ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к силовой электронике и может быть использована при создании универсального электронного пускорегулирующего аппарата для питания различных типов газоразрядных ламп, в частности, натриевых, ртутных и других ламп высокого и сверх высокого давления мощностью от 1 кВт до 3.5 кВт применяемых, например, для освещения дорог, железнодорожных станций, спортивных сооружений, больших производственных площадей, строительных площадок и т.п.
Известен электронный пускорегулирующий аппарат (патент на полезную модель №89909, опубликовано 20.12.2009, МПК H02M 7/00), содержащий датчик тока, датчик напряжения сети, выпрямитель, устройство поджига.
Известен также электронный пускорегулирующий аппарат (патент на полезную модель №77127, опубликовано 10.10.2008, МПК H05B 41/00), содержащий фильтр, выпрямитель, корректор коэффициента мощности, микропроцессор.
Наиболее близким аналогом является электронный пускорегулирующий аппарат (патент на полезную модель №112576, опубликовано 10.01.2012, МПК H05B 41/288, H05B 41/298), содержащий устройство защиты, фильтр, выпрямитель, первый выход которого соединен с первым входом корректора коэффициента мощности, первый и второй выводы для подключения газоразрядной лампы, первый вывод для подключения газоразрядной лампы связан с устройством поджига, первый вход которого соединен с первым выходом микроконтроллера, первый вход которого соединен с выходом датчика напряжения сети.
Общими недостатками данных технических решений являются:
1. Не обеспечивается поблочное тестирование работы аппарата при его включении и во время работы - снижение надежности;
2. Отсутствует защита аппарата, обратимая с точки зрения работоспособности, от долговременных значительных превышений напряжения - снижение надежности;
3. Не обеспечивается работа низкочастотных ламп сверхвысокого давления с напряжением горелки более 200 В и мощностью более 1000 Вт - ограничение функциональных возможностей;
4. Каждый аппарат обеспечивает работу только с одним конкретным типом лампы - ограничение функциональных возможностей;
5. Не определяется изменение параметров лампы для заблаговременного оповещения о выработке ресурса - ограничение функциональных возможностей;
6. Возможно появление акустического резонанса для ламп сверх высокого давления с межэлектродным расстоянием 3-50 мм.
Техническим результатом является устранение вышеуказанных недостатков, а именно:
1. Повышение надежности ЭПРА за счет:
- поблочного тестирования и поэтапного включения силовой части аппарата;
- применение защиты, которая отключает аппарат при превышении напряжения сети и автоматически его включает, когда напряжение становится допустимым, а так же отключает в случае дефектов нагрузки или неисправности узлов во время работы;
- увеличения напряжения и тока при выработке ресурса лампы.
2. Расширение функциональных возможностей за счет:
- обеспечение работы ламп повышенной мощности до 3500 Вт и напряжением горелки более 200 В;
- обеспечение работы различных типов ламп до 10 путем выбора ее профиля;
- питание лампы током низкой частоты в целях избежания акустического резонанса, по оптимальному закону изменения тока и напряжения для данной лампы;
- наличие счетчика моточасов для учета ресурса наработки лампы;
- заблаговременное извещение об окончании ресурса эксплуатации лампы независимо от текущего времени ее наработки.
