ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМП ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
START-REGULATING DEVICE FOR HIGH PRESSURE GAS DISCHARGE LAMPS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники и предназначено для зажигания и питания током повышенной частоты газоразрядных ламп высокого давления.
Уровень техники
Известны импульсные зажигающие устройства для газоразрядных ламп высокого давления, содержащие схему питания, микропроцессор, схему управления и трансформатор [Гареев В.М. Импульсные зажигающие устройства для газоразрядных ламп высокого давления. / В.М.Гареев, О.Г.Фомин, П.В.Мемиков // Вестник Новгородского государственного университета. - 2001. - №19].
Недостатком таких устройств являются большая материалоемкость и сложность конструкции.
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", №10, 2003 г. С.37-42).
Недостатком таких устройств является низкая надежность, обусловленная тем, что в момент подачи пускового импульса в первичную обмотку трансформатора высоковольтный импульс, возникающий в его вторичной обмотке, действует также и на элементы инвертора преобразователя частоты, что может вывести из строя его полупроводниковые ключи (полевые транзисторы).
Наиболее близкое по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятое авторами за прототип является электронное пускорегулирующее устройство, содержащее преобразователь частоты, подключенный своими входными выводами к клеммам промышленной сети, трансформатор, первичная обмотка которого подключена к выходу преобразователя, а вторичная обмотка через конденсатор - к электродам газоразрядной лампы (пат. 40569 Российская Федерация, МПК 7 Н05В 41/24. Электронное пускорегулирующее устройство. / В.Д.Поляков, Ф.В.Шапран, заявитель и патентообладатель ООО «Горизонт» - №2004109328/22, заявл. 29.03.2004, опубл. 10.09.2004). На трансформаторе установлена обмотка зажигания, подключенная к устройству зажигания.
Недостатком указанного электронного пускорегулирующего устройства является сложность конструкции, обусловленная применением дополнительного зажигающего устройства и необходимостью выполнения немагнитного зазора в магнитопроводе трансформатора, а также низкой надежностью устройства, вызванной возможностью индуктирования высоковольтных импульсов, вырабатываемых зажигающим устройством, в первичную обмотку трансформатора, способных вывести из строя силовые ключи преобразователя частоты, подключенного к этой обмотке трансформатора.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого пускорегулирующего устройства для газоразрядных ламп, сводится к упрощению конструкции и повышению надежности устройства.
Технический результат достигается с помощью пускорегулирующего устройства для газоразрядных ламп высокого давления, содержащего преобразователь частоты, подключенный своими входными выводами к клеммам промышленной сети, трансформатор, снабженный первичной и вторичной обмотками, и конденсатор, одним из выводов подключенный к одному из электродов газоразрядной лампы, при этом устройство дополнительно снабжено выпрямительным мостом и управляемым трансформатором, собранным на трехстержневом сердечнике и имеющим две первичные обмотки, размещенные по одной на каждом из боковых стержней трехстержневого сердечника управляемого трансформатора и соединенные между собой и первичной обмоткой трансформатора последовательно согласно и свободными выводами подключенные к выходным выводам преобразователя частоты, а две вторичные обмотки управляемого трансформатора, размещенные по одной на каждом из боковых стержней трехстержневого сердечника управляемого трансформатора и соединенные между собой и вторичной обмоткой трансформатора последовательно согласно, при этом цепь, состоящая из вторичных обмоток управляемого трансформатора и трансформатора, одним своим свободным выводом подключена к другому выводу конденсатора, а другим свободным выводом - к одной из вершин диагонали переменного тока выпрямительного моста, другая вершина которой подключена к другому электроду газоразрядной лампы, при этом выводы обмотки управления, расположенной на центральном стержне трехстержневого трансформатора, соединены с вершинами диагонали постоянного тока выпрямительного моста.
Таким образом, введение управляемого трансформатора позволит повысить надежность устройства, поскольку зажигание газоразрядной лампы будет происходить от высоковольтного напряжения, снимаемого с вторичных обмоток управляемого трансформатора. Данное напряжение не поступает в преобразователь частоты, подключенный к первичным обмоткам.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 дана структурная схема пускорегулирующего устройства для газоразрядных ламп высокого давления.
