Выберите ваш филиал:
ул. Вольная, 28
+7 (495) 788-11-33
пн-пт 9:30-18:30
сб 10:00-17:00
ул. Енисейская, 1
+7 (495) 788-93-33
пн-пт 9:30-18:00
ул Складочная, 1, стр. 31
+7 (495) 788-07-80
пн-пт 9:30-18:00
МО, п. Трехгорка,
ул. Трехгорная, дом 12
+7 (495) 788-15-16
пн-пт 9:30-18:00
МО, Подольск, пр-т Юных
Ленинцев, д.70, стр. 3
+7 (495) 788-04-80
пн-пт 9:30-18:00
Курвиметр - прибор, позволяющий точно измерить длину кривых линий, применяется для определения длины неоновых трубок [...]
ЗЕНОН - Рекламные Поставки
Статьи

Лукавые цифры

Виктор Марков,
технолог неонового производства,
канд. техн. наук

Сайнмейкеру нередко приходится пользоваться различными готовыми расчетными методиками. При этом необходимо критическое осмысление известных материалов. Разумеется, недоверие к чужим данным нельзя путать с полным отрицанием чужого опыта. Все случайное и ненужное отбрасывается, а точное и полезное кладется в копилку собственного опыта. Удачным примером может послужить рассмотрение подходов к решению такой проблемы, как компенсация реактивной мощности.

Среди законов Мерфи есть одно наблюдение, в истинности которого убеждаешься каждый раз, когда приходится пользоваться эмпирическими, к примеру табличными, данными. Звучит он так: "Если вы проводите расчет по формуле, где есть постоянные, считайте их переменными". В этом шутливом законе заключена серьезная истина. Наш соотечественник математик и теоретик кораблестроения академик Алексей Крылов утверждал, что настоящий инженер должен верить своему глазу больше, чем любой формуле и помнить слова философа Гексли: "Математика, подобно жернову, перемалывает то, что под него засыпают". Вот на эту засыпку, по мнению академика, и должно смотреть инженеру, не доверяя лукавству цифр.

Говоря современным языком, на практике мы всегда имеем дело только с моделями реальных процессов, имеющими вполне конкретную область применимости. Прежде чем приниматься за расчеты, не вредно убедиться в том, что используемая модель соответствует условиям вашей задачи.

Эти закономерности характерны для любой технической области, в том числе и для производства наружной рекламы. Сайнмейкинг является своеобразным синтезом весьма далеких друг от друга областей деятельности - светотехники, электрики, полиграфии, строительства, электроники. В каждой из них есть свои расчетные и эмпирические подходы креплению технических проблем.

Процесс создания рекламных установок включает целый ряд этапов, среди которых не последнее место занимают обоснование и дизайнерская и конструкторско-технологическая разработка проекта установки.(См. статью "Технологический процесс изготовления ГУ", "ВЫВЕСКИ Реклама Outdoor", 2007, № 1) Причем чем масштабнее проект, тем большие усилия требуются на этапе проектирования. Недостаточно профессиональная разработка приводит к производственным потерям и удлинению сроков изготовления и монтажа.

В основе проектов лежат предварительные оценки, расчеты, замеры различных параметров и т.д. Оценки обычно носят экспертный характер - образуются в результате опроса мнений специалистов по данному конкретному вопросу (пассивно - из доступных источников, активно - из сформулированных вопросов, которые задаются подобранной группе специалистов). Информация такого рода имеет низкую доказательную базу. При наличии доверия к экспертам эвристический метод дает вполне реальные оценки. Но как определить степень доверия? Ложные или ангажированные мнения плодятся и размножаются в литературе и интернете по своим виртуальным законам. С расчетными методиками дело обстоит не лучшим образом.