Этот технический результат достигается тем, что известный электронный пускорегулирующий аппарат, содержащий устройство защиты, фильтр, выпрямитель, первый выход которого соединен с первым входом корректора коэффициента мощности, первый и второй выводы для подключения газоразрядной лампы, первый вывод для подключения газоразрядной лампы связан с устройством поджига, первый вход которого соединен с первым выходом микроконтроллера, первый вход которого соединен с выходом датчика напряжения сети отличающийся тем, что оно дополнительно содержит устройство ввода, индикатор, регулятор тока и датчик напряжения лампы, вход которого одновременно соединен с первым выходом регулятора тока и с первым входом устройства поджига, второй вход которого соединен со вторым выходом регулятора тока, выход датчика напряжения лампы соединен со вторым входом микроконтроллера, второй выход микроконтроллера соединен с первым входом устройства защиты, первый и второй входы которого соединены с питающей сетью, первым вход устройства защиты соединен с входом датчика напряжения сети, а первый и второй выходы устройства защиты соединены с первым и вторым входами фильтра, первый и второй выходы которого соответственно соединены с первым и вторым входами выпрямителя, второй выход которого, соединен со вторым входом корректора коэффициента мощности, третий вход которого соединен с третьим выходом микроконтроллера, четвертый вход которого соединен с третьим выходом регулятора тока, первый вход которого соединен с первым выходом корректора коэффициента мощности, второй выход которого одновременно соединен со третьим входом устройства поджига и вторым входом регулятора тока, третий и четвертый входы последнего соответственно соединены с четвертым и пятым выходами микроконтроллера, пятый вход которого соединен с выходом устройства ввода, а группа выходов микроконтроллера соединена с группой входов индикатора, второй выход устройства поджига соединен со вторым выводом для подключения газоразрядной лампы.
Сопоставительный анализ с аналогами показывает, что заявляемое техническое решение отличается наличием новых конструктивных элементов и связей между ними. Эти конструктивные решения направлены на достижение поставленных технических результатов. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что новые элементы, введенные в заявляемое техническое решение, в отдельности известны или выполнены с помощью известных устройств. Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы известного устройства, проявляют новые свойства, направленные на возможность получения технического результата, т.е. находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные" отличия.
Представлены следующие графические материалы:
Фиг.1. Схема электронного пускорегулирующего аппарата.
Фиг.2. Пример выполнения устройства защиты, фильтра и датчика напряжения сети.
Фиг.3. Пример выполнения корректора коэффициента мощности 5.
Фиг.4. Пример выполнения регулятор тока 7, устройства поджига 10 и датчика 9 напряжения лампы.
Фиг.5. Пример выполнения микроконтроллера 6.
На фиг.1 представлен электронный пускорегулирующий аппарат содержащий устройство защиты 1, фильтр 2, выпрямитель 3, первый выход которого соединен с первым входом корректора коэффициента мощности 5, первый 12 и второй 14 выводы для подключения газоразрядной лампы 13, первый вывод 12 для подключения газоразрядной лампы 13 связан с устройством поджига 10, первый вход которого соединен с первым выходом микроконтроллера 6, первый вход которого соединен с выходом датчика 4 напряжения сети отличающийся тем, что оно дополнительно содержит устройство ввода 8, индикатор 11, регулятор тока 7 и датчик напряжения 9 лампы 13, вход которого одновременно соединен с первым выходом регулятора тока 7 и с первым входом устройства поджига 10, второй вход которого соединен со вторым выходом регулятора тока 7, выход датчика 9 напряжения лампы соединен со вторым входом микроконтроллера 6, второй выход микроконтроллера 6 соединен с первым входом устройства защиты 1, первый и второй входы которого соединены с питающей сетью, первый входом устройства защиты 1 соединен с входом датчика 4 напряжения сети, а первый и второй выходы устройства защиты 1 соединены с первым и вторым входами фильтра 2, первый и второй выходы которого соответственно соединены с первым и вторым входами выпрямителя 3, второй выход которого, соединен со вторым входом корректора коэффициента мощности 5, третий вход которого соединен с третьим выходом микроконтроллера 6, четвертый вход которого соединен с третьим выходом регулятора тока 7, первый вход которого соединен с первым выходом корректора коэффициента мощности 5, второй выход которого одновременно соединен с третьим входом устройства поджига 10 и вторым входом регулятора тока 7, третий и четвертый входы последнего соответственно соединены с четвертым и пятым выходами микроконтроллера 6, пятый вход которого соединен с выходом устройства ввода 8, а группа выходов микроконтроллера соединена с группой входов индикатора 11, второй выход устройства поджига 10 соединен со вторым выводом для подключения газоразрядной лампы.
