СиЭ_для лабораторных работ. Методические указания для выполнения лабораторных работ 1, 2, 3 Новосибирск 2018 2 удк
 Скачать 0.52 Mb.
|
|
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫЙ ИНСТИТУТ СВЕТОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ Методические указания для выполнения лабораторных работ № 1, 2, 3 Новосибирск 2018 2 УДК Авторы: И.П. Щеглов, ст. преподаватель В.Г. Ляпин, канд. техн. наук, доцент С.А. Никонов, заведующий лабораториями, ассистент Д.С. Болотов, аспирант Рецензент: доцент, канд. техн. наук А.Т. Калюжный Светотехника и электротехнологии: метод. указания для выполнения лабораторных работ № 1, 2, 3 / Новосиб. гос. аграр. ун-т; Инженер. ин-т; сост.: И.П. Щеглов, В.Г. Ляпин, С.А. Никонов, Д.С. Болотов. - Новосибирск, 2018. – 38 с. Методические указания содержат методику выполнения лабораторно- практических работ; контрольные вопросы а также требования к оформле- нию отчета. Предназначены для студентов очной и заочной форм обучения по на- правлению подготовки 35.03.06 Агроинженерия (профиль Электрообору- дование и электротехнологии в агропромышленном комплексе). Утверждены и рекомендованы к изданию учебно-методическим советом Инженерного института (протокол №5 от 12 декабря 2017 г.). © Новосибирский государственный аграрный университет, 2018 © Щеглов И.П., Ляпин В.Г., Никонов С.А., Болотов Д.С. 2018 3 ВВЕДЕНИЕ Оптимальная световая среда, являясь составной частью жизненной среды, должна обеспечивать комфортные условия для работы и отдыха, восстановления сил, улучшение здоровья человека, формирование его на- строения и поведения. Высокий уровень производительности и высокока- чественная работа определяются условиями освещения потому, что свет обеспечивает идентификацию зрительной задачи, способствует концентра- ции внимания в течение рабочего дня. В настоящее время необходимо учи- тывать условия этой работы. На современном этапе развития науки и техники возможно создание такой жизненной среды обитания, которая обладает всей совокупностью параметров, необходимых для человека. поэтому проектируемую световую среду помещения следует рассматривать в контексте взаимодействия чело- века и его окружения в процессе зрительного восприятия. Дисциплина Светотехника и электротехнологии в соответствии с тре- бованиями ФГОС ВО направлена на формирование следующих общепро- фессиональных (ОПК) и профессиональных компетенций (ПК) бакалавра: – готовностью к использованию технических средств автоматики и систем автоматизации технологических процессов (ОПК-9); – способностью использовать современные методы монтажа, наладки машин и установок, поддержания режимов работы электрифицированных и автоматизированных технологических процессов, непосредственно связан- ных с биологическими объектами (ПК-10). В результате изучения дисциплины студенты должны: знать: - физические основы преобразования электрической энергии в другие виды энергии и непосредственного использования электрической энергии в технологических процессах; - устройство, принцип действия и применение современного оборудования для освещения, облучения, нагрева, использования электрической энергии в технологических процессах, принципам управления и автоматизации, правилам эксплуатации уметь: - рассчитывать (в том числе, с применением ПК) светотехнические, электротермические и специальные электротехнологические установки; - обеспечивать эффективную и безопасную работу персонала с электротехнологическим и светотехническим оборудованием; владеть: - методами исследования и расчета электромагнитных процессов и преобразователей энергии. 4 ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ при работе студентов в лабораториях кафедры техносферной безопасности и электротехнологий Новосибирского ГАУ 1. Перед началом лабораторных работ в лабораториях получите у ру- ководителя работ инструктаж по технике безопасности. Изучите и запом- ните схему электроснабжения лаборатории, места установки коммутирую- щей и защитной аппаратуры. После получения инструктажа по технике безопасности распишитесь в журнале о том, что с правилами безопасной работы вы ознакомлены и обязуетесь их выполнять. 