Улучшение характеристик электронного балласта для газоразрядных ламп с частотным управлением мощностью

УДК 621.3.032.4

УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННОГО БАЛЛАСТА ДЛЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМП С ЧАСТОТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ МОЩНОСТЬЮ*

А.Ю. Вставский, Е.В. Вставская, В.И. Константинов, В.В. Хатеева

IMPROVEMENT OF THE ELECTRONIC BALLAST CHARACTERISTICS FOR GAS-DISCHARGE LAMPS WITH FREQUENCY POWER CONTROL

A.Y. Vstavskiy, E.V. Vstavskaya, V.l. Konstantinov, V.V. Khateeva

В статье рассматриваются вопросы улучшения характеристик электронного балласта для газоразрядных ламп на основе моделирования электромагнитных процессов в устройстве, применения методов частотного управления выходной мощностью и учета влияния деградации характеристик лампы на режимы работы электронного устройства.

Ключевые слова: ЭПРА, частотное управление, моделирование, учет деградации характеристик.

Improvement of an electronic ballast characteristics for gas-discharge lamps on the basis of modelling of electromagnetic processes in the device, applications frequency power control methods and the account of influence of lamp characteristics degradation on operating modes of the electronic device are considered.

Keywords: HID-ballast, frequency power control, lamp characteristics degradation.

Введение

Газоразрядная лампа высокого давления на текущий момент является наиболее эффективным осветительным прибором благодаря высоким характеристикам удельной отдачи (люмен/ватт) и относительно низкой цене. Однако обеспечение длительного и надежного функционирования лампы связано с поддержанием ее эксплуатационных характеристик в требуемом диапазоне значений, что не всегда обеспечивается при использовании простейших балластных устройств [1,2].

Современные электронные балласты позволяют, с одной стороны, благодаря наличию корректора коэффициента мощности (ККМ) обеспе-

чить близкое к единице значение СОЭф, с другой стороны обеспечить зажигание лампы и формирование требуемого режима горения за счет частотного управления коммутацией ключей полумосто-вого инвертора (ПМИ) с ЬС фильтром. Структурная схема балластного устройства, реализующего указанную функцию, представлена на рис. 1.

1. Описание схемы замещения колебательного контура

Эксплуатационной функцией ККМ является формирование на выходном фильтре постоянного по величине напряжения при соблюдении потребляемым током формы напряжения питающей сети.

* Работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Вставский Анатолий Юрьевич - инженер кафедры автоматики и управления ЮУрГУ; tolik@ait.susu.ac.ru

Вставская Елена Владимировна - канд. техн. наук, доцент кафедры автоматики и управления ЮУрГУ; lena@ait.susu.ac.ru

Константинов Владимир Игорьевич - доцент кафедры информационно-измерительной техники ЮУрГУ; kvi@ait.susu.ac.ru

Хатеева Виктория Валерьевна - студентка ЮУрГУ; lena@ait.susu.ac.ru

Vstavskiy Anatoliy Yurievich - engineer of Automation and Control Department of SUSU; tolik@ait.susu.ac.ru

Vstavskaya Elena Vladimirovna - PhD, assistant professor of Automation and Control Department of SUSU; lena@ait.susu.ac.ru

Konstantinov Vladimir Igorevich - assistant professor of Equipment for Information and Measuring Department of SUSU; kvi@ait.susu.ac.ru

Khateeva Victoria Valerievna - student of SUSU; lena@ait.susu.ac.ru

Рис. 1. Структурная схема балластного устройства:

ККМ - корректор коэффициента мощности; ПМИ - полумостовой инвертор; СУ - система управления

Структурно он построен по схеме повышающего преобразователя напряжения, выходной фильтр представлен последовательным соединением конденсаторов для лучшего согласования с полумос-товым инвертором.

Полумостовой инвертор резонансного типа реализует частотное управление током нагрузки за счет использования в нагрузочной цепи дросселя Ь2. Наличие конденсатора С2 позволяет обеспечить формирование высоковольтного зажигающего напряжения при работе контура на резонансной гармонике.

Следует отметить, что основной проблемой использования такой схемы электронного балласта является непостоянство электрических характеристик газоразрядной лампы, так как в процессе эксплуатации лампа деградирует. Изменение свойств лампы принято оценивать изменением активного сопротивления газоразрядного столба в режиме горения лампы. Для наиболее популярных ламп (ДНАТ-250) это сопротивление может изменяться от 27 до 104 Ом. Изменение активного сопротивления приводит к изменению электрической мощности, потребляемой лампой, и для ее стабилизации применяется частотное управление коммутирующими ключами.

Для анализа воздействия частоты коммутации и изменяющегося активного сопротивления лампы на энергетические режимы преобразователя построена математическая модель, отражающая работу резонансного колебательного контура на основной гармонике коммутационного напряжения. Схема замещения колебательного контура представлена на рис. 2, где их - входное гармоническое напряжение основной гармоники входного коммутационного напряжения; иг - напряжение на газоразрядной лампе; С, - эквивалент выходного сопротивления полумостового преобразователя; Ь -токостабилизирующий дроссель; С2 - резонансный поджигательный конденсатор; Я - активное сопротивление газоразрядной лампы.

1с

Рис. 2. Схема замещения колебательного контура

2. Режим работы схемы замещения

Рассматривая режим работы схемы на основной гармонике, имеем:

1

ДІ

и2=иҐ

у'со С2

1 1 • г

+-----------1- ]<йЬ

я\

где Я\

тогда

У со С 2 у со С, Я

уюС2

я

> С2 к+ 1 1 + у'со ЯС2

у'со С2

Я

и2=иу

1 + у'со ЯС2

Я

1

= £/.

