Энергосбережение на современном этапе

К комбинированным ПРА относятся схемы, в которых для стабилизации тока лампы применяется как электромагнитные, так и полупроводниковые элементы. Например, тиристорный регулятор светового потока, работающий с равным количеством индуктивных и индуктивно-емкостных ПРА (рис. 24). В этом регуляторе при изменении угла отпирания тиристора изменяется значение и форма тока ламп и соответственно их световой поток. Преимущества такого регулятора: 1) применение равного количества индуктивных и индуктивно-емкостных ПРА позволяет снизить потребляемую реактивную мощность, как при номинальном, так и при пониженном световом потоке; 2) обеспечивается снижение пульсации светового потока, так как токи ламп сдвинуты между собой на угол 100-120 º.

Рис.24. Схема тиристорного регулятора светового потока (СУ – схема управления)

Одной из наиболее интересных и перспективных является схема с так называемым ионизирующим генератором, предположенная А.Е. Краснопольским (а. с. 169692 СССР, HO5В 41/392, опубл. 1965; а. с. 185412 СССР, НО5В 41/392, опубл. 1966; а. с. 318185 СССР, НО5В 41/392, опубл. 1972), которая может использоваться для регулирования яркости светового потока ЛЛ, для включения различных ГРЛ при пониженном напряжении питания, для улучшения условий перезажигания, снижения пульсаций светового потока и создания так называемых безбалластных ПРА [21].

Обобщенная структурная схема ПРА с ионизирующим генератором приведена на рис. 18. В этой схеме ток лампы  состоит из двух составляющих . Причем основной источник питания с напряжением  создает составляющую тока лампы и для ограничения этого тока служит балласт 1. Вспомогательный ионизирующий источник питания с напряжением  создает лишь небольшую часть тока лампы , стабилизированного балластом 2. Все схемы с ионизирующим генератором могут быть получены из этой обобщенной схемы при использовании различных источников питания и типов балластов.

Если в качестве основного источника питания используется сеть с частотой 50 Гц, а балласт 1 представляет собой индуктивный или индуктивно-емкостный балласт, то имеют место индуктивные комбинированные ПРА, а в качестве ионизирующего источника напряжения используют источник напряжения повышенной частоты (1÷100 кГц), включенный последовательно с ВЧ емкостным балластом. Ионизирующий источник создает на негорящей лампе повышенное напряжение, облегчающее ее зажигание, а при разгорании лампы типа ДРИ, облегчает ее перезажигание. Такие аппараты обеспечивают работу ламп при пониженном напряжении питания, например, в регуляторах яркости. При низких напряжениях питания, ионизирующий источник предотвращает глубокую деионизацию плазмы столба разряда во время паузы тока. Например, в индуктивном ПРА с ВЧ генератором, используемом в регуляторах яркости, параметры на ВЧ генераторе:  = 250В,  кГц, емкость ВЧ балласта С = 600 пФ. В момент пуска, за счет последовательного резонанса ВЧ напряжения на лампе возрастает до 350 ÷ 400В, что обеспечивает надежное зажигание ламп на всех уровнях яркости. В индуктивных ПРА с ВЧ генератором целесообразно модулировать его напряжение синфазно с напряжением питания так, чтобы максимум ВЧ напряжения  совпадал с паузой тока . В регуляторах яркости это позволяет снизить мощность ВЧ генератора в 10÷20 раз и расширить пределы регулирования светового потока до 1: 2000.

Если в обобщенной схеме ПРА с ионизирующим генератором (рис. 18) в качестве балласта 1 используется конденсатор С и запирающий фильтр, настроенный на частоту ионизирующего генератора, то можно получить схему ПРА с емкостным балластом и ВЧ ионизирующим генератором (рис. 25, а). В таком аппарате энергия поступает в лампу в основном от источника с частотой 50 Гц и напряжением , а ВЧ генератор поддерживает ионизацию столба плазмы в разряде во время паузы тока , что улучшает форму тока лампы и снижает пульсации светового потока.

