Справочная книга по светотехнике

ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА

4.1.1. Определение. Классификация

Современные источники света (ИС) представляют собой сложные электротехнические приборы с нели­нейным импедапсом. являющимся функцией тока, напряжения, времени и температуры. Поэтому для обеспечения заданных электрических режимов ИС при включении их в сеть требуется согласующее устройство, получившее название пускорегулирующий аппарат.

Пускорегулирующий аппарат (ПРА) — эго светотех­ническое изделие, с помощью которого осуществляется питание источника света от электрической сети, обес­печивающее необходимые пусковые и рабочие режимы ИС, конструктивно оформленное в виде единого аппа­рата, либо нескольких отдельных блоков.

ПРА классифицируются гю следующим основным признакам:

— типу ИС, для которого они предназначены — для

разрядных ламп (РЛ). для ламп накаливания (ЛН), для твердотельных ИС: электролюмипесцентпых панелей (ЭЛП) и светоизлучающих диодов (СД).

— тину токоограничивающего элемента — электро­магнитные (ЭмПРА). выполненные на базе дросселей, трансформаторов, конденсаторов и резисторов, и элек­тронные (ЭПРА), выполненные па базе полупроводни­ковых источников вторичного электропитания.

— величине потерь мощности в ПРА (только для Эм­ПРА к ЛЛ). Для того чтобы облегчить выбор ЭмПРА с точки зрения энергоэкономичности. Комитет Европей­ской ассоциации производителей осветительных при­боров и ПРА (CELMA) директивой ЕС № 2000/55/EG начиная с 2000 года ввел классификацию ПРА по ин­дексу эпергоэффективности (см. табл. 1).

С целью стимулирования роста производства эпер - гоэкопомичных ПРА той же директивой запрещено применение: с 21 мая 2002 г. — ПРА класса D, с 21 но­ября 2005 г. — ПРА класса С.

— количеству ИС, с которыми они могут работать — индивидуальные и групповые.

— виду входной электроэнергии — на работающие от источника (сети) переменного напряжения (одно - или многофазного) и от источника (сети) постоянного на­пряжения.

— возможности регулирования светового потока

ИС — реіулируемьіе и нереіулируемьіе.

— конструкции — независимые, встраиваемые в све­товой прибор и интегрированные с ИС.

— уровню шума — с нормальным, пониженным, низким и особо низким уровнем шума (соответствен­но, группы Н, 11, А, и С).

4.1.2. Пускорегулирующие аппараты для разрядных ламп

4.1.2.1. Способы введения энергии в разряд

Для создания электрического поля, возбуждающего разряд в РЛ, применяются 2 способа: 1. Для РЛ с элек­тродами — подачей напряжения на электроды, причем для РЛ с электродами, расположенными внутри горел­ки, это напряжение может быть как постоянным, гак и переменным, а для РЛ с электродами, расположенны­ми на внешней поверхности горелки, это напряжение должно быть только переменным вследствие того, что связь между электродами и разрядом — емкостная.

2. Для безэлектродных PJ1 — воздействием па разряд­ный объем высокочастотным (ВЧ) или сверхвысокоча­стотным (СВЧ) электромагнитным полем.

4.1.2.2. Электрические характеристики разрядных ламп

Наиболее полное представление о РЛ как элементе

электрической цепи дают ее вольт-амперпые характе­ристики (ВАХ) — статическая и динамическая.

Статическая ВАХ связывает между собой действую­щие значения напряжения U и тока лампы / при уста­новившейся для каждого значения гока температуре колбы РЛ (рис. 4.1).

В пусковом режиме рабочая точка РЛ проходит по­следовательно участок АГ)В. Этот участок характеризу­ется малыми токами (до нескольких десятков мА) и высокими напряжениями. В точке пробоя межэлект - родного промежутка (т. Б) напряжение может быть от сотен В до десятков кВ. В установившемся режиме го­рения рабочая точка РЛ находится либо на падаюшем (ВГ) участке ВАХ (это характерно, например, для ЛЛ), либо па горизонтальном (ГД) участке (например, у ламп МГЛ), либо иа слабо возрастающем (ДЕ) участке (например, у ксепоновых ламп ДКсТ).

Динамическая ВАХ связывает между собой мгновен­ные значения напряжения u{t) и;'(/) (рис. 4.2), в связи с чем форма динамической ВАХ зависит от частоты пи­тания. На промышленной частоте она нелинейная (рис. 4.2,а), а с повышением частоты становится почти линейной, так что уже при частотах свыше 1000 Гц лампа ведет себя как резистор (рис. 4.2,6).

Классификация ПРА для люминесцентных ламп по энергоэкономичности (EEI — Energy Efficiency Index)

Количественные показатели для ПРА с регулированием светового потока (класс EEI-A1) находятся в стадии согласования CFLMA.

Таким образом, PJ1 в электрической цепи представ­ляет собой нелинейное сопротивление па частотах до 1 кГц (статическая и динамическая ВАХ нелинейны) и условно нелинейное сопротивление на частотах свыше I кГц (статическая ВАХ нелинейна, динамическая — линейна).

4.1.2.3. Основные функции пускорегулирующих аппаратов

Из анализа ВАХ вытекают следующие основные функции ПРЛ:

— зажигание PJ1 — пробой мсжэлектродного проме­жутка и формирование п нем требуемого вида разряда;

— разгорание PJ1 — процесс установления рабочих характеристик лампы после зажигания. Продолжитель­ность разгорания определяется типом лампы, величи­ной тока через нее и окружающей температурой;

— обеспечение устойчивости работы PJ1 в рабочем ре­жиме. Для выполнения этой функции в состав ПРА обязательно входит токоограничиваюший (балластный) элемент (исключение составляют ПРА с динамической стабилизацией тока лампы — см. раздел 4.2.8). Обеспе­чить устойчивый режим работы от источника напряже­ния без токоограничиваюшего элемента принципиаль­но невозможно для РЛ с падающей и горизонтальной характеристиками. Для РЛ со слабо возрастающей ВАХ устойчивая работа от сети без токоограничиваюшего Элемента теоретически возможна, по па практике не используется из-за низкой стабильности тока лампы.

4.1.2.4. Система параметров пускорегулирующих аппаратов

Являясь одним из элементов светильника и ОУ, ПРЛ должны пе только обеспечивать оптимальные электрические и световые характеристики ламп, но и удовлетворять ряду других требований, вытекающих из условий их эксплуатации. В связи с этим основные па­раметры ПРА подразделяются на 3 іруппьі: пусковые, рабочие и эксплуатационные. Первые две группы обу­словлены спецификой ламповой нагрузки, а в 3-ю группу входят параметры, определяемые потребителем и условиями эксплуатации.

Пусковые параметры:

— напряжение на лампе, ток через электроды и ;Члительность его протекания в режиме предваритель­ного подоірева электродов (только для ламп, требую - тих разоірева электродов перед подачей поджигающе­го напряжения);

— частота, действующее и амплитудное значения поджигающего напряжения;

— форма, частота повторения, длительность, амп­литуда и энергия зажигающих импульсов напряжения (для ПРА со встроенным или независимым импуль­сным зажигающим устройством);

— пусковой ток, обеспечивающий разгорание РЛ (для РЛ высокого давления).

Параметры рабочего режима:

— ток и мощность лампы;

— частота и коэффициент амплитуды Ка тока РЛ, равный отношению амплитудного значения тока к дей­ствующему. Коэффициент Ка характеризует форму тока и не должен превышать 1,7. что регламентируется отрицательным влиянием искажения формы тока лам­ны на срок ее службы;

— стабильность тока лампы;

— фаза и величина тока подогрева электродов РЛ в рабочем режиме.

Эксплуатационные параметры:

— род тока и частота напряжения питания;

— электромагнитная совместимость с питающей се­тью (гармонический состав входного тока, коэффици­ент мощности, уровень радиопомех);

— уровень акустического шума;

— конструктивное исполнение (встраиваемые в светильник, независимые, интегрированные с лампой);

— масса, габариты, установочные размеры, стои­мость;

— частота и уровень пульсаций светового потока

РЛ;

— потери мощности;

— наїрев в рабочем и аварийном режимах;

— электробезопасность;

— показатели надежности;

Конкретные значения перечисленных выше пара­метров заданы в стандартах на ПРА и ИС.

Структурная схема ПРА. В соответствии с перечис­ленными выше функциями и параметрами структурная схема ПРА имеет вид, представленный па рис. 4.3.

