СЕТЕВОЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ БАЛЛАСТ

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в источниках электропитания авиационных бортовых и наземных аэронавигационных газоразрядно-ламповых и светодиодных приборах.
Известен сетевой электронный балласт (аналог), содержащий входные и выходные выводы для подключения к питающей сети переменного тока и к нагрузке, трансреактор с двумя обмотками, два снабберных конденсатора и двунаправленный электронный ключ (Патент на полезную модель №106811, Преобразователь переменного тока. Резников С.Б., Бочаров В.В., Дубенский Г.А., Кабелев Б.В., Коняхин С.Ф., Савенкова Н.В., Бюл. №20 от 20.07.2011).
К недостаткам указанного устройства (аналога) относятся: узкие функциональные возможности, а именно - неспособность осуществления начального высоковольтно-импульсного поджига (запуска) газоразрядной нагрузки (например, ламповой), ухудшение качества питающей электроэнергии и большой уровень помехоизлучений из-за прерывистого характера выходных токов и низкая надежность из-за наличия цепи для «сквозных сверхтоков» через электронный ключ.
Известен сетевой электронный балласт, выбранный в качестве прототипа, содержащий входные и выходные выводы для подключения к питающей сети переменного тока и к нагрузке, сетевой фильтр, трансреактор с первичными и вторичной обмотками, два снабберных конденсатора, электронный ключ, трансформатор поджига, блок поджига с разрядным конденсатором, выпрямительным диодом и зарядным транзистором, а также блок управления (С.Б. Резников, В.В. Бочаров, Г.А. Дубенский, Б.В. Кабелев, С.Ф. Коняхин, И.Н. Соловьев Термостойкие электронные балласты наружного применения на базе однотактного двуполярного импульсного модулятора-циклоконвертора, ж. Практическая силовая электроника, №3 (43), 2011 г., с. 43-45, стр. 44, рис. 1).
К недостаткам известного сетевого электронного балласта (прототипа) относятся следующие: низкая надежность устройства и ухудшение качества электроэнергии, а также высокий уровень излучаемых электромагнитных помех. Причинами указанных недостатков являются: а) наличие цепей для «сквозных сверхтоков» при разрядке снабберных конденсаторов на входной фильтровой конденсатор непосредственно через электронный ключ и при прямоходовой зарядке выходного фильтрового конденсатора через относительно малую индуктивность рассеяния трансреактора;
б) регулярная подача с высокой частотой следования высоковольтных поджигающих импульсов в течение всего рабочего цикла питания нагрузки;
в) прерывистый характер входного сетевого тока и его существенно несинусоидальная форма.
Основным техническим результатом предложения является повышение надежности устройства и сохранение качества питающей электроэнергии, т.е. сохранение синусоидальной формы сетевого напряжения и обеспечение коэффициента потребляемой из сети мощности близкого к единице.
Дополнительным техническим результатом предложения является снижение уровня излучаемых электромагнитных помех.
Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в сетевой электронный балласт, содержащий входные и выходные выводы, сетевой фильтр, трансреактор с двумя первичными обмотками и вторичной обмоткой, первый электронный ключ, два снабберных конденсатора, выходной фильтровый конденсатор, трансформатор поджига с низковольтной первичной обмоткой и высоковольтной вторичной обмоткой, блок поджига с разрядным конденсатором, выпрямительным диодом и зарядным резистором, а также блок управления, имеющий основные цепи обратных связей с датчиками тока и напряжения и первый импульсно-модуляторный выходной вывод, ВВЕДЕНЫ входной выпрямитель, корректор коэффициента мощности, состоящий из второго электронного ключа, дросселя и первого диода, входной фильтровый конденсатор, второй и третий диоды, а блок управления СНАБЖЕН вторым импульсно-модуляторным выходным выводом, и БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕН третий однонаправленный электронный ключ, а блок управления снабжен третьим импульсно-модуляторным выходным выводом и вспомогательной цепью обратной связи с датчиком потокосцепления трансреактора, а также БЛАГОДАРЯ тому, что трансреактор СНАБЖЕН вспомогательной обмоткой, блок поджига СНАБЖЕН управляемым разрядным вентилем, а блок управления СНАБЖЕН выходным выводом командного поджига, и кроме того БЛАГОДАРЯ тому, что его блок поджига СНАБЖЕН цепью автоматического поджига, состоящей из динистора и цепочки из стабилитрона, блокирующего диода и балластного резистора, а блок управления СНАБЖЕН дополнительной цепью обратной связи с датчиком выходного напряжения.
Экспериментальные исследования лабораторного макета устройства и компьютерное моделирование подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг.) представлены принципиальная силовая схема и цепи управления предлагаемого сетевого электронного балласта.
