Исследовательский проект "Причины пульсации светового потока в помещениях Минусинского сельскохозяйственного колледжа и способы снижения пульсаций"

1. Обоснование необходимости выполнения данной работы.

21 января 2015 года в Минусинском сельскохозяйственном колледже была проведена проверка соответствия искусственного освещения санитарным нормам. Проверку проводил «Центр гигиены и эпидемиологии в Красноярском крае». В процессе проверки был выявлен ряд недостатков, в том числе – превышение значения коэффициента пульсации освещённости.

2. Цели и задачи работы

В данной работе мы поставили цель: выявить причины данного явления и наметить пути их устранения.

3. Причины, вызывающие пульсации  светового  потока.

Для освещения помещений колледжа используются люминесцентные лампы низкого давления. Эти лампы представляют собой стеклянную трубку, в торцах которой установлены вольфрамовые спирали. Внутренняя поверхность лампы покрыта люминофором. Лампа под низким давлением наполнена инертным газом аргоном с добавлением небольшого количества ртути. При подаче на лампу высокого напряжения, лампа пробивается и в ней возникает дуговой разряд. Разряд сопровождается ультрафиолетовым излучением, которое попадает на люминофор и заставляет его светиться видимым светом. Так как лампа питается переменным током, то в каждый полупериод разряд зажигается и снова гаснет, чтобы вновь зажечься в следующий полупериод. После зажигания лампы её световой поток начинает возрастать до максимального значения, затем начинает снижаться, затем лампа гаснет, снова зажигается и цикл повторяется. В результате, при питании от сети с частотой 50 Гц, световой поток лампу пульсирует с частотой 100 Гц. Степень изменения освещённости, из-за пульсаций светового потока, оценивается коэффициентом пульсаций освещенности.

Коэффициента пульсации освещенности рассчитывается по  следующей  формуле:

,

где  Е_мак   - максимальное  значение освещённости за период её колебания, лк.

Е_мин  -  минимальное значение освещённости за период её колебания, лк.

Коэффициент пульсации светового потока люминесцентных ламп низкого давления может достигать 40% и даже больше.

4. Влияние фактора пульсации освещенности на организм человека.

Установлено, что повышенная пульсация освещенности оказывает негативное воздействие на центральную нервную систему, причем в большей степени – непосредственно на нервные элементы коры головного мозга и фоторецепторные элементы сетчатки глаз. Исследования показывают, что у человека снижается работоспособность (производительность труда и качество выполняемых работ), появляется напряжение в глазах, повышается усталость, труднее сосредотачиваться на сложной работе, ухудшается память, чаще возникает головная боль. Отрицательное воздействие пульсации возрастает с увеличением ее глубины. По данным Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии АН СССР (РАН), мозг пользователя ПЭВМ крайне отрицательно реагирует на два (и более) одновременных, но различных по частоте и не кратных друг другу ритма световых раздражений. При этом на биоритмы мозга накладываются пульсации от изображений на экране дисплея и пульсации от осветительных установок.

В соответствии с СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий», значение коэффициента пульсации освещенности в аудиториях, кабинетах, лабораториях среднеспециальных технических учебных учреждений не должно превышать 10 %, спортивных  залах -20%, актовых залах – 20 %, жилых комнатах общежитий  -9%.

5. Анализ причин превышения коэффициентом пульсации освещённости допустимого значения.

Обследование помещений Минусинского сельскохозяйственного  колледжа показало, что увеличение коэффициента пульсации освещенности выше  допустимого значения произошло по следующим причинам:

1. В ряде помещений установлены 2-х ламповые светильники с пускорегулирующей аппаратурой (ПРА) одного типа (в основном это ПРА типа УБИ).

2.В ряде классов используются электронные ПРА китайского производства. Эти ПРА имеют низкую стоимость, а соответственно и качество и не могут обеспечить необходимые значения коэффициента пульсации освещенности.

6. Способы снижения пульсаций светового потока люминесцентных ламп низкого давления.

