Расчет осветительной установки

[Введите текст]

Настоящие методические указания составлены в соответствии с программой курса «Светотехника и электротехнология» для студентов специальности 110 302 — электрификация и автоматизация сельского хозяйства и предназначены для использования при выполнении курсового проекта.

Целью выполнения такого задания является прочное усвоение основных понятий светотехники, выработка навыков расчетов в этой области.

Приведены основные понятия и расчетные формулы световой системы величин, светотехнические характеристики световых приборов, принципы нормирования и оценки эффективности процесса освещения. Подробно описаны основные методы расчета осветительных установок, определения потока источника по известному светораспределению путем непосредственного интегрирования, методом зональных телесных углов и с помощью диаграммы Руссо.

Приведена методика расчета системы освещения в производственных помещениях с выбором аппаратуры управления и защиты. Разработаны индивидуальные задания для студентов на выполнение курсового проекта по дисциплине «Светотехника и электротехнология».

1. РАСЧЕТ ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

1.1 Выбор системы и вида освещения

В практике проектирования осветительных установок используются две отличные друг от друга системы освещения. Первая система — система общего освещения — предназначена не только для освещения рабочих поверхностей, но и всего помещения в целом, в связи с чем светильники общего освещения обычно размещаются под потолком помещения на достаточно большом расстоянии от рабочих поверхностей.

В системе общего освещения принято различать два способа размещения светильников: равномерное и локализованное. В системе общего равномерного освещения расстояние между светильниками в каждом ряду и расстояние между рядами выдерживаются неизменными. В системе общего локализованного освещения положение каждого светильника определяется соображениями выбора наивыгоднейшего направления светового потока.

Вторая система — система комбинированного освещения — включает в себя как светильники, расположенные непосредственно у рабочего места, так и светильники общего освещения Устройство одного только местного освещения запрещено нормами. При любой системе освещения в любой точке рабочей поверхности допускается отклонение от допустимой освещенности в пределах от + 20% до — 10%.

При освещении территорий открытых пространств применяется исключительно система общего освещения при равномерном распределении светильников.

Искусственное освещение делится на следующие виды: рабочее, аварийное, эвакуационное (аварийное освещение для эвакуации) и охранное освещение территории. В сельскохозяйственных помещениях для содержания животных из рабочего освещения обычно выделяют дежурное, предназначенное для периодического контроля в нерабочее время за состоянием животных и безопасного движения дежурного персонала в проходах и коридорах.

Светильники дежурного освещения выделяют из числа светильников общего освещения: в помещениях, предназначенных для содержания животных они должны составлять 10%, а в родильных помещениях 15% общего числа светильников. Светильники дежурного освещения следует распределять равномерно по проходам животноводческого помещения. К дежурному освещению относят наружное освещение входов и проходов, не эксплуатируемое в ночное время как рабочее. Освещенность при дежурном освещении принимается 10% от рабочей освещенности, но не менее 0,5 лк по главным проходам и 4…2 лк на входных площадках и в тамбурах. Дежурное освещение является частью рабочего освещения.

Аварийное освещение применяют для обеспечения нормального ритма работы при внезапном отключении рабочего освещения.

Аварийное освещение прокладывают в тех случаях, когда внезапное отключение рабочего освещения может привести к длительному нарушению технологического процесса, пожару, отравлению людей или их травматизму, невозможности нормального обслуживания больных в операционных и кабинетах неотложной помощи, перерывам в работе электростанций, связи, диспетчерских пунктов, пунктов управления водоснабжением, канализацией, теплофикацией, вентиляцией и кондиционированием воздуха.

В сельском хозяйстве аварийное освещение выполняют на электрических станциях и подстанциях, инкубаторных станциях, ветеринарных пунктах, зернотоках, различных сушильных установках. При этом наименьшая освещенность рабочих поверхностей должна быть не ниже 5% нормированной освещенности, но не менее 2 лк внутри помещения и 1 лк на наружных площадках.

Эвакуационное аварийное освещение монтируют в производственных помещениях с числом одновременно работающих 50 и более человек, в общественных помещениях с числом одновременно находящихся свыше 100 человек, на лестничных клетках многоэтажных жилых домов. Эвакуационное освещение при этом должно создавать необходимые условия видения не только в самих помещениях, но и во всех опасных и основных проходах, на лестницах. Освещенность на полу (на земле) проходов на ступенях лестниц должна быть не менее 0,5 лк в помещениях и 0,2 лк на открытых территориях. В соответствии с правилами устройства электроустановок аварийное освещение должно выполняться лампами накаливания. Допускается использование люминесцентных ламп в помещениях с температурой выше 5…50C, если при этом напряжение сети не менее 0,9 номинального. Питание аварийного освещения осуществляется от автономного источника или от сети, которая не зависит от рабочего освещения. На светильниках должны быть специальные знаки или надписи.

