de receptori.

Structura de bază a unei RE-JT este prezentată în Figura I.1, care cuprinde rețeaua electrică de distribuție de joasă tensiune (RED-JT) pentru alimentarea consumatorilor (Figura I.1) și rețeaua electrică de la consumatori (Figura I.2), formată din RED la consumator de joasă tensiune (REDC-JT) și rețeaua electrică pentru alimentarea receptorilor (REAR-JT).

Figura I.2 Rețeaua electrică de distribuție la consumator de joasă tensiune [10]

O caracteristică importantă a rețelelor care asigură alimentarea consumatorilor o reprezintă punctul de delimitare (PD, Figura I.1 și Figura I.2) ceea ce marchează domeniile de competență în ceea ce privește exploatarea rețelei respectiv, ale furnizorului, de cele ale consumatorului.

Punctul de delimitare este de fapt contorul de energie electrică, care este asigurat de furnizor, dar beneficiarul are posibilitatea de a urmări indexul.

RED-JT ale furnizorului, trebuie să asigure puterea necesară punctului de delimitare, iar REDA a consumatorului la bornele receptorilor trebuie să asigure parametri de calitate stabiliți prin contract conform [3].

I.2 Tensiuni standardizate ale rețelelor electrice de joasă tensiune

Valorile treptelor de tensiune standardizate în cadrul rețelelor electrice de joasă tensiune sunt prezentate în Tabelul I.1.

Sistemul trifazat de tensiune cu valoarea de 380V și cel monofazat cu o valoare de 220V a tensiuni este cel mai răspândit în România. Sistemul trifazat de tensiuni (660)V/500V este în faza de extindere, și este utilizat pentru alimentarea receptorilor trifazați de mare putere, la consumatorii industriali. Dezavantajul acestui sistem, constă în necesitatea existenței la același consumator și a unei rețele de 380/220V, pentru alimentarea circuitelor de iluminat și prize monofazate, a căror tensiune nominală este de 220V.

Valorile standardizate ale tensiunii, din clasa rețelelor de foarte joasă tensiune (sub 50 V), alimentate din RED-JT, sunt utilizate doar în medii cu pericol de producere a unui șoc electric (subsoluri tehnice, medii umede, etc.) [10].

I.3 Tipuri de receptori în rețelele de joasă tensiune

I.3.1 Receptori de forță

Aceștia se alimentează de la un sistem electric trifazat 380/220V (UR, US, UT) Figura I.3, și sunt caracterizați din punct de vedere electric prin trei impedanțe Z1, Z2, Z3 ce pot fi conectate în stea, Figura I.3 a), sau în triunghi, Figura I.3 b).

Figura I.3 Alimentarea receptorilor de la un sistem trifazat [10]

Prin concepție și execuție, receptorii trifazați reprezintă un sistem trifazat echilibrat și din această cauză alimentarea printr-o rețeaua electrică cu 4 conductoare nu este necesară (nulul de lucru nu este necesar). Rezultă că tensiunea de fază nu este accesibilă (al neaccesibilității nulului sistemului electric trifazat al sursei).

Dacă receptorul trifazat este un utilaj care necesită iluminare locală (freză, strung, mașină de găurit, ș.a.), rețeaua de alimentare trebuie să aibă 4 conductoare, ca să fie accesibilă și tensiunea de fază, dacă nu se adoptă alte soluții tehnice.

Cerințele legate de simetrizarea sarcinilor, recomandă ca rețeaua de alimentare a receptorilor de forță să fie trifazată, fără nul. Este recomandat ca rețeaua de distribuție a energiei electrice la consumator și rețeaua de alimentare a receptorilor trifazați de forță să fie distinctă de cea similară pentru receptorii de iluminat și prize. Încă un motiv pentru care cele două categorii de rețele sunt separate, este datorită regimului perturbator pe care îl posedă receptori de forță asupra celor de iluminat, datorită variației curentului pe care aceștia îl absorb (deci și a tensiunii de alimentare).

Receptorii de forță și cei de iluminat și prizele, fac parte din categorii diferite din punct de vedere al asigurării continuității în alimentare. REDA-JT a receptorilor de forță este prevăzută cu un nivel de rezervare superior, în funcție de categoria receptorilor, față de REDA-JT pentru iluminat și prize. Continuarea lucrului la utilaje este asigurată de către sistemul de iluminat de siguranță în cazul în care apare o avarie la REDA-JT pentru receptorii de iluminat și prize.

Receptori de forță se separă față de ceilalți receptori dintr-un motiv economic, adică o eventual tarifare diferențială a energiei electrice pentru receptori de forță, față de prize și cei de iluminat. Un alt motiv este tehnic și se referă la căderile maxime de tensiune care diferă pentru receptori de forță față de cei de iluminat și prize. Caracterul static (de regulă) al receptoarelor de forță și inexistenta conductorului de nul necesită un alt mod de aplicare a protecției prin legare la nul, ca să se poată evita pericolul de electrocutare, față de celelalte tipuri de receptori.

Când alimentarea receptorilor de forță se realizează de la în sistem trifazat de tensiunii 660/500 V se impune de la sine separarea celor două tipuri de rețele electrice.

I.3.2 Receptori de iluminat

Aceștia sunt constituiți din corpurile de iluminat și sursele de lumină din cadrul sistemelor de iluminat de interior și exterior.

Sursele de lumină se alimentează la tensiunea nominală de 220V. Această tensiune, în cadrul sistemului trifazat cu tensiunile 380/220V se poate obține între o fază și nulul sistemului electric trifazat al sursei așa cum se prezintă în Figura I.4.

Deci REDA-JT a receptorilor de iluminat trebuie să fie alimentată de la o sursă (de exemplu un post de transformare sau generator electric) a cărei înfășurări sunt conectate în stea (Y) Figura I.4, neutrul fiind accesibil (Yo), și totodată fiind prelungit printr-un conductor de nul până la fiecare receptor în parte.

Deoarece acestea sunt sarcini monofazate, încărcarea fazelor RE-JT va fi nesimetrică și din această cauză pe parcursul proiectării instalației trebuiesc echilibrate puterii pe cele trei faze.

Figura I.4 Alimentarea receptorilor de iluminat în conexiune stea (Y) [10]

Datorită amplasării la înălțime a receptorilor de iluminat riscul de electrocutare prin atingere indirectă este foarte mică, deci pentru corpurile de iluminat nu se aplică protecția prin legare la masa ca și în cazul celorlalte tipuri de receptori.

Șocuri electrice nu sunt produse din cauza acestora deoarece ele absorb un curent constant în timp deci nu sunt perturbatori pentru ceilalți, iar valorile curenților, în funcție de care se dimensionează căile de curent se pot stabili cu precizie.

I.3.3 Prize monofazate

Prizele monofazate nu sunt considerate receptori, dar la ele sunt conectați receptori monofazați a căror putere nominală nu depășesc 2 [KW] plus un curent absorbit de 10 [A]. Receptorii monofazați alimentați de la o priză, sunt din ca nulul sistemului electric trifazat al sursei așa cum se prezintă în Figura I.4.

Deci REDA-JT a receptorilor de iluminat trebuie să fie alimentată de la o sursă (de exemplu un post de transformare sau generator electric) a cărei înfășurări sunt conectate în stea (Y) Figura I.4, neutrul fiind accesibil (Yo), și totodată fiind prelungit printr-un conductor de nul până la fiecare receptor în parte.

Deoarece acestea sunt sarcini monofazate, încărcarea fazelor RE-JT va fi nesimetrică și din această cauză pe parcursul proiectării instalației trebuiesc echilibrate puterii pe cele trei faze.

Figura I.4 Alimentarea receptorilor de iluminat în conexiune stea (Y) [10]

Datorită amplasării la înălțime a receptorilor de iluminat riscul de electrocutare prin atingere indirectă este foarte mică, deci pentru corpurile de iluminat nu se aplică protecția prin legare la masa ca și în cazul celorlalte tipuri de receptori.

Șocuri electrice nu sunt produse din cauza acestora deoarece ele absorb un curent constant în timp deci nu sunt perturbatori pentru ceilalți, iar valorile curenților, în funcție de care se dimensionează căile de curent se pot stabili cu precizie.