Рис.25. Схема мостового модулятора лампы (а) и форма напряжения и тока в нем (б)

Принимая, что фильтр Ф обладает бесконечным сопротивлением для ВЧ тока  и нулевым для тока , а конденсатор  не пропускает низкочастотный ток , получим упрощенную систему уравнений для схемы емкостного ПРА с ионизирующим генератором [21]:

            (42)

где - проводимость лампы.

Расчеты, проведенные по уравнениям (42), показали следующее: 1) удовлетворительная форма тока лампы (ЛЛ) достигается при токе ВЧ генератора J2 / Jл ≥ 0,2, при этом пауза в токе  не превышает 25 º; 2) применение ВЧ генератора с модулированным выходным напряжением улучшает работу лампы, снижает пульсации ее светового потока, причем наилучшее снижение пульсации достигается при заполнение ВЧ током  пауз в токе ; 3) частота ионизирующего генератора слабо влияет на основные параметры лампы (Jл, , пульсации светового потока), однако для эффективного разделения НЧ и ВЧ контуров ее целесообразно выбирать достаточно высокой (). Расчеты, проведены для ЛЛ мощностью 40 Вт (Uo = 193 В, Uп = 90 В), показали, что оптимальная частота повторения ионизирующих импульсов равна 4 кГц, при этом мощность ионизирующего генератора  составляет всего 15% от мощности лампы . Необходимо учитывать, что параметры такого импульсного ПРА существенно зависят от типа ионизирующего генератора. Мощность ВЧ генератора минимальна, если в балласте 2 использованы только реактивные элементы, а применение реактивного балласта приводит к повышению мощности ВЧ генератора в 1,5÷2 раза. Повышение стабильности работы схемы может быть осуществлено введением стабилизирующей обратной связи.

Полупроводниковые ПРА с динамической стабилизацией режима, называемые динамическими балластами, представляют собой различные полупроводниковые модуляторы. Отличительной особенностью таких балластов является наличие обратной связи, необходимой для стабилизации режима работы лампы, так как без обратной связи такие аппараты, как правило, неустойчивы. Если лампа подключается непосредственно к источнику постоянного напряжения, то такая схема, безусловно, является неустойчивой. Поэтому необходимо наличие быстродействующей обратной связи, управляющей напряжением источника питания, а постоянная времени последнего должна превышать 0,5÷1 мс. Такая обратная связь затруднена и, кроме того, при питании лампы постоянным током приходится принимать целый ряд мер для предотвращения катафореза, что приводит к дополнительному усложнению аппарата.

Указанными недостатками не обладают ПРА, в которых лампа подключена к источнику через быстродействующий мостовой модулятор (рис. 25, а). Причем, при включении транзисторов VT1 и VT4 на лампу подается положительное напряжение Uл = Uп > Uo, а при включении транзисторов VT2 и VT3 - отрицательное напряжение Uл = - Uп (форма кривых напряжения и тока лампы показаны на рис. 25, б). В течение интервала времени  происходит увеличение проводимости лампы, а в интервале  проводимость снижается. Коэффициент амплитуды тока лампы Ка = Jл max / Jл не может быть меньше некоторой величины , которая зависит от напряжения Uп. Это накладывает жесткие ограничения на выбор возможных значений напряжения питания Uп. Например, если в соответствии с нормативной документацией для ЛЛ с  = 40 Вт ограничить , то , и при , мкс и  мкс частота f = 576 Гц. Однако, применение модулятора еще не делает схему ПРА устойчивой, так как при увеличени Uп или  возрастает ионизация разряда и проводимость лампы, что ведет к нарастающему увеличению тока лампы. Поэтому для стабилизации среднего тока лампы Jл ср необходимо применение фильтра нижних частот. Периодом  можно также управлять с помощью быстродействующего компаратора, запирающего модулятор. Таким образом, ПРА с мостовым модулятором может работать только в узком диапазоне напряжений Uп = (1,1÷1,3) Uo и при низком уровне их пульсаций, что приводит к усложнению сглаживающих фильтров.

