А Лупенко, С Лепенко - Електронний пускорегулювальний апарат натрієвої лампи високого тиску як джерело потужності - страница 1

Страницы:
1  2  3 

Лупенко А. Електронний пускорегулювальний апарат натрієвої лампи високого тиску як джерело потужності /Лупенко А., Лупенко С. // Вісник ТНТУ. — 2011. — Том 16. — № 1. — С.133-145. — (приладобудування та інформаційно-вимірювальні технології).

УДК 621.327

А. Лупенко, канд. техн. наук; С. Лупенко, докт. техн. наук

Тернопільський національний університет імені Івана Пулюя

ЕЛЕКТРОННИЙ ПУСКОРЕГУЛЮВАЛЬНИЙ АПАРАТ НАТРІЄВОЇ ЛАМПИ ВИСОКОГО ТИСКУ ЯК ДЖЕРЕЛО ПОТУЖНОСТІ

Резюме. Проаналізовано резонансний інвертор напруги як вихідний каскад електронного пускорегулювального апарата (ЕПРА) для живлення натрієвих ламп високого тиску (НЛВТ). Розглянуто підтримання потужності НЛВТ в області допустимих значень за допомогою ЕПРА, побудованого за розімкненою структурою, впродовж усього терміну її експлуатації.

Ключові слова: резонансний інвертор, натрієва лампа високого тиску, електронний пускорегулювальний апарат.

A. Lupenko, S. Lupenko

ELECTRONIC BALLAST FOR HIGH PRESSURE SODIUM LAMP

AS A POWER SOURCE

The summary. The voltage resonant inverter is an output stage of electronic ballast for high-pressure sodium lamps operation is analyzed. The maintenance of power of high pressure sodium lamp in operation area during the lamp aging by electronic ballast with open-loop structure is considered.

Key words: resonant inverter, high-pressure sodium lamp, electronic ballast.

Постановка проблеми. Натрієві лампи високого тиску НЛВТ широко застосувуються в зовнішньому освітленні у зв'язку з високою світловою віддачею (більше 100 лм/Вт)та тривалим терміном служіння (до 20000 год.). НЛВТ, як і інші розрядні лампи, для забезпечення їх запалювання та робочого режиму потребують додаткового обладнання - пускорегулювальних апаратів, які виконують функцію силового інтерфейсу між промисловою мережею і лампою. З кінця 90-х років 20-го століття відбувається перехід від традиційних електромагнітних до високочастотних електронних пускорегулювальних апаратів (ЕПРА), які мають значні переваги (кращі масогабаритні показники, високу енергоефективність, підвищують світлову віддачу лампи, забезпечують високу якість електроенергії, дозволяють регулювати потужність лампи, легко інтегруються в системи керування освітленням, покращують якість освітлення і т.п.). Основною задачею ЕПРА є забезпечення потужності, споживаної лампою, в заданих межах.

Робоча потужність НЛВТ відповідно до експлуатаційних вимог ГОСТу Р 53073-2008 (МЕК 60662) регламентується характеристичними кривими пускорегулювальних апаратів [1]. Ці криві повинні розташовуватись у межах трапецієвидної області допусти­мих значень у координатах «напруга - потужність». На рис. 1, як приклад, зображено характеристичну    криву для

НЛВТ потужністю 150 Вт [1]. У цій області лампа може працювати з прийнятними характеристиками впродовж усього терміну її експлуатації. Верхня і нижня границі (рис. 1) визначають максимальну і мінімальну допустимі потужності лампи. Ліва і права границі співвідносять потужність лампи і напругу на ній відповідно для нової лампи і для лампи в кінці терміну експлуатації (старої лампи). Перевищення допустимої потужності лампи скорочує термін її служби. Перевищення допустимої напруги на ній призводить до циклічного погасання, наступного охолодження та перезапалювання лампи, що також прискорює процес її старіння.

Більшість ЕПРА виконуються на основі резонансних напівмостових чи мостових інверторів з послідовним коливальним контуром, навантаження (лампа) в якому під'єднано паралельно до конденсатора. Така структура ЕПРА характеризується не тільки простотою реалізації, але й забезпечує резонансне запалювання лампи без додаткового пристрою запалювання [2], що здешевлює ЕПРА.