Сетевой электронный балласт содержит: входные выводы 1-2 для подключения к питающей сети переменного тока, выходные выводы 3-4 для подключения к нагрузке знакопостоянного тока, сетевой фильтр 5, шунтирующий своим входом входные выводы устройства, трансреактор 6 с двумя первичными обмотками 7, 8 и вторичной обмоткой 9, первый электронный ключ 10, два снабберных конденсатора 11, 12, выходной фильтровый конденсатор 13, трансформатор поджига 14 с низковольтной первичной обмоткой 15 и высоковольтной вторичной обмоткой 16, блок поджига 17 с разрядным конденсатором 18, выпрямительным диодом 19 и зарядным резистором 20, а также блок управления 21. Блок управления имеет основные цепи обратных связей 22, 23 с датчиками тока и напряжения 24, 25 и первый импульсно-модуляторный выходной вывод 26. Устройство содержит также входной выпрямитель 27, корректор коэффициента мощности 28, состоящий из второго электронного ключа 29, дросселя 30 и первого диода 31, входной фильтровый конденсатор 32, второй и третий диоды 33, 34. Блок управления имеет также второй импульсно-модуляторный выходной вывод 35. Устройство также содержит третий однонаправленный электронный ключ 36-37 (с блокирующим диодом), шунтирующий вторичную обмотку трансреактора, а блок управления имеет третий импульсно-модуляторный выходной вывод 38, подключенный к управляющему выводу этого ключа, и вспомогательную цепь 39 обратной связи с датчиком 40 потокосцепления трансреактора. Трансреактор имеет также вспомогательную обмотку 41. Блок поджига имеет управляемый разрядный вентиль 42, а блок управления имеет выходной вывод командного поджига 43, подключенный к его управляющему выводу. Блок поджига имеет также цепь автоматического поджига 44, состоящую из динистора 45 и цепочки из последовательно между собой соединенных стабилитрона 46, блокирующего диода 47 и балластного резистора 48. Блок управления снабжен также дополнительной цепью 49 обратной связи с датчиком 50 выходного напряжения.
Первый электронный ключ 10 включен своими силовыми выводами между первыми разноименными выводами первичных обмоток 7,8 трансреактора 6, каждая из которых вместе с первым электронным ключом зашунтирована соответствующим снабберным конденсатором 11, 12. Второй электронный ключ 29 подключен через дроссель 30, входной выпрямитель 27 и сетевой фильтр 5 к входным выводам 1-2 устройства и через первый диод 31 - к входному фильтровому конденсатору 32, подключенному через второй диод 33 ко вторым разноименным выводам первичных обмоток 7 и 8 трансреактора 6. Вторичная обмотка 9 трансреактора 6 через третий диод 34 подключена к выводам выходного фильтрового конденсатора 13, шунтирующего через вторичную обмотку 16 трансформатора поджига 14 выходные выводы 3-4 устройства. Разрядный вентиль 42 через первичную обмотку 15 трансформатора поджига 14 подключен к выводам разрядного конденсатора 18, подключенного через выпрямительный диод 19 и зарядный резистор 20 к выводам вспомогательной обмотки 11 трансреактора 6 и зашунтированного крайними выводами цепочки со стабилитроном 46, блокирующим диодом 47 и балластным резистором 48. Точка соединения блокирующего диода 47 с балластным резистором 48 этой цепочки через динистор 45 подключена к управляющему выводу разрядного вентиля 42. Сетевой электронный балласт работает следующим образом.
ШИМ
Входные выводы 1, 2 подключают к питающей сети переменного тока, а выходные выводы 3, 4 - к газоразрядной нагрузке знакопостоянного тока, например, к шаровой ксеноновой дуговой лампе с напряжением горения от 22 до 70 В, требующей для поджига высоковольтный импульс с напряжением 20…30 кВ. На первом и втором импульсно-модуляторных выходных выводах 26 и 36 блока управления 21 генерируются высокочастотные импульсы с постоянным периодом широтно-импульсной модуляции (T) и длительностью, регулируемой основными цепями обратной связи 22 и 23 в зависимости от отклонений сигналов датчиков тока и напряжения 24, 25 от эталонных сигналов.
