Энергосбережение на современном этапе

4) комбинированные ПРА – стабилизация тока лампы осуществляется с помощью как реактивных элементов, так и полупроводниковых приборов (с ВЧ-генератором, емкостно- или индуктивно-полупроводниковые, резонансные ПРА с преобразованием частоты).

Таким образом, устойчивая работа ГРЛ высокого давления в электрической цепи возможна только при наличии в схеме устройств, огранивающих величину тока в пределах, допустимых для ламп данного типа. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) таких ламп имеет слабо падающий или слабо возрастающий характер. Поэтому при безбаластном подключении ламп к источнику питания, имеющему очень малое сопротивление, каким и является обычная электрическая сеть, ток через лампу неограниченно возрастает, что приводит к практически мгновенному разрушению лампы. В качестве балласта используют включаемые последовательно с лампой активные, индуктивные или емкостные сопротивления (или их комбинации), а также электронные балласты.

На переменном токе сетевое напряжение изменяется по синусоидальному закону, проходя в течение каждого полупериода через нулевое значение. Поэтому ток лампы также изменяется по некоторой периодической кривой. На рис 8, а-в приведены осциллограммы мгновенных значений тока и напряжения на лампе, а также кривые мгновенных значений напряжения на балласте, для случаев последовательного включения с тремя видами балластов. Из кривых видно, что для расчета таких схем непригодны электротехнические методы, используемые для схем с линейными элементами.

При питании лампы постоянным током используют только активные балласты. Применение схем с активным балластом энергетически не выгодно и связано с большим дополнительным расходом мощности, так как в лучшем случае КПД схемы составляет (60-70)%, причем потери мощности возрастают по мере повышения требований к устойчивости работы лампы. Кроме того, при активном балласте на переменном токе наблюдается мерцание или погасание разряда при переходе тока через ноль (рис.8, а).

Главным преимуществом индуктивного балласта является малая величина потерь мощности на нем (составляющая 4-8% от величины реактивной мощности, потребляемой дросселем – Jл×UL). Потери в дросселе, пересчитанные по отношению к мощности лампы, составляют от 5 до 12%. Индуктивный балласт обладает достаточно высокими стабилизирующими свойствами за счет того, что напряжение на балласте  больше разности . Также, практически отсутствуют паузы тока, так как при изменении знака тока в момент, когда  0 и этого достаточно для мгновенного перезажигания дуги (рис. 8, б).

Рис.8. Осциллограммы тока лампы, напряжений на лампе и на балласте при работе ГРЛ на переменном токе (а-в) последовательно с: а – активным сопротивлением; б – дросселем; в - конденсатором; влияние характеристик индуктивно-емкостного балласта на ток лампы (г): ¾ - кривые, рассчитанные из уравнения (36); - - - экспериментальные кривые, полученные в процессе разгорания лампы ДРЛ 400; относительное изменение мощности лампы, при изменении напряжения сети на 10%, в функции отношения напряжения на лампе к напряжению сети, для лампы, работающей на переменном токе с индуктивно-емкостным балластом (д)

Применение емкостного балласта очень заманчиво в силу того, что такие балласты должны иметь малые габариты и характеризоваться практическим отсутствием активных потерь. Однако, при низкой частоте питающего напряжения, форма кривой тока имеет вид узкого пика (рис.8, в) амплитуда которого в несколько раз превосходит действующее значение тока. Это объясняется тем, что в момент изменения направления тока лампы емкость, напряжение на которой достаточно велико, практически накоротко разряжается через лампу. Резкие броски тока очень неблагоприятно сказываются на работе катодов и сокращают долговечность лампы. Кроме того, качество освещения с помощью ламп, включенных последовательно с емкостью, получается низким из-за больших темных пауз. Практически емкостный балласт комбинируют с последовательно включенным индуктивным и, при правильно подобранном соотношении С и L, удается сохранить в значительной мере положительные свойства чисто емкостного балласта и снизить амплитудные значения тока до величины, при которой срок службы лампы практически не отличается от срока службы в схеме с индуктивным балластом.