На фиг.2 дана схема расположения и соединения обмоток управляемого трансформатора на трехстержневом сердечнике.
Осуществление изобретения
Пускорегулирующее устройство для газоразрядных ламп высокого давления содержит преобразователь частоты 1 (фиг.1), трансформатор 2 и управляемый трансформатор 3.
Трансформатор 2 двухобмоточный и содержит первичную обмотку 4 и вторичную обмотку 5. Управляемый трансформатор 3 пятиобмоточный и выполнен на трехстержневом сердечнике из магнитного материала (фиг.1 и фиг.2). На каждом из двух боковых стержней (на фиг.2 не обозначены) установлены по одной первичной обмотке 6 и 7 и по одной вторичной обмотке 8 и 9. На центральном стержне (на фиг.2 не обозначен) управляемого трансформатора 3 установлена обмотка управления 10.
Первичные обмотки 6 и 7 управляемого трансформатора 3 соединены между собой последовательно согласно и последовательно с одним из выводов (на фиг.1 не обозначен) первичной обмотки 4 трансформатора 2. Цепь последовательно соединенных первичных обмоток 6 и 7 управляемого трансформатора 3 и первичной обмотки 4 трансформатора 2 свободными выводами (на фиг.1 и 2 не обозначены) подключена к двум выходным выводам (на фиг.1 не обозначены) преобразователя частоты 1, который своими входными выводами (на фиг.1 не обозначены) подключен к клеммам (на фиг.1 не обозначены) промышленной сети.
Вторичные обмотки 8 и 9 управляемого трансформатора 3 соединены между собой последовательно согласно и последовательно согласно с вторичной обмоткой 5 трансформатора 2.
Цепь последовательно соединенных вторичных обмоток 8 и 9 управляемого трансформатора 3 и вторичной обмотки 5 трансформатора 2 одним свободным выводом (на фиг.1 не обозначен) подключена через конденсатор 11 к одному из электродов питания (на фиг.1 не обозначен) газоразрядной лампы 12, а другим свободным выводом (на фиг.1 не обозначен) - к одной вершине (на фиг. не обозначена) диагонали переменного тока выпрямительного моста 13. Другая вершина (на фиг.1 не обозначена) диагонали переменного тока (на фиг.1 не обозначена) выпрямительного моста 13 подключена к другому электроду питания (на фиг.1 не обозначена) газоразрядной лампы 12.
Обмотка управления 10 управляемого трансформатора 3 подключена своими двумя выводами (на фиг.1 не обозначены) к каждой из вершин (на фиг.1 не обозначены) диагонали (на фиг.1 не обозначена) постоянного тока выпрямительного моста 13. При этом полярность вершин диагонали постоянного тока выпрямительного моста не имеет значения.
Пускорегулирующее устройство для газоразрядных ламп высокого давления работает следующим образом.
При включении устройства в сеть преобразователь частоты 1 выпрямляет напряжение промышленной частоты, а затем преобразует его в высокочастотное, которое, в свою очередь, поступает на цепь, состоящую из последовательно соединенных первичных обмоток 6 и 7 управляемого трансформатора 3 и первичной обмотки 4 трансформатора 2.
До момента зажигания газоразрядной лампы 12 трансформатор 2 и управляемый трансформатор 3 работают в режиме холостого хода. Высокочастотное напряжение, поступающее с преобразователя частоты 1 на последовательно соединенные первичные обмотки 6, 7, 4, распределяется между ними пропорционально импендансу каждой из них.
1
2
Поскольку первичные обмотки 6, 7, 4 соединены последовательно, то по ним протекает один и тот же ток. Этот ток, протекая по первичной обмотке 6 управляемого трансформатора 4, создает в боковом стержне сердечника магнитный поток Ф (фиг.2), под действием которого во вторичной обмотке 8, расположенной на том же боковом стержне, что и первичная обмотка 6, индуктируется напряжение. Под действием этого же тока, протекающего по другой первичной обмотке 7 управляемого трансформатора 3, расположенной на другом боковом стержне управляемого трансформатора 3, возникает магнитный поток Ф, индуктирующий в другой вторичной обмотке 9, расположенной на том же боковом стержне управляемого трансформатора 3, что и первичная обмотка 7, напряжение.
