А Лупенко - Амплітудне регулювання потужності люмінесцентних ламп електронними пускорегулювальними апаратами - страница 1

Страницы:
1  2 

Лупенко А., Натяга В. Амплітудне регулювання потужності люмінесцентних ламп електронними пускорегулювальними апаратами // Вісник ТДТУ. - 2008. - Том 13. - №4. - ст.. 138-147. -(приладобудування та інформаційно-вимірювальні системи).

УДК 621.327

А. Лупенко, канд. техн. наук; В. Натяга

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя

АМПЛІТУДНЕ РЕГУЛЮВАННЯ ПОТУЖНОСТІ ЛЮМІНЕСЦЕНТНИХ ЛАМП ЕЛЕКТРОННИМИ ПУСКОРЕГУЛЮВАЛЬНИМИ АПАРАТАМИ

На основі нелінійної моделі люмінесцентної лампи проаналізовано основні характеристики амплітудного регулювання її потужності при високочастотному живленні. Розглянуто залежності напруги живлення, границь часової затримки між імпульсами інвертора, потужності підігрівання електродів лампи, напруги запалювання лампи, втрат у вихідному каскаді, чутливості потужності до напруги живлення від потужності лампи.

A. Lupenko, V. Natjaga

VOLTAGE CONTROL OF FLUORESCENT LAMPS DIMMING BY

ELECTRONIC BALLAST

On the basis of nonlinear model of fluorescent lamp, the analysis of performance characteristics of voltage control of fluorescent lamp with high-frequency operation is presented. The voltage-power characteristics, dead-time limits for ensuring zero-voltage switching, variations of filaments power, starting voltage, output stage lossеs and voltage-power characteristics throughout the dimming range are considered in this work.

В сучасних високоякісних електронних пускорегулювальних апаратах (ЕПРА) з високочастотним живленням (30-100кГц) люмінесцентних ламп (ЛЛ) широко використовуються методи регулювання їх потужності, тобто світлового потоку (дімінг) шляхом зміни частоти комутації напівмостового або мостового резонансного інвертора напруги (частотне регулювання) [1,2], зміни напруги живлення такого інвертора (амплітудне регулювання) [2,3], зміни зсуву фази між вихідними напругою та струмом інвертора (фазове регулювання) [4], зміни коефіцієнта заповнення прямокутних імпульсів інвертора (ШІМ-регулювання)[2,5] або ж поєднанням таких методів (комбіноване регулювання) [6]. Режим роботи лампи і характеристики комплекту ЕПРА-ЛЛ при регулюванні потужності суттєво змінюються. Аналіз амплітудного регулювання потужності ЛЛ розглядався в роботах [2, 3], але ряд суттєвих питань (таких як залежності напруги живлення, границь часової затримки між імпульсами інвертора, потужності підігрівання електродів лампи, напруги запалювання лампи, втрат у вихідному каскаді від потужності лампи, та чутливість потужності до напруги живлення), які є важливими для проектування ЕПРА, або залишено поза увагою, або ж розкрито не достатньо повно.

Актуальність досліджень амплітудного методу регулювання потужності ЛЛ обумовлена необхідністю раціонального вибору параметрів ЕПРА, які б забезпечили високоякісні характеристики комплекту ЕПРА-ЛЛ в усіх режимах їх роботи -підігрівання, запалювання та підтримання заданої робочої потужності ЛЛ зміною напруги живлення інвертора. Крім того, постає задача порівняльного аналізу методів регулювання потужності ЛЛ, визначення їх переваг та недоліків для встановлення найбільш раціональних підходів до побудови ЕПРА. Детальний аналіз частотного регулювання потужності ЛЛ виконано в [7]. Тому подібне дослідження амплітудного регулювання потужності ЛЛ є актуальною задачею.

