ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЙ АППАРАТ ДЛЯ ПИТАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМП

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании электронных пускорегулирующих аппаратов (балластов) для питания газоразрядных ламп, в частности, натриевых и металл-галогенных ламп высокого давления, применяемых, например, для освещения дорог, больших площадей и в тепличном хозяйстве.
Известен электронный пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп от сети переменного тока (в частности - натриевой лампы высокого давления), содержащий корректор коэффициента мощности на базе выпрямителя, повышающего широтно-импульсного модулятора (ШИМ) с электронным ключом и сглаживающего электролитического конденсатора, полумостовой инвертор напряжения на базе двух электронных ключей и конденсаторного делителя напряжения, трансформатор высоковольтного поджига, схему поджига на базе емкостного накопителя и разрядного электронного ключа (триака), а также схему управления(А. Евстифеев, Особенности построения балластов для ламп высокого давления. Силовая электроника, №3,2008 г., стр.132-136, рис.4- нижняя часть, рис.6, и рис.10).
Недостатком этого устройства является низкая надежность из-за использования шести электронных ключей и наличия электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой энергоемкостью, требующего термостабилизации при широком диапазоне температур окружающей среды. Если заменить указанный электролитический конденсатор пленочным, то из-за сложности обеспечения приемлемых массо-габаритных его параметров будет необходимо во много раз снизить его энергоемкость, т.е. увеличить глубину пульсаций, а следовательно - величину реактивной мощности, что также ведет к снижению надежности.
Известен электронный пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп от сети переменного тока (в частности - металл-галогенной лампы высокого давления), содержащий корректор коэффициента мощности на базе выпрямителя, повышающего широтно-импульсного модулятора с электронным ключом и сглаживающего электролитического конденсатора, понижающий преобразователь с электронным ключом, мостовой инвертор напряжения на базе четырех электронных ключей, схему высоковольтного поджига и схему управления (см. там же, рис.4 - верхняя часть, рис.10, рис.12).
Недостатком указанного устройства являются низкая надежность и низкий КПД из-за сложности тройного преобразования энергии, а также из-за наличия электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой энергоемкостью, требующего термостабилизации при широком диапазоне температур окружающей среды, с учетом зимних и летних условий, а также близости раскаленной лампы.
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является последний из указанных известных электронных пускорегулирующих аппаратов для питания газоразрядных ламп от сети переменного тока.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является снижение числа электронных ключей, исключение электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой энергоемкостью или заменяющего его высокочастотного конденсатора с большой реактивной мощностью и упрощение схемы управления.
Техническим результатом предложения является повышение надежности устройства.
Указанный результат обеспечивается благодаря тому, что в электронном пускорегулирующем аппарате для питания газоразрядных ламп, содержащем схему управления, входные выводы которой соединены с датчиками тока и напряжения питания, выпрямитель, дроссель, первый конденсатор, однофазный мостовой инвертор, управляющие выводы которого подключены к выходным выводам схемы управления, и блок поджига с трансформатором поджига, вторичная обмотка которого включена между первым выводом для подключения лампы и первым выводом выходной диагонали инвертора, а выводы входной диагонали инвертора через дроссель подключены к выходным выводам выпрямителя, дроссель выполнен с двумя магнитно-связанными обмотками, разноименные первые выводы которых подключены к соответствующим выходным выводам выпрямителя, а вторые - к выводам входной диагонали инвертора, а второй вывод выходной диагонали через первый конденсатор подключен к входному выводу выпрямителя, один из входных выводов которого соединен со вторым выводом для подключения лампы, а также благодаря тому, что первичная обмотка трансформатора поджига через второй конденсатор включена между первым выводом выходной диагонали инвертора и вторым выводом для подключения лампы, и кроме того благодаря тому, что схема управления содержит импульсный корректор коэффициента мощности, выполненный с возможностью на первом интервале периода импульсной модуляции обеспечить включение по меньшей мере одной из двух пар смежных ключей инвертора, а на втором - включение одной из двух диагональных пар его ключей, в соответствии с двумя полупериодами напряжения питания.
Дополнительным техническим результатом предложения являются повышение КПД устройства за счет снижения реактивной мощности в его выходной цепи, а также снижение помехоизлучения и повышение электробезопасности за счет заземления лампы и корпуса устройства.
Лабораторные испытания макета устройства и исследования на компьютерной модели подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного электронного пускорегулирующего аппарата для питания газоразрядных ламп от сети переменного тока.
На фиг.1 приведена принципиальная схема известного электронного пускорегулирующего аппарата для питания газоразрядных ламп, принятого за прототип.
На фиг.2 приведена принципиальная схема предлагаемого электронного пускорегулирующего аппарата для питания газоразрядных ламп.
Пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп от сети переменного тока, рассматриваемый в качестве прототипа (фиг.1), содержит: выпрямитель 1, дроссель 2, первый конденсатор 3, однофазный мостовой инвертор с ключами 4, 5, 6, 7, блок поджига 8 с трансформатором поджига 9 и вторым конденсатором 10 и схему управления 11. Первичная обмотка трансформатора поджига соединена с выходными выводами генератора импульса поджига. Входные выводы схемы управления подключены к выходным выводам датчика тока 12 питания и датчика напряжения 13 питания, установленных в цепях выпрямителя, имеющего входные выводы 14, 15 для подключения питания. Выходные выводы схемы управления подключены к управляющим выводам схемы поджига и электронных ключей инвертора. Вторичная обмотка трансформатора поджига включена между первым выводом 16 для подключения лампы и первым выводом выходной диагонали инвертора.
Предлагаемый пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп от сети переменного тока, как и прототип (фиг.2), содержит: выпрямитель 1, дроссель 2, первый конденсатор 3, однофазный мостовой инвертор с ключами 4, 5, 6, 7, блок поджига 8 с трансформатором поджига 9 и вторым конденсатором 10 и схему управления 11. Входные выводы схемы управления подключены к выходным выводам датчика тока 12 питания и датчика напряжения 13 питания, установленных в цепях выпрямителя, имеющего входные выводы 14,15 для подключения питания. Выходные выводы схемы управления подключены к управляющим выводам электронных ключей инвертора. Вторичная обмотка трансформатора поджига включена между первым выводом 16 для подключения лампы и первым выводом выходной диагонали инвертора.
В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве дроссель выполнен с двумя магнитно-связанными обмотками. Разноименные первые выводы обмоток дросселя подключены к соответствующим выходным выводам выпрямителя, один из входных выводов которого соединен со вторым выводом 17 для подключения лампы.
Вторые выводы обмоток дросселя подключены к выводам входной диагонали инвертора. Один из входных выводов выпрямителя подключен через первый конденсатор 3 - ко второму выводу выходной диагонали инвертора. На фиг.2 пунктиром показан второй вариант возможного включения первого конденсатора 3.
Все электронные ключи или по меньшей мере ключи одной из стоек инвертора выполнены однонаправленными т.е. с односторонней проводимостью, например, на базе транзистора с последовательным диодом или запираемого тиристора. Второй вывод для подключения лампы 17 вместе с одним из выводов питания 15, а также вместе с корпусом устройства заземлены Трансформатор поджига 9 выполнен по схеме автотрансформатора, первичная обмотка которого через второй конденсатор 10 включена между первым выводом первой выходной диагонали инвертора и вторым выводом 17 для подключения лампы. Благодаря этому из блока поджига 8 исключен генератор импульса поджига с дополнительным электронным ключом (триаком) (фиг.1).
В отличие от прототипа (фиг.1), в котором имеется дополнительный одиночный ключ, выполняющий роль повышающего широтно-импульсного модулятора для коррекции коэффициента мощности, эту роль выполняют ключи инвертора. Для этого широтно-импульсный корректор коэффициента мощности схемы управления 11 выполнен с возможностью на первом интервале периода импульсной модуляции обеспечить включение трех или четырех ключей инвертора, а на втором - включение одной из двух диагональных пар ключей 5, 6 или 4, 7, в соответствии с двумя полупериодами переменного напряжения питания, а именно: при положительном потенциале на выводе 14 - включение пары ключей 5, 6, а при отрицательном - включение пары ключей 4, 7.
Функция первого конденсатора 3 заключается в периодическом накоплении энергии рассеяния обмоток дросселя 2 и последующей рекуперации этой энергии в цепи тех же обмоток. Так как числа витков обмоток дросселя совпадают, то дроссель может быть выполнен с коэффициентом связи, близким к единице т.е. с малыми индуктивностями рассеяния (при намотке двойным проводом). Поэтому величина первого конденсатора 3 может быть минимальной. Функцию генератора высоковольтного импульса поджига выполняют тот же первый конденсатор 3 и ключи инвертора, которые позволяют разряжать первый конденсатор 3 на второй 10 через первичную обмотку трансформатора поджига. Второй конденсатор 10-замыкает цепь тока самого импульса, пробивающего газовый промежуток лампы.
Предлагаемый электронный пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп работает следующим образом. В исходном состоянии все электронные ключи заперты, входные выводы выпрямителя 14, 15 подключены к сети переменного тока, а выводы 16, 17 подключены к газоразрядной лампе.