I.3.3 Prize monofazate

Prizele monofazate nu sunt considerate receptori, dar la ele sunt conectați receptori monofazați a căror putere nominală nu depășesc 2 [KW] plus un curent absorbit de 10 [A]. Receptorii monofazați alimentați de la o priză, sunt din categoria „debranșabili” iar conectarea nu este permanentă. Pentru comanda conectării la rețea (pornire, oprire), există aparate de conectare speciale încorporate în receptor.

Datorită marii diversități a receptorilor monofazați, a specificului lor (radio, TV, radiator electric, mașină de spălat, etc.) și a caracterului debranșabil, probabilitatea producerii unui șoc electric este foarte mare, și în sistemul electric din care fac parte acești receptori este necesar utilizarea protecției prin legare la masă.

Proiectarea căilor de curent cu care sunt alimentate prizele se face în funcție de tipul rețelei de joasă tensiune (urban sau rural), inclusiv de numărul de locuitorilor ai aglomerării urbane sau rurale, deoarece numărul receptorilor monofazați și puterea ce se poate branșa la o priză monofazată depind în mare măsură de disponibilitățile materiale ale „consumatorului”.

Rețelele electrice de alimentare (REA Figura I.2) a prizelor monofazate și a receptorilor de iluminat trebuiesc separate. Pe baza caracteristicilor specifice fiecărui receptor (din cele trei tipuri), REDA-JT de la consumator, Figura I.1 și Figura I.2, au structura din Figura I.5, din care rezultă că REDA pentru receptorii de forță este separată de REDA pentru cei de iluminat și prize, acestea fiind alimentate de la tablouri generale (prescurtat TG) diferite, iar rețeaua electrică de distribuție este comună pentru receptorii de iluminat și prize (Figura I.5 b) ). La nivelul rețelei de alimentare, acestea se separă.

Trebuie menționat că conductorul de nul (N) al sistemului electric trifazat, comun în RED, se transformă în nul de lucru (NL) și nul de protecție (NP) la nivelul rețelelor de alimentare (Figura I.5 b) ).

În Figura I.1 și Figura I.2 și în Figura I.5 , TG și TS, reprezintă tablouri electrice de distribuție generale sau secundare care în principiu sunt puncte de conexiune și care la nivelul rețelelor electrice de joasă tensiune au această denumire particulară [10].

a)

Figura I.5 [10]

I.4 Clasificarea consumatorilor în rețele electrice de joasă tensiune

În conformitate cu referința între furnizorul de energie și consumatori, alimentarea cu energie electrică se face pe baza unui contract de furnizare cu clauze diferențiate în funcție de tipul consumatorului [2]. Consumatorii de energie electrică sunt clasificați conform în felul următor:

consumator final: Pe baza unui contract acest consumator, care poate să fie o persoană fizică sau juridică, consumă energie electrică. Instalația electrică a consumatorului este conectată la instalația de alimentare a furnizorului prin unul sau mai multe PD(punct de delimitare). Prin PD el primește energie electrică și în condiții prestabilite retransmite energie electrică unor subconsumatori .

consumator casnic: Acest consumator utilizează energie electrică în scopuri casnice cum ar fi: iluminat artificial în interiorul și exteriorul locuinței și în scopul punerii în funcțiune a receptoarele electrocasnice din propria locuință. Receptoarele electrocasnice cuprind toate bunurile destinate uzului propriu, care sunt alimentate monofazat sau trifazat;

consumator industrial: Este consumatorul care folosește energia electrică pentru a producere diferite produse, materiale sau alte bunuri de consum. Sunt considerați consumatori industriali și următori: șantierele de construcții, unitățile de transporturi feroviare, stațiile de pompare (inclusiv cele pentru irigații), rutiere, aeriene, navale și altele asemenea.

mici consumatori industriali: sunt consumatori a căror putere consumată nu depășește 100KW.

În funcție de puterea electrică activă maximă simultan absorbită, acești consumatori se clasifică, la rândul lor în felul următor:

Mici consumatori: Consumatori cu o putere consumată de maxim 100 kW, cu excepția consumatorilor casnici;

Mari consumatori: Consumatori cu o putere consumată de peste 100 kW pe loc de consum.

Conform referinței [2] contractele de furnizare a energiei electrice au clauze diferențiate pentru marii și micii consumatori.

Sistemul electric de iluminat public stradal prezintă o altă categorie de consumatori. Acesta, este în patrimoniul administrației locale, dar este alimentat de către furnizorul de energie electrică. Cheltuielile de energia electrică consumată și de cele de întreținere sunt suportate de administrația locală. Contorul de energie electrică care este instalat în punctul de delimitare există la fiecare post de transformare specific oricărui racord electric.

CAPITOLUL II. SURSE ELECTRICE PENTRU ILUMINAT

II.1 Clasificarea lămpilor electrice pentru iluminat

După natura producerii radiației electromagnetice, sursele de lumină se clasifică în două mari categorii [4]:

Surse cu radiații produse pe cale termică.

Surse cu radiații produse prin descărcări electrice în gaze sau vapori metalici.

Surse de lumină cu incandescență

Din această categorie fac parte:

Lampa cu incandescență de uz general

Lampa cu incandescență cu halogen

Sursele de lumină cu descărcări:

Din această categorie fac parte sursele de lumină cu descărcări în vapori metalici.

Surse de lumină cu descărcări în vapori metalici de mercur:

Lampa cu descărcări în vapori de mercur la joasă presiune;

Lampa fluorescentă tubulară;

Lampa fluorescentă compactă;

Lampa cu descărcări în vapori de mercur la înaltă presiune;

Lampa cu mercur la înaltă presiune și balon fluorescent;

Lampa cu mercur la înaltă presiune și halogenuri metalice;

Lampa cu lumină mixtă

Surse de lumină cu descărcări în vapori de sodiu:

Lampa cu descărcări în vapori metalici de sodiu la joasă presiune;

Lampa cu descărcări în vapori metalici de sodiu la înaltă presiune.

Surse de lumină cu descărcări în gaze:

Lampa cu descărcări în gaze cu xenon la înaltă presiune;

Lampa cu descărcări în alte gaze.

Surse de lumină cu descărcări în amestec (gaze și vapori):

Lămpile sunt diferențiate prin construcție, funcționare, caracteristici (eficacitate luminoasă, durată de viață, etc.), alimentare.

II.2 Parametri principali ai lămpilor electrice

Fluxul luminos [7]:

Se definește în funcție de fluxul energetic specific cu relația:

în care km este o constantă.

Dacă km = 1, rezultă în [Wl], unitate abandonată pentru că este incomodă prin valorile sale.

S-a ales km = 683 lm/W, prin prescripțiile C.I.E., rezultând fluxul luminos în lumeni [lm], unitate convenabilă din punct de vedere tehnic. Astfel, fluxul luminos reprezintă fluxul radiant emis în spectrul vizibil, evaluat prin intensitatea senzației vizuale, fiind mărimea fundamentală, acesta are ca unitatea de măsură este lumenul [lm].

Se definește flux emisferic inferior sau emisferic superior fluxul emis într-un unghi solid de steradiani sub sau respectiv deasupra unui plan orizontal ce trece prin centrul sursei de lumina considerate.

Intensitatea luminoasă [4] [7]

Intensitatea luminoasă pe o anumită direcție α, reprezintă raportul dintre fluxul luminos elementar emis într-un unghi solid infinit de mic dΩ, adică:

Dacă valorile sunt finite se poate defini o intensitate medie:

De asemenea, uneori ca element de comparație se folosește noțiunea de intensitate medie sferică, raportând fluxul emis de sursă la unghiul solid din jurul sursei , adică:

Unitatea de măsură este candela [cd], corespunzând unui flux de un lumen emis într-un unghi solid de un steradian [sr].

Dificultățile tehnice de realizare a unui etalon de flux au făcut ca intensitatea luminoasă să fie considerată convențional mărime fundamentală și să fie inclusă în sistemul internațional (S.I.). Pentru unitatea de măsură este dată următoarea definiție: candela reprezintă intensitatea luminoasă într-o direcție dată a unei surse care emite o radiație monocromatică de frecvență 540*1012 [Hz], corespunzând la în aer, pentru care intensitatea energetică este de 1/683 [W/sr].

Intensitatea luminoasă având o mărime, o direcție și un sens, este o mărime vectorială.

Reprezentarea intensității luminoase spațiale , se realizează în coordonate polare, fiind definită de unghiurile: și . Dacă sursa este simetrică, axa verticală fiind și axă de simetrie, atunci intensitatea luminoasă va depinde numai de unghiul de înălțime , distribuția fiind aceeași în orice plan V.

