Пускорегулюючі апарати для люмінесцентних ламп, способи зменшення пульсацій світлового потоку і підвищення економічності штучного освітлення

Як зазначалося вище, розрядні, в тому числі люмінесцентні, лампи підключаються до мережі через пускорегулюючі апарати (ПРА), які забезпечують запалювання (пуск) ламп і стабілізують (регулюють) струм лампи під час її горіння. Всі ПРА можна поділити на 2 групи: до першої відносяться розглянуті вище, так би мовити, традиційні електромагнітні ПРА з баластним опором без перетворення частоти, до другої – ПРА, які містять активні напівпровідникові елементи (діоди, транзистори або інтегральні мікросхеми спеціального призначення, що називаються чіпами). Апарати другої групи отримали назву електронних пускорегулюючих апаратів (ЕПРА), на відміну від перших, які називаються просто ПРА. Серед апаратів першої групи найбільш поширені так звані схеми стартерного запалювання, в яких попередній підігрів електродів та імпульс напруги запалювання створюються за допомогою спеціального приладу – стартера тліючого розряду або напівпровідникового стартера (тиристора). Наявність у схемі стартера ускладнює експлуатацію освітлювальної установки (крім ламп, слід вчасно замінювати і стартери), зменшує її надійність. Незадовільна робота стартера погіршує умови запалювання лампи (спричиняє миготіння перед запалюванням або взагалі без запалювання лампи), що значно скорочує термін її служби. Тому існує багато схем безстартерного запалювання ЛЛ, але вони більш громіздкі, складні і менш енергоекономічні, тому використовуються лише у спеціальних випадках, наприклад, при монтуванні освітлювальних установок у важкодоступних місцях, для вибухобезпечних освітлювачів тощо.

До позначення ПРА входять: 1-ий елемент – цифра (1 або 2), яка вказує кількість ламп, які вмикаються з даним ПРА; 2-ий елемент – дві букви – УБ – стартерний апарат, АБ, МБ – безстартерні апарати відповідно швидкого (А) і миттєвого (М) пуску (останні використовуються у вибухобезпечних світильниках); 3-ій елемент – буква, яка позначає тип баласту: И – індуктивний (лампа вмикається послідовно із дроселем), Е – індуктивно-ємнісний (послідовно вмикаються дросель, конденсатор і лампа), К – компенсаційний (знятий із виробництва). Наступний елемент – дві цифри, розділені косою рискою, перша вказує потужність у Вт, друга (після риски) – напругу живлення у В. Після дробу в дволампових ПРА ставиться буква А, якщо є зсув фаз між струмами ламп. Далі – літерне позначення конструктивного виконання: В – вбудоване, Н – незалежне; рівня шуму: без позначення – нормальний, П – знижений, ПП – особливо низький. Останній елемент – цифрове позначення номера розроблення, серії (дані про конструктивні особливості різних серій наводяться у довідниках, див., наприклад, [80]). Наприклад, 1УБИ40/220-ВПП-900 означає одноламповий стартерний ПРА з індуктивним баластом для лампи потужністю 40 Вт, напругою живлення 220 В, убудований з особливо низьким рівнем шуму, серії №900.

На ПРА, розроблених для всіх розрядних ламп після 1980 року, ставиться інше маркування: цифра – кількість ламп; літерне позначення: И – індуктивний, Е – індуктивно-ємнісний, К – компенсаційний; наступний елемент – цифра – потужність лампи у Вт, потім буква – визначає групу апарата за рівнем шуму: Н – нормальний, П – знижений, А – особливо низький, С – дуже низький. Наступні елементи – двозначне число (01-99) – номер серії і тризначне число (001-999) – номер виконання. Далі – літерне позначення кліматичного виконання: ХЛ – холодний, У – помірний, Т – тропічний кліматичний пояси. Останній елемент – цифри (1-5) визначають категорію приміщення згідно з ГОСТом.

Додаткові витрати потужності в ПРА складають від 25 до 40% (більші для менш потужних ламп), значення cosφ ≈ 0,5. Підвищити значення cosφ і одночасно зменшити пульсації світлового потоку можна при попарному включенні ЛЛ, одна з яких умикається з індуктивним, друга – з індуктивно-ємнісним балансом (схема з розщепленою фазою). При цьому параметри баластів підбирають такими, щоб в індуктивному колі струм “відставав” від напруги по фазі на 60^о, а в індуктивно-ємнісному – “випереджав” на 60^о. У цьому випадку cosφ збільшується до 0,9 – 0,95, а коефіцієнт пульсації для ламп ЛБ зменшується до 16%, що допускається нормами для ряду типів приміщень (але не для всіх), для інших типів ЛЛ до 25% замість 70%(табл. 2.3), що все ж вище від максимально допустимих нормованих значень (20%). Значне зменшення пульсацій світлового потоку можна досягти при підключенні різних близько розташованих світильників (ще краще різних ламп в одному світильнику) до різних фаз трифазової мережі, в котрій, як відомо, напруги зсунуті одна відносно одної на 120%. При цьому в зонах, де світлові потоки світильників, підключених до трьох різних фаз, перекриваються, коефіцієнт пульсації зменшується для ламп ЛБ до 6%, що допускається будівельними нормами для всіх типів приміщень (найнижче нормоване значення К<10%), для інших ЛЛ до 12%.