Схема содержит: блок электромагнитной совмести­мости (обеспечивает подавление радиопомех, коррек­цию коэффициента мощности и снижение высших гар­моник в токе, потребляемом аппаратом из сети), блок

задания рабочего тока РЛ и зажигающее устройство (обсспсчиваст совместно с блоком задания рабочего ре­жима зажигание РЛ).

4.1.2.5. Электромагнитные пускорегулирующие аппараты

Базовые элементы электромагнитных пускорегулируюпшх аппаратов

К электромагнитным ПРА относятся аппараты с ре­активными (дроссели, конденсаторы, трансформаторы с большим внутренним сопротивлением) и активными (резисторы) токоограпичивающими элементами и их комбинациями. Осциллограммы напряжения, тока и светового потока РЛ, включенной в промышленную сеть переменного тока с резистором, конденсатором и дросселем приведены на рис. 4.4 [33, 28].

Работа РЛ на переменном токе с резистором в качест­ве токоограничивающего элемента (рис. 4.4,а). В начале каждого полупериода ток почти равен нулю до тех нор, пока напряжение на лампе не достигнет напряжения перезажигания лугового разряда. Далее мгновенные значения напряжения па лампе и тока изменяются в соответствии с динамической ВАХ лампы. В конце по­лупериода при снижении напряжения питания до определенного значения разряд гаспег. В следующий полупериод картина повторяется в обратном направле­нии. Большие паузы тока вызывают сильную пульса­цию излучения и увеличивают напряжение перезажига­ния разряда, что неблагоприятно сказывается па сроке

К

ULL

Излучение

б)

Рис. 4.4. Осциллограммы напряжения питания ис, напря­жения на разрядной лампе ич, тока лампы /л и излучения при работе с базовыми элементами ЭмПРА: а — с резисто­ром (u's — напряжения перезажигания, иГ напряжение горения, и„ — напряжения потухания, ср3 — пауза тока в начале полупериода, срп — то же в конце); 6 — с конденса­тором; в — с дросселем (ф — фаза отставания ил от ис)

службы РЛ. Кроме того, стабилизация разряда при по­мощи резистора на переменном токе, гак же как и па постоянном, связана с большими потерями энергии п резисторе. В силу указанных недостатков единственны - ми практически используемыми вариантами примене­ния резистора в качестве токоограпичиваюшего эле­мента являются ртутпо-накальпые лампы и лампы тле­ющего разряда.

Работа РЛ с конденсатором в качестве токоограничи­вающего элемента (рис. 4.4, б). Конденсатор практиче­ски не ограничивает максимальное значение тока; ею стабилизирующее действие проявляется в ограничении количества зарядов, проходящих через пепь в каждый полупериод. Вследствие этого каждые полпериода воз­никают большие кратковременные броски тока и сле­дующие за ними большие паузы тока и излучения. Та­кой режим работы ламп неприемлем для освещения и пагубно сказывается па сроке службы электродов. Поэ­тому стабилизация разряда с помощью только конден­сатора при работе ламп в промышленной сети пере­менного тока не применяется (кроме ламп ДКсТ).

Работа РЛ с дросселем или трансформатором с боль­шим внутренним сопротивлением в качестве токоограни­чивающего элемента (рис. 4.4, в). В отличие от резисто­ра, дроссель обладает свойством запасать энергию во время прохождения через него тока. Появляющийся благодаря этому сдвиг фаз между напряжением сети и током приводит к уменьшению или полному уничто­жению пауз тока, поскольку к моменту прохождения гока через пуль напряжение сети уже имеет некоторую величину обратного знака и, таким образом, разряд за­жигается вновь, едва успев погаснугь. Уменьшение пауз тока приводит к уменьшению пауз излучения и снижению пиков напряжения перезажигания, что обеспечивает более благоприятные условия работы электродов. Кроме того, поскольку активное сопротив­ление дросселя много меньше его индуктивного сопро­тивления, потери мощности в дросселе оказываются значительно меньшими, чем в резисторном балласте, составляя от 5 до 50% мощности лампы (чем больше мощность лампы, тем меньше относительные потери в дросселе). Указанные достоинства обусловили массо­вое применение дросселей для стабилизации разряда РЛ при работе па переменном токе. В случаях, когда напряжение горения РЛ выше напряжения сети (папр., трубки высокого напряжения), применяют трансфор­маторы с большим магнитным сопротивлением. По своим электрическим характеристикам трансформатор или автотрансформатор с большим магнитным сопро­тивлением эквивалентен сочетанию обычного транс­форматора с дросселем, по выгодно отличается от по­следних меньшей массой, размерами и потерями.

Все многообразие схем электромагнитных ПРА це­лесообразно разделить па 2 большие группы, отличаю­щиеся способом зажигания ламп [69, 35|. Первая груп­па аппаратов обеспечивает прогрев электродов ламп перед подачей па них поджигающего напряжения, вто­рая — нет. Первая группа предназначена для ЛЛ, тре­бующих предварительного подогрева электродов перед зажиганием. Вторая группа предназначена для ламп мгновенного зажигания, не требующих подогрева элек­тродов перед зажиганием.

Схемы электромагнитных пускорегулирующих аппаратов для люминесцентных ламп с предварительным подогревом электродов

Наиболее распространенной из этой группы являет­ся стартерная схема (рис. 4.5), содержащая индуктив­ный (дроссель Др. 1) или емкостно-индуктивный (кон­денсатор С2 и дроссель Др.2) балласт и стартер тлею­щего разряда Ст. При подаче напряжения сети зажига­ется разряд в инертном газе, наполняющем баллон стартера Ст. Разряд наїревает биметаллические контак­ты стартера, и они замыкаются, обеспечивая подогрев электродов ЛЛ гоком, ограниченным балластом. После остывания контактов стартера они размыкаются, и за счет энергии, запасенной в дросселе, возникает им­пульс напряжения, обеспечивающий пробой межэлект - родного промежутка лампы и се зажигание. Конденса­тор С1 (емкость 10000—12000 пФ), расположенный в стартере, уменьшает амплитуду, но увеличивает длите­льность импульса напряжения и время подогрева элек­тродов ЛЛ, т. е. способствует более падежному зажига­нию последней. К тому же С1 подавляет радиопомехи. При горении лампы стартер автоматически отключает­ся, так как его напряжение зажигания больше макси­мального значения напряжения па лампе. В схеме мо­жет использоваться как индуктивный, так и емкостно - индуктивпый балласт, а вместо стартера тлеющего раз­ряда может использоваться электронный стартер.

""15?

1-ламповая, емкостно­индуктивная, некомпенсированная

основных параметров РЛ и напряжения пи гаюшей сети схемные решения ПРА данной группы можно разде­лить па несколько разновидностей.

Простейшие схемы наиболее экономичны, так как состоят только из балластного элемента, обеспечиваю­щего устойчивость пускового и рабочего режимом РЛ. Простейшие схемы пригодны лишь для таких РЛ, у ко­торых напряжение зажигания Us меньше напряжения питающей сети U, а рабочее напряжение U:i на лампе таково, чю m = U, l/U<OJ. При таком соотношении параметров п простейших схемах обеспечивается на­дежное зажигание всех РЛ и требуемая стабильность их характеристик при колебаниях напряжения сети. В ка­честве балласта в большинстве случаев используется дроссель. Типичным представителем указанных схем является схема включения ламп типа ДРЛ (рис. 4.9).

Др

Каждый поджигающий электрод ртутно-кварцевой горелки через резистор R = 10-^ 12 кОм, расположенный внутри наружного баллона, подключается к противопо­ложному основному электроду. Резистор R ограничива­ет ток вспомогательного разряда и уменьшает ток утеч­ки через зажигающие электроды лампы при горении последней.

Все приведенные ниже схемы предназначены для РЛ мгновенного зажигания, у которых U±>и.

Резонансные схемы (рис. 4.10) содержат индуктив­ные L и емкостные С элементы, образующие в режиме холостого хода ПРА последовательный резонансный контур. При подключении РЛ параллельно одному из этих элементов обеспечивается надежное зажигание ламп с Uл >11 |обычпо t/., =(2+ 2,5)(/|. Последователь­ный элемент служит балластом. Из-за отрицательного влияния емкости на форму кривой тока лампы резо­нансные схемы не нашли широкого применения па промышленной частоте. На повышенных же частотах они являются основными схемами включения РЛ, в том числе и с подогревными электродами.

