Tài liệu bài giảng môn học cung cấp điện - phần 11 pdf

Chơng X
Chiếu sáng công nghiệp
Chiếu sáng công nghiệp là một phần không thể thiếu đợc trong một xí
nghiệp. Chơng này trình bầy những vấn đề cơ bản về thiết kế chiếu sáng
cho xí nghiệp, đồng thời đa ra những yêu ccàu về chiếu sáng của một số xí
nghiệp thông thờng.
10.1 Khái niệm chung:
Trong bất cứ xí nghiệp nào, ngoài chiếu sáng tự nhiên còn phải
dùng chiếu sáng nhân tạo. Hiện nay phổ biến nhất là đùng đèn điện để
chiếu sáng nhân tạo. Sở dĩ nh vậy là vì chiếu sáng điện có những u điểm
sau: thiết bị đơn giản, sử dụng thuận tiên, giá thành rẻ, tạo đợc ánh sáng
gần giống ánh sáng tự nhiên.
Những số liệu sau đây nói lên vai trò của chiếu sáng quan trọng
của chiếu sáng trong XNCN. Ngời ta đ tính rằng ở 1 xí nghiệp dệt, nếu độã
rọi tăng 1,5 lần thì thời gian để làm các thao tác chủ yếu sẽ giảm 8
ữ
25% ;
năng suất lao động tăng 4
ữ
5%. Trong phân xởng nếu ánh sáng không đủ,
công nhân sẽ phải làm việc trong trạng thái cang thẳng, hại mắt, hại sức
khoẻ, kết quả là gây ra hàng loạt phế phẩm và năng suất lao động giảm
sút. v.v Đó là ch a kể đến nhng công việc không thể làm đợc nếu không
đủ ánh sáng hoặc ánh sáng không giống ánh sáng tự nhiên. Chẳng hạn
công tác ở bộ phận kiểm tra chất lợng máy, nhuộm mầu và sắp chữ in
v.v
Vì thế vấn đề chiếu sáng đ đã ợc chú ý nghiên cu trên nhiều lĩnh
vựch đi sâu nh: nghiên cứu về ngồn sáng, chiếu sáng công nghiệp, chiếu
sáng nhà ở, chiếu sáng côngtrình nghệ thuật văn hoá v.v
Trong chơng này chỉ đề cập đến những vấn đề cơ bản nhất trong
chiếu sáng công nghiệp mà thôi.

10.2 Phân loại và các hình thức chiếu sáng:
1) Chiếu sáng chung, chiếu sáng cục bộ và chiếu sáng
hỗn hợp:
Việc chọn các hệ thống chiếu sáng điện công nghiệp (nguồn sáng sử
dụng, thể loại vật chiếu sâng) cần phải thích hợp với những điều kiện rất
thay đổi (khác nhau) của môi trờng xung quanh. Cho nên ngời ta phân ra
các hình thức chiếu sáng khác nhau cho phù hợp với từng loại hình cụ thể.
a) Chiếu sáng chung:
Là hình thức chiếu sáng tạo nên độ rọi đồng đều trên toàn bộ điện tích sản
xuất của phân xởng. ở hình thức này thôgn thờng các đèn đợc treo cao
trên trần nhà theo một qui luật nào đó (HV). để tạo ra độ rọi đồng đều
trong phân xởng.
b) chiếu sáng cục bộ:
c) Chiếu sáng hỗn hợp:
2) Chiếu sáng sự cố:
3) Chiếu sáng trong nhà, chiếu sáng ngoài trời:
10.3 Bóng đèn và chao đèn:
1) Bóng đèn:
2) Chao đèn:
Hai dòng đèn cơ bản đợc sử dụng: Đèn sợi đốt và Đèn huỳnh quang (u nh-
ợc điểm và phạm vi sử dụng).
10.4 Các đại l ợng kỹ thuật cơ bản trong chiếu sáng:
1) Khái niệm chung về ánh sáng:
Chúng ta đều biết răng ánh sáng là những bức xạ điện từ, tuy nhiên chỉ có
những bức xạ điện từ có dải bớc sóng từ 380 nm đến 760 nm (1nm=10
-9
m)
mới gây nên tác dụng nhìn thấy ở mắt ngời. các bức xai trong dải bớc sóng
này sẽ có tác dụng lên tế bào thần kinh võng mạc mắt và gây ra cảm giác
nhì thấy ở mắt ngời. Và đợc gọi là ánh sáng. Trong dải bức xạ này tơng

