Особенности электронных пускорегулирующих аппаратов для разрядных ламп высокого давления

7. Особенности электронных пускорегулирующих аппаратов для разрядных ламп высокого давления

Лампы высокого давления (ЛВД) обладают рядом особенностей, обусловленных физическими процессами в столбе разряда и вносящих определенную специфику в основные функции ПРА:

1. В пусковом режиме ПРА должен обеспечить напряжение, достаточное для надежного зажигания ламп. Анализ пускового режима резонансного контура с ЛВД при прямоугольном питающем напряжении показывает [26], что в точке полного резонанса напряжение холостого хода в 2 ÷ 9 раз превышает напряжение питания контура. Так, если использовать для питания резонансного контура инвертор, применяемый в схемах с ЛЛ, то надежное зажигание металлогалогенных ламп (МГЛ) проблематично и приводит к необходимости существенного (3÷4-кратного) запаса по допустимому току ключевых элементов ЭПРА по отношению к рабочему режиму, и, как следствие, к снижению надежности и большим тепловым потерям в режиме холостого хода. Наиболее ощутимо это становится при выходе лампы из строя или ее отсутствии, когда режим холостого хода существует продолжительное время.

2. За зажиганием лампы следует достаточно длительный процесс ее разгорания, составляющий для различных ЛВД от 2 до 6 мин. В течение этого времени напряжение на лампе растет от 20÷30 В до номинального значения, составляющего 130 В, 100 В и 70 В, соответственно, для ламп ДРЛ, ДРИ и ДНаТ, при мощности 230÷400 Вт (при работе ламп на 50 Гц). При ВЧ питании напряжение на лампах остается примерно тем же или снижается на 15÷20%. В начале процесса разгорания лампы, ПРА работает в режиме, близком к короткому замыканию нагрузки, а ток в контуре с лампой ограничен лишь сопротивлением балласта. Нагрузка ВЧ инвертора ЭПРА в этом случае носит чисто реактивный (индуктивный) характер, а обратные диоды инвертора будут работать в наиболее напряженном режиме.

3. Продолжительность горения ЛВД на частоте 50 Гц определяется известным переходом работы лампы в циклический режим, из-за роста напряжения перезажигания. Повышение частоты питающего напряжения приводит к уменьшению и полному исчезновению пиков перезажигания, а механизм погасания разряда при ВЧ питании связан с нарушением условий устойчивости работы лампы в комплекте с ЭПРА. Наличие жидкой фазы в лампе и ее работа в условиях насыщенных паров в течение всего срока службы, обусловливают резкую зависимость всех характеристик от температуры. В отличие от ламп, работающих в условиях ненасыщенных паров (ДРЛ, ДРТ), имеющих «безразличные» и «медленные» вольт-температурные характеристики со слабой зависимостью напряжения от тока, лампы ДНаТ характеризуются резко возрастающей ВАХ для равновесной температуры разрядной трубки. При реальных значениях колебаний сетевого напряжения (более ± 5%) ВАХ комплекта ЭМПРА – ЛВД может выйти за пределы допустимого уровня мощности лампы. В ЭПРА дело обстоит еще сложнее, так как характеристическая кривая комплекта ЭПРА – ЛВД такова, что даже при стабильном питающем напряжении мощность лампы может увеличиваться на 92%, что совершенно недопустимо. Ограничение электрического режима ламп в общем случае возможно путем организации обратных связей по току лампы, напряжению на ней и ее мощности. Наилучший результат дает введение в ЭПРА цепи обратной связи по мощности лампы. Такая обратная связь способна ограничить мощность на нужном уровне, как при отклонениях питающего напряжения, так и при изменении напряжения лампы. Кроме того, наличие в составе ЭПРА обратной связи по мощности лампы увеличит срок ее службы, так как позволит работать с более высокими значениями напряжения на лампе (т.е. погасание произойдет в тот момент, когда «быстрая» ВАХ лампы станет касательной к внешней характеристике ВЧ балластного контура).

