Основи енергозбереження та ефективності в системах освітлення міст

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основи енергозбереження та ефективності в системах освітлення міст

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Мережі зовнішнього освітлення великих і малих міст є невід'ємною частиною енергетичного господарства країни. На освітлення витрачається до 20% електроенергії, що виробляється в світі. Якість освітлення в цілому залежить від розвитку енергетичного комплексу країни. Однак збільшення споживання електроенергії не завжди означає поліпшення якості освітлення міста. Слід також зазначити, що енергетична залежність України змушує шукати шляхи економії електричної енергії, в тому числі в зовнішньому освітленні. В Україні тільки завдяки впровадженню організаційно-технічних заходів економія ресурсів може досягати 12-14 млн. т. умовного палива щорічно. Окремі системи при економії електричної енергії погіршують показники якості освітлення, що підтверджується і збільшенням дорожньо-транспортних пригод у 2-3 рази в нічний час. Нерівномірність за освітленістю при цьому збільшується від 3 до 6, за яскравістю з 3 до 4,5. Аналіз показує, що на відміну від європейських країн норми кількісних і якісних показників освітлення в Україні значно нижчі, відсутній ряд показників оцінки якості освітлення. При оцінці якості зовнішнього освітлення міста застосовується наближена методологія, що не дозволяє оцінити рівень освітленості в містах нашої країни порівняно з провідними європейськими країнами. Відомо, що якість освітлення і раціональне використання електричної енергії в освітлювальних установках можна підвищити при гнучкому керуванні режимом їх роботи. У системах зовнішнього освітлення при зниженні інтенсивності руху транспорту і застосуванні систем регулювання потужності джерел світла споживання електричної енергії, без погіршення якості освітлення, можна знижувати до 50%. Це надає особливої актуальності проблемі створення основ енергозбереження та ефективності в системах освітлення міст. А це, в свою чергу, вимагає створення та побудови каналу інформації для систем керування освітлювальними установками, пристроїв регулювання потужності установок зовнішнього освітлення, створення більш точних методів оцінки якості освітлення вулиць і магістралей міста. Усе це в цілому дозволить підвищити якість освітлення при раціональному використанні електричної енергії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації проводились відповідно до комплексної програми України 5.51.5 «Керування режимами систем електропостачання як ефективний спосіб вирішення проблем енергопостачання і ресурсозбереження», у рамках якої виконувалася тема «Розробка способів передачі сигналів керування по силових мережах телекерування електроприймачами 0,4 кВ» Державна реєстрація (ДР) №0194U038724 за замовленням Державного комітету з науки і техніки. Робота пов'язана також з виконанням науково - дослідних робіт галузевою лабораторією «Електропостачання і керування електроустановками підприємств комунального господарства» (ГНДЛ ЕУЕПКГ) у Харківській національній академії міського господарства: тема ДР №0870099452 «Дослідження і розробка систем вибіркового керування в каскадних мережах зовнішнього освітлення»; тема ДР №01890078520; тема ДР №01910007448; тема ДР №01910007449.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка наукових основ енергозбереження в системах освітлення міст, ефективного використання освітлювальних установок і підвищення якісних і кількісних показників освітлення вулиць та магістралей міста на основі комплексних досліджень процесів у системах освітлення міст, створення нових технічних засобів та технологій керування і контролю режимами роботи установок.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

- провести аналіз стану зовнішнього освітлення міст, визначити основні фактори, що впливають на показники якості освітлення, провести оцінку споживання електричної енергії і визначити резерви її зниження;

- виконати теоретичні дослідження передачі команд керування і контролю в освітлювальних мережах;

- на основі експериментальних досліджень розробити математичні моделі вольт - амперних характеристик розрядних ламп, провести дослідження комплекту розрядна лампа - пускорегулюючий апарат з додатковим дроселем;

- розробити й обґрунтувати принципи побудови математичних моделей кривих сили світла для найбільш розповсюджених світильників зовнішнього освітлення міст;

- створити динамічні моделі освітлення вулиць і магістралей міста і на їхній основі провести дослідження та розробити рекомендації для практичного використання різних типів світильників та елементів освітлювальних установок;

- провести дослідження процесів у мережах установок і систем зовнішнього освітлення та розробити заходи для практичного використання результатів.

Об'єкт дослідження: енергетичні й технологічні процеси в системах зовнішнього освітлення міст.

Предмет дослідження: освітлювальні мережі, їх елементи та системи керування установками зовнішнього освітлення.

Методи досліджень. Для апроксимації вольт - амперних характеристик розрядних ламп використовувались тригонометричні поліноми, швидке перетворення Фур'є і періодичні сплайни. Теоретичні дослідження процесів в каналі інформації мереж зовнішнього освітлення виконувались методом змінних стану, а отримані системи диференційних рівнянь вирішувались за допомогою тимчасових графів з однокроковим методом інтегрування. Для побудови математичних моделей кривих сили світла в полярній системі координат застосовувались сплайн - наближення та статистичні методи аналізу. У світлотехнічних дослідженнях використовувались методи теоретичної і прикладної фотометрії.

Наукова новизна результатів дисертації полягає у розробці нових теоретичних та прикладних положень енергозбереження та ефективності системах зовнішнього освітлення, реалізація яких забезпечує економію електричної енергії при високих показниках освітлення доріг та магістралей міста.

Вперше створена математична модель і установлені взаємозв'язки між параметрами освітлювальної мережі та інформаційних імпульсів керування і контролю, що дало змогу знайти способи зменшення їх впливу на систему електропостачання освітлювальної установки і визначити структуру системи керування та оптимальні кути регулювання інформаційних сигналів.

Удосконалена математична модель розрядної лампи на основі експериментальних даних і заданої припустимої похибки з використанням алгебраїчної апроксимації вольт - амперних характеристик ламп, що дає можливість уніфікувати метод одержання вихідних характеристик з різними типами розрядних ламп.