ừng với các bớc sóng khác nhau sẽ tạo ra các mầu sắt khác nhau:
Trong phổ nhìn thấy của mắt ngời, thì mắt ngời lại có cảm giác nhậy cảm
nhất với bức xạ có bớc sóng 550 nm (tơng ng với mầu vàng chanh). Tức là
mắt sẽ có cảm giác sáng nhất ở ánh sáng mầu vàng chanh. Bằng thực
nghiệm ngời ta đ xây dựng đã ợc đờng cong độ nhậy của mắt (đợc cong đ-
ợc xây dựng và kiểm tra với một số đông ngời mắt tốt).
Độ nhậy t ơng đối:
ĐN: Độ nhậy tơng đối của mắt V

với ánh sáng bớc sóng

là tỷ số giữa
công suất bức xạ bớc sóng 550 nm với công suất bức xạ bớc sóng

, Cần
thiết để có đợc cảm giác về độ sáng nh nhau của mắt



P
P
V
550
=

V



1

V
550
= 1
380
760
550
Tím
Đỏ
Cam
Vàng
Chàm
Xanh
lam
Xanh
lá cây
Bức xạ tử
ngoại
Bức xạ hồng
ngoại
Phỏ nhìn thấy của mắt người
550 700400

(nm)
1
0
V

2) Quang thông: F
Thông thờng các nguồn sáng đều bức xạ ra với các ánh sáng có bớc sóng
khác nhau có thể t 0

và tỷ lệ phân bổ các bơc sóng cũng khác nhau,
và vì vậy để đánh giá độ sáng của một nguồn sáng ngời ta đa ra khái niệm
về quang thông. Quang thông thực chất là phần công suất qui đổi về bức
xạ mầu vàng chanh (bớc song 550 nm) của nguồn sáng và đợc xác định
bằng biểu thức sau:



=
0
dPVF

).().(
V(

) - độ nhậy của mắt theo

.
P(

) - hàm phân bố năng lợc bức xạ theo

. (phân bố công suất theo

).
F - đợc gọi là quang thông của nguồn sáng.
ĐN: Quang thông đặc trng cho độ lớn của thông lợng hữu íc (công suất

hữu íc) của nguồn sáng qui về ánh sáng mầu vàng chanh.
+ Đơn vị đo của quang thông là lumen viết tắt là: lm
1lm =
W
680
1
của bức xạ vàng chanh.


3) Góc khối: d
Là phần không gian hình nón có đỉnh nằm tại tâm của nguồn sáng và có
đờng sinh tựa trên chu vi của mặt đợc chiếu sáng.
+ Đơn vị đo của góc khối là Steradian viết tắt là st.
+ Góc khối 1 st là góc khối có đỉnh tại tâm một mặt cầu tởng tợng chắn trên
mặt cầu đó một diện tích bằng bình phơng bán kính của mặt cầu đó.
4) C ờng độ sáng: I


Ta thấy rằng quan thông của nguồn sáng phát ra theo các hớng trong
không gian thờng là không đồng đều (do các nguông sáng thờng là không
đối xứng). Vì vậy ngời ta đa ra một đại lợng đặc trng cho sự phân bố quang
thông nhiều hay ít theo các hớng khác nhau của nguông sáng.
ĐN: Cờng độ sáng của 1 nguồn sáng theo một phơng nào đó, là lợng
quang thông mà nguồn gửi đi trong một đơn vị góc khối nằm theo phơng
ấy.




d

dF
I
=
Đơn vị đo là candera viết tắt là cd
1 candera =
steradian1
lumen1
+ Khái niệm về : đờng cong phân bố cờng độ sáng của đèn
Để thận tiện cho thiết kế chiếu sáng, thông thờng các nhà chế tạo bóng
đèn thờng đa ra các biểu đồ phân bố cờng độ sáng theo các hớng khác
nhau trong không gian. Tuy nhiên cùng một kiểu đèn lại đợc thiết kế vời
nhiều kích cỡ về công suất khác nhau mặc dù chung vẫn cùng một có một
qui luật phân bố cờng độ sáng. Chính vì vậy các tài liệu thiết kế chiếu
sáng lại xây dựng biểu đồ chiếu sáng của đèn qui ớc có quang thông là
1000 lm cho các kiểu loại đèn. (HV)
5) Độ rọi: E
Để đánh giá độ chiếu sáng của một nguồn sáng lên một bề mặt của một
vật bất kỳ, ngời ta đa ra khái niệm về độ rọi. Thực chất là lợng quan thông
(mật độ quang thông trên bề mặt của một vật).
ĐN: Độ rọi của một mặt là phần quang thông đến trên một đơn vị diện
tích của mặt đó.

dS
dF
E
=
[lux] viết tắt là lx.
1lux = 1lm/1m
2
6) Tính chất quang học của vật:

90
0
90
0
60
0
30
0
30
0
60
0
0
0
0
0
S
d

R
S
R
90
0
d

= 1st
Năng lợng bức xạ đi đến bề mặt của vật đợc chiếu sáng sẽ gồm ba phần:
+ Phần bị vật phản xạ lại; + phần bị vật hấp thu và một phần khác sẽ đi
xuyên qua vật. Với các loại vật chất khác nhau tỷ lệ này sẽ khác nhau, mặc

dù tổng các bức xạ này vẫn không đổi theo định luật bảo toàn năng lợng.


wwww
++=

Trong đó: W - năng lợng chiếu tới vật.
W

- năng lợng bị vật hấp thụ.
W

- năng lợng bị vật phản xạ lại.
W

- năng lợng đi xuyên qua vật.
Để đánh giá tính chất quang học khác nhau của vật. Ngời ta đa ra các hệ
số đợc đánh giá bằng tỷ số giữa các năng lợng và tổng năng lợng nhận đợc
từ vật.
Hệ số hấp thụ:
w
w


=
Hệ số phản xạ:
w
w

=

Hệ số xuyên qua
w
w


=
Các hệ số trên có liên hệ với nhau thông qua hệ thức sau:

1
=++

7) Độ rọi tiêu chuẩn: E
tc
Căn cứ vào tính chất công việc, vào điều kiện đảm bảo sức khoẻ của công
nhân, vào khả năng cung cấp điện của mỗi nớc

Ban bố những tiêu
chuẩn về độ rọi tiêu chuẩn cho các loại hình công việc khác nhau (Bảng
10-3; 10-4) là tiêu chuẩn độ rọi của nớc ta.
Khi thiết kế cần phải căn cứ vào các tiêu chuẩn đó để tính toán.
Trong thực tế vận hành xuất hiện bụi, bồ hóng, khói có thể bám vào
bóng đèn, làm giảm quang thông của đèn. Vì vậy khi thiết kế chiếu sáng
cần phải tăng thêm tiêu chuẩn độ rọi bằng cách nhân nó với các hệ số dự
trữ ghi trong bảng (10-5).
10.5 Thiết kế chiếu sáng:
1) những số liệu ban đầu:
Công việc thiết kế trớc tiên là phải thu thập các số liệu ban đầu bao gồm:
+ Mặt bằng của PX, mặt bằng XN, vị trí các máy móc trong PX.

+ Mặt cắt cảu PX, XN của nhà xởng

từ đó ấn định độ cao treo đèn.
+ Đặc điểm của qui trình công nghệ (mức chính xác của các loại hình công
việc đang có trong PX,XN. Độ lớn của vật cần quan sát, mức độ cần phân
biệt mầu sắc ..v.v )

Xác định các tiêu chuẩn về độ rọi cần thiết cho
các khu vực thiết kế.
2) Cách bố trí đèn:
Cách bố trí và lắp đặt đèn là công việc tiếp theo trong phần thiết kế chiếu
sáng, nó phụ thuộc vào nhiếu yếu tố khác nhau của khu vực sản xuất, nh
độ cao của nhà xởng, nhà xởng có trần hoặc không có trần, nhà xởng có
cầu trục hay không có cầu trục..v.v Phần d ới đây chỉ đề cập đến việc bố
trí đèn cho hình thức chiếu sáng chung vì hình thức này sử dụng nhiều
đèn. Vấn đề là phải xác định đợc một cách hợp lý nhất vị trí tơng đối giữa
các đèn với nhau, giữa các đèn với trần nhà, giữa các dẫy đèn với tờng. Vì
các yếu tố này ảnh hởng trực tiếp đến độ rọi của mặt đợc chiếu sáng
Bố trí đèn:
Ngời ta đ chứng minh đã ợc rằng nếu bố trí đèn nh sơ đồ a) thì hiệu quả cao
nhất nếu L
a
= L
b
. Còn ở sơ đồ b) thì L
b
=
3
L
a

hiệu quả cao nhất.
Trong thực tế việc bố trí đèn còn phụ thuộc vào hệ thống xà ngang của
nhà xởng nên các khoảng cách trên cố gắng tuânthủ đợc là tốt nhất.
Khoảng cách từ cách đẫy đèn đến tờng bao quanh nên đợc giứ trong
phạm vi:

l = (0,3
ữ
0,5).L
Trong đó: l khoảng cách từ dẫy đèn đến tờng bao quanh.
L khoảng cách giữa các dẫy đèn.
Độ cao treo đèn: Độ cao treo đèn đợc đợc tính từ tâm của bóng đèn đến
bề mặt công tác (HV).
L
b
L
a
l
L
b
L
a
L
a
a) Bố trí đèn theo hình chữ nhật
b) Bố trí đèn theo hình thoi
3) Tính toán chiếu sáng:
Sau khi đ nghiên cứu chọn phã ơng án và qui cách bố trí đèn, loại đèn ta
tiến hành tính toán chiếu sáng. Thực chất là xác định công suất của các
đèn để đạt đợc các tiêu chuẩn đ chọn. Nội dung chính của phã ơng pháp

tính công suất chiếu sáng bao gồm:
+ Căn cứ vào E
tc
đ chọn phù hợp với từng loại công việc trong phân xã ởng.

tính tổng công suất chiếu sáng, công suất cho từng đèn, số lợng bóng
đèn..
+ Kiểm tra độ rọi thực tế. Nếu khu vực thiết kế chiếu sáng có yêu cầu cao
về ánh sáng thì sau khi tính toán công suất chiếu sáng, chọn công suất cụ
thể cho các đèn sử dụng, thì công việc cuối cùng của thiết kế chiếu sáng là
tính toán kiểm tra. Nội dung chính của công việc này là chúng ta phải xác
định đợc độ rọi tối thiểu (E
min
) và độ rọi tôia đa (E
max
). sau đó tính toán hệ
số điều hoà.

>=
max
min
E
E

Tỷ lệ qui định (Theo qui phạm)
Các phơng pháp tính toán công suất chiếu sáng gồm một số phơng pháp
chính:
Phơng pháp suất phụ tải chiếu sáng.
Phơng pháp quang thông.
Phơng pháp điểm.

a) Ph ơng pháp suất phụ tải chiếu sáng: đây là phơng pháp gần đúng dựa
trên kinh nghiêm thết kế vận hành thực tế, ngời ta tổng kết lại đợc suất phụ
tải chiếu sáng cho một số khu vực làm việc đặc thù trên một đơn vị diện
tích sản xuất. Chung ta nếu biết đợc diện tích cần tính toán chiếu sáng có
thể nhanh chóng xác định đợc công suất cần cho chiếu sáng theo công
thức sau:

SpP
0cs
.
=
Trong đó: p
0
- suất phụ tải chiếu sáng [W/m
2
] tra bảng.
S [m
2
] diện tích cần tính toán chiếu sáng (diện tích mặt bằng nhà xởng).
Phơng pháp vừa nêu chỉ dùng để ớc lợng trong việc dự kiến phụ tải hoặc
dùng cho nhng nới có yêu cầu không cao về thiết kế chiếu sáng. Phơng
pháp quang thông và ph ơng pháp điểm là những phơng pháp chính để
tính toán chiếu sáng cho những nơi có yêu cầu cao về chiếu sáng. Hai ph-
ơng pháp này dựa trên tinh thần chính sau: Độ rọi nhận đợc từ bất kể một
bề mặt nào cũng bao gồm có hai phần:
E = E
t
+ E
p
Trong đó: E

t
- là độ rọi nhận trực tiếp từ các nguồn sáng.
E
p
- là độ rọi nhận đợc gián tiếp từ các vật phản xạ.
+ Nhóm phơng pháp quang thông chủ yếu quan tâm đến độ rọi nhận gián
tiếp qua các vật phản xạ lại. Thờng đợc áp dụng cho TK chiếu sáng trong
nhà, cs hội trờng, phòng họp v.v nơi mà số l ợng bóng đèn có quá nhiều
và vật phản xạ ánh sáng lại đáng kể.
+ Nhóm phơng pháp điểm thì ngợc lại chỉ quan tâm đến phần độ rọi nhận
trực tiếp từ các đèn. Thờng đợc dùng cho việc thiết kế chiếu sáng ngoài
trời hoặc các đờng hâm ngầm, nơi mà các vật phản xạ quá ít hoặc với hệ
số phản xạ quá thấp. Phần dới đây sẽ trính bầy chi tiết từng phơng pháp.
10.6 Tính toán chiếu sáng theo ph ơng pháp hệ số sử
dung quang thông:
Nh ở phần trên đ trình bầy phã ơng pháp này chủ yếu đợc áp dụng để tính
toán chiếu sáng trong nhà. Theo phơng pháp này toàn bộ quang thông
phát ra từ các đèn (F

dèn
) chỉ có một số nào đó đến đợc bề mặt của diện
tích cần TK-CS ta gọi là phần quang thông hữu íc (F
hu íc
). Từ đó ta có hệ số
sử dụng quang thông đợc xác định theo biểu thức sau:

0den
uích
sd
Fn

F
F
F
K
.
ư


==
Trong đó:
F
huu íc
hoặc F

- Tổng quang thông chiếu tới diện tích sản xuất.
F

den
- Tổng quang thông pháp ra của tất cả các đèn.
F
0
- Quang thông phát ra từ 1 đèn (giả thiết khu vực cs chỉ sử dụng một
loại bóng đèn).
n - Tổng số bóng đèn sử dụng.
K
sd
- Hệ số sử dụng quan thông.
Bản thân hệ số sử dụng quang thông là tham số phụ thuộc vào nhiều yếu
tố khác nhau (vào cách bố trí đèn, vào loại đèn, vào hệ số phản xạ của
trần, nền, tờng và các vật xung quanh). Tuy nhiên với một số tham số phụ

thuộc biết trớc nh loại đèn, cách bố trí cùng hệ số phản xạ của trần, từng,
nền thì ngời ta có thể xác định đợc hệ số K
sd
bằng các phơng pháp thực
nghiệm. Trong thực tế ngời ta xây dựng bảng tra K
sd
theo (loại đèn,

;

tr
;

t
;

n
..).
Mặt khác ta có thể xác định đợc tổng lợng quan thông cần thiết
cho điện tích sản xuất theo công thức:
h
c
h
H
h
c
Khoảng cách từ trần đến đèn.
h - Độ cao của mặt làm việc.
H - Độ cao treo đèn.
Quan hệ giữa H, L có quan hệ hợp

lý. Trong các sổ tay thường cho:

F

= K
dtr
. E
tb
. S
E
tb
- độ rọi trung bình [lx].
S - diện tích cần TK-CS [m
0
].
K
dtr
hệ số dự trữ tính đến việc bám bụi bẩn vào bóng đèn khi lắp đạt.
Thông thờng trong các tài liệu chiếu sáng ngời ta chi cho trớc E
min
(bảng tra). Tuy nhiên gia E
min
và E
tb
có quan hệ phụ thuộc và phụ thuộc
vào cách bố trí đèn (vào khoảng cách gữa các dẫy đèn và độ cao treo đèn.
Trong thực tế z=E
min
/E
tb

phụ thuộc vào L/H và thông thờng z=0,8
ữ
1,4. Từ
đó nếu ta đ bố trí đèn rồi thì từ L/H có thể tra đã ợc z

E
tb
= E
min
/z; điều đó cũng có nghĩa là ta có thể xác định đợc quang thông
cần thiết cho mỗi bóng đèn.

sd
dtr
0
Knz
SEK
F
..
..
min
=
Ngoài ra nếu biết đợc F
0
chúng ta có thể tìm đợc loại bóng đèn thực tế cần
sử dụng

tra bóng đèn (P
0
; U

dm
).

0cs
PnP .
=
Trờng hợp nếu chúng ta cha bố trí đèn trớc tức là ta cha biết trớc n (số lợng
bóng đèn). Thì chúng ta cũng có thể xác định đợc tổng quang thông cần
thiết cho khu vực cần TK-CS theo công thức sau:

sd
dtr
0
Kz
SEK
FnF
.
..
.
min
==

Sau đó nếu ta chọn một loại bóng đèn cụ thể có trên thị trờng

Đèn (P
0
;
F
0
; U

dm
), trên cơ sở đó ta có số lợng bóng đèn cần thiết cho khu vực cần
TK-CS:

sd0
dtr
KFz
SEK
n
..
..
min
=
Chú ý : Hệ số sử dụng quang thông có thể tra đợc từ các bảng tra:
K
sd
= f (loại đèn;

;

trần
;

tờng
;

nền
)
Trong đó

- đợc gọi là chỉ số hìng dạng của căn phòng. Nó đợc xác định
theo chiều dài, chiều rộng của căn phòng và độ cao treo đèn.

).(
.
baH
ba
+
=

Trong đó: a, b - chiều dài và chiều rộng của căn phòng cần TH-CS.
H - là độ cao treo đèn.
Trình tự tính toán theo ph ờng pháp hệ số sử dụng quang thông:
10.7 Tính toán chiếu sáng theo ph ơng pháp điểm:
Trong phơng pháp này nh ở phần trên đ giới thiệu chúng ta chỉ quan tâmã
đến độ rọi chiếu trực tiếp t các đèn tới và vì vậy chúng ta sẽ tính độ rọi từ
một đèn đến một diện tích ds (tại điểm A) nh HV.
Xác định độ rọi của đèn tới một điểm:
Từ khái niệm về góc khối ta có dS=R
2
.d

. Tuy nhiên phần diện tích trong
(HV) của chúng ta không nằm thẳng góc với tia tới. Mà pháp tuyến của nó
tạo với tia tới một góc

và vì vậy phần diện tích vuông góc với tia tới thực
chất sẽ là:

cos
.dR
dS
2
=
Măt khác lợng quang thông từ đèn gửi tới diện tích dS theo hờng

có thể
xá định theo biểu thức:
dF = I

.d

Từ định nghĩa về độ rọi ta có

2
A
R
I
dS
dF
E


cos
.
==
Nhân xét: Độ rọi của nguồn sáng đến một điểm tỷ lệ thuận với cờng độ
sáng và tỷ lệ nghịch với bình phơng khoảng cách.

R

d

dS
H
I


P

- Góc tạo bởi pháp tuyến của dS
với tia tới.

- Góc tạo bởi đờng thẳng đứng với
tia tới.
R - Khoảng cách từ đèn tới điêm A.
H - Độ cao treo đèn.
A