1.2 Выбор нормируемой освещенности

Нормы освещенности для сельскохозяйственного производства приведены в «Отраслевых нормах освещения сельскохозяйственных предприятий, зданий, сооружений». Они допускают использование как ламп накаливания, так и разрядных ламп, причем регламентируемый уровень освещенности зависит от типа источника света. Нормируемая освещенность выбирается в зависимости от вида и системы освещения, размеров объекта различия, контраста этого объекта с фоном и характеристики фона, а также от вида ламп. При освещенности внутри помещения до 50 лк в качестве источника света следует использовать лампы накаливания, а свыше 50 лк — люминесцентные. При этом нормы освещенности для люминесцентного освещения в несколько раз превышают нормы для ламп накаливания. В Приложении 1 приведены нормы освещения в характерных помещениях. В Приложении 2 даны отраслевые нормы освещения для сельскохозяйственных предприятий.

1.3 Выбор коэффициента запаса

При проектировании осветительных установок и, в частности, при расчете установленной мощности следует иметь в виду, что в процессе эксплуатации осветительной установки освещенность на рабочих местах уменьшается. Основными причинами, ведущими к снижению освещенности в процессе эксплуатации осветительной установки, являются: уменьшение светового потока источников света в процессе горения, снижение КПД светильников в результате загрязнения ламп и осветительной арматуры, загрязнения стен и потолка освещаемого помещения. Коэффициент запаса выбирается по таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Коэффициент запаса

Примечание: для животноводческих помещений коэффициенты запаса следует выбирать по п. 2б, для кормоцехов и складов зерна, корнеплодов — по п. 1б, для котельных, работающих на улице — по п. 1а.

1.4 Выбор типа источников света и светильников

Тип источника излучения выбирается в зависимости от нормируемой освещенности и характеристик источников света, которые должны соответствовать условиям освещаемого объекта (техническим требованиям, особенностям эксплуатации, стоимостным показателям).

Лампы накаливания в сельском хозяйстве предпочтительны при средних и низких уровнях освещенности (не более 50 лк).

Высокие эксплуатационные показатели ламп накаливания особенно важны для надежной работы осветительных установок в тяжелых условиях сельскохозяйственного производства, при значительных снижениях напряжения, высокой влажности и пониженных температурах воздуха, в среде агрессивных газов.

Учитывая благоприятный спектр излучения, высокую световую отдачу и срок службы, люминесцентные лампы следует использовать при повышенных требованиях к цветопередаче, в помещениях с напряженной зрительной работой, при недостатке или полном отсутствии естественного излучения, в административных зданиях, а в сельском хозяйстве также при благоприятном влиянии их излучения на продуктивность животных и птиц. В наружных установках предпочтительны ртутные и натриевые лампы высокого давления. Параметры источников света приведены в приложениях 3, 4, 5, 6.

Светильники выбирают в зависимости от характера окружающей среды, требований к светораспределению, ограничению слепящего действия, из соображений экономии (стоимости) и экономичности (КПД, расхода материалов).

От светораспределения светильника зависит качество освещения и энергетическая экономичность установки. Для освещения помещений, стены и потолок которых имеют невысокие отражающие свойства, целесообразно использовать светильники прямого света (П), при высоких отражающих свойствах стен и потолков — светильники преимущественного прямого света.

Светильники по форме кривой светораспределения выбирают в зависимости от высоты помещения. Для помещений с малыми индексами (невысокие потолки) рекомендуются светильники с концентрированным (К) и глубоким (Г) распределением, для помещений с большими индексами — светильники с более широким светораспределением (Д, Л). Классы светильников приведены в приложении 7.

1.5 Размещение светильников в помещении

Основная задача проектирования осветительной установки — это обеспечение заданного уровня освещенности и необходимого качества освещения при наименьшем суммарном световом потоке источников, то есть при наименьшей установленной мощности. Решение задачи зависит от светораспределения применяемых светильников и их размещения на плане помещения, что определяется следующими размерами: Н — высота помещения, м; hс — высота свеса светильника, м; hp. y — высота рабочего уровня, м; hр — расчетная высота установки светильника (рис. 1.1).

Рис. 1.1 — Размещение светильника в плане Расчетная высота установки светильника определяется по формуле

. (1.1)

Для подвесных светильников hc = 0,3…0,5 м, а для плафонов и встроенных светильников hc = 0…0,2 м. Высота свеса может быть и больше 0,5 м, но в этом случае светильники необходимо устанавливать на жестких подвесках, не допускающих их раскачивания.

При равномерном размещении светильники распределяют по углам квадрата. Расстояние между светильниками в ряду LА и расстояние между рядами светильников LB определяется по формуле

(1.2)

где лс и лэ — светотехнически и энергетически наивыгоднейшее относительное расстояние между светильниками (табл. 1.2).

