ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЙ АППАРАТ ДЛЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМП

Полезная модель относиться к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании электронных пускорегулирующих аппаратов (электронных «балластов») для питания газоразрядных ламп, в частности, ламп высокого давления: натриевых и металл-галогенных, например, для освещения дорог, больших площадей, и в тепличном хозяйстве, а также флуоресцентных ламп.
Известен электронный пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп (в частности - флуоресцентной), содержащий импульсный корректор коэффициента мощности на базе выпрямителя, повышающего широтно-импульсного модулятора с электронным ключом и сглаживающего электролитического конденсатора, резонансный одноактный инвертор на базе двух электронных ключей и L-C-контура и схему управления (А.Евстифеев. Особенности построения балластов для ламп высокого давления, Силовая электроника, №3, 2008 г. стр.132-136, рис 11.).
Недостатком известного электронного пускорегулирующего аппарата для питания газоразрядных ламп, являются его неприменимость для питания газоразрядных ламп высокого давления (натриевых и металл-галогенных) из-за отсутствия отдельной схемы высоковольтного поджига (на 2-4 кВ), а также низкие надежность и срок службы из-за наличия электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой электроемкостью и невозможности заземления выходного зажима для питания лампы (при заземленной питающей сети).
Известен электронный пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп (в частности - металл-галогенной лампы высокого давления), содержащий выпрямитель, импульсный корректор коэффициента мощности на базе 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 поджига и схему управления (см. там же, рис.4 - верхняя часть, рис 10 и рис 12)
Недостатком известного электронного пускорегулирующего аппарата для питания газоразрядных ламп являются нерациональность его использования для питания
натриевых ламп высокого давления и флуоресцентных ламп низкого давления из за сложности тройного преобразования энергии, а также низкие надежность и срок службы из-за наличия электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой электроемкостью, требующего термостабилизации, и невозможности заземления выходного зажима для питания лампы.
Известен электронный пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп (в частности натриевой лампы высокого давления), содержащий двухполупериодный мостовой выпрямитель с выходным емкостным фильтром, импульсный корректор коэффициента мощности с электронным ключом, дросселем и диодами, полумостовой инвертор с двумя электронными ключами (транзисторами), схему поджига с трансформатором, конденсатором и генератором импульсов, состоящим из емкостного накопителя, зарядного резистора и электронного ключа, а также схему управления электронными ключами с цепями обратных связей по входным и выходным токам и напряжениям (см. там же, рис.4 - нижняя часть, рис.6 рис.10).
Недостатком известного электронного пускорегулирующего аппарата для питания газоразрядных ламп являются низкие надежность и срок службы из-за наличия электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой электроемкостью, требующего термостабилизации (для предотвращения полного выключения горячей лампы высокого давления при синусоидальной форме сетевого напряжения) и невозможности заземления выходного зажима для питания нагрузки, а также нерациональность его использования для питания относительно низковольтных металл-галогенных ламп высокого давления из-за отсутствия понижающего преобразователя, что сужает функциональные возможности устройства.
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является последний из перечисленных известных электронных пускорегулирующих аппаратов для питания газоразрядных ламп.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является исключение электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой электроемкостью, обеспечение возможности заземления выходного зажима для подключения лампы (вне зависимости от заземления питающей сети), исключение сквозных и инверсно-диодных сверхтоков и расширение диапазона выходного напряжения устройства, например, при его применении для питания относительно низковольтных метал-галогенных ламп высокого давления.
Техническим результатом предложения является повышение надежности, срока службы и расширение функциональных возможностей устройства.