Figura II.1 Reprezentarea intensității luminoase în coordonate polare [7]

Pentru aplicațiile în care se folosesc corpuri de iluminat, cum ar fi proiectoarele, unde avem o repartiție îngustă a fluxului luminos, curba fotometrică se dă în coordonate rectangulare:

Figura II.2 Curba fotometrică a unei surse de lumină [4]

Iluminarea [4] [10]

Iluminarea (E) caracterizează recepția de flux luminos și reprezintă raportul dintre fluxul d receptat de suprafața elementară dS, adică:

Unitatea de măsură fiind luxul [lx]. Astfel, 1 [lx] reprezintă iluminarea unei suprafețe de care receptează un flux de 1 [lm].

Dacă valorile sunt finite se poate defini o iluminare medie a unei suprafețe:

Iluminarea dă cele mai bune informații asupra aspectului cantitativ al luminii receptate pe o anumită suprafață. Iată, de exemplu, vara la soare E > 100000 lx, sub cer acoperit 200<E<10000 lx, la lumina lunii E<0,25 lx, la lumină artificială într-un laborator E≥300 lx.

Calculul iluminării se poate face și în funcție de intensitatea luminoasă I. Considerând un punct P de pe un element de suprafață de arie dA iluminat de o sursă punctiformă plasată în punctul S situat la distanța r de elementul de suprafață:

Figura II.3 Calcularea iluminării în funcție de I [3]

Intensitatea luminoasă a sursei în direcția punctului P fiind iar unghiul solid sub care se vede elementul de arie din punctul S fiind dΩ.

Iluminarea în punctul P va fi:

Emitanța (excitanta) luminoasă [5]

Este mărimea ce caracterizează emisia de flux luminos al unei suprafețe, reprezentând raportul dintre fluxul emis și suprafața elementara dS, adică:

În mod analog se poate defini și o excitantă medie cu valorile finite, adică:

Similar cu iluminarea, unitatea de măsură este tot luxul [lx].

Luminanța [5]

Luminanța a unei suprafețe luminoase elementare dS se definește în raport cu poziția observatorului față de suprafața privită dS, caracterizată prin intensitatea .

adică, într-un punct de pe suprafața unei surse, într-o direcție oarecare, luminanța este raportul dintre intensitatea luminoasă în direcția dată a unui element de suprafață din jurul acelui punct și aria proiecției ortogonale a acestui element pe un plan perpendicular pe direcția respectivă. Luminanța unei surse reprezintă intensitatea luminoasă pe unitatea de arie proiectată Figura II.4.

În cazul unei arii finite A, luminanța medie în direcția definită de unghiul α față de normală (Figura II.5) se calculează cu relația:

Unitatea de măsură a luminanței este [nt] (nit) și .

Figura II.4 Figură explicativă pentru definirea luminanței unei surse [4]

Figura II.5 Figură explicativă pentru definirea luminanței medie [4]

Cantitatea de lumină [4]

Cantitatea de lumină este integrala produsului dintre fluxul luminos primit de o suprafață și intervalul de timp dt cât a durat iluminarea:

Această mărime reprezintă energia debitată sau primită de o sursă luminoasă, pe o suprafață, energie măsurată în funcție de senzația luminoasă pe care o produce.

Unitatea de măsură în S.I. este lumen-secundă [lm·s], care corespunde unui flux luminos de un lumen în timp de o secundă.

Expunerea luminoasă [4]

Expunerea luminoasă H reprezintă densitatea pe o suprafață a cantității de lumină și este integrala produsului dintre iluminarea E(t) și timpul dt de expunere la lumină:

Unitatea de măsură pentru H este lux-secundă [lx·s]. Această mărime este folosită momentan în tehnica fotografică și cinematografică.

Eficacitatea luminoasă [7]

Eficacitatea luminoasă a unei surse reprezintă raportul dintre fluxul emis de sursă și puterea consumată de aceasta (P), adică:

Această mărime dă o informație completă și reală asupra conexiunii dintre caracteristicile luminotehnice și energetice ale sursei considerate.

Unitatea de măsură în S.I. este [lm/W].

Durata de viață și deprecierea fluxului luminos emis [4]

Durata de viață se determină în funcție de numărul de ore de funcționare în care se deteriorează 50% din lămpile grupului testat.

Deprecierea fluxului luminos pe durata de viață se datorează îmbătrânirii lămpii și este cauzată de mai mulți factori.

Aceste două caracteristici sunt stabilite de fiecare producător în parte și sunt incluse în cataloagele produselor.

Temperatura de culoare [4]

Este o noțiune care caracterizează culoarea unei surse de lumină. În tehnica iluminatului se compară proprietățile unei asemenea surse cu cea al unui corp negru. Corpul negru este un radiator termic care absoarbe complet toate radiațiile incidente oricare ar fi lungimea de undă, direcția și polarizarea acestora. Acest radiator dacă este încălzit la o anumită temperatură, emite pentru orice lungime de undă densitatea spectrală maximă de excitantă energetică.

În practică temperatura de culoare se definește în felul următor:

Unde: t este temperatura relativă, exprimată în °C, iar T0 = 273,16 K.

De exemplu temperatura de culoare a unei lămpi fluorescente este de 6500 [K] adică ea are aceeași culoare cu corpul negru încălzit la 6500 [K] deși temperatura ei reală este de circa 40°C, adică aproximativ 313 [K].

II. 3 Lămpi cu descărcări pentru iluminat

Funcționarea lămpilor cu descărcări se bazează pe fenomenul de luminiscența a gazelor sau vaporilor metalici. Acest fenomen constă în emisia de către o substanță a unei radiații electromagnetice, a cărei intensitate este mai mare decât cea a radiației termice emise de către substanță, la aceeași temperatură. În lampa cu descărcări, conversia energiei electrice în lumină se realizează prin excitarea atomilor de gaz sau vapori metalice asupra cărora acționează un câmp electric realizat fizic prin aplicarea unei tensiuni la cei doi electrozi, montați la capetele tubului închis și vidat.

Caracteristica statică a descărcării tensiune-curent poate fi urmărită în Figuta II.6, în care s-a notat:

Unde: Va este potențialul anodic și Vc potențialul catodic, iar valorile curenților sunt date la scară logaritmică.

Figura II.6 Caracteristica descărcării [5]

Zona A-B corespunde primei faze când curentul este determinat de circulația electronilor liberi existenți.

Zona C-D corespunde fazei a II-a, descărcare în licărire sau luminiscentă, ce se realizează după ce tensiunea a ajuns la valoarea de amorsare/rezonanță corespunzătoare punctului B. Scăderea de tensiune este determinată de rezistența dinamică negativă provocată de creșterea numărului de electroni ce se aglomerează în zona catodului.

Zona D-E este faza a III-a, descărcare în arc, când catodul având o temperatură de 1200 K realizează o emisie termoelectronică. Reglajul stabil se realizează din rezistența exterioară reglată la valoarea R, punctul M, la descărcarea în licărire și respectiv la valoarea la descărcarea în arc. Caracteristica rezistenței este o dreaptă dar ea apare ca o curbă datorită scării logaritmice.

Deci pentru stabilizarea descărcării trebuie intervenit cu o reactanță inductivă, element de circuit care este denumit balast. În Figura II.7 se poate urmări forma curbei curentului în diferite cazuri. Se observă că față de balastul rezistiv celelalte două tipuri înlătură pauzele prelungite de curent.

Figura II.7 Forma curbei curentului la o lampă cu descărcări [5]

balast rezistiv b) balast inductiv c) balast capacitiv

Balastul trebuie să îndeplinească următoarele condiții [5]:

să asigure stabilizarea descărcării;

să prezinte un factor de putere ridicat;

să prezinte un sistem corespunzător de amorsare a lămpii;

să aibă un procentaj scăzut de armonici;

să fie echipat cu sisteme de atenuare a paraziților radio sau TV;

să prezinte o impedanță ridicată pentru frecvențele sonore;

să fie ușor, cu volum și preț de cost redus;

să prezinte o funcționare silențioasă într-un timp de viață cât mai îndelungat, în condiții de securitate.