Удосконалено математичну модель регулювання потужності комплекту розрядна лампа - пускорегулюючий апарат з додатковим дроселем і напівпровідниковим ключем керування за рахунок одержання взаємозв'язку між кутом регулювання і потужністю розрядної лампи, що дозволило одержати вихідні характеристики й закласти основи створення енергоекономічних світильників.

Вперше побудовані криві сили світла світильників зовнішнього освітлення на основі апроксимації сплайнами із застосуванням локального згладжування замість традиційного представлення залежностями для кожного класу кривих, що розширює можливість використання світлотехнічних характеристик різних конфігурацій для моделювання кривих сили світла у просторі.

Удосконалено метод оцінки якості освітлення і отримано залежності коефіцієнта нерівномірності яскравості дорожнього покриття при різних співвідношеннях відстані між опорами і висотою підвісу світильника на основі уточнення кута спостереження, показано заниження показників якості освітлення дорожнього покриття вулиць і магістралей міста при усередненому куті спостереження.

Вперше отримана залежність кутів напрямку сили світла для світильника від координат заданої точки дорожнього покриття, що значно спростило просторові світлотехнічні розрахунки, удосконалено точковий метод розрахунку освітлення вулиць і магістралей міста.

Удосконалено математичну модель яскравості й освітленості дорожнього покриття за рахунок введення уточненого кута спостереження і отриманих залежностей кутів напрямку сили світла для світильника від координат заданої точки дорожнього покриття, що дало змогу розвинути метод оцінки якості освітлення за вітчизняними і європейськими нормативами.

Практичне значення отриманих результатів. На основі виконаних наукових досліджень перевірено й реалізовано системи і пристрої зовнішнього освітлення міст, що сприяє підвищенню якості освітлення, економії електричної енергії і надійній роботі установок. Методика розрахунку освітлення дорожнього покриття на основі побудованих моделей кривих сили світла для світильників зовнішнього освітлення дозволяє більш точно оцінити показники якості зовнішнього освітлення міст.

Результати роботи є основою для розробки і створення пристроїв і систем: контролю обриву проводів; локалізації аварій «КУЛОН»; контролю каскадів зовнішнього освітлення «КУРАНТ»; регулювання потужності джерел світла. Результати дослідження моделі освітлювальної мережі при формуванні інформаційних імпульсів для управління режимами роботи установки зовнішнього освітлення були використані при побудові пристроїв передачі команд керування і контролю в системах: локалізації аварій «КУЛОН»; контролю каскадів зовнішнього освітлення «КУРАНТ»; регулювання потужності джерел світла. При розробці системи регулювання потужності джерел світла використані результати дослідження комплекту розрядна лампа - пускорегулюючий апарат для світильників зовнішнього освітлення. Для цієї системи використовувались дослідження моделювання кривих сили світла в полярній системі координат для світильників та результати дослідження математичної моделі освітлення дорожнього покриття вулиць і магістралей міста. Ці матеріали були передані для розробки технічної документації та створення дослідних зразків у виробничному об'єднанні «Комунар» (м. Харків).

Розроблену методику розрахунку освітленості і яскравості дорожнього покриття використано на комунальному підприємстві «Міськсвітло» м. Харків при розробці рекомендацій, щодо поліпшення якості освітлення по вулиці 23 Серпня.

Матеріали роботи використовуються у навчальному процесі в Харківської національної академії міського господарства для підготовки фахівців зі спеціальності «Електричні системи електроспоживання» при викладанні навчальної дисципліни «Електропостачання міст та промислових підприємств», а також в дипломному та курсовому проектуванні.

Впровадження результатів робіт, виконаних у дисертації, підтверджено відповідними актами, що наведені в додатку до роботи.

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У роботах, виконаних у співавторстві, автору належить: у [1] - написання 1-4 глав; у [2] - теоретичні дослідження при дистанційному телекеруванні й розробка загальної схеми каскаду зовнішнього освітлення із системою телекерування потужністю розрядних ламп; у [3] - розробка пристрою для маркірування фаз керування ділянки мережі зовнішнього освітлення; у [4] - теоретичні дослідження при організації каналу керування і контролю; у [5] - розробка загальних принципів проектування установок зовнішнього освітлення з елементами автоматизованого контролю і керування; у [6] - теоретичні дослідження в освітлювальних мережах зовнішнього освітлення при формуванні імпульсів керування і контролю, розробка пристроїв передачі й контролю; у [7] - теоретичне обґрунтування і розробка загальної схеми системи автоматичного контролю і локалізації аварійних ситуацій в установках зовнішнього освітлення; у [8] - розробка структурної схеми приладу для калібрування плавких дротових уставок запобіжників для освітлювальних мереж; у [9] - розроблено схему керування контактором змінного струму з форсованим пуском для проміжних пунктів живлення каскадів зовнішнього освітлення; у [10] - розроблено загальну структурну схему при реалізації системи контролю обриву проводів у розгалуженій мережі зовнішнього освітлення; у [13] - теоретичні дослідження для можливого застосування напівпровідникових контакторів як обмежників напруги в освітлювальних мережах зовнішнього освітлення; у [14] - постановка питання і розробка загальної структури вбудованого в пускорегулюючий апарат стартера з миттєвим розмиканням контакту; у [17] - побудова кривих сили світла на основі сплайн - наближення; у [19] - побудова математичної моделі при передачі інформаційних імпульсів у мережах зовнішнього освітлення; у [24 - 25; 31; 35] - розробка загальної схеми і конструкції; у [27 - 28; 36] - обґрунтування і розробка структурної схеми; у [23; 26; 29 - 30; 32 - 34] - розрахунок параметрів пристрою.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на республіканських і міжнародних конференціях і семінарах:

- Міжнародний семінар. Секція «Освітлювальні установки і світлові прилади» (Московський енергетичний інститут. Москва, 1992);

- 2-га Міжнародна науково - практична конференція «Стійкий розвиток міст. Проблеми і перспективи енерго-, ресурсозбереження житлово - комунального господарства» (Харків, 2003);

- Міжнародна науково - практична конференція «Пріоритети стійкого розвитку великих міст» (Харків, 2004);

