ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ БАЛЛАСТ ДЛЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМП ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
INTELLIGENT ELECTRONIC BALLAST FOR GAS-DISCHARGE HIGH PRESSURE LAMPS

Настоящее изобретение относится к области электротехники и предназначено для использования в качестве балласта газоразрядных ламп высокого давления при питании их током промышленной частоты с напряжением 160-250 В частотой 50÷60 Гц.
Известно, что при питании газоразрядных ламп высокого давления (например, ртутных типа ДРИ или натриевых типа ДНаТ) от промышленной электросети переменного тока напряжением 160÷250 В и частотой 50÷60 Гц используют пускорегулирующие аппараты (ПРА) [1].
Традиционные электромагнитные ПРА содержат токоограничивающий реактор (электромагнитный дроссель), последовательно включенный с лампой, и устройство поджига, формирующее высоковольтные импульсы для зажигания разряда.
Использование таких ПРА приводит к следующим недостаткам:
- мерцание;
- нестабильность мощности и светового потока лампы при колебаниях напряжения в электросети;
- низкий коэффициент мощности;
- большая масса токоограничивающего реактора ПРА, в том числе наличие отдельного блока импульсного запуска и необходимость применения дополнительного конденсатора большой емкости для улучшения коэффициента мощности;
- отсутствие возможности управления световым потоком.
Эти недостатки устраняются при использовании для питания ламп электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА), другое распространенное название которых - электронные балласты (ЭБ) [2].
Применение ЭПРА, в частности, обеспечивает:
- высокий коэффициент мощности (cosφ=0,98-0,99);
- отсутствие низкочастотной пульсации светового потока;
- больший срок службы лампы, обусловленный возможностью контролировать мощность (так называемый «мягкий» старт), и стабилизация мощности на лампе при ее старении;
- возможность регулировки мощности;
- высокий КПД (до 95%);
- на порядок меньшие массогабаритные параметры.
Известен электронный балласт, который содержит:
двухполупериодный выпрямитель, подключенный к источнику питания, преобразователь повышенной частоты тока, электронный пускорегулятор с устройством поджига, входной помехоподавляющий фильтр, устройство защиты от перенапряжения на основе варистора, выпрямитель, предназначенный для подключения устройства к источнику переменного тока, корректор коэффициента мощности, предназначенный для формирования тока потребления [3].
Технические характеристики такого электронного балласта полностью соответствуют требованиям отечественных нормативов [4].
К недостаткам такого ЭБ можно отнести следующее:
- ЭБ применим только при питании газоразрядных ламп низкого давления и не может быть использован при питании газоразрядных ламп высокого давления из-за различия в пусковых и рабочих вольт-амперных характеристиках, так как при работе с лампами низкого давления в момент пуска начальное напряжение практически равно или превышает рабочее напряжение, в то время как на газоразрядной лампе высокого давления в момент зажигания напряжение не превышает 10 ÷ 15 В из-за низкого первоначального давления внутри колбы.
Наиболее близким к изобретению является электронный балласт (ЭБ) для газоразрядных ламп высокого давления, который содержит следующие основные узлы: устройство защиты от перенапряжения, помехоподавляющий фильтр, выпрямитель, корректор коэффициента мощности, преобразователь, устройство поджига и устройство управления мощностью [5].
ЭБ выполнен на базе полумостового преобразователя напряжения на силовых МОП-транзисторах (VT2 и VT3), работающих на повышенной частоте модуляции. Для управления силовыми МОП-транзисторами преобразователя используется интегральная микросхема высоковольтного драйвера IR 2155, что обеспечивает надежный запуск, стабильную работу ЭБ в широком диапазоне температур и низкий уровень динамических потерь в транзисторах.
Дискретное управление частотой модуляции преобразователя и, соответственно, током лампы и потребляемой мощностью осуществляется путем изменения емкости времязадающей RC-цепи управляющей микросхемы при помощи ключа S, в цепь которого включен дополнительный конденсатор. Преобразователь обеспечивает питание лампы током повышенной частоты в двух режимах - режиме полной мощности и в режиме энергопотребления на уровне 50% от номинального, что дает адекватное управление яркостью свечения лампы.