2. Не трогайте, не включайте и не выключайте без разрешения пре- подавателя или лаборанта автоматы и другие приборы. Ошибочное вклю- чение может быть причиной несчастного случая или выхода из строя элек- трооборудования. 3. Перед тем как приступить к выполнению работы, внимательно оз- накомьтесь с заданием, оборудованием, материалами и инструментом, про- верьте исправность ограждений и предохранительных устройств. О заме- ченных неисправностях сообщите преподавателю. 4. Перед сборкой схемы убедитесь, что автомат или пакетный вы- ключатель, установленный на щите лабораторного стола, отключён. 5. Помните, что шарфы, косынки и другие подобные им детали одеж- ды могут быть затянуты вращающимися частями машин и послужить при- чиной несчастного случая. 6. Не загромождайте рабочее место посторонними предметами. 7. Собранная схема проверяется всеми членами бригады, при этом особое внимание следует обратить на надёжность всех клеммных соедине- ний и контактов. 8. По окончании работы приведите в порядок своё рабочее место. После уборки заявите об окончании работы преподавателю и только после его разрешения можете покинуть лабораторию. 9. Не производите излишнего шума в лабораториях. 10. Если с вами или другим студентом произошёл несчастный случай, немедленно сообщите об этом преподавателю или лаборанту для оказания помощи. Воспрещается: Включать настенные групповые автоматы и рубильники распредели- тельных шкафов без разрешения преподавателя. Включать собранную схему до проверки и разрешения преподавате- ля или лаборанта. Производить переключение в схемах, которые под напряжением. Оставлять без наблюдения схему, находящуюся под напряжением. Закорачивать или отключать блокировочные устройства. Заходить за стенд и протягивать руки за ограждения. 5 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 Исследование электрических и светотехнических характеристик ламп накаливания Цель работы: изучение устройства ламп накаливания и исследование их электрических и светотехнических характеристик Программа работы 1. Ознакомиться с конструкциями ламп накаливания различных типов. 2. Ознакомиться с лабораторной установкой и записать технические (паспортные) данные ламп накаливания и измерительных приборов. 3. Собрать электрическую схему согласно рис. 1.1. Снять зависимости тока и освещенности от уровня питающего напряжения. 4. Определить расчетным путем зависимости сопротивления, мощно- сти, светового потока и светоотдачи лампы от уровня напряжения. 5. Определить значения светового КПД, а также длину волны, при ко- торой кривая Вина имеет максимум для трех уровней напряжения 0,85; 1,0; 1,15 от номинального напряжения лампы. Рис. 1.1. Электрическая принципиальная схема установки для исследования характеристик ламп накаливания: QF - автоматический выключатель; TV - автотрансформатор (Латр); РА1 - амперметр; PV - вольтметр; HL - лампа накаливания; ВL - фотоэлемент; PА2 - миллиамперметр Краткие теоретические сведения В лампах накаливания используется эффект теплового излучения, ха- рактер которого зависит от температуры тела накала. К тепловому излуче- нию способны всякие тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля. Тепловое излучение представляет собой электромагнитное излучение, ха- рактеризующееся длиной λ и частотой ν электромагнитных волн и возни- кающее в результате теплового возбуждения частиц (атомов, молекул, ио- нов и т.п.) излучающего тела. Показателями теплового излучения лампы накаливания являются спектральный состав излучения данного тела, вели- чина потока (мощности) излучения и световой коэффициент полезного действия (КПД). Спектр излучения определяется температурой тела накала. При невы- 6 соких температурах имеет место инфракрасное излучение, при повышении температуры до определенных значений излучение переходит в видимую часть спектра (λ = 380-760 нм). По цветности излучения лампа накаливания значительно желтее естественного дневного света и не обеспечивает пра- вильной цветопередачи. При конструировании ламп накаливания особый интерес представля- ют свойства излучения тугоплавких металлов и, прежде всего вольфрама, который является, и в ближайшем будущем будет оставаться, основным материалом для изготовления тела накала. В основе создания ламп накали- вания лежит принцип использования