Таблица 1.2 — Рекомендуемые значения относительного расстояния для светильников с типовыми кривыми силы света

Если расстояние между стеной и крайним светильником принять равным половине расстояния между светильниками, то число светильников в ряду NА, шт. и число рядов NВ, шт определяется по формулам

;, (1.3)

где, А и В — размеры помещения (соответственно длина и ширина), м.

Общее число светильников в помещении N, шт

. (1.4)

1.6 Светотехнический расчет установки

Светотехнический расчет осветительной установки проводят с целью определения установленной мощности (при освещении лампами накаливания, ДРЛ) или числа (освещение люминесцентными лампами), источников, обеспечивающих заданные условия видения окружающих предметов. В практике расчета общего электрического освещения помещений наиболее распространены следующие методы расчета: точечный метод, подразделяемый в зависимости от вида излучателей на методы пространственных (лампы накала, ДРЛ) и линейных (люминесцентные) изолюкс, метод коэффициента использования светового потока осветительной установки и метод удельной мощности.

Метод коэффициента использования светового потока Метод применяется для нахождения равномерного освещения.

— для ламп накаливания определяется требуемый световой поток Ф, лм одной лампы

(1.5)

где N — число светильников над освещаемой поверхностью, шт;

S — площадь освещаемой поверхности, м2;

kз — коэффициент запаса;

z — коэффициент минимальной освещенности; для точечных источников z = l, 15;

зкоэффициент использования светового потока.

— для люминесцентных ламп определяется общий световой поток всех ламп Фобщ, лм

(1.6)

где z — коэффициент минимальной освещенности; для линейных источников z = l, l.

При расчете освещения люминесцентными лампами предварительно выбирается источник света с табличным световым потоком Фл (табл.), лм, а неизвестный параметр осветительной установки — число светильников в освещаемом помещении N, шт. — определяется по формуле

(1.7)

где n — число ламп в светильнике, шт.

Входящий в формулу коэффициент использования светового потока выбирают по приложению или по справочнику в зависимости от типа светильника, его КПД и характера светораспределения, коэффициентов отражения потолка пот, %, стен ст, % и пола п, % (табл. 1.3) и от размеров помещения, которые учитывают индексом

(1.8)

где hp — расчетная высота, м; А, В — длина и ширина помещения, м.

По полученному значению потока Фл, лм выбирается источник света (прил. 3, 4, 5, 6), но при этом должно соблюдаться следующее соотношение

. (1.9)

Таблица 1.3 — Приблизительные коэффициенты отражения поверхностей

Действительная освещенность ЕД, лк площади при выбранном источнике света определяется по формуле

. (1.10)

Мощность осветительной установки Ро.у., Вт

(1.11)

где Рл — номинальная мощность лампы, Вт;

Nл — общее число ламп в помещении, шт.

При расчете мощности осветительной установки, выполненной люминесцентными лампами, необходимо учитывать мощность пускорегулирующей аппаратуры (ПРА), которая равна 25% от мощности источника света. Тогда мощность осветительной установки Ро.у., Вт

.

Метод удельной мощности Методом удельной мощности пользуются для приближенного расчета осветительных установок помещений, к освещению которых не предъявляются особые требования, например, вспомогательные складские помещения, кладовые и коридоры.

По расчетной высоте подвеса hр, м и площади освещаемого помещения S, м2 для выбранного типа светильника по приложениям 13…22 определяют табличное значение удельной мощности Руд, Вт/м2 которое затем корректируют для приведения в соответствии с данными таблиц. После корректировки интерполированием получают расчетное значение удельной мощности источников

(1.12)

где k1 — коэффициент приведения коэффициента запаса к табличному значению;

k2 — коэффициент приведения коэффициентов отражения поверхностей помещения к табличному значению.

Расчетная единичная мощность источника Рр, Вт

(1.13)

где S — площадь освещаемой поверхности, м2;

N — число светильников, шт.;

n — число ламп в светильнике, шт.

При расчете осветительной установки со светильниками с люминесцентными лампами по расчетной удельной мощности определяют число светильников N, шт.

(1.14)

и компонуют осветительную установку.

Расчетное значение удельной мощности Руд, Вт/м2 определяют, как и ранее, по табличному значению с учетом коэффициентов, приводящих все параметры осветительной установки в соответствие с данными таблиц, в том числе и нормируемой освещенностью Ен, лк

. (1.15)

Точечный метод Метод применяется при расчете общего равномерного и локализованного освещения, местного освещения, освещения вертикальных и наклонных к горизонту плоскостей, наружного освещения. Необходимый световой поток Ф, лм осветительной установки определяют исходя из условий, что в любой точке освещаемой поверхности освещенность должна быть не меньше нормируемой, даже в конце срока службы источника света.