4. Препятствием для ВЧ питания ламп ВД могут быть и искажения разряда акустическими волнами. Явление стоячих волн давления (акустический резонанс) может приводить к искажениям разрядного канала. Генерация акустических волн на резонансных частотах будет иметь место, если управляющее воздействие достаточно велико, т.е. если подводимая к лампе мощность превышает некоторую пороговую величину. При проектировании ЭПРА для ЛВД необходимо учитывать, что искривление разрядного канала вследствие акустического резонанса зачастую приводит к локальному перегреву стенок разрядной трубки и ее растрескиванию. Кроме того, акустическому резонансу сопутствуют такие нежелательные явления, как увеличение напряжения лампы (а значит и ее мощности) и нестабильность светового потока. Рабочие частоты должны быть выбраны с учетом особенностей конкретного типа ламп (размеры разрядной трубки, давление буферного газа). Также имеется возможность устранения нежелательных проявлений акустического резонанса с помощью построения ЭПРА на основе генераторов качающейся частоты.

В структурной схеме ЭПРА для ГРЛ ВД имеются схожие элементы, аналогичные для ЭПРА ЛЛ, а также свои отличительные особенности (рис. 28):

1. Входной фильтр, кроме подавления радиопомех, генерируемых ЭПРА, служит для сглаживания ВЧ пульсаций потребляемого тока, возникающих при работе схемы активной коррекции формы потребляемого тока.

2. Выпрямление напряжения сети происходит в мостовом выпрямителе.

Рис.28. Структурная блок-схема электронного ПРА для ламп высокого давления

3. Схема активной коррекции формы тока решает одну из актуальных задач силовой электроники – обеспечение электромагнитной совместимости преобразователей с бестрансформаторным входным выпрямителем и емкостным фильтром с питающей сетью. Наличие выпрямителя с емкостным фильтром во входной цепи ЭПРА обусловливает низкий коэффициент мощности, не превышающий 0,5÷0,7 и большой уровень высших гармоник потребляемого из сети тока. Резкое увеличение количества ключевых источников вторичного электропитания в ЭПРА ужесточает требования по электромагнитной совместимости их с сетью и ограничивает уровни высших гармоник потребляемого из сети тока. В качестве устройств коррекции формы потребляемого тока используют: 1) пассивные LC – фильтры, недостатком которых являются плохие массогабаритные показатели; 2) активное формирование синусоидального тока, совпадающего по фазе с питающим напряжением, что является наилучшим решением по электромагнитной совместимости ключевых источников с сетью. Анализ различных схем активной коррекции (рис. 29, а-в) показывает, что наиболее подходящей для использования в составе ЭПРА для ламп ВД является схема повышающего преобразователя (рис.29, в), которая обладает следующими достоинствами: 1) силовой транзистор имеет соединение истока (эмиттера) с общим проводом, чем облегчается схема формирования сигнала управления; 2) наличие реакторов в последовательной ветви обеспечивает фильтрацию ВЧ составляющих и сводит задачу коррекции коэффициента мощности к формированию модуля синусоидального тока через реактор; 3) максимальное напряжение на транзисторе равно выходному напряжению; 4) импульсный ток через силовой транзистор имеет меньшие значения, чем в других схемах; 5) схема может быть использована при мощностях до 2 кВт. При этом для нормальной работы схемы (рис. 29, в) необходимо, чтобы выходное напряжение превышало амплитудное значение сетевого напряжения. Работу в режиме пуска и спадов выходного напряжения, а также быстрый подзаряд емкости фильтра С_ф обеспечивает диод VD 2. Законы управления силовым транзистором в схемах активной коррекции формы потребляемого тока достаточно сложны. Как правило, для этой цели используется следящая широтно-импульсная модуляция с постоянным или адаптивным гистерезисом. В качестве задания используется сигнал, пропорциональный напряжению сети. Ток, потребляемый схемой коррекции, сравнивается с заданием при помощи компаратора, который и управляет силовым транзистором. В реальном случае сигнал задания является сложной функцией напряжения сети и выходного напряжения схемы, благодаря чему обеспечивается еще и стабилизация U_вых при входных и выходных возмущениях. Наличие стабилизирующей выходное напряжение обратной связи необходимо еще и для обеспечения работоспособности схемы корректора в режиме холостого хода (в противном случае возникшие перенапряжения приведут к выходу элементов схемы из строя). Кроме того, в схему могут вводиться обратные связи, обеспечивающие работу дросселя в граничном режиме, защиту силового транзистора от токовых перегрузок. Ряд специализированных интегральных схем, выпускаемых ведущими фирмами, позволяют относительно просто обеспечивать управление силовым транзистором схемы коррекции. Постоянство выходного напряжения при изменении напряжения сети в широких пределах будет благоприятно сказываться на стабильности работы и срока службы ламп. Кроме того, отпадает и сама необходимость анализа влияния отклонений питающего напряжения на характеристики балластного контура с лампой, что упрощает проектирование ПРА.