для получения света теплового излу- чения нагретого электрическим током проводника. Рассмотрим устройство лампы накаливания, схематически изображенной на рис. 1.2. Рис. 1.2. Устройство лампы накаливания: 1 - колба; 2 - тело накала (спираль); 3 - держатели; 4 - электроды; 5 - цоколь; 6 - изолятор; 7 - контакт Главной частью любой лампы накаливания является тело накала 2, на- гревание которого проходящим через него электрическим током приводит к излучению света. Тело накала может быть выполнено в виде нити, спира- ли, биспирали, триспирали, иметь разные размеры и форму. Для того чтобы тело накала в процессе работы сохраняло исходную форму, его фиксируют в пространстве с помощью внутренних звеньев электродов 4 и держателей 3. В зависимости от типа лампы электроды мо- гут быть одно-, двух-, трехзвенными. Электроды изготовляются из никеля, ферроникеля, меди или платинита в зависимости от типа ламп. Стеклянный конструктивный узел лампы, называемый ножкой, кроме электродов и держателей включает в себя другие детали, которые соедине- ны между собой путем сплавления стеклянных элементов. Ножка служит опорой для тела накала и вместе с колбой 1 обеспечивает герметизацию лампы. Для нормальной работы раскаленного тела накала недопустимо при- сутствие кислорода. Поэтому тело накала размещают в вакууме (вакуумные лампы), либо в среде инертных газов или их смесей, нереагирующих с ма- териалами тела накала (газонаполненные лампы). Для создания вакуума в колбе используют откачное отверстие. В маркировке ламп применяются 7 буквенные обозначения: В - вакуумная лампа, Г - газонаполненная лампа, К - лампа с криптоновым наполнителем, Б - биспиральные лампы. Лампы на- каливания могут изготовляться в матированных, молочных или опаловых колбах. На горловине лампы с помощью цокольной мастики укрепляется цо- коль 5, к корпусу и контактной пластине которого припаиваются и прива- риваются выводы электродов. В зависимости от мощности и назначения ламп применяются различные типы и размеры цоколей. Так, осветительные лампы общего назначения имеют цоколь с винтовой нарезкой; железнодо- рожные, трамвайные, автомобильные - штыковой с одним или двумя кон- тактами; специальные - специальный цоколь. Для цоколей принята заво- дская маркировка: Е - резьбовой цоколь, 1С -штыковой одноконтактный, 2С - штыковой двухконтактный, Ф - фокусирующий, Ц - цилиндрический, М - для мощных ламп. Основными электрическими характеристиками ламп накаливания яв- ляются номинальное напряжение, мощность, сила тока, сопротивление тела накала. Номинальное напряжение лампы U н - это напряжение, на которое рас- считана нормальная работа лампы. Отечественная промышленность выпус- кает лампы накаливания на различные значения номинального напряжения в зависимости от типа и назначения ламп. Так, автомобильные лампы изго- товляются на номинальное напряжение 6, 12 или 24 В; железнодорожные - на 24, 50 и 74 В; лампы для местного освещения - на 12 и 36 В; лампы нака- ливания осветительные общего назначения - на 127...135, 215...225, 220...235, 230...240, 235...245 В. Диапазоны напряжений обусловлены тем, что в практике эксплуатации осветительных установок с лампами накали- вания нередко имеют место отклонения напряжения от его номинального значения. Электрическая мощность ламп накаливания P указывается как средняя величина при регламентируемых соответствующими ГОСТами допусках. Промышленность выпускает лампы накаливания мощностью от долей ват- та до нескольких киловатт. Основная серия, т.е. лампы общего назначения, выпускается в диапазоне 15-1500 Вт. К основным светотехническим характеристикам ламп следует отнести световой поток, световую отдачу, световой КПД и срок службы. Световой поток F - мощность энергии излучения, оцениваемая по дей- ствию на "средний" глаз человека (т.