УПРАВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к области электротехники и предназначена для зажигания и управления мощностью газоразрядных осветительных ламп высокого давления.
Известен управляемый электронный пускорегулирующий аппарат (УЭПРА) содержащий выпрямитель, подсоединенный к входным выводам, преобразователь постоянного напряжения, подключенный к выходу выпрямителя, инвертор, подсоединенный своим входом к выходу упомянутого преобразователя постоянного напряжения, а выходом к выводам для подключения лампы, и приемник. Приемник осуществляет прием и декодирование команд управления, поступающих по сети переменного тока. Команда управления заключается в формировании импульсов кратковременного уменьшения амплитуды питающего переменного напряжения источника питания переменного тока до заданного значения. В зависимости от длительности принятых импульсов управляемый электронный пускорегулирующий аппарат переводится в режим полной мощности или режим пониженной мощности (энергосберегающий режим) [1].
К недостаткам такого УЭПРА относится:
- Требуется мощный высоконадежный и дорогостоящий источник напряжения переменного тока, обеспечивающий кратковременное снижение амплитуды питающего напряжения во время передачи команд управления.
- Связь между УЭПРА и блоком управления односторонняя, приемник УЭПРА способен только принимать команды управления, что не позволяет вести диагностику состояния УЭПРА и подключенной к нему лампы.
- Регулировка мощности на лампе осуществляется за счет изменения действующего значения высокочастотного тока питающего лампу. Реализуется это благодаря изменению длительности высокочастотных широтно модулированных импульсов на выходе инвертора. Регулировка мощности действующим током не позволяет достичь широкого диапазона регулировки и стабильного горения дуги лампы на пониженных мощностях. Это обусловлено снижением температуры электродов, в результате чего ухудшается термоэлектронная эмиссия катодов, начинает преобладать автоэлектронная эмиссия, сопровождающаяся усиленным распылением электродов и сокращением их срока службы [3, 4]. Дальнейшее снижение тока приводит к полному исчезновению термоэлектронной эмиссии и обрыву дуги.
Известен так же интеллектуальный электронный балласт (ЭБ) для газоразрядных ламп высокого давления, взятый за прототип, содержащий помехоподавляющий фильтр, устройство защиты от перенапряжения (блок защиты), выпрямитель, корректор коэффициента мощности, полумостовой преобразователь (инвертор) со встроенным генератором переменной частоты, дроссель-трансфоматор, разделительный конденсатор, импульсное устройство поджига (зажигающее устройство), двунаправленный модем связи по сетевым проводам, устройство управления мощностью содержащее логический блок, датчик тока лампы, фильтр нижних частот, детектор напряжения, детектор тока лампы, разделительный конденсатор [2].
К недостаткам такого ЭБ относятся:
- узкий диапазон регулировки мощности (55-100%) и нестабильная работа лампы на пониженных мощностях. Связано это с тем, что в описываемом [2] ЭБ управление мощностью осуществляется так же изменением действующего значения тока лампы, как и в [1], только в данном случае изменение тока происходит благодаря изменению частоты и наличию последовательно включенного дросселя-трансформатора в цепи лампы.
При использовании частотного способа регулирования мощности (изменения частоты тока, питающего лампу), высока вероятность проявления эффекта акустического резонанса, проявляющегося на определенных частотах для конкретного типа лампы. Акустический резонанс способен привести к локальному разогреву колбы горелки лампы, резкому снижению ее ресурса и дальнейшему выходу из строя.
- измерение параметров лампы (потребляемая мощность, действующий ток, напряжение) происходит непосредственно в цепи самой лампы. При этом возможны появления критичных амплитуд токов и напряжений, способных вывести из строя измерительные цепи во время зажигания лампы (работа высоковольтного зажигающего устройства), что требует в свою очередь применение высоконадежного схемотехнического решения.
Отличительным преимуществом [2] перед [1] является наличие двунаправленного PLC-модема связи по сетевым проводам и наличие логического устройства, позволяющие оценивать состояние ЭБ (УЭПРА) и лампы и передавать его от ЭБ (УЭПРА) к удаленному управляющему устройству (исполнительный пункт), выполняя тем самым функцию мониторинга. Как правило, PLC-модемы строятся на принципе передачи высокочастотного сигнала по сетевым проводам, что не требует применение высоконадежного и дорогостоящего источника постоянного тока, предназначенного для обеспечения питания и передачи команд управления на УЭПРА [1].
