ЭЛЕКТРОННАЯ НАГРУЗКА ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ БАЛЛАСТОВ ДЛЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использовано в стендах для испытания высокочастотных балластов для люминесцентных ламп.
В известных стендах для продолжительных испытания балластов люминесцентных ламп на надежность в качестве нагрузки используются стандартные люминесцентные лампы, для питания которых и предназначен балласт. При крупносерийном и массовом производстве балластов, для проведения таких испытаний приходится идти на значительные затраты электроэнергии и большого количества люминесцентных ламп.
Известны электронные нагрузки переменного тока, которые предназначены для работы в качестве нагрузки при испытании, настройке и регулировки блоков питания, усилителей, звуковоспроизводящей аппаратуры и других радиотехнических устройств, которые могли бы быть использованы взамен люминесцентных ламп при испытаниях балластов, например, программируемая электронная нагрузка АТН-8365, описанная на сайте фирмы «Актаком» www.aktakom.ru/kio/index.php?ELEMENT_ID=38865
Подобные нагрузки очень дороги и не обеспечивают возврата энергии с выходов балластов в сеть их питания
Известны также мощные электронные нагрузки постоянного тока, например, нагрузки серии EA-ELR 9000 3,5 K.W - 10 K.W, выпускаемые фирмой “EA-Electro-Automatic GmbH”, с рекуперацией энергии с возвращением ее в сеть питания, выпускаемые для испытания источников питания и преобразователей (конверторов) постоянного тока. Техническое решение, наиболее близкое к предлагаемому, описано в статье Carlos Roncero… “Controllable electronic load with energy recycling capability”, Przeglad Electrotechniczny (Electrical Review), LSSN 0033-2097, R. 87 №4/2011
Недостатком схемы является невозможность прямого подключения ВЧ выходов балластов к входу электронной нагрузки, выполняющей функцию рекуперации энергии в сеть питания.
Технической задачей, которая решается предлагаемой полезной моделью, является согласование большого числа ВЧ выходов одновременно работающих балластов с входом электронной нагрузки постоянного тока с рекуперацией энергии в сеть питания, путем создания согласующего устройства, которое по своим нагрузочным характеристикам эквивалентно характеристикам люминесцентной лампы в рабочем режиме, а выход согласован по параметрам с входом электронной нагрузки постоянного тока.
Технический результат состоит в том, что предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить подачу на испытываемые балласты напряжения питания, при котором балласт обеспечивает полную выходную мощность, потребляя энергию, до 90% которой возвращается с выхода на вход по сети питания, что позволяет в 7-10 раз снизить затраты электроэнергии на проведение испытаний при крупносерийном и массовом производстве балластов для люминесцентных ламп. Кроме того, исключается и расход люминесцентных ламп на обеспечение испытаний.
Указанный технический результат достигается тем, что каждый балласт снабжен согласующим устройством, которое содержат высокочастотный трансформатор напряжения с двумя обмотками, первичной и вторичной, выпрямитель и конденсатор причем, выход балласта подключен к первичной обмотке трансформатора напряжения, вторичная обмотка подключена к выпрямителю, а выход выпрямителя - к конденсатору, подключенному к электронной нагрузке постоянного тока, имеющей входную характеристику параллельного стабилизатора напряжения. При этом, к входу одной электронной нагрузки постоянного тока с рекуперацией энергии параллельно подключено произвольное количество выходов согласующих устройств с подключенными к ним балластами, причем, все балласты подключены к сети питания параллельно, а максимальное число подключенных устройств определяется мощностью электронной нагрузки постоянного тока.
Описание полезной модели поясняется чертежами, где на Фиг.1 приведена схема предлагаемой электронной нагрузки, а принцип ее работы поясняется рисунками Фиг.2…Фиг.4. На Фиг.2, приведена схема нагрузки балласта люминесцентной лампой, на Фиг.3 - схема нагрузки на устройство согласования с электронной нагрузкой постоянного тока, а на Фиг4 приведены временные диаграммы тока, поясняющие эквивалентность нагрузок..
Предлагаемая электронная нагрузка для К балластов 1 (1-1…1-К), содержит устройства согласования 2 (2-1…2-К) и электронную нагрузку 3 с рекуперацией энергии в сеть питания. Выходы балластов подключены к входам устройств согласования 2, включающих в себя высокочастотный трансформатор напряжения 4, выпрямитель 5 (например, диодный мост) и конденсатор 6. Выходы всех устройств согласования соединены параллельно и подключены к входу электронной нагрузки 3, имеющей входную характеристику параллельного стабилизатора напряжения.
