Энергосбережение на современном этапе

Известно [25], что при работе лампы на переменном токе, когда мощность изменяется аналогично среднеквадратичному значению тока, но максимальное значение тока выше, чем среднеквадратичное, лампа должна работать, по крайней мере, некоторое время, при большем значении тока, чем при постоянном напряжении и той же мощности, и поэтому, по крайней мере, некоторое время, с более высокой концентрацией электронов, чем при постоянном напряжении. В результате действия этих двух факторов КПД резонансного излучения в лампе на 5÷10% меньше, в случае работы на переменном токе с частотой 50 Гц, чем при работе на постоянном токе при той же мощности. Однако, при работе лампы на постоянном токе с активным балластом наблюдаются потери на резисторе, сравнимые с мощностью потребляемой лампы и, соответственно, общий КПД системы ПРА-лампа уменьшается. На переменном токе можно использовать реактивные сопротивления для управления током разряда и потери мощности, здесь будут меньше. Следовательно, КПД системы выше при работе на переменном токе при частоте 50 Гц, хотя КПД лампы при этом несколько меньше.

В сущности, разряд на высокой частоте ведет себя подобно разряду на постоянном токе. При частоте переменного тока, приблизительно равной нескольким килогерцам, концентрация электронов, будучи примерно постоянной, пропорциональна не мгновенному значению тока, а ближе к среднеквадратичному. Поэтому для ртутных ламп при постоянном токе и ВЧ токе наблюдаются подобные зависимости, например выход ультрафиолетового излучения (УФ) увеличивается с ростом тока до некоторого предельного значения, а КПД генерации УФ снижается с ростом тока. Не вызывает никаких сомнений тот факт, что пиковые значения тока больше, чем среднеквадратичные, поэтому та часть потерь КПД, которая имеет место на переменном токе частотой 50 Гц, не будет иметь место для ВЧ тока и КПД разряда становится близким к КПД на постоянном токе. В связи с влиянием электродов потери на них также уменьшаются при высоких частотах и, таким образом, КПД ЛЛ при частотах в несколько килогерц может даже превосходить КПД ламп, работающих на постоянном токе.

5. Схемы комбинированных ПРА

Возможно создание источников питания ГРЛ с комбинацией полупроводниковых элементов и традиционных ПРА. Например, в емкостно-полупроводниковых ПРА (рис. 14, а) стабилизация средних за период параметров Jл,  осуществляется балластным конденсатором C с реализацией статического режима работы лампы. Полупроводниковый стабилизатор тока служит для улучшения формы тока лампы и, таким образом, осуществляет динамическую стабилизацию ее рабочих параметров. В таких схемах при малых токах весь ток конденсатора проходит через лампу, а при увеличении тока сверх допустимого часть тока конденсатора ответвляется в параллельную ветвь. Также, возможна комбинация емкостного или индуктивного балласта с полупроводниковым балластом непрерывного действия (рис. 14, б) в котором транзистор работает в активной области и ограничивает ток лампы на заданном уровне, т.е. в схеме имитируется принцип работы ГРЛ с активным балластом. Поэтому могут наблюдаться присущие ему недостатки: наличие пауз в токе лампы (рис. 14, в), низкий к.п.д. (60-70%), снижение световой отдачи и срока службы лампы. Если комбинирование происходит с полупроводниковым балластом импульсного действия, то реализуется ключевой режим работы транзистора (рис. 14, г) и ток лампы стабилизируется посредством широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции. При этом, в течение каждого полупериода (рис. 14, д) переменного напряжения лампа несколько раз подключается (при внутреннем сопротивлении балласта примерно равным нулю) и отключается от источника питания. К.п.д. такого аппарата может достигать более 90%. Однако, специфическая форма тока лампы требует изучения световых и эксплутационных характеристик ГРЛ в комбинации с существующими ПРА в таких режимах.

Классификация схем ПРА может быть проведена [21] по различным признакам: по типу токоограничивающего элемента, по условиям зажигания и работы лампы, по типу источника питания, по количеству ламп и другим. Для целей энергосбережения наиболее предпочтительна классификация по типу балласта, так как именно он определяет потери и стабильность параметров лампы. В соответствии с такой классификацией (рис. 15) все ПРА можно разделить на три основные группы: электромагнитные, полупроводниковые и комбинированные. К отдельной группе можно отнести ПРА без токоограничивающего элемента для специальных, так называемых безбалластных, ламп. К электромагнитным ПРА (ЭМПРА) относятся аппараты с реактивными и активными балластами и их комбинациями, причем в основном силовом контуре этих ПРА находятся только токоограничивающие элементы, а источником питания является сеть промышленной или повышенной частоты. В эту группу входят такие традиционные аппараты, как индуктивный и индуктивно-емкостный ПРА, аппараты с трансформатором и автотрансформатором с большим внутренним сопротивлением. Такие ПРА могут быть со стартерным или бесстартерным зажиганием, иметь цепи для предварительного подогрева ЛЛ или цепи мгновенного перезажигания ламп ВД (типа ДРЛ, ДРИ).