- 2-га Міжнародна науково - технічна конференція «Фізичні й технічні проблеми світлотехніки й електроенергетики» (Харків, 2005);

- Всеукраїнська науково - практична конференція «Реалізація регіональних програм реформування і розвитку житлово-комунального господарства» (Алушта, 2005);

- Міжнародна науково - практична конференція «Актуальні проблеми сучасних наук: теорія і практика» (Дніпропетровськ, 2005);

- 4-та Міжнародна науково - практична конференція «Динаміка наукових досліджень - 2005» (Дніпропетровськ, 2005);

- Всеукраїнська науково-практична конференція «Проблеми й перспективи енерго-, ресурсозбереження житлово-комунального господарства» (Алушта, 2005);

- Міжнародний симпозіум SІEMA'2005 «Проблеми удосконалювання електричних машин і апаратів» Теорія і практика (НТУ «Х П І» Харків, 2005);

- Міжнародна науково-практична конференція «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України» (ХНТУСГ імені Петра Василенка. Харків, 2005);

- Міжнародна науково-практична конференція «Новітні технології та енергоефективність в світлотехніці і електроенергетиці» (ХНАМГ, Харків, 2007).

Публікації. За результатами досліджень, виконаних у дисертації, опубліковані у фахових виданнях 21 стаття і одна монографія, крім того матеріали роботи додатково розкриті в 14 авторських свідоцтвах і патентах на винахід і 3 тезах наукових конференцій, симпозіумів і семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновку і додатку, викладена на 297 сторінках основного тексту, містить 32 рисунки і 11 таблиць на 25 сторінках, список використаних джерел з 247 найменувань на 24 сторінках і додатку на 7 сторінках.

Основний зміст роботи

освітлення мережа контроль енергозбереження

У першому розділі показано загальний стан проблеми, її значення і результати, отримані іншими авторами. Головна увага приділена основним напрямкам наукових досліджень в області розробки систем контролю і керування в мережах зовнішнього освітлення. Показано, що існуюче телекерування в зовнішньому освітленні міст має цілий ряд недоліків, що не дозволяють створити більш ефективні й гнучкі системи. Побудова й ефективне використання систем електропостачання і керування освітлювальними установками в мережах зовнішнього освітлення міст визначили основні напрямки дослідження: технологічні процеси в системах керування і контролю освітлювальними установками; передача інформаційних імпульсів керування і контролю в освітлювальних мережах; регулювання потужності установок зовнішнього освітлення міст; математичні методи розрахунку комплекту розрядна лампа - пускорегулюючий апарат; моделі кривих сили світла світильників зовнішнього освітлення; світлотехнічні моделі освітлення дорожнього покриття вулиць і магістралей міста. Розглянуто стан проблеми в кожному з цих напрямів. Показано, що при побудові каналу керування і контролю, як правило, використовуються додаткові проводи мережі для передачі інформації до установки зовнішнього освітлення або апаратури контролю, а це значно здорожує освітлювальні мережі. Використання силових проводів зовнішнього освітлення не знайшло розповсюдження, оскільки практично відсутні теоретичні дослідження та надійні пристрої для передачі команд керування і контролю. Пошук ефективних методів керування в установках зовнішнього освітлення привів до проблеми дослідження комплекту розрядна лампа - пускорегулюючий апарат. Однією із складових цієї проблеми є математичні методи розрахунку комплекту. Існуючі методи, що мають велику точність, вимагають при використанні нових джерел світла уточнення різних коефіцієнтів, а для деяких типів джерел ці коефіцієнти взагалі відсутні. Це в основному стосується диференціальних математичних моделей електричних параметрів розрядних ламп. Більш прості й доступні методи не мають великої точності розрахунків, при цьому в основному використовується класична схема з'єднання комплекту розрядна лампа - пускорегулюючий апарат. При додаванні в схему комплекту додаткового дроселя або напівпровідникового апарата існуючі методи математичного моделювання використовувати важко. Показано, що побудова моделей освітлення дорожнього покриття вулиць і магістралей міста пов'язана із задачею визначення кутів напрямку сили світла з розрахунковими координатами дорожнього покриття, що визначило побудову світлотехнічної моделі не тільки світильника, але й всієї установки зовнішнього освітлення.

Одержання якісного освітлення міста пов'язано з кількісними і якісними показниками освітлення доріг і магістралей міста, що закріплені в нормативних документах. Але ці норми застаріли й потребують переробки. За кордоном кількісні показники освітлення збільшуються, з'являються нові якісні показники, що характеризують ефективність освітлення. Важливими показниками для характеристики якості розподілу яскравості є показник загальної рівномірності і рівномірності розподілу яскравості в поздовжньому напрямку. Тому це завдання визначило дослідження в напрямку - світлотехнічні частини освітлювальних установок зовнішнього освітлення.

На основі аналізу публікацій показана актуальність проблеми, поставлені завдання і визначені основні напрямки дослідження.

У другому розділі викладено принципи побудови каналу передачі інформації в установках зовнішнього освітлення міст, моделювання процесів і дослідження при передачі інформації керування і контролю по силових мережах зовнішнього освітлення. При побудові каналу інформації по силових мережах застосовано два підходи. У першому випадку канал інформації будовано для передачі команд керування, а в другому - контрольних сигналів. У кожному з цих випадків розглянуто кілька способів передачі інформаційних імпульсів. При передачі контрольної інформації доцільно використовувати дві або три фази, залежно від конфігурації освітлювальної мережі і призначення системи керування і контролю режимом роботи освітлювальних установок, при цьому за формувальник імпульсу використовується тиристорний або транзисторний ключ. Керування режимом роботи освітлювальних установок у зовнішньому освітленні міст пов'язано з передачею інформації від міської трансформаторної підстанції, що здійснює живлення установок, до світильника, де і регулюється світловий потік газорозрядної лампи. У цьому разі розглянуто два варіанти передачі команд керування. У першому варіанті використовується як імпульс напруга джерела живлення установки, а в другому - імпульс струму навантаження мережі зовнішнього освітлення. При передачі інформації контролю і керування були побудовані схеми заміщення освітлювальної мережі з рядом допущень. Оскільки передача інформації є короткочасним перехідним процесом, то при побудові моделі освітлювальної мережі зовнішнього освітлення застосовується метод змінних стану.