Схемы с трансформаторами или автотрансформатора­ми с большими внутренними сопротивлениями (рис. 4.11) используются для РЛ, у которых т>0,7. Для обеспече­ния зажигания и стабильной работы РЛ трансформатор повышает напряжение сети до необходимого значения, а его внутреннее сопротивление индуктивного характе­ра, пояй'іяющсеся из-за неполной магнитной связи между обмотками при горении РЛ, создает устойчивый режим работы последней. Возможны 2 варианта схем

данного вида: трансформаторная (рис. 4.11,а) и авто­трансформаторная (рис. 4.11,6). Последняя позволяет уменьшить расход стали и меди на изготовление ПРА. а схема на рис. 4.11,а позволяет заземлять средний вы­вод вторичной обмотки для удовлетворения ірсбова - ний техники безопасности. Эта схема используется для включения рекламных газосветных трубок, а схема на рис. 4.11 ,б — для включения НЛНД.

Схемы с импульсным зажигающим устройством (ИЗУ) нашли широкое применение для МГЛ и НЛВД, напряжение зажигания которых составляет несколько кВ (от 1 до 5 кВ). ИЗУ представляют собой генераторы
высоковольтных импульсов, создающие проводящий канал в газовом межэлектродном промежутке [4.6). В этом канале затем формируется плазма сильноточно­го разряда, питаемого через ПРА от сети. Варианты электрических схем совместного включения ПРА и ИЗУ приведены на рис. 4.12.

На рис. 4.12,а представлена так называемая схема «параллельного поджига». ИЗУ имеет 2 вывода и под­ключается параллельно лампе. В этой схеме гок лампы пе протекает через ИЗУ, по высоковольтные импульсы напряжения воздействуют пе только на лампу, но и на балластный дроссель и на соединительные провода межлу дросселем и лампой. Первое обстоятельство обу­словливает достоинства этих схем: простоту, дешевизну и универсальность ИЗУ. Второе же обстоятельство обу­словливает их недостатки: необходимость усиления изоляции балластных дросселей, зависимость парамет­ров выходного импульса ИЗУ от длины подводящих проводов и от конструкции балластного дросселя. По­скольку стандартные балластные дроссели не рассчита­ны на воздействие напряжения свыше 2 кВ, такие схе­мы могут применяться только для ламп с t/3 <2 кВ.

В схеме на рис. 4.12,6 в ИЗУ нет импульсного грансформатора, поскольку его функции выполняет бал/шетный дроссель с отводом. Это, с одной стороны, позволяет получить широкий импульс напряжения с большой амплитудой и уменьшить габариты, массу и стоимость ИЗУ, по, с другой стороны, требует наличия специальных балластных дросселей с отводом и уси­ленной изоляцией.

В схеме па рис. 4.12,в, так называемой схеме «после­довательного поджига», ИЗУ имеет 3 вывода, 2 из кото­рых включаются последовательно с лампой. Хотя ИЗУ последовательного поджига имеют несколько большие потери мощности, размеры и массу (вследствие того, что вторичная обмотка импульсного трансформатора должна быть рассчитана на протекающий через нее ток лампы), эта схема является наиболее распространен­ной, что определяется следующими ее достоинствами:

— балластный дроссель здесь пе подвергается воз­действию высоковольтных импульсов напряжения и поэтому пе требует усиленной изоляции и специальной конструкции;

— выходной импульс ИЗУ не зависит от длины подводящих проводов (имеются в виду соединительные провода между балластным дросселем и лампой) и от конструкции балластного дросселя;

— схема может применяться для зажигания РЛ с Uz до нескольких десятков кВ.

Типичная схема ИЗУ последовательного поджига, (рис. 4.13,а) содержит импульсный трансформатор ИТ, вторичная обмотка W2 которою включена послсдова-
гелыю с лампой, а перничпан W1 подключена к нако­пительному конденсатору CI через неуправляемый симметричный тиристор Т с фиксированным значени­ем напряжения пробоя. Устройство формирует на лам­пе каждый полуиериод несколько импульсов напряже­ния с амплитудой до 5 кВ и длительностью порядка 1 мке (рис. 4.13,6). После зажигания лампы последняя шунтирует зарядную цепь накопительного конденсато­ра С1, вследствие чего ИЗУ автоматически отключает­ся. В случае незажигания лампы или ее отсутствия ИЗУ продолжает іенерировать импульсы.

Основные параметры ИЗУ:

Awuumyda выходных импульсов напряжения Um. В зависимости от типа лампы Um может лежать в пре­делах от 0,8 до 5 кВ.

Длительность (ширина) выходных импульсов норми­руется на определенном уровне напряжения (например па уровне 2,7 кВ при номинальном значении амплиту­ды импульса 5 кВ) и в зависимости от типа ламны мо­жет лежать в пределах от долей мке до нескольких мке.

Фаза генерации импульсов. Фазовый угол момента ге­нерации импульса относительно момента прохождения кривой сетевою напряжения через нулевое значение. Рекомендуемые значения этою угла: 60-90°, 240-270°.

Количество импульсов за период сетевого напряже­ния. В зависимости от типа лампы. ИЗУ и применяемо­го ПРЛ количество импульсов может нормироваться от 1 до нескольких десятков. В случаях, когда импульсы формируются только в один из двух нолупериодов се­тевого напряжения, ИЗУ называют однополупериол - ным. а когда каждый полуиериод — лвухполупериол-

I1MM.

Максима-шю допустимые длительный ток через ИЗУ и потери мощности в нем (только для ИЗУ последова - іельпоіо поджига). Определяются допустимым нагре­вом вторичной обмотки импульсного трансформатора (не более 120—130°С). Потери мощности обычно пе превышают 1% от мощности лампы.

Напряжение вютченин — значение сетевого напря­жения. при котором ИЗУ начинает генерировать им­пульсы. Обычно это напряжение задается в диапазоне 170-198 В ;іля сети 220 В и 320—342 В для сети 380 В. Верхняя граница этого диапазона определяется мини­мально допустимым значением сетевого напряжения, а ппжпяя — максимально возможным напряжением па юрятей лампе (при напряжении па лампе большем напряжения включения ИЗУ последнее будет генери­ровать импульсы при горящей лампе).

Допустимая величина емкостной нагрузки, при кото­рой гарантируются амплитуда и, і_чительность зажигаю­щею импульса. Емкость нагрузки определяется емко - иью лампы, распределенной емкостью подводящих проводов и межвитковой емкостью балластного дрос­селя (. Li я ИЗУ параллельного поджига). В зависимости ні мша ИЗУ допустимая величина емкостной нагрузки н. ічодтся в диапазоне 20—10000 пФ.

Максимально допустимая длина проводов от ИЗУ до :импы. Определяется допустимой величиной емкост­ном нагрузки ИЗУ и может быть определена из соотно­шения: Z. np =СЛ0П /Сг1р. где Luр — длина проводов.

Сдоп — допустимая емкость нагрузки ИЗУ. Спр — ем­кость проводов на единицу длины (в среднем Спр = 75пФ/м). Из этого соотношения следует, что в зависимости от допустимой величины емкостной на­грузки максимальная длина проводов от ИЗУ до лампы может составля ть от 1.5 м до нескольких десятков мет­ров.

Наличие блока отключения. В ряде случаев ИЗУ снабжаются блоками отключения, прекращающими ге­нерацию импульсов в случае, если лампа в течение не­скольких минут не зажигается (эго время зависит от типа и мощности лампы и составляет 1-2 мин для ламп НЛВД и 10-15 мин для МГЛ). Блоки отключения выполняются на базе цифровых микросхем.

Энергия импульсов. Гарантирует переход искрового разряда в дуговой. В настоящее время единые нормы и методика измерения этого параметра отсутствуют.

Компенсация реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности осуществляет­ся подключением конденсатора. В зависимости от схе­мы включения конденсатора различают параллельную и последовательную компенсацию (рис. 4.7).

Параллельная компенсация. Конденсатор с реактив­ной мощностью, равной реактивной мощности балла­стного дросселя, подключается параллельно сети. Этот метод компенсации может быть использован во всех осветительных приборах (с ЛЛ, КЛЛ, ДРЛ. МГЛ, НЛВД). Параллельный конденсатор не оказывает ни­какого влияния па режим работы лампы. Оптимальные расчетные величины емкостей конденсаторов приво­дятся обычно в каталогах, для каждого конкретного типа лампы и дросселя. Приближенные значения ем­костей могут быть рассчитаны по следующей формуле:

С ={106lvW2/2 - Р2) - Pig, ф|/6,28Н/2} мкФ, где С — емкость компенсирующего конденсатора. мкФ; U — напряжение сети. В; У — частота сетевого напря­жения. Гц; Р — активная мощность, потребляемая из сети (мощность лампы + потери мощности в балласт­ном дросселе). Вт; / — ток лампы. A; tg ф = 0,62 при cos9 = 0,85: tg9 = 0,49 при cos9 = 0,9: tg ф = 0,33 при cos ф = 0,95.

