СТАРТЕРНЫЕ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЕ АППАРАТЫ ДЛЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

СОДЕРЖАНИЕ

1. КЛАССИФИКАЦИЯ СХЕМ ПРА

2. СТАРТЕРНЫЕ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЕ АППАРАТЫ ДЛЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП

2.1 ОДНОЛАМПОВЫЕ СТАРТЕРНЫЕ ПРА

2.2 ДВУХЛАМПОВЫЕ СТАРТЕРНЫЕ ПРА С РАСЩЕПЛЕННОЙ ФАЗОЙ

2.3 ТРЕБОВАНИЯ К СТАРТЕРНЫМ ПРА

3. БЕССТАРТЕРНЫЕ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЕ АППАРАТЫ ДЛЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП

3.1 КЛАССИФИКАЦИЯ БЕССТАРТЕРНЫХ ПРА

3.2 ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ БЕССТАРТЕРНЫХ ПРА

4. ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЕ АППАРАТЫ ДЛЯ ЛАМП ТИПОВ ДРЛ, ДРИ И ДНаТ

5. ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЙ АППАРАТ

6. ЗАЖИГАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЛАМП ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

КЛАССИФИКАЦИЯ СХЕМ ПРА

Пускорегулирующий аппарат—светотехническое изделие, с помощью которого осуществляется питание разрядной лампы от электрической сети, обеспечивающее необходимые режимы зажигания, разгорания и работы лампы и конструктивно оформленное в виде единого аппарата или нескольких отдельных блоков.

Пускорегулирующий аппарат обеспечивает:

1) зажигание разрядной лампы, т. е. пробой межэлектродного промежутка и формирование в нем требуемого вида разряда. Указанная функция обычно выполняется зажигающим устройством, которое часто является составным элементом ПРА. Для надежного зажигания лампы ПРА должен иметь определенные выходные параметры в режиме холостого хода, т. е. в режиме работы схемы включения при не горящей лампе. К ним относятся форма, значение напряжения, подаваемого на электроды лампы в период ее пуска, а при необходимости значение тока предварительного подогрева электродов и др.;

2) разгорание разрядной лампы, т. е. процесс установления рабочих параметров лампы после ее зажигания. Продолжительность разгорания лампы, а также характер изменения тока в ней в течение этого процесса зависят не только от газового наполнения лампы и соотношения температур ее колбы в холодном и рабочем состоянии, но и от типа и параметров ПРА [1.1];

3) устойчивость режима работы разрядной лампы в контуре, заключающуюся в способности контура автоматически восстанавливать исходное значение тока при его флюктуационных изменениях. Наличие данной функции у ПРА, которая выполняется с помощью токоограничивающих элементов (стабилизаторов тока), связано со спецификой статических вольт-амперных характеристик ламп (ВАХ). Обеспечить устойчивый режим работы от источника напряжения без токоограничивающих элементов-балластов принципиально невозможно для разрядных ламп, имеющих падающие ВАХ.

Для ламп с возрастающими ВАХ устойчивая работа от сети возможна и без балласта. Однако при малом наклоне характеристики это не всегда экономически целесообразно из-за низкой стабильности комплекта лампа — ПРА.

Рисунок 1. Обобщённая структурная схема однолампового ПРА: ВИП- вторичный источник питания; СТ - стабилизатор; ЗУ - зажигающее устройство.

Помимо элементов ПРА, выполняющих функции, в схему аппарата может, входит и вторичный источник питания. Обобщенная структурная схема однолампового ПРА показана на рис. 1.

Кроме основных функций ПРА может подавлять радио - помехи, создаваемые лампой, снижать пульсации её светового потока, обеспечивать высокий коэффициент мощности схемы др. С учетом общеинженерных и экономически соображений к ПРА предъявляется также ряд дополнительных требований. Они заключаются в том, что аппарат должен обладать минимальными собственными потерями, массой и габаритными размерами, иметь невысокую стоимость, быть надежным, долговечным, обеспечивать минимальные эксплуатационные расходы, не создавать заметного акустического шума и т.д. Совокупность этих требований является противоречивой и поэтому имеется много схем ПРА, в которых наилучшим образом выполняются лишь некоторые из них.

