Общие сведения о методах расчета. Для расчета общего равномерного освещения горизонтальных поверхностей при наличии крупных затеняющих предметов применяют метод коэффициента использования. Для той же цели служат различные упрошенные формы этого метода.
Точечный метод служит для расчета освещения как угодно расположенных поверхностей и при любом распределении освещенности. Затенения, если они имеют место, могут быть учтены, но отраженная составляющая освещенности учитывается приближенно.
Область применения каждого из названных методов определяют так.
Общее равномерное освещение при отсутствии существенных затенений может рассчитываться любым методом. Чаще всего применяют метод коэффициента использования, но в наиболее ответственных случаях при светильниках прямого света предпочтителен точечный метод.
Общее локализованное освещение (а также общее равномерное освещение при наличии существенных затенений) нужно рассчитывать по точечному методу. Если светильники не относятся к классу прямого света, то отраженную составляющую освещенности нужно учитывать с повышенной тщательностью.
Освещенность открытых пространств при расчете на минимальную освещенность и местное освещение целесообразно рассчитывать по точечному методу.
Упрощенные формы метода коэффициента использования (таблицы удельной мощности и графики) применяют в тех же случаях, что и сам метод коэффициента использования, но упрощение достигается за счет некоторой утраты точности. Таблицы и графики надо применять только при тех параметрах рассчитываемой установки, которые в них указаны.
Метод коэффициента использования. По методу коэффициента использования потребный световой поток ламп в каждом светильнике Ф рассчитывают по формуле
(1)
где Е— заданная минимальная освещенность, лк; к — коэффициент запаса; S — освещаемая площадь, м 2; z — отношение средней освещенности к минимальной; N— число светильников (как правило, намечаемое до расчета); т] — коэффициент использования светового потока в долях единицы.
По найденному световому потоку Ф выбирают ближайшую стандартную лампу, поток которой не должен отличаться от Ф больше чем на -10...+20%. При невозможности выбора с таким приближением корректируется число светильников N. При однозначно заданном Ф (люминесцентные светильники, предназначенные для определенных ламп, маломощные светильники, использование которых целесообразно с лампами наибольшей возможной мощности) формулу (1) используют для расчета N. При всех заданных других величинах формула (1) может быть применена для определения ожидаемой освещенности Е.
При расчете люминесцентного освещения чаще всего первоначально намечают число рядов ламп п, которое подставляется в формулу (1) вместо N. Тогда под Ф следует подразумевать световой поток ламп одного рада.
При выбранном типе светильника световой поток ламп в каждом светильнике Ф, может иметь всего 2 — 3 различных значения. Число светильников в ряду N определяют по формуле
(4.2)
N= Ф/Ф].
Суммарную длину TV светильников сравнивают с длиной помещения, причем возможны следующие случаи:
а) суммарная длина светильников превышает длину помещения. При этом необходимо или применить более мощные лампы (у которых поток на единицу длины больше), или увеличить число радов, или компоновать рады из сдвоенных, строенных светильников и т.д.;
б) суммарная длина светильников равна длине помещения. Задача решается устройством непрерывного ряда светильников;
в) суммарная длина светильников меньше длины помещения. При этом принимают ряд с равномерно распределенными вдоль него разрывами к между светильниками.
Из некоторых возможных вариантов на основе технико-экономических соображений выбирают наилучший.
Рекомендуется, чтобы значение X не превышало примерно половины расчетной высоты (кроме многоламповых светильников в помещениях общественных и административных зданий).
Входящий в формулу (4.1) коэффициент z, характеризующий неравномерность освещения, является функцией многих переменных и в наибольшей степени зависит от отношения расстояния между светильниками к расчетной высоте (L.h), с увеличением которого сверх рекомендуемых значений z резко возрастает. При отношении L.h, не превышающем рекомендуемых значений, можно принимать z = 1,15 для ламп накаливания и ДРЛ и 1,1 для люминесцентных ламп при расположении светильников в виде светящих линий. Для отраженного освещения можно считать z = = 1,0; при расчете на среднюю освещенность z не учитывается.
Упрощенные формы расчета освещения. Удельную мощность w, Вт/м 2, т. е. частное от деления суммарной мощности ламп на площадь помещения, широко используют при оценке экономичности решений, для контроля расчетов (при наличии достаточного опыта) и предварительного определения осветительной нагрузки на начальных стадиях проектирования.
