СХЕМА ДЛЯ ПИТАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ

СХЕМА ДЛЯ ПИТАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ
Полезная модель относится к области электротехники, а именно к схемам зажигания и питания газоразрядных осветительных ламн неременного тока с постоянной составляющей без вспомогательного пускового электрода и может быть использована в комбинации со стандартной пускоругулирующей аппаратурой (ПРА).
Известна схема питания электроразрядной лампы от емкостноиндуктивного балласта, содержащая, включенные последовательно лампе, балластный конденсатор и насыщенный балластный дроссель (см. например Фугенфиров М.Н. Электрические схемы с газоразрядными лампами. М.: Энергия, 1974. с. 281, рис. 4.18,6).
Недостатками данной схемы, являются трудности зажигания ламп при пониженных напряжениях сети. При изменении напряжения сети меняется отношение номинального напряжения на лампе к номинальному напряжению питающей сети, что приводит к нарущению работы лампы, с появлением режима с токовыми паузами.
Лампа является нелинейным активным элементом, поэтому в цепи возникают искажения в виде вьющих гармонических составляющих тока, повыщающих тепловые потери в ПРА и понижающих к.п.д. до 60-70%. В
даннойсхемереализуется последовательнаякомпенсация
реактивной мощности, путем последовательного включения балластного конденсатора в цепь лампы, для которой характерно повышение тока лампы сверх номинального, замедленный пуск лампы и сокращение срока службы лампы. В данной схеме лампа питается переменным током при сетевом напряжении ограниченном емкостным и индуктивным балластом. При наличии в цепи индуктивности между током и напряжением появляется сдвиг фаз, при переходе тока через ноль напряжение источника равно нулю и при достаточной индуктивности происходит пережигание разряда в лампе. Но при этом данная схема не обеспечивает надежного зажигания лампы при низком напряжении сети низкой температуры окружающей среды. Другим недостатком является возможность протекания тока в цепи балласта, превышающего номинальный ток лампы и ПРА, например, в случае затягивания процесса пуска лампы или ее не зажигания, а также отсутствие защиты балластного дросселя от перегрузки при аварийном горении лампы.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является схема для питания электроразрядной лампы, содержащая включенные в сеть, последовательно с лампой, балластный конденсатор с шунтирующим его резистором, и балластный дроссель, а также диод, включенный параллельно лампе между балластными конденсатором и дросселем (заявка ФРГ fo 3603084, НО5В 41/232 06.08.1987).
Недостатками известной схемы являются трудности зажигания газоразрядных ламп при пониженных напряжениях сети и низких температурах окружающей среды. В данной схеме возникают отрицательные эффекты, связанные с работой лампы переменного тока на напряжении с высокой долей постоянной составляющей. При этом возникают явления катофореза, приводящие к снижению светового потока, к ускоренному старению и износу электродов. Ограничение постоянной составляющей с помощью активных сопротивлений повышает потери на ПРА. Ток, проходящий через горелку газоразрядной лампы высокого давления, превышает установившейся рабочий ток лампы почти вдвое, поэтому наблюдается повышенный износ электродов вследствие ненормированной эрозии. При глубоком снижении питающего напряжения схема не обеспечивает зажигания лампы, и в рабочем режиме схема имеет низкие энергетические характеристики из-за значительных потерь мощности в емкостном балласте. Кроме того, напряжение зажигания ламп высокого давления увеличивается за счет «старения электродов и загрязнения поверхности электродов металлами, находящимися в разряде, которые оседают на электродах через несколько секунд после отключения лампы, в результате быстрого остывания электродов, поэтому увеличивается время пере зажигания и непроизводительные потери на лампе. Для данной схемы время разгорания лимитировано длительностью периода пере зажигания при каждом пуске, в течение которого
(
стабилизируетсядавление наполняющих паров и световая
отдача ламп. Неблагоприятным обстоятельством является затягивание процесса перезажигания ламп высокого давления при уменьшении мощности или резком снижении напряжения сети. Например, для ламп ДРЛ при частоте сети 50 Гц при напряжении 220В время перезажигания лампы составляет без пускового импульса - 1,5 мин., а при 200В - Змин. и с необходимым пиком пускового напряжения 1,5 кВ. В данной схеме снижение времени разгорания возможно только за счет увеличения действующего значения пускового тока, однако его чрезмерное увеличение вызывает сокращение срока службы лампы, из-за усиленного разрущения электродов.