O altă problemă importantă este amorsarea descărcării. Datorită rezistenței interioare mari a mediului utilizat, amorsarea poate fi realizată în trei moduri:

supratensiune inițială;

scăderea lentă prin ionizare a rezistenței mediului de descărcare;

prin combinarea celor două sisteme;

Problema factorului de putere scăzut trebuie luată în considerare și realizată compensarea locală prin compensarea puterii reactive cu un condensator, prin montaj combinat inductiv și capacitiv la cuplarea a două lămpi, soluție ce oferă și avantajul diminuării fenomenului de pâlpâire considerat pe ansamblul celor două surse.

II.3.1 Lampa cu descărcare în vapori de mercur (Hg) la înaltă presiune cu balon fluorescent

Balonul are rolul de a face independentă descărcarea de temperatura exterioară și de a converti radiația ultravioletă în radiații vizibile (în acest caz eficacitatea crește).

În acest tip de lampă descărcarea are loc într-un tub de cuarț. Părțile componente ale tubului sunt prezentate în Figura II.8:

Figura II.8 Lampa cu descărcări în vapori de mercur la înaltă presiune [8]

Lampa se conectează în serie cu balast și se amorsează direct la tensiunea rețelei cu ajutorul electrodului auxiliar. Între electrodul auxiliar și cel principal are loc descărcarea al cărei curent este limitat de o rezistență. Curentul este de 1,5 ori curentul nominal. După 3..5 minute mercurul se evaporă, presiunea devine o atmosferă și tubul va conține suficienți ioni pentru ca descărcarea să se producă între electrozii principali. Funcționarea normală a lămpii are loc în intervalul de temperatura -25°C … 40°C, descărcarea în vapori de mercur la înaltă presiune constituie sursa unei radiații electromagnetice policromatice compusă din radiații cu lungimi de undă atât din spectrul vizibil (577 nm zona galben, 404,7 nm zona violet), cât și din spectrul invizibil (366 nm radiație ultravioletă).

Lampa este prevăzuta și cu un soclul metalic 9 cu filet E27 sau E40 (în funcție de putere) a cărui temperatură maximă poate ajunge la 200 grade Celsius, respectiv 250°C.

Caracteristicile lămpii [4]:

Eficacitate luminoasă mare față de surse incandescente;

Durata de funcționare mare 12000 – 20000 h, cu o depreciere a fluxului luminos de 70% din valoare inițială;

Volum mic la aceeași putere față de celelalte tipuri de lămpi;

Luminanța de [nt], obligând respectare unor înălțimi de montaj peste 6 m;

Sunt sensibile la variațiile tensiunii de alimentare. La variații suficient de mari se sting iar aprinderea are loc după 8 – 18 min.

Redarea culorilor nu este corectă. Temperatura de culoare de 4000 K. Se poate obține o temperatură de culoare mai caldă, de 3300 K, utilizând pulberi fluorescente speciale tip „Confort”.

Efect stroboscopic pronunțat.

Nu este afectată de temperatura mediului ambiant.

Simbolizarea lămpilor cu vapori de mercur de înaltă presiune în România se face prin grupul de litere LVF la care se atașează un număr ce reprezintă puterea standardizată a lămpi.

Schema de montaj a unei lămpi fluorescente cu vapori de mercur la înalta presiune este prezentata în detaliu în Figura II.9 unde sunt puse în evidență și accesoriile necesare unei funcționări corespunzătoare a unei lămpii LVF și anume electrodul auxiliar Ea și balastul inductiv BVA.

Electrodul auxiliar Ea este montat în apropierea unuia dintre electrozii principali Ep și racordat printr-un rezistor la celălalt electrod principal, acesta are rolul de a asigura condițiile necesare amorsării lămpii: preîncălzire, evaporarea mercurului și ionizarea spațiului de descărcare. Cu ajutorul balastului BVA se realizează descărcarea, limitând curentul electric la o valoare admisibilă, care să nu distrugă electrozii. Balastul inductiv din schemă conduce la defazarea curentului absorbit în raport cu tensiunea aplicată. Se recomandă montarea unor condensatoare în paralel pentru îmbunătățirea factorului de putere, acestea se pot monta direct la bornele de alimentare ale ansamblului lampă-balast.

O altă caracteristică care trebuie amintită este caracterul deformant al acestui receptor, este dat de procesul de descărcare electrică ce are loc în tubul de descărcare a lămpii.

La întreruperea tensiunii de alimentare, lampa se stinge, iar reaprinderea acesteia nu este posibilă decât după un interval de câteva minute timp numit timp de relansare.

Figura II.9 Schema de montaj a lămpilor fluorescente cu vapori de mercur la înaltă presiune

Utilizarea acestor lămpi este recomandată în instalații de iluminat exterior și în hale industriale unde redarea corectă a culorilor nu este importantă.

II.3.2 Lampa cu descărcări în vapori de mercur (Hg) la înaltă presiune și halogenuri metalice

În eforturile de a se modifica spectrul radiațiilor emise de lampa de Hg la înaltă presiune s-a ajuns la concluzia că aceasta s-ar putea realiza prin folosirea unor adaosuri de substanțe în tubul de descărcare.

Tubul de descărcare conține un amestec de gaze inerte neon-argon sau kripton-argon, o mică cantitate de mercur și un amestec de halogenuri metalice. Mercurul are rolul doar de reglarea tensiunii și a temperaturii arcului de descărcare, în timp ce celelalte substanțe participă la o reacție chimică reversibilă de descompunere a halogenurii metalice în ioni metalici și halogen în apropierea axei arcului de descărcare (la circa 3000 K), respectiv de recompunere a halogenurii în apropierea peretelui tubului (peste 900 K).

Prin folosirea unor halogenuri metalice (ioduri, bromuri sau fluoruri) fenomenul care are loc este următorul:

Descompunerea halogenurii metalice datorită temperaturii foarte ridicate formându-se:

Halogenura metalică → metal + + halogen –

Halogenura metalică neagresivă în apropierea peretelui tubului de descărcare;

Ioni metalici și ioni de halogen în zona centrală a tubului de descărcare, ionii metalici fiind cei ce emit radiații. Aceștia sunt agresivi dar nu pot atinge peretele datorită faptului că acesta din urmă are o temperatură mai scăzută decât centrul tubului, ceea ce determină recombinarea ionilor și formarea halogenurii metalice.

Caracteristicile lămpii diferă în funcție de compoziția de halogenuri.

Aceste lămpi au eficacitate între 68..95 lm/W în funcție de tip, de calitatea redării a culorilor și de complexitatea stratului luminofor.

În prezent sunt utilizate trei tipuri de halogenuri [4]:

Lămpi cu descărcări în vapori de mercur la înaltă presiune și halogenuri metalice, cu spectru trei-benzi.

Aceste lămpi se construiesc cu puteri nominale de: 250, 400, 1000, 2000 W

Eficacitatea luminoasă de: 65…90 lm/W

Durata de viață: 12000 ore

Temperatura de culoare: 4300 K

Indicele de culoare: 65..68

Lămpi cu descărcări în vapori de mercur la înaltă presiune și halogenuri metalice, cu spectru multi-linii.

Aceste lămpi se construiesc cu puteri nominale de: 70, 150, 250, 1800 W

Eficacitatea luminoasă de: 70..80 lm/W

Durata de viață: 4000…10000 ore

Temperatura de culoare: 4000, 5600 K

Indicele de culoare: 80…92

Lămpi cu descărcări în vapori de mercur la înaltă presiune și halogenuri metalice, cu spectru cvasi-continuu.

Aceste lămpi se construiesc cu puteri nominale de: 70, 150, 500 W

Eficacitatea luminoasă de: 58…61 lm/W

Durata de viață: 750…1500 ore

Temperatura de culoare: 3000…5500 K

Indicele de culoare: 74…85

Variații ale tensiunii de alimentare afectează culoarea luminii și durata de viață a lămpii. Reaprinderea lămpii este posibilă numai după o răcire de 10..20 minute. Pentru stabilizarea descărcării trebuie utilizat un balast inductiv conectat în serie. Amorsarea descărcării se face cu un dispozitiv numit igniter sau starter electronic ce furnizează un impuls de tensiune de 0,5… 5kV. Dacă montăm un condensator în paralel atunci reușim să îmbunătățim și factorul de putere al sistemului lamă – balast.

II.3.3 Lampa cu descărcări în vapori de mercur (Hg) la înaltă presiune cu lumină mixtă

La această lampă balastul care este inductiv este format dintr-un filament de Wolfram dublu spiralat, este încorporat în lampă montat în balonul protector din sticlă fiind conectat în serie cu tubul de descărcare, filamentul stabilizează descărcarea și are rolul de a limita tensiunea și curentul aplicate asupra tubului și de asemenea îmbogățește spectrul radiațiilor emise cu radiații de culoare caldă deoarece este în același timp și o lampă cu incandescenta normală.