Рис.14. Схема емкостно-полупроводникового ПРА (а), схема полупро-водникового балласта непрерывного действия (б) и осциллограммы напряжения и тока на нем (в), схема полупроводникового балласта импульсного действия (г) и осциллограммы напряжения и тока на нем (д)

Рис.15. Классификация ПРА для разрядных ламп  по типу токоограничивающего элемента

Аппараты с резистивными балластами используют при подключении разрядных ламп к сети постоянного тока или промышленной частоты. В них может быть использован балластный резистор или нелинейный резистор (например вольфрамовая спираль ЛН). Резистивные аппараты не получили широкого распространения из-за низкого к.п.д. Однако в настоящие время для КЛЛ находят применение емкостно-резистивные балласты, в которых указанный выше основной недостаток таких ПРА в известной степени нивелирован.

В полупроводниковых ПРА стабилизация тока лампы осуществляется с помощью полупроводниковых элементов, обычно транзисторов. Если в качестве нелинейного сопротивления используется транзистор (рис 16, а), то такая схема удовлетворительно работает на постоянном токе при незначительных колебаниях напряжения источника питания, но на переменном токе наблюдаются большие собственные потери. В импульсных полупроводниковых ПРА, носящих название динамического балласта (рис 16, б), транзистор работает в режиме ключа, и стабилизация тока лампы осуществляется с использованием инерционных свойств плазмы газового разряда. При этом форма напряжений на разрядной лампе изменяется (рис 17, а) так, что при открытом транзисторе (0) напряжение источника питания (), а при закрытом транзисторе () напряжение на лампе равно нулю. Анализ формы тока лампы показывает (рис. 17, б), что за время импульса напряжения ток лампы возрастает от Jo до Jmax, но за время паузы происходит частичная деионизация плазмы, возрастает ее сопротивление и следующий импульс тока опять начинается с Jo.

Рис.16. Схемы нелинейного (а) и импульсного (б) полупроводникового ПРА

В комбинированных ПРА стабилизация тока лампы осуществляется с помощью как реактивных элементов, так и полупроводниковых приборов. Причем, в качестве балластов используются дроссели, конденсаторы, транзисторы, тиристоры и другие полупроводниковые приборы, с большим количеством разнообразных схем. Например, наиболее значительные из них: с высокочастотным (ВЧ) генератором, емкостно-полупроводниковые, индуктивно-полупроводниковые и схемы с преобразованием частоты и формы тока.

Рис.17. Осциллограммы напряжения на лампе (а) и тока лампы (б)  в схеме импульсного полупроводникового ПРА

Все схемы с ВЧ генератором построены практически по единой схеме (рис. 18), в которой питание лампы осуществляется от двух источников питания: силовое – через балласт 1 и повышенной частоты – через балласт 2. Схема с использованием дросселя  в качестве низкочастотного балласта и конденсатора – в качестве высокочастотного (рис. 19, а) нашла применение в светорегуляторах, при работе ламп в условиях пониженного напряжения питания, а также для снижения пульсации светового потока ламп. В схеме комбинированного импульсного ПРА с двумя источниками питания (рис. 19, б) для поддержания разряда в лампе через балласт 2 поступают ионизирующие импульсы тока. Анализ формы напряжения и тока лампы показывает (рис. 20, а, б), что во время импульса () ток лампы поддерживается постоянным (), и за счет ионизации положительного столба разряда сопротивление лампы и напряжение на ней уменьшаются. В интервале  ток ионизирующего генератора i2= 0, и ток лампы определяется только током . В силу того, что напряжение питания меньше напряжения горения разряда, происходит деионизация плазмы столба разряда, и ток постепенно уменьшается до Jmin. Затем подается импульс тока  и все процессы повторяются. В схеме емкостно-полупроводникового ПРА (рис. 21, а) основное падение напряжения происходит на балластном конденсаторе C, что снижает напряжение на стабилизирующем транзисторе VT и тем самым повышает к.п.д. схемы. В индуктивно-полупроводниковом ПРА (рис. 21, б) симметричный тиристор VS шунтирует вспомогательный дроссель , что также обеспечивает повышение стабильности работы лампы и к.п.д. схемы. В настоящее время широко распространяется схема комбинированного ПРА с преобразователем частоты (рис. 22), обеспечивающая питание ЛЛ током повышенной частоты (20÷50 кГц), при этом повышается световая отдача ламп, снижаются размеры балластных дросселей и конденсаторов.