Проблема энергосбережения

Многие световые элементы, используемые в наружной рекламе, работают на переменном токе промышленной частоты непосредственно либо через специализированные устройства (трансформаторы). Энергозатраты при эксплуатации таких источников света связаны не только с активной, но и с реактивной мощностью (РМ), запасаемой и частично расходуемой в таких элементах, как дроссели, обмотки трансформаторов и т.д. (См. статью "Компенсация реактивной мощности", "ВЫВЕСКИ Реклама Outdoor", 2006, № 7) Величина реактивной составляющей сопротивления газоразрядных ламп изменяется в зависимости от внешних по отношению к лампе условий - таких как балластное сопротивление (дроссель), реактивное сопротивление трансформаторных обмоток и монтажные (паразитные) емкости. При определенных соотношениях внешних и внутренних сопротивлений в газовом разряде, а соответственно и во всей электрической цепи возникают реактивные колебания, которые способны резко увеличить реактивную составляющую сопротивления.

Большая величина реактивной мощности - фактор, снижающий качество электроэнергии. Это проявляется прежде всего в повышении затрат - владелец рекламной установки платит за полную мощность. Кроме того, наличие больших РМ приводит к необходимости увеличения сечения сетевых проводов и к перекосам фаз (при использовании трехфазного питания). Поэтому в условиях растущего дефицита электроэнергии проектирование установки все чаще приходится проводить в условиях ограниченного энергопотребления. Его минимизация проводится путем компенсации реактивной мощности.

С чисто практической точки зрения задача компенсации сводится к установке в схему электропитания газосветных трансформаторов дополнительных элементов. Ими являются так называемые компенсационные (косинусные) конденсаторы, номиналы которых представлены в справочных таблицах на соответствующие трансформаторы.

Рис. 1. Компенсирующие зависимости

Вопросы к РМ

Если последовать совету уважаемого академика и посмотреть на указанную проблему своими глазами, возникает масса вопросов. К примеру, можно ли при непредсказуемой нагрузке использовать метод компенсирующих конденсаторов. Вопрос не праздный. Хорошо известно, что емкостные компенсаторы критичны к гармоническим искажениям напряжения. При их применении уровень гармоник, очень высокий из-за несинусоидальной формы напряжения на лампе, может возрасти еще больше благодаря явлению резонанса. Сами конденсаторы, в свою очередь, весьма чувствительны к уровню гармоник, которые способны вывести их из строя.

Практика показывает, что компенсация реактивной мощности газосветных трансформаторов вполне возможна, но только при отсутствии реактивных колебаний либо в условиях очень малой их амплитуды. Поэтому таблицы, предлагаемые компаниями F.A.R.T., Siet, TecnoLux, привязаны к рабочему току трансформатора. В этом случае возбуждение реактивных колебаний большой амплитуды маловероятно.

Будем считать, что это начальное условие выполнено. Тогда возникает несколько других не менее важных вопросов:

1. Можно ли надеяться на получение оптимальных результатов при использовании табличных данных?

2. Какова эффективность метода компенсации?

3. Применима ли предлагаемая методика для групповой и централизованной схемы компенсации и где нужно располагать конденсаторы в случае индивидуальной схемы компенсации?

Пробы и ошибки

Для ответа на поставленные вопросы рассмотрим существующую модель компенсации. Она представляет собой типичную табличную зависимость компенсирующей емкости от тока потребления в первичной обмотке трансформатора. Для наглядности представим ее в графическом виде (рис. 1). Для всех рассмотренных типов трансформаторов зависимости носят линейный характер. Если для трансформаторов F.A.R.T и TecnoLux зависимости практически полностью совпадают, то для трансформаторов фирмы Siet рассматриваемая зависимость несколько иная, что, быть может, связано с различием в индуктивности обмоток.

Представленные зависимости в отличие от табличных уже не привязаны жестко к величинам рабочих токов. Что важно, поскольку российские стандарты сетевого напряжения существенно отличаются от европейских и американских. Поэтому рабочему току трансформатора будет соответствовать другое значение тока в первичной цепи, отличающееся от табличного. И в этом может убедиться каждый, проведя соответствующие замеры.

Есть и другая сторона медали. Если расчет световых линий производится по таблицам, рекомендуемым иностранными производителями трансформаторов, реальный ток линии будет лежать в лучшем случае в области допустимой нагрузки (по терминологии Бруно Таккони), а вы, скорее всего, перегрузите трансформатор. Нетрудно догадаться, что при такой доверчивости к иностранным таблицам последствия могут быть самыми плачевными. Возрастет опасность того, что лампы и трансформаторы будут чаще выходить из строя, а эффективность компенсации реактивной составляющей тока станет ничтожно малой. Графическая зависимость предполагает привязку к реальному значению тока в первичной обмотке трансформатора (полученному в результате измерений), поэтому должна быть более объективной. Но насколько объективной - ответить сложно.