Метою даної роботи є аналіз основних характеристик і параметрів вихідного каскаду ЕПРА з регулюванням потужності ЛЛ шляхом зміни напруги живлення

VTl

ф

) Ul

Uo(p)

VT2

j

'VDl

Cp L

U2

kVD2

HL

C

резонансного інвертора з врахуванням нелінійності їх вольт-амперних характеристик, яка має місце в широкому діапазоні робочих потужностей ЛЛ.

Використання терміну „амплітудне регулювання" виправдане тим, що при зміні напруги живлення інвертора напруги прямо пропорційно змінюється амплітуда його вихідних прямокутних імпульсів та амплітуда першої гармоніки цих імпульсів. В англомовних джерелах відповідником терміну „амплітудне регулювання" є „voltage control" - „регулювання напругою".

За базовий параметр, стосовно якого будуть досліджуватись характеристики і параметри ЕПРА, доцільно прийняти відносну потужність лампи р=Р/Рном, де Рном -номінальна потужність лампи, Р - робоча (регульована) потужність лампи. При регулюванні відносна потужність може змінюватись теоретично від 0 до l, а на практиці - приблизно від 0,15 до l, що обумовлено властивостями дугового розряду

ЛЛ.

Найбільш поширеною схемою вихідного каскаду ЕПРА є напівмостовий резонансний інвертор напруги з послідовним резонансним LC-контуром, в якому ЛЛ під'єднана паралельно до конденсатора (рис.І). Часові діаграми імпульсів напруги інвертора u, струму в індуктивності iL та миттєвого струму if/t) живлення інвертора зображені на рис.2. До складу вихідного каскаду ЕПРА входять індуктивність L і

_ ємність С послідовного коливного контура з

ЛЛ HL, напівмостовий інвертор, в якому роль ключів виконують польові МДН-транзистори VTl і VT2. Ключі почергово комутуються під дією протифазних керуючих напруг U і U2 , що формуються драйвером високовольтних ключів. Роздільний конденсатор Ср усуває постійні складові напруги інвертора та струму ЛЛ, яка може мати місце при односторонній провідності ЛЛ (наприклад, в кінці терміну її служби). Uf(p)— напруга живлення вихідного каскаду, зміною якої забезпечується регулювання потужності ЛЛ. Тому коливна система живиться прямокутними імпульсами з амплітудою Uf(p)/2. Напруга і струм лампи за формою є досить близькими до синусоїди, оскільки коливний контур ЕПРА відфільтровує вищі гармонічні складові, тому аналіз можна виконати методом основної гармоніки. Тоді еквівалентну схему вихідного каскаду можна подати у вигляді, наведеному на рис.3.

Опір розрядного проміжку лампи зображено як R(p), оскільки його значення залежить від робочої потужності лампи. Модель кожного електрода лампи подана у вигляді двох опорів r/2, де r - опір електрода при його робочій температурі, а еквівалентний опір втрат, який обумовлений переважно транзисторами та індуктивністю, -у вигляді опору re .

Добротність     коливного контура, паралельно навантаженого лампою, дорівнює: Q(p) = R(p)/Z 0, (l)

ft

Рисунок l- Схема вихідного каскаду

Рисунок 2- Діаграми напруги інвертора, стуму індуктивності та вихідного струму

L

U = U

U ml

П

r/2     r/2

H и

 

 

] R(p)=

r/2

r/2

н н

 

C

Рисунок 3 - Еквівалентна схема вихідного каскаду

l39де R(p) - опір ЛЛ; Z0 = VL / C - характери-стичний опір контура.

Нехтуючи втратами коливного контура, опорами електродів та вважаючи Ср>> С, можна показати, що модуль вхідного опору Zex(p) та фазовий зсув навантаженої коливної системи ф(р) при відносній потужності p описуються виразами [8]:

Zx. (P) = Zo Q(p)

(2)

1 + (q Q(p))2 ' <p(p) = arctgQQ(p) [q2 +1/Q2(p) -1]} , (3) де q = со / a>0 - відносна робоча частота комутації; а - робоча частота, яка є незмінною

в процесі регулювання; ю0=1/л/LC - резонансна частота ненавантаженого коливного контура.