Пассивный блок коррекции коэффициента мощности может выполняться в следующих вариантах: 1) три последовательно соединенных диода, подключенных к выходу выпрямителя, и два сглаживающих конденсатора, включенных последовательно со средним диодом, также к выходу выпрямителя; 2) три последовательно соединенных диода, подключенных параллельно выходу выпрямителя, и два накопительных конденсатора, «плюс» одного из которых подключен к аноду верхнего диода, а «минус» - к минусовому выводу выпрямителя, «плюс» второго конденсатора связан с плюсовым выводом выпрямителя, а «минус» с катодом нижнего диода, между катодом нижнего диода и анодом среднего диода включен резистор.

4. Высокочастотный инвертор. Выбор схемы инвертора зависит от конкретного типа ГРЛ ВД. Так, например, для ртутно-кварцевых ламп ДРТ и ДРЛ, имеющих невысокие значения напряжения зажигания и горения, использование традиционной (для ЛЛ) полумостовой схемы (рис. 30, а) является приемлемым (рис. 31). Высокие напряжения зажигания для ламп МГЛ и ДНаТ обусловливают преимущество мостовой схемы инвертора (рис. 30, б) с вдвое большим выходным напряжением. Требуемое напряжение холостого хода при этом можно получить при в 2,42 раза меньшем пусковом токе, что положительно скажется на надежности и экономичности ПРА. Кроме того, в пользу мостовой схемы для ламп средней и большой мощности говорит и рост напряжения на лампах в течение срока службы. Фактором, до настоящего времени сдерживающим разработку ЭПРА для ЛВД, являлось отсутствие подходящей элементной базы для ВЧ инвертора таких ПРА. Появление на рынке силовой электроники мощных МДП- и IGBT-транзисторов и модулей на их основе [29] открывает возможности для разработки экономичных и надежных схем питания ЛВД. Формирование оптимального сигнала управления силовыми транзисторами требует использования внешнего возбуждения (в отличие от простых автоколебательных систем ЭПРА - ЛЛ), что неизбежно приводит к усложнению схем.

Имеются сообщения о повышении энергоэкономичности ламп при использовании тока определенной формы, например в ЭПРА (заявка 4439812 ФРГ, НО5В 41/36, опубл. 9.05.1996; заявка 4439885 ФРГ, НО5В 41/29, опубл. 8.11.1996) для питания ГРЛ предлагается использовать ток прямоугольной формы с регулируемой амплитудой, при этом лампа подключается к источнику постоянного тока и ПРА сдержит повышающий преобразователь постоянного напряжения - в постоянное, а также мостовой коммутатор и блок управления. Прямоугольная форма тока и напряжения обеспечивает работу лампы без токовых пауз и, одновременно реализует преимущества работы на постоянном токе и устраняет недостатки, связанные с катафорезом.