Классификация схем ПРА может быть проведена по различным признакам: по типу токоограничивающего элемента, по условиям зажигания и работы лампы [1.1], по типу источника питания, по количеству ламп и т. д. Для целей анализа цепей ПРА наиболее удобна классификация по типу токоограничивающего элемента, поскольку это во многом определяет метод анализа. В соответствии с такой классификацией (рис. 2) все ПРА можно разделить на три основные группы: электромагнитные, полупроводниковые, комбинированные. К отдельной, четвертой, группе целесообразно отнести ПРА без токоограничивающего элемента для специальных так называемых без балластных ламп.

В первую группу (электромагнитные ПРА) входят аппараты с реактивными и активными токоограничивающими элементами (балластами) и их комбинациями, причем в основном силовом контуре этих ПРА находятся только токоограничивающие элементы. Источником питания является сеть промышленной или повышенной частоты. В эту группу входят такие традиционные аппараты, как индуктивный и индуктивно-емкостный ПРА, аппараты с трансформатором и автотрансформатором с большим внутренним сопротивлением.

Рисунок 2. Классификация ПРА для разрядных ламп по типу токоограничивающего элемента.

Такие ПРА могут быть со стартёрным или бесстартёрным зажиганием, иметь цепи для предварительного подогрева электродов люминесцентных ламп или цепи мгновенного перезажигания ламп высокого давления типов ДРЛ, ДРИ и т. д. (см., например, рис. 3).

Аппараты с резистивными балластами применяются при подключении разрядных ламп к сети постоянного тока или промышленной частоты. В резистивных аппаратах может быть использован балластный резистор или нелинейный резистор (вольфрамовая спираль лампы накаливания). Резистивные

Рисунок 3. Обобщенная структурная схема стартерного ПРА и бесстартерного ПРА с накальным трансформатором.

аппараты не получили широкого распространения из-за низкого КПД. Однако в последнее время для компактных люминесцентных ламп бытового назначения в ряде стран находят применение емкостно-резистивные балласты, в которых указанный выше основной недостаток ПРА резистивного типа в известной степени нивелирован.

В полупроводниковых ПРА (вторая группа) стабилизация тока лампы осуществляется с помощью полупроводниковых приборов, обычно транзисторов. На рис. 4 приведена схема полупроводникового ПРА, в котором транзистор используется в качестве нелинейного сопротивления. Схема удовлетворительно работает на постоянном токе при незначительных колебаниях напряжения источника питания. На переменном токе схемы нелинейных полупроводниковых ПРА обладают большими собственными потерями.

Рисунок 4. Схема нелинейного

Рисунок 5. Схема импульсного полупроводникового ПРА. полупроводникового ПРА.

На рис. 5 дана схема импульсного полупроводникового ПРА. Приведенная схема носит название динамического балласта. В динамическом балласте транзистор работает в режиме ключа, и стабилизация тока лампы осуществляется с использованием инерционных свойств плазмы газового разряда. На рис. 6, а показана форма напряжения на разрядной лампе. При открытом транзисторе (0≤t≤T_и) напряжение на лампе приблизительно равно напряжению источника питания (U_л≈U_п). При закрытом транзисторе (T_и<t<T_п) напряжение на лампе равно нулю. На рис. 6,б показана форма тока лампы. За время импульса напряжения ток лампы возрастает от I_о до I_мах. За время паузы происходит частичная деионизация плазмы, возрастает ее сопротивление, и следующий импульс тока опять начинается с I_о.

Рисунок 6. Осциллограммы напряжения на лампе (а) и тока лампы (б) в схеме импульсного полупроводникового ПРА.

В третьей группе (комбинированные ПРА) стабилизация тока лампы осуществляется с помощью, как реактивных элементов, так и полупроводниковых приборов. В ПРА этой группы в качестве балластов используются дроссели, конденсаторы, транзисторы, тиристоры и другие полупроводниковые приборы. В группе существует большое количество разнообразных схем. Целесообразно рассмотреть следующие из них: с высокочастотным (ВЧ) генератором, емкостно-полупроводниковые, индуктивно-полупроводниковые и схемы с преобразованием частоты.

Все схемы с ВЧ генератором построены практически по единой схеме (рис. 7). Питание лампы осуществляется от двух источников питания: силового через Балласт 1 и повышенной частоты через Балласт 2. На рис. 8 приведен вариант схемы при использовании дросселя Д_р в качестве низкочастотного балласта и конденсатора С в качестве высокочастотного. Такая схема нашла применение в светорегуляторах, при работе ламп в условиях пониженного напряжения питания, а также для снижения пульсации светового потока ламп.

Рисунок 7. Обобщенная структурная схема комбинированного ПРА с ВЧ генератором.