В основу полезной модели положена задача разработать такую схему для питания газоразрядной лампы, которая обеспечила бы условия надежного поджига и стабилизацию параметров лампы в номинальном режиме при понижениях напряжения сети, с одновременным снижением потерь на ПРА.
Ноставленная задача решается тем, что в известной схеме для питания газоразрядной лампы, содержащей включенные в сеть, последовательно с лампой, балластный конденсатор с щунтирующим его резистором и балластный дроссель, а также диод, включенный параллельно лампе между балластным конденсатором и дросселем, согласно изменению, последовательно с диодом полярно подключен конденсатор с двойным электрическим слоем, защунтированный параллельным резистором.
// wlСущность полезной модели поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема для питания газоразрядной лампы.
Схема для питания газоразрядной лампы включает в себя подключенную к клеммам 1 и 2 сети переменного тока, через последовательно соединенные балластный конденсатор 3, зашунтированный параллельным резистором 4, и балластный дроссель 5, газоразрядную лампу 6. Между балластным конденсатором 3 и балластным дросселем 5, параллельно лампе 6, последовательно подключен диод 7 и полярно последнему - конденсатор с двойным электрическим слоем 8, зашунтированный параллельным резистором 9.
Снабжение заявленной схемы конденсатором с двойным электрическим слоем 8, образующий вместе с диодом 7, балластным дросселем 5 и лампой 6 замкнутый контур, позволяет гарантировано зажигать лампу 6, при пониженном напряжении питающей сети и пониженной температуре окружающей среды, стабилизировать параметры лампы 6 в номинальном режиме, обеспечивает параллельную компенсацию реактивной мощности. Применение данного конденсатора 8 в схеме позволяет .реализовать ускоренный процесс пуска лампы 6, номинальный режим работы лампы 6 от сети переменного тока с нормируемой постоянной составляющей, вследствие понижения пускового и рабочего тока и потребляемой лампой 6 мощности, уменьшения нагрева балластного дросселя 5.
€//Zf W( на клеммы 1 и 2 подается переменное сетевое напряжение. От клеммы 2
напряжение подводится к балластному конденсатору 3, зашунтированному параллельным защитным резистором 4. Балластный конденсатор 3 способствует ограничению тока и последовательно соединен с балластным дросселем 5, который подключен к лампе 6, запитываемый вторым электродом (на чертеже не обозначен) от клеммы 1. В один из полупериодов сетевого напряжения конденсатор 8 заряжается через диод 7, с увеличением напряжения достаточного для «пробивания межэлектродного промежутка в лампе 6. В следующий полупериод происходит разрядка конденсатора 8 и в контуре, образованным балластным дросселем 5 и лампой 6, возникают колебания с частотой, большей частоты напряжения питания. Кроме колебаний на основной частоте возникают дополнительные колебания высокой частоты, которые увеличивают крутизну фронта волны напряжения, подаваемого на лампу 6 от балластного дросселя 5, что благоприятно сказывается на процессе зажигания лампы 6, При этом через лампу 6 проходят импульсы тока одного направления от .балластного конденсатора 3 через диод 7, причем с увеличением емкости конденсатора 8 уменьшается амплитуда зажигающего напряжения. Защитный параллельный резистор 9 служит для сброса напряжения с конденсатора 8 , при выключении лампы 6. Цепь формирования поджигающих импульсов состоит из последовательно соединенных диода 7 и конденсатора 8, которые обеспечивают создание импульсов напряжения определенного