1
2
1
2
Магнитные потоки Ф и Ф в основном замыкаются через центральный стержень. Поскольку первичные обмотки 6 и 7 управляемого трансформатора 3 имеют одинаковые конструктивные параметры, то магнитные потоки Ф и Ф равны между собой. Так как первичные обмотки 6, 7 включены согласно, то в центральном стержне управляемого трансформатора 3 эти магнитные потоки взаимно компенсируют друг друга, и в обмотке управления 10, установленной на центральном стержне управляемого трансформатора 3, не возникает высокочастотная электродвижущая сила.
Вторичные обмотки 8 и 9 управляемого трансформатора 3 включены между собой последовательно и согласно, благодаря чему снимаемое с них напряжение получается как сумма напряжений на каждой из вторичных обмоток 8 и 9. Так как вторичные обмотки 8 и 9 управляемого трансформатора 3 имеют одинаковые между собой конструктивные параметры, то снимаемое с них напряжение удваивается по сравнению с напряжением на каждой из вторичных обмоток 8 и 9.
В то же время значение напряжения, снимаемого в режиме холостого хода с последовательно соединенных обмоток 8 и 9 управляемого трансформатора 3 и последовательно соединенной с ними вторичной обмотки 5 трансформатора 2, должно быть не меньше напряжения зажигания газоразрядной лампы 12 (для натриевых ламп высокого давления напряжение зажигания составляет от 2 до 4 кВ). Данное условие достигается соответствующим подбором количества витков во вторичных обмотках 8 и 9 относительно количества витков в первичных обмотках 6 и 7. Коэффициенты трансформации от первичных обмоток 6 и 7 к вторичным обмоткам 8 и 9 управляемого трансформатора 3 соответственно выбираются намного больше единицы.
Это общее выходное напряжение, снимаемое с вторичных обмоток 8, 9 и 5, подается через конденсатор 11 и диагональ переменного тока выпрямительного моста 13 на электроды газоразрядной лампы 12.
В газоразрядной лампе 12 возникает электрический разряд, и высокочастотный разрядный ток, протекая через диагональ переменного тока выпрямительного моста 13, поступает в виде однополярного тока через диагональ постоянного тока выпрямительного моста 13 в обмотку управления 10 управляемого трансформатора 3. Под действием этого тока, при соответствующем выборе числа витков обмотки управления 10, происходит насыщение магнитного сердечника управляемого трансформатора 3. Динамическая магнитная проницаемость материала сердечника управляемого трансформатора 3 резко снижается, что приводит к уменьшению индуктивности первичных обмоток 6 и 7, снижению их импенданса и, соответственно, к перераспределению напряжений между первичными обмотками 6 и 7 управляемого трансформатора 3 и первичной обмоткой 4 трансформатора 2. Для усиления эффекта насыщения следует выбирать магнитный материал для сердечника управляемого трансформатора 3 с прямоугольной петлей гистерезиса, а сам сердечник собирать без зазоров.
В результате на первичных обмотках 6 и 7 управляемого трансформатора 3 напряжение снизится, а на первичной обмотке 4 трансформатора 2 - возрастет. Соответственно, произойдет изменение напряжений на вторичных обмотках 8 и 9 управляемого трансформатора 3 и на вторичной обмотке 5 трансформатора 2.
Так как коэффициент трансформации управляемого трансформатора 3, предназначенного для получения высокого напряжения, необходимого для зажигания разряда, значительно превышает коэффициент трансформации трансформатора 2, предназначенного для поддержания режима горения разряда, то такое перераспределение напряжений на первичных обмотках 6 и 7 управляемого трансформатора 3 и первичной обмотки 4 трансформатора 2 вызовет значительное снижение выходного напряжения на вторичных обмотках 8, 9 управляемого трансформатора 3 и некоторое повышение напряжения на вторичной обмотке 5 трансформатора 2. Коэффициент трансформации трансформатора 2 следует выбирать меньше единицы.