На рис. 9 показана схема комбинированного импульсного ПРА с двумя источниками питания. Для поддержания разряда в лампе через Балласт 2 поступают ионизирующие импульсы тока.

Рисунок 8. Схема комбинированного ПРА с ВЧ генератором и индуктивным балластом.

На рис. 10, а и б показаны формы напряжения и тока лампы. Во время импульса (0≤t≤T_и) ток лампы поддерживается постоянным (i_л≈ i₂=conts), и за счет ионизации положительного столба разряда сопротивление лампы и напряжение на ней уменьшаются. В интервале Т_и<t<Т_п, ток ионизирующего генератора i₂ = 0, и ток лампы определяется только током i₁.

Рисунок 9. Схема комбинированного ПРА с двумя источниками питания.

Рисунок 10. Осциллограммы напряжения на лампе (а) и тока лампы (б) в комбинированном импульсном ПРА.

В силу того что напряжение питания меньше напряжения горения разряда, происходит деионизация плазмы столба разряда, и ток постепенно уменьшается до I_min. Затем подается импульс тока i₂, и все процессы повторяются.

На рис. 11 и 12 приведены схемы комбинированных емкостно-полупроводникового и индуктивно-полупроводникового ПРА. В схеме рис. 11 основное падение напряжения происходит на балластном конденсаторе С, что снижает напряжение на стабилизирующем транзисторе VT и тем самым повышает КПД схемы. В схеме рис. 12 симметричный тиристор VS шунтирует вспомогательный дроссель Д_р2, что обеспечивает повышение стабильности работы лампы и КПД схемы.

Рисунок 11. Схема комбинированного емкостно-полупроводникового ПРА.

Рисунок 12. Схема комбинированного индуктивно-полупроводникового ПРА (СУ-схема управления)

На рис. 13 показана широко распространенная схема комбинированного резонансного ПРА с преобразователем частоты. Схемы с преобразователем обеспечивают питание лампы током повышенной частоты (20 50 кГц), при этом повышается световая отдача ламп, снижаются размеры балластных дросселей и конденсаторов.

Рисунок 13. Схема комбинированного резонансного ПРА с преобразователем частоты. (ПЧ-преобразователь частоты)

ОДНОЛАМПОВЫЕ СТАРТЕРНЫЕ ПРА

Стартерным ПРА называют аппарат, в котором зажигание ЛЛ с предварительно нагретыми электродами осуществляется с помощью стартера с размыкающимися контактами. Собственно стартерный ПРА состоит из балластного сопротивления (индуктивного или индуктивно-емкостного) и иногда компенсирующего конденсатора и других элементов. Схема стартерного ПРА с индуктивным балластом приведена на рис. 14, а, а с индуктивно-емкостным — на рис. 14,б. Процесс зажигания ламп в обеих схемах одинаков. Пусковой ток лампы определяется полным сопротивлением балласта и электродов, а рабочий ток — полным сопротивлением балласта и сопротивлением самой лампы. Значение пускового тока определяется из условия обеспечения требуемой надежности зажигания лампы и исключения, по возможности, режима ее зажигания, с холодными или недостаточно нагретыми электродами. Поэтому он должен быть больше некоторого минимального значения.

Рисунок 14. Одноламповые стартерные ПРА: а- с индуктивным балластом; б- с индуктивно-емкостным балластом, в- ВАХ пускового режима индуктивного и индуктивно-емкостного балластов; г-зависимость ёмкости компенсирующего конденсатора от коэффициента мощности.

Вместе с тем слишком большой пусковой ток также может приводить к снижению срока службы лампы и вызывать недопустимое превышение температуры обмоток дросселя в режиме с залипшим стартером. Это требование определяется для стартерных ПРА как допустимая кратность пускового тока. В настоящее время кратность пускового тока К_п=0,9÷2 номинального тока лампы.

В индуктивно-емкостных балластах дроссель включен последовательно с балластным конденсатором. На рис. 14,в приведена ВАХ дросселя 1 и последовательно соединенных дросселя и балластного конденсатора 2. Из рис. 14,в видно, что при индуктивно-емкостном балласте ВАХ отклоняется влево. Это означает, что в пусковом режиме ток лампы, включенной с индуктивным балластом, больше, чем с индуктивно-емкостным, и надежность зажигания и срок службы лампы в схеме с индуктивно-емкостным балластом ниже, чем с индуктивным.