6 значенияидлительности, достаточных для зажигания лампы 6. Регулирование параметров импульса может осуществляться изменением сопротивления шунтирующего резистора 9 и емкости конденсатора 8. В результате в пусковом режиме повышенное напряжение на лампе 6 обеспечивается наложением на переменное выходное напряжение балластного дросселя 5, постоянной составляющей, равной амплитудному значению этого напряжения, а в рабочем режиме -наложением постоянной составляющей, равной не более половины этого напряжения. При номинальном режиме через балластный дроссель 5 протекает постоянный во времени ток и его сопротивление определяется только активным сопротивлением, которое меньше реактивного, поэтому тепловые потери на балластном дросселе 5 и в целом на ПРА уменьшаются. При работе с постоянной составляющей стандартные лампы, для сохранения номинального светового потока, могут эксплуатироваться на токе уменьшенном, на 10-20%, по сравнению с действующим значением тока ее работы на переменном токе. В качестве конденсатора 8 с двойным электрическим слоем использовался ионистр с твердым электролитом (см. Конденсаторы. Справочник /Под. ред. И. И, Четверикова. М.: Радио и связь. 1993. 390с.). Благодаря высоким удельным емкостным характеристикам, обусловленных большей суммарной емкостью электрического слоя на границе твердый электролит-уголь, конденсатор 8 обеспечивает гарантированное зажигание лампы 6 при глубоком и быстром падении напряжения в . сети, также стабильную подпитку тока лампы 6 постоянной импульсной составляющей в режиме источника тока. При этом наличие в токе лампы 6 постоянной импульсной составляющей предотвращает «старение электродов и оседание паров металлов хотя бы на одном электроде (что достаточно для снижения напряжения пере зажигания) и создает условия для замедленного остывания одного из электродов (конкретно анод при остывании будет горячее, чем катод), В данной схеме пусковое напряжение обеспечивается с помощью конденсатора 8, с высокими удельными емкостными характеристиками, падающего выпрямленный импульс напряжения на лампу 6 при пониженном напряжении сети. Активное сопротивление балластного дросселя 5 уменьшает пусковой ток до минимума, а выпрямленное пусковое напряжение, приложенное к лампе 6 во время работы, не оказывает отрицательного влияния на лампу 6. В период пуска, когда лампа 6 имеет высокое полное сопротивление, напряжение на параллельной цепи (диод 7 и конденсатор 8) возрастает за счет резонансных явлений в контуре балластных конденсатора 3 и дросселя 5. Когда напряжение достигает необходимого для пуска лампы 6 значения, происходит ее зажигание и напряжение снижается до уровня рабочего, причем резонансные явления в контуре прекращаются. Кроме того, схема позволяет стабилизировать мощность лампы 6 за счет сглаживания колебаний напряжения питания в контуре C-L-C балласта. Так как напряжение горения лампы 6 практически s
не зависит от тока, то её мощность будет оставаться в этом случае практически не измененной. При использовании в схеме насыщенного балластного дросселя 5 , с повышением напряжения сети ток лампы 6 увеличивается, при этом реактивное сопротивление дросселя 5 уменьшается. Суммарное реактивное сопротивление последовательно соединенных балластных конденсаторов 3 и дросселя 5 возрастает и ток лампы 6 увеличивается в незначительной степени. Причем балластный конденсатор 3 должен обеспечивать емкостный характер балласта, поэтому при работе лампы 6 на промышленной частоте кривая тока сильно искажается за счет высших гармонических составляющих. Поэтому применение конденсатора 8 позволяет снизить искажения и получить кривую тока лампы 6 более плоской, с уменьшением действующего значения тока при неизменной мощности лампы 6 и повысить стабилизирующие свойства схема. При эксплуатации лампы 6 в условиях низких температур окружающего воздуха или при пониженном напряжении сети питания, применение конденсатора 8 обеспечивает необходимое повышение напряжения на лампе 6 и улучшает коэффициент мощности ПРА в целом. Кроме того, конденсатор 8 защищает, за счет собственного внутреннего сопротивления, балластный дроссель 5 и лампу 6 от аварийных токов короткого замыкания. Предлагаема схема емкостноиндуктивного балласта с постоянной составляющей делает лампу 6 устойчивой, при резких и частых понижениях напряжения сети, связанных с
tLelj-ici%e6
пуском крупных электродвигателей и включений электросварочных аппаратов.