Figura II.10 Părțile componente ale lămpii cu lumină mixtă [4]

Lampa se fabrică în gama de putere de 100, 160, 250, 500 W. Eficacitatea luminoasă depinde de eficacitățile individuale ale procesului incandescent și de descărcare în parte, ea variind între 20…30 lm/W. Durata de viață, care este aproximativ 8000 de ore, este influențată de frecvența de conectare. Ciclul standard este de 12 ore de funcționare continuă după aprindere.

Aprinderea completă a lămpii are loc după câteva minute, fapt caracteristic descărcării în vapori de mercur, lampa emite lumină imediat după conectare sa la rețea prin filamentul de wolfram deoarece acesta se aprinde o dată cu conectare la rețea.

Interiorul balonului este umplut cu un amestec de argon-azot la o presiune de circa o atmosferă și pe peretele acestuia găsim un strat de pulbere fluorescentă.

Trebuie menționat:

Culoarea redată este alb-cald și se obține o bună redare a culorilor Ra = 60.

Reglajul fluxului luminos nu este posibil.

Variațiile tensiunii de alimentare influențează caracteristicile lămpii, în special durata de viață, în timp ce temperatura mediului ambiant nu influențează funcționarea lămpii.

Factorul de putere este aproape de unitate.

Eficacitatea luminoasă a sursei este ridicată atunci fluxul luminos al tubului de descărcare este egal cu cel al filamentului și pentru aceasta este necesar ca puterea electrică aferentă lămpii incandescente să reprezinte un procent de circa 60% din puterea totală absorbită de lampă.

Durata de viața mult mai ridicata decât cea a lămpilor cu incandescență standard se explică prin temperatura de lucru mai scăzuta a filamentului și prin creșterea presiunii gazului inert din balonul protector de sticlă.

PROIECTAREA UNEI INSTALAȚII DE ILUMINAT

Bineînțeles există o multitudine de metode și aplicații de proiectare a instalațiilor de iluminat dar în general proiectarea unei instalații de iluminat cuprinde următoarele etape [6]:

Alegerea sistemului de iluminat.

Alegerea surselor de lumină.

Alegerea corpurilor de iluminat.

Amplasarea corpurilor de iluminat.

Dimensionarea instalației de iluminat.

Metodele de proiectare a instalațiilor de iluminat pot fi clasificate astfel:

Metode de calcul globale, care iau în considerare atât componenta directă cât și cea reflectată a iluminării în valori medii, care cuprinde următoarele:

Metoda factorului de utilizare (valori medii);

Metoda reflexiilor multiple (valori medii);

Metode de calcul singulare, prin care se determină separat componenta directă de cea reflectată. Aici avem:

Metodele punct cu punct pentru diverse tipuri de surse (punctiforme, linieforme și de suprafață) pentru determinarea componentei directe a iluminării într-un punct;

Metoda reflexiilor multiple, utilizată pentru determinarea exclusivă a componentei reflectate a iluminării (valoarea medie).

Ținând seama de cerințele actuale tehnico-economice, dimensionarea se realizează în funcție de nivelul de iluminare în planul util, astfel se recomandă următoarele etape de calcul [6]:

Predimensionarea instalației cu ajutorul metodei factorului de utilizare

Verificarea cantitativă a instalației realizate prin metoda punct cu punct (calculul nivelului de iluminare efectiv și uniformitatea iluminării).

Verificarea calitativă din punctul de vedere al distribuției luminanțelor în câmpul vizual și la periferia sa.

Pentru încăperile cu suprafață mică calculul se poate reduce numai la prima etapa , pentru hale industriale prima metoda poate fi folosită numai ca orientare dar metoda de calcul optimă este metoda punct cu punct.

III.1 Alegerea sistemului de iluminat

Primul criteriu de alegere a sistemului de iluminat este legat de destinația și scopul instalației, astfel sistemul de iluminat general se adoptă în următoarele cazuri [9]:

Activitățile se desfășoară în locuri diferite.

Există un număr mare de locuri de muncă în clădirea respectivă.

Atenția persoanelor trebuie să fie distribuită pe suprafețe mai mari.

Iluminatul general uniform se utilizează pentru:

Spațiile de lucru în care totalitatea lucrărilor se încadrează în aceeași categorie de dificultate vizuală, dacă nivelul de iluminare nu depășește 500 lx.

Spațiile de lucru în care locurile de muncă nu au o poziție fixă.

Sistemul de iluminat general zonal se folosește în halele monobloc, în care faze ale procesului tehnologic se efectuează în zone delimitate.

Sistemele de iluminat combinat sau localizat se utilizează când se cer niveluri de iluminat superioare în care activitatea are un caracter individual.

Sistemul de iluminat general împreună cu iluminat local se va folosi acolo unde lucrările se încadrează în diferite categorii de dificultate vizuală și unde locurile de muncă nu sunt grupate în zone bine delimitate în funcție de dificultatea vizuală a lucrărilor.

Sistemul de iluminat general localizat combinat cu iluminat general se utilizează acolo unde lucrările intră în diferite categorii de dificultate vizuală, iar unde se efectuează lucrări pretențioase sunt grupate în zone bine delimitate.

III.2 Alegerea surselor de lumină și a corpurilor de iluminat

Alegerea surselor de lumină se poate face pe baza recomandărilor din Tabelul III.1. [9].

Tabelul III.1

Indicații privind alegerea surselor electrice de lumină

* Tipul tuburilor se alege conform normativului I.7-74.

** Numai cu montaje prin care se reduce pâlpâirea.

Dacă raportul [9]:

atunci se recomandă mărirea numărului de corpuri păstrându-se simetria de amplasare și reluarea calculelor din acest punct, până când diferența se reduce suficient.

Trebuie să menționăm faptul că prin acest procedeu, tipul corpului și tipul lămpii se definitivează simultan.

În relația de mai sus:

și dintre combinațiile posibile se alege acel produs care dă o valoare mai mare dar cât mai apropiată de :

Unde:

Nlc este numărul de lămpi care se pot monta în corpul de iluminat.

este fluxul nominal al lămpii alese .

este fluxul minim necesar pentru lămpile din corp

este dat de relația următoare care ne dă fluxul unui corp de iluminat:

Unde:

Eadm este valoarea de iluminare medie minimă a lămpilor dintr-un corp care se calculează cu relația următoare în care este fluxul luminos primit de suprafața A:

A este suprafața a planului util

este factorul de depreciere

este dat de Relația III.23

Nc numărul de corpuri de iluminat

III.3 Amplasarea corpurilor de iluminat

În general înălțimea de suspendare se determină cu relația:

H este înălțimea încăperii

este înălțimea planului util față de pardoseală

este lungimea pendulului corpului determinată de tipul de corp ales și de evitarea fenomenului de orbire.

Figura III.1 Figura explicativă a înălțimii de suspendare [9]

Limita inferioară a înălțimii de suspendare depinde de înălțimea la care se poate evita fenomenul de orbire, în timp ce limita superioară depinde de înălțimea tavanului.

Amplasarea surselor punctiforme

Corpurile de iluminat se așează în vârfurile unor dreptunghiuri sau triunghiuri orientate în raport cu dimensiunile încăperii, așa cum este ilustrat în Figura III.2.

Figura III.2 Amplasarea în plan a surselor punctiforme [9]

Valorile distanței relative sunt date de relația următoare, în care h reprezintă înălțimea de suspendare deasupra planului util, sau în cazul iluminatului mixt și indirect se folosește lungimea hc:

Valorile distanței relative dintre două corpuri de iluminat apropiate, depinde de felul distribuției fluxului luminos pe care acestea le realizează:

Iluminatul direct cu lămpi fluorescente

Iluminatul direct cu lămpi cu incandescență

Iluminatul mixt

Iluminatul indirect

Soluția optimă din punct de vedere economic este ca și în cazul Figura III.2 a) ca și în cazul Figura III.2 b) ca sau .

Distanța se reglează în felul următor [9]:

unde

atunci când se află utilaje sau mese de lucru amplasate aproape de pereți și

când lângă pereți există spațiu de trecere.