Переключение режимов осуществляется при помощи устройства управления мощностью, включающего компаратор, на вход которого поступает выпрямленное сетевое напряжение, селектор импульсов по длительности и запоминающее устройство, управляющее ключом S. При подключении к сети в ЭБ всегда устанавливается режим полной мощности. Команда на переключение режима поступает от станции управления, силовая часть которой представляет собой тиристорный коммутатор, и заключается в прерывании питающего сетевого напряжения на время, равное половине его периода повторения. Управляющее воздействие идентифицируется устройством управления мощностью ЭБ и изменяет состояние запоминающего устройства. Ключ S размыкается, повышая рабочую частоту инвертирования, и ЭБ переходит в режим пониженной мощности. При повторном управляющем воздействии ЭБ возвращается в исходное состояние. Наличие в устройстве управления мощностью селектора импульсов по длительности позволяет исключить ложные срабатывания при сбоях, возникающих в сети.
Применение активного корректора коэффициента мощности решает проблемы совместимости ЭБ с питающей сетью. Корректор выполнен по схеме повышающего импульсного преобразователя на мощном МОП-транзисторе (VT1), управление которого производится от специализированной интегральной микросхемы VC 33262 [6], что обеспечивает энергопотребление с коэффициентом мощности в номинальном режиме на уровне 0,98. Корректор коэффициента мощности формирует квазисинусоидальный ток в реакторе, включенном на выходе выпрямителя, а помехоподавляющий фильтр снижает уровень высокочастотных гармоник в потребляемом токе. Коэффициент мощности имеет высокое значение при всех возможных режимах в диапазоне изменения напряжения 220 В ± 15%. Применение корректора обеспечивает высокую стабильность освещенности при изменении напряжения питающей сети за счет стабилизации напряжения в силовой цепи постоянного тока.
Помехоподавляющий фильтр помимо сглаживания высокочастотных пульсаций потребляемого тока, возникающих при работе активного корректора коэффициента мощности, обеспечивает подавление радиопомех, генерируемых ЭБ. Наличие активного корректора и помехоподавляющего фильтра обеспечивает выполнение стандарта МЭК 555.2, жестко регламентирующего уровень высших гармоник потребляемого из сети тока [7].
На входе помехоподавляющего фильтра включен традиционный узел защиты от сетевых перенапряжений, включающий варистор и предохранитель. Соединенный последовательно с предохранителем терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления ограничивает бросок входного тока при подключении ЭПРА к сети, обусловленный зарядом емкостного фильтра на входе преобразователя.
Зажигание лампы производится путем подачи на ее электроды высокого напряжения. Напряжение, необходимое для зажигания, может быть получено в резонансном контуре или сформировано специальной схемой в виде повторяющихся импульсов. Для надежного зажигания лампы в высокочастотной резонансной схеме требуется напряжение, действующее значение которого превышает 1÷1,2 кВ, что приводит к 3÷4 кратной перегрузке по току по отношению к номинальному току лампы и, как следствие, к увеличению установленной мощности силовых полупроводниковых ключей преобразователя, снижению надежности и дополнительным потерям мощности в режиме холостого хода. Продолжительный режим холостого хода, возникающий при выходе лампы из строя или ее отсутствии, становится практически недопустимым, поэтому для пуска лампы используется импульсная система зажигания.
Устройство поджига выполнено по известной динисторной схеме запуска, формирующей высоковольтные импульсы напряжения с амплитудой 3÷4 кВ. Схема содержит накопительный конденсатор, заряд которого производится через резисторы от шин питания преобразователя. Разряд конденсатора происходит через динистор на дополнительную обмотку реактора, что вызывает формирование на его силовой обмотке высоковольтного импульса напряжения в виде затухающего гармонического сигнала, который через силовые ключи и разделительный конденсатор прикладывается к электродам лампы. После зажигания лампы осцилляция прекращается, поскольку цепь нагрузки изменяет условия заряда конденсатора и не позволяет достигнуть напряжению на нем значения порога срабатывания динистора.