Менее жесткие ограничения на выбор напряжения питания накладывает схема ПРА, в которой последовательно с ЛЛ включен корректирующей дроссель L (рис. 26, а). При этом в интервале  открыты транзисторы VT1 и VT2 и ток через лампу нарастает. Скорость нарастания тока определяется как инерционностью разряда, так и значением индуктивности L. В интервале происходит постоянный спад тока iл ~ 0. При запирании транзистора VT2 ток дросселя замыкается через транзистор VT4 и диод-стабилитрон VD1. В момент  закрывается транзистор VT4. Стабилитрон VD2 предохраняет его от перенапряжений. Во втором полупериоде работают транзисторы VT2 и VT3. Для повышения стабильности работы модулятора, так же, как в предыдущей схеме, целесообразно введение стабилизирующей обратной связи.

Рис.26. Схема ПРА с мостовым модулятором и с корректирующими дросселем (а) и конденсатором (б)

И, наконец, в качестве еще одной разновидности схем ПРА с мостовым модулятором, рассмотрим схему с дополнительным емкостным балластом (рис. 26, б), в котором последовательно с ЛЛ включен корректирующий конденсатор небольшой емкости. При работе модулятора в интервале  открыты транзисторы VT1 и VT4 и по лампе течет ток iл > 0, который заряжает конденсатор C. В интервале  все транзисторы закрыты и ток лампы iл = 0, поэтому происходит частичная деионизация плазмы положительного столба разряда. Далее процесс повторяется при токе лампы противоположной полярности. В установившемся режиме параметры ПРА существенно зависят от емкости конденсатора C и напряжения питания . Для ЛЛ мощностью 40 Вт приемлемое значение коэффициента амплитуды тока лампы  обеспечивается при Uп / Uo ≤ 1,15.

Таким образом, все три схемы полупроводниковых ПРА (рис. 26), работающих в режиме динамического балласта, обладают высоким к.п.д., обеспечивают достаточную стабилизацию режима работы ламп и не требуют применения громоздких и неэкономичных ЭМПРА. Наилучшими техническими параметрами, по мнению авторов [21], обдает модулятор с емкостным балластом, который обеспечивает почти прямоугольную форму тока лампы. В таком режиме плазма положительного столба разряда обеспечивает наибольший к.п.д. излучения. К тому же, модулятор с емкостным балластом не накладывает жестких ограничений на выбор напряжения источника питания.

Схемы комбинированных ПРА могут отличаться большим разнообразием. Приведем некоторые патенты, предлагающие схемы с ионизирующими генераторами.

Для снижения пульсаций светового потока ГРЛ ВД предлагается (пат. 4587460 США, 41/14, 41/26, опубл. 06.05.1986) запитывать ее в режиме горения от источника либо постоянного тока, либо ВЧ. Такая схема содержит источник переменного тока низкой частоты (50 Гц) и источник постоянного тока (или ВЧ), таймер и реле. В режиме зажигания лампа питается от источника переменного тока, а после зажигания лампа, с помощью контактор – реле, подключается к источнику постоянного тока.

В способе эксплуатации дуговой ГРЛ, питаемой от источника постоянного тока (пат. 4602193 США, НО5В 37/00, 39/00, опубл. 22.07.1986), когда возникают медленные изменения (девиации) силы света, в связи с нестабильностями характеристик дуги постоянного тока, предложено для их уменьшения подавать на лампу сигнал переменного напряжения, например с частотой 200 Гц при определенном напряжении, который модулирует ее световое излучение.

Известны способ и устройство для питания ГРЛ одновременно постоянным и переменным током (заявки 1217893 и 1217895 Японии, НО5В 41/29, 41/16, опубл. 31.08.1989) при которых в течение периода  через лампу протекает сначала (tпс) постоянный ток Jпс с переменной составляющей Jпр, а затем (tпр) переменный ток. Если используется переменный ток с частотой 50 Гц, то устройство может быть выполнено на базе мостового выпрямителя с подключением лампы по резонансной схеме. Утверждается, что имеются соотношения между tпр /t и Jпр / Jпс, при которых работа лампы стабильна.

Для питания ГРЛ с электродами холодного зажигания предложена схема (заявка 0247218 ЕПВ, НО5В 41/04, опубл. 02.12.1987) подключения лампы к сети переменного тока последовательно с балластом индуктивно-емкостного типа, содержащим дроссель или трансформатор с магнитным рассеянием. Для зажигания разряда используется выпрямительное устройство с ограничительным резистором, которое обеспечивает зарядку конденсатора в балластном устройстве. При подаче питающего напряжения к схеме на лампу прикладывается переменное напряжение с выхода балласта и постоянное напряжение, до которого заряжается балластный конденсатор. Под действием суммы этих двух напряжений происходит пробой разрядного промежутка и зажигание лампы.