5. Система управления вырабатывает управляющие сигналы для ВЧ инвертора. Рабочая частота схемы выбирается в пределах «окон», свободных от акустических резонансов. Кроме того, на выбор рабочего диапазона частот накладывает ограничения элементная база ВЧ инвертора (транзисторы, диоды) и материал магнитного сердечника балластного дросселя. Эти ограничения не позволяют, при использовании для магнитопроводов ферритов широкого применения, поднять рабочую частоту выше 50 ÷ 60 кГц. Реализовать обратные связи, ограничивающие мощность лампы на допустимом уровне, можно следующими путями: частотной модуляцией; широтно-импульсной модуляцией; регулированием напряжения питания инвертора. В случае использования частотной модуляции увеличение мощности лампы приводит к увеличению рабочей частоты ЭПРА, росту сопротивления индуктивного балласта и снижению мощности до заданного уровня. Достоинством широтно-импульсной модуляции является постоянство рабочей частоты ЭПРА, что облегчает ее выбор в пределах свободных от акустических резонансов частотных «окон», но, одновременно, усложняет систему управления инвертором. Регулирование напряжения питания инвертора можно осуществить улучшить введением в схему активной коррекции формы потребляемого тока путем дополнительной цепи обратной связи, но для обеспечения широкого диапазона регулирования элементы схемы ЭПРА должны работать при повышенных напряжениях (400 ÷ 450 В). Схема системы управления может предусматривать возможность регулирования светового потока лампы. Перспективным представляется и использование для всех перечисленных целей микроконтроллеров, что позволит управлять лампой по более сложным алгоритмам, учитывающих все многообразие реальных эксплуатационных условий. В отдельную группу можно выделить ЭПРА, построенные по принципу совмещения в одном узле функций инвертора, создающего ВЧ напряжение питания лампы, и функции активной коррекции формы потребляемого из сети тока, такие аппараты применяют для ламп небольшой мощности.

Имеется устойчивая тенденция электронизации освещения на основе микропроцессорных ЭПРА, так как они имеют явные преимущества по сравнению с электромагнитными ПРА (ЭМПРА), в частности: экономичность, миниатюрность, универсальность, возможность плавного регулирования светового потока от 1 ÷ 100% с помощью цифровых технологий. Подобные ЭПРА имеют возможность автоматически «распознавать» подключенную к нему лампу и обеспечивать оптимальные электрические характеристики в пусковом и рабочем режимах. ЭПРА допускает более 1 млн включений ламп без ущерба для их срока службы, причем последний увеличивается в несколько раз по сравнению со стартерно-дроссельными схемами. По данным фирмы Osram, применение высокоэффективных ЭПРА, вместо обычных электромагнитных аппаратов, позволяет получить экономию электроэнергии на уровне 25÷30%, а срок службы увеличить примерно на 50%.

Конструкции ЭПРА могут быть, по крайней мере, трех типов: низкочастотные, высокочастотные и гибридные (т.е. комбинации ЭПРА и ЭМПРА). Для высокой эффективности ПРА обязательными элементами являются различные виды инверторов для повышения частоты питающего тока и электронные блоки управления на базе микроконтроллеров, а также другая электроника, обеспечивающая регулирование, контроль, адаптацию и коррекцию коэффициента мощности. Управление транзисторами инвертора может осуществляться драйверами на интегральных микросхемах. При этом драйверы обеспечивают ждущее зажигание ламп (путем изменения частоты), регулирование и стабилизацию их мощности, а также ограничение тока ламп. Причем предусматриваются дополнительные микросхемы, которые исключают возможность сбоя работы драйвера (а, следовательно, и мигания ламп) при кратковременных снижениях мощности, связанных с провалами сетевого напряжения. Подобные ЭПРА позволяют реализовать сенсорные модуль-коммутаторы, в которых совмещены ИК-датчики движения (присутствия) и светочувствительные элементы, реагирующие на уровень естественного освещения. Такие интерактивные светорегулирующие системы могут сопрягаться с микропроцессорным управлением через компьютерные программы.