Используя метод гармонического анализа можно представить прямоугольное напряжение на лампе, которое аппроксимирует реальную кривую напряжения, в виде бесконечной суммы синусоид – ряда Фурье:

  (26)

Основная частота этого ряда совпадает с частотой изменения напряжения на лампе, а сумма мгновенных значений относительных ординат синусоид для любого момента времени  равна p/4, так, что Uл = uл. В уравнение, описывающее мгновенные значения сетевого напряжения uc необходимо ввести фазовый угол  определяющий угол сдвига гармоник, представляющих напряжение на лампе, относительно основной синусоиды сетевого напряжения:

.                      (27)

Причем, что мгновенные значения напряжения на балласте равны:

Реактивное сопротивление балласта зависит от частоты и определяется формулами:

 - для основной гармоники тока;        (28)

 - для n-ой гармоники тока.

Цепь, состоящая из последовательно включенных дросселя и конденсатора, характеризуется некоторой частотой , при которой наступает резонанс напряжения на этих элементах цепи:

.                           (29)

Если обозначить , то выражения Zб1 и Zбn могут быть переписаны в виде:

                        (30)

Используя формулы (26), (27) и (30), составим уравнение мгновенных значений тока, имея в виду что  и  сдвинуты по фазе на 90°, и получим:

.        (31)

Определим из (31) , исходя из условия, что iл=0 при uл=0, или то же самое, при . После проведения вычислений получаем:

.     (32)

Действующее значение основной гармоники тока определяется из (31) и (32) обычным интегрированием:

.       (33)

Для реальных схем, в которых используются балласты с 1<h<2, доля высших гармонических составляющих в токе лампы мала и можно без особых погрешностей считать, что . Соответственно, мощность лампы для рассматриваемого случая (синусоидальная форма кривой , прямоугольная форма кривой Uл) определяется из уравнения:

    (34)

Видно, что характеристики схемы с емкостно-индукционным балластом зависят от величины h и при некоторых ее значениях в поведении характеристик обнаруживаются особые эффекты. Если h = 1 наблюдается резонанс на основной частоте, и величина тока резко возрастает, причем при отсутствии активного сопротивления в последовательной цепи, величина  теоретически становится бесконечно большой. При 1<h<2 форма тока близка к синусоидальной и роль высших гармоник, учитываемая последним членом в формуле (31), мала. При h = 2 угол сдвига между Uc и Ul [см. формулу (32)] равен 90° и не зависит от их величины. Необходимо отметить, что формальный вывод, который делают некоторые разработчики ПРА, о том, что схема не потребляет мощности (когда полная нагрузка сети имеет чисто реактивный характер), является ошибочным. Фактически угол сдвига между Uc и основной гармоникой тока, которая и определяет величину Pл, меньше 90°. При h > 2 наблюдаются резонансные явления, причем каждый раз, когда h принимает целое значение, совпадающее с n. При некоторых значениях h, зависящих от Uл/Uс, величина  становится мнимой. Очевидно, эти варианты схем не имеют практического значения.

Одной из важных особенностей реальной схемы с индуктивно-емкостным балластом, в которой соотношение между L и С соответствует 1< h < 2, является слабая зависимость величины тока от напряжения на лампе. Наиболее просто можно оценить эту зависимость, сравнивая  в реальной схеме с током , устанавливающимся в цепи при закороченной лампе. При этом величина  может быть определена из формулы (33), если полагать, что Uл = 0:

.                (35)

Искомое отношение, определяется из уравнений (31) и (35):

.   (36)

Результаты расчетов по формуле (36) показывают (рис. 8, г), что для h = 1,66 имеем  и величина тока через лампу не зависит от напряжения на лампе и целиком определяется параметрами схемы. Расчетные зависимости подтверждаются экспериментальными данными различных авторов [16, 18].

На рис. 8, д показаны зависимости относительного возрастания мощности (тока) при увеличении сетевого напряжения на 10% в функции  для нескольких значений h. Наиболее высокой устойчивостью обладают схемы при h = 1,66, при котором изменение величины сетевого напряжения влечет за собой только пропорциональное (на 10%) изменение мощности лампы при любом значении отношения .