Мы проанализировали, какими способами можно уменьшить пульсации светового потока светильников:

1. Применять люминесцентные лампы соответствующей марки. Оказывается, на величину пульсаций влияет состав люминофора. Люминофор, нанесённый на стенки колбы лампы, в зависимости от своего состава, обладает некоторой инерционностью, которая в большей или меньшей степени сглаживает пульсации светового потока. В этом случае, при использовании одноламповых светильников, или  двухламповых светильников с одним типом ПРА, при использовании ламп типа ЛБ или ЛТБ, можно получить коэффициент пульсации освещённости не меньше 25% (Таблица 1), что нас совершенно не устраивает. Поэтому этот способ отпадает.

Таблица 1. Значения К_п для различных ламп и различных способов их включения

Тип лампы	Значения Кп, %, для
	одной лампы	двух ламп в схеме от­стающего и опережающего тока	двух ламп разных  фаз	трех лaмп разных фаз
ЛБ и ЛТБ ЛХБ ЛДЦ ЛД	25 35 4б 55	10,5 15 17 23	10 15 17 23	2,2 3,1 3,5 5

2. Применять только 2-х ламповые светильники, при этом одну лампу включать через ПРА типа УБИ, а вторую через ПРА типа УБЕ (использовать схемы отстающего и опережающего тока). В этом случае токи в лампах сдвигаются по фазе, и лампы начинают пульсировать в разное время. Результирующий световой поток светильника в этом случае становится более стабильным. Как видно из таблицы 1, в этом случае даже при использовании ламп типа ЛБ или ЛТБ, можно получить коэффициент пульсации  освещённости не меньше 10.5 %, что нас опять не устраивает. Данный  вариант можно использовать для помещений, где значения К_п  не должны  превышать 20% (спортивные залы, актовый зал). Однако следует помнить,  что если обслуживающий персонал  по невнимательности, при замене сгоревших ламп, установит лампы ЛД, коэффициент пульсации освещённости превысит допустимое значение (станет 23 %). Поэтому, этот вариант нас тоже не  устраивает.

3. Подключение обычных светильников на разные фазы трехфазной сети (Распределение светильников в одном помещении на две или три фазы);    В настоящее время в большинстве помещений колледжа, все ряды светильников подсоединяются к одной фазе сети, поэтому реализация такого технического приёма как «расфазировка» светильников очень затруднена. Она требует полной реконструкции осветительной сети. Если светильники, установленные в одной аудитории распределить равномерно между двумя фазами, то только при использовании ламп типа ЛБ или ЛТБ, можно получить значение коэффициента пульсации освещённости 10% (Таблица 1). При замене этих ламп на любые другие, значение коэффициента пульсации освещённости превысит нормативное значение. Значительно лучше выглядят показатели коэффициента пульсации освещённости, если светильники распределить  между тремя фазами. Но это конструктивно сложный и дорогостоящий  вариант. Поэтому этот вариант тоже приходится исключить.

4. Использование светильников, где лампы должны работать от переменного тока частотой 400 Гц и выше. (Пульсация освещенности свыше 300 Гц  не оказывает влияния на общую и зрительную работоспособность. ) Предпочтительно 5 кгц, тогда коэффициент пульсации составит менее одного процента. В этом случае питание ламп производится с помощью электронного ПРА (ЭПРА). ЭПРА выполнен на базе инвертора напряжения, работающего на повышенной частоте модуляции. Инвертор обеспечивает питание лампы током повышенной частоты (20 – 40 кГц), поэтому глубина пульсаций светового потока значительно снижается (до 5%).

7. Рекомендации по снижению значения коэффициента пульсации освещённости до нормативных значений.