В регулируемом ПРА для ЛЛ, подключенном к ВЧ или НЧ сети (пат. 5170099 США, НО5В 37/00, опубл. 8.12.1992), с целью обеспечения большей глубины регулирования яркости лампы, параллельно ей дополнительно подключен источник постоянного тока, поддерживающий стабильное горение разряда при малых токах разряда.

Индуктивность в цепи постоянного тока не создает падение напряжения и не входит в величину Lб, выполняя лишь роль сглаживающего фильтра. В перерывах между импульсами от Сб, питание лампы осуществляется за счет энергии дросселя через обратный диод. Можно предположить, что объединение переменного и постоянного источников в одну схему позволяют повысить надежность и согласовать нагрузку лампы при различных режимах ее работы. Относительно простые элементы схемы (диоды, конденсаторы, терморезисторы и другие), создающие постоянную составляющую на лампе и вводящие обратные управляющие связи (по току, по температуре, по емкости цепи), преобразуют лишь небольшую часть энергии и их влияние на технико-экономические показатели всей системы незначительны.

Комбинирование электромагнитных ПРА с полупроводниковыми элементами, даже при незначительном улучшении параметров, при массовом применении даёт большой экономический эффект, за счёт более высокого к.п.д. (выше 85%) и повышения световой отдачи ламп. В схемах комбинированных ПРА, кроме дросселей и конденсаторов могут использованы линейные и нелинейные полупроводниковые элементы: диоды, транзисторы и тиристоры.

Работа ГРЛ на повышенных частотах имеют целый ряд преимуществ, по сравнению с работой на частоте 50 Гц, например: уменьшение веса и габаритов ПРА; исключение акустических шумов от светильников и уменьшение радиопомех; снижение пульсаций светового потока; улучшение условий перезажигания разряда и повышение срока службы электродов; снижение потерь мощности в ПРА, за счёт повышения коэффициента мощности (эквивалента ) комплекта лампа – ПРА; повышение световой отдачи ламп; возможность регулирования светового потока ламп.

Для преобразования частоты наиболее перспективны электронные преобразователи на полупроводниковой основе, к.п.д. которых достигает 0,92÷0,94. На рис. 27 показаны схемы дроссельного преобразователя (а) и двухтактного преобразователя (б), а также коммутационные регуляторы (в,г).

Рис.27. Принципиальные схемы полупроводниковых преобразователей частоты: а – дроссельный; б – двухтактный; в, г - коммутационные

Все эти схемы (рис. 27) выполняют одновременно три функци: выпрямление переменного напряжения сетевой частоты (на схемах для простоты не показаны); преобразование постоянного напряжения в переменное напряжение повышенной частоты (1÷10 кГц); стабилизацию режима работы лампы с помощью конденсаторов и магнитных элементов. При работе лампы в схемах с повышенной частотой становится выгодным применение ёмкостного балласта. Если на частоте 50 Гц в среднем на каждый 1% изменения напряжения в сети при индуктивном балласте происходит изменение тока, мощности светового потока в среднем на 2%, а при ёмкостном балласте, при той же частоте, величине и характере изменения Uc параметры изменяются в среднем только на 1%.

С повышением частоты питающего тока меняется характер физических процессов, протекающих в лампах при их зажигании и в рабочем режиме. Чем выше частота питающего напряжения, тем меньший промежуток времени занимает процесс перезажигания разряда в лампе. Кривая напряжения при этом приближается к треугольной, кривая тока становится почти синусоидальной. С ростом частоты увеличивается световая отдача ламп, причем максимальный её прирост наблюдается в диапазоне 400÷1000 Гц. При этом, начиная с 600 Гц световая отдача лампы становится практически одинаковой для всех типов балластов. Это позволяет использовать емкостной балласт, так как исчезает его основной недостаток – ухудшение формы кривой тока лампы. При работе ламп на ВЧ увеличивается на 20-30% срок службы и замедляется спад светового потока в процессе срока службы, существенно снижается вес ПРА.

