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足球场 照明 电气控制 设计

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足球场照明及电气控制设计,足球场,照明,电气控制,设计

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摘要通过介绍足球场照明及电气控制的设计，分析照明设计标准的选择与照明参数的计算，阐明照明质量标准及电气控制设计中应注意的一些问题.根据论文所提示的信息这样建设这样一个足球场,应该可以达到世界一流足球场的水准,让世界上的足球运动员在更好的环境中比赛,发挥出更好的水平,让每一场足球比赛都很精彩,精彩的比赛在这个足球场里的观众,让他们的的视觉效果更好,也可以满足彩电转播的照明要求，尽可能提高转播质量。关键词：光源选择，足球场照明设计标准，SDK-2型石英电力定时控制器，节能控制电路，555定时器，足球场照明控制电路。足球场照明及电气控制设计1 绪论 随着北京奥运会的临近，足球场的运用也即将投入使用，为了能让中国的足球场更好的在奥运会中使用，我特意设计了一个完美的足球场建设，让中国的足球场开始进入国际化建设，以体现中国现代化建设的象征，使外国运动员以及各国观众感受到先进足球场氛围，体现出中国的发展已经与世界在同一水平面上。良好的足球场照明环境的实现，主要取决于正确地确定照明设计方案，同时依赖于使用性以面优异的照明设备的选取及照明电气控制系统。这里所谈的仅是一些粗浅的认识，有待于在今后的照明设计中深入探讨，摸索出其内在的规律，使之进一步理论化、系统化，从而更有利于指导实践工作。图1-1足球场外部照明对于一座现代化的足球场，不但要求建筑外形美观大方、各种体育设备齐全完善，而且要求有良好的照明环境，即要求有合适、均匀的照度和亮度、理想的光色，有立体感及无眩光等。除保证满足观众良好的视看效果外，还必须保证裁判员、运动员和比赛项目所需的照明要求以及应保证有良好的电视转播效果。照明是依靠光线的功能，保证灯光作用于运动员、裁判员、观众的眼睛、产生视觉，才能看见足球场地上的一切，如场地环境的明暗、物体建筑、器具及服装等表面的颜色、观看目标的形状和大小、深度、立体感及运动员运动时的状态和足球场的气氛等等。所以，良好的照明在现代足球场中占有重要地位。一般，在一个足球场的照明设计中，应考虑以下三方面的因素：1满足运动比赛时运动员的视觉要求，并且使灯光对比赛的客观影响降到最低程度。2满足观众的视觉要求，使灯光对观看比赛时所引起的不适感觉降低到最低程度。3满足彩电转播的照明要求，尽可能提高转播质量。 总之，照明与运动项目的比赛要求密切相关，与观众视看效果密切相关，没有良好照明设施的足球场是不完整的体育场，必将严重影响它的使用功能。图1-2足球场俯视照明2 光源选择建筑照明的电光源按发光原理分为两种基本类型：一类是热辐射光源，如白炽灯、卤钨灯；另一类是气体放电光源，如荧光灯、高压汞灯、金属卤化物灯等。热辐射光源显色性好，但光效低、寿命短；气体放电光源光效高、寿命长，但显色性差。体育比赛场地照明的质量是评价体育场的主要指标之一，所以光源选择尤为重要，要求光效高、显色性好、色温舒适、寿命长。因此在设计前，笔者收集了有关体育场地照明设计中一些成功经验和教训的资料，认为体育场宜采用混光照明方式。随着高强气体放电灯迅速发展，照明光源几经换代，先后出现了高压汞灯、高压钠灯、显色改进型高压钠灯、金属卤化物灯。尽管这些光源各具特色，但仍不能满足工程设计的广泛需要，因此出现了混光照明技术。混光照明方式有两种：一种为场所内混光，另一种为灯具内混光。