Ținând cont de faptul că pe una din dimensiunile încăperii avem distanțe dintre corpuri și la capete mai rămâne câte o distanță dp până la pereți, putem scrie următoare egalitatea în care reprezintă distanța dintre două corpuri pe direcția în care dimensiunea încăperii este Li:

Rezultă numărul de corpuri pe dimensiunea Li:

Din această relație rezultă că:

Limitei inferioare îi corespunde numărul maxim de corpuri NiM

Limitei superioare îi corespunde numărul minim de corpuri Nim

Între aceste două limite se încadrează numărul de corpuri Ni ales:

care trebuie să fie cât mai apropiat de limita inferioară Nim, astfel încât iluminarea medie să depășească iluminarea medie minimă.

Amplasarea surselor liniare

Se recomandă următoarele valori relative pentru distanțele între corpuri de iluminat:

în cadrul aceleiași benzi;

între două benzi paralele.

Dimensiunea încăperii paralelă cu benzile este:

de aici rezultă numărul de corpuri pe bandă:

Unde: Lc este lungimea corpului de iluminat.

După stabilirea numărului de corpuri din cadrul unei benzi trebuie verificat ca distanța dintre două corpuri să fie mai mare decât lungimea de gabarit Lc a corpului de iluminat adică :

După ce am determinat numărul de corpuri N1 și N2, se calculează numărul total de corpuri cu următoare formulă:

III.4 Dimensionarea instalației de iluminat. Metoda factorului de utilizare

Factorul de utilizare u este raportul între fluxul incident pe suprafața utilă și fluxul emis de sursă , sau cu alte cuvinte reprezintă un randament al utilizării efective a fluxului în planul util [6]:

Din formula anterioară rezultă relația de dimensionare pentru fluxul necesar înlocuind fluxul util cu relația de definiție :

Unde:

Em – este iluminarea medie admisă în [lx];

S – este suprafața utilă în

u – factorul de utilizare stabilit de către întreprinderea constructoare de corpuri de iluminat.

Factorul de utilizare depinde de:

Tipul corpului de iluminat și modul de distribuție a fluxului luminos de către acesta;

Poziția sursei față de planul util și dimensiunile încăperii considerate;

Reflexia suprafețelor pereților și tavanului concretizată prin factorii de reflexie respectivi: .

În valoarea factorului de utilizare poate fi cuprins sau nu și factorul de depreciere (sau ) al sursei de lumină și corpului de iluminat. În acest caz relația anterioară devine:

Trebuie determinat și indicele localului pe baza căreia se alege factorul de utilizare din tabele găsite în cataloagele produselor. Un exemplu de astfel de tabel îl găsim la Tabelul III.2.

Unde:

L este lungimea încăperii în [m];

l este lățimea încăperii în [m];

h înălțimea sursei deasupra planului util în [m] în general măsurată de la axul orizontal al sursei la planul util, iar în cazul surselor cu incandescență, de la filament la planul util.

Tabelul III.2

Exemplu de alegere a factorilor de reflexie și utilizare [6]

ÎnFigura III.3 sunt date înălțimile pentru diverse sisteme de iluminat.

Figura III.3 Determinarea înălțimii h de suspendare a sursei peste planul util [6]

În cazul iluminatului direct, semidirect și mixt se procedează ca în Figura III.3 a):

În cazul iluminatului indirect și semidirect se procedează ca în Figura III.3 b):

Unde:

h este înălțimea de atârnare

hu este înălțimea utilă

ht este înălțimea încăperii

În cazul tabelelor generale, dacă randamentul corpului de utilizat diferă de randamentul indicat în tabel în vederea stabilirii factorului de utilizare, atunci factorul de utilizare corectat uc va fi:

unde u este factorul de utilizare extras din tabel.

În cazul în care tabelele conțin factorul de depreciere , dar acesta diferă de cel normal atunci factorul de utilizare corectat va fi:

Factorii de reflexie ai tavanului și pereților se aleg în funcție de natura finisajelor din Tabelul III.3:

Tabelul III.3

Natura finisajelor [6]

În cazul pereților de diferite culori, când nu se poate stabili un factor de reflexie global, se poate determina un factor de reflexie mediu ponderat în raport cu aria suprafețelor considerate:

Unde: sunt factorii de reflexie ai diferitelor suprafețe de arie ; Sp este aria suprafeței peretelui.

Pentru determinarea numărului de lămpi necesare de instalat într-o încăpere se parcurg următoarele etape:

determinarea numărului de surse în funcție de o sursă dată;

determinarea fluxului unei surse în funcție de un număr dat de locuri;

Numărul necesar de surse n este dat de relația:

Unde: este fluxul unei surse ales după indicațiile de mai jos

Pentru surse incandescente montate în corpuri de iluminat care nu realizează condițiile necesare de unghi de protecție limită, se recomandă lămpile de mică putere 40-75 W.

Pentru sursele incandescente protejate corespunzător prin corpuri de iluminat cu unghiuri de protecție sau globuri din sticlă opacă, puterea se poate alege până la 200 W.

Pentru încăperile mici și medii, în cazul surselor fluorescente se aleg lămpi de 40 W sau dacă sunt montate în șiruri se recomandă de 65 W din motive economice. La încăperi foarte mici se recomandă lampa de 20 W.

În încăperi mari sau hale industriale se recomandă utilizarea lămpilor de 65 W cu descărcări în gaze sau vapori metalici.

Numărul de lămpi se determină cu relația:

Unde n este numărul de surse impus de către condițiile constructive ale plafonului.

Momentan se ține seama de ambele ipoteze pentru că în majoritatea cazurilor există elemente constructive care nu permit amplasarea simetrică/perfectă a surselor.

STUDIUL VARIAȚIEI PARAMETRILOR CARACTERISTICI AI LĂMPILOR CU DESCĂRCARE ÎN VAPORI METALICI LA ÎNALTĂ PRESIUNE ÎN FUNCȚIE DE VALOAREA TENSIUNII DE ALIMENTARE

Standul experimental realizat este echipat cu trei surse cu descărcări în vapori metalici la înaltă presiune. Astfel, am utilizat o sursă cu descărcări în vapori de mercur la înaltă presiune de 125 W, o sursă cu descărcări în vapori de sodiu la înaltă presiune de 100 W și o lampă cu lumină mixtă de 160 W.

Lampa cu vapori de mercur se leagă la rețea în serie cu bobina de balast necesară stabilizării descărcării electrice. Aceste lămpi se amorsează direct la tensiunea rețelei, cu ajutorul unui electrod auxiliar astfel: între electrodul auxiliar și cel principal se stabilește tensiunea rețelei și are loc o descărcare al cărei curent este limitat de o rezistenta electrică. Amorsarea acestui tip de lampă durează 5-10 minute. După amorsare, descărcarea se produce între electrozii principali datorită ionizării în avalanșă. Aceste lămpi se construiesc pentru puteri de 80, 125, 250. 400 W.

Lampa cu vapori de sodiu de înaltă presiune, este asemănătoare cu lămpile de înaltă presiune cu mercur, cu deosebirea că tubul este format din aluminiu sinterizat translucid. În acesta se află sodiu, mercur și gaze inerte. Totodată balonul în care se montează tubul poate fi:

• elicoidal (lămpile tip LPN), cu strat de luminofor pe partea interioară. Acestea folosesc și fenomenul de fluorescență pentru obținerea radiațiilor luminoase;

• tubular (lămpile tip LPN T) din sticlă clară. Caracteristicile acestor lămpi indică o superioritate evidenta față de lămpile cu filament incandescent sau fluorescente cu vapori de mercur. Au ca principal dezavantaj luminanța deosebit de ridicată, obligând la ridicarea înălțimii de montaj pentru corpurile de iluminat în care se montează. Aceste lămpi se conectează la rețea având în circuit: un dispozitiv de amorsare și un dispozitiv de stabilizare a descărcării care suprapune tensiunii rețelei impulsuri de înaltă tensiune (3-4,5 KV) ce asigură o descărcare rapidă între electrozii lămpii.

Standul experimental conține o lampă cu vapori de sodiu de înaltă presiune, cu balonul de formă tubulară din sticlă clară.