Другим важным свойством индуктивно-емкостного балласта является то, что эта схема обеспечивает надежное перезажигание разряда. В каждый полупериод, в момент изменения полярности на лампе (), напряжение на конденсаторе близко к максимальному значению и суммируется с напряжением сети:

          (37)

или, используя соотношение (32) и (34), получаем:

.      (38)

Видно, что напряжение на балласте в момент перезажигания лампы зависит только от величины индуктивности балласта и характеристик лампы, и не зависит от Uc.

Необходимо учитывать, что индуктивно-емкостная схема балласта, в целом по отношению к сети, ведет себя как емкостная нагрузка, так как  по фазе опережает uc. В связи с этим, целесообразно при подключении достаточно большого числа осветительных устройств к общей сети, чередовать использование схем с емкостными и индуктивным балластами. В этом случае обеспечивается практическое отсутствие сдвига фазы суммарного тока по отношению к сетевому напряжению и не требуется применения специальных мер исправления cos j сети. Поэтому считается, что емкостный балласт является одним из наиболее экономичных [16,17].

Известно [18], что в случае индуктивно-емкостного балласта имеет место увеличенное искажение формы питающего напряжения по сравнению со случаем индуктивного балласта. Анализ спектра напряжения на зажимах комплекта лампа ДРЛ-ПРА (индуктивно-емкостный), показал, что относительный уровень третьей гармоники составляет 20-30%, а уровень пятой – (3-5)%, что в 2-3 раза выше, чем в чисто индуктивном балласте. Повышенное наличие высших гармоник в питающей сети с одной стороны вызывает повышение потерь в сердечниках трансформаторов подстанций [19], а с другой – увеличивает уровень помех проводным системам связи.

Реальные балластные устройства отличаются от рассмотренных выше, прежде всего наличием активных потерь, которые создаются в основном в электромагнитных элементах, а в качественных конденсаторах даже при работе в условиях повышенной температуры они не превышают 0,4%. Для стабилизации мощности лампы или обеспечения постоянства светового потока необходимо ограничивать влияние колебаний сетевого напряжения на мощность. С этой целью используют схемы со стабилизацией тока лампы. Напряжение горения лампы очень слабо зависит от величины тока, в результате мощность лампы в такой схеме также оказывается стабилизированной. В качестве элемента, ограничивающего ток лампы, используется емкостный балласт. Для того чтобы такой балласт стабилизировал ток лампы при изменении напряжения питания, в нем вместо обычного дросселя используют дроссель с высокой магнитной индукцией в сердечнике. При этом увеличение тока, сопровождающее возрастание сетевого напряжения, приводит к уменьшению реактивного сопротивления дросселя. В результате суммарное реактивное сопротивление последовательно соединенных элементов L и С возрастает и ток лампы увеличивается незначительно. Эта схема хотя и обеспечивает хорошую стабилизацию, но обладает одним существенным недостатком. Форма кривой тока лампы, работающей последовательно с емкостным балластом, даже если его индуктивный элемент линеен, получается сильно искаженной, за счет большой доли высших гармоник в суммарном токе лампы. А использование индуктивного элемента приводит к дополнительному увеличению доли высших гармоник и к еще большему искажению формы кривой тока. При этом особенно сильно возрастает третья гармоника. Для того чтобы ее уменьшить или даже перекомпенсировать, в схему включают трансформатор с рассеянием. Фаза третьей гармоники на вторичной обмотке трансформатора получается сдвинутой почти на 180° относительно фазы третьей гармоники, создаваемой емкостной составляющей балласта. Форма кривой тока в этом случае в области максимума становится плоской, а действующее значение тока при фиксированной мощности лампы уменьшается.

Если последовательно с трансформатором или автотрансформатором с рассеянием включить конденсатор достаточно большой емкости, то такая схема будет обладать свойствами емкостного балласта. В этой схеме вторичное напряжение в рабочем режиме получается больше, чем напряжение холостого хода, из-за того, что напряжение на конденсаторе находится в противофазе по отношению к напряжению на фиктивной индуктивности и значительно больше последнего.