На фиг.2 представлен пример выполнения устройства защиты 1, фильтра 2 и датчика напряжения сети 4. Устройство защиты 1 содержит предохранитель 15, ограничивающий резистор 16, реле 17, варистор 18. Фильтр 2 содержит конденсаторы 19, дроссель 20. Датчик напряжения сети 4 содержит резистивный делитель 21, конденсатор 22 и стабилитрон 23.
На фиг.3 приведен пример выполнения корректора коэффициента мощности 5, основными элементами которого являются контроллер 24, дроссель 25, транзистор 26 и конденсатор 27.
На фиг.4 приведены примеры выполнения: Регулятора тока 7, содержащий мостовой ШИМ контроллер со встроенными драйверами 28, силовой мост на транзисторах 29, датчик тока лампы на резисторе 30. Датчик напряжения лампы 9, выполненный на резисторном делителе 31. Устройство поджига 10, основными элементами которого, являются дроссель 32 с обмоткой поджига 33, транзистор 34 и динистор 35.
На фиг.5 представлена функциональная схема микроконтроллера 6, содержащая первый 36 и второй 37 аналого-цифровые преобразователи (АЦП), программно-аппаратные модули сбора и преобразования информации 38, памяти 39, оценки и регистрации параметров сети 40, профиля лампы 41 и управления 42, порт ввода 43, порты вывода 44-48 и цифро-аналоговый преобразователь 49.
Пускорегулирующий аппарат работает следующим образом.
Рассматриваются три режима работы - настройка аппарата, тестирование элементов аппарата и поэтапный запуск, рабочий режим.
Настройка пускорегулирующего аппарата.
Одним из достоинств данного аппарата является его универсальность, позволяющая работать с большинством типов ламп высокого давления благодаря соответствующему программированию микроконтроллера 6 и возможности задания типа заданной лампы с помощью устройства ввода 8 и отображения ее кода на индикаторе 11.
Настройка производится обслуживающим персоналом при первом включении газоразрядной лампы и в дальнейшем настройка не производится до замены лампы на другой тип. Выбор отображаемого типа параметра осуществляется устройством ввода 8, реализация которого может быть посредством одной или нескольких кнопок. Переход по отображаемым параметрам происходит нажатием кнопки, сигнал от которой, через пятый выход микроконтроллера 6 поступает на порт 43 ввода, анализ ее состояния осуществляет модуль 42 управления, в результате на его выходе определяется значение отображаемого параметра в зависимости от предыдущего. Далее через порт 44 вывода - группу выходов микроконтроллера 6 поступают на индикатор 11 для отображения.
Индикатор 11 может быть выполнен в виде графического либо семисегментного модуля отображения. На нем отображаются следующие значения:
- код отображаемого параметра;
- текущее напряжение сети;
- номер профиля лампы;
- наработка лампы в часах;
- код последней ошибки (превышение/понижение напряжения сети, коды дефектов аппарата, коды дефектов нагрузки).
Выбор и активация профиля осуществляется при отображении на индикаторе кода профиля. В прилагаемой документации к аппарату должна быть таблица кодов соответствующих вариантов ламп и их аналогов. Обработка параметров профиля осуществляется в модуле 41 профиля лампы. Примером выбора профиля может быть следующий алгоритм:
1. Перебор кратковременными нажатиями кнопки кодов отображаемого параметра до отображения кода профиля лампы.
2. Долгим нажатием (3 секунды) кнопки активация возможности перебора кодов профилей.
3. Кратковременными нажатиями кнопки остановка на нужном профиле.
4. Длительным нажатием кнопки его активация.
При этом в модуле памяти 39 (фиг 5) микроконтроллера 6 выставляется указатель на данный профиль и сброс счетчика наработки. Таким образом, достигается технический результат - обеспечение работы различных типов ламп путем выбора ее профиля;
Тестирование элементов аппарата и поэтапный запуск.