Для забезпечення умови комутації транзисторів при нульовій напрузі робоча

частота а повинна задовольняти умову: со > со0^1 -1/Q2(p) Амплітуда струму індуктивності дорівнює:

2£/р( p) = 2U0( p)

1 + (q Q( p) )2

R(p^ (1 -q2) +(q / Q(p) )2

(4)

(5)

Оскільки коефіцієнт корисної дії інвертора ЕПРА є високим, то нехтуючи втратами в ньому, можна вважати, що вся потужність, яка підводиться до інвертора, передається в лампу. Тому для потужності лампи можна записати:

P =     py0( p), (6) де Іо(р) - середнє значення струму живлення інвертора.

За осцилограмою миттєвого струму i0(t) живлення інвертора (рис.2) можна записати вираз для середнього значення Іо(р) цього струму:

10( p)

1/2

1!'

T

Lm

(p)[sin cot - ф(p)]dt

cosф( p)

(7)

де ILm(p) - амплітудне значення струму індуктивності, q(p) - фазовий зсув між першими гармоніками напруги інвертора і струму індуктивності, Т=1/а - період комутації . Визначивши cos cp(p) з виразу (3) у вигляді

cosф( p)

1

(1 + q2Q2(p)) (1 -q2 )2 -q2/ Q2(p)

та підставляючи (5) і (8) в (7), можна записати вираз для І0(р) у вигляді:

2U 0( p) R(p) ж2     R(p)2 (1 -q2)+q2Z2 '

10( p)

(8)

(9)

Для одержання залежності І0(р) від відносної потужності р виразимо напругу живлення и0(р) через діюче значення напруги на лампі и(р) як добуток струму індуктивності їті^(р) на модуль опору паралельного з'єднання лампи і конденсатора С:

U (p)

V2

z =

пар

42

R( p)

v1 + q2q2( p)

Тоді, підставляючи вираз (5) в (10) можна отримати вираз для и0(р):

U0( p) =

nU (p)

V2

(1 -q2)2

q

Q(p)

(10)

(11)

а підставляючи (11) у (9), одержано вираз, який описує середнє значення струму І0(р) через параметри схеми ЕПРА і розрядної лампи:

0,,і(р) = , 1 . (12)

nR(p) V(1 -q2)2 +(q/Q(p))2

Опір лампи при заданій робочій потужності Р дорівнює:

R(p) = ^ . (13)

pP

/ ном

Вираз (11) з врахуванням (1) та (13) описує зв'язок між напругою живлення інвертора та відносною потужністю лампи, тобто, описує закон керування лампою. До виразу (11) входить напруга U(p) на лампі, яка залежить від її потужності. Цю залежність можна визначити, використовуючи вольт-амперну (ВАХ) характеристику ЛЛ конкретного типу.

Як приклад, на рис.4 наведено експериментальну ВАХ для ЛЛ типу ЛД-40, а на рис.5 - відповідну їй вольт-ватну характеристику (ВВХ), розраховану на основі ВАХ. Шляхом аналізу апроксимуючих виразів встановлено, що реальна ВВХ добре описується виразом, який є алгебраїчною сумою лінійної та експоненційної функцій:

U(p) = a0 -a1pPHOM -a2e~a3pPoM, (14) де а0=126, а1=0,603, а2=38,94, а3=0,383 - апроксимаційні коефіцієнти, які визначено на основі ВВХ за методом найменших квадратів.

На рис.5 також наведено ВВХ (суцільна лінія), побудовану на основі виразу (14), яка добре узгоджується з експериментальною ВВХ (точки).

Рисунок 4- Експериментальна вольт-амперна характеристика лампи ЛД-40

Рисунок 5- Експериментальна (точки) та розрахункова (лінія) вольт-ватні характеристики лампи ЛД-40

Рисунок 6- Характеристики "напруга-потужність" для різних характеристичних опорів

!   і !

 

І     і І

 

!   ! !