灯具内混光又包括双灯混光和单灯混光。单灯混光照明就是将两种光源的管芯组装于同一玻壳内，使两种不同光源发出的光在玻壳内进行充分的混合，成为一种新型混光光源，配以合理的灯具，达到更佳的照明效果。单灯混光不是简单的组合，而是根据光源的发展趋势，借鉴国外先进技术，在双灯混光照明的基础上发展起来的。双灯混光照明已广泛用于各种场所，并取得了较好效果，但在使用中还存在着许多的缺点：（1）两种光源混光不均匀；（2）两种光源要分别接入镇流器触发器，安装接线复杂；（3）两种光源平均寿命不同，当一种光源损坏时而另外一种光源还在运行，若维护、更换不及时，就会使显色指数、光效都降低，达不到真正的目的。单灯混光照明恰恰能克服和弥补以上的不足。单灯混光按其配光形状进行分类的方法有两种，一种是按灯具在上下二个半球空间中所占的光通量的百分比值分类的国际照明委员会（IEC）系统分类法分为：直接型、半直接型、扩散型、半间接型、间接型；另一种按灯具安装距高比的数值进行分类：特狭照型、狭照型、中照型、广照型、特广照型。为了适应各种不同形状的光源和受照面的照明需要，由反射器来实现控光和调整光强分布。混光灯具反射器的形状多种多样，通常有旋转对称反射器、柱面反射器、不对称反射器、组合式反射器。混光的主要目的与效果：（1）提高发光效率，获得高照度；（2）改善光色和显色性，造成良好的照明效果和气氛，有利于电视摄像；（3）降低设备费用；（4）减少电耗，节省电能，降低电费。足球场混光照明尤以采用镝灯与高显色性高压钠灯（DDGNGG）混光光源为最多。这种混光光源光效高、寿命适中、显色指数大于80，红色光谱所占的成份提高到20以上，颜色还原性好，照明的视觉效果极佳，满足了重要足球比赛及彩色电视转播要求；而且还可节省设备投资，节约能源和降低运行费用。3 足球场照明设计标准为了得到良好的照明设计方案，合理利用光线的分布来满足运动员、观众、裁判员视觉以及良好的电视转播效果的要求，必需先确定照明标准，包括照度标准和照明质量标准。照明质量标准，其中包括眩光、光源色温有显色性要求，光的方向性、节能要求等。3.1照度标准 根据民用建筑照明设计标准GBJ13390中第2.2.91条中规定：足球场比赛照度标准值：当观看距离为120m时，为150200300lx；观看距离为160m时，为200300500lx；观看距离为200m时，为300500750lx.观看距离指观众席最后一排到场地边线的距离。根据民用建筑照明设计标准GBJ13390中第2.2.92条中规定：电视转播需要的垂直照度：最大拍摄距离分为三组，对于足球项目而言，最在拍摄距离为25m时平垂直照度应为750lx；最大拍摄距离为75m时平均垂直照度应为1000lx；最大拍摄距离为150m时平均垂直照度为1500lx；对于田径项目而言，最大拍摄距离为25m时平均垂直照度应为500lx；最大拍摄距离为75m平均垂直照度应为750lx；最大拍摄距离为150m时平均垂直照度为1000lx.上述每个垂直照度用于一个给定的运动等级和给定的最在拍摄距离相对于1.0m垂直面的值，各照度值的中间值用于其它拍摄距离。 上述照度指体育场的最终平均照度，设计时选取的初始照度必须计入维护系数，一般可采用0.70.8的数值。水平照度的均匀度：照度均匀度一般用最小照度与最大照度之比表示，也可用最小照度与平均照度之比表示，最小照度与最大照度的比值应大于0.5. 垂直照度的均匀度：最小照度与最大照度的比值应大于0.4，才能满足主电视摄像的要求。3.2 照明质量标准 3.2.1 眩光 足球场照明的关键除提供足够的水平和垂直照度以外，还需要减少眩光，从而达到亮而无眩光的效果。眩光是影响照明质量的最重要因素之一。根据CIE NO.83出版物“彩电系统的足球场地照明”，场内最大眩光指数GRmax应小于50.