Как следует из теории пассивных четырехполюсников с сосредоточенными параметрами для случая их последовательного включения, чем больше разница в коэффициентах трансформации трансформаторов 2 и 3, тем значительнее будет изменение общего выходного напряжения (см. например, «Справочник по импульсной технике.» Под редакцией В.Н.Яковлева. Киев. «Техника», 1973 г., 711 с.), значение которого должно обеспечить устойчивый режим горения лампы.
Реактивное сопротивление конденсатора 11 ограничивает величину тока, протекающего через газоразрядную лампу 12. Кроме того, наличие конденсатора 11 исключает появление постоянной составляющей в токе питания газоразрядной лампы 12, что защищает от подмагничивания сердечник трансформатора 2.
Общее выходное напряжение, снимаемое с вторичных обмоток трансформаторов 2 и 3, приложено к цепи, состоящей из последовательно соединенных элементов: конденсатора 11, газоразрядной лампы 12 и выпрямительного моста 13. Известно, что перестановка элементов в цепи, образованной последовательным соединением, не влияет на ее работу. Поэтому любая их комбинация в последовательности расположения на структурной схеме (фиг.1) не меняет принципов работы предлагаемого устройства.
Пример реализации предлагаемой устройства.
Был изготовлен действующий макет пускорегулирующего устройства для газоразрядных ламп. Преобразователь частоты 1 включает в себя трехфазный выпрямитель и высокочастотный полумостовой инвертор, выполненный на IGBT-транзисторах, настроенный на частоту 30 кГц.
Характеристики трансформатора 2:
Материал сердечника:
Феррит М2000НМ
Типоразмер сердечника:
К32<sup>×</sup>20<sup>×</sup>9
Число витков первичной обмотки 4:
20 вит, ПЭВ0.8
Число витков вторичной обмотки 5:
10 вит, ПЭВ0.8
Коэффициент трансформации:
0,5
Индуктивность первичной обмотки 4:
0,2 мГн
Индуктивность вторичной обмотки 5:
0,09 мГн
Характеристики управляемого трансформатора 3:
Материал сердечника:
Феррит М2000НМ
Типоразмер сердечника:
Ш10<sup>×</sup>10
Число витков первичной обмотки 6:
5 вит, ПЭВ0.7
Число витков первичной обмотки 7:
5 вит, ПЭВ0.7
Число витков вторичной обмотки 8:
29 вит, ПЭВ0.3
Число витков вторичной обмотки 9:
29 вит, ПЭВ0.3
Коэффициент трансформации:
5,8
Число витков обмотки управления:
50 вит, ПЭВ0.7
Индуктивность первичной обмотки 6:
0,07 мГн
Индуктивность первичной обмотки 7:
0,07 мГн
Индуктивность вторичной обмотки 8:
1,13 мГн
Индуктивность вторичной обмотки 9:
1,14 мГн
Взаимная индуктивность соединенных последовательно согласно первичных обмоток 6, 7
0.1 мГн
Взаимная индуктивность соединенных последовательно согласно вторичных обмоток 6, 7
2,65 мГн
Балластный конденсатор 11 емкостью 75 нФ и допустимым напряжением 5 кВ. Использовалась в качестве газоразрядной лампы 12: натриевая лампа высокого давления типа ДНаТ100.
Общее выходное напряжение, снимаемое с вторичных обмоток трансформаторов 2 и 3 в режиме холостого хода, составило 2500 В, что обеспечило зажигание газоразрядной лампы 12. После зажигания лампы общее выходное напряжение, снимаемое с вторичных обмоток трансформаторов 2 и 3, снизилось до 190 В, что обеспечило режим разгорания и последующего устойчивого горения газоразрядной лампы 12.
Предлагаемое пускорегулирующее устройство для газоразрядных ламп высокого давления по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- простота конструкции;
- повышенная надежность устройства, обусловленная отсутствием возможности появления высоковольтных зажигающих импульсов на полупроводниковых ключах инвертора преобразователя частоты 1.