1
1
max
Рассмотрим полупериод сетевого напряжения, при котором на выводе питания 14 имеется положительный потенциал относительно заземленного вывода 15. При напряжении сети, близком к амплитудному (например, 300 В) по команде схемы управления 11 включаются все электронные ключи 4, 5, 6, 7 инвертора, замыкая накоротко вторые разноименные выводы двух обмоток дросселя 2 и подключая к его второй обмотке незаряженные конденсаторы 3 и 10. За время At включенного состояния всех ключей в пределах периода ΔT высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) суммарное потокосцепление Ψ дросселя 2 возрастает на некоторую величину ΔΨ за счет питания от сети. При этом первый и второй конденсаторы (3, 10) заряжаются до напряжения, равного половине амплитудного (150 В) - при этом потенциалы их правых обкладок положительны. В момент Δt ключи 5,6 запираются, а ключи 4, 7 остаются включенными. Суммарное потокосцепление ΔΨ обмоток дросселя 2 не может скачкообразно снизиться (согласно закону коммутации), это приведет к тому, что первый конденсатор 3 дозарядится по цепи 2-4-3-15-14-1-2, а второй конденсатор 10 перезарядится по цепи 2-1-17-10-9-7-2 (потенциал его левой обкладки станет положительным). При этом суммарное потокосцепление дросселя уменьшится незначительно, т.к. электроемкости конденсаторов относительно малы. В момент ЛТ вновь включаются все ключи инвертора. Так как последовательные диоды в ключах 4 и 7 до этого проводили ток в прямом направлении, то в течение некоторого короткого промежутка времени благодаря рассасыванию носителей эти диоды будут иметь высокую инверсную проводимость. Поэтому к первичной обмотке трансформатора поджига 9 (правый виток) мгновенно приложится напряжение, равное сумме напряжений конденсаторов 3 и 10. На вторичной обмотке трансформатора поджига 9 индуцируется короткий высоковольтный импульс (более 2 кВ), приводящий к пробою рабочего промежутка газоразрядной лампы. При этом ток пробоя замыкается по цепи 9-10-17-16-9 и будет иметь колебательный высокочастотный характер. После пробоя ток лампы подержится с помощью верхней обмотки дросселя 2 по цепи 14-1-2-6-9-16-17-15, повышая его суммарное потокосцепление до величины ΔΨ Далее опять включаются ключи 5,6, после чего ток лампы обеспечивается за счет нижней обмотки дросселя по цепи 2-1-17-16-9-7-2. Конденсатор 3 дозаряжается по цепи 2-4-3-1-2.
Далее указанные процессы (кроме поджига) периодически повторяются в пределах данного «положительного» полупериода сетевого напряжения.
max
min
При этом с помощью обратных связей, осуществляемых датчиками тока 12 и напряжения 13, производится коррекция коэффициента мощности, потребляемой от сети, путем синусного формирования среднеимпульсного значения входного тока выпрямителя за счет регулирования соотношения ΔΨ и ΔΨ и его синхронизации с напряжением сети. Если напряжение сети меньше, чем приблизительно удвоенное напряжение перезажигания лампы прямой ток (от 16 к 17 на фиг.2) протекать не будет на данном полупериоде сетевого напряжения.
На втором полупериоде сетевого напряжения - с отрицательным потенциалом на выводе питания 14 - на первом интервале Δt периода ΔТ модуляции также включаются все электронные ключи, замыкая вторые выводы дросселя 2 и подключая к его первой обмотке заряженный первый конденсатор 3. Через промежуток времени Δt ключи 4,7 запираются, а ключи 5,6 - остаются включенными. Ток лампы протекает по цепи 2-6-9-16-17-1-2 в обратном направлении. При этом также производится ШИМ-регулирование входного тока выпрямителя с целью повышения коэффициента мощности, потребляемой от сети.
Вышеуказанные процессы могут осуществляться в режимах непрерывного или прерывистого суммарного потокосцепления дросселя 2, в зависимости от его массо-габаритных характеристик. Роль первого и второго конденсаторов 3 и 10 сводится к поджигу лампы и к защите транзисторов 4,5,6,7 от перенапряжений при их запирании, возникающих из-за индуцирования ЭДС в индуктивностях рассеяния обмоток дросселя 2. При этом массо-габаритные параметры этих конденсаторов определяются, в основном, качеством намотки обмоток дросселя - коэффициентом связи (близком к 1 при намотке двойным проводом).
Таким образом, в отличие от прототипа, заявляемая полезная модель имеет меньшее число ключей, более простую схему управления, не содержит нетермостойкого электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой электроемкостью или пленочного конденсатора с большой реактивной мощностью, благодаря чему достигается основной технический результат - повышение надежности устройства. Кроме того, достигается дополнительный технический результат - повышение КПД устройства за счет снижения реактивной мощности в его выходной цепи, а также снижаются помехоизлучения и повышается электробезопасность за счет заземления лампы и корпуса устройства.