Послідовний коливальний контур при його роботі на резонансній частоті має властивості генератора струму, внаслідок чого вирішується проблема забезпечення стійкості роботи розрядної лампи, але водночас потужність у навантаженні коливального контуру є пропорційною до опору навантаження. Еквівалентний опір лампи в процесі її експлуатації зазнає значних змін, зростаючи майже в 2 рази відносно номінального опору нової лампи. Це пов'язано з фізико-хімічними процесами в лампі , в результаті яких склад № - Н§ -амальгами модифікується внаслідок втрат натрію за рахунок реакцій з домішками, матеріалом розрядної трубки, втеч і т.п. [2, 3]. Відносне зростання концентрації парів ртуті призводить до зростання робочої напруги лампи, а, отже, і її еквівалентного опору, а при сталому струмі - до зростання потужності в лампі. В результаті потужність, споживана лампою, може вийти за межі області допустимих значень, що суттєво зменшить термін її служби. Тому постає проблема забезпечення робочої потужності НЛВТ у межах допустимих значень за допомогою

ЕПРА.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. В роботах [4-6], присвячених підтриманню потужності в НЛВТ у заданих межах, переважно розглянуто замкнені структури ЕПРА з керуванням за потужністю. Їх перевагою є висока точність підтримання заданої потужності лампи, що гарантує її роботу в області допустимих значень потужності. Однак практична реалізація таких замкнених структур є досить складною, що зумовлено додатковими апаратурними витратами на формування сигналу зворотного зв'язку, пропорційного потужності лампи, побудовою регулятора, вирішенням проблеми стійкості системи з таким нелінійним, інерційним та нестаціонарним об'єктом регулювання, яким є розрядна лампа. Тому ЕПРА, побудовані за замкненою структурою, мають високу вартість, що є їх основним недоліком. Оскільки нормативні матеріали [1] дозволяють варіацію потужності НЛВТ у досить широких межах, актуальним є питання побудови простіших і дешевших ЕПРА з розімкненою структурою, які задовольняють вимоги до потужності НЛВТ. Аналізу такого підходу присвячена робота [7], однак результати, отримані в ній, не зважаючи на їх цінність, не забезпечують мінімізації зміни потужності НЛВТ упродовж усього терміну її експлуатації. Тому є потреба подальшого дослідження підходу, розглянутого в [7], для підтримання мінімальної варіації потужності лампи шляхом використання властивостей передавальних характеристик коливального контуру вихідного каскаду ЕПРА, тобто параметричним шляхом.

Метою роботи є дослідження шляхів зменшення варіації потужності НЛВТ у процесі експлуатації за допомогою ЕПРА, побудованого за розімкненою структурою.

Постановка завдання - шляхом аналізу вихідного каскаду ЕПРА з коливальним контуром встановити аналітичні залежності, необхідні для розробленняметодики розрахунку його параметрів, що дозволить забезпечити мінімальну зміну потужності НЛВТ при зміні її еквівалентного опору в процесі експлуатації.

Виклад основного матеріалу. Найпоширенішою схемою вихідного каскаду є напівмостовий резонансний інвертор напруги з послідовним коливальним контуром, в якому НЛВТ під'єднана паралельно до конденсатора, як зображено на рис. 2а.

До складу вихідного каскаду ЕПРА входять напівмостовий інвертор, в якому роль ключів виконують польові МДН-транзистори (або IGBT-транзистори) VTI і VT2, та коливальний контур з індуктивністю L та ємностями Cs та Ср, а навантаженням контуру є лампа HL. Ключі почергово комутуються під дією протифазних керуючих напруг, які формуються драйвером високовольтних ключів. Е - напруга живлення вихідного каскаду, яка формується коректором коефіцієнта потужності або випрямлячем.   Тому   коливальний   контур   живиться   додатними прямокутними

Е

VT1

БК

VT2

fa

L

HL

О.

2 E

u (t) = — sin((t)

x

R

а) б)

Рисунок 2. Схема вихідного каскаду ЕПРА (а) та його еквівалентна схема (б)

імпульсами з амплітудою Е. Роботу схеми детально описано в [8].