На всех стадиях разрешается взамен полного светотехнического расчета определять мощность или число ламп по таблицам удельной мощности (хотя в ответственных случаях рекомендуются более точные формы расчета), но только для общего равномерного освещения при отсутствии требующих учета затенений и в пределах тех паспортных данных, для которых составлены таблицы.
Не следует рассчитывать по таблицам удельной мощности освещение таких помещений, как гардеробы и санузлы, по существу являющееся локализованным.
К паспортным данным таблиц удельной мощности и к учитываемым ими параметрам при лампах накаливания относятся: тип светильников; освещенность;
коэффициент запаса (при его значениях, отличающихся от указанных в таблицах, допускается пропорциональный пересчет значений удельной мощности):
коэффициенты отражения поверхностей помещения; значения расчетной высоты; площадь помещения.
Для люминесцентных ламп сохраняет силу все вышесказанное, но со следующими отличиями:
таблицы приводятся только для освещенности 100 лк, так как в данном случае имеет место прямая пропорциональность между Е и w;
к паспортным данным относятся тип и мощность лампы и соответствующая им световая отдача.
Таблицы удельной мощности для ламп типа ДРЛ составлены также для освещенности 100 лк (с пропорциональным пересчетом при других освещенностях), так как световая отдача всех типоразмеров этих ламп одинакова.
Порядок пользования таблицами при лампах накаливания и лампах типа ДРЛ следующий:
выбирают все решения по освещению помещения, включая подсчет числа светильников /V;
по соответствующей таблице находят удельную мощность w; определяют единичную мощность лампы по формуле
выбирают ближайшую стандартную лампу.
При люминесцентных лампах выбирают все решения по освещению помещений, включая подсчет числа рядов светильников п и определение спектрального типа лампы; по соответствующей таблице находят значения удельной мощности w для ламп данной мощности;
для тех же ламп определяют необходимое число светильников в ряду делением произведения на мощность одного светильника и осуществляют компоновку ряда, как рассмотрено выше.
Приемником электроэнергии называют электрическую часть производственной установки, получающую электроэнергию от источника и преобразующую ее в механическую, тепловую, химическую, световую энергию, в энергию электростатического или электромагнитного поля.
Электропотребителем называют совокупность электроприемников производственных установок цеха, корпуса, предприятия, присоединенных с помощью электрических сетей к общему пункту электропитания.
В зависимости от вида энергии, в который преобразуется электроэнергия, различают следующие типы приемников электроэнергии: электрические приводы машин и механизмов; электротермические, электрохимические и электролизные установки; преобразовательные установки; установки электроосвещения; установки электростатического и электромагнитного поля; устройства искровой обработки; устройства контроля и испытания изделий (рентгеновские аппараты, установки ультразвука и т.д.). Приведенное подразделение приемников электроэнергии представляет собой их классификацию по технологическому назначению.
Электрический привод — это электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение механизмов или машин, в котором источником механической энергии служит электродвигатель. Электропривод состоит из преобразователя, электродвигателя или группы электродвигателей, передаточного, управляющего и рабочего органов.
В зависимости от способа передачи энергии от двигателя к рабочим органам механизмов электроприводы бывают групповые, индивидуальные или многодвигательные.
Групповым называют привод, в котором один двигатель приводит в движение с помощью трансмиссий группу рабочих машин или рабочих органов одной машины.
Индивидуальным называют привод, в котором двигатель приводит в движение только один рабочий орган машины. По сравнению с групповым индивидуальный привод позволяет упростить кинематическую схему рабочей машины. Иногда двигатель встраивают в механизм так, что он образует с рабочим органом единое целое.
В многодвигательном приводе отдельные рабочие органы машины приводятся в движение самостоятельными двигателями через систему передачи.
Движение электропривода, как и всякого механизма, подчиняется законам динамики. Вращающий момент Мт, развиваемый электродвигателем, в любой момент времени уравновешивается суммой момента статического сопротивления Мс и динамического (инерционного) момента Мдин:
М№=Мс+Мтн. (2.1)
Это уравнение называют уравнением движения электропривода.
Одним из главных потребителей электроэнергии является электропривод металлообрабатывающих станков.
На промышленных предприятиях часто применяют различные краны, предназначенные для вертикального и горизонтального перемещения грузов. По способу передвижения их делят на перемещающиеся по рельсовым путям и самоходные. Электрооборудование кранов, перемещающихся по рельсовым путям, подключают к стационарным источникам электроэнергии напряжением 380/220 В. Многие из современных кранов — это машины с многодвигательным приводом. В них применяются преимущественно асинхронные электродвигатели промышленной частоты (50 Гц) с фазным ротором. Краны имеют значительную мощность (30... 250 кВт и более), поэтому их энергетические показатели зависят от режима работы.