Правомерность замены люминесцентных ламп такой нагрузкой и принципы расчета параметров устройства согласования поясняются следующим образом:
Во всех электронных балластах на выходе стоит ВЧ дроссель, ограничивающий ток лампы. Вольтамперные характеристики (ВАХ) лампы в рабочем режиме нелинейны, но при питании лампы ВЧ током (на частотах выше 1 кГц) лампу можно в каждый момент времени считать активной нагрузкой. Цепь лампы, приведенную на Фиг.2, в произвольный момент периода ВЧ питания при этом можно представить последовательно включенными индуктивностью дросселя L и активным сопротивлением r(i), па которое подано прямоугольное напряжение с преобразователя ВЧ. На Фиг.3 приведена схема подключения того же балласта к предлагаемому устройству согласования.
Напряжение Uвч на цепи лампы, образованной последовательно включенной лампой и дросселем в установившемся рабочем режиме, имеет прямоугольную форму, а его амплитуда равна половине напряжения питания Епит. Конденсатор С при этом заряжен до половины напряжения питания Епит, и при включении верхнего ключа ток в цепи нарастает, а при включении нижнего - падает. Временные диаграммы, поясняющие этот процесс, приведены на Фиг.4 (кривые напряжения ВЧ Uвч и тока ВЧ iвч, лампа.).
Скорость нарастания тока в цепи ограничена дросселем и определяется формулой
1.
Где i - мгновенное значение тока;
t - время
r(i) - мгновенное значение сопротивления лампы, зависящее от тока;
L - индуктивность дросселя.
Решение этого уравнения, в первом приближении (r=const), даст экспоненту (см. рис.4). Кривая, соответствующая более точному представлению r(i), будет близка к этой экспоненте. На начальном участке кривая имеет наклон φ1, а на конечном, перед переключением ключей, φ2. На фиг.4 от начала к концу полупериода тока питания цепи лампы наклон кривой тока уменьшается приблизительно в 7 раз (φ1=7φ2), что означает 7-кратпое снижение напряжения на дросселе на том же интервале. В то же время, действующее значение тока может быть, в зависимости от вида r(i), лишь на 20-30% больше среднеквадратичного значения пилы, образованной соединением пиков тока в моменты переключения ключей балласта.
Фиг.4. Временные диаграммы.
вых
Если нагрузить балласт на симметричный ограничитель напряжения U, то выражение для скорости изменения тока цепи приобретет вид
2
вых
Меняя U, можно менять наклон  от нуля до , и установить его таким образом, чтобы действующее значение тока цепи точно соответствовало действующему значению тока лампы.
Для того, чтобы обеспечить рекуперацию энергии в сеть, функцию симметричного ограничителя напряжения, обеспечивающего также и гальваническую развязку входа и выхода, выполняет устройство (Фиг.3), содержащее трансформатор напряжения 4, выпрямитель 5 и конденсатор 6. Напряжение ограничения при этом задается электронной нагрузкой с входной характеристикой параллельного стабилизатора напряжения, меняя это напряжение от U1 до U3 (Фиг.4) можно менять нагрузку балласта, задавая среднеквадратичное значение тока как меньше (U3), так и больше (U1) номинального значения (U2).. При параллельном включении нескольких выходов таких устройств режим работы всех подключенных к ним балластов автоматически задается одинаковым.
Первичная обмотка трансформатора напряжения должна иметь индуктивность, многократно превышающую индуктивность дросселя L. Тогда напряжение на обмотке, при котором начнется нарастание тока (с заданной скоростью) будет определяться только напряжением, заданным электронной нагрузкой.
Работает заявляемое устройство следующим образом: при подаче питания из сети на балласты, они включаются сразу в рабочий режим, без режима зажигания ламп. Энергия сети преобразуется в энергию ВЧ питания ламп и поступает с выходов балластов 1-1…1-К на входы согласующих устройств 2-1…2-К, выходы которых включены параллельно и подключены к электронной нагрузке 3, которая поддерживает стабильное напряжение на входе, отбирая с ее входа энергию постоянного тока и преобразуя ее в энергию переменного тока частотой 50 Гц, сфазированную с сетью питания. Эта энергия с выхода электронной нагрузки возвращается обратно в сеть питания.
В результате проведения испытаний рабочего макета предлагаемого устройства было установлено, что для обеспечения номинальных рабочих режимов испытываемых балластов по току и преобразуемой мощности общее потребление энергии уменьшается в 7-10 раз, что позволяет существенно снизить затраты на проведение длительных испытаний (например, на надежность). Наиболее эффективно применение полезной модели при серийном и массовом производстве балластов.