Напряжение сети подается на устройство защиты 1 (фиг.2), в функции которого входит защита от перегрузки по току в случае фатальных неисправностей (короткое замыкание в элементах аппарата) путем перегорания плавкого предохранителя 15. Защита от сверхтоков при заряде конденсатора 27 большей емкости входящего в состав корректора коэффициента мощности 5. Защита от кратковременных бросков напряжения временем до 10 мс, для этого используется варистор 18. Защита от долговременных повышений напряжения путем отключения реле 17 по команде от микроконтроллера 6, с одновременной блокировкой корректора коэффициента мощности 5 и регулятора тока 7. Здесь необходимо отметить, что потребление управляющих узлов и индикатора аппарата незначительно и составляет порядка 1 Вт, поэтому для общего питания используется дополнительный стабилизированный импульсный источник, работающий в диапазоне 80-600 В, на рисунке не показан.
В первый момент реле 17 разомкнуто, ток течет через токоограничивающий резистор 16, фильтр 2 и выпрямитель 3 до момента полного заряда конденсатора 27 в корректоре коэффициента мощности 5. В задачи фильтра входит ослабление импульсных помех из сети и проникновение напряжений высоких частот генерируемых корректором коэффициента мощности 5 в сеть.
Как известно в устройствах мощностью более 1000 Вт подобных структур для обеспечения надежности необходим последовательный запуск всех узлов воизбежание выхода их из строя. Для этой задачи применяется микроконтроллер 6. В его задачи, в части защиты устройства, входит следующее:
- анализ допустимости сетевого напряжения при помощи датчика 4 напряжения сети;
- управление блоком защиты 1 (второй выход микроконтроллера 6);
- включение корректора коэффициента мощности 5 (третий выход микроконтроллера 6);
- включение регулятора тока 7 (четвертый выход микроконтроллера 6);
- управление током регулятора тока 7 (пятый, аналоговый, выход микроконтроллера 6);
- включение устройства по джига 10 (первый выход микроконтроллера 6).
После окончания заряда конденсатора 27 напряжение на нем примерно равно амплитудному значению сети, а потребление устройства незначительно, микроконтроллер 6 сравнивает эти напряжения, если они близки, принимается решение об исправности устройств 1, 2, 3, и частично блоков 5, 7.
Далее по команде от микроконтроллера 6 запускается корректор 5. Напряжение на конденсаторе 27 корректора коэффициента мощности 5 поднимается до уровня 380-400 В, а значит и напряжение между первым и вторым выходами регулятора тока 7 равны 380-400 В. При этом ток, проходящий по силовой части регулятора тока 7 практически равен нулю.
Корректор коэффициента мощности 5 выполнен по общепринятой схеме. Примером выполнения может быть схема фиг.3. Основой блока является контроллер 24 на основе микросхемы IR1152 со встроенным драйвером затвора силового транзистора 26, дросселя 25 и конденсатора 27 большей емкости.
Если напряжение между первым и вторым выходами регулятора тока 7 соответствует величине 380-400 В, микроконтроллером 6 принимается решение об исправности силовой части аппарата и отсутствии замыканий в нагрузке.
По команде от микроконтроллера 6 (второй выход) замыкается реле 17 устройства защиты 1, тем самым разрешая в дальнейшем протекание большого тока. Далее разрешается работа регулятора тока 7 по команде от микроконтроллера 6 с четвертого выхода. В результате пускорегулирующий аппарат готов к зажиганию лампы 13, а в микроконтроллере 6 формируется сигнал разрешения поджига лампы 13.
Таким образом, достигается технический результат - повышение надежности работы, за счет поблочного тестирования и поэтапного включения силовой части аппарата, а также за счет применение защиты, которая отключает аппарат при превышении напряжения сети и автоматически его включает, когда напряжение становится допустимым, также отключает в случае дефектов нагрузки.
Кроме того достигается технический результат - расширение функциональных возможностей за счет обеспечивается работы ламп мощностью до 3500 Вт.