В лабораторных условиях проводились испытания заявляемой схемы и схемы взятой за прототип. Измерение параметров лампы ДРЛ-250 и ПРА производились приборами по ГОСТ16809-88 и 6825-70. Определение параметров пускового режима ПРА осуществлялось по методике эквивалентных резисторов. Для учета высших гармоник в токе лампы, напряжение замерялось электростатическим вольтметром по действующему значению. При измерении электрических и световых параметров лампы и ПРА применялись образцовые измерительные дроссели (ДОИ 250 ДРЛ/220) и номинальная лампа (ДРЛ 250; номинальный ток -2,15А; номинальное напряжение - 130В). Измерение мощности лампы проводились электродинамическим вольтметром с погрешностью не более 0,5%. Потери мощности определялись малокосинусным ваттметром, как разность между мощностью потребляемой из сети и мощности лампы. Так как, напряжение зажигания отдельных ламп могут сильно различаться, то для нахождения достоверного значения среднего напряжения зажигания проводились испытания для 10 ламп типа ДРЛ-250. Напряжение зажигания замерялось при плавном увеличении напряжения питания от нуля до значения, при котором происходит пробой и зажигание лампы. После статистической обработки данных измерений находились средние значения.напряжения зажигания, средние квадратичные отклонения и доверительный интервал
средних значений. Точность определения среднего напряжения зажигания при достоверности равной 0,9 составляет ±(2,,0)%, что вполне достаточно для адекватного сравнения заявляемой схемы с прототипом. В заявляемой схеме использовались диоды типа КД243Г или другие, рассчитанные на ток 1-5-2А и обратное напряжение 400В; балластный конденсатор 3 имел номиналы 50мкФ ЗООВ. В качестве конденсатора с двойным электрическим слоем 8 использовались ионисторы тип К58-1 на номинальное напряжение 60В и емкостью 15000мкФ (конденсаторная сборка из шести последовательно включенных ионисторов с номиналами ОД Ф 19В и общим весом 120г). Результаты испытаний представлены в
Таблице.
Таблица
нерегламентированного отключения, мин.
Амплитудный коэффициент тока лампы, Ка
Коэффициент нестабильности по току лампы.
1,95
1,6
2,2
1,85
Коэффициент нестабильности по мощности лампы, X,
Коэффициент мощности цепи лампа-балласт
(cos ф)
Световой поток лампы после 30% средней
продолжительности горения
(в % от номинального)
Коэффициент пульсации светового потока
10 лампы, %
Результаты испытаний показали, что заявляемая схема позволяет реализовать надежное зажигание ламп при пониженных напряжениях сети и пониженных температурах окружающей среды, за счет применения конденсаторов с двойным электрическим слоем, обладающих высокой емкостью. При этом возможно снижение напряжения зажигания ламп в 1,34-1,4 раза, по сравнению с прототипом. Предлагаемая схема позволяет увеличить коэффициент мощности цепи лампа-балласт на 66%, за счет
2,1
1,91
0,9
0,6
70
95
67
35
скомпенсированности реактивной мощности высших гармоник в токе лампы, путем использования компенсир тощей способности включенного параллельно сети конденсатора 8. Заявляемая схема позволяет повысить стабильность светового потока лампы на 25%, уменьшить коэффициент пульсаций светового потока в 1,4 раза, уменьшить время периода разгорания и время повторного включения после отключения лампы в 2,,6 раза и поддерживать ток и моищость лампы в пределах нормируемых, по сравнению с прототипом. Заявляемая схема позволяет быстро запускать и экономно эксплуатировать любые газоразрядные лампы высокого давления, за счет термоионного пробоя разрядом постоянного тока среднего напряжения, дополненного гармониками высших параметров, с повышением срока службы лампы и ПРА. Данная схема также может использоваться для зажигания и питания ламп типа ДРИ и ДНАТ, у которых начальное напряжения зажигания выше, чем у ламп ДРЛ, и при эксплуатации у них возникают затруднения при пере -зажигании и имеются тенденции к повышению напряжения зажигания. Таким образом, предлагаемая схема позволяет эффевстивно зажигать и стабилизировать параметры лампы в номинальном режиме при понижении напряжений питаюшей сети, с одновременным уменьшением потерь на ПРА.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемая схема для питания газоразрядной лампы работоспособна и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе, что подтверждается примером
и ruiU6
конкретного выполнения схемы. Соответственно,заявляемое
устройство может быть применено в электротехнике для зажигания и питания газоразрядных ламп, а следовательно, соответствует условию «промышленной применяемости.