1 + у'со ЯС2 у'со С|

Я

+ УС0І

1 + іфКС'у

К + —--------- + (1 + у'е»ЛС2 ) у со!

уюС]

и.

1

і 7

1 + -

^2

Сі

1  1 2ГП

_1---------ь /со---

уютгсі я

= и.

і

і 7

1 + —-со 2ЬС2

+ ]

і 1

со--------

ч Я со ЯСХ у

А.Ю. Вставский, Е.В. Встаеская, В.И. Константинов, В.В. Хатеева

Учитывая, что для гармонического сигнала мощность, выделяемая в активном сопротивлении,

(им)2

Р =--------, можно записать:

2Я 2 РЯ = -

ю2

2РЯ

К)2

(и?)2

1 + ^2.-со2ЬС2 ! + у

Яг

с,

1+^-ю2ьа

с,

' ь 1 Л

СО

Я аЯСх

2 ✓ Л2 Ь 1 Л со------------------

у

V

К со ЯСХ

2РЯ

г

(Г с \ 1+ —

У

Л2

со-со ЬСо

ш

I 1

V

Я ЯСХ

откуда

г с л2 1 + Ь

V У

со2 -2

1 + ^

V Сх,

1С,ю4 +

+(1С2)2(в6 +Г—1 со4 -2—^—со2 + и; Я2С,

1

К)2

ЯСХ) 2РЯ Конечное уравнение:

(1С2)2со6 +

Г с^2 ч С1у

ю2 =0.

( Ь ^2 ( с2л

- —2 1+-1 ьс2

и. 1 Ъ)

ш4 +

(и-)2

Я2СХ 2РЯ

7

СО +

КЯСХ;

= 0.

3. Расчет схемы замещения

При фиксированных параметрах схемы замещения:

Ь = 138-10”6Гн; Сх =210-6Ф;

С2 =3,4-10”9Ф; Р = 250 Вт; игм = 255 В.

Построим характеристику зависимости требуемой частоты коммутации сопротивления (рис. 3).

В табл. 1 представлены численные значения зависимости частоты коммутации от активного сопротивления лампы.

Таблица 1

Зависимость частоты от сопротивления

Я, Ом 27 53 104

/кГц 63,4 80,3 86,2

Для устранения токовой перегрузки преобразователя при низких значениях частоты коммутации ограничим минимальное значение частоты на уровне 57 кГц (рис. 4).

При этом зависимость напряжения на активном сопротивлении лампы от ее сопротивления будет иметь следующий вид:

и,

и;

м

1+£

С,

\2

-(2тг/)2 -1-С2

1

1

271/" -I_____________

Я Ъ$-Я-Сх

В табл. 2 и на рис. 5 представлена зависимость напряжения на газоразрядной лампе от ее сопротивления.

Таблица 2 Зависимость напряжения на лампе от ее сопротивления

Я, Ом 27 53 104

и2,в 116,19 162,79 228,04

Рис. 3. Зависимость частоты коммутации от сопротивления лампы

Рис. 4. Зависимость частоты коммутации с ограничением от сопротивления лампы

Рис. 5. Зависимость напряжения на газоразрядной лампе от ее сопротивления

Ограничение позволяет сформировать ток лампы (рис. 6 и табл. 3):

1 R

Рис. 6. Зависимость тока лампы от ее сопротивления

Таблица 3

Зависимость тока от сопротивления лампы

R, Ом 27 53 104

/, А 3,043 2,172 1,55

Для анализа влияния резонансного конденсатора (С2) на энергетические характеристики лампы, проанализируем зависимость тока через конденсатор от сопротивления лампы (рис. 7):

7 2тif-U2-C2

с~ л

Рис. 7. Зависимость тока через резонансный конденсатор от сопротивления газоразрядной лампы

Отсюда можно сделать вывод, что ток несущественно влияет на характеристику лампы.

Определим зависимость электрической мощности лампы от ее активного сопротивления при постоянной частоте коммутации (рис. 8).

Рис. 8. Погрешность мощности лампы, с фиксированной частотой коммутации

Из графика видно, что за время жизни лампы при фиксированной частоте коммутации ключей ИМИ электрическая мощность лампы изменяется на 30 %, что, с одной стороны, сокращает жизненный цикл лампы за счет перегрузки по мощности, с другой, может считаться объектом энергосбережения, поскольку светотехническое проектирование использования светильников предполагает получение минимально гарантированной световой отдачи, а она меняется с течением времени.

Устранение этого недостатка - построение ПМИ с обратной связью по потребляемой мощности с целью ее стабилизации. В качестве сигнала о текущей потребляемой мощности легко использовать сигнал выходного тока ККМ, поскольку его выходное напряжение фиксировано, а КПД стремится к единице.

Следует отметить, что проведенный электрический анализ по сигналам основной гармоники дает высокую точность определения токов и напряжений, поскольку расчетные и экспериментальные результаты анализа электрических режимов отличаются не более чем на 3 %.

Литература

1. Ben-Yakov, Smuel. Design and Performance of an Electronic Ballast for High-Pressure Sodium (HPS) Lamps / Smuel Ben-Yakov, Michael Gulko // IEEE Transaction on Industrial Electronics. - Aug. 1997. - Vol. 44, № 4.

2. Евстифеев, A.H. Особенности построения балластов для ламп высокого давления / А.Н. Евстифеев // Силовая электроника. - 2008. — №3.

Поступила в редакцию 12 июня 2010 г.