Микроконтроллером 6 на пятом выходе выставляется напряжение (формирование этого напряжения описано ниже) соответствующее току разогрева для данного типа лампы (он примерно равен 2/3 номинального). В это время на лампе присутствует напряжение в виде меандра размахом 380-400 В, но этого недостаточно для пробоя газовой среды. Для этого используется устройство поджига 10. Оно по команде от микроконтроллера 6 с выхода 1 разрешает работу устройству поджига 10, которое вырабатывает пачки импульсов амплитудой 4000-6000 В. Устройство поджига 10 выполнено на магнитосвязанных дросселях 32 имеющих дополнительную обмотку 33, подключенную к общему проводу и питанию регулятора тока через динистор 35, через открытый транзистор 34, конденсатор разряжается до тех пор, пока напряжение на динисторе 35 не достигнет порога пробоя. Динистор 35 открывается, заряжая конденсатор до напряжения питания через дополнительную обмотку 33 дросселей 32. В итоге на электродах лампы формируется импульсное напряжение 4000-6000 В, процесс повторяется в течение 3 минут (задается модулем управления 42 микроконтроллера 6), пока не появится ток в лампе 13. По факту появления тока, устройство поджига 10 отключается по команде микроконтроллера 6.
Далее осуществляется процедура разогрева.
Процесс разогрева лампы длится от 3 до 5 минут. По достижению напряжения на лампе 100-150 В (в зависимости от профиля), измеряемых микроконтроллером 6 с помощью датчика 9 напряжения лампы, на пятом выходе микроконтроллера 6, выставляется номинальное значение тока и начинается рабочий режим.
Если ток не появился в течении 3 минут, после 5 попыток с паузой 10 минут (задается модулем управления 42 микроконтроллера 6), принимается решение о неисправности лампы 13 с выдачей сообщения на индикатор 11.
Принцип работы аппарата в рабочем режиме основан на автоматическом регулировании рабочего тока лампы за счет изменения напряжения. Основную роль в этом процессе играет регулятор тока 7 и микроконтроллер 6.
Использование данного регулятора тока 7 при работе различных типов ламп, как по мощности, так и по заполнению газом, накладывает определенные требования к системе управления, а именно для решения поставленной задачи формируются два контура управления:
Внутренний контур - стабилизация тока относительно задаваемого с микроконтроллера 6, по цепи: напряжение пропорциональное току лампы, снимаемого с резистора 30 регулятора тока 7, драйвер 28 силового моста на транзисторах 29. Поддержание неизменного значения тока осуществляется путем изменения напряжения на электродах лампы, снимаемого с силового моста на транзисторах 29, управляемого драйвером 28. Регулирование тока осуществляется относительно оптимального значения тока задаваемого с внешнего контура через пятый выход микроконтроллера 6.
Внешний контур - задает необходимые оптимальные параметры для обеспечения работы регулятора тока 7. Данный контур образован - регулятора тока 7 и через датчики тока на резисторе 30 и напряжения 9 второй, четвертый входы микроконтроллера 6 и четвертый, пятый выходы микроконтроллера 6. Выходным регулирующим параметром этого контура является аналоговое напряжение пропорциональное току выбранной лампы 13, при которой достигаются максимально возможные светоотдача лампы и потенциальный ресурс. Четвертый выход микроконтроллера 6 обеспечивает сигнал, выключающий регулятора тока 7 при выходе контролируемых параметров за допустимые пределы, с индикацией данной ситуации на индикаторе 11.
Параметры, относительно которых осуществляется управление - тип лампы, номинальные напряжение и ток, предельное значение напряжения лампы, на основе которых определяется оптимальное значение задаваемого тока в виде аналогового напряжения (пятый выход микроконтроллера 6), необходимого для управления внутренним контуром.