6. Применение электронных пускорегулирующих аппаратов для люминесцентных ламп

К настоящему времени ЭПРА позволяет реализовать все преимущества ВЧ питания ЛЛ [26]. Главная задача ЭПРА – обеспечение зажигания и стабильной работы ЛЛ. Cуществует два основных способа построения ЭПРА: 1) с использованием задающего генератора, управляющего полумостовым или мостовым инвертором; 2) с использованием автогенераторов (мостовых или полумостовых) с трансформатором тока на насыщенных сердечниках в цепи обратной связи (Светотехника, 2001, №5, С. 32-34).

Несмотря на огромное количество схемных решений на основе различной элементной базы и схемотехники, структурная схема всех ЭПРА примерно одинакова и содержит следующие основные узлы:

1. Выпрямитель сетевого напряжения – как правило, мостовая схема с конденсатором на выходе.

2. Корректор формы потребляемого тока. В пассивном корректоре выпрямитель работает не прямо на конденсатор, а на LC-фильтр. Введение индуктивности в нагрузку выпрямителя позволяет значительно снизить содержание высших гармоник в потребляемом токе и повысить коэффициент мощности до 0,9÷0,95. Однако, для этого требуется индуктивность, соизмеримая с индуктивностью дросселя в ЭМПРА. При активной форме коррекции используют транзисторы или аналоговые микросхемы, управляемые сигналами с компараторов, сравнивающих форму питающего напряжения и потребляемого тока. Диодно-конденсаторный корректор коэффициента мощности может быть выполнен на трёх запасающих энергию конденсаторах, которые при заряде соединены последовательно (с помощью диодов), а при разряде – параллельно.

3. Преобразователь (инвертор) постоянного напряжения в ВЧ переменное. Используют разные схемы – от простейших автогенераторов на одном транзисторе, до сложных схем с задающими генераторами на микросхемах и усилителями мощности. Как правило, выходное напряжение инверторов имеет прямоугольную формы, а частота – в пределах 20 ÷ 50 кГц. Известно, что рост световой отдачи и срока службы ЛЛ достигает насыщения при частотах около 10 кГц, снижения массогабаритных характеристик ПРА – начиная с 2 кГц, а уменьшение пульсаций светового потока – также с 1÷2 кГц. Однако частоты ниже 20 кГц в настоящее время практически не используются из-за возможных акустических помех. Частота генерации выше 50 кГц используется редко, т.к. заметного улучшения параметров с ростом частоты уже не происходит, а динамические потери в силовых элементах ЭПРА растут. Для запуска однотактных автогенераторов используются различные пороговые элементы (динисторы, однопереходные транзисторы и другие), включаемые в цепь базы силового транзистора. Двухтактные автогенераторы чаще всего выполняются по полумостовой схеме или по широко известной схеме Ройера. Для запуска таких генераторов вводят либо некоторую асимметрию в базовые цепи, либо положительную обратную связь, либо используют внешний запуск, с помощью порогового элемента, как и в однотактных инверторах. По разному решаются задачи стабилизации работы инверторов. Наиболее распространенное решение – использования трансформаторов тока, первичная обмотка которых включается в цепь лампы, а вторичные – в базовые цепи транзисторов. Известны также схемы стабилизации с помощью двух встречно включенных стабилитронов, шунтирующих частотозадающий дроссель в схеме генератора Ройера.

4. В качестве стабилизирующего элемента (балласта) в ЭПРА чаще всего используются ВЧ дроссели. Нередко используются схемы, в которых балласта в чистом виде нет, а для стабилизации режима лампы используется выходной трансформатор инвертора, намотанный в данных случаях на сердечниках с зазором (трансформатор рассеяния). Начиная с частоты около 1 кГц, динамические характеристики ЛЛ имеют вид прямых линий, т.е. лампы начинают работать без перезажиганий в каждый полупериод и форма тока через них точно соответствует форме напряжения на лампе (сопротивление на лампе приобретает чисто активный характер). Это позволяет, в принципе, использовать в качестве балласта простой конденсатор, как правило, гораздо более дешевый, чем дроссель. Однако на практике схемы с чисто емкостными балластами не встречаются, т.к. напряжение инверторов имеет прямоугольную форму и ток через цепь конденсатор – лампа будет иметь большие пиковые значения, соответствующие передним фронтам импульсов напряжения инверторов. Допустимым считается коэффициент формы тока (отношение амплитудного значения тока к действительному) не более 1,7.