Lampa cu lumină mixtă, este un înlocuitor direct pentru sursele de iluminat cu incandescență. Se caracterizează printr-o eficacitate ridicată și durată de funcționare mai lungă comparativ cu sursele incandescente. Are un tub de descărcare în vapori de mercur de înaltă presiune, filamentul de wolfram. Funcționează la tensiunea rețelei fără a fi necesar un aparataj adițional. Aceste lămpi combină spectrul continuu al sursei incandescente cu spectrul în linie al sursei cu vapori de mercur de înaltă presiune

Standul experimental realizat poate fi utilizat de către studenți în cadrul orelor de laborator la disciplina de Utilizări ale energiei electrice, pentru studiul parametrilor acestor surse în funcție de tensiunea de alimentare.

Se poate studia dependența în funcție de tensiunea de alimentare a principalilor parametrii energetici ai lămpilor:

– intensitatea curentului electric în circuitul lămpii,

– puterea electrică absorbită,

– fluxul luminos emis,

– eficacitatea luminoasă,

– impedanța internă.

Se pune în evidență faptul că pentru a atinge parametrii nominali de funcționare, aceste surse necesită un timp de lansare, iar în cazul întreruperii de scurtă durată a alimentării cu energie electrică, este necesar un timp de relansare.

Schema electrică a standului experimental este prezentată în figura IV.1.

Figura IV.1 Schema electrică a standului experimental

L1- Lampă cu mercur la înaltă presiune;

L2-Lampă mixtă;

L3-Lampă cu sodiu la înaltă presiune;

B1,B2-Balast inductiv;

C1,C2-Condensatoare;

DA- Igniter (dispozitiv amorsare) ;

sw1,sw2,sw3-întreruptoare push buton;

AT- autotransformator;

V-voltmetru;

A-ampermetru

R1,R2 –rezistențe (1MΩ).

Lampă cu vapori de mercur la înaltă presiune: HPL-N 125W/542 E27 [11]

Lampa este echipată cu un electrod auxiliar cu ajutorul căruia se realizează o aprindere rapidă și sigură.

Balonul este cu un singur cap de ardere, umplut cu gaz (Hg;Sg) cu tub din cuarț cu descărcare în vapori de mercur.

Balon ovoidal cu înveliș interior ce emite o lumină rece, cu o calitate rezonabilă a culori.

Caracteristici:

Masa netă: 0,063 Kg

Soclul/baza: E27

Forma balonul: BD75 [BD 75mm]; Lungimea: 173 [mm];

Material balon: sticlă moale

Finisaj înveliș: acoperit

Poziție de funcționare oricare sau universal

Funcționare la 5% căderi: 6000 ore

Funcționare la 20% căderi: 10000 ore

Funcționare la 50% căderi: 16000 ore

Reglare a intensității lumini: Nu

Putere lampă: 125,0 W

Tensiune lampă: 125 V

Curent lampă: 1,15 A

Conținut de mercur (Hg): 19 mg

Indice de redare a culorilor: 46 Ra

Temperatura de culoare: 4200K

Chromacitate coordonata X: 374- Figura IV.2 Lampă cu mercur la înaltă presiune[11]

Chromacitate coordonata Y: 373-

Flux luminos lampă EM: 6200Lm

Eficacitate luminoasă EM: 50Lm/W

Menținere flux luminos: 2000h 90%

Menținere flux luminos: 5000h 85%

Temperatură soclu/bază: 200°C.

Temperatură înveliș: 350°C.

Figura IV.3 Structura internă a lămpi cu mercur (Hg) la înaltă presiune

Lampa cu vapori de mercur se aprinde la o tensiune care depășește pragul de 100V, astfel avem o dependența între tensiunea de alimentare și nivelul de iluminare, rezultatele sunt prezentate în Tabelul IV.1:

Tabelul IV.1

Dependența dintre tensiunea de alimentare și nivelul de iluminare

– se observa faptul că o dată cu creșterea tensiuni crește și nivelul de iluminare emis de lampă.

Este de știut faptul că lampa cu vapori de mercur la înaltă presiune necesită câteva minute ca să se aprindă complet, astfel în cele ce urmează se va studia nivelul de iluminare în timp la diferite trepte de tensiune.

Pentru început vom lua o treaptă mai joasă de tensiune de 120V, nu mult peste pragul de aprindere a lămpi de mercur și se va măsura iluminarea emisă de către aceasta la un interval de câte 30 de secunde.

Tabelul IV.2

Iluminarea în funcție de timp la o tensiune fixă de 120V

Figura IV.4 Variația nivelului de iluminarea în funcție de timp la tensiunea 120V

Din datele prezentate în Tabelul IV.1 s-a constat că odată cu creșterea tensiuni crește și nivelul de iluminare dar după cum putem observa nu doar tensiunea are influență asupra nivelului de iluminare ci și timpul de aceea am luat o tensiune fixă dată în Tabelul IV.2 și o durată de timp până când iluminarea se stabilizează, legătura dintre ele este reprezentată grafic în Figura IV.4. Se vor efectua aceleași măsurători de repetate ori pentru a se evidenția mai bine fenomenul.

Tabelul IV.3

Dependența iluminări în funcție de timp la tensiuni fixe de 160V,180V

Tensiunea 160V Tensiunea 180V

Figura IV.5 Reprezentarea grafică a iluminări în funcție de timp

Tabelul IV.4

Dependența iluminări în funcție de timp la tensiuni fixe de 200V, 220V

Tensiunea 200V Tensiunea 220V

Figura IV.6 Reprezentarea grafică a iluminări în funcție de timp

pentru tensiuni de 200V și 220V

Din măsurătorile prezentate mai sus reiese faptul că, cu cât tensiunea de alimentare aleasă este mai mare cu atât crește și iluminarea mai repede și lampa cu vapori de mercur la înaltă presiune își stabilizează mai rapid parametri optici.

Lampă cu vapori de sodiu la înaltă presiune: SHP-T 100W E40

Aceste lămpi sunt foarte practice datorită consumului destul de convenabil, performanței nivelului de lumină, durata de viață mare și flexibilități acestora.

Sunt lămpi de exterior și le întâlnim adesea în iluminatul stradal, al parcărilor, a anumitor obiective sau al unor monumente.

Caracteristici:

Tehnologia lampă de tip: HID.

Durată de viață (h): 32000.

Finisaj înveliș: descoperită.

Forma lămpi: tubulară.

Soclul/bază: E40.

Tipul: SHP-T.

Indice de redare a culorilor: 20Ra.

Temperatura de culoare: 2000K.

Flux luminos: 10000 lm.

Eficacitate (lm/w): 100.

Putere (nominală): 100W.

Tensiunea: 100V.

Tensiune igniter: 0V.

Curent: 1,2 A.

Greutate (masă): 0.17Kg.

Conținut de sodiu: 8 [mg].

Lungime lampă: 210[ mm].

Diametru: 47[mm].

Temperatura ambientală pentru flux

luminos max.: 25°C.

Figura IV.7 Lampă de sodiu la înaltă presiune

Figura IV.8 Structura internă a lămpi de sodiu (Na) la înaltă presiune

Lampa de acest tip necesită o tensiune care să depășească pragul de 180 de volți ca să se aprindă, amorsarea realizându-se nu numai cu ajutorul balastului ci și cu ajutorul igniterului, acestea reprezentând și unul dintre dezavantajele lămpilor cu sodiu la înaltă presiune, este des întâlnit și faptul că lampa se stinge uneori la fluctuați ale rețelei lăsând falsa impresie că aceasta s-a defectat, deci prin urmare lampa nu are o plajă mare de tensiune la care să funcționeze în parametri normali.

Tabelul IV.5

Nivelul de iluminare în funcție de tensiunea de alimentare

În cele ce urmează se vor prezenta măsurătorile efectuate care pun în evidență nivelul de iluminare ce variază în timp (până ce lampa ajunge la iluminare constantă; adică se aprinde complet ), la valori ale tensiuni dinainte stabilite:

Tabelul IV.6

Iluminarea în funcție de timp la tensiuni fixe de 180V,190V

Tensiunea 180V Tensiunea 190V

Figura IV.9 Reprezentarea grafică a iluminări în funcție de timp

Se observă că o dată amorsată lampa, iluminarea crește la valori destul de ridicate în timp relativ scurt, aceasta având o luminozitate bună cu lumină caldă.