Указанный результат обеспечивается благодаря тому, что в электронном пускорегулирующем аппарате для питания газоразрядных ламп, содержащем двухполупериодный выпрямитель с выходным емкостным фильтром, импульсный корректор коэффициента мощности с первым электронным ключом, дросселем, первым и вторым диодами, полумостовой инвертор со вторым и третьим электронными ключами, зашунтированными соответствующими обратными третьим и четвертым диодами, схему поджига с трансформатором, конденсатором и генератором импульсов, состоящим из емкостного накопителя, зарядного резистора и четвертого электронного ключа, а также схему управления, выходные выводы которой подключены к управляющим выводам всех электронных ключей, а входные - к цепям обратных связей по потребляемым от зажимов питания и зажимов нагрузки токам и напряжениям на этих зажимах, причем первый электронный ключ, включенный в проводящем направлении, своим первым силовым выводом соединен с первым выходным выводом выпрямителя, а вторым - с первым выводом первого диода, включенного в непроводящем направлении, и с первым крайним выводом первой обмотки дросселя, второй крайний вывод которой соединен с первым выводом второго диода, включенного в проводящем направлении, второй и третий электронные ключи, соединенные между собой последовательно - согласно, своими свободными выводами подключены к крайним выходным выводам импульсного корректора коэффициента мощности, а общей точкой через вторичную обмотку трансформатора - к первому зажиму нагрузки и через конденсатор - ко второму зажиму нагрузки, а первичная обмотка трансформатора подключена к выходным выводам генератора импульсов, входные питающие выводы которого подключены к зажимам питания, выпрямитель выполнен полумостовым со средней точкой выходного емкостного фильтра, в импульсный корректор коэффициента мощности введены пятый электронный ключ, пятый и шестой диоды, в дроссель введена вторая-обмотка, первый крайний вывод которой через пятый электронный ключ, включенный в проводящем направлении, соединен со вторым выходным выводом выпрямителя и со вторым выводом первого диода, а через пятый диод - с общей точкой первого выходного вывода выпрямителя и первого силового вывода первого электронного ключа, а второй крайний вывод которой через шестой диод подключен ко второму выводу второго диода и ко второму зажиму нагрузки, соединенному также со средней точкой выходного емкостного фильтра выпрямителя, причем в качестве крайних выходных выводов импульсного корректора коэффициента мощности использованы промежуточные выводы соответствующих обмоток дросселя, а также благодаря тому, что зажим питания, соединенный со средней точкой выходного емкостного фильтра выпрямителя, заземлен, а в качестве второго и
третьего электронных ключей использованы тиристоры, включенные в непроводящие направлении относительно выходной полярности выпрямителя.
Дополнительным техническим результатом предложения являются повышение КПД устройства за счет снижения реактивной мощности в его выходной цепи, а также снижение помехоизлучения за счет заземления лампы вместе с корпусом устройства и за счет исключения сквозных и инверсно-диодных сверхтоков.
Лабораторные испытания подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного электронного пускорегулирующего аппарата для питания газоразрядных ламп.
На фиг. приведена принципиальная схема силовой части предлагаемого электронного пускорегулирующего аппарата для питания газоразрядных ламп.