При параллельной компенсации конденсаторы дол­жны выдерживать пробивное напряжение 250 В (при номинальном значении сетевого напряжения 220 В).

Последовательная компенсация. Этот вид компенса­ции применяется в основном в светильниках с четным количеством ЛЛ: в половине ПРА конденсатор включа­ется последовательно с дросселем. Поскольку в этом случае конденсатор оказывает прямое атияние на ре­жим работы ЛЛ, допуск па его расчетную емкость не должен превышать ±4%. Для требуемого ограничения тока ЛЛ полное сопротивление последовательно соеди­ненных конденсатора и дросселя должно соответство­вать характеристикам ЛЛ. Конденсатор при последова­тельной компенсации должен быть рассчитан пример­но па удвоенное сетевое напряжение (450 В).

Рекомендуемые значения емкостей компенсирую­щих конденсаторов приведены на диаграмме.

мощность лампы. Вт

емсость конденсатора, *ж<Р

Люминесцентные лачгы Ртутное ламы высокого давлемп Металлогалоеенные ламы Натриевые ламы низкого давления Натриевые ламы высокого давления

4.1.2.6. Электронные пускорегулирующие аппараты Оля люминесцентных ламп

Введение

При всей своей простоте, дешевизне и надежности ЭмПРА имеют такие существенные недостатки, как значительные массу, габариты и потери мощности, ограниченные функциональные возможности, принци­пиально не позволяющие оптимальным образом согла­совывать характеристики питающей сети и источников света, а следовательно, и не обеспечивающие все необ­ходимые режимы зажигания и горения ламп. Следстви­ем этого я&тяются, например, высокий уровень пульса­ций светового потока ЛЛ (из-за малой инерционности люминофоров и процессов в разряде кривая мгновен­ных значений светового потока ЛЛ па частоте 50 Гц практически повторяет в течение каждого полупериода полусинусоиду кривой мгновенной мощности, получа­емой лампой), акустический шум аппаратов, пробле­мы глубокого реіулирования тока лампы. Кроме того, синусоидальная форма тока, которую обеспечивают ЭмПРА на частоте 50—60 Гц, является далеко пе опти­мальной для ЛЛ не только с точки зрения пульсаций светового потока, но и с точки зрения их световой от­дачи и срока службы. Переход па питание ЛЛ током повышенной частоты (>1 кГц) практически полностью исключает пульсации светового потока ламп, увеличи­вает их срок службы и на 10-25% повышает световую отдачу.

Силовая электроника, базирующаяся на монокрис - таллических полупроводниковых приборах с большой наїрузочной способностью и широкими функциональ­ными возможностями, вместе с микроэлекфоникой позволяет создавать электронные пускореі-улируюшие аппараты ЭПРА. полностью удовлетворяющие совре­менным требованиям, предъявляемым к ним ламповой нагрузкой и потребителем.

ЭПРА представляют собой, по существу, источники вторичного электропитания (в соответствии с определе­нием. принятым в преобразовательной технике, это устройства, предназначенные для преобразования вход­ной электроэнергии переменного или постоянного на­пряжения с целью обеспечения электропитанием на­грузки при заданном виде и качестве электроэнергии на выходе), предназначенные для работы с такой специ­фической нагрузкой, какую представляют из себя ЛЛ.

Благодаря наличию нескольких ступеней преобра­зования энергии (см. структурную схему ЭПРА на рис. 4.15) ЭПРА обладают практически нсофаничеп - ными функциональными возможностями, позволяю­щими выполнять все операции по преобразованию энергии, которые необходимы для формирования опти­мальных пусковых и рабочих режимом ЛЛ, согласова­ния работы комплекта с питающей сетью и удовлетво­рения требований потребителя. Это обеспечивает ЭП РА следующие преимущества по сравнению с ЭмПРА:

1) увеличение световой отдачи (па 10-25%) и срока службы (па 20-30%) ЛЛ, как полезного, так и полного, о чем свидетельствуют кривые спала светового потока ЛЛ при работе с ЭмПРА и ЭПРА (см. рис. 4.14);

отн. световой поток системы [%]

100

Рабочий ресурс в часах [тыс.]

Рис. 4.14. Кривые спала светового потока ЛЛ при работе с ЭмПРА и ЭПРА

2) снижение в 1,5—2 раза потерь мощности в Г1РА;

3) практическое отсутствие пульсаций светового потока ЛЛ и акустического шума ПРА;

4) возможность реі-улирования и стабилизации све­тового потока. В связи с широким внедрением систем управления освещением, это свойство ЭПРА становит­ся сейчас особенно значимым;

5) снижение массы (в несколько раз по сравнению с ЭмПРА) и возможности варьирования геометрии ПРА открывают широкие перспективы по оптимиза­ции конструкции светильников и созданию новых ЛЛ со встроенными ПРА (например, КЛЛ со встроенными в адаптер миниатюрными ЭПРА);

6) возможность формирования тока лампы практи­чески любой формы и частоты — от НЧ (десятки и сот­ни Гц) до ВЧ (лесягки и сотни кГц) и СВЧ (десятки МГц) — открывает широкие перспективы по созданию новых ламп. Целый ряд появившихся в последние годы новых ИС уже пе могут работать в схемах с ЭмПРА и рассчитаны на работу только с ЭПРА (например, но­вые линейные ЛЛ в колбах диаметрами 7 и 16 мм, ма­ломощные МГЛ для передних фар транспортных средств, безэлектродные ИС и др.);

7) возможность внедрения люминесцентного осве­щения в ОУ с питанием от источников постоянного тока (транспортное и аварийное освещение, подсветка жидкокристаллических индикаторов и т. п.).

Структурная схема электронных пускорегулирующих аппаратов

В соответствии со структурной схемой (рис. 4.15) в состав ЭПРА входят следующие основные блоки [4.7):

Фильтр подавления радиопомех (рис. 4.16). Для по­давления высокочастотных помех, создаваемых ЭПРА в питающей сети, используются П-образные или двой­ные П-образные фильтры из индуктивностей в неско­лько мГп и емкостей до 1000 пФ. Как правило, допол­нительно для этой же цели включается емкость поряд­ка единиц нФ между одним из питающих проводов и заземляющим проводом.

Выпрямитель. Устанавливается в случае работы комплекта от сети переменного тока. В качестве вы­прямителя, как правило, используется стандартный выпрямительный мост, рассчитанный па соответствую­щие токи и напряжения.

Др

НИ"

Рис, 4.16. Фильтр подавления радиопомех

Выходной блок. Обеспечивает согласование выход­ных характеристик инвертора с пусковыми и рабочими характеристиками ЛЛ. Как правило, выходной блок представляет собой резонансный LC-контур, дроссель которого включен последовательно, а конденсатор — параллельно лампе [4.10|. Если резонансная частота контура LC совпадает или близка к частоте первой гар­моники выходного напряжения инвертора, то полное сопротивление контура для этой гармоники будет определяться только сопротивлением электродов лам­пы и активным сопротивлением дросселя, и п контуре протекает ток, быстро прогревающий электроды и со­здающий па конденсаторе высокое резонансное напря­жение, достаточное для зажигания лампы. В рабочем режиме лампа шунтирует конденсатор и ток через нее определяется в основном дросселем. Благодаря просто­те, резонансная схема нашла очень широкое примене­ние. Одна ко при сс использовании надо учитывать, что высокое напряжение, возникающее па реактивных эле­ментах схемы сразу после включения инвертора, может зажечь лампу при недостаточно прогретых электродах. В этом случае ток лампы увеличивается за счет меха­низма ионной бомбардировки электродов, что приво­дит к их интенсивному распылению и снижению срока службы ЛЛ. Согласно [4.3| цена включения, т. е. умень­шение срока службы ЛЛ при каждом зажигании, со­ставляет при зажигании с нспрогрстыми электродами 3-4 часа. Этот недостаток можно устранить нескольки­ми способами, основные из которых следующие:

— шунтирование конденсатора позисгором — нели­нейным резистором с положительным темперагурпым коэффициентом (рис. 4.19):

- варьирование частоты инвертора или уменьше­ние его выходного напряжения в период пуска лампы таким образом, чтобы во время проірева электродов (пе менее 0,4 с) напряжение на лампе было недостаточ­но для ее зажигания (обычно для этого в 1,5—2 раза увеличивают частоту инвертора или уменьшают выход - 1

HL

2'

Вход

О---------- *----

€

Рис. 4.20. Огибаюшие напряжения па лампе мл, тока лам­пы /л и тока подогрева электродов /п при ждущем зажиіа-

нос напряжение инвертора путем амплитудного или широгпо-импульспого реіулирования).