Для увеличения пускового тока в индуктивно-емкостных схемах применяют дроссель с дополнительной обмоткой, которую включают в цепь стартера, как это показано на рис. 14, б. При этом ВАХ балласта перемещается вправо (кривая 2 на рис. 14, в).

Использование в индуктивных и индуктивно-емкостных схемах единого унифицированного балласта (без пусковой обмотки) связано с выбором емкости балластного конденсатора и полем его допуска. При этом путем использования конденсаторов с малыми отклонениями емкости можно добиться увеличения пускового тока индуктивно-емкостной ветви до значения пускового тока индуктивной ветви. В частности, при применении конденсаторов с допуском ±4 % возможно использование дросселя без пусковой обмотки. Однако при этом существенно повышаются требования к точности настройки дросселей.

Значение пускового тока может быть в некоторых пределах изменено путем настройки дросселя, о чем будет сказано ниже.

Применение в светильниках одноламповых стартерных ПРА с низким коэффициентом мощности вызывает увеличение реактивного тока, потребляемого из сети, перегрузку сети и дополнительные потери мощности в ней. Так, снижение значения cosф с 1 до 0,5 увеличивает потребляемый из сети ток в 2 раза, а потери мощности в 4 раза.

Как было отмечено, коэффициент мощности лампы с дросселем всегда меньше единицы. Компенсировать индуктивный ток можно с помощью конденсатора, включенного параллельно напряжению сети. Такой конденсатор называют компенсирующим. На рис. 14, г показана зависимость емкости компенсирующего конденсатора С_к от соsф_к, который мы хотим получить при значениях cosфo для некомпенсированной ПРА, равных 0,3 (кривая 1) и 0,5 (кривая 2). Например, для повышения cosф с 0,3 до 0,85 необходимо включение компенсирующего конденсатора емкостью C_к1. В этом случае cosф носит индуктивный характер, т. е. потребляемый из сети ток отстает по фазе от напряжения сети. Если емкость конденсатора будет увеличена до С_К2, то при cosф = 0,85 он будет иметь емкостный характер. На практике схемы с емкостным током не используют из-за необходимости увеличения емкости конденсаторов.

Компенсация реактивного тока включением на вход схемы питания лампы компенсирующего-конденсатора целесообразна для одноламповых светильников или светильников с последовательным включением ламп. В двухламповых светильниках применяют параллельное включение ламп с индуктивным и индуктивно-емкостным балластом.

ТРЕБОВАНИЯ К СТАРТЕРНЫМ ПРА

Перечислим основные требования к параметрам стартерных ПРА для ЛЛ:

1. Пусковой ток должен находиться в определенных пределах при допустимых значениях-сети (обычно ±10 % номинального напряжения сети) и изменениях параметров ПРА. Для большинства ЛЛ пусковой ток должен находиться в пределах от 0,9 до номинальных токов лампы.

2. Рабочий ток лампы должен находиться в определенных пределах. В ГОСТ 16809-78 нормируется значение рабочего тока не непосредственно, а как отношение тока номинальной лампы, включенной с данным стартерным ПРА и с образцовым-измерительным дросселем (ДОИ). Значение рабочего тока номинальной лампы, включенной с данными ПРА, при номинальном напряжении сети не должно превышать 1,15 тока этой же лампы, включенной с ДОИ на номинальное для него напряжение. Люминесцентные лампы при их включении со стартерными ПРА имеют разброс рабочих токов в пределах 20 30 % номинального значения.

3. Мощность лампы нормируется не непосредственно, а как отношение мощности номинальной лампы, включенной с данным ПРА, к мощности этой же лампы, включенной с ДОИ. Стартерный ПРА должен обеспечить мощность номинальной лампы в определенных пределах при напряжении питания, равном 0,9 и 1,1 номинального напряжения сети. При напряжении 0,9 номинального стартерный ПРА должен обеспечивать относительную мощность лампы не ниже 0,85, а при напряжении 1,1 номинального — не выше 1,15 мощности номинальной лампы, включенной с ДОИ на такое же напряжение.

4. Коэффициент амплитуды тока лампы, работающей со стартерным ПРА, не должен превышать 1,7.

Нормирование перечисленных выше параметров обусловлено требованием обеспечить нормальную работу и срок службы ЛЛ в стартёрных схемах. Параметры стартеров для таких схем также должны обеспечивать максимальный срок службы ламп и надежность их зажигания. Кроме того, ПРА должны отвечать ряду дополнительных требований, связанных с работой, сроком службы самого ПРА и экономичностью применения ЛЛ. Прежде всего, это требование к ограничению потерь мощности в ПРА.