Проанализировав существующие способы снижения пульсаций светового потока, мы пришли к выводу, что наиболее приемлемым для нашего случая является вариант №4 (использование электронного ПРА). Качественные ЭПРА обеспечивают оптимальные условия работы люминесцентных ламп, значительно уменьшая не только коэффициент пульсации света, излучаемого лампой, но и заметно повышая долговечность и эффективность работы люминесцентных ламп. Однако качество разных ЭПРА может сильно отличаться как в плане долговременной надёжности работы, так и по значению коэффициента пульсации света, излучаемого подключенной лампой. В последние годы на российском рынке появились сравнительно дешевые ЭПРА, изготавливаемые в КНР. Такие устройства обладают целым рядом существенных недостатков, в том числе недостаточным сглаживанием пульсаций выпрямленного напряжения. Это приводит к заметной модуляции высокочастотного напряжения, подаваемого на лампу. В результате этого не устраняется один из главных недостатков дроссельных схем - большая глубина пульсации светового потока. Объясняется это так: Коэффициент пульсации зависит от элементной базы ЭПРА. Качественная и полная элементная база ЭПРА приводит к удорожанию ЭПРА. Стремясь сделать изделие дешевым и  конкурентоспособным, производители упрощают элементную базу, а отсутствие полной элементной базы является главной причиной  возникновения пульсаций. Поэтому, приступая к замене электромагнитных  ПРА на электронные, нужно сначала приобрести один опытный образец,  установить его в светильник, замерить пульсации освещённости, а только  потом приобретать всю остальную партию. (Обзор  литературы показывает, что последние замены и перекомплектация светильников, уже часто связаны не с пульсацией электромагнитного ПРА, а с пульсацией электронного пускорегулирующего аппарата ПРА, которая составляла свыше 10%.) Аналогичная ситуация может произойти при замене ламп накаливания (точечных источников света) энергосберегающими люминесцентными лампами, или светодиодными лампами. В зависимости от производителя и качества, коэффициента  пульсации освещённости у них может колебаться в широких пределах. Значения коэффициентов пульсации светового потока для  различных источников света  приведены на слайде №7.

В заключении хочется сказать: Проблему пульсаций светового потока надо решать на стадии проектирования электрических сетей и наиболее эффективным способом в этом случае является «расфазировка» светильников  между тремя фазами. Лучше на стадии строительства пойти на  небольшое  удорожание электрических сетей, чем потом постоянно решать проблемы с   поддержанием коэффициентов пульсации светового потока в нормативных  пределах из- за низкого качества ламп и светильников.

Коэффициент пульсации различных источников света:

Газоразрядные лампы с электромагнитным ПРА: 30 - 40%

Газоразрядные лампы с ЭПРА: 5 - 30%

Индукционные лампы:  1 - 5 %

Светодиодные светильники: 1 - 30 %

Лампа накаливания 15 Вт - 18%

Лампа накаливания 25 Вт - 12%

Лампа накаливания 60 Вт - 11%

Лампа накаливания 75 Вт - 10%

Лампа накаливания 95 Вт - 8 %

Компактная люминесцентная лампа Philips 14 Вт - 15%

Светодиодная лампа IKEA Ледаре 10 Вт 600 лм матовая - 26%

Светодиодная лампа FlexLED 8,5 Вт - 55%

Примечание

Принципиальное отличие электронных схем включения люминесцентных ламп от стартернодроссельных заключается в том, что лампы в таких схемах питаются током высокой частоты, обычно 20–40 кГц, вместо 50 Гц.

Высокочастотное питание ламп дает следующие положительные результаты:

1. Из-за особенностей высокочастотного разряда увеличивается световая отдача ламп. Это увеличение тем больше, чем короче лампа: у ламп мощностью 36 (40) Вт световая отдача возрастает примерно на 10%, у ламп мощностью 18 (20) Вт – на 15%, у ламп мощностью 4 Вт – на 40%.

2. Глубина пульсаций светового потока с частотой 100 Гц уменьшается примерно до 5%.

3. Исключаются звуковые помехи, создаваемые дросселями

4. Исключается мигание ламп при включении.

5. Исключается необходимость компенсации реактивной мощности (коррекции cos φ).

6. За счет исключения миганий при включении и точного прогрева электродов повышается срок службы ламп (до полутора раз).

7. Появилась возможность регулирования светового потока ламп.

8. Электронные аппараты значительно легче, чем дроссели и компенсирующие конденсаторы.