Электронный пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп содержит двухполупериодный выпрямитель 1 с выходным емкостным фильтром, импульсный корректор коэффициента мощности 2 на базе двух электронных ключей, двухобмоточного дросселя и четырех диодов, полумостовый инвертор 3 с двумя электронными ключами (тиристорами), зашунтированными обратными диодами, схему поджига с трансформатором 4, конденсатором 5 (с относительно малой емкостью) и генератором импульсов 6, состоящим из вспомогательного выпрямителя, емкостного накопителя, зарядных резисторов и электронного ключа (симистора), а также схему управления 7. Выходные выводы схемы управления подключены к управляющим выводам всех электронных ключей, а входные - к цепям (датчикам) обратных связей по потребляемым от зажимов питания 8, 9 и зажимов нагрузки 10, 11 токам и напряжениям на этих зажимах. Первый электронный ключ 12, включенный в проводящем направлении, своим первым силовым выводом соединен с первым выходным выводом выпрямителя, а вторым - с первым выводом первого диода 13, включенного в непроводящем направлении, и с первым крайним выводом первой обмотки 14 дросселя, второй крайний вывод которой соединен с первым выводом второго диода 15, включенного в проводящем направлении. Второй 16 и третий 17 электронные ключи, соединенные между собой последовательно - согласно, своими свободными выводами подключены к крайним выходным выводам импульсного корректора коэффициента мощности, а общей точкой через вторичную (высоковольтную) обмотку трансформатора - к первому зажиму нагрузки и через конденсатор - ко второму зажиму нагрузки. Первичная (низковольтная) обмотка трансформатора подключена к выходным выводам генератора импульсов, входные питающие выводы которого подключены к зажимам питания. В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве выпрямитель выполнен полумостовым со средней точкой
выходного емкостного фильтра. В импульсный корректор коэффициента мощности введены пятый электронный ключ 18, пятый 19 и шестой 20 диоды. В дроссель введена вторая обмотка 21, первый крайний вывод которой через пятый электронный ключ, включенный в проводящем направлении, соединен со вторым выходным выводом выпрямител и со вторым выводом первого диода, а через пятый диод - с общей точкой первого выходного вывода выпрямителя и первого силового вывода первого электронного ключа. Второй крайний вывод второй обмотки дросселя через шестой диод подключен ко второму выводу второго диода и ко второму зажиму нагрузки, соединенному также со средней точкой выходного емкостного фильтра выпрямителя и с землей. В качестве крайних выходных выводов импульсного корректора коэффициента мощности использованы промежуточные выводы (отпайки) соответствующих обмоток дросселя. Следует также отметить, что в отличие от прототипа, второй и третий электронные ключи (тиристоры) включены в непроводящем направлении относительно выходной полярности выпрямителя.
Электронный пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп работает следующим образом. В исходном состоянии емкостный накопитель схемы поджига 6 заряжен от питающей сети через собственный выпрямитель и балластные токоограничители зарядные резисторы. По команде поджига с выходного вывода схемы управления 7 включается четвертый электронный ключ (симистор), вызывая разрядку емкостного накопителя на первичную (низковольтную) обмотку трансформатора 4 и генерируя тем самым поджигающий импульс напряжения на его вторичной (высоковольтной) обмотке. Этот импульс подводится к газоразрядной лампе через конденсатор 5. Команда поджига может быть периодически повторена несколько раз для надежного зажигания лампы.
Пусть на зажиме питания 8 появляется и синусоидально изменятся (с относительно низкой частотой питающей сети) положительный потенциал относительно заземленного зажима питания 9. Электронные ключи 12 и 18 работают в режиме относительно высокочастотной широто-импульсивной модуляции, причем противофазно и с регулируемым взаимным сдвигом. Закон управления ключом 12 при этом соответствует синусоидальному изменению среднеимпульсного значения тока, потребляемого от питающей сети, синхронно с напряжением, т.е. с коэффициентом мощности cosφ=1. В указанном полупериоде сетевого напряжения ключ 16 постоянно открыт, а ключ 17 закрыт. Возможны два «макроэтапа» преобразования:
п
з
1) модуль мгновенного значения питающего сетевого напряжения |U| не превышает модуля напряжения зажигания лампы |U|, умноженного на коэффициент трансформации
п
з
напряжения обмотки дросселя K=N/N'>1, где N-полное число витков обмотки дросселя, N'- число витков, охватываемых цепью нагрузки, т.е. |U|>|U|·K;
п
з
2) этап с обратным соотношением: |U|>|U|·К.