Рис.29. Схемы преобразователей для активной коррекции формы потребляемого лампой тока

Рис.30. Полумостовая (а) и мостовая (б) схемы инвертора напряжения

Электронные ПРА для разрядных ламп имеют следующие преимущества по сравнению с электромагнитными ПРА: исключение пульсаций светового потока ламп и предотвращение возникновения стробоскопического эффекта; создание благоприятного режима зажигания ламп; повышение на 10÷20% светового потока ламп; повышение на 20÷30% срока службы ламп; отсутствие мигания ламп в пусковом режиме; уменьшение расхода электроэнергии за счет значительного сокращения суммарной потребляемой мощности; возможность регулирования светового потока ламп.

Большинство ЭПРА работают в диапазоне частот 25÷70 кГц. Целый ряд появившихся в последнее время новых источников света уже не могут работать в схемах с обычным ЭМПРА и рассчитаны на работу только с ЭПРА. Дополнительными преимуществами ЭПРА является возможность питания постоянным током (для аварийного освещения) и возможность регулирования светового потока. Учитывая изложенное, можно констатировать, что в перспективе энергосберегающая техника освещения должна базироваться на использовании ЭПРА.

Однако на современном этапе целесообразность использования ЭПРА в отечественных светильниках связана с вопросами стоимости и окупаемости. Например, стоимость одной лампы типа КЛЛ с комплектом встроенного ЭПРА мощностью 20 Вт (почти эквивалентной по световому потоку ЛН мощностью 100 Вт) составляет от 5 до 30 долларов. Цены ЭПРА фирм «Motorola» и «Helvar» для ЛЛ мощностью 29÷36 Вт составляет около 30 долларов, а цена ЭМПРА для тех же ламп – не более 5 долларов.

В России, в настоящее время ЭПРА изготавливаются рядом предприятий: «СИТЭЛ» (Москва), «Элкомс» (Москва), «ЭЛиПС» (Москва), «ЭЛИЗ» (Фрязино), Ульяновским радиоламповым заводом и другими. Номинальные параметры и конструкции ЭПРА, выпускаемые отечественными и зарубежными фирмами, примерно одинаковы. Как правило, комплекты ЭПРА изготавливаются в «монолитном» исполнении (т.е. не подлежат вскрытию, разборке и сервисному обслуживанию), а их принципиальные схемы фирмами не раскрываются, часто защищены патентами на изобретения и полезные модели, и имеют определенные «ноу-хау».

Таким образом, анализ особенностей ВЧ электропитания ГРЛ ВД, позволяет выделить следующие основные достоинства ЭПРА: 1) экономия материалов наиболее существенна для ВЧ аппаратов с активной коррекцией формы потребляемого тока; 2) ЭПРА позволяет повысить стабильность работы ламп и снизить пульсации светового потока; 3) увеличивается срок службы ламп; 4) имеет место экономия электроэнергии, хотя и меньшая, чем при работе с ЛЛ, световая отдача которых существенно увеличивается при ВЧ питании; 5) снижение потребляемой мощности обусловлено в основном уменьшением потерь в ПРА и увеличением коэффициента мощности лампы (ЭПРА, работающие на частоте 20 ÷ 30 кГц, обладают, в среднем, на 50 ÷ 55% меньшими потерями по сравнению с ЭМПРА); 6) возможность регулирования светового потока. Недостаток ЭПРА – более высокая, по сравнению с традиционными балластами, стоимость, которая постепенно будет уменьшаться по мере уменьшения цен на комплектующие и их повышение на медь, электротехническую сталь и энергоносители.