За зажиганием лампы следует относительно длительный (несколько минут) процесс ее разгорания. В течение этого времени напряжение на лампе растет от 20÷30 В до номинального значения, составляющего для ламп ДНаТ мощностью 250 Вт примерно 100 В. Ток ограничивается сопротивлением реактора и его действующее значение не превышает 3,1 А, что составляет 120÷130% его номинального значения. Значение рабочей частоты выбрано вблизи 20 кГц для исключения так называемого акустического резонанса и сопровождающих его явлений: нестабильности светового потока, локального перегрева стенок разрядной трубки, приводящего к возможному ее растрескиванию.
Упомянутый ЭБ полностью соответствует требованиям к электронным пускорегулирующим аппаратам [4] и особенностям ламп высокого давления, являющихся нагрузкой электронного балласта.
К недостатками данного технического решения можно отнести следующее:
- частота работы преобразователя питания лампы фиксирована, что приводит к высокому уровню помех и повышенному пусковому току за счет изменения проводимости лампы в процессе разогрева;
- отсутствуют устройства контроля и диагностики лампы, что приводит к возникновению аварийных режимов при выработке ресурса лампы и при переходных режимах в первичной сети.
При этом могут возникать следующие отказы:
а) высоковольтный пробой изоляции при попытке поджечь горячую лампу и, как следствие, ускоренная выработка ресурса лампы;
б) повышение потребляемой мощности при зазеркаливании лампы (т.е. осаждении на внутренней поверхности колбы лампы тонкого слоя металла из-за эрозии электродов лампы);
в) выход из стоя полумостового преобразователя при обрывах в цепи питания лампы из-за появления режима холостого хода и, как следствие, нарушение режимов работы транзисторов преобразователя;
г) неоднозначность режима управления мощностью при работе нескольких ламп на одной линии питания из-за возможности сбоя триггера устройства управления мощностью.
Задача изобретения:
- снижение энергопотребления лампы до 40%;
- оптимизация режимов работы лампы и тем самым многократное продление срока службы лампы;
- снижение коэффициента пульсаций лампы, что позволяет качественно улучшить условия освещения;
- управление режимами работы лампы как в режиме группового управления, так и в режиме персональной адресации;
- обеспечение режимов удаленной диагностики, автоматизированной калибровки и настройки.
Это достигается за счет того, что в электронном балласте для газоразрядных ламп высокого давления, содержащем последовательно соединенные помехоподавляющий фильтр, устройство защиты от перенапряжения, выпрямитель, корректор коэффициента мощности, полумостовой преобразователь со встроенным генератором переменной частоты, ко входу которого присоединен выход устройства управления мощностью, а к выходу последовательно присоединены первичная обмотка дроссель-трансфоматора, разделительный конденсатор и лампа, причем к первичной обмотке дроссель-трансформатора присоединено импульсное устройство поджига, в устройство управления мощностью дополнительно введен логический блок, вновь введен датчик тока лампы, включенный последовательно с лампой, к общей точке дроссель-трансформатора и разделительного конденсатора присоединен введенный вновь фильтр нижних частот, выход которого соединен со входом генератора переменной частоты и с одним из входов устройства управления мощностью, к общей точке разделительного конденсатора и лампы присоединен введенный вновь детектор напряжения, выход которого соединен со входом генератора переменной частоты и с одним из входов устройства управления мощностью, а также введен детектор тока лампы, вход которого соединен с датчиком тока лампы, а выход - со входом генератора переменной частоты и с одним из входов устройства управления мощностью, выход выпрямителя и выход корректора коэффициента мощности соединены со входом устройства управления мощностью, один из выходов устройства управления мощностью соединен со входом импульсного устройства поджига, выход которого соединен со вторичной обмоткой дроссель-трансформатора, а второй выход устройства управления мощностью соединен со входом управления генератора переменной частоты.
Дополнительно в состав электронного балласта введен двунаправленный модем передачи данных по сетевым проводам, один вход-выход которого соединен с выходом помехоподавляющего фильтра, а другой вход-выход - со входом устройства управления мощностью.