Перечисленными способами можно добиться так называемого «ждущего» зажигания, при котором пена включения равна 0 часов. Качественная картина огиба­ющих тока и напряжения па ЛЛ при ждущем зажига­нии приведена па рис. 4.20.

Количественные характеристики этой картины можно определить из следующей формулы [4.11|:

'п=Ж'тіп - Цьс)

устанавливающем связь между минимальным временем /„ проірева электродов и минимальным током подогре­ва /min. Значения коэффициента а и тока laj, c (тока, нагревающего электроды до минимальной необходи­мой температуры за длительное время) определяются экспериментально.

С целью исключения из состава аппарата намоточ­ных элементов известны попытки использования в вы­ходном блоке пьезокерамического трансформатора (ПТ) [4.12], обладающего идеальной ВАХ с точки зрения со­вместной работы с РЛ (выходное напряжение ПТ на холостом ходу может составлять несколько кВ, что до­статочно для зажигания большинства РЛ, а под нагруз­кой характер ВАХ ПТ кругопадающий, что позволяет стабилизировать ток РЛ без дополнительных токоогра­ничивающих элементов).

ПТ (рис. 4.21) содержит не менее 3-х электродов / толщиной 10-20 мкм, нанесенных на поверхность пъе-
зокерамического тела. Электроды возбудителя 2 служат лля подачи напряжения поляризапии к керамическому телу J. Электроды генератора 4 — для снятия транс­формированного напряжения и подачи его па лампу. Форма ПТ может быть самой различной: пластинчатой (рис. 4.21,а). дисковой (рис. 4.21, 5). кольцевой (рис. 4.21, в), стержневой (рис. 4.21, г) и т. д.

Гхли Э11 РЛ предназначен для работы с безэлект- родной ЛЛ. то в качестве выходного каскада использу­ется ферритовый индуктор, находящийся в электромаг­нитной связи с разрядным промежутком лампы (рис. 4.22) [4.131.

Управляющий блок предназначен для управления транзисторами инвертора и импульсного регулятора. В большинстве случаев управляющий блок выполнен па базе интегральных микросхем, в т. ч. специально разработанных для использования в ЭПРА. С целью корректировки выходных параметров ЭПРА в соответ­ствии с состоянием ЛЛ, в схему моїуг быть введены пени обратной связи, передающие информацию о ре­жиме лампы ( гок, мощность, световой ноток) на управ­ляющий блок. Для схемотехнической реализации управляющего блока перспективным является исполь­зование микроконтроллеров. Появление недорогих простейших 8-разрядпых микроконтроллеров с флэш - памятью открывает перед разработчиками большие возможности по созданию систем, способных програм­мно адаптироваться под нужды потребителя без внесе­ния изменений в аппаратную часть.

Универсальные электронные пускорегулирующие аппараты

С целью сокращения ассортимента аппаратов и их унификации возможно создание универсальных ЭПРА, способных работать с ЛЛ разных мощностей. Первый путь создания таких аппаратов — это формирование крутопадаюшей внешней характеристики. Выходной ток таких аппаратов практически пе зависит от напря­жения на лампе. Это наиболее простой способ созда­ния универсальных аппаратов, но он оіраничивает но­менклатуру лампами, имеющими один и тот же номи­нальный гок. Второй путь создания универсальных ап­паратов базируется на цифровой технологии и расши­ряет возможности применимости ЭПРА на ЛЛ, отлича­ющиеся не только напряжением, но и током. Эти ЭПРА автоматически подстраиваются под рабочие ха­рактеристики ЛЛ. Во время первого зажигания микро­процессорная схема в течение нескольких минут диа­гностирует подключенную к аппарату лампу. Схема производит измерение характеристик ЛЛ. сравнивает их с парамеїрами, занесенными в память микропро­цессора и выводит лампу па ее оптимальный режим. Характеристики этого оптимального режима остаются в памяти микропроцессора. Все последующие - зажига­ния происходят уже сразу в оптимальном режиме.

Компактные люминесцентные лампы со встраиваемыми электронными пускореі'у. іирующими аппаратами

Одним из самых массовых применений ЭПРА яви­лось их использование совместно с КЛЛ |4.14]. Создан­ные таким образом новые осветительные устройства состоят из установленного на резьбовом цоколе адапте­ра со встроенным в пего миниатюрным ЭПРА. в кото­рый вставляется четырехштырьковая двухкапальная или многоканальная КЛЛ. Существуют 2 конструкции таких устройств: неразъемная — лампа и адаптер пред­ставляют неразборное соединение, и разъемная — лам­па присоединяется к адаптеру через разъем. В связи с конструктивной простотой и меньшим количеством переходных контактов наиболее распространенной яв­ляется первая конструкция. Варианты неразъемных КЛЛ показаны на рис. 4.23.

4.1.2.7. Электронные пускорегулирующие аппараты для разрядных ламп высокого давления

Работы по созданию ЭПРА для РЛВД были начаты позже работ над ЭПРА для ЛЛ. Причины этого следую­щие: а) меньшая заинтересованность потребителей в таких аппаратах, поскольку световая отдача РЛВД па повышенных частотах почти пе растет, а уровень пуль­
саций светового потока в ОУ наружного освещения (основных потребителях РЛВД) пе играет такой важ­ной роли, как в ОУ с ЛЛ; б) проблема «акустического резонанса»; в) отсутствие мощных надежных дешевых транзисторов. Однако проіресс в электронике и широ­кое внедрение в технику освещения РЛВД относитель­но небольшой мощности (от 20 до 150 Вт) стимулиро­вали работы по созданию ЭПРА для РЛВД. В 90-е годы были разработаны такие ЭПРА для МГЛ и НЛВД мощ­ностью до 150 Вт. В настоящее время имеются разра­ботки ЭПРА для РЛВД мощностью до 1000 Вт.

Препятствием для высокочастотного питания РЛВД могут быть искажения разряда акустическими волнами, создаваемыми быстрыми изменениями давления, вы­зываемыми. в свою очередь, быстрыми изменениями температуры плазмы при протекании через нее пере­менного тока. На повышенных частотах (десятки кГц) длина этих волн становится соизмеримой с межэлект - родпым расстоянием внутри горелки, в результате чего возможно возникновение стоячих волн, получившее название «акустический резонанс». Эго явление может приводить к искажениям разрядного канала, его иск­ривлению, а следовательно к локальному перегреву стенок разрядной трубки и ее растрескиванию. Кроме гою, акустическому резонансу сопутствуют такие не­желательные явления, как увеличение напряжения на лампе и. как следствие, нестабильность светового пото­ка и даже погасание разряда.

В связи с проблемой «акустического резонанса» раз­работка ЭПРА для РЛВД ведется по двум структурным схемам — высокочастотной (>20 кГц), совпадающей со структурной схемой ЭПРА дли ЛЛ (см. рис. 4.15) и низ­кочастотной (десятки и сотни Гц) — рис. 4.24.

В высокочастотном варианте проблема «акустиче­ского резонанса» решается либо путем выбора диапазо­на частот, свободных от этого явления, либо на основе инвертора с качающейся выходной частотой. В низко­частотном варианте эта проблема решается путем рабо­ты па частотах, заведомо свободных от «акустического резонанса», а именно — 50—200 Гц. При этом для лине­аризации динамической ВАХ ламп используется пря­моугольная форма тока через них. В отличие от высо­кочастотной схемы, низкочастотная содержит допол­нительный блок — стабилизатор тока, выполненный по схеме импульсного ВЧ-рсгулятора, но из нее исключен выходной блок (т. к. его функции выполняет дополни-

I 2 3

тельный блок 5 — стабилизатор тока), а инвертор слу­жит только для периодического изменения полярности тока лампы (с частотой 50—200 Гц) с целью обеспече­ния симметричной работы электродов и недопущения возникновения катафореза.

