Энергосбережение на современном этапе (стр. 17 из 18)
2. За зажиганием лампы следует достаточно длительный процесс ее разгорания, составляющий для различных ЛВД от 2 до 6 мин. В течение этого времени напряжение на лампе растет от 20÷30 В до номинального значения, составляющего 130 В, 100 В и 70 В, соответственно, для ламп ДРЛ, ДРИ и ДНаТ, при мощности 230÷400 Вт (при работе ламп на 50 Гц). При ВЧ питании напряжение на лампах остается примерно тем же или снижается на 15÷20%. В начале процесса разгорания лампы, ПРА работает в режиме, близком к короткому замыканию нагрузки, а ток в контуре с лампой ограничен лишь сопротивлением балласта. Нагрузка ВЧ инвертора ЭПРА в этом случае носит чисто реактивный (индуктивный) характер, а обратные диоды инвертора будут работать в наиболее напряженном режиме.
3. Продолжительность горения ЛВД на частоте 50 Гц определяется известным переходом работы лампы в циклический режим, из-за роста напряжения перезажигания. Повышение частоты питающего напряжения приводит к уменьшению и полному исчезновению пиков перезажигания, а механизм погасания разряда при ВЧ питании связан с нарушением условий устойчивости работы лампы в комплекте с ЭПРА. Наличие жидкой фазы в лампе и ее работа в условиях насыщенных паров в течение всего срока службы, обусловливают резкую зависимость всех характеристик от температуры. В отличие от ламп, работающих в условиях ненасыщенных паров (ДРЛ, ДРТ), имеющих «безразличные» и «медленные» вольт-температурные характеристики со слабой зависимостью напряжения от тока, лампы ДНаТ характеризуются резко возрастающей ВАХ для равновесной температуры разрядной трубки. При реальных значениях колебаний сетевого напряжения (более ± 5%) ВАХ комплекта ЭМПРА – ЛВД может выйти за пределы допустимого уровня мощности лампы. В ЭПРА дело обстоит еще сложнее, так как характеристическая кривая комплекта ЭПРА – ЛВД такова, что даже при стабильном питающем напряжении мощность лампы может увеличиваться на 92%, что совершенно недопустимо. Ограничение электрического режима ламп в общем случае возможно путем организации обратных связей по току лампы, напряжению на ней и ее мощности. Наилучший результат дает введение в ЭПРА цепи обратной связи по мощности лампы. Такая обратная связь способна ограничить мощность на нужном уровне, как при отклонениях питающего напряжения, так и при изменении напряжения лампы. Кроме того, наличие в составе ЭПРА обратной связи по мощности лампы увеличит срок ее службы, так как позволит работать с более высокими значениями напряжения на лампе (т.е. погасание произойдет в тот момент, когда «быстрая» ВАХ лампы станет касательной к внешней характеристике ВЧ балластного контура).
4. Препятствием для ВЧ питания ламп ВД могут быть и искажения разряда акустическими волнами. Явление стоячих волн давления (акустический резонанс) может приводить к искажениям разрядного канала. Генерация акустических волн на резонансных частотах будет иметь место, если управляющее воздействие достаточно велико, т.е. если подводимая к лампе мощность превышает некоторую пороговую величину. При проектировании ЭПРА для ЛВД необходимо учитывать, что искривление разрядного канала вследствие акустического резонанса зачастую приводит к локальному перегреву стенок разрядной трубки и ее растрескиванию. Кроме того, акустическому резонансу сопутствуют такие нежелательные явления, как увеличение напряжения лампы (а значит и ее мощности) и нестабильность светового потока. Рабочие частоты должны быть выбраны с учетом особенностей конкретного типа ламп (размеры разрядной трубки, давление буферного газа). Также имеется возможность устранения нежелательных проявлений акустического резонанса с помощью построения ЭПРА на основе генераторов качающейся частоты.
В структурной схеме ЭПРА для ГРЛ ВД имеются схожие элементы, аналогичные для ЭПРА ЛЛ, а также свои отличительные особенности (рис. 28):
1. Входной фильтр, кроме подавления радиопомех, генерируемых ЭПРА, служит для сглаживания ВЧ пульсаций потребляемого тока, возникающих при работе схемы активной коррекции формы потребляемого тока.
2. Выпрямление напряжения сети происходит в мостовом выпрямителе.