Освещенность Е, лк в контрольной точке рабочей поверхности, за которую принимается точка с предполагаемой минимальной освещенностью, рассчитывается по формуле

(1.16)

где Фл (ф) — фактический световой поток лампы, лм;

м — коэффициент добавочной освещенности, учитывающий световой поток удаленных источников; принимается м = 1,1…1,2;

kз — коэффициент запаса;

Уе — суммарная условная освещенность расчетной точки, создаваемая n числом светильников, в каждом из которых установлена условная лампа со световым потоком 1000 лм, лк.

Более рациональный способ нахождение условной освещенности по кривым изолюксам. В этом случае освещенность от каждого светильника в расчетной точке поверхности зависит непосредственно от его высоты hp, м и от расстояния d, м между контрольной точкой и проекцией светильника на рабочую поверхность.

Для прямого расчета по формуле (1.16) определяют поток лампы Фл (ф), лм, приравняв освещенность Е, лк к нормированному значению

. (1.17)

В суммарную условную освещенность включают освещенности от ближайших светильников. Удаленными светильниками считают такие, которые создают в расчетной точке освещенность меньше 5% освещенности от ближайших светильников.

Очень важно при вычислении светового потока ламп правильно выбрать расчетную точку на освещенной поверхности, в пределах которой должна быть обеспечена нормируемая освещенность. Выбирается точка с минимальной освещенностью. Такую точку следует брать в центре поля или посередине одной стороны крайнего поля, ограниченную четырьмя ближайшими светильниками. При этом не рекомендуют выбирать точки у стен и в углах помещения.

Освещенность наклонных и вертикальных поверхностей рассчитывают по формулам (1.16), (1.17), заменяя освещенность горизонтальной поверхности на нормированную освещенность Ен, лк наклонной поверхности. Между собой эти освещенности связаны соотношением

(1.18)

где ш — поправочный коэффициент, зависящий от угла и, образованного горизонтальной плоскостью и неосвещенной поверхностью наклонной плоскости, от расстояния р до пересечения горизонтальной и наклонной плоскостей на плане и от высоты hp светильника над горизонтальной поверхностью.

. (1.19)

Расчет точечным методом осветительных установок с люминесцентными лампами Если длина лампы меньше половины расчетной высоты, то линейные источники принимают за точечные. Если же длина лампы или линии из ламп превышает половину расчетной высоты, то лампы рассматривают как светящие линии и осветительную установку рассчитывают по формуле определения светового потока Ф, лм/м для единицы длины светящей линии

(1.20)

где Уеmin — сумма условных относительных освещенностей в расчетной точке, определяемых по графикам линейных изолюкс (прил. 23), построенных в координатах L/, P/.

Относительная длина светящей линии L/

(1.21)

где L — длина светящей линии, м.

Относительное расстояние от расчетной токи до линии проекции ламп на рабочую поверхность р

(1.22)

где р — расстояние от расчетной токи до линии проекции ламп на рабочую поверхность, м.

Расчетную точку намечают на линии, проходящей через конец проекции люминесцентной лампы на рабочую поверхность и перпендикулярной к этой проекции.

Когда точка находится напротив светящей части ламп, то линию разбивают на две части так, чтобы точка была напротив конца обеих частей. Освещенность в точке определяют как сумму освещенностей от обеих частей линии. Когда точка находиться за пределами светящей линии, то линию продолжают так, чтобы точка оказалась напротив ее конца. Условную освещенность в точке находят как разность освещенностей от линии с добавленным участком и от добавленного участка.

Если расстояние между светильниками в ряду меньше половины высоты, то ряд следует рассматривать как непрерывный, то есть световой поток рассчитывают без учета разрывов. При больших разрывах освещенность в контрольной точке вычисляют как сумму всех непрерывных участков светильников.

Полный световой поток светящей линии Ф, лм, необходимый для создания в контрольной точке нормированной освещенности Ен, лк определяют по формуле

(1.23)

а число ламп N, шт в светящей линии

(1.24)

где Фл.(табл) — световой поток лампы, лм.

Светотехническая часть курсового проекта завершается составлением светотехнической ведомости, форма которой представлена в приложении 24.

1.7 Электротехнический расчет осветительной установки

Напряжения, применяемые в сельскохозяйственных установках, как правило, 380/220 В при заземлённых нейтралях сетей. Такие напряжения возможны в любых помещениях для установок общего освещения при высоте подвеса более 2,5 м, при меньшей высоте — только в помещениях без повышенной опасности поражения электрическим током. В помещениях же с повышенной опасностью осветительную сеть прокладывают в металлических трубах, а светильники снабжают защитными сетками.

Осветительные щитки следует располагать вблизи основного рабочего входа в здание; по возможности в центре питаемых нагрузок; в местах, удобных для обслуживания и с благоприятными условиями среды, недоступных для случайных повреждений (чтобы были видны хотя бы частично управляемые светильники); с учётом подхода воздушных линий.