При складанні диференціальних рівнянь використано сигнальні графи, зокрема освітлювальна мережа при передачі контрольної інформації була представлена орієнтованим графом. Відповідно до отриманих зв'язків одержали сигнальний граф освітлювальної мережі зовнішнього освітлення при передачі контрольної інформації (рис. 1).

При формуванні рівнянь за методом змінних стану використано сигнальний граф освітлювальної мережі. Рівняння за методом змінних стану визначені сигналами у вузлах похідних. Застосовуючи властивості сигнального графа, отримали рівняння змінних стану (1-10):

; (1)

; (2)

; (3)

; (4)

; (5)

; (6)

; (7)

; (8)

; (9)

. (10)

Отримано аналогічним методом диференціальні рівняння змінних стану при передачі інформаційних імпульсів керування в освітлювальній мережі, а також рівняння при передачі контрольної інформації від кінця ділянки до джерела живлення з транзисторним ключем керування. Для розв'язання рівнянь при динамічному процесі використано метод чисельного інтегрування.

По завершенні процесу моделювання побудовано графіки динамічних режимів системи електропостачання освітлювальної установки з урахуванням її параметрів і способу керування та контролю застосовуваних напівпровідникових ключів.

Аналіз отриманих результатів напруги і струмів свідчить, що при формуванні імпульсів керування тиристорним ключем, зміна напруги відбувається наприкінці лінії освітлення тільки у фазі А, тому датчики прийому інформації слід будувати на зміні напруги у бік зменшення , або зміни струму у нульовому проводі. При формуванні контрольної інформації в освітлювальній мережі транзисторним ключем максимальний імпульс струму досягається при керування в інтервалах .

Для зменшення впливу формування імпульсів керування на систему електропостачання освітлювальних установок слід обмежувати кут регулювання імпульсу. Так для фази для зменшення впливу на напругу фази кут регулювання встановлюється в межах .

Аналогічно були визначені кути формування імпульсів керування і в інших фазах: для фази В ; для фази С .

У третьому розділі викладено результати математичного опису динамічних вольт - амперних характеристик розрядних ламп і аналізу побудови моделей на основі експериментальних даних, що послужило науковим обґрунтуванням розвитку в роботі нового напрямку з дослідження і створення ефективних комплектів розрядна лампа - пускорегулюючий апарат. Згладжування похибок вимірів здійснюється за рахунок обнуління малих за модулем амплітуд коливань, що відповідають високим частотам. Періодична функція, в якості якої може бути представлена напруга на розрядній лампі, вимірюється в деякій нерівномірній сітці з вузлів : . Для можливості використання нерівномірної сітки з довільним числом вузлів пропонується застосовувати проміжну інтерполяцію періодичним кубічним сплайном. Після такої інтерполяції апроксимація тригонометричним поліномом будується за значеннями сплайна в рівномірній сітці з числом вузлів, рівним цілому ступеню двійки: :

, , ,

Побудова апроксимуючого тригонометричного полінома включає три етапи. На першому етапі здійснюється інтерполяція періодичної функції періодичним кубічним сплайном за значеннями вимірів у сітці й обчислення його в сітці . Наступним етапом є швидке перетворення Фур'є значень сплайна в рівномірній сітці для обчислення коефіцієнтів і побудова тригонометричного полінома. На третьому етапі проводиться фільтрація високочастотних коливань з малими за модулем амплітудами. Число гармонік, що відкидаються, на третьому етапі визначається параметром, який задається, припустимою точністю апроксимації. Побудований за допомогою швидкого перетворення Фур'є тригонометричний поліном у точності збігається з інтерполяційним сплайном у вузлах рівномірної сітки. Після обнуління амплітуд у результаті фільтрації максимальне відхилення тригонометричного полінома від сплайна в сітці не повинне перевищувати. Функція, отримана експериментально, представляється періодичним сплайном. На кожному інтервалі , i=0,1,…, N?1 сплайн поданий у вигляді

, (11)

де позначено , ,.

На другому етапі вже на рівномірній сітці функція подана тригонометричним поліномом. При розрахунку коефіцієнтів використовувалося швидке перетворення Фур'є. На третьому етапі здійснюється фільтрація випадкових помилок при вимірі динамічних характеристик розрядних джерел світла, при цьому відкидаються коефіцієнти, що відповідають великим частотам доти, поки зберігається умова

, (12)

- число елементів безлічі.

У результаті отримана апроксимація функції для комплексних і дійсних коефіцієнтів:

; (13)

. (14)

На основі запропонованої методики проведено дослідження збіжності алгоритму і впливу припустимої похибки на точність апроксимації динамічних характеристик розрядних джерел світла. На рис. 6 представлено тригонометричний поліном, побудований на експериментальних даних з розрядною лампою ДРЛ - 125.

Максимальне відхилення напруги складає 0,38 В (рис. 7). Однак, як показали дослідження, відхилення напруги повинно бути не занадто малим, щоб згладити стохастичні перекручення, і не занадто великим, щоб зберегти корисну інформацію. Для цього як вихідний вираз використовували функцію з періодом і амплітудою , : Моделювання стохастичних похибок вимірів здійснювали генератором випадкових чисел.

У табл. 1 наведено результати розрахунку амплітуд Фур'є при різних значеннях припустимої похибки апроксимації і числа вузлів у сітці . Наведені також ступінь апроксимуючого полінома і його максимальне відхилення від значень, що задаються . При оптимальним значенням є . Похибки вимірів із середньою помилкою не приводять до появи додаткових гармонік в апроксимуючому тригонометричному поліномі, з іншого боку можна гарантувати виявлення гармонік з амплітудами, що за модулем не перевищують .