Алгоритм внутреннего контура
Выполняется аппаратно контроллером 28 регулятора тока 7, сравнивается опорное напряжение с микроконтроллера 6 (пятый выход) с напряжением с резистора 30 (напряжение пропорциональное текущему току лампы). При меньшем значении напряжения с резистора 30, по сравнению с опорным, контроллер 28 изменяет скважность импульсов таким образом, чтобы на лампе получить большее напряжение и, соответственно, наоборот уменьшает, если напряжение на резисторе 30 превысило опорное.
После проведения тестирования в микроконтроллере 6 формируются сигналы на включение контроллера 28 силового моста на транзисторах 29 и разрешения поджига лампы 13.
1. На четвертом входе с пятого выхода микроконтроллера 6 выставляется необходимое значение напряжения пропорционально требуемому току.
2. Если лампа загорелась, то появляется ток лампы.
3. Величина этого напряжения пропорциональная току лампы сравниваемая с заданной (с пятого выхода микроконтроллера 6), в результате сравнения происходит коррекция скважности импульсов, а значит и напряжения на лампе.
Алгоритм внешнего контура
1. С помощью устройства ввода 8 выбирается тип лампы. При этом формируются следующие параметры для данного типа лампы: номинальный ток, номинальное напряжение, максимальное допустимое напряжение, текущая наработка лампы (значение отсчитывается от начала эксплуатации лампы после сброса в ноль устройством ввода). Номинальные значения тока и напряжения определяются из условия обеспечения максимально возможного ресурса и максимальной светоотдачи лампы с учетом заводских параметров.
2. Определяется оптимальное значение тока для данного типа лампы и ее наработки.
3. Далее это значение, с помощью ЦАП 49 микроконтроллера 6, преобразуется в аналоговое напряжение, которое подается на контроллер 28 регулятора тока 7.
4. Если текущее напряжение лампы приближается к максимально допустимому напряжению, то формируется сигнал на включение индикатора 11 о необходимости замены лампы, хотя она может продолжать работать, но при этом возможно снижение светового потока. Решение о замене лампы принимает обслуживающий персонал. Таким образом, достигается технический результат - расширение функциональных возможностей за счет заблаговременного извещения об окончании ресурса эксплуатации лампы независимо от текущего времени ее наработки
5. Если текущее напряжение лампы становится равным или превышает максимально допустимое напряжение для выбранного типа лампы, то формируется сигнал на отключение драйвера 28 регулятора тока 7 (четвертый выход микроконтроллера 6).
Регулятор тока 7, кроме основной функции регулирования тока осуществляет двойное преобразование частоты напряжения силовой части, а именно:
- преобразование постоянного напряжения в импульсное (двухполярный меандр) частотой 50 кГц, что позволяет значительно снизить массу дросселя 20 фильтра 2 (дополнительный технический результат - снижение стоимости ЭПРА);
- преобразование переменного напряжения с частотой 50 кГц в напряжение 100 Гц без добавления дополнительных элементов, только за счет системы управления, что позволяет исключить акустический резонанс в лампе (технический результат - повышение надежности, продление ресурса лампы).
Двойное преобразование осуществляется следующим образом. На первый и второй входы регулятор тока 7 приходит постоянное напряжение 380-400 В. Транзисторы 29 регулятора тока 7 переключаются контроллером 28 со встроенными драйверами затворов, с частотой около 50 кГц и переменной скважностью в плечах моста, образуемого транзисторами 29. Изменение скважности открывающих и закрывающих импульсов осуществляется по низкочастотной огибающей меандра (скважность строго равна 2) с частотой 100 Гц. Таким образом, в диагонали моста образуется импульсы частотой 50 кГц равные амплитуде питания на первом и втором входах и промодулированные по скважности от 1% до 99% в зависимости от полярности выходного тока и его величины. Эти импульсы проходят через магнитосвязанные дроссели 32, которые отфильтровывают несущую частоту 50 кГц, пропуская в лампу заданную огибающую частотой 100 Гц.
Таким образом, достигается технический результат - питание лампы током низкой частоты, что позволяет исключить акустический резонанс в лампе.