ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
STARTING AND REGULATING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники и предназначено для зажигания и питания током повышенной частоты газоразрядных осветительных ламп высокого давления.
Уровень техники
Известны электронные пускорегулирующие устройства, содержащие преобразователь частоты, выход которого подсоединен к разрядной лампе через последовательно включенную первую обмотку трансформатора. Параллельно разрядной лампе подключен конденсатор (Березин М.Ю., Ремнев A.M. Электронный пускорегулирующий аппарат для ртутной лампы высокого давления. - Светотехника. 1998. №3. С.7).
Недостатком таких устройств является низкая экономичность из-за высокой токовой нагрузки преобразователя частоты. Кроме того, используется запуск на резонансной частоте, что приводит к длительным 3-4-кратным перегрузкам по току силовых полупроводниковых приборов и снижает надежность устройства.
Известны электронные пускорегулирующие устройства, содержащие преобразователь частоты, выход которого подсоединен к разрядной лампе через последовательно включенную первую обмотку трансформатора. Вторая обмотка трансформатора соединена с устройством зажигания (Панфилов Д.И., Поляков В.Д., Чепурин И.Н., Обжерин Е.А. Управляемые пускорегулирующие аппараты для натриевых ламп высокого давления. - Журнал "Практическая силовая электроника", 2003 г., №10, с.37-42).
Недостатком таких устройств являются низкие экономичность и надежность из-за высокой токовой нагрузки преобразователя частоты.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятой авторами за прототип является схема преобразователя, содержащего устройство управления, источник питания и полумостовой инвертор, состоящий из емкостного делителя, двух ключевых элементов и трансформатора, причем источник питания подключен к емкостному делителю полумостового инвертора, к этим же выводам источника питания подключены по одному выводу от каждого ключевого элемента (Семенов В.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. - М.: «СОЛОН-Р», 2001. - 327 с., стр.268-269).
Недостатками указанной схемы преобразователя являются: невозможность получения режима зажигания работы газоразрядной лампы высокого давления и низкая надежность устройства, обусловленная возможностью появления сквозного тока через оба ключевых элемента при аварийном одновременном их срабатывании, приводящего к разрушению ключевых элементов.
Действительно, некоторые типы газоразрядных ламп высокого давления, например натриевые лампы (типа ДНаТ), имеют напряжение зажигания порядка 3-5 кВ, что значительно превышает напряжение нормального режима горения (220 В), и для зажигания таких ламп требуется применение специальных импульсных зажигающих устройств.
Кроме того, при малейшем сбое в работе устройства управления, проявляющемся в кратковременном перекрытии во времени сигналов управления ключевыми элементами, последние открываются одновременно. В этом случае через ключевые элементы протекает значительный сквозной ток, представляющий собой по существу ток короткого замыкания емкостного делителя и подключенного к нему источника питания. Это приводит к разрушению ключевых элементов.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого пускорегулирующего устройства, сводится к возможности функционирования устройства в двух режимах (режим зажигания и рабочий режим) и в повышении надежности работы устройства за счет значительного снижения значения сквозных токов при аварийном одновременном срабатывании ключевых элементов.
Технический результат достигается с помощью пускорегулирующего устройства, содержащего устройство управления, источник питания и полумостовой инвертор, состоящий из емкостного делителя, двух ключевых элементов и трансформатора, причем источник питания подключен к емкостному делителю полумостового инвертора, к этим же выводам источника питания подключены по одному выводу от каждого ключевого элемента, при этом в полумостовой инвертор дополнительно введен переключающий элемент, а в трансформаторе установлены две одинаковые дополнительные первичные обмотки, включенные звездой с первичной обмоткой, при этом две дополнительные первичные обмотки соединены в первом узле конечными выводами, а первичная обмотка подключена к первому узлу начальным выводом, каждый другой вывод дополнительной первичной обмотки соединен с каждым ключевым элементом полумостового инвертора, а второй узел соединения конденсаторов емкостного делителя через размыкающую цепь управляемого переключателя соединен с другим выводом первичной обмотки и через замыкающую цепь управляемого переключателя - с первым узлом.
При этом в пускорегулирующем устройстве две дополнительные первичные обмотки могут быть соединены в первом узле начальными выводами, а первичная обмотка подключена к первому узлу конечным выводом, что не меняет принцип работы устройства.
Кроме того, в пускорегулирующем устройстве во вторичную обмотку трансформатора подключена через балласт газоразрядная лампа высокого давления.
Таким образом, введение управляемого переключателя и двух дополнительных первичных обмоток, соединенных звездой с первичной обмоткой, позволит расширить функциональные возможности устройства. Кроме рабочего режима работы, оно позволяет производить зажигание газоразрядной лампы высокого давления. При срабатывании замыкающей цепи управляемого переключателя разрядные токи конденсаторов емкостного делителя протекают через дополнительные первичные обмотки, минуя первичную обмотку трансформатора. При этом коэффициент трансформации значительно увеличивается, газоразрядная лампа высокого давления загорается, после чего управляющий переключатель размыкает замыкающую цепь и замыкает размыкающую цепь. Коэффициент трансформации снижается до значения, достаточного для поддержания рабочего режима работы газоразрядной лампы высокого давления. Кроме того, включение дополнительных первичных обмоток между ключевыми элементами повышает надежность устройства за счет значительного снижения значения сквозных токов при аварийном одновременном срабатывании ключевых элементов.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 дана структурная схема пускорегулирующего устройства.
На фиг.2 дан фрагмент структурной схемы пускорегулирующего устройства с другим вариантом соединения выводов первичных обмоток трансформатора.
Осуществление изобретения
Пускорегулирующее устройство содержит полумостовой инвертор 1 (фиг.1), источник питания 2, устройство управления 3, переключающее устройство 4, балласт 5, газоразрядную лампу высокого давления 6 и датчик тока 7.
При этом полумостовой инвертор 1 содержит трансформатор 8, включающий в себя первичную обмотку 9, дополнительные первичные обмотки 10, 11 с одинаковым количеством витков и вторичную обмотку 12. Причем первичная обмотка 9 и две дополнительные первичные обмотки 10, 11 соединены между собой в первом узле 13. Дополнительные первичные обмотки 10, 11 подключены к в первому узлу 13 конечными выводами, а первичная обмотка 9 подключена к нему же начальным выводом (фиг.1). Соединены ли дополнительные первичные обмотки 10, 11 в первом узле 13 начальными выводами, а первичная обмотка 9 подключена к нему же конечным выводом (фиг.2) - это не нарушает принцип работы устройства. Каждый другой вывод дополнительных первичных обмоток 10, 11 соединен с каждым из ключевых элементов 14, 15. Ключевые элементы 14, 15 могут быть выполнены, в частности, на полевых или биполярных транзисторах (на фиг. не показаны). Другие выводы ключевых элементов 14, 15 соединены с конденсаторами 16, 17 одинаковой емкости, образующими емкостной делитель (на фиг. не обозначен), и к точкам их соединения (на фиг. не обозначены) подключены клеммы источника питания 2. Второй узел 18, образованный точкой соединения конденсаторов 16, 17, соединен с другим выводом первичной обмотки 9 через размыкающую цепь (на фиг. не обозначена) управляемого переключателя 19 и с первым узлом 13 через замыкающую цепь (на фиг. не обозначена) управляемого переключателя 19. Управляемый переключатель 19 может быть выполнен, в частности, на симисторных оптопарах (на фиг. не показаны).
Входы (на фиг. не обозначены) ключевых элементов 14 и 15 соединены с выходом устройства управления 3. Оно может быть выполнено, в частности, на основе драйверных микросхем (на фиг. не показаны).
К вторичной обмотке 12 трансформатора 8 через балласт 5 подключена газоразрядная лампа высокого давления 6, в цепи которой включен датчик тока 7, подключенный ко входу (на фиг. не обозначен) переключающего устройства 4, выход которого соединен со входом (на фиг. не обозначен) управляемого переключателя 19. Датчик тока 7 может быть выполнен, в частности, в виде трансформатора тока (на фиг. не показан).
Пускорегулирующее устройство работает следующим образом.
Напряжение источника питания 2 заряжает конденсаторы 16, 17 емкостного делителя (на фиг. не обозначен). Так как их емкости равные, то и приложенное напряжение источника питания 2 делится на этих конденсаторах 16, 17 поровну.
1
Устройство управления 3 генерирует высокочастотные импульсы, поочередно поступающие на ключевые элементы 14 и 15 полумостового инвертора 1, что вызывает их потактовое срабатывание. Допустим, в первом такте сработал ключевой элемент 14, а ключевой элемент 15 закрыт. Конденсатор 16 разряжается через ключевой элемент 14, дополнительную первичную обмотку 10, первый узел 13, первичную обмотку 9 и размыкающую цепь управляемого переключателя 19. При этом первичная обмотка 9 и дополнительная первичная обмотка 10 оказываются включенными последовательно. Коэффициент трансформации kтрансформатора 8 будет равен:
1
где n - количество витков вторичной обмотки 12 трансформатора 8;
2
n - количество витков первичной обмотки 9 трансформатора 8;
3
n - количество витков дополнительной первичной обмотки 10 трансформатора 8.
В следующем такте срабатывает ключевой элемент 15, а ключевой элемент 14 возвращается в закрытое состояние. В этом случае, через второй узел 18, размыкающую цепь управляемого переключателя 19, первичную обмотку 9 и дополнительную первичную обмотку 11 потечет ток разряда конденсатора 17. При этом первичная обмотка 9 и дополнительная первичная обмотка 11 также оказываются включенными последовательно, но направление тока через первичную обмотку 9 изменится на противоположное, по сравнению с предыдущим тактом. Коэффициент трансформации станет следующим:
4
где n - количество витков дополнительной первичной обмотки 11 трансформатора 8.
4
3
1
2
Так как дополнительные первичные обмотки 10, 11 одинаковые, то n=n и k=k. Конструктивные параметры трансформатора 8 выбраны из условия, чтобы при таком коэффициенте трансформации обеспечивался рабочий режим газоразрядных ламп высокого давления. Однако режим зажигания некоторых типов газоразрядных ламп высокого давления требует большего значения напряжения, чем в нормальном режиме (в частности, для ламп типа ДНаТ режим зажигания: 3-5 кВ, рабочий режим: 220 В).
В таком случае, необходимо повысить на момент зажигания коэффициент трансформации трансформатора 8.
При отсутствии сигнала с датчика тока 7, т.е. при незажженной газоразрядной лампе высокого давления 6, срабатывает переключающее устройство 4. Сигнал с переключающего устройства 4 поступает на управляемый переключатель 19, под действием которого срабатывает замыкающая цепь и размыкается размыкающая цепь управляемого переключателя 19. Ключевые элементы 14 и 15 продолжают работать по вышеописанной последовательности. Разрядные токи конденсаторов 16, 17 будут поочередно протекать через дополнительные первичные обмотки 10, 11, минуя первичную обмотку 9. Коэффициент трансформации трансформатора 8 при этом возрастает и будет равен:
1
3
При надлежащем выборе параметров трансформатора 8, т.е. количества витков n, n, этот режим обеспечит зажигание газоразрядной лампы высокого давления 6.
Датчик тока 7 отключает переключающее устройство 4, управляемый переключатель 19 возвращает в исходное положение. Коэффициент трансформации трансформатора 8 снижается до значения, достаточного для поддержания режима горения газоразрядной лампы высокого давления 6 через балласт 5.
Наличие двух дополнительных первичных обмоток 10, 11 между ключевыми элементами 14, 15 повышает надежность устройства, так как в случае их одновременного открывания сквозной ток будет ограничен реактивным сопротивлением дополнительных первичных обмоток 10, 11.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- возможность осуществления устройством двух режимов работы газоразрядной лампы высокого давления (режим зажигания и рабочий режим);
- повышение надежности устройства за счет значительного снижения значения сквозных токов при аварийном одновременном срабатывании ключевых элементов.