В качестве модема может быть использован двунаправленный радиомодем или модем выделенной линии связи, которые позволяют решать аналогичные задачи управления и передачи информации между ИЭБ и удаленным управляющим устройством.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование в электронных пускорегулирующих аппаратах (ЭПРА) для газоразрядных ламп высокого давления встроенных в устройство управления мощностью логических блоков, контролирующих работу лампы и управляющих режимами ее работы, а также двунаправленных микромодемов, обеспечивающих передачу вырабатываемых ЭПРА сигналов по сетевым проводам на устройство управления мощностью и передачу на вход ЭПРА сигналов управления от удаленного управляющего устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематически представлена заявляемая конструкция интеллектуального электронного балласта, где:
1 - помехоподавляющий фильтр;
2 - устройство защиты от перенапряжения;
3 - выпрямитель;
4 - корректор коэффициента мощности;
5 - генератор переменной частоты;
6 - полумостовой преобразователь;
7 - фильтр нижних частот;
8 - детектор напряжения лампы;
9 - детектор тока лампы;
10 - импульсное устройство поджига;
11 - лампа;
12 - устройство управления мощностью со встроенным логическим блоком;
13 - двунаправленный модем;
L1 - дроссель-трансформатор;
С1 - разделительный конденсатор;
R1 - датчик тока лампы.
При работе с лампами типа ДРИ и ДНаТ работа интеллектуального электронного балласта осуществляется следующим образом.
Устройство управления мощностью 12, в состав которого дополнительно введен логический блок, контролирует выходное напряжение на выходе выпрямителя 3 и при условии, что входное напряжение сети находится в разрешенном рабочем диапазоне напряжений (например, 170 ÷ 240 В, которое устанавливается при настройке логического блока устройства управления мощностью 12), а также выходное напряжение корректора коэффициента мощности 4 находится в рабочем диапазоне (390 В ± 5%, рекомендуемое значение для номинального напряжения 220 В), включает режим зажигания лампы 11, при котором выходная частота полумостового преобразователя 6 максимальная. Далее устройство управления мощностью 12 вырабатывает команду на работу импульсного устройства поджига 10, которое с частотой 10 ÷ 15 Гц через дроссель-трансформатор L1 подает импульсы зажигания на лампу 11. Если лампа загорается, то датчик тока R1 показывает пусковой ток лампы и устройство управления мощностью 12 переходит в режим разогрева лампы. Если после подачи серии из 10 импульсов лампа не загорелась, то устройство управления мощностью 12 дважды через 1 с повторяет попытку зажечь лампу, и если в этом случае лампа не загорается, то дальнейшая работа блокируется до снятия питающего напряжения, а устройство управления мощностью 12 вырабатывает сигнал «неисправность лампы - обрыв или лампа отсутствует», тем самым предохраняя все устройство от постоянно повторяющихся высоковольтных импульсов (для справки: амплитуда импульсов зажигания должна быть не менее 2,5 кВ - для ламп типа ДНаТ, и не менее 1 кВ - для ламп типа ДРИ).
Рассмотрим более детально основные режимы работы интеллектуального электронного балласта.
1. Режим разогрева лампы.
1
2
1
1
1
1
2
2
1
2
1
2
В первоначальный момент после зажигания ламп высокого давления напряжение на лампе не превышает 10 ÷ 15 В и теплопроводность дуги при этом минимальна. В этот момент в зависимости от ориентации горелки происходит неравномерный разогрев электродов лампы и, как следствие, их эрозия. В результате этого явления при одном и том же напряжении на лампе ток лампы I в одной полярности приложенного напряжения не равен току I в другой полярности. В конечном счете заряд Q, внесенный в разделительный конденсатор за время t, равный произведению (t·I), не равен заряду Q, отобранному из разделительного конденсатора за время t, где t и t - длительность положительного и отрицательного периода протекания тока через лампу, при этом происходит перезаряд разделительного конденсатора до тех пор, пока токи не станут равными за счет изменения разности напряжений, приложенных во время положительного и отрицательного периода протекания тока через лампу, т.е. форма напряжения на лампе становится несимметричной, что приводит к еще большему разогреву более нагретого электрода, а также к намагничиванию дросселя и выходу из строя элементов полумостового преобразователя. Для устранения этого явления и введена обратная связь по среднему напряжению на разделительном конденсаторе, которая устанавливает соотношение между длительностью положительного и отрицательного периодов протекания тока через лампу t и t, при котором выполняется условие:
1
1
2
2
t·I=t·I
При этом амплитуда приложенного напряжения к лампе в обеих фазах работы полумостового преобразователя будет одинаковой. По мере разогрева лампы температура выравнивается, и описанное явление становится малозаметным даже при вертикальной ориентации лампы. Тем не менее, механизм регулировки скважности выходного сигнала генератора продолжает работать и после выхода лампы на рабочий режим.