ШИМ
И
И
ШИМ
И
П
П
ШИМ
Π
ШИМ
ШИМ
И
П
И
П
ШИМ
Питающее сетевое напряжение через двунаправленный помехоподавляющий сетевой фильтр 5 подается на входной выпрямитель 27. Выпрямленное знакопостоянное пульсирующее напряжение с помощью корректора коэффициента мощности 28, выполненного по схеме повышающего (бустерного) импульсного модулятора, производит зарядку входного фильтрового конденсатора 32 регулируемым током, повторяющим по форме и временной фазе форму выпрямленного напряжения. Благодаря указанному регулированию выпрямленного тока (а следовательно - и входного синусоидального тока) коэффициент потребляемой из сети мощности приближен к единице. Благодаря широтно-импульсной модуляции сигнала на управляющем выводе первый электронный ключ 10 периодически (с периодом T) коммутирует цепь соединения первых выводов первичных обмоток 7,8 трансреактора 6. При очередном включении ключа 10 полное (суммарное) потокосцепление трансреактора 6, контролируемое датчиком 40, нарастает вместе с токами в цепях его первичных обмоток, сначала в цепях: 11-7-10-11 и 12-10-8-12 частичной разрядки заряженных снабберных конденсаторов 11, 12, а затем и в цепи: 32-33-7-10-8-32 частичной разрядки входного фильтрового конденсатора 32 в течение длительности импульса: t=γT где γ - относительная длительность (коэффициент заполнения) импульса. Затем ключ 10 выключается, а третий однонаправленный электронный ключ 36-37 включается (лучше - с небольшим опережением), и полное потокосцепление трансреактора 6 приблизительно сохраняется вместе с током в замкнутой накоротко вторичной обмотке 9 в цепи: 9-36-37-9 в течение длительности паузы: Δt=γT, где γ - относительная длительность паузы. При этом электромагнитная энергия индуктивностей рассеяния первичных обмоток трансреактора передается снабберным конденсаторам 11, 12 по цепям их зарядных токов: 7-12-32-33-7 и 8-32-33-11-8. Снабберные конденсаторы при этом заряжаются до напряжений, превышающих напряжение входного фильтрового конденсатора 32, получая избыточную дозу энергии, которую они затем передают трансреактору после очередного включения ключа 10. Их наличие обеспечивает защиту ключа 10 от коммутационных перенапряжений. При этом второй диод 33 исключает цепь «сквозного сверхтока» разрядки конденсаторов 11, 12 на конденсатор 32 через ключ 10. Затем третий электронный ключ 36-37 выключается, и полное потокосцепление трансреактора частично плавно спадает вместе с током в цепи: 9-34-13-9, поддерживаемым э.д.с. самоиндукции его вторичной обмотки 9 в течение оставшегося от периода T промежутка времени: T-t-Δt=(1-γ-γ)T. Одновременно с этим производится зарядка разрядного конденсатора 18 через выпрямительный диод 19 и зарядный резистор 20 за счет э.д.с. во вспомогательной обмотке 41 трансреактора 6.
ШИМ
Далее указанные процессы периодически повторяются с периодом T с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения (по сигналу датчика 50) и полного потокосцепления трансреактора (по сигналу датчика 40). При достижении выходным напряжением устройства и напряжением на разрядном конденсаторе заданных величин с вывода командного поджига 43 блока управления 21 или с выхода цепи автоматического поджига 44 поступает импульс на управляющий вывод разрядного вентиля 42, и происходит разрядка разрядного конденсатора 18 на цепь первичной обмотки 15 трансформатора поджига 14. Это приводит к генерированию импульса высоковольтной э.д.с. во вторичной обмотке 16 трансформатора поджига 14, который через выходной фильтровый конденсатор 13 прикладывается к выходным выводам 3-4 устройства, а следовательно - и к газоразрядной нагрузке (лампе). Происходит поджиг газоразрядного промежутка, и нагрузка выходит на номинальный режим питания от выходного фильтрового конденсатора 13 через вторичную обмотку 16 трансформатора поджига 14, играющую при этом роль сглаживающего реактора.
Цепь автоматического поджига 44 блока поджига 17 способна при незажженной нагрузке (лампе) периодически генерировать поджигающие импульсы с периодом, определяемым временем процесса зарядки конденсатора 18 через зарядный резистор 20 и пороговыми уровнями начала стабилизации стабилитрона 46 и срабатывания динистора 45. После выхода нагрузки на номинальный режим напряжения на вторичной и вспомогательной обмотках 9 и 41 трансреактора 6 снижаются, и напряжение на разрядном конденсаторе 18 перестает достигать порогового уровня, что приводит к прекращению генерирования импульсов поджига (и прекращению излучения мощных электромагнитных помех).
Следует отметить, что благодаря возможности регулируемого накопления электромагнитной энергии в трансреакторе (при непрерывном полном его потокосцеплении) снижается требуемая энергоемкость входного фильтрового конденсатора 32, что позволяет применить в его качестве пленочные конденсаторы вместо электролитических, имеющих низкие термостойкость, безотказность и срок службы, т.е. существенно повысить надежность устройства, в дополнение к ее повышению за счет исключения цепей для «сквозных свертоков» через электронный ключ 10 и «сверхтоков» прямоходовой зарядки выходного фильтрового конденсатора 13 (используется обратноходовая зарядка).
Таким образом, предлагаемый сетевой электронный балласт по сравнению с прототипом обеспечивает основной технический результат: повышение надежности устройства за счет исключения цепей для «сквозных сверхтоков» и сохранение качества питающей электроэнергии за счет коррекции коэффициента входной мощности, а также дополнительный технический результат: снижение уровня излучаемых электромагнитных помех за счет отключения подачи высоковольтных поджигающих импульсов после выхода нагрузки на номинальный рабочий режим и за счет исключения «сквозных сверхтоков» и «сверхтоков» прямоходовой зарядки выходного фильтрового конденсатора, а также за счет установки корректора коэффициента мощности 28 со сглаживающим дросселем 30.