Питание рабочего освещения должно быть от отдельного ввода. Однако допускается питание осветительных щитков от общего с силовой нагрузкой ввода при условии, что питающая линия обеспечит на вводе отклонение напряжения от номинального, не выходящие за допустимые пределы ±5 и -2,5%.

После размещения осветительных щитков все светильники делят на группы. При этом всю нагрузку вначале делят равномерно на три части (по числу фаз питающей сети), а затем нагрузку каждой фазы делят на группы с учётом рекомендаций:

— каждая групповая линия должна иметь на фазе не более 20 светильников с лампами накаливания, ДРЛ, ДРИ, натриевыми и не более 50 светильников с люминесцентными лампами;

— каждая групповая линия с лампами накаливания мощностью до 500 Вт, люминесцентными лампами и штепсельными розетками должна быть защищена автоматом или предохранителем на ток не более 25 А, а линии с лампами накаливания мощностью свыше 500 Вт или с лампами ДРЛ — не более 63 А;

— группы распределяют по условию экономии проводникового материала, исключая перекос фаз и обеспечивая равномерность нагрузки.

На плане объекта наряду со светильниками наносят групповые и питающие щитки, выключатели, штепсельные розетки. После этого токоприемники, выделенные в группы, соединяют групповыми линиями и для каждой группы составляют расчётную схему. В схеме указывают длины участков от щитка до разветвлений и между токоприёмниками, а также мощности токоприемников. Все схемы должны быть приведены в расчетно-пояснительной записке.

Марку проводов осветительной сети и способ их прокладки определяют в соответствии с условиями окружающей среды.

Расчёт и выбор сечения проводов осветительной сети обеспечивает: отклонение напряжения у источников света в допустимых пределах; нагрев проводов не выше допустимой температуры; достаточную механическую прочность проводов.

Поэтому сечение проводов обычно рассчитывают по допустимой потере напряжения, а затем проверяют по нагреву и механической прочности. При этом индуктивное сопротивление проводов внутренних осветительных сетей можно не учитывать. Индуктивное сопротивление осветительной нагрузки не учитывают, так как коэффициент мощности установок не ниже 0,9.

Площадь сечения проводов S, мм2

(1.25)

где — сумма электрических моментов, кВтм;

С — коэффициент сети, зависящий от её напряжения, материала проводов и единиц измерения, входящих в формулу величин (табл. 1.4);

ДU — расчётная допустимая потеря напряжения, %.

Таблица 1.4 — Значение коэффициента С для сети напряжением 380 220 В с алюминиевыми проводами

Для внутренних осветительных сетей при номинальном напряжении на вводе допустимая потеря равна 2,5%, кроме жилых зданий, для которых это значение, как и для наружного и аварийного освещения, равно 5%. Обычно рекомендуют из приведённых значений допустимые потери напряжения оставлять 0,2…0,3% на потери ввода в помещении. В сетях напряжением до 42 В потеря напряжения допускается 10%, считая от вторичных выводов понижающих трансформаторов.

Площадь сечения S, мм2, проводов сети, у которой на магистральных участках и ответвлениях различное число проводов, находится по формуле

(1.26)

где — сумма моментов расчётного и всех предыдущих участков с тем же числом проводов, кВтм;

— сумма приведённых моментов всех последующих ответвлений с числом проводов, отличным от рассчитываемого участка, кВтм;

— коэффициент приведения моментов, зависящий от числа проводов рассчитываемого участка и участков ответвлений (табл. 1.5).

Таблица 1.5 — Значения коэффициента приведения моментов

Моменты нагрузок определяют от самой удалённой от осветительного щита точки с наибольшей мощностью. Нагрузки потребителей ответвлений прикладывают к точке ответвлений. Любую равномерно распределённую нагрузку можно заменять равнодействующей, приложенной в центре нагрузки. После расчёта выбирают ближайшую стандартную площадь сечения провода и проверяют выбранное сечение на нагрев по условию

(1.27)

где Iр — расчётный ток провода, А;

Iд.д. — длительно допустимый для выбранной площади сечения ток, А (табл. 1.6).

Таблица 1.6 — Длительный допустимый ток (А) для проводов

Затем это сечение проверяют на механическую прочность по условию

(1.28)

где S — выбранная площадь сечения провода, мм2;

Sдоп. — допустимая для данного вида сети и принятого способа прокладки площадь сечения провода, мм2.

Окончательно выбранная площадь сечения должна быть не меньше расчётного значения и удовлетворять соотношениям.

После выбора площади сечения проводов определяют полные потери напряжения в каждой группе от ввода до наиболее удалённого источника света.