4.1.2.8. Схемы импульсного питания разрядных ламп

Отдельного рассмотрения заслуживают схемы пита­ния РЛ импульсами гока с коэффициентом заполнения до 0,1 и частотой повторения от сотен Гц до десятков кГц. В паузах между импульсами через лампу может протекать небольшой ток, обеспечивающий дежурный разряд. Такой способ питания имеет следующие досто­инства: 1) используя инерционные свойства разряда, на базе этого способа возможно создание так называе­мых «безбадластных» ЭПРА, в которых отсутствует пассивный токоограничивающий элемент, а его функ­ции выполняются динамической стабилизацией гока путем автоматического варьирования коэффициента заполнения импульсов тока; 2) дополнительное увели­чение световой отдачи ЛЛ (на 10—20%) по сравнению с ВЧ-питанисм в режиме без пауз тока; 3) возможность повышения, а следовательно и регулирования цветовой температуры разряда ВД [4.131. Схемы, реализующие импульсный способ питания, строятся по известной структурной схеме ЭПРА (рис. 4.15) и отличаются от известных схем ЭПРА более сложным алгоритмом управления силовыми транзисторами инвертора.

4.1.2.9. Электронные пускорегулирующие аппараты с одноступенчатым преобразованием энергии

Используемое в ЭПРА многоступенчатое преобра­зование энергии (выпрямление переменного тока, кор­рекция коэффициента мощности, преобразование по­стоянного гока в переменный) наряду с положительны­ми сторонами (широкие функциональные возможно­сти) влечет за собой повышение сложности и стоимо­сти аппаратов, снижение их КПД и надежности. В свя­зи с этим в последнее время появился ряд сообщений [4.15, 4.16] о разработке так называемых одноступенча­тых ЭПРА, в которых коррекция коэффициента мощ­ности и преобразование постоянного напряжения в ВЧ переменное выполняются одним блоком. Один из при­меров такого блока представлен на рис. 4.25.

Выполнение здесь одним блоком одновременно не­скольких функций — повышение и регулирование вы­ходного напряжения выпрямителя, коррекция коэффи­циента мощности, стабилизация тока лампы — дости­гается как схемным путем (подключение (+) выпрями­теля В через дополни тельный дроссель Др к обшей точ­ке транзисторов Т1 и Т2 инвертора и подключение (—) сглаживающего копленсатора С через 3 дополнитель­ные диода к обоим вывода выпрямителя и к обшей точке транзисторов инвертора), так и использованием асимметричной работы транзисторов инвертора. По су­ществу, нижний транзистор Т2 полумоста инвертора при такой конфигурации выполняет помимо своей основной функции — функцию корректора коэффици­ента мощности и импульсного рсіулятора постоянного напряжения. Параметры аппарата в приведенном при­мере следующие: диапазон изменения сетевого напря­жения 80—260 В, несимметрия длительностей открыто­го состояния транзисторов 0,23—0,77; рабочая частота 45 кГц; мощность лампы 40 Вт; коэффициент мощно­сти 0.98: КПД 0.91; напряжение на лампе в режиме предварительного разогрева электродов 150 В (т. е. ап­парат обеспечивает ждущее зажигание ЛЛ).

Еще один пример одноступенчатого ЭПРА, но вы­полненного уже только па одном ключе, представлен на рис. 4.26.

Корректор коэффициента мощности, собранный по схеме Кука, выполняет здесь одновременно и функции инвертора (работает в классе «Е»). Параметры аппарата в этом примере следующие: номинальное напряжение сети 110 В; коэффициент мощности 0,972; мощность лампы 40 Вт; частота тока через лампу 50 кГц.

Однако, несмотря на очевидную привлекательность одноступенчатых ЭПРА, информации об их промыш­ленном выпуске пока пет. что связано, по-видимому, с проблемами оптимального совмещения в одном блоке нескольких функций.

4.1.2.10. Принципы расчета пускорегулирующих аппаратов для разрядных ламп

Расчету схем и конструкций ПРА посвящена об­ширная литература [4.3—4.51. Схемы рассчитываются, в основном, с использованием алгебраической аппрок­симации вольт-секундпых характеристик РЛ, а конст­рукции — с применением графических построений об­ласти допустимых значений индукции в магнитопрово - де и плотности тока в катушке дросселя. Выполнение всех расчетов предполагалось с использованием каль­кулятора. Были сделаны попытки создания расчетных программ лля ЭВМ [4.17|, по они были пе гибкими, не позволяли вмешиваться в процесс расчета и учитывать параметры разрядных ламп в непоминальных и анома­льных режимах.

Современные методы расчета ПРА для массового производства должны быть интерактивными, нагляд­ными, допускать простое изменение исходных условий для производства многовариаптных расчетов и поиска оптимального варианта. Такие программы в настоящее время созданы в системе компьютерной математики MATLAB, которая имеет мощные средства диалога, графики и комплексной визуализации [4.18, 4.19[. Сис­тема MATLAB широко используется па персональных ЭВМ.

Расчет схем ПРА

Расчет схем ПРА на промышленной и повышенной частотах, при импульсном питании и в схемах с дина­мической стабилизацией гока целесообразно произво­дить с использованием математических моделей в под­системе визуального моделирования SIMULINK, вхо­дящей в систему MATIAB. Для пользователя это кон­структор, с помощью которого можно соединять бло­ки, соответствующие отдельным элементам, в единую систему и изучать поведение системы во времени, из-

Блок управления

И шерители

Рис. 4.27. Модель индуктивного I1PA с ЛЛ мощностью Рис. 4.28. Модель импульсного ПРА с НЛВД мощностью

100 Вт

мерять элекфические режимы элементов и частей сис­темы [4.20[. Большое количество блоков имеется в биб­лиотеках SIMULINK, блоки, моделирующие электри­ческие характеристики РЛ, приведены в [4.21 -4.231.

В качестве примера рассмотрим модель индуктив­ного ПРА к ЛЛ мощностью 40 Вт, которая показана на рис. 4.27. На этом рисунке модель ЛЛ включена после­довательно с дросселем, параметры которого L — ин­дуктивность, R1 — активное сопротивление обмотки, R2 — сопротивление, учитывающее потери в стали. Модель лампы реализует дифференциальную аппрок­симацию ее электрических характеристик и, как при­нято в SIMULINK, включает измерительные блоки. Измеряемые величины с выхода Outl подаются на дис­плеи и осциллоскопы. Дисплеи индицируют: напряже­ние па лампе U1. мощность Р1 и ток II лампы. На осциллоскопах можно наблюдать напряжение U11 и ток 111 лампы. Питающее напряжение подается в схему с выхода генератора G. Это напряжение может быть любой величины, частоты и формы. Для измерения на­пряжения и тока дросселя к нему так же легко моїут подключаться измерители с дисплеями и осциллоско­пы. Расчеты по этой модели заключаются в подборе параметров дросселя, обеспечивающих заданный ре­жим лампы, или в измерении парамефов лампы при заданных параметрах дросселя.

Возможен учет нелинейной характеристики дроссе­ля, которая может быть получена кусочно-линейной аппроксимацией его вебер-амперной характеристики. Приведенная модель позволяет рассчитывать как ин­дуктивные, так и индуктивно-емкостпые ПРА, а так же резистивные, полупроводниковые и др. При этом эле­менты схемы ПРА включаются вместо балластного дросселя, и их режимы так же легко моїут быть изме­рены.

Для работы с лампами другой мощности и с лампа­ми НЛВД надо применять модели соответствующих ламп из библиотеки моделей РЛ, сообщение о которых имеется в [4.23]. В библиотеке имеются также модели аномальных режимов: односторонней проводимости, повышенного и несимметричного напряжения горения и перезажигания. Такие модели могут включаться в схему ПРА так же, как это показано на рис. 4.27 для модели ЛЛ мощностью 40 Вт.

На рис. 4.28 приведена более сложная схема импу­льсного ПРА с инициирующим генератором для НЛВД мощностью 100 Вт. Здесь маломощный инициирую­щий генератор высокочастотного тока Gi поддерживает дежурный разряд в лампе. Импульсы напряжения по­даются на лампу через управляемый переключатель от источника постоянного напряжения 180 В. Под­ключенные измерители позволяют фиксировать элект­рические режимы и наблюдать осциллофаммы напря­жения и гока лампы.