Техническим результатом полезной модели является:
- расширение диапазона регулировки мощности вплоть до 20-110% от номинальной;
- повышение стабильности работы лампы на пониженных мощностях;
- увеличение срока службы лампы при работе на пониженной мощности;
- работа на фиксированной частоте питающего лампу высокочастотного тока для исключения эффекта акустического резонанса;
- увеличение надежности цепей измерения мощности на лампе;
Указанный выше технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее помехоподавляющий фильтр, блок защиты, выпрямитель, корректор коэффициента мощности, полумостовой инвертор, дроссель-трансформатор, зажигающее устройство, двунаправленный модем связи по сетевым проводам причем, выпрямитель связан одним выходом с корректором коэффициента мощности, а первый выход корректора коэффициента мощности с полумостовым инвертором, а выход полумостового инвертора с дросселем-трансформатором, отличающееся тем, что в устройство введен модуль управления, который содержит микропроцессор, детектор сетевого напряжения, детектор потребляемого тока от сети, детектор зажигания лампы, в полумостовой инвертор встроен драйвер, а также введены емкостной делитель напряжения и резистор, причем блок защиты связан своими входами с зажимами питания, а выходами с входами помехоподавляющего фильтра и одновременно первый и третий выходы с входами модуля связи, а первый выход помехоподавляющего фильтра связан дополнительно с первым входом детектора сетевого напряжения и первым входом выпрямителя, а второй выход помехоподавляющего фильтра связан одновременно с вторым входом детектора сетевого напряжения и вторым входом выпрямителя, второй выход выпрямителя связан с первым входом детектора потребляемого тока от сети и через резистор одновременно с вторым входом детектора потребляемого тока от сети и вторым входом корректора коэффициента мощности, первый выход которого дополнительно связан с первым входом емкостного делителя напряжения, а второй выход дополнительно связан с вторым входом емкостного делителя напряжения, причем емкостной делитель напряжения связан выходом одновременно с лампой и входом детектора зажигания лампы, который связан своим выходом с первым входом микропроцессора, второй вход микропроцессора связан с выходом детектора сетевого напряжения, а третий вход с выходом детектора потребляемого тока от сети, а четвертый вход с выходом модуля связи, а первый выход микропроцессора связан с входом зажигающего устройства, а второй и третий выходы соответственно с входом разрешения и входом управления драйвера, выход которого соединен через общую точку с вторым выходом корректора коэффициента мощности и МОП-транзисторами.
На фиг.1 представлена структурная схема управляемого электронного пускорегулирующего аппарата. УЭПРА содержит блок защиты 1, помехоподавляющий фильтр 2, выпрямитель 3, корректор коэффициента мощности 4, полумостовой инвертор 5, драйвер 6, лампу 7, зажигающее устройство 8, модуль управления 9, микропроцессор 10, детектор сетевого напряжения 11, детектор потребляемого тока 12, детектор зажигания лампы 13, модуль связи 14, резистор 15, емкостной делитель напряжения 16 и дроссель-трансформатор 17.
С момента подачи напряжения питания на вход УЭПРА, свою работу начинает корректор коэффициента мощности 4 и микропроцессор 10, осуществляющий в самом начале своей работы задержку, необходимую для завершения переходных процессов во входных и силовых электрических цепях, к которым относятся: блок защиты 1, сетевой фильтр помех 2, выпрямитель 3, корректор коэффициента мощности 4 и полумостовой инвертор 5. После задержки микропроцессор 10 при помощи детектора сетевого напряжения 11 измеряет напряжение сети и, если оно удовлетворяет допустимому рабочему диапазону (145В ≤ U сети ≤ 275В), то с выхода микропроцессора 10 подаются на вход управления драйвера 6 прямоугольные высокочастотные импульсы с выбранной частотой в диапазоне свободном от акустического резонанса лампы 7, скважностью 50%, а на вход разрешения подается широтно-импульсно модулированный (ШИМ) сигнал низкой частоты с максимальной длительностью, что эквивалентно высокому логическому активному уровню разрешающего непрерывную работу драйвера 6 и полумостового инвертора 5. Драйвер 6 дополнительно осуществляет врезку мертвого времени для предотвращения сквозных токов через силовые МОП-транзисторы в момент их переключения.
Тем же временем микропроцессор 10 подает сигнал управления на вход зажигающего устройства 8, разрешающий его работу. При помощи зажигающего устройства 8 и дросселя-трансформатора 17 на лампе 7 формируются высоковольтные импульсы, осуществляющие зажигание лампы 7. В случае зажигания лампы 7 через нее протекает ток высокой частоты, вызывающий пульсацию напряжения на выходе емкостного делителя напряжения 16. Вызванная пульсация поступает на вход детектора зажигания лампы 13, модуля управления 9, после которого детектированное напряжение поступает на вход микропроцессора 10. Таким образом, микропроцессору 10 передается информация о состоянии лампы 7 (горит/не горит). В случае зажигания лампы 7 микропроцессор 10 останавливает работу зажигающего устройства 8 и переходит в режим выхода лампы на номинальную мощность. В случае если лампа 7 не зажглась, в течение определенного времени выделенного на зажигание, то микропроцессор 10 отключает зажигающее устройство 8 и переходит в режим повторного зажигания через некоторые промежутки времени. Если лампа не зажглась за определенное количество попыток, то УЭПРА переходит в аварийный режим. Указанные задержки необходимы для сохранения ресурса лампы, поскольку частое зажигание, особенно на горячую лампу, губительно влияет на ее ресурс. Переход в аварийный режим означает отсутствие лампы, обрыв или короткое замыкание в ее цепи или ее отказ, и дальнейшая работа УЭПРА нецелесообразна.
В режиме выхода лампы на номинальную мощность микропроцессор 10 периодически вычисляет потребляемую мощность от сети путем перемножения значения напряжения сети, получаемого от детектора сетевого напряжения 11, и значения потребляемого тока от сети, получаемого при помощи детектора потребляемого тока 12 и резистора 15. Так же микропроцессор 10, по потребляемой мощности от сети и с учетом коэффициента полезного действия устройства, вычисляет мощность на лампе 7. В момент, когда мощность на лампе достигла заданного значения, УЭПРА переходит в режим стабилизации мощности.
В режиме стабилизации происходит периодическое вычисление мощности на лампе 7 и ее разность между заданной и вычисленной, которая сравнивается с установленным порогом, допускающим осуществление стабилизации. В случае, когда разность превышает установленный порог, а мощность на лампе 7 выше заданной, микропроцессор 10 уменьшает на одну градацию длительность низкочастотного ШИМ-сигнала на входе разрешения драйвера 6, время работы полумостового инвертора 5 уменьшается, а время прерывания высокочастотного тока лампы 7 увеличивается, что уменьшает усредненное значение тока и мощности на лампе 7 (фиг.2). В случае, когда разность превышает установленный порог, а мощность на лампе 7 ниже заданной, микропроцессор 10 увеличивает на одну градацию длительность низкочастотного ШИМ-сигнала на входе разрешения драйвера 6, время работы полумостового инвертора 5 увеличивается, а время прерывания высокочастотного тока лампы 7 уменьшается, что увеличивает усредненное значение тока и мощности на лампе 7. Если одной градации увеличения/уменьшения длительности ШИМ сигнала разрешения не достаточно для достижения заданного значения мощности на лампе 7, то описанные действия повторяются через определенные периоды времени до тех пор, пока разность между заданной и вычисленной мощностью на лампе 7 не станет меньше установленного порога, допускающего осуществление стабилизации. Данный порог и период времени необходимы для повышения устойчивости работы лампы 7 и предотвращения ее самовозбуждения в цепи УЭПРА из-за наличия у газоразрядных ламп падающих участков вольт-амперной характеристики.
На фиг.3 представлены временные диаграммы тока лампы 7 и напряжения. Поскольку в момент работы полумостового инвертора 5 ток, текущий через лампу 7, имеет значение близкое к номинальному, то за период его действия (t0 - t1), происходит разогрев электродов лампы 7. В большей степени разогревается их выступающий крен, что обеспечивает преобладание термоэлектронной эмиссии катодов, способствующий стабильному горению дуги и наименьшему износу катодов на пониженных мощностях. За время прерывания тока (t1 - t2), электроды лампы 7 не успевают остыть к началу следующего периода включения полумостового инвертора 5 (перезажигания лампы 7) (t2) и разряд переходит в дуговой минуя стадию тлеющего [3, 4]. Исходя из данных условий, выбираются частота ШИМ-сигнала разрешения работы драйвера 6 и его максимальная пауза. На фиг.3, 4 и 5 представлены временные диаграммы тока и напряжения на лампе 7 при мощности 100%, 75% и 40% от номинальной, соответственно.
В УЭПРА имеется защита от аномального режима работы лампы, когда снижением длительности ШИМ не удается стабилизировать мощность на лампе 7 в течение определенного периода времени, в результате чего УЭПРА переходит в аварийный режим с отключением лампы.
В УЭПРА имеется защита от короткого замыкания в цепи лампы 7, когда потребляемая от сети мощность становится ниже определенного значения. Так как суммарная мощность в цепи лампы 7 является функцией произведения падения напряжения на лампе и текущего через нее тока. В случае короткого замыкания падение напряжения стремится к нулю в результате произведение (мощность) будет иметь малое значение, ниже определенного порога. В этом режиме так же происходит аварийное отключение УЭПРА.
В случае обрыва в цепи лампы, ее отсутствия или разрушения, а так же ее погасания, ток в цепи лампы прекращается, отсутствует пульсация на выходе емкостного делителя 16 и сигнала на выходе детектора зажигания лампы 13, микропроцессор 10 переходит в режим повторного зажигания лампы 7 с выдерживанием заданных временных пауз. Если в течение определенного времени лампа не зажигается, то УЭПРА так же переходит в аварийный режим.
Модуль связи 14 совместно с микропроцессором 10 позволяет вести адресную двунаправленную передачу данных и команд управления по сетевым проводам. Каждый УЭПРА имеет уникальный адрес, по которому происходит обращение к светильнику (УЭПРА) в составе авторизованной системы управления освещения (АСУО) или от отдельного пульта управления. Так же возможна передача команд всем светильникам или их группе одновременно.
Использование выше описанных признаков позволило снабдить УЭПРА следующими функциями и достичь параметры:
- Диапазон регулирования мощности на лампе от 20 до 110%;
- Стабильная работа лампы на пониженных мощностях;
- Работа лампы на фиксированной частоте в свободной зоне от акустического резонанса;
- Увеличение ресурса работы лампы;
- Защита от обрыва и отсутствия лампы;
- Защита от короткого замыкания в цепи лампы;
- Защита от пониженного и повышенного напряжения сети;
- Коэффициент потребляемой мощности от сети до 0,998;
- Дистанционное управление осуществляется по питающей силовой линии;
- Дистанционное адресное и групповое включение УЭПРА;
- Дистанционное адресное и групповое выключение УЭПРА;
- Дистанционное адресное и групповое включение на заданную мощность;
- Дистанционное адресное и групповое задание мощности;
- Дистанционное адресное измерение напряжения питания УЭПРА;
- Дистанционное адресное измерение потребляемой мощности;
- Дистанционное адресное измерение мощности на лампе;
- Дистанционная адресная диагностика состояния УЭПРА и лампы;
- Значительная экономия электроэнергии за счет оптимизации графика освещения с задаваемым уровнем мощности и освещенности;
- Низкие экономические затраты на внедрение управляемых светильников в составе УЭПРА и системы АСУО.
Источники информации
1. Патент РФ на полезную модель, МПК HO5B 41/24, №78024 опубл. 10.11.2008.
2. Патент на изобретение, МПК HO5B 41/288 №2409013 опубл. 10.01.2011.
3. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1991. - 720 с.- ISBN 5-283-00548-8
4. Афанасьев Е.И., Скобелев В.М. Источники света и пускорегулирующая аппаратура: Учебник для техникумов. 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 272 с.: ил.