Таблиця 1. Вплив припустимої похибки апроксимації на точність визначення амплітуд Фур'є

е	N=100	N=1000
	q	b1	a3	дmax	q	b1	a3	дmax
0,01	44	1,0003	0,099585	0,0083	458	0,99976	-0,10052	0,0097
0,02	23	1,0003	-0,099585	0,019	322	0,99976	-0,10052	0,02
0,03	3	1,0003	-0,099585	0,026	85	0,99976	-0,10052	0,029
0,04	3	1,0003	-0,099585	0,026	3	0,99976	-0,10052	0,038
0,11	3	1,0003	-0,099585	0,026	3	0,99976	-0,10052	0,038
0,12	1	1,0003	0	0,12	3	0,99976	-0,10052	0,038
0,013	1	1,0003	0	0,12	3	0,99976	-0,10052	0,038
0,014	1	1,0003	0	0,12	3	0,99976	-0,10052	0,038
0,015	1	1,0003	0	0,12	1	0,99976	0	0,12

Отримані статичні характеристики розрахованих амплітуд Фур'є. Суцільними лініями зображені розраховані в такий спосіб функції розподілу амплітуд при (рис. 8) і .

Середньоквадратичне відхилення розрахованої амплітуди при дорівнює , а при . Воно менше середньої помилки похибок при вимірах при N=100 у 7 разів, а при N=1000 у 22 рази. На підставі зменшення середньої помилки розрахунку амплітуд Фур'є при збільшенні числа вимірів N дійдемо висновку про збіжність алгоритму розрахунку амплітуд Фур'є, що перевищують за модулем припустиму похибку апроксимації , при згущенні сітки моментів часу, в які виконуються виміри.

У четвертому розділі розглянуто питання побудови і створення ефективних моделей комплекту розрядна лампа - пускорегулюючий апарат. Використовуючи результати, отримані в попередньому розділі, модель комплекту подана як лінійний індуктивний баласт із додатковим лінійним дроселем, що включені з джерелами двох напруг: синусоїдальним джерелом напруги мережі і несинусоїдальним джерелом, представленим як еквівалент розрядного джерела світла. Комплект розрядна лампа - пускорегулюючий апарат з додатковим індуктивним баластом представлений двома схемами заміщення для першого і другого етапів розрахунку (рис. 10). Для розрахунків застосовано при обчисленні миттєвих значень струму і напруги принцип накладення від дії синусоїдального і несинусоїдального джерела живлення. Отримано основні залежності для всіх елементів комплекту. Потужність лампи визначається як

= (15)

Діюча напруга і струм лампи:

; (16)

. (17)

Аналогічно одержані напруги на основному й додатковому дроселях, а також втрати в них. Отриманий ряд залежностей дозволяє будувати більш ефективні комплекти газорозрядна лампа - пускорегулюючий апарат з додатковим дроселем (рис. 11-12). Ці залежності дають змогу розраховувати і конструювати додаткові баласти залежно від режиму роботи і завдань регулювання потужності комплекту. Розрахункові значення порівнювали з експериментальними даними, для цього використовували комплект розрядна лампа, основний і додатковий баласти. Для експерименту була підібрана розрядна лампа ДРЛ - 250 з діючою напругою, близькою до каталожних даних . Похибка вольтметра . Осцилограма була отримана за допомогою універсального осцилографа , максимальна похибка при вимірі складала . З огляду на максимальну похибку універсального осцилографа, похибка апроксимації напруги не повинна перевищувати .

Цю величину і вводили в програму розрахунку. Відповідно до цього був отриманий тригонометричний поліном ступеня при заданій похибці . Найбільше відхилення апроксимуючого полінома від експериментальних даних склало , а середнеквадратичне відхилення -. Значення струму лампи при вимірі становило , а при розрахунках на моделі , що склало відхилення від моделі експериментальних даних на , відхилення за діючою напругою на лампі (, ), за потужністю розрядної лампи (, ).

Зниження потужності мережі зовнішнього освітлення в режимі нічного режиму без часткового відключення світильників можливе при застосуванні в мережах освітлення регулюючих пристроїв. В установках зовнішнього освітлення, оснащених розрядними лампами, як показали дослідження, прийнятним методом зниження потужності є введення в ланцюг кожної лампи додаткового дроселя. Регулювання потужності комплекту здійснюється східчасто, однак у деяких установках потрібне плавне регулювання, що й визначило напрямок досліджень даного розділу. З огляду на побудову зовнішнього освітлення і стійкість роботи розрядних джерел світла запропоновані індивідуальні обмежувачі струму комплекту. Розглянуто схему заміщення комплекту (рис. 13). Розрядне джерело світла представлене як генератор несинусоїдальної напруги з нульовим внутрішнім опором. Напругу генератора апроксимовано за методом, викладеним у третьому розділі дисертації. Напруга мережі моделюється за допомогою синусоїдального джерела напруги , а генератор несинусоїдальної напруги - кількістю синусоїдальних джерел напруги.

Напруга першого джерела має частоту, що збігається з джерелом напруги мережі, частота джерела має 3-ю гармоніку, частота джерела має 5-у і т.д. Кількість джерел визначається точністю апроксимації осцилограми напруги для розрядного джерела світла. Кількість джерел може бути від 11 до 17, що відповідає кількості гармонік від 21 до 33. Для даної схеми заміщення побудований спрямований граф і складена система диференціальних рівнянь (18-19). Для вирішення рівнянь при динамічному процесі використовували метод чисельного інтегрування. Отримано залежності зміни параметрів комплекту при регулюванні потужності розрядної лампи з використанням тиристорного, транзисторного і симісторного ключів.

; (18)

. (19)

У п'ятому розділі наведений спосіб моделювання кривих сили світла світильників. Криві сили світла подано нормованими В-сплайнами:

,, (20)

де

Застосовували сплайни першого і третього ступеня. Як вихідну функцію використовували експериментальні дані, що мають похибку виміру, тому проводили згладжування із застосуванням L2 - норми другої похідної сплайна:

. (21)

Згладжування осциляцій здійснювали з використанням ітераційної процедури локального згладжування, в якій після кожної апроксимації значення функції заміняються значеннями побудованого сплайна у вузлах. Як критерій виходу з ітераційного циклу використовується стабілізація або зростання цієї величини:

, (22)

де - де яка задана мала величина.