5. Поджигающие устройства выполняют одну из наиболее сложных задач в ЭПРА – зажигание ламп и согласование режимов зажигания и горения. Как известно [20], напряжение зажигания () ЛЛ, как и всех газоразрядных приборов, значительно (в несколько раз) превышает напряжение горения (). При этом величина  зависит от ряда факторов – частоты питающего напряжения, наличия внешнего “стимулирующего” фактора (расположение ламп относительно изолированных или неизолированных металлических предметов, например корпуса светильника; облучение лампы ионизирующим, в том числе УФ излучением; использование “поджигающих” полос или прозрачных токопроводящих покрытий и т.п.), но в наибольшей степени – от температуры электродов лампы. Прогрев электродов, кроме снижения , согласно общепринятому представлению, приводит и к увеличению срока службы ЛЛ, так как включение лампы с холодными электродами вызывает ускоренное распыление активизирующих покрытий электродов и почернение приэлектродных областей колбы. При этом для зажигания ЛЛ на нее надо подать напряжение, в несколько раз превосходящие напряжение горения, а для максимального снижения напряжения зажигания необходимо предварительно прогреть электроды ЛЛ. Эти требования вызывают значительные усложнения схемы ЭПРА и тем самым его удорожание. Для решения этой задачи предложено и реализовано множество схемных решений. Например, при питание ЛЛ от сетей с частотой 50 Гц задача совмещения пускового и рабочего режимов (т.е. зажигание и стабилизации разряда) проще всего решается с помощью биметаллического стартера, шунтирующего разрядный промежуток ламп, включенных последовательно с индуктивным балластом. Однако при частотах выше 1 кГц индуктивность балластных дросселей становится столь малой, что запасенной в них энергии оказывается недостаточно для возникновения в лампах дугового разряда. Поэтому наибольшее распространение в ЭПРА получили к настоящему времени резонансные схемы зажигания, включающие последовательный дроссель в силовой цепи лампы и конденсатор в цепи накала. Если резонансная частота LC – контура, определяемая из соотношения:

 (43)

совпадает с первой гармоникой напряжения инвертора, то полное сопротивление контура этой гармоники будет определятся только сопротивлением электродов лампы и активным сопротивлением дросселя, и в контуре будет протекать ток, ограниченный этим полным сопротивлением. При этом электроды быстро прогреваются, а на реактивных элементах контура (L и C) возникает высокое резонансное напряжение, достаточное для пробоя разрядного промежутка и зажигания лампы при горячих электродах.

Благодаря своей простоте, резонансная схема зажигания применяется очень широко – не менее половины ЭПРА выпускаются именно с такой схемой. Однако, эта схема имеет ряд существенных недостатков: 1) высокое напряжение возникает на реактивных элементах схемы сразу после включения инвертора, т.е. лампа оказывается под напряжением при холодных электродах и зажигание лампы, благодаря этому, происходит при недостаточно прогретых электродах, что приводит к сокращению срока службы ЛЛ и сводит к нулю одно из существенных преимуществ ВЧ питания; 2) ток прогрева электродов может достигать значений, в несколько раз превосходящих допустимые, так как сопротивление холодных электродов значительно меньше, чем горячих, и это также приводит к преждевременному износу электродов и сокращению срока службы ламп; 3) большой ток прогрева вызывает необходимость использования силовых элементов инвертора с большими запасами по току и мощности, так как почти 100% выхода ЭПРА из строя происходит в моменты включения и первичной причиной отказа служит пробой транзисторов инвертора, из-за его перегрузки при прогреве электродов в резонансных схемах; 4) на реактивных элементах при резонансе возникает напряжение до 1 кВ, а иногда и выше, что требует использование конденсаторов, рассчитанных на работу при таких высоких напряжениях, и это, естественно, увеличивает не только их габариты и массу, но и цену.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6