眩光额定值GR愈小，眩光限制愈好，眩光额定值为50时。眩光额定值GR由下列公式算出：GR=2724Lg式中，Lvl是灯具产生的光幕亮度，Lve是环境产生的光幕亮度。一般在计算照度时，应计算不同方向的眩光额定值GR，在GR50时，即可行。眩光的限制除了合理确定灯具的选型，安装高度和排列方式外，还可以采取提高赛场背景照度的方法。 3.2.2光源色温及显色性要求为达到良好的彩电转播效果，体育场的照明质量不但与照度有关，而且与照明光源的色温及显色性有紧密关系。我国民用建筑照明设计标准GBJ13390中第3.3.2条中规定：彩电转播用一般光源显色指数Ra不应小于65.依据CIE NO.83号出版物及国际足联的要求，光源相关色温Tc大于5000K和光源显色指数Ra大于等于80，以达到最佳的现场照明效果及彩电转播效果。 3.2.3光的方向性 灯具的俯角不仅影响垂直照度，同时也对运动员、观众和裁判有可能产生较大眩光影响。对足球场照明设计，应选择好灯具的瞄准方向。另外，主摄像机与另一侧过来的光线之比例应控制在一定范围内，而照明的最重点是在足球场的中央及禁区设置。4 节能电路4.1节能要求照明节能重在采用合理的照明方案和高效的照明装置，降低线路损耗及良好的照明控制。体育建筑属照明用电较大的建筑项目，从节能意义上讲，仅比较初始投资费用，而不以最低运行成本为基础选择得出的照明设计不是合理的设计，应根据具体情况，将初始投资及运行成本综合加以考虑。 应选择高效率的光源和灯具，采用能耗较低的镇流器等附件，并加补偿电容，提高系统的功率因数。照明设计应有多种开灯模式及对应的控制方案。可以通过调节灯具数量，为不同需要的比赛和活动提供合适的照明，控制方案要简单、实用，并具有较强的灵活性。4.2 SDK-2型石英电力定时控制器的介绍 4.2.1结构与工作原理 本产品由石英开关和DZ-6继电器两部分组成，石英钟开关由石英振子产生4.19兆赫的稳定振频，经分频放大原形，以每秒一个脉冲推动微型步进电机，传动机械计时系统，使时轮盘顺时针方向转动，时轮盘装有定时调节器，可根据所需开关时间进行调整，它与六角凸轮、双开关触点簧片组成定时开关装置,装入电池后,红色秒针跳动,开始计时。 图 4-2-1 SDK-2型石英电力定时控制器 4.2.2 主要技术指标 1 走时精度 1秒/日 2 时控精度 5分 3 最小开关时段 1.5小时,最长开关时段24小时 4 使用环境温度 -20 - + 50 5 触头额定电压 交流100V、220V、380V 6 触头额定电流 (阴性)交流100V 7.5A、220V 5A、380V2A 7 石英钟电源 直流1.5V(浮充整流直供三种结构) 4.2.3 SDK-2微电脑电力时控开关主要技术指标 1 走时精度 0.5s/日(231) 2 时段误差 1s/次 3 时段控制编程 最小1分钟,最长168小时 4 走时停电功耗 5VA 5 使用极限工作温度 -40至+50 6 使用环境相对湿度 不高于85% 7 电脑芯片工作电压DC1.5V 继电器DC12V 8 开关交流电压、电流 220V 15A、20A 4.2.4 用途 本产品能直接或经外接交流接触器自动定时切换单相、三相电路.以作用户的避峰让电,电器电机用电时间自动控制及电管部门自动定时强制通断电路等用,联接单相或三相电度表后,可对线路实行高峰与低谷期用电量的计量考核,结合经济手段,达到均衡用电和提高负荷率的目的。 SDK-2型石英电力定时控制器是用于高压水银夜间的照明电路，可以节约电能20%左右。它的节能原理是于晚上7点以后把水银灯的亮度降至原来的70%左右，晚上这个亮度已经足够。4.3 节能控制电路如图4-3-1， K1是SDK-2型石英电力定时控制器的常开触点。