Отримані моделі і для складніших кривих сил світла для світильника РКУ03-250-001-У1, які надалі були використані для моделі освітлення вулиці міста.

У шостому розділі, використовуючи результати досліджень попередніх розділів, запропоновано методи побудови моделей освітлення вулиць і магістралей міста. При моделюванні був визначений математичний зв'язок між координатами точки на проїзній частині вулиці, напрямком сили світла світильника і геометричними розмірами освітлювальної установки.

Отримані залежності дозволили одержати напрямок сили світла в задану точку. Силу світла в напрямку розрахункової точки визначали за побудованими моделями світильників зовнішнього освітлення.

У вертикальній площині:

,,; (23)

у горизонтальній площині:

,,, (24)

де - інтервали розбивки функції.

Проїзну частину вулиці розділено на квадрати (рис. 22): , .

Кількість квадратів залежить від ступеня точності одержання величини освітленості в тій або іншій точці проїзної частини дороги. При використанні обчислювальної техніки застосовано два двовимірних масиви для зберігання інформації про координати вузлів. Масив складається з однакових рядків, у яких записані координати , а містить однакові стовпці .

Представлено побудову освітлення від декількох світильників, у кожній точці горизонтальну освітленість визначали сумою освітленостей, створюваних всіма світильниками:

, (25)

де освітленість, що створюється окремо кожним світильником.

Визначали матрицю кутів і:

; (26)

. (27)

Аналогічно визначали кути від інших світильників, а потім горизонтальну освітленість у кожній точці від усіх світильників. Крім того, для кожної точки визначали яскравість дорожнього покриття:

. (28)

Для визначення кута спостереження використовували залежність

. (29)

За даною моделлю була розроблена програма на ПЕОМ. Для порівняння результатів розрахунку на моделі й експериментальних даних використовували освітлювальну установку із світильником РКУ01-250-011-У1. Оскільки експеримент проводили в реальних освітлювальних мережах, то в цілому на момент експерименту не був відомий ступінь зносу установки за світлотехнічними даними. Тому при розрахунку використовували різні значення коефіцієнтів запасу установки. Чим ближче розрахункова й експериментальна точки до початку координат (опора установки знаходилась на початку координат), тим менше різниця між розрахунковими й експериментальними даними, де різниця не перевищує 3%. Застосовуючи побудовані моделі, отримали залежності кількісних і якісних показників освітлювальної установки.

Показано заниження показників якості освітлення дорожнього покриття вулиць і магістралей міста при усередненому куті спостереження.

Визначаючи яскравість дорожнього покриття при усередненому куті спостереження, одержуємо занижені показники рівномірності розподілу яскравості дорожнього покриття доріг і магістралей, при чому ця різниця зростає при співвідношенні кроку світильника до висоти його підвісу більше 3,5.

На основі виконаних досліджень освітлювальної установки за міжнародними нормами (співвідношення для загальної рівномірності яскравості, для поздовжньої рівномірності яскравості) встановлено, що для однобічної схеми побудови світильників нерівномірність розподілу яскравості для загальної рівномірності по освітлюваній поверхні лежить в області припустимих значень (більше 0,35 при нормі середньої яскравості більше ), а для поздовжньої рівномірності яскравості для більшості своїх значень, крім області співвідношення кроку світильника до його висоти підвісу, лежить нижче припустимого значення 0,6. Були визначені також оптимальні співвідношення нерівномірності розподілу яскравості для різних освітлювальних установок.

У сьомому наведено загальну структурну схему і побудову систем електропостачання і керування освітлювальними установками зовнішнього освітлення. Центральний або районні диспетчерські пункти зв'язані лінією зв'язку (ЛЗ), в якості яких використовуються телефонні лінії зв'язку, з головними пунктами живлення (ГП1, ГП2) каскадів зовнішнього освітлення, якщо мережі побудовані в каскадну мережу. З міського диспетчерського пункту (ДП) сигнал формується і передається на блоки (Б1-Б2), що забезпечують передачу інформації з телефонних ліній зв'язку. Інформація керування надходить через районні телефонні станції (АТС1-АТС3) на головні пункти живлення (ГП1-ГП2) і потім по силових проводах освітлювальної мережі на проміжні пункти (ПП1-ПП10). У кожній із складових структурної схеми розроблені конкретні схеми блоків для систем контролю і керування в установках зовнішнього освітлення, причому кожна система може працювати самостійно. Для регулювання потужності освітлювальної установки використовується система керування потужністю мереж зовнішнього освітлення з каскадною побудовою. Організація даного виду керування припускає установку передавачів команд на диспетчерському пункті. Передача команд керування в даному разі здійснюється двома етапами. До першого відноситься передача кодованих сигналів по лінії зв'язку, до другого передача команд керування від пунктів живлення до світильників по силових проводах зовнішнього освітлення. Система регулювання потужності здійснюється в два варіанти.

Перший варіант передбачає східчасте регулювання потужності джерела світла із застосуванням додаткового дроселя або дроселя з декількома відгалуженнями, що дозволяють переходити на зниження споживання електричної енергії. При другому варіанті регулювання світлового потоку проводиться плавно з використанням напівпровідникових апаратів.

Для запобігання аварійним ситуаціям в освітлювальних мережах розроблена система контролю аварійних ситуацій і локалізації аварійних режимів. Система може бути використана для ділянки зовнішнього освітлення і для каскаду мережі. При використанні для ділянки мережі система працює як пристрій, що реагує на обрив проводу ділянки мережі, при цьому пошкоджена ділянка відключається. Система «КУЛОН» у каскаді зовнішнього освітлення забезпечує надійну роботу каскаду навіть в аварійних ситуацій. У даному разі система забезпечує попередження «розвалу» каскаду при згорянні запобіжників і обривах проводів. Спосіб локалізації несправностей у каскаді зовнішнього освітлення заснований на включенні в пунктах живлення контакторів нічного режиму при наявності напруги в кожному з проводів ділянки каскаду, і вимиканні даних контакторів шляхом маніпуляції тимчасової подачі напруги у фазу вечірнього режиму.