Рис.18. Обобщенная структурная схема комбинированного ПРА  с ВЧ генератором

Рис. 19. Схемы комбинированных ПРА с ВЧ генератором и индуктивным балластом (а) и импульсного с двумя источниками питания (б)

Рис. 20. Осциллограммы напряжения на лампе (а) и тока лампы (б) в комбинированном импульсном ПРА

Схема емкостного ПРА с последовательным полупроводниковым стабилизатором тока на транзисторе (рис. 23, а) для ламп ЛЛ мощностью 20 Вт (при емкости балластного конденсатора 6,8 мкФ) обеспечивает следующие параметры: ток - 0,428 А; потребляемая мощность - 38 Вт; амплитуда тока лампы - 0,5; к.п.д. ПРА - 54,6%; коэффициент амплитуды тока - 1,17. Такая схема обладает достаточно низким к.п.д. и обеспечивает большие пульсации светового потока лампы. В полупроводниковых ПРА стабилизация средних за период параметров осуществляется, в основном, балластным конденсатором С, который обеспечивает статическую стабилизацию режима лампы. В то же время полупроводниковый стабилизатор тока служит для улучшения формы тока лампы и, таким образом, осуществляет динамическую стабилизацию режима.

В схеме емкостного ПРА с параллельным полупроводниковым стабилизатором (рис. 23, б) при малых токах весь ток конденсатора проходит через лампу. При увеличении тока сверх допустимого, прохождение части тока от конденсатора осуществляется в параллельную ветвь. Такая схема обладает несколько лучшими технико-экономическими показателями, однако и в ней пульсации светового потока находятся на уровне 30%.

Рис.21. Схемы полупроводниковых комбинированных ПРА: а - емкостного; б – индуктивного (СУ – система управления)

Рис.22. Схема комбинированного резонансного ПРА с преобразователем частоты (ПЧ)

Рис.23. Схемы емкостного ПРА с полупроводниковым стабилизатором тока: а – последовательная на транзисторе; б - параллельная полумостовая; в – трехфазная

Для снижения пульсаций и повышения технико-экономических показателей емкостных полупроводниковых ПРА целесообразно применять двух- и трехфазное питание. Например, в схеме трехфазного ПРА с полупроводниковым стабилизатором тока (а.с. 738199 СССР, HO5B 41/39, опубл. 1980) трехфазный мостовой выпрямитель  (рис. 23, в) создает постоянное выпрямленное напряжение . Для статической стабилизации режима разрядной лампы в фазные провода включены балластные конденсаторы  и. Выпрямленное напряжение  мостовой коммутатор К подается на лампу, включенную последовательно с полупроводниковым стабилизатором тока , который осуществляет динамическую стабилизацию тока лампы. При этом через лампу протекает ток почти прямоугольной формы и некоторое снижение тока происходит лишь в момент коммутации. Питание лампы током прямоугольной формы обеспечивает следующее: 1) малые пульсации светового потока лампы, так как в ней поддерживается стационарный режим разряда; 2) напряжение на лампе в течение всего периода горения остается постоянным; 3) напряжение перезажигание примерно равно среднему напряжению горения, так как в течение короткого времени коммутации в лампе не успевает произойти заметная деионизация столба разряда, что особенно важно для ламп типа ДРЛ, у которых в период разгорания в индуктивных ПРА, напряжение перезажигания может в несколько раз превосходить напряжение горения; 4) подача на цепь лампа-стабилизатор напряжения почти прямоугольной формы позволяет существенно снизить действующее эквивалентное напряжение на уровне (1,1÷1,2) от  и, тем самым, уменьшить потери мощности в стабилизаторе тока . Для примера приведем параметры для лампы типа ДРЛ 125 при питании, соответственно, от трехфазного емкостного ПРА с полупроводниковым стабилизатором тока и от индуктивного ПРА: ток лампы (А)-1,13; 1,25; амплитуда тока лампы (А)-1,22; 2,00; потребляемая мощность (Вт)- 135; 143; к.п.д. ПРА (%)- 93; 87; коэффициент пульсации (%)- 9; 63. Трехфазный аппарат обладает более высоким к.п.д. и обеспечивает существенное снижение пульсаций светового потока по сравнению с индуктивным ПРА. В трехфазной схеме стабилизатор тока поддерживает практически постоянным ток через лампу, поэтому ток выпрямителя также может быть принят постоянным.

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7