Подъемно-транспортные устройства работают в повторно-кратковременном режиме. В связи с резкими изменениями нагрузки коэффициент мощности также изменяется в значительных пределах, в среднем от 0,3 до 0,8.
Двигатели компрессоров, вентиляторов и насосов работают в продолжительном режиме и в зависимости от их мощности подключаются на напряжение от 0,4 до 10 кВ. Питание двигателей осуществляется током промышленной частоты.
Электротермические установки промышленных предприятий в зависимости от метода нагрева (сопротивления, дуговой, индукционный, электронный) делят на следующие группы: дуговые электропечи для плавки черных и цветных металлов, установки индукционного нагрева для плавки и термообработки металлов и сплавов, электрические печи сопротивления и электросварочные установки.
Электроснабжение электротермических установок имеет ряд особенностей, связанных с различием характера их нагрузок.
Дуговые электрические печи используют как сталеплавильные, рудно-термические и печи косвенного действия для плавки цветных металлов. Это мощные электроприемники низкого нестандартного напряжения (110... 750 В), подключаемые через специальные печные трансформаторы к источникам переменного тока напряжением 6...35 кВ, а также к шинам 110, 154 кВ. Номинальная мощность печных агрегатов от 0,4 (печи 0,5 т) до 125 MB-А (220 т), в перспективе — до 250 MB-А (360 т). Большая мощность дуговых электропечей и резкопеременный характер их нагрузки оказывают большое влияние на работу всей системы электроснабжения.
Печи сопротивления прямого и косвенного действия потребляют меньше энергии, чем дуговые сталеплавильные печи. Большая их часть имеет мощность до 2000 кВт и подключается к сети напряжением 380 В, коэффициент мощности близок к 1,0. Печи сопротивления выполняют трехфазными и однофазными. В случае однофазного исполнения, если не приняты соответствующие меры, эти печи могут быть причиной недопустимой несимметрии в системе электроснабжения.
Электронные плавильные печи, вакуумные печи и печи шлакового переплава применяют для выплавки металлов самой высокой чистоты и с наилучшими свойствами. Мощность их примерно такая же, как и у печей сопротивления. По требующейся надежности электроснабжения эти печи относят к электроприемникам повышенной категории, так как выплавляемый ими металл является очень дорогим. Для электропечей других типов необходимо резервирование электроснабжения, так как при перерыве питания на время более 30 мин могут возникнуть их повреждения, требующие длительного ремонта.
Индукционные плавильные печи промышленной частоты 50 Гц, повышенной частоты 0,5... 10 кГц и высокой частоты 102... 105 кГц представляют собой трехфазную электрическую нагрузку «спокойного» режима работы, т.е. мало изменяющуюся в процессе плавки.
Для работы электросварочных установок постоянного тока переменный ток трехфазной системы напряжением 380/220 В преобразуется в постоянный напряжением 30...32 В. Электросварочные установки переменного тока работают при частоте 50 Гц и напряжении 380/220 В; они представляют собой однофазную нагрузку в виде сварочных трансформаторов для дуговой сварки и сварочных аппаратов для контактной сварки. Сварка на переменном токе характеризуется повторно-кратковременным режимом работы, неравномерной нагрузкой фаз и низким коэффициентом мощности (0,3...0,45 для дуговой и 0,4...0,7 для контактной сварки).
Электрохимические и электролизные установки (электролитические ванны для электролиза волы, растворов, расплавов цветных металлов; установки электрохимических процессов в газе; ванны для гальванических покрытий: омеднения, никелирования, хромирования, оцинкования и т.п.) работают на постоянном токе, который получают от преобразовательных подстанций, выпрямляющих трехфазный переменный ток. Электролитический процесс требует постоянства выпрямленного тока, для чего необходимо регулирование напряжения. Коэффициент мощности таких установок 0,8...0,9.
По условиям работы электролизеров допускается перерыв электроснабжения на несколько часов. Но из-за обратного перемещения металла в раствор ванны, обусловленного обратной ЭДС в электролизерах, получаются недовыпуск продукции и перерасход электроэнергии. Поэтому электроснабжение электролизных установок осуществляется обязательно от двух источников. Электрохимические установки металлопокрытий и лужения относят к I категории нагрузок по надежности электроснабжения. Мощность одной электролизной установки достигает 100... 130 МВт.