Рис.28. Структурная блок-схема электронного ПРА для ламп высокого давления
3. Схема активной коррекции формы тока решает одну из актуальных задач силовой электроники – обеспечение электромагнитной совместимости преобразователей с бестрансформаторным входным выпрямителем и емкостным фильтром с питающей сетью. Наличие выпрямителя с емкостным фильтром во входной цепи ЭПРА обусловливает низкий коэффициент мощности, не превышающий 0,5÷0,7 и большой уровень высших гармоник потребляемого из сети тока. Резкое увеличение количества ключевых источников вторичного электропитания в ЭПРА ужесточает требования по электромагнитной совместимости их с сетью и ограничивает уровни высших гармоник потребляемого из сети тока. В качестве устройств коррекции формы потребляемого тока используют: 1) пассивные LC – фильтры, недостатком которых являются плохие массогабаритные показатели; 2) активное формирование синусоидального тока, совпадающего по фазе с питающим напряжением, что является наилучшим решением по электромагнитной совместимости ключевых источников с сетью. Анализ различных схем активной коррекции (рис. 29, а-в) показывает, что наиболее подходящей для использования в составе ЭПРА для ламп ВД является схема повышающего преобразователя (рис.29, в), которая обладает следующими достоинствами: 1) силовой транзистор имеет соединение истока (эмиттера) с общим проводом, чем облегчается схема формирования сигнала управления; 2) наличие реакторов в последовательной ветви обеспечивает фильтрацию ВЧ составляющих и сводит задачу коррекции коэффициента мощности к формированию модуля синусоидального тока через реактор; 3) максимальное напряжение на транзисторе равно выходному напряжению; 4) импульсный ток через силовой транзистор имеет меньшие значения, чем в других схемах; 5) схема может быть использована при мощностях до 2 кВт. При этом для нормальной работы схемы (рис. 29, в) необходимо, чтобы выходное напряжение превышало амплитудное значение сетевого напряжения. Работу в режиме пуска и спадов выходного напряжения, а также быстрый подзаряд емкости фильтра Сф обеспечивает диод VD 2. Законы управления силовым транзистором в схемах активной коррекции формы потребляемого тока достаточно сложны. Как правило, для этой цели используется следящая широтно-импульсная модуляция с постоянным или адаптивным гистерезисом. В качестве задания используется сигнал, пропорциональный напряжению сети. Ток, потребляемый схемой коррекции, сравнивается с заданием при помощи компаратора, который и управляет силовым транзистором. В реальном случае сигнал задания является сложной функцией напряжения сети и выходного напряжения схемы, благодаря чему обеспечивается еще и стабилизация Uвых при входных и выходных возмущениях. Наличие стабилизирующей выходное напряжение обратной связи необходимо еще и для обеспечения работоспособности схемы корректора в режиме холостого хода (в противном случае возникшие перенапряжения приведут к выходу элементов схемы из строя). Кроме того, в схему могут вводиться обратные связи, обеспечивающие работу дросселя в граничном режиме, защиту силового транзистора от токовых перегрузок. Ряд специализированных интегральных схем, выпускаемых ведущими фирмами, позволяют относительно просто обеспечивать управление силовым транзистором схемы коррекции. Постоянство выходного напряжения при изменении напряжения сети в широких пределах будет благоприятно сказываться на стабильности работы и срока службы ламп. Кроме того, отпадает и сама необходимость анализа влияния отклонений питающего напряжения на характеристики балластного контура с лампой, что упрощает проектирование ПРА.
Пассивный блок коррекции коэффициента мощности может выполняться в следующих вариантах: 1) три последовательно соединенных диода, подключенных к выходу выпрямителя, и два сглаживающих конденсатора, включенных последовательно со средним диодом, также к выходу выпрямителя; 2) три последовательно соединенных диода, подключенных параллельно выходу выпрямителя, и два накопительных конденсатора, «плюс» одного из которых подключен к аноду верхнего диода, а «минус» - к минусовому выводу выпрямителя, «плюс» второго конденсатора связан с плюсовым выводом выпрямителя, а «минус» с катодом нижнего диода, между катодом нижнего диода и анодом среднего диода включен резистор.
4. Высокочастотный инвертор. Выбор схемы инвертора зависит от конкретного типа ГРЛ ВД. Так, например, для ртутно-кварцевых ламп ДРТ и ДРЛ, имеющих невысокие значения напряжения зажигания и горения, использование традиционной (для ЛЛ) полумостовой схемы (рис. 30, а) является приемлемым (рис. 31). Высокие напряжения зажигания для ламп МГЛ и ДНаТ обусловливают преимущество мостовой схемы инвертора (рис. 30, б) с вдвое большим выходным напряжением. Требуемое напряжение холостого хода при этом можно получить при в 2,42 раза меньшем пусковом токе, что положительно скажется на надежности и экономичности ПРА. Кроме того, в пользу мостовой схемы для ламп средней и большой мощности говорит и рост напряжения на лампах в течение срока службы. Фактором, до настоящего времени сдерживающим разработку ЭПРА для ЛВД, являлось отсутствие подходящей элементной базы для ВЧ инвертора таких ПРА. Появление на рынке силовой электроники мощных МДП- и IGBT-транзисторов и модулей на их основе [29] открывает возможности для разработки экономичных и надежных схем питания ЛВД. Формирование оптимального сигнала управления силовыми транзисторами требует использования внешнего возбуждения (в отличие от простых автоколебательных систем ЭПРА - ЛЛ), что неизбежно приводит к усложнению схем.