Коэффициент мощности, определяемый углом сдвига между напряжением и током на выходе схемы (cos j), если схема состоит из лампы, соединенной последовательно с индуктивным или емкостным балластом, обычно лежит в пределах 0,4 - 0,7. По экономическим соображениям низкий cos j является нежелательным, и поэтому применяют специальные методы для его повышения. В случае индуктивной схемы включения лампы применяется групповая или индивидуальная компенсация cos j. Для этого группа конденсаторов присоединяется, соответственно, либо параллельно к источнику питания, либо непосредственно на входе индивидуальной схемы каждой лампы. При таком включении емкости возникает опережающая реактивная составляющая тока в токоподводящих проводах. Поэтому угол сдвига между суммарным током лампы и емкости, и сетевым напряжением уменьшается. Подбирая величину емкости, можно добиться, чтобы cos j был близок к единице. Пример зависимости cos j компенсированной индуктивной схемы включения от величины емкости показан на рис. 9. Получить в такой схеме cos j = 1 нельзя, т.к. ток через конденсатор не может компенсировать действие высших гармоник . Качественная компенсация может быть достигнута только для строго фиксированной частоты питающего напряжения. Изменение частоты сетевого напряжения приводит к уменьшению cos j, по сравнению с расчетным, из-за того, что величины емкостного и индуктивного сопротивлений изменяются противоположно.

Рис.9. Зависимость коэффициента мощности лампы ДРЛ 125, включенной с индуктивным балластом, от емкости компенсирующего конденсатора Ск

Аналогичное явление имеет место и при искажении формы питающего напряжения, из-за появления в емкостном токе высших гармоник. Таким образом, при компенсации коэффициента мощности индуктивного балласта максимальный коэффициент получается меньше единицы из-за того, что форма кривой тока отличается от синусоидальной. Для группы ламп компенсация cos j может быть осуществлена путем включения одной части ламп последовательно с емкостным балластом, а другой – с индуктивным. Подбирая правильное соотношение между числом индуктивных и емкостных схем, можно добиться получения cos j, очень близкого к единице. Обычно ограничиваются компенсацией коэффициента мощности до величины порядка 0,85 – 0,90, т.к. в этом случае можно обойтись меньшим количеством схем с емкостным балластом. В этом случае стоимость осветительной установки в целом получается более низкой (рис.10).

При работе лампы на промышленной частоте необходимым условием работы без пауз тока является отсутствие скачков тока в момент перезажигания, вызванных изменением напряжения на лампе. В ГРЛ переменного тока дважды за период ток и напряжение дугового разряда проходят через нуль и меняют направление, соответственно меняется и полярность электродов. При этом каждый раз происходит погасание и вновь зажигание разряда. В схеме одноконтурных ПРА для обеспечения зажигания и перезажигания дуги достаточно включить последовательно с лампой один дроссель, т.е. обеспечить индуктивный характер входного сопротивления схемы включения со стороны лампы. После снижения напряжения источника питания ниже напряжения дуги ее горение поддерживается за счет электромагнитной энергии, накопленной в индуктивности.

Рис.10. Зависимость коэффициента мощности cos j установки с группой ламп, включенных с индуктивными и емкостными балластами, от процентного содержания емкостных балластов (на кривых указаны типы ламп, использованных в установке)

Поэтому при работе ламп на переменном токе в качестве стабилизирующего элемента применяют, главным образом, индуктивные сопротивления - дроссели. Поскольку резистивное сопротивление дросселя , как правило, много меньше его индуктивного сопротивления , то потери мощности в дросселе оказываются значительно меньше, чем в резистивном балласте, составляя от 5 до 50% мощности лампы (чем больше мощность лампы, тем меньше относительные потери в дросселе). Кроме того, в отличие от резистора, мгновенное падение напряжение на дросселе пропорционально не току, а его производной . Появляющийся благодаря этому сдвиг фаз, между напряжением сети и током, приводит к уменьшению пауз тока, поскольку к моменту прохождения тока через нуль напряжение сети уже имеет некоторую величину обратного знака, и, таким образом, разряд вспыхивает вновь, едва успев погаснуть. Благодаря этому уменьшаются паузы тока и излучения, и улучшаются условия перезажигания разряда, что обеспечивает более благоприятные условия для работы катодов. В качестве недостатка дросселей указывают [20] на большую удельную массу, составляющую от 10 до 30 кг/кВт мощности лампы, большие габариты и низкий коэффициент мощности установки (обычно 0,5 - 0,6), для повышения которого параллельно лампе включают конденсаторы.