Для сельскохозяйственных объектов наиболее широко применяют щитки типов ОЩ, ОЩВ, УОЩВ, ОП, ЯОУ и др. (табл. 1.7).

Все осветительные установки должны быть защищены от короткого замыкания. От перегрузок должны иметь защиту сети: внутри помещений, проложенные открыто проводом с горючей оболочкой; в пожарои взрывоопасных помещениях; жилых и общественных зданиях, торговых и служебно-бытовых помещениях, промышленных и сельскохозяйственных предприятиях.

Защита от ненормальных режимов осуществляется плавкими предохранителями или автоматами с тепловыми или комбинированными нерегулируемыми расцепителями. Автоматы с мгновенно действующими расцепителями для защиты осветительных сетей не применяют. В групповых осветительных сетях используют автоматы с тепловыми расцепителями, в питающих сетях — автоматы с комбинированными расцепителями.

Ток IЗ, А уставки автомата или плавкой вставки предохранителя рассчитывает по соотношению

(1.29)

где Iр — расчётный ток защищаемой группы, А;

kз — отношение номинального тока плавкой вставки или уставки теплового расцепителя автомата к рабочему току линии, значения которого должны быть не меньше приведённых в таблице 1.9.

Таблица 1.7 — Осветительные групповые щиты

Таблица 1.8 — Автоматические выключатели

Таблица 1.9 — Соотношения для выбора тока уставки аппарата защиты

Для указанного варианта в соответствии с типовым проектом необходимо:

— произвести расчет и размещение на плане осветительной установки для каждого помещения. Расчеты должны быть проведены методом коэффициента использования светового потока и методом удельной мощности (в зависимости от вида помещения). Для основного (стойлового) помещения произвести проверку расчета точечным методом, для остальных помещений при применении метода коэффициента использования светового потока проверочным будет являться метод удельной мощности;

— произвести электротехнический расчет с составлением расчетной схемы, проверкой по допустимой потере напряжения и по условиям нагрева;

— произвести выбор аппаратуры управления и защиты, щитов и шкафов управления;

— разработать рекомендации по эксплуатации рекомендуемого к установке электрооборудования;

— выполнить графическую часть проекта.

ВАРИАНТЫ

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТОКА ИСТОЧНИКА СВЕТА

2.1 Основные положения

Производимый излучением эффект определяется общей энергией электромагнитных волн, эффективно поглощаемых приемником в единицу времени. Полная мощность электромагнитных колебаний соответствующего диапазона представляет собой интегральный поток излучения этого диапазона.

Для количественной характеристики источников излучения и условий видимости в светотехнике применяется система световых величин. За единицу светового потока в ней принят люмен (лм).

При выполнении освещения промышленных и общественных помещений, основным назначением которого является решение зрительных задач, эффективность третьего этапа определяется уровнем производительности труда, вероятностью правильного решения зрительной задачи, уровнем видимости и другими критериями. В качестве регламентирующих характеристик в этом случае обычно принимают такие величины, как освещенность, яркость, показатели ослепленности и дискомфорта и др. В установках сельскохозяйственного назначения учитываются известные биологические и другие требования, накладываемые спецификой процесса.

Оценка эффективности пространственного формирования потока может быть произведена на основании коэффициентов полезного использования энергии (КПИ) и качества освещения, в простейшем случае определяемого равномерностью освещения поверхности.

КПИ электрической мощности определяется по формуле КПИР =, (2.1)

где Фт — доля потока источника, достигающая объекта и полезно (то есть с соблюдением качественных показателей) им используемая, Вт;

P — электрическая мощность источника, Вт.

КПИ потока источника определяется по формуле КПИР =, (2.2)

где Ф — полный поток источника, Вт.

Ниже рассмотрены методы определения потока источника при известном характере его светораспределения.

Метод непосредственного интегрирования Поток источника по этому методу можно рассчитать, если его фотометрическое тело задано аналитически. Исходя из определения силы света световой поток Ф, лм равен Ф =. (2.3)

В общем случае элементарный телесный угол d, ср может быть выражен через плоские углы и сферической системы координат (рис. 2.1)

. (2.4)

Тогда поток Ф =. (2.5)

По этой формуле путем аналитического или численного интегрирования можно рассчитать поток несимметричного источника, имея зависимость I .

Задача упрощается в случае симметричного источника, сила света которого зависит только от угла. В качестве элементарного телесного угла можно взять зональный телесный угол между коническими поверхностями с углами при вершине и .

Тогда

. (2.6)

. (2.7)

Рис. 2.1 — Элементарный телесный угол в сферической системе координат Метод зональных телесных углов Применяется, если светораспределение излучателя задано в табличной форме. Сущностью метода является вычисление и суммирование световых потоков, заключенных в зональных телесных углах пространства.