Tabelul IV.7

Iluminarea în funcție de timp la tensiuni fixe de 200V, 210V

Tensiunea 200V Tensiunea 210V

Figura IV.10 Reprezentarea grafică a iluminări în funcție de timp

Tabelul IV.8

Iluminarea în funcție de timp la tensiune de 220V

Tensiunea 220V

Figura IV.11 Reprezentarea grafică a iluminări în funcție de timp

Lampă mixtă: HSB-BW 160W 220V E27

Recunoscută pentru consumul mai redus decât cel al lămpilor cu incandescență, această lampă este o combinație a cele două tipuri de lămpi: incandescente și cu vapori metalici.

Prezintă o serie de avantaje printre care trebuiesc amintite: durata de viață lungă, fiabilitate mare montarea făcându-se ușor nefiind nevoie de dispozitive de amorsare sau compensare a puteri.

Se recomandă să se utilizeze în exterior cum ar fi: centrele vechi ale orașelor, bulevarde, parcări, grădini, garaje deoarece acestea au un grad mai mare de iluminare la temperaturi mai joase,temperatura minimă la care se pot utiliza fiind de -18 °C.

Caracteristici:

Tehnologia lampă de tip: HID.

Durată de viață (h): 16000.

Finisaj înveliș: acoperită.

Soclul/baza: E27.

Puterea nominală: 160W.

Tensiunea nominală: 220V.

Curentul nominal 0,8A.

Greutate (masă): 0.07Kg.

Lungime lampă: 178 [mm].

Diametrul: 76[ mm].

Indice de redare a culorilor: 60Ra.

Conținut mercur :16,2 [mg].

Temperatura de culoare: 3400K.

Eficacitatea luminoasă la 100h: 18 [lm/W].

Flux luminos: 3100[ lm].

Poziție de funcționare oricare sau universal.

Temperatura ambientală pentru flux

luminos max.: 25°C

Figura IV. 12 Lampă mixtă

Figura IV. 13 Structura internă a unei lămpi mixte

Aprinderea lămpi mixte se realizează la o tensiunea care să depășească pragul de 100 V, mai întâi se aprinde filamentul incandescent de wolfram, acesta dând o lumină caldă specifică lămpilor cu incandescentă și doar după aceea se realizează amorsarea lămpi de mercur astfel îmbunătățindu-se spectrul luminos și cu o lumină albă specifică lămpilor cu vapori de metal.

În tabelul de mai jos se va prezenta iluminarea în funcție de tensiunea de alimentare, valorile se vor măsura într-un interval scurt de timp astfel ca timpul să nu reprezinte un factor de mare influență.

Tabelul IV.9

Nivelul de iluminare în funcție de tensiunea de alimentare

În continuare se vor prezenta măsurătorile făcute, care pun în evidență iluminarea în funcție de timp, altfel spus aprinderea lămpi, de menționat este faptul că aceste măsurători s-au realizat la valori fixe ale tensiunii ca și în cazurile lămpilor prezentate anterior.

Tabelul IV.10

Iluminarea în funcție de timp la tensiuni fixe de 120V, 160V

Tensiunea 120V Tensiunea 160V

Figura IV. 14 Reprezentarea grafică a iluminări în funcție de timp

La lampa cu lumină mixtă s-a constatat o creștere inițială mai accentuată a iluminări datorită filamentului incandescent, iar mai apoi o ușoară scădere a iluminări urmată de o creștere constantă fenomen ne mai întâlnit la lămpile studiate anterior (lampa de mercur la înaltă presiune și lampa de sodiu la înaltă).

Tabelul IV.11

Iluminarea în funcție de timp la tensiuni fixe de 180V, 200V

Tensiunea 180V Tensiunea 200V

Figura IV. 15 Reprezentarea grafică a iluminări în funcție de timp

În momentul scăderi iluminări lampa începe să emită preponderent lumină albă(rece).

Tabelul IV.12

Iluminarea în funcție de timp la tensiune fixă de 220V

Figura IV. 16 Reprezentarea grafică a iluminări în funcție de timp

Din măsurători și după cum se poate observa în Tabelul IV. 12 și Figura IV.16 s-a constat că iluminarea la tensiunea de 220V este mai mare în primele secunde ale măsurări (iluminarea filamentului incandescent), decât după un timp mai îndelungat, diferența nefiind foarte mare.

Concluzii

Lampa cu vapori de sodiu la înaltă presiune are cea mai bună iluminare raportat la consumul de energie și puterea acesteia fiind de doar 100 W mai mică în comparație cu lampa cu vapori de mercur la înaltă presiune sau față de lampa cu lumină mixtă analizate în această lucrare, dar aceasta are și unele dezavantaje:

-se poate monta doar la înălțimi mari datorită nivelului ridicat de iluminare, de aceea se întâlnește cel mai adesea în iluminatul exterior, stradal sau a anumitor obiective;

-sunt sensibile la variații ale tensiuni de alimentare;

– un alt dezavantaj demn de luat în considerarea îl reprezintă necesitatea igniterului (dispozitiv de amorsare) și a balastului inductiv pentru stabilizarea descărcări, astfel îngreunându-se montarea acestui sortiment de lămpi și reprezentând un impertiment economic în accelași timp.

În Anexa 1 prezintă lampa cu vapori de sodiu la înaltă și dispozitivele necesare pentru alimentarea acesteia.

Redarea culorilor nu este corectă la lampa cu vapori de mercur la înaltă presiune, aceasta prezentând un efect stroboscopic pronunțat, de asemenea are o sensibilitate la variații ale tensiuni, se recomandă folosirea acestui tip de lampă la instalațiile de iluminat exterior și în halele industriale unde nu se pune așa mare accent pe acest aspect.

Avantajele acestor lămpi:

– montarea acestor lămpi se face relativ ușor cu un balast în serie prezentându-se în volum redus și cu o eficacitate luminoasă mare față de sursele de iluminat cu incandescență și de asemenea și cu o durată de viață mai mare;

– folosirea acestor lămpi este foarte covenabilă dacă se ține seama de raportul facilități/ preț de cost.

În Anexa 2 este prezentată lampa cu vapori de mercur la înaltă presiune.

În cazul lampii cu lumină mixtă durata de viață este mai scăzută dar aceasta prezintă o serie de avantaje:

– montarea realizându-se ca și la o sursă de lumină cu incandescență (fără a fi necesare alte dispozitive de amorsare sau stabilizare a descărcări);

– prezintă o sensibilitate acceptabilă la variații ale tensiuni;

– este covenabilă din punct de vedere economic și ca și eficacitate luminoasă

În Anexa 3 este prezentată lampa cu lumină mixtă.

Anexa 4 se prezintă standul experimental realizat în cadul acestei lucrări.

Bibliografie

[1] Magdalena Alexandru. Măsurări electrice și electronice: Îndrumător de laborator. Universitatea din Pitești Matrix Rom București 2012.

[2] Gheorghe Andronescu. Comenzi numerice în acționări electrice. Universitatea “Politehnica” București 2005.

[3] Dumitru Asandei. Protecția sistemelor electrice. Universitatea Tehnică “Gh. Asachi” Iași 2004.

[4] Livia Bandici, Dorel Hoble .Utilizări ale energiei electrice în echipamente de iluminat și sudură. Editura Universității din Oradea 2009.

[5] C Bianchi. Luminotehnică. Aspecte fundamentale și aplicative – Volumul I. Editura Tehnică București 1990.

[6] C Bianchi, O. Centea, N. Mira și alții. Proiectarea instalațiilor de iluminat electric. Editura Tehnică București 1991.

[7] C Bianchi, N. Mira. Sisteme de iluminat interior și exterior. Concepție – Calcul – Soluții. Ediția a IV-A 2011 (revizuită).

[8] C Bianchi, N. Mira, H. Moroldo . Sisteme de iluminat interior și exterior. Concepție – Calcul – Soluții. Ediția A VII-A 2014 (revizuită).

[9] D. Comșa., S. Darie și alții. Proiectarea instalațiilor electrice industriale. Editura didactică și pedagogică București 1993.

[10] Jan Ignat, George Cătălin Popovici. Rețele electrice de joasă tensiune. Matrix Rom București 2003.

[11] www.Iluminat-special.ro

Anexa 1

Lampa cu vapori de sodiu la înaltă presiune

Anexa2

Lampa cu vapori de mercur la înaltă presiune

Anexa 3

Lampa mixtă

Anexa 4

Stand experimental

Anexa 4

Anexa 1

Lampa cu vapori de sodiu la înaltă presiune

Anexa2

Lampa cu vapori de mercur la înaltă presiune

Anexa 3

Lampa mixtă

Anexa 4

Stand experimental

Anexa 4

=== biblografie ===