На первом этапе при отпирании ключа 12 происходит нарастание тока обмотки 14 дросселя по цепи 1-12-14-15-1, а после его запирания - либо спадание полного потокосцепления дросселя при спадании тока по цепи лампы 14-15-10-11-4-16-14, если ключ 18 закрыт, либо приближенное сохранение этого потокосцеплении (а, следовательно и накопленной энергии магнитного поля) при протекании тока по замкнутому накоротко контору 14-15-20-21-18-13-14, если ключ 18 открыт.Заметим, что все указанные процессы переключения происходят в соответствии с известным законом сохранения суммарного потокосцепления для цепей со взаимоиндуктивностями. При этом с помощью регулирования интервала открытого состояния ключа 18 используется возможность, не вмешиваясь в закон управления ключом 12, осуществляющем коррекцию коэффициента мощности, потребляемой из сети, и регулирование ее среднего значения, производить нужное перераспределение потребляемой из сети энергии между накоплением магнитной энергии в дросселе и расходованием энергии в лампе. Аналогичное двухканальное управление производится в устройстве - прототипе (управление корректором и инвертором). Указанные процессы многократно повторяются с частотой ШИМ-управления ключами 12 и 18.
На втором этапе при отпирании ключа 12 диод 15 запирается обратным напряжением, определяемым разностью между ЭДС самоиндукции нижней части обмотки 14 и напряжением зажигания лампы. Поэтому ток в верхней части обмотки 14 нарастает по цепи 1-12-14-3-4-11-10-1. После запирания ключа 12 происходят уже упомянутые выше либо спадание полного потокосцепления дросселя при спадании тока по цепи лампы 14-15-10-11-4-16-14, если ключ 18 закрыт, либо приближенное сохранение этого потокосцепления при протекании тока по контуру 14-21-18-13-14, если ключ 18 открыт. Указанные процессы также многократно повторяются с частотой ШИМ-управления ключами 12 и 18.
Качественная разница процессов на указанных «макроэтапах» каждого из полупериодов сетевого напряжения состоит в том, что на первом этапе ток лампы является однополярно-пульсирующим (от 10 к 11), а на втором - импульсно-переменным. Однако постоянная составляющая тока лампы отсутствует, т.к. на следующем полупериоде сетевого напряжения все процессы будут аналогичными, но с противоположными полярностями.
В течение второго полупериода питающего напряжения ключ 17 постоянно открыт, ключ 16 - закрыт, а ключи 18 и 12 работают в режиме относительно высокочастотной широтно-импульсной модуляции, причем противофазно и с регулируемым взаимным сдвигом (по аналогии с первым полупериодом питающего напряжения). Теперь закон управления ключом 18 соответствует синусоидальному изменению среднеимпульсного значения тока, потребляемого от питающей сети, синхронно с напряжением (cosφ≈1), и регулирует среднее значение потребляемой из сети мощности, а закон управления ключом 12 соответствует нужному перераспределению энергии между накоплением магнитной энергии в дросселе и расходованием в лампе.
Отдельно рассмотрим процессы запирания электронных ключей 12 и 18, при которых конденсаторы выходного емкостного фильтра выпрямителя 1 и диоды 13, 14 защищают указанные ключи от перенапряжений, возникающих от ЭДС самоиндукции в индуктивностях рассеяния обмоток дросселя. При запирании ключа 12 энергия индуктивности рассеяния верхней обмотки 14 передается нижнему конденсатору емкостного фильтра по цепи 14-15-1-13-14, либо по цепи 14-3-4-11-10-1-13-14, а при запирании ключа 18 энергия индуктивности рассеяния нижней обмотки 21 передается верхнему конденсатору емкостного фильтра по цепи 21-19-1-20-21, либо по цепи 21-19-1-10-11-4-3-21. Вторые из двух перечисленных пар цепей служат также для сброса электромагнитной энергии обмотки трансформатора 4.
Для исключения погасания лампы в зонах моментов прохождения сетевого тока через ноль, а также для снижения низкочастотных пульсаций светового потока лампы необходимо обеспечить положительное остаточное (минимальное) значение потокосцепления дросселя, т.е. режим непрерывного тока дросселя аналогично обеспечению остаточного напряжения на сглаживающем электролитическом конденсаторе в устройстве-прототипе. Однако в отличие от электролитического конденсатора дроссель не требует термостабилизации для сохранения энергоемкости и имеет практически неограниченный срок службы.
Кроме того, дроссель исключает сквозные и инверсно-диодные сверхтоки при любых возможных сбоях в управлении электронными ключами.