Световой поток, заключенный в пределах достаточно малого телесного угла, Ф, лм определяется произведением величины угла на среднюю силу света в его пределах

(2.8)

где — зональный телесный угол, ср.

Полный поток Ф, лм в пределах плоских углов и

. (2.9)

За среднюю в зоне силу света принимают силу света в направлении среднего значения угла

. (2.10)

Обычно суммирование выполняют в пределах всего пространства, то есть от до. Для светильников, излучающих только в нижнюю полусферу, следует принимать .

Метод Руссо Как правило, светораспределение излучателя получают экспериментально, в графическом или табличном виде. В этом случае применим графический метод Руссо.

Представим формулу (2.7) в следующем виде

. (2.11)

Подинтегральное выражение представляет собой произведение силы света Iб под углом на бесконечно малое уменьшение cos при увеличении угла на величину. Его можно построить графически в виде элементарной площадки, после чего их суммированием найти весь интеграл.

Порядок построения диаграммы Руссо следующий.

Светораспределение излучателя представляют в полярных координатах в виде кривой, построенной в пределах полуокружности единичного радиуса R (рис. 2.2). Из центра координат проводят линии OC и OD до пересечения с окружностью в точках C' и D'. Эти точки сносят горизонтальными прямыми на ось X (точки C" и D").

Соответствующие координаты по оси определятся по выражению

x = 1 — cos. (2.12)

Откуда

x = sin•. (2.13)

В левой части диаграммы, на продолжении горизонтальных прямых, от точек C" и D" откладывают отрезки C" E и D" F, равные силам света OC и OD. Концы отрезков образуют функцию Y =(x) в прямоугольных координатах. Площадь, ограниченная этой функцией и осью X

. (2.14)

представляет собой выражение (2.7) в соответствующем масштабе.

Тогда поток Ф определится по формуле

(2.15)

где — масштаб графика КСС, кд/мм;

— радиус единичной окружности при построении диаграммы Руссо, мм.

2.2 Порядок выполнения

Пример задания. Светораспределение светильника в нижней полусфере соответствует КСС типа Д1. В качестве источника света применяется лампа Б215−225−150. Доля потока светильника в нижнюю полусферу составляет 80%, а его коэффициент полезного действия — 65%.

Рис. 2.2 — Построение диаграммы Руссо Высота подвеса светильника над освещаемой поверхностью 1,8 м. Коэффициент минимальной освещенности 1,4. Определить коэффициенты полезного использования энергии по мощности и потоку, защитный угол, а также коэффициенты усиления и формы для КСС. По заданному характеру светораспределения источника в произвольном масштабе построить КСС в нижней полусфере. Для этого воспользоваться справочными данными о типовых кривых. Измерить величины отрезков |Iб|, соответствующих векторам сил света для границ десятиградусных зон, заполнить таблицу 2.1. Отклонения допустимы только в указанных пределах (прил. 28).

Таблица 2.1 — Светораспределение источника в нижней полусфере

По известным значениям кпд светильника и светового потока применяемого источника Фл, лм вычислить поток светильника

. (2.16)

В соответствии с форматом листа определиться с размерами построения КСС. Построить ее в полярных координатах, заполнить соответствующими значениями таблицу 2.2, вычислить средние значения векторов силы света

. (2.17)

Таблица 2.2 — Определение условного потока по методу зональных телесных углов

Вычислить величины соответствующих зональных телесных углов по формуле щ = 2 • (cos — cos). (2.18)

Для проверки найти сумму зональных телесных углов в нижней полусфере. Ее величина должна составить 2. Найти условный световой поток в нижнюю полусферу

. (2.19)

Найти масштаб построенной КСС, кд/мм

. (2.20)

Классификация светильников по доле потока в нижнюю полусферу k_ приведена в приложении 28. Величина потока в нижнюю полусферу

Ф_ = Фсв. (2.21)

По изложенной выше методике построить диаграмму Руссо (x) для заданных по варианту условий.

В прямоугольных координатах построить кривую зависимости горизонтальной освещенности от расстояния до проекции источника на освещаемую поверхность. Для этого в масштабе по вертикали отложить высоту подвеса источника h. В том же масштабе по горизонтали отложить расстояние

. (2.22)

На координатные оси нанести шкалы. Расстояние lmax разбить на k равных интервалов (не менее десяти). Отметить полученные точки на чертеже. Величина интервала

. (2.23)

Расстояние от проекции источника на освещаемую поверхность до расчетной точки (левой границыго интервала)

. (2.24)

Величины углов от источника на расчетную точку

. (2.25)

Величины силы света в направлении расчетной точки

(2.26)

где || - длина вектора силы света в направлении, определяемая по построенной ранее КСС для угла, мм.

Освещенность в расчетной точке Еi, лк определится по формуле

. (2.27)

Полученные для расчетных точек значения свести в таблицу 2.3, построить кривую горизонтальной освещенности в соответствующем масштабе .