K2是SDK-2型石英电力定时控制器中轴上换向开关的常闭触点。K1闭合时，变压器T的次级经整流过滤后，由K2、R2、D2向C2充电，使晶体三极管V1、V2饱和导通。由于V2饱和导通，流经SCR控制极的电流足够大,使SCR导通角最大，高压水银在全压(220V)下工作，晚上天黑后，换向开关K2断开。这时，V1、V2由C2放电维持导通.约经十多分钟C2放电完毕，V2截止，此后，SCR只由R5和C3的移相电路维持触发导通。调整R6或C3使水银灯在适当亮度工作。本图SCR两端压降为40V。 元件选择，V1选择值大于100的晶体三极管，晶体管V2在500V时穿透电流应非常小。此时，本图选用日产2SC1942.SCR应根据实际负载电流的2倍值以上选用，耐压应大于500V。图4-3-1节能控制电路5 足球场照明供电设计 足球场的照明供电，一般由低压配电室引来两路电源供给，互为备用，手动与自动投切，平时两路电源各带50左右的负荷，且均匀分布，以便任何一路断电，熄灭了的灯光尚未点燃时，场地内仍能保持均匀的照度分布，使一般性比赛仍可进行。另外，由于气体放电灯的启动时间约为48min，再启动时间约为1015min，因此，即使采用两种电源自投，也无法使熄灭了的灯光立即点燃，故对有人值班的控制室，可采用两种电源手动互投的切换方式。对无人值班的控制室则应采用两路电源自投不自复的切换方式，保证比赛的正常进行，延长光源的使用寿命。 此种供电方式可不再另外考虑场地的应急照明，而且当电源转换时仍能基本保证比赛的正常进行。 配电系统设计相对较为复杂，造价亦相应较高。 采用四塔式照明时，将电源柜放在灯塔底部内侧，电源线沿灯塔内壁敷设，灯具的镇流器箱放在塔的顶部，这种配电方式较为合理。 采用光带式照明时，将电源直接送到挑棚马道上的配电柜台，配电的分支线路可以采用沿马道旋转的金属线槽敷设方式。 比赛灯的开关，主要靠交流接触器或无触点的晶闸管可控硅实现。用交流接触器控制，简单可靠，也较经济；用晶闸管控制，技术先进，但价格较贵。为了便于维护和灯光方案的变化，宜采用单灯单控，也可一个开关控制23个灯，以不超过3个灯为宜。 气体放电灯点燃时，冲击电流很大，开启灯光时，单灯宜间隔0.5s；组控时，宜间隔1030s.另外，气体放电灯的频闪效应对照明质量的影响很大。由交流电源供电的气体放电灯有二倍于电源频率的周期性频闪。频闪会使迅速运动的物体，出现幻影，这种效应对于摄像，尤其是慢动作摄像影响很大，放映时，会显示出一种令人难以忍受的闪动，频闪还会造成视觉疲劳。通常用光通量的波动深度Fbd来衡量。 Fbd=FmaxFmin/2Fav100 式中：Fmax光通量的最大值；Fmin光通量的最小值；Fav光通量的平均值。只要将波动深动降至25以下，人的视觉对频闪将不产生疲劳效应。这可通过改变配电方式来实现。例如：将相邻的气体放电灯接在不同相位的电源上；在方案设计时，还可考虑氢不同相位的气体放电灯所发出的光通量相到重叠等。总之，在大量使用气体放电灯的体育场照明设计中必须考虑频闪对照明质量的影响。6 足球场照明控制电路61 555定时器的应用 6.1.1 单稳态触发器 555定时器构成单稳态触发器如图6-1-1所示，该电路的触发信号在2脚输入，R是外接定时电路。单稳态电路的工作波形如图6-1-2所示。在未加入触发信号时，因ui=H，所以uo=L。当加入触发信号时，ui=L，所以uo=H，7脚内部的放电管关断，电源经电阻R向电容C充电，uC按指数规律上升。当uC上升到2VCC/3时，相当输入是高电平，555定时器的输出uo=L。同时7脚内部的放电管饱和导通是时，电阻很小，电容C经放电管迅速放电。从加入触发信号开始，到电容上的电压充到2VCC/3为止，单稳态触发器完成了一个工作周期。