В емкостном балласте емкость не ограничивает максимальное значение тока, т.к. ее стабилизирующее действие проявляется в ограничении количества зарядов, проходящих через цепь в каждые полпериода. Вследствие этого, при стабилизации разряда только емкостью на промышленной частоте, каждые полпериода возникают большие кратковременные толчки тока и следующие за ними большие паузы тока и излучения. Такой режим работы ламп неприемлем для освещения и пагубно сказывается на работе самокалящихся активированных электродов. Поэтому применение чисто емкостного балласта для стабилизации оказывается возможной только при работе лампы в сети с повышенной частотой, начиная от 400 Гц и выше. При последовательном включении дросселя и конденсатора с лампой, благодаря наличию индуктивности толчки тока сглаживаются, а паузы тока и излучения уменьшаются. В цепи питания лампы необходимо поддержание оптимальных параметров. Например, для лампы типа ДРЛ 125 с индуктивно-емкостным балластом:  P=125 Вт; L = 0,425 Гн; R = 10 Ом; . Специфическим свойством индуктивно-емкостного балласта является [21] то, что ток короткого замыкания лампы мало отличается от ее рабочего тока. При  питающая сеть является как бы источником тока для такой особого вида нагрузки, как разрядная лампа. Считается [22], что индуктивно-емкостный балласт практически по всем показателям уступает индуктивному и его использование оправдано лишь в двухламповых схемах с "расщепленной" фазой, для уменьшения пульсаций светового потока в двухламповых установках. При мощности ГРЛ более 100 Вт индуктивно-емкостный балласт практически не применяют из-за большой емкости конденсатора. Необходимо также учитывать, что в индуктивно-емкостных ПРА в режимах без паузы тока действующее значение напряжения на лампе Uл выше установившегося напряжения на постоянном токе U0, например для лампы типа ДРЛ - .

Для ламп ДРЛ применение чисто емкостного балласта при токе с частотой f = 50 Гц не рекомендуется из-за их влияния на форму кривой тока и сокращения в связи с этим срока службы. Наибольшее распространение получили индуктивные балласты в виде дросселей или трансформаторов с рассеянием. Для четырехэлектродных ДРЛ зажигание ламп может быть произведено от напряжения сети. В схеме с последовательным индуктивным балластом (рис.11, а) коэффициент мощности составляет 0,5 - 0,6, поэтому для его повышения используют индивидуальную компенсацию параллельным конденсатором, емкость которого определяется в зависимости от мощности лампы. Когда требуется поддержание постоянства светового потока лампы при колебаниях напряжения сети питания, применяются схемы со стабилизацией мощности лампы, содержащие последовательно соединенные насыщенный дроссель (или АТ с рассеянием) и конденсатор (рис.11, б). Стабилизация мощности лампы может быть достигнута в том случае, если при колебании напряжения питания ток лампы сохраняется почти неизменным. Так как напряжение горения лампы практически не зависит от тока, то и мощность лампы будет оставаться неизменной. В схеме с насыщенным дросселем с повышением Uс, ток лампы Iл увеличивается, при этом реактивное сопротивление дросселя уменьшается. Суммарное реактивное сопротивление последовательно соединенных L и C возрастает и ток лампы увеличивается в незначительной степени. Конденсатор С (рис.11, б) должен быть подобран таким образом, чтобы балласт имел емкостный характер. Однако, при работе лампы на промышленной частоте, кривая тока сильно искажена за счет высших гармоник. Лучшие результаты достигаются при применении автотрансформатора с рассеянием (рис.11, в). При этом кривая тока лампы становится более плоской, уменьшается действующее значение тока при неизменной мощности лампы и повышаются стабилизирующие свойства схемы.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7