і * /

і   ! і

* \

і   ! і

 

і *

 

і *

 

 

 

^    і        і і

і         і і

20

P.W

Рисунок 7- Експериментальна (точки) та

розрахункові характеристики (лінія) "напруга-потужність" для лампи ЛД-40

Використовуючи вирази (1), (11), (13) і (14), можна побудувати залежність напруги Uo(p) живлення інвертора від відносної потужності ЛЛ - регулювальну характеристику. На рис.6 наведено такі характеристики «напруга-потужність» для чотирьох значень (250 Ом, 300 Ом, 400 Ом, 600 Ом) характеристичного опору Z0 на фіксованій робочій частоті 34,7кГц комутації інвертора. Як видно з рис.6, регулювальна характеристика є практично лінійною.

Для верифікації розглянутого підходу знято експериментальну характеристику «напруга-потужність» для лампи ЛД-40 при Z0=450 Ом, яка наведена на рис.7 (точки). Там же суцільною лінією подано розрахункову залежність. Рис.7 демонструє досить високий ступінь відповідності результатів розрахунку і експерименту. Відмінності між експериментальними і розрахунковими значеннями напруги обумовлені тим, що в останніх не враховано втрати інвертора та електродів лампи.

Для оцінки керованості ЕПРА можна скористатись чутливістю відносної потужності до напруги [9]:

S (Р)І

dp

p=p0

dU 0( p)

p=p0

(15)

Тоді з виразу (11) можна одержати:

S (p)| p=p0

V2

dU (p) dp

(1 "О2)2

+

Q2

q( p)2

dQ( p).

dp

Q(p)

Рисунок 8- Залежності чутливості від

. (16)

На рис.8 наведено залежність чутливості S (p)від відносної потужності, розраховану в математичній системі Maple-12, у відповідності до виразу (16) та з врахуванням виразів (11), (13) та (14) для різних значень характеристичного опору. З рис.8 видно, що чутливість S (p) є майже сталою в усьому діапазоні робочих потужностей, що є ознакою доброї керованості ЕПРА.

Зале

жності струму, споживаног о

інвертором, від

відносної

потужності

лампи для

різних

відносних

робочих

частот та

Рисунок 9- Залежності струму інвертора від відносної потужності лампи для різних робочих частот

Рисунок 10- Залежності струму інвертора від відносної потужності лампи для різних характеристичних опорів

для різних характеристичних опорів наведено відповідно на рис.9 та рис.10. З рисунків видно, що в широкому діапазоні потужностей цей струм змінюється в досить невеликих межах, що обумовлено властивістю послідовного резонансного паралельно навантаженого коливного контура, який на частоті, близькій до резонансної, проявляє властивості джерела струму.

При побудові резонансного напівмостового інвертора напруги важливу роль відіграє часова затримка Td (рис.2) між відкритими станами транзисторних ключів. Вона, з одного боку, усуває протікання наскрізних струмів через ключі, а, з іншого -забезпечує комутацію транзисторів при нульовій напрузі на них, що суттєво зменшує комутаційні втрати інвертора та покращує його електромагнітну сумісність. Для гарантування нульової напруги на транзисторах на інтервалі їх комутації необхідно забезпечити відкритий стан антипаралельного діода УД1 (або УД2). Відкривання відповідного діода починається після повного розряду паразитних (або демпфуючих) ємностей стік-витік транзисторів. Тому мінімальна часова затримка Td min визначається, виходячи із цієї умови.

Струм, який протікає через індуктивність впродовж Td min, є одночасно розрядним струмом для однієї паразитної ємності та зарядним струмом для іншої. Таким чином, загальний заряд за інтервал Td min дорівнює:

Td min

Td min

2 2

2q =      j     iL (t)dt = hm (p)     j Sin[(at ~Я>(p)]dt

hm (p)- Q®0T

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

А Лупенко - Амплітудне регулювання потужності люмінесцентних ламп електронними пускорегулювальними апаратами