Модель, приведенная на рис. 4.28, показывает ши­рокие возможности моделирования схем ПРА в среде MATLAB-SIMULINK. Такие модели обеспечивают хо­рошую точності, расчетов. Пофешности при анализе «простых» схем не превышают 2+3%, и даже «слож­ные» схемы обеспечивают хорошее качественное соот­ветствие с опытными данными.

Конструктивный расчет дросселей ПРА

Конструктивный расчет ПРА практически сводится к расчету дросселя, так как остальные элементы (кон­денсаторы, резисторы, стартеры) являются покупными. Трансформаторы в современных ПРА, работающих на промышленной частоте, применяются редко.

Конструктивный расчет дросселя основан на мето­дике, изложенной в [4.4]. Серия профамм DROSL М позволяет автоматизировать все ручные операции, и расчет одного варианта дросселя занимает несколько минут. На рис. 4.29 приведен эскиз современного Ш-образного магнитогіровода дросселя ПРА, па кото­ром указаны все его размеры.

В качестве исходных данных для расчета использу­ются три безразмерных коэффициента, которые моїут выбираться весьма произвольно:

• т = А/а,

• п =Aa/{2t(h - Д)},

• е = Ь / Д.

Далее в соответствии с этими коэффициентами, технологическими коэффициентами (заполнения, теп-

b

лоотлачи. удельных потерь в обмотке и ст&іи магни - гопронола и др.) и ограничениями по температуре пе­регрева в рабочем и аварийном режимах, допустимым потерям и допустимой нелинейности вольт-ампсрной характеристики дросселя гіроірамма определяет об­ласть допустимых значений максимальной индукции и плотности тока (рис. 4.30).

В рабочей точке значения индукции Вт и плотно­сти тока j являются максимально возможными, при ко­торых выполняются все оіраничения. Из рисунка вид­но, что критическими ограничениями являются огра­ничения по потерям и нелинейности ВАХ. Ограниче­ния но перегреву в рабочем и аварийном режимах вы­полняются с некоторым запасом.

Значения индукции Вт и плотности тока j вводятся в программу, которая рассчитывает все параметры дросселя. Программа DROSLM позволяет рассчиты­вать дроссели на Ш-образном, П-образном и разо­мкнутом магнитопроводе при различном расположе­нии катушек. При расчете дросселя на заданном фор­мате пластин магнитопровода варьируется коэффици­ент т. Программа DROSL M позволяет производить и расчеты трансформаторов, при этом их параметры должны приводиться к параметрам эквивалентного дросселя.

Специализированная программа автоматизированного проектирования ЭПРА ВЧ

Для упрощения процедуры создания наиболее рас­пространенного в настоящее время ЭПРА ВЧ фирма International Rectifier разработала программу автомати­зированного проектирования, получившую название Ballast Design [4.24|.

Программа автоматизирует процесс проектирова­ния ЭПРА на базе новейших 600-вольтовых контролле­ров IR2167, IR2166, IR2159, IR2157, IR2156, обладаю­щих высокой степенью интеграции функций управле­ния режимами работы и защиты. Программа поддер­живает проектирование регулируемых ЭПРА, аппара­тов с постоянной мощностью на лампе, аппаратов для линейных и компактных ЛЛ как одиночных, так и групповых с параллельным и последовательным соеди­нением ламп. Последний вариант программы поддер­живает 39 типов ЛЛ и 7 конфиі-ураций ЭПРА и, кроме того, позволяет дополнять библиотеку новыми типами ламп. Пользователю доступен выбор из более чем 20-ти параметров, включая частоту, напряжение, ток и пара­метры компонентов.

4.1.3. Пускорегулирующие аппараты для галогенных ламп накаливания низкого напряжения

Одной из разновидностей ПРА, используемых в светотехнике, являются понижающие трансформаторы для питания ГЛН НН, рассчитанных на напряжения 6, 12 и 24 В. Роль таких трансформаторов — согласование рабочего напряжения ламп с напряжением сети. Испо­льзуются 2 вида таких трансформаторов — электромаг­нитные и электронные, представляющие собой полу­проводниковые преобразователи напряжения.

Электромагнитные трансформаторы просты, дешевы, по имеют значительные массу и габариты и могут обес­печить реіулирование и стабилизацию тока лампы то­лько путем установки на их входе регулятора сетевого напряжения.

Электронные трансформаторы (ЭТ) сложнее, доро­же, но имеют существенно лучшие массо-габаритные показатели и более высокий КПД. Кроме того, ЭТ обеспечивают ограничение пускового и стабилизацию рабочего тока ламп, что положительно сказывается на сроке службы ламп. Структурная схема ЭТ представля­ет собой упрощенный вариант структурной схемы ЭПРА для ЛЛ (рис. 4.15), в которой отсутствуют кор­ректор коэффициента мощности и выходной каскад.

Большинство ЭТ снабжено элементами зашиты от перегрузок по току, к. з. и перегревов. При к. з. на выхо­де ЭТ в течение нескольких миллисекунд отключается. После устранения к. з. ЭТ, как правило, автоматически возвращается в рабочее состояние. Электронный эле­мент зашиты автоматически снижает выходную мощ­ность при перегрузке. Так же автоматически происхо­дит снижение выходной мощности ЭТ и при превыше­нии допустимой температуры корпуса или окружающе­го воздуха.

го тока; б) стабилизация тока через СД при изменени­ях температуры и колебаниях напряжения источни­ка питания; в) при необходимости, регулирование тока СД.

4.1.5.2. Схемы пускорегулирующих аппаратов

при питании от источников постоянного тока

В простейшем случае лля подключения СД к источ­нику постоянного тока используется токоограпичиваю - ший резистор (рис. 4.34). Недостатком этой схемы яв­ляются большие потери мощности в резисторе. Кроме того, в зависимости от числа включенных СД необхо­димо изменять сопротивление R, чтобы обеспечить требуемое значение тока нагрузки. При этом колебания сетевого напряжения вызывают соответствующие коле­бания тока через СД. Н связи с этим простейшая схема применяется только в случаях, когда энергетические показатели светового прибора не имеют существенного значения (папример. светосигнальные приборы с небо­льшим количеством СД).

R

+о-

Рис. 4.34. Простейшая схема 'СД включения СД в сеть посто­янною тока

-О-

В случаях, когда требуется высокий КПД, использу­ется электронный узел стабилизации тока (рис. 4.35), в качестве которого могут быть использованы импуль­сные ршуляторы.

+о

Рис. 4.35. Схема включения ; СД СД в сеть постоянного тока через электронный стабили­затор

Помимо высокого КПД, схемы с электронным уз­лом стабилизации обеспечивают возможность регули­рования светового потока СД.

4.1.5.3. Схемы пускорегулирующих аппаратов

при питании от источников переменного тока

Схемы ПРА при питании от источника переменно­го тока могут быть построены на базе схем, представ­ленных на рис. 4.34 и 4.35, путем включения па их вхо­де сетевого выпрямителя. При этом сохраняются сде­ланные выше выводы о достоинствах и недостатках этих схем.

Помимо перечисленных выше специальных схем, для питания СД моїут быть применены уже существу­ющие источники стабилизированного переменного тока, предназначенные, например, для питания рек­ламных неоновых трубок [4.14|. Они представляют со­бой трансформаторы с рассеиванием и являются ис­точниками стабилизированного переменного тока око­ло 30 мА. При подключении СД к этому источнику по схеме рис. 4.36 каждая цепочка светодиодов питается пульсирующим током одного направления с действую­щим значением примерно 20 мА.

сд

Рис. 4.36. Схема читання двух цепей СД от стаби­лизированною источника гока переменною напря­жения

СД

Так как трансформатор имеет напряжение холосто­го хода ог 1000 до 8000 В, то существует возможность подключения к нему от нескольких сотеп до несколь­ких тысяч СД.

4.1.6. Особенности конструкции пускорегулирующих аппаратов

4.1.6.1. Особенности конструкции ЭмПРА

Основным элементом ЭмПРА является балластный дроссель, трансформатор иди автотрансформатор с рассеянием [4.4|. Магнитная система всех этих элемен­тов состоит из магнитопровода и катушек. При этом маї нитопровод должен иметь воздушный зазор для обеспечения рабочего гока определенного значения и требуемой кратности пускового тока.

В зависимости от назначения, к ПРА предъявляется комплекс требований, в том числе по массо-габарит - пым показателям, уровню шума и т. п., которые суще­ственно ограничивают выбор типа конструкции. На­пример, ПРА для ЛЛ обычно должны иметь минималь­ное поперечное сечение, в то время как к ПРА для ламп ВД такое требование не предъявляется. ПРА, рас­считанные на массовый выпуск, должны обеспечивать возможность использования высокой степени механи­зации и автоматизации производства.