Таблица 2.3 — Построение кривой горизонтальной освещенности

На построенном графике E = f (I) отметить критическую точку, в которой освещенность соответствует коэффициенту минимальной освещенности и равна

. (2.28)

Определить расстояние до этой точки lкр.

Угол в направлении критической точки определится по формуле

. (2.29)

Перенести найденный угол на график КСС. По диаграмме Руссо определить поток в пределах угла. Площадь под графиком найти численным интегрированием по методу Симпсона

(2.30)

где a и b — соответственно левая и правая границы участка интегрирования.

Для вычислений по формуле (2.30) диапазон изменения f (x) в пределах равномерно разбивают на 2m отрезков (не менее десяти) и определяют значения функции y в полученных точках.

Таблица 2.4 — Численное интегрирование по методу Симпсона

Эффективный поток определить по формуле (2.15). По формулам (2.1) и (2.2) определить коэффициенты полезного использования энергии по мощности и потоку.

Определить максимальное значение коэффициента усиления и коэффициент формы.

Коэффициент усиления КУб характеризует усиление светильником силы света лампы в данном направлении. Для круглосимметричных СП максимальный коэффициент усиления КУб определяется отношением силы света СП в данном направлении к среднесферической силе света лампы

. (2.31)

Коэффициент формы Кф определяется как отношение максимальной силы света в меридианальной плоскости Imax к условному среднеарифметическому значению силы света в той же плоскости Iср, вычисляемой для зон с шагом 10 градусов

;. (2.32)

Построить интегральную кривую Ф (х) светового потока

. (2.33)

Численно значение функции Ф (x) представляет собой площадь под диаграммой Руссо, а значит и величину светового потока (в определенном масштабе), заключенного в пределах от 0 до соответствующего координате x плоского угла б. Для построения интегральной кривой необходимо решить дифференциальное уравнение

. (2.34)

Поскольку функция f (x) может быть представлена в табличном виде, рекомендуется воспользоваться численным методом Эйлера-Коши. Вычисление значений функции Фi производится по рекуррентной формуле

(2.35)

где Дx — шаг по оси X;

yi, yi+1 — значения функции f (x) соответственно на левой и правой границе интервалов Дx.

Очевидно, что начальное граничное значение Ф0 = 0. Для вычислений весь диапазон изменения f (x) диаграммы Руссо равномерно разбивают на m интервалов (не менее двадцати), определяют значения функций yi и Фi в полученных точках. Отсчеты производить в миллиметрах. Определить масштаб для построения интегральной кривой, мм2/мм

. (2.36)

Величины отрезков || определяют по формуле

. (2.37)

Иллюстрацией построений служит рисунок 2.3.

Таблица 2.5 — Построение интегральной кривой светового потока

По графику функции Ф (x) найти защитный угол светильника г, положив для определенности, что в его пределах заключено менее 5% от светового потока, излучаемого в нижнюю полусферу. Защитным углом называется угол между горизонталью и линией, соединяющей крайнюю точку светящегося тела с противоположным краем отражателя и защищающий наблюдателя от прямого действия потока. Расчетно-пояснительная записка должна содержать задание с исходными данными для соответствующего варианта, расчетные формулы с пояснениями, необходимые для графических построений таблицы. Графическая часть задания выполняется на листе формата А1 и содержит графики КСС, диаграмму Руссо, интегральную кривую светового потока для нижней полусферы, график горизонтальной освещенности, таблицу с исходными и полученными данными. Все графические построения должны содержать обозначения координатных осей, изображаемых величин и их размерности. Координатные оси должны иметь равномерные шкалы.

ЗАДАНИЕ НА ВТОРУЮ ЧАСТЬ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Рис. 2.3 — К построению интегральной кривой светового потока

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алиев И. И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию / И. И. Алиев. — 3-е изд., испр. — М.: Высшая школа, 2002. — 255 с., ил.

2. Баев В. И. Практикум по электрическому освещению и облучению / В. И. Баев. — М.: Агропромиздат, 1991 — 175 с.

3. Епанешников М. М. Электрическое освещение / М. М. Епанешников. — М.: Энергия, 1979.

4. Жилинский Ю. М. Электрическое освещение и облучение / Ю. М. Жилинский, В. Д. Кумин. — М.: Колос, 1982 — 272 с.

5. Козинский В. А. Электрическое освещение и облучение / В. А. Козинский. — М.: Агропромиздат, 1991. 239 с.

6. Правила устройства электроустановок.- М.: Энергоатомиздат, 1987. 640 с.

7. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю. Б. Айзенберга. — М.: Энергоатомиздат, 1983 — 472 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Освещенность в характерных помещениях

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Отраслевые нормы освещения для сельскохозяйственных предприятий, зданий и сооружений

освещение помещение источник лампа