Установки электростатического поля применяют для создания направленного движения капель при электроокраске, улавливания твердых взвешенных частиц в газе с помощью электрофильтров (очистка дымовых газов), разделения смесей жидкости и газа, различающихся по размерам и электропроводности. Питание таких установок производится от сети напряжением 0,4 кВ, но внутри установки напряжение повышается. Мощность установки составляет сотни киловатт.
Преобразовательные установки служат для преобразования переменного тока промышленной частоты 50 Гц трехфазной системы в постоянный ток или переменный ток иной частоты. Такие установки используются для питания электродвигателей машин, работающих на постоянном токе, станций для зарядки аккумуляторов, сварочных установок постоянного тока, ручного электроинструмента, работающего на повышенной частоте, и других потребителей.
Мощность преобразовательных установок, применяемых на промышленных предприятиях, достаточно велика. Коэффициент мощности этих установок колеблется в пределах 0,7...0,8. Нагрузка на стороне переменного тока симметричная по фазам и, как правило, равномерная.
Еще одной группой приемников электроэнергии является ручной электроинструмент: электродрели, электрогайковерты, электротруборезы, электросверлилки, электрорубанки, ручные электропилы, электромолотки, глубинные вибраторы и др. Они отличаются высоким КПД, относительно несложным устройством, надежностью и простотой в эксплуатации. Номинальная мощность большинства ручных электроинструментов составляет от 0,27 до 1,5... 1,6 кВт.
Установки электроосвещения представляют собой однофазную электрическую нагрузку. При правильной их группировке можно получить равномерную нагрузку по фазам (с несимметрией до 10 %). Характер нагрузки изменяется в зависимости от времени суток, года и географического положения объекта. Частота тока общепромышленная — 50 Гц. Коэффициент мощности для ламп накаливания равен 1, для газоразрядных ламп — 0,6. Для осветительных установок применяют напряжение от 12 до 220 В. На тех предприятиях, где отключение освещения угрожает безопасности людей, применяют специальные системы аварийного освещения.
Источники света характеризуются номинальным напряжением (В), номинальной мощностью (Вт), световым потоком (лм), световой отдачей (лм/Вт), т.е. отношением излучаемого светового потока к потребляемой мощности, средним сроком службы (ч), цветопередачей.
В установках электроосвещения производственных зданий часто применяют галогенные лампы типов КГ220-1000, КГ220-1500 и КГ220-2000 на напряжение 220 В мощностью соответственно 1000, 1500 и 2000 Вт. Их световая отдача 22 лм/Вт, продолжительность горения 2 тыс. ч. Галогенная лампа представляет собой трубку из кварцевого стекла диаметром около 11 мм, длиной 189... 335 мм с цоколями для подводки питания на концах. Такие лампы применяют в специальных светильниках и прожекторах. При горении лампа должна находиться в горизонтальном положении (допустимое отклонение не более 4°).
Лампы накаливания малоэкономичны, так как значительная часть энергии идет на нагрев окружающей среды, а также на излучение, приходящееся на участки спектра, лежащие за пределами видимости.
Газоразрядные лампы (люминесцентные и ртутные типа ДРЛ) весьма чувствительны к падению напряжения питающей сети. При снижении напряжения на 10% и более от номинального лампы начинают гореть неустойчиво и при дальнейшем понижении могут погаснуть, а не горевшие лампы — не зажечься.
Люминесцентные лампы низкого давления изготовляют на напряжение 220 В. По цветности излучения различают следующие люминесцентные лампы: ЛБ — белого цвета, ЛХБ — холодно- белого цвета, ЛД — дневного цвета, ЛТЦ — тепло-белого цвета, ЛТБ — с розовато-пурпурным оттенком, ЛДЦ — с цветопередачей, близкой к дневному свету. Находят также применение лампы с внутренним отражающим диффузным слоем типа ЛРБ (рефлекторные), используемые в светильниках без отражателей.
Расчеты показывают, что применение высокоэкономичных люминесцентных ламп, световой КПД которых в 3 — 4 раза выше
КПД ламп накаливания, позволяет сократить расход электроэнергии в 2 — 3 раза.
Дуговые ртутные лампы типа ДРЛ являются лампами высокого давления с исправленной цветопередачей. Исправление цветопередачи ртутного разряда в них достигается люминофором, нанесенным на внутреннюю поверхность колбы лампы.