Зважаючи на те, що форма напруги і струму навантаження (НЛВТ) є близькою до синусоїдальної, оскільки схема резонансного інвертора має властивості фільтра низьких частот другого порядку, який відфільтровує вищі гармонічні складові, аналіз виконаємо методом основної гармоніки [9]. Для цього від схеми, що на рис.2а перейдемо до еквівалентної схеми (рис.2б), де r - еквівалентний опір втрат, який враховує втрати в транзисторах у статичному та динамічному режимах, втрати в індуктивності та ємностях; u(t) - еквівалентний генератор змінної напруги першої гармоніки з амплітудою 2Е/п.

Для запису аналітичних виразів у компактній формі введемо додаткові позначення, які зведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Резонансна

Характеристичний

Параметр

Відносна

Відносна

Відносний

частота

опір

добротності

робоча

ємність

опір

ненавантаженого

контуру

контуру

частота

 

 

контуру

 

 

 

 

 

 

1

(О0 = ,-

0 JLC?

 

 

Q =

7

Z 0

Q = ^

(0

c = —^

C

r

а = — R

Комплексний вхідний опір коливального контуру

1

1 + j(CsR

(1)

L

r

Після перетворень з урахуванням позначень отримуємо

Z = R-

! + c\ Qа \ + aQQ2

+

jQ [1 — а2 +a(1 + c)]

QQ2 + jQ (1 + c) Модуль вхідного опору коливального контуру

(2)

Z

Z0QI

1

Q2

а+c [а—— 1+oQQ2

2

+ Q2 [1 — а2 +а(1 + c)]

(Q Q2)2 +(1 + c)2 Qp

. (3)

Фазовий зсув між першими гармоніками вхідних напруги та струму

 

 

(1+c)qq 2 (1—а2)

Q!

1 +     + Q2Q 2 + c (2 + c)]]}

р = arctg—

З умови ^=0 визначаємо відносну резонансну частоту коливального контуру

(4)

а.

_ рез _

а0

1-

Q2 (1 + c )2 1

Q2 (1 + c)2 + Q2 c (1 + c) (5)

Для забезпечення малих комутаційних втрат у транзисторах необхідно, щоб відносна робоча частота Q була більшою від відносної резонансної частоти Орез. Тоді включення транзисторів відбувається при нульовій напрузі, і відпадає потреба в швидкодіючих діодах, під'єднаних паралельно до транзисторів. Амплітудне значення вхідного струму коливальної системи

1 твх

2E

п2„„

2Eo

 

Q2Q2 +(1 + c )2"

 

 

 

2 + Q2 [1

—а2+c)]2

(6)

Модуль  комплексного  опору  паралельного з'єднання  конденсатора Ср з послідовно ввімкненими конденсатором Cs і опором R дорівнює

Z =

пар

Z 0-

+Q2

Q2Q2 +(1 + c )2 (7)

Користуючись виразами (6) і (7), знаходимо амплітуду напруги на паралельному з'єднанні

Uшпар

2 E

ґ „ \

2

 

+Q2

 

 

а+c [[а—QQ ^+oQQ2

2 .

+ Q2 [1 — Q2        + c)]2

(8)

Амплітуда струму лампи (навантаження)

2E

1 шН (9)

Q + c\ Q l + oQQ2

а \

+ Q2 [1 Q2        + c)]2

2

1

1

2

1

Потужність у лампі

2E2

Ph

Q

ж2 Z0

Q + c\ Q Q \ + aQQ

(10)

Визначивши потужність втрат як Рвтр корисної дії вихідного каскаду:

+ Q2 [1 Q2        + c)]

знаходимо вираз для коефіцієнта

I2 r

твх

Ph

1

p + p

1 1 в

(11)

втр

1 + a[Q2Q + (1 + c)]

У зв'язку з тим, що на практиці виконується умова r>>R, втратами можна знехтувати без суттєвого погіршення точності аналізу, прийнявши а=0. Тоді потужність у навантаженні можна описати простішим виразом

2E2 Q

S сР

Н _2

Ж2 Z 0

а+c\ а

+Q2 (1—а2 )2

(12)

а)

 

 

 

 

 

 

 

tl

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

А Лупенко, С Лепенко - Електронний пускорегулювальний апарат натрієвої лампи високого тиску як джерело потужності