В процессе разогрева лампы рабочая частота генератора регулируется таким образом, чтобы ток лампы оставался на постоянном уровне. Регулировка частоты осуществляется по цепи обратной связи по датчику тока лампы.
2. Рабочий режим.
Из режима разогрева лампа плавно переходит в рабочий режим, при котором ток и напряжение на лампе соответствуют номинальным значениям. В случае старения лампы и ее зазеркаливания напряжение на лампе при постоянном токе возрастает, и логический блок устройства управления мощностью определяет, что лампа выработала ресурс, и для устранения аварийных режимов работы на лампе поддерживается напряжение на уровне 105% от номинального.
Также логический блок устройства управления мощностью имеет в своем составе таймер подсчета времени наработки лампы на отказ, что обеспечивает получение исчерпывающей информации о состоянии лампы, возможность оперативного ремонта или замены выработавших свой ресурс ламп и, как следствие, значительного снижения расхода электроэнергии за счет недопущения работы лампы в неоптимизированных режимах.
3. Регулировка мощности и диагностика режимов работы лампы.
В случае применения модема линии связи по сетевым проводам или иного модема (например, модема RS-485 протокола) устройство управления мощностью со встроенным логическим блоком позволяет:
- регулировать мощность лампы в пределах от 55 до 100% номинальной мощности;
- получить информацию о состоянии лампы в виде «исправна - неисправна»;
- получать данные о наработке лампы в часах.
Таким образом, вышеописанное выполнение интеллектуального электронного балласта обеспечивает:
- стабилизацию пускового тока на уровне не более 110% от номинального рабочего;
- ограничение мощности подводимой к лампе на уровне номинальной рабочей;
- стабилизацию режимов работы лампы в период разогрева с целью исключения неравномерного прогрева электродов;
- контроль режима перезажигания лампы;
- улучшение спектральных характеристик излучаемых помех;
- однозначного управления режимами работы лампы и светильников на ее основе как в режиме группового управления, так и в режиме персональной адресации;
- вычисление фактической наработки лампы;
- обеспечение режима удаленной диагностики;
- обеспечение режима автоматизированной калибровки и настройки.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого устройства, заключается:
- в увеличении срока службы лампы на 20-30%;
- снижении эксплуатационных расходов, в том числе расходов электроэнергии, на 15-20%;
- обеспечение режимов удаленной диагностики, автоматизированной калибровки и настройки электронного балласта и лампы.
Источники информации
1. ПРА - самое сердце светильника.- «Электротехнический рынок», №6(24), ноябрь-декабрь 2008 г., с.58-5.
2. Энергосберегающие технологии в освещении. - «Электротехнический рынок», №1 (25), январь-апрель 2009 г., с.80-81.
3. Патент РФ, МПК Н05В 41/28, №2,275,760 от 14 ноября 2003 г.
4. ГОСТ Р 51317.3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95). ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ «Совместимость технических средств электромагнитная эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе)». Нормы и методы испытаний. - ИПК «Издательство стандартов», 2000 г., с.1-25.
5. Панфилов Д.И., Поляков В.Д., Поляков Ю.Д., Барышников А.Н. «Энергосберегающий электронный пускорегулирующий аппарат для дуговых натриевых ламп» - «Светотехника», №6, 1999 г., с.7-10 - прототип.
6. «High voltage greenline power factor controller». - «Motorolla», 1996, c.l6.
7. IEC 555-2; 1982. Disturbances in supply systems caused by hausehold appliances and similar electrical equipment. - Part 2: Harmonics (Amendment #2; 1988).