Потери мощности в ПРА формируют как отношение активной мощности, рассеиваемой в ПРА, к мощности лампы при номинальном напряжении сети. Значение потерь мощности ПРА определяется конструкцией, уровнем шума, массой магнитопровода, параметрами обмотки. Потери в дросселях обратно пропорциональны габаритным размерам, чем меньше размеры дросселя, тем выше потери в них. Так, ПРА к лампам мощностью 30 Вт имеет потери в пределах 23 31, мощностью 40 Вт 18 28, мощностью 65 Вт – 20 26 %, причем минимальные значения потерь относятся к индуктивным ПРА, а максимальные — к индуктивно-емкостным. Наличие, потерь в ПРА снижает общую световую отдачу ламп плюс комплекта ПРА, т. е. чем больше потери мощности в ПРА тем больше тратится электроэнергии на создание того же светового потока.

Элементы ПРА должны удовлетворять требованиям по электрической прочности и сопротивлению изоляции. Эти требования часто называют параметрами элсктробезопасности, так как они обеспечивают безопасность людей от поражения электрическим током и гарантируют отсутствие коротких замыканий в ПРА, т. е. обеспечивают также пожаробезопасности ПРА.

Важным требованием является требование к тепловому режиму. Тепловой режим ПРА определяется потерями мощности в обмотке и магнитопроводе, габаритными размерами и условиями охлаждения. Нормирование тепловых параметров связано с необходимостью обеспечить длительный срок службы ПРА (около 10 лет) без изменения ее электрических параметров. Тепловой режим ПРА нормируется двумя значениями - температурой нагрева обмотки и превышением температуры нагрева корпусов ПРА и конденсаторов.

Допустимую температуру нагрева обмотки t_w устанавливают в зависимости от термостойкости изоляции обмоточного провода, но не менее чем на два класса ниже по температурной шкале. Значения t_w выбирают из того же ряда температур, что и температуру классов термостойкости, т. е. 105, 120, 130°С и т. д. Таким образом, для проводов с допустимой температурой изоляции 130°С значение t_w не должно превышать 105 °С. Конструкция ПРА должна обеспечивать превышение температуры обмотки в номинальном рабочем режиме не выше чем 55°С для встраиваемых аппаратов и 45°С для аппаратов независимого исполнения. Значения превышения температуры в аномальном, т. е. длительном, пусковом режиме не должны превышать значений, приведенных ниже.

Превышение температуры обмоток ПРА в рабочем режиме проверяется при номинальном напряжении сети, в аномальном - при 1,1 номинального напряжения сети.

Требование по ограничению содержания высших гармоник в токе лампы связано с возможностью перегрузки нулевого провода трехфазной питающей сети токами высших гармоник, кратных трем, которые появляются в токе лампы.

Пускорегулирующий аппарат при своей работе является источником акустических шумов. Основной причиной шума является вибрация пластин магнитопровода под действием электромагнитных сил, возникающих в магнитном поле, и магнитострикция, или изменение размеров ферромагнитного материала при наличии магнитного поля. Уровень шума ПРА нормируют по значению звуковой мощности, создаваемой при их включении на напряжение сети, равное 1,1 номинального, в определенных частотных полосах от 125 до 8000 Гц, что соответствует полосе частот, воспринимаемых ухом человека. Уровень шума измеряют в специальной реверберациониой камере, менее точные измерения в процессе производства ПРА производят в звукомерной камере при условии обеспечения определенного уровня внешних акустических помех.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Афанасьева Е. И., Скобелев В. М. Источники света и пускорегулирующая аппаратура: Учебник для техникумов. — 2-е изд., перераб. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 272 с: ил.

2. Краснопольский А. Е. и др. Пускорегулирующие аппараты для разрядных ламп/ А. Е. Краснопольский, В. Б. Соколов, А. М. Троицкий; Под общ. ред. А. Е. Краснопольского.— М.: Энергоатомиздат, 1988.— 208 с: ил.

3. Березин М.Ю., Троицкий А.М. Электронные пускорегулирующие аппараты для разрядных ламп высокого давления. Новости светотехники. Выпуск 8. Обзор зарубежной литературы под. ред. Ю.Б. Айзенберга. М.: Дом Света, 1998. С.3-16.