Слід зазначити досить поширений, на жаль, випадок, коли всі світильники, розташовані в одній частині приміщення, підключаються до однієї фази, в другій частині – до другої, і в третій частині – до третьої фази. Хоча цей спосіб підключення світильників до трьохфазної мережі найпростіший, його слід вважати неправильним, оскільки при цьому в жодній точці приміщення не будуть перекриватися світлові потоки, створені світильниками з трьома різними фазами. Тому коефіцієнт пульсацій буде більшим від зазначених вище значень і неоднаковим у різних місцях приміщення. Для досягнення максимального ефекту кожен наступний світильник, розташований у тому ж самому ряду, слід підключати до іншої фази, в крайньому випадку до іншої фази підключають кожен наступний ряд світильників при малій відстані між рядами. Чим ближче один до одного будуть розташовані світильники, тим більше зменшення пульсацій при підключенні до трифазної мережі, також при цьому збільшується рівномірність освітлення різних частин приміщення.

Хоча розглянуті ПРА на сьогодні найбільш поширені в Україні, їх усе більше витісняють електронні ПРА (ЕПРА), в яких використовується живлення ЛЛ струмом високої частоти (від сотень Гц до 35 кГц). Причому, якщо поліпшення параметрів ЛЛ останнім часом сповільнилося (вочевидь, тому, що вони наблизились до максимальної межі), в усьому світі найбільш швидко розвиваються різні схеми і конструкції ЕПРА [19].

Хоча про позитивні результати роботи ЛЛ на підвищених частотах було відомо давно, їх практичне використання стало можливим лише зі створенням малогабаритних дешевих та надійних напівпровідникових перетворювачів частоти.

При підвищенні частоти струму живлення ламп зменшуються необхідні значення індуктивностей і ємностей в баластному опорі, а отже, їх маса й габарити (в десятки разів). Крім того, стає можливим використання чисто ємнісного баластного опору, тобто більш дешевих, надійних і довговічних (порівняно з дроселями) конденсаторів. Починаючи з частоти 800-1000 Гц, тип баласту взагалі не впливає на характеристики ламп, cosφ ≈ 1. Збільшення частоти зменшує коефіцієнт пульсації, і при 5000 Гц він не перевищує 10%. Збільшення частоти збільшує світловіддачу ламп на 20-30% та приблизно на 15% термін їх служби, одночасно зменшуючи падіння світловіддачі в процесі експлуатації. При цьому також суттєво зменшуються радіозавади, створювані ЛЛ і ПРА, що особливо важливо в приміщеннях, де використовуються комп’ютери, оскільки радіозавади можуть порушувати їх роботу.

Оскільки стартери тліючого розряду непридатні для роботи на високих частотах, в ЕПРА з підвищенням частоти використовуються безстартерні схеми. При цьому сучасні ЕПРА при вмиканні спочатку виробляють напругу для прогрівання електродів ЛЛ протягом оптимального часу, а потім виробляють імпульс високої напруги, необхідної для запалювання. Це поліпшує процес запалювання ламп і додатково збільшує їх термін служби. Особливо ефективне використання ЕПРА з перетворенням частоти для живлення енергоекономічних (див. наведений вище приклад) і компактних ЛЛ.

Якщо перші ЕПРА лише підвищували частоту живлення ЛЛ, сучасні ЕПРА [87, 88], крім оптимізації запалювання ламп, здійснюють живлення ЛЛ імпульсами спеціальної форми, змінюючи параметри яких можна регулювати світловий потік лампи в межах 1-100% номінального (із збереженням світловіддачі). Ці ЕПРА мають регулюючі чіпи, з’єднані з фотодатчиками, які змінюють величину додаткового штучного освітлення згідно зі зміною зовнішнього природного освітлення. Це дає економію електроенергії до 50% і більше (величина економії залежить від відносного розміру площі приміщення, яка освітлюється природним світлом, величини КПО, орієнтації вікон, клімату тощо), а також підтримує постійний, найбільш сприятливий (установлюється регулятором) рівень освітленості. Додаткова економія (12%) відбувається за рахунок зменшення коефіцієнта запасу (див. вище): нові лампи, в яких ще не відбулася втрата світловіддачі, працюють не на повну потужність. Економію електроенергії дає також збільшення світловіддачі на високих частотах. І ще один спосіб економії полягає в значному зменшенні освітленості (до 25 лк) у місцях, де в даний час немає людей (вестибулі, холи, переходи, їдальні, зали зборів та ін.). Для цього встановлюють ультразвукові або інфрачервоні датчики: перші реагують на рух повітря, в тому числі дихання людини, другі – на інфрачервоне випромінювання людини. Для великих приміщень освітленість кожного робочого місця регулюють окремо (як окрема кімната). За відсутності людей датчики вимикають повне освітлення з деяким запізненням, приблизно 90-360 с. Сукупність усіх цих методів енергозбереження може дати економію до 60-80% електроенергії, що витрачається на освітлення. Тому російські вчені пропонують планувати енергозбереження (його вартість, самоокупність тощо) ще на стадії ескізного проектування [77] (у 1999 р. 80% освітлювальних установок ФРН були обладнані системами автоматичного регулювання освітлення).