Проверка на прочность

Чтобы ответить на вопрос о применимости существующей модели компенсации в наших условиях, проводилась экспериментальная работа с использованием трансформаторов компаний F.A.R.T. и TecnoLux. Схема эксперимента представлена на рис 2.

Рис. 2. Схема замеров компенсационной зависимости

Методика проста. Токи во вторичной и соответственно первичной обмотках трансформаторов задавались путем изменения нагрузки световой линии. При каждом фиксированном значении тока световой линии проводилась вариация компенсирующей емкости от нуля до максимального значения компенсирующей батареи и строилась зависимость тока в первичной обмотке от компенсирующей емкости. Как хорошо видно на рис. 3, эта зависимость носит экстремальный характер (с ярко выраженным минимумом).

Рис. 3. Компенсационные зависимости при конкретных значениях токов для трансформатора

Находя последовательно для каждого тока световой линии оптимальные параметры Сопт и I1опт, строилась зависимость I1 - f(C). Она представлена на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость оптимальной компенсирующей мощности оттока в первичной обмотке газосветных трансформаторов (на примере ГТ TecnoLux и F.A.R.T.)

Заметно, что компенсационная зависимость так же хорошо спрямляется, как и предыдущие, что говорит о правильности принятой экспериментальной методики. Предлагаемая модель отличается от существующих зависимостей. Но при изменившихся условиях проведения эксперимента это скорее ожидаемый результат, поскольку российское сетевое напряжение отличается не только по амплитуде (220 В вместо 230 В), но и по частоте (50 Гц вместо 60 Гц), что меняет величину реактивной составляющей сопротивления.

Рассмотрим внимательнее полученную зависимость. Во-первых, для оптимальной компенсации необходимо знать ток в первичной обмотке трансформатора. Это возможно, если перед процедурой компенсации его замерять в условиях рабочей нагрузки и при наличии реальных монтажных (паразитных) емкостей. Если же ориентироваться на некие средние значения тока, которые лежат в пределах диапазона допустимой нагрузки, то тогда эффективность компенсации будет резко падать (рис. 3) из-за резонансных свойств электрической цепи. Это обстоятельство может показаться некомфортным, поскольку не позволяет проводить расчеты на этапе проектирования установки и обременяет монтажников "дополнительными" обязанностями. В оправдание можно привести лишь один аргумент: эффективное снижение электропотребления стоит дороже любых неудобств.

Во-вторых, главный недостаток полученной модели в том, что она не позволяет количественно судить об эффективности процедуры компенсации. При обсуждении с заказчиком вопроса о необходимости этой процедуры всегда следует ожидать сакраментального вопроса: "Что я с этого буду иметь?" Для того чтобы обосновать необходимость компенсации, вполне достаточно тех данных, которые будут приведены в следующем разделе.

По результатам экспериментов с трансформаторами компаний EA.R.T. и TecnoLux была получена зависимость, представленная на рис. 5. Точность зависимости относительно невелика, поскольку не учитывает изменения типоразмеров магнитопровода и индуктивностей обмоток по всей номенклатуре трансформаторов. Но средние значения эффективности и тенденцию ее изменения модель передает довольно точно (эффективность линейно растет с уменьшением нагрузки световой линии). Такой результат можно назвать "оценочным". Для принятия решения о включении процедуры компенсации реактивной мощности в общую калькуляцию работ этого вполне достаточно, а точные значения эффективности компенсации все равно придется определять экспериментально, поскольку особенности монтажа учету не поддаются.

Неожиданные следствия

Итак, рассмотрим приведенную зависимость подробнее. По оси ординат отложено относительное изменение тока в первичной обмотке трансформатора при использовании компенсирующей емкости относительно начального (не скомпенсированного тока). По существу это и есть оценка эффективности процедуры компенсации. По оси абсцисс отложено относительное отклонение тока световой линии от рабочего тока ГТ. Фактически эта величина определяет степень нагруженности трансформатора.