Розроблено пристрої надійної роботи виконавчих пунктів живлення. Оскільки пристрої встановлені наприкінці освітлювальної мережі, то режим їх роботи розрахований навіть на зниження напруги в мережі до 180 В. Це значно підвищує надійну роботу виконавчих пунктів живлення освітлювальної установки. Схеми розроблені в декількох варіантах для різних умов і режимів роботи зовнішнього освітлення.

Розроблено систему вибіркового керування «КУРС», що дозволяє виконувати індивідуальне керування окремими ділянками в каскадній схемі мережі зовнішнього освітлення, не порушуючи штатного стану всього каскаду. Система призначена для роботи каскадів, у яких є ділянки мережі з іншим режимом роботи. Такі каскади використовуються при наявності в них ділянок, що забезпечують живлення транспортних тунелів. Оснащення мереж зовнішнього освітлення системою вибіркового керування з можливістю двостороннього обміну інформацією, як по силових проводах мережі, так і по діючій лінії зв'язку пристрою телекерування без капітальної реконструкції мереж дозволить значно розширити можливості системи централізованого телекерування мережами зовнішнього освітлення.

Основні результати й висновки

У дисертаційній роботі здійснено теоретичне узагальнення і вирішення актуальної науково-технічної проблеми, що полягає у науковому обґрунтуванні та реалізації ефективних систем зовнішнього освітлення на основі дослідження взаємозв'язків електричних і світлотехнічних характеристик освітлювальної установки, створенні систем дистанційного керування режимом роботи енергоекономічних світильників й підвищенні якісних показників освітлення дорожнього покриття вулиць і магістралей міста.

1. На основі аналізу відомих способів передачі інформації, керування в освітлювальних мережах, регулювання потужності установок зовнішнього освітлення, методів моделювання світлотехнічних характеристик світильників зовнішнього освітлення, сучасних методів оцінки якісних і кількісних показників освітлення міста, а також способів підвищення енергоекономічності в системах освітлення показана актуальність проблеми, визначено шляхи підвищення ефективності систем, що полягають у виборі енергоекономічного комплекту газорозрядна лампа - пускорегулюючий апарат, упровадженні дистанційних систем керування і контролю, підвищенні точності оцінки якості освітлення.

2. Для аналізу передачі інформаційних імпульсів керування і контролю розроблена математична модель освітлювальної мережі, за допомогою якої встановлені взаємозв'язки між параметрами мережі й імпульсу. Установлено оптимальні кути регулювання імпульсом (для фази А , для фази В , для фази С ), показано ступінь його впливу на систему електропостачання освітлювальної установки.

3. На основі експериментальних даних розрядних джерел світла типу ДНаТ і ДРЛ отримано динамічні вольт - амперні характеристики. Для лампи ДРЛ-250 при заданій припустимій похибці напруги визначено найбільше відхилення апроксимуючого полінома від експериментальних даних , для лампи ДНаТ - 400 при тих самих умовах . Запропоновано універсальній математичний опис, який використовується для розрахунку комплекту газорозрядна лампа - пускорегулюючий апарат з додатковим дроселем з різними типами ламп при побудові світильників зовнішнього освітлення.

4. Теоретично й експериментально підтверджено, що споживання електричної енергії комплектом газорозрядна лампа-пускорегулюючий апарат з додатковим дроселем при плавному регулюванні потужності лампи за допомогою напівпровідникових ключів зменшується. При керуванні тиристорним ключем споживання комплектом по струму знижується в 1,6 раза, а при застосуванні симетричного тиристора - у 2 рази. У порівнянні з традиційними методами кут регулювання комплекту збільшений з до . На підставі отриманих результатів створено енергоекономічний світильник, що дозволяє зменшити споживання електроенергії у період зниження інтенсивності руху транспорту до 50%.

5. Запропоновано методику моделювання кривих сили світла в полярній системі координат для світильників зовнішнього освітлення з використанням апроксимації сплайнами і застосуванням локального згладжування, показана перевага перед відомими способами подання кривих, що дає змогу створювати моделі для різної конфігурації кривих сили світла в просторі. Доведено, що криві сили світла, побудовані сплайнами першого і третього ступеня, є більш гладкими, ніж інтерполяційні сплайни, і згладжують осцилляції, обумовлені похибками заданих експериментально.

6. Зроблено математичний опис, який уточнює кут між лінією зору і напрямком дзеркального відображення, що дозволяє уточнити кут спостереження при оцінці яскравості дорожнього покриття. Це дало можливість скоригувати яскравість дорожнього покриття в середньому на 20%.

7. Побудовано математичну модель освітлення дорожнього покриття вулиць і магістралей міста, на підставі якої проведено аналіз якісних і кількісних показників освітлення дорожнього покриття. Отримано залежності рівномірності розподілу освітленості на дорожньому покритті від співвідношення кроку і висоти підвісу світильника при однобічному, дворядному прямокутному, дворядному шаховому розташуванні світильників. Розбіжність експериментальних і розрахункових даних не перевищує 3-18%. На підставі даної моделі набув розвитку точковий метод розрахунку освітлення дорожнього покриття вулиць і магістралей міста.

8. На підставі теоретичних досліджень з дистанційного керування з використанням силових освітлювальних мереж розроблено пристрої передачі інформації контролю і керування, а також пристрої проміжних пунктів живлення освітлювальних установок, що захищені патентами України і Росії.

9. Результати роботи використані при впровадженні систем дистанційного керування мережами зовнішнього освітлення. Розроблені алгоритми і пристрої застосовуються при проведенні науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт відповідно до цільової комплексної програми України «Розробка освоєння виробництва і випуск пристроїв автоматизації зовнішнього освітлення міст» спеціальним конструкторським бюро «Полісвіт» ПО «Комунар» м. Харкова разом з Харківською національною академією міського господарства. На підставі отриманих результатів проведена робота з підготовки технічної документації і випуску дослідних зразків: системи контролю обриву проводів, системи локалізації аварій «КУЛОН», системи контролю каскадів зовнішнього освітлення «КУРАНТ», системи регулювання потужності джерел світла.