е. это поток излучения в видимой час- ти спектра). Измеряется световой поток в люменах (лм), оценивается по производимому им световому ощущению и зависит от температуры нагрева тела накала и мощности лампы. С течением времени работы лампы ее све- товой поток снижается вследствие уменьшения излучения телом накала (из-за распыления и испарения материала тела накала) и загрязнения внут- 8 ренней поверхности колбы лампы. Световой поток ламп в матированных колбах должен составлять не менее 87%, а у ламп в молочных колбах - не менее 80% от соответствующих величин для ламп с прозрачными колбами. Световая отдача лампы H - одна из основных характеристик, опреде- ляющих экономичность лампы накаливания, представляет собой соотно- шение светового потока лампы к мощности, потребляемой лампой (лм/Вт), где F - световой поток лампы, лм; P- мощность, потребляемая лампой, Вт. Световая отдача ламп основной серии лежит в пределах от 7 до 19 лм/Вт. Значение световой отдачи находится в сложной зависимости от тем- пературы тела накала. Световая отдача ламп данного типа повышается с увеличением их единичной мощности и снижается с увеличением номи- нального напряжения. Так, лампы накаливания большой мощности и по- ниженного номинального напряжения (такие лампы имеют более толстую нить накала и, следовательно, допускают более высокую температуру на- грева) имеют более высокую светоотдачу, чем лампы малой мощности и более высокого номинального напряжения при одинаковом сроке службы. Световой КПД η ламп накаливания определяется отношением потока излучения, воспринимаемого глазом (т.е. светового потока), к полному из- лучению тела накала. КПД ламп накаливания невысок (примерно 3-5%). При повышении температуры тела накала повышается КПД и улучшается спектр излучения, но при этом сокращается срок службы ламп, так как на- гревание материала телом накала связано с его распылением и испарением. Срок службы T определяется как средняя продолжительность горения всех типов ламп накаливания общего назначения. Различают полный и по- лезный сроки службы. Полный срок службы - это число часов работы лам- пы до выхода ее из строя, полезный срок службы - число часов работы лампы, в течение которых снижение его потока излучения не превышает определенного ГОСТом значения. Согласно ГОСТ 2239-60 номинальный срок службы всех типов ламп накаливания общего назначения составляет 1000 часов. При этом продол- жительность горения каждой из ламп при номинальном напряжении долж- на быть не менее 700 часов. Световой поток ламп после 750 часов горения должен составлять не менее 85% первоначального значения. Некоторые ха- рактеристики ламп накаливания общего назначения приводятся в таблице 1.1. Простота схемы включения делает лампы накаливания наиболее на- дежными источниками света. Лампы накаливания практически некритичны к изменениям условий внешней среды, включая температуру, но очень чув- ствительны к отклонениям подводимого напряжения (рис. 1.3). Так, при повышении напряжения выше номинального, увеличиваются ток и мощность, потребляемая лампой, световой поток и световая отдача, но при этом сокращается срок службы ламп. При понижении напряжения 9 ниже номинального наблюдается обратное явление. Отклонению напряже- ния от номинального на 1% соответствует изменение тока лампы на 0,5%, потребляемой мощности - 1,8%, светового потока - 3,5%, световой отдачи - 2,0%. В большей степени изменяется срок службы, так, при превышении напряжения на 5% срок службы сокращается в два раза. Некоторые харак- теристики ламп накаливания от уровня питающего напряжения показаны на рис. 1.3. Таблица 1.1. Технические характеристики ламп накаливания общего назначения P, Вт Напряжение 110 и 127 В Напряжение 220 В F, лм H, лм/Вт F, лм H, лм/Вт 25 228 9,1 198 7,9 40 380 9,5 340 8,5 60 660 11,0 540 9,0 75 915 12,2 698 9,3 100 1320 13,2 1050 10,5 150 2280 15,2 1845 12,3 200 3200 16,0 1660 13,3 300 5160 17,2 4350 14,5 400 7000 17,5 6000 15,0 500 9100 18,2 8000 16,0 Рис. 1.3. Относительные характеристики ламп накаливания: 1 - ток; 2- потребляемая мощность; 3 - световой поток; 4 - световая отдача; 5 - срок службы лампы Аналитические зависимости характеристик ламп накаливания от уровня питающего напряжения могут быть представлены: для тока лампы I = I н •K u 1,8 ; для мощности, потребляемой лампой P = P н •K u 1,58 ; для светового потока F = F н •K u 3,61 ; 10 для световой отдачи H = H н •K u 2,03 ; для срока службы T = T н •K u -14 , где I и I н , P и P н , F и F н , H и H н , T и T н - ток, потребляемая мощ- ность, световой поток, световая отдача, срок службы лампы накаливания и соответственно их номинальные значения; |