ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЙ АППАРАТ

ДЛЯ ДУГОВЫХ НАТРИЕВЫХ ЛАМП

Панфилов Д.И., Поляков В.Д., Поляков Ю.Д., Барышников А.Н.

Натриевые лампы высокого давления находят растущее применение для наружного освещения, интенсивно вытесняя, благодаря лучшим технико-экономическим показателям, дуговые ртутные лампы. Основные преимущества натриевых ламп по сравнению с дуговыми: 25% сбережение электроэнергии, увеличенный срок службы и до 45% больший световой поток.

Традиционная система электропитания лампы от сети переменного напряжения 220В 50 Гц содержит токоограничивающий реактор, последовательно включенный с лампой и устройство, формирующее высоковольтные импульсы для зажигания разряда. Проблемы, связанные с электромагнитными ПРА, следующие:

• мерцание от сети 50 Гц;

• нестабильность мощности и светового потока лампы при колебаниях сетевого напряжения;

• низкий коэффициент мощности;

• большая масса реактора ПРА, наличие отдельного блока импульсного запуска и необходимость применения дополнительного конденсатора для улучшения коэффициента мощности;

• отсутствие возможности управления светом.

Эти недостатки устраняются при использовании для питания натриевых ламп электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА), другое распространенное название которых - электронные балласты. В дополнении к этому ЭПРА позволяет:

• повысить срок службы лампы;

• уменьшить энергопотребление;

• обеспечить комфортную освещенность.

Поэтому электронные балласты вызывают повышенный интерес у организаций, занимающихся вопросами городского освещения.

В статье описывается электронный пускорегулирующий аппарат для серийно выпускаемых дуговых натриевых ламп высокого давления типа ДНаТ, мощностью 250 Вт, разработанный на кафедре “Промышленной электроники” Московского энергетического института (Технического Университета) для Государственного предприятия “Нижегородский завод им. М.В. Фрунзе”.

Схема ЭПРА представлена на рис. 1 и содержит следующие узлы: сетевой фильтр, выпрямитель, корректор коэффициента мощности, инвертор, устройство поджига и устройство управления мощностью.

Рис. 1. Схема ЭПРА для ДНаТ – 250.

В процессе разработки схемы были учтены требования МЭК к электронным пускорегулирующим аппаратам и особенности лампы высокого давления, являющейся нагрузкой электронного балласта.

1. ЭПРА выполнен на базе полумостового инвертора напряжения на силовых МОП-транзисторах, работающих на повышенной частоте модуляции. Для управления силовыми МОП-транзисторами инвертора используется интегральная микросхема высоковольтного драйвера, что обеспечивает надежный запуск, стабильную работу ЭПРА в широком диапазоне температур и низкий уровень динамических потерь в транзисторах. [1].

Дискретное управление частотой модуляции инвертора, соответственно, током лампы и потребляемой мощностью осуществляется путем изменения емкости времязадающей RC-цепи управляющей микросхемы при помощи ключа S, в цепь которого включен дополнительный конденсатор. Инвертор обеспечивает питание лампы током повышенной частоты в двух режимах - режиме полной мощности и в режиме энергопотребления на уровне 50% от номинального, что дает адекватное управление яркостью свечения лампы.

Переключение режимов осуществляется при помощи устройства управления мощностью, включающего компаратор, на вход которого поступает выпрямленное сетевое напряжение, селектор импульсов по длительности и запоминающее устройство, управляющее ключом S. При подключении к сети в ЭПРА всегда устанавливается режим полной мощности. Команда на переключение режима поступает от станции управления, силовая часть которой представляет собой тиристорный коммутатор, и заключается в прерывании питающего сетевого напряжения на время, равное половине его периода повторения. Управляющее воздействие идентифицируется устройством управления мощностью ЭПРА и изменяет состояние запоминающего устройства. Ключ S размыкается, повышая рабочую частоту инвертирования, и ЭПРА переходит в режим пониженной мощности. При повторном управляющем воздействии ЭПРА возвращается в исходное состояние. Наличие в устройстве управления мощностью селектора импульсов по длительности позволяет исключить ложные срабатывания при сбоях, возникающих в сети. На рис. 2,а приведены осциллограммы сетевого напряжения и тока лампы при переходе на пониженную мощность.

2. Применение активного корректора коэффициента мощности решает проблемы совместимости ЭПРА с питающей сетью. Корректор выполнен по схеме повышающего импульсного преобразователя на мощном МОП-транзисторе, управление которого производится от специализированной интегральной микросхемы [2], что обеспечивает энергопотребление с коэффициентом мощности в номинальном режиме на уровне 0,98. Корректор коэффициента мощности формирует квазисинусоидальный ток в реакторе, включенном на выходе выпрямителя, а сетевой фильтр снижает уровень высокочастотных гармоник в потребляемом токе. Как видно, из представленных в таблице 1 данных, коэффициент мощности имеет высокое значение при всех возможных режимах в диапазоне изменения напряжения 220В ± 15%. Осциллограммы сетевого напряжения и потребляемого тока приведены на рис. 2,б. Вторым положительным свойством применения корректора является высокая стабильность освещенности при изменении напряжения питающей сети за счет стабилизации напряжения в силовой цепи постоянного тока.

а)

б)

Рис. 2. Осциллограммы: а) – сетевого напряжения и тока лампы в режиме переключения мощности; б) – сетевого напряжения и потребляемого из сети тока.

3. Сетевой фильтр помимо сглаживания высокочастотных пульсаций потребляемого тока, возникающих при работе активного корректора коэффициента мощности, обеспечивает подавление радиопомех, генерируемых ЭПРА. Наличие активного корректора и сетевого фильтра обеспечило выполнение стандарта МЭК 555.2, жестко регламентирующего уровень высших гармоник потребляемого из сети тока [3].

Таблица 1.

Результаты испытаний ЭПРА в различных режимах работы.

На входе сетевого фильтра включен традиционный узел защиты от сетевых перенапряжений, включающий варистор и предохранитель. Соединенный последовательно с предохранителем терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления ограничивает бросок входного тока при подключении ЭПРА к сети, обусловленный зарядом емкостного фильтра на входе инвертора.

4. Зажигание лампы производится путем подачи на ее электроды высокого напряжения. Напряжение необходимое для зажигания может быть получено в резонансном контуре или сформировано специальной схемой в виде повторяющихся импульсов. Для надежного зажигания лампы в высокочастотной резонансной схеме требуется напряжение, действующее значение которого превышает 1 - 1,2 кВ, что приводит к 3 - 4 кратной перегрузке по току по отношению к номинальному току лампы [4] и, как следствие, к увеличению установленной мощности силовых полупроводниковых ключей инвертора, снижению надежности и дополнительным потерям мощности в режиме холостого хода. Продолжительный режим холостого хода, возникающий при выходе лампы из строя или ее отсутствии, становится практически недопустимым. Требуется усложнение схемы для обеспечения повторно-кратковременного режима пуска. Поэтому для пуска лампы была использована импульсная система зажигания.

Устройство поджига выполнено по известной динисторной схеме запуска [1], формирующей высоковольтные импульсы напряжения с амплитудой 3-4 кВ. Схема содержит накопительный конденсатор, заряд которого производится через резисторы от шин питания инвертора. Разряд конденсатора