10. Проведені дослідження у роботі з моделювання кривих сили світла, побудови моделей зовнішнього освітлення використовувались при розробці методики розрахунку якості освітлення дорожнього покриття. Методика явилась основою при розрахунку й аналізу кількісних і якісних показників зовнішнього освітлення по вулиці 23 Серпня м. Харкова. На основі аналізу отриманих результатів запропоновані рекомендації з поліпшення якості зовнішнього освітлення

11. На підставі теоретичних і експериментальних досліджень отримано методи розрахунку параметрів пристроїв прийому й передачі інформаційних імпульсів керування і контролю, комплекту газорозрядна лампа - пускорегулюючий апарат з додатковим дроселем і плавним регулюванням потужності, освітленості і яскравості дорожнього покриття при несиметричному світлорозподілі світильників зовнішнього освітлення. Матеріали дисертації використовуються у навчальному процесі в Харківської національної академії міського господарства для підготовки фахівців зі спеціальності «Електричні системи електроспоживання» при викладанні навчальної дисципліни «Електропостачання міст та промислових підприємств», а також в дипломному та курсовому проектуванні.

Публікації за темою дисертації

1. Соколов В.Ф., Харченко В.Ф., Овчинников А.Г. Сети наружного освещения. Построение и автоматизация. - М.: Энергоатомиздат, 1997. - 160 с.

2. Лебедев Ю.П., Овчинников А.Г., Соколов В.Ф., Харченко В.Ф. К реализации систем регулирования мощности каскадов наружным освещением // Светотехника. - 1992. - №2. - С. 13-16.

3. Лебедев Ю.П., Соколов В.Ф., Харченко В.Ф. Система «КУРАНТ» для контроля сетей наружного освещения // Светотехника. - 1992. - №10, 11. - С. 20-22.

4. Лебедев Ю.П., Соколов В.Ф., Харченко В.Ф. О контроле аварийных ситуаций в сетях наружного освещения // Светотехника. - 1992. - №5. - С. 11-15.

5. Лебедев Ю.П., Соколов В.Ф., Харченко В.Ф. Особенности проектирования установок наружного освещения с элементами автоматизированного контроля и управления / Светотехника. - 1993. - №8. - С. 18-20.

6. Лебедев Ю.П., Сергеев Н.Д., Соколов В.Ф., Харченко В.Ф. Построение системы выборочного управления осветительными установками в каскаде наружного освещения // Светотехника. - 1994. - №2. - С. 15-18.

7. Соколов В.Ф., Степанов А.В., Харченко В.Ф. Автоматический контроль и локализация аварийных ситуаций в установках наружного освещения // Светотехника. - 1995. - №2. - С. 12-14.

8. Соколов В.Ф., Степанов А.В., Харченко В.Ф., Якимов Г.И. Калибратор плавких проволочных вставок предохранителей для осветительных сетей // Светотехника. - 1996. - №7. - С. 41.

9. Кравец Г.Б., Соколов В.Ф., Степанов А.В., Харченко В.Ф., Четверикова Т.Ю. К совершенствованию каскадных схем установок наружного освещения // Светотехника. - 1997. - №2. - С. 25-27.

10. Кравец Г.Б., Соколов В.Ф., Степанов А.В., Харченко В.Ф. Особенности реализации системы контроля обрыва проводов в сетях наружного освещения // Светотехника. - 1998. - №5. - С. 18-20.

11. Харченко В.Ф. Применение локальной аппроксимации сплайнами для построения кривых силы света светильников наружного освещения // Светотехника и электроэнергетика. - 2005. - №5. - С. 41-47.

12. Харченко В.Ф. Построение алгоритма аппроксимации вольт-амперных характеристик разрядных ламп // Светотехника и электроэнергетика. - 2007. - №1. - С. 35-39.

13. Соколов В.Ф., Харченко В.Ф., Четверикова Т.Ю. Исследование полупроводниковых ограничителей напряжения осветительных установок коммунальных предприятий // Коммунальное хозяйство городов: Науч.-техн. сб. - 1994. - Вып. №3. - С. 123-130.

14. Брезинский В.Г., Намитоков К.К., Харченко В.Ф. Встроенный в пускорегулирующий аппарат стартер с мгновенным размыканием контакта: Коммунальное хозяйство городов. Науч.-техн. сб. Вып.38. Серия: Технические науки и архитектура. - К.: Техніка, 2002. - С. 222-225.

15. Харченко В.Ф. Построение и эффективное использование наружного освещения городов: Коммунальное хозяйство городов. Науч.-техн. сб. Вып.49. Серия: Технические науки и архитектура. - К.: Техніка, 2003. - С. 124-129.

16. Харченко В.Ф. Щодо питання моделювання кривих сили світла світильників зовнішнього освітлення міст: Коммунальное хозяйство городов. Науч.-техн. сб. Вып.58. Серия: Технические науки и архитектура. - К.: Техніка, 2004. - С. 132-138.

17. Гриб О.Г., Гаряжа В.Н., Салтыков В.А., Харченко В.Ф. Построение модели кривых силы света светильников наружного освещения: Коммунальное хозяйство городов. Науч.-техн. сб. Вып.60. Серия: Технические науки и архитектура. - К.: Техніка, 2005. - С. 219-229.

18. Харченко В.Ф. К вопросу об аппроксимации вольт - амперных характеристик разрядных ламп: Коммунальное хозяйство городов. Науч.-техн. сб. Вып.63. Серия: Технические науки и архитектура. - К.: Техніка, 2005. - С. 259-266.

19. Гриб О.Г., Ягуп В.Г., Гаряжа В.М., Харченко В.Ф. До питання передачі інформаційних імпульсів в мережах зовнішнього освітлення // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка. Вип. 37 «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України». - Т. 1. - Харків: ХНТУСГ, 2005. - С. 19-23.

...