Предъявляемым к ПРА требованиям в наибольшей степени удовлетворяет традиционная Ш-образпая сис­тема (рис. 4.37). Эта система имеет высокую теплопро­водность, жесткую конструкцию, улучшающую акусти­ческие характеристики ПРА, и является оптимальной с точки зрения автоматизации производства.

Форма пластин может быть самой разнообразной (см. рис. 4.38) и определяется, в основном, технологи­ческими особенностями предприятий-изготовителей

Задачу создания ПРА с малым поперечным сечени­ем оказалось возможным решить с помошью той же Ш-образной магнитной системы, но с удлиненной ка-

Основной причиной акустического шума ПРА яв­ляются электромеханические напряжения, возникаю­щие между обмотками и магнитопроводом при смене полярности тока. Результатом этого является вибрация аппарата, передающаяся через узлы крепления на све­тильник. Поэтому шум излучается не только аппара­том. но и светильником. В связи с этим осноиные меры борьбы с акустическим шумом следующие.

I. Уменьшение нолей рассеяния и повышение же­сткости конструкции ПРА с целью снижения уровня его вибрации.

2. Установка аппарата в светильнике через аморти­зирующие прокладки, гасящие вибрацию, передавае­мую от ПРА к светильнику.

3. Переход на повышенные частоты питания (>20 кГц), не слышимые человеческим ухом. Послед­нее успешно реализуется в ЭПРА.

4.1.7. Государственные и международные стандарты, устанавливающие требования к ІІРА

Общие требования, требования безопасности и ра­бочие характеристики ПРА устанавливаются следую­щими стандартами:

Следует отметить, что ГОСТ 16809 и ГОСТ 8799 с 1991 года приняты в качестве межгосударственных стандартов стран СНГ, а стандарты вида ГОСТ Р МЭК... приняты в качестве национальных государст­венных стандартов России. Последние аутентичны по содержанию соответствующим стандартам МЭК и раз­работаны по схеме, принятой в подкомитете (ПК) 34 С МЭК «Устройства вспомогательные для ламп» техниче­ского комитета (ТК) 34 МЭК «Светотехнические изде­лия» и действующей до 2000 г.

В настоящее время в ПК 34 С МЭК принята схема, которая предусматривает наличие общего стандарта МЭК 61347-1, устанавливающего общие требования и требования безопасности ко всем устройствам управле­ния лампами, а также комплекса частных стандартов, устанавливающих специальные частные требования для конкретных групп устройств.

Принятая схема отменила ряд стандартов: МЭК 60920, МЭК 60922, МЭК 60924, МЭК 60926, МЭК 60928, МЭК 61048, устанавливающих общие требова­ния и требования безопасности конкретных ірупп устройств управления лампами, заменив их частными стандартами, действующими совместно с МЭК 61347-1, оставив при этом действовать стандарты, уста­навливающие требования к рабочим характеристикам: МЭК 60921, МЭК 60923, МЭК 60925, МЭК 60927, МЭК 60929, МЭК 61047.

В итоге новая схема стандартов МЭК на устройст­ва управления лампами построена следующим обра­зом:

4.1.8. Требования безопасности, особенности эксплуатации и срок службы IIPA

С целью обеспечения безопасности и срока службы ПРА к ним предъявляются следующие требования: к заземлению, к защите от случайного ирикоснонения, к сопротивлению и электрической прочности изоля­ции. к наїреву, теплостойкости и огнестойкости. Пере­численные требования не отличаются принципиально от аналогичных іребований, предъявляемых к другим изделиям электротехники и электроники. Однако не­которая специфика, определяемая особенностями экс­плуатации и ламповой нагрузкой, есть, и в первую оче­редь это относится к тепловым характеристикам.

Тепловые характеристики ЭмПРА

Надежность ЭмПРА зависит, в основном, от нагре - востойкости изоляции обмоточного провода, г. е. от класса изоляции, и от реального наїрева аппарата в процессе эксплуатации. Для каждого класса изоляции установлена максимальная нормируемая рабочая тем­пература tw (температурная маркировка), при которой ожидается, что дроссель » светильнике будет иметь срок службы не менее 10 лет. Отступление от значения V например, на 10°С в большую (или меньшую) сторо­ну приводит к снижению (или увеличению) срока службы аппарата в 2 раза.

Реальная температура обмотки при эксплуатации определяется температурой окружающей среды ta (тем­пература в светильнике) и превышением температуры обмотки Д/ (определяется собственным наїревом аппа­рата. зависящим от потерь мощности, конструкции и іабаритов) над температурой окружающей среды. Та­ким образом, для того чтобы гарантировать заданный

срок службы ПРА, в процессе его эксплуатации дол­жны обеспечиваться 2 условия: в рабочем режиме:

^раб — "*■ ^раб —

где /раб — температура обмотки дросселя в рабочем ре­жиме; А/раб - превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды; в аномальном режиме:

^ан =^а + — ^woh’

где taII — температура обмотки дросселя в аномальном режиме; Д/0„ — превышение температуры обмотки пал температурой окружающей среды; twaH — предельная температура обмотки в аноматьном режиме (определя­ется классом изоляции).

С целью обеспечения правильной эксплуатации ПРА изготовители указывают в маркировке значения tw, А/раб и Л, ои - Превышение температуры в аномаль­ном режиме не указывается, если ПРА предназначен для схем, не создающих аномальные режимы.

Превышение температуры обмотки (At) над темпе­ратурой окружающей среды определяют методом «из­менения сопротивления» и вычисляют по формуле:

R — R

^ — ^аг = " „ (235 + /ох) + /ох — /01 ,

к

где /, — температура обмотки в нагретом состоянии, °С; tar — температура окружающей среды при измере­нии сопротивления обмотки в нагретом состоянии, °С; Лг — сопротивление обмотки в паїретом состоянии. Ом; Rx — сопротивление обмотки в холодном состоя­нии, Ом; /ах — температура окружающей среды при из­мерении сопротивления обмотки в холодном состоя­нии, °С.

Срок службы ЭмПРА подтверждается ускоренными тепловыми испытаниями аппаратов. Рекомендуемая продолжительность испытаний 30, 60. 90, 120 суток. Температура испытаний зависит от значения tw и от выбранной продолжительности испытаний. При нали­чии в составе ПРА конденсаторов недопустимо превы­шать верхний предел их разрешенною температурного диапазона. Повышение температуры конденсаторов всего на 5°С сокращает срок их службы в 2 раза.

Срок службы ЭПРА определяется надежностью вхо­дящих в его состав элекгрорадиоэлементов (транзисто­ры. диоды, конденсаторы, микросхемы, трансформато­ры, дроссели), а также качеством конструкции (печат­ная плата, корпус, клеммные колодки) и технологии. Надежность электрорадиоэлсмептов обеспечивается путем задания их режимов, не превышающих предель­но допустимые как по элскгрическим. так и но тепло­вым параметрам. Производственные дефекты выявля­ются в ходе технологических отбраковочных испыта­ний. порядок и режимы проведения которых являются обычно ноу-хау изготовителей. Проверке эффективно­сти лих испытаний и качества конструкции ЭПРА способствует проведение ресурсных испытаний, поря­док и режимы которых указаны в ГОСТ Р МЭК 925-98 и ГОСТ Р МЭК 929-98.’

Однако эксплуатационная надежность ЭПРА может существенно ухудшаться из-за возможных возмущений в питающих цепях (отклонения от номинального зна­чения. искажения формы, импульсные перенапряже­ния и т. п.) и вследствие влияния некоторых особенно­стей PJ1. приводящих к возникновению так называе­мых аномальных режимов (отсутствие лампы в свети­льнике. обрыв одного из электродов лампы, пезажига- ние лампы вследствие дезактивации электродов или нарушения газового состава в разрядной трубке, вы­прямляющий эффект вследствие дезактивации одного из электродов). Зашита ЭПРА от воздействия аномаль­ных режимов осуществляется путем автоматического отключения инвертора специальными цепями при вы­ходе за установленные разработчиками нормы токовых перегрузок по их величине и длительности. В случае отсутствия эффективных цепей защиты необходимо вводить в конструкцию ЭПРА элементы, способные выдержать воздействия, создаваемые в аномальных ре­жимах. Очевидно, что любые возможные возмущения в сети питания ЭПРА пе должны приводить к их по­вреждению.