Рис. 5. Зависимость коэффициента эффективности компенсации от нагрузки газосветного трансформатора

Использование относительных величин позволило абстрагироваться от конкретных характеристик трансформаторов. Можно отметить три факта.

Первое. Эффективность компенсации растет с уменьшением световой линии (нагрузки). Интереснейший вывод. Подавляющее большинство источников утверждает, что недогрузка трансформаторов недопустима, поскольку большие токи могут вызвать выход его из строя. Модель показывает, что применение компенсирующего конденсатора легко снимает указанную проблему. Недогрузка трансформатора увеличивает устойчивость работы световых линий в холодное время, поэтому использование этого режима весьма желательно. Наоборот, использование режима перегрузки не только ухудшает работу световой линии, но и снижает эффективность компенсации, следовательно, этих режимов следует избегать.

Второе. Эффективность компенсации лежит в пределах 40-70%. Как сказано выше, наибольшие значения эффективности достигаются в режимах сильного недогруза трансформаторов, что экономически невыгодно. Поэтому для области нагрузки, близкой к допустимой, значения эффективности компенсации будут лежать в диапазоне 50-60%. Двукратное снижение тока потребления установки, которое достигается процедурой компенсации, - весьма сильный аргумент в пользу применения подобной технологии.

Третье. Есть случаи, когда полезно использование компенсации реактивной мощности во время изготовления неоновых ламп на откачнем посту. Для стабилизации процесса ионно-плазменной обработки (бомбардинга) используются высоковольтные трансформаторы большой мощности с большим номиналом напряжения холостого хода.

Компенсирующая емкость в схеме поста фирмы DENCOP
При этом наблюдаются неоправданные реактивные потери. Нагреваются провода и кабели, обмотки трансформатора и дросселя (чока), обгорают контакты устройств управления (контакторы). Чтобы противостоять действию реактивных токов, рекомендуют повышать мощность этих устройств. Компенсация реактивной мощности способна заметно уменьшить разогрев трансформаторов, что чрезвычайно важно при их применении в помещениях с плохой вентиляцией. В результате можно использовать трансформаторы и дроссели меньшей мощности, малогабаритные и недорогие. При этом они будут обеспечивать лучшую управляемость процессами. Такое решение использовано, к примеру, в электрической схеме чешского вакуумного поста фирмы DENCOP.

Это позволило сделать высоковольтную систему поста компактной и эффективной. Причем дроссели, работая совместно с компенсирующей емкостью, выполняют только роль фильтра гармоник.

Подведение итогов

Все плюсы предложенной расчетной методики уже продемонстрированы. Поговорим о минусах. Во-первых, модель пригодна только для метода индивидуальной компенсации. В этом случае каждый из трансформаторов, используемых в световой установке, снабжается индивидуальным конденсатором, расположенным как можно ближе к нему. Эксперименты показали, что перенос конденсатора, например, на 2 м снижает эффективность компенсации даже при условии оптимальной компенсации, которая, кстати, достигается при значениях емкостей, отличных от модельных.

Во-вторых, при использовании методов групповой и общей компенсации получение значения компенсирующей емкости путем сложения "индивидуальных" емкостей неэффективно. Здесь возможна только опытная компенсация (индивидуальный подбор емкости, при которой значение полного тока в сети минимально).

Предложенная модель, как и любая другая, имеет ограниченную область применимости, что налагает на пользователей обязательства по соблюдению определенных условий.

На примере проблемы энергопотребления световых установок показано, что бездумное обращение к чужим методикам, предназначенным для других условий эксплуатации, приводит к потере эффективности. Стоит рекомендовать к применению предложенную усовершенствованную модель расчета индивидуальной компенсации реактивной мощности. Выше были оценены значения снижения тока при использовании данной методики, составившие 50-60%. Процедура компенсации успешно решает проблемы, с которыми сталкиваются производители неонового технологического оборудования.

Вот так и работает закон Мерфи. Стоит сделать шаг за пределы области определения параметров - и можно считать их переменными. Вопрос уменьшения потерь электроэнергии в газосветных установках - лишь первый конкретный пример применения закона.