输出脉冲高电平的宽度称为暂稳态时间，用tW表示。 图6-1-1 单稳态触发器电路图 图6-1-2 单稳态触发器的波形图 6.1.2 暂稳态时间的求取： 暂稳态时间的求取可以通过过渡过程公式，根据图2可以用电容器C上的电压曲线确定三要素，初始值为uc(0)=0V，无穷大值uc()=VCC，=RC，设暂稳态的时间为tw，当t= tw时，uc(tw)=2 VCC/3时。代入过渡过程公式 6.1.3 几点需要注意的问题： 这里有三点需要注意，一是触发输入信号的逻辑电平，在无触发时是高电平，必须大于2 VCC/3，低电平必须小于 VCC/3，否则触发无效。 二是触发信号的低电平宽度要窄，其低电平的宽度应小于单稳暂稳的时间。否则当暂稳时间结束时，触发信号依然存在，输出与输入反相。此时单稳态触发器成为一个反相器。 三是R的取值不能太小，若R太小，当放电管导通时，灌入放电管的电流太大，会损坏放电管。图6-1-3是555定时器单稳态触发器的示波器波形图，从图中可以看出触发脉冲的低电平和高电平的位置，波形图右侧的一个小箭头为0电位。 图6-1-3 555定时器单稳态触发器的示波器波形图 6.2 控制电路 图6-2-1是利用自然光控制点灯的自动控制电路,光敏三极管3DU是光传感器。F555构成滞后比较。W调节比较电平.SCR作照明灯的电子开关。D、DW、C1、C2等够成降压整流稳压滤波的直流工作电源。 3DU受光照射时阻值减少,F555的2脚为低电平,第3脚输出高电平,第3和第8脚之间导通,SCR的控制极无触发电流而截止,灯熄灭,当3DE无光照射或光照很弱时,其电阻升高,使F555的第2脚为高电平,第3脚为输出低电平,等第1和第3脚之间导通时,SCR的控制极有触发电流而导通,电灯点亮.调节W可改变光照导通的灵敏度。图6-2-1自动控制电路 足球场及观众席照明均控制主要形式为在专设的灯光控制室采用计算机控制台集中控制。计算机控制台为人机对话形式，设有灯位布置模拟盘、灯光单控、组控开关等，灯光单控开关的布置应与灯位布置模拟盘相对应。可以自动控制，也可以手动控制，计算机可以模拟现场开灯状态，自动控制及检测灯具是否正常工作，并反馈显示故障灯组位置，可根据实际需要设置不同的控制方案，以满足不同比赛内容及活动对照度的不同要求及同一体育项目不同比赛级别对照度的不同需要。预先确定若干种开灯方案，编程后存入计算机内，根据不同的需要调用相应的开类方案。图6-2-2总电路控制电路结 论 良好的足球场照明环境的实现，主要取决于正确地确定照明设计方案，同时依赖于使用性以面优异的照明设备的选取及照明电气控制系统。这里所谈的仅是一些粗浅的认识，有待于在今后的照明设计中深入探讨，摸索出其内在的规律，使之进一步理论化、系统化，从而更有利于指导实践工作。 我对于足球场照明及电气控制设计的一些粗浅认识，不当之处请评委指正。致 谢 本课题在选题及研究过程中得到黄老师的悉心指导。黄老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。黄老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时两载，却给以终生受益无穷之道。对黄老师的感激之情是无法用言语表达的。感谢我的同学、室友五年来对我学习、生活的关心和帮助。 最后，向我的父亲、母亲、致谢，感谢他们对我的理解与支持。参 考 文 献 1.民用建筑电气设计规范。中国照明设计出版社。2004。2.照明手册。中国建筑工业出版社。1995。3.体育建筑照明设计手册。原子能出版社。1993。4.建筑电气专业设计技术措施。中国建筑工业出版社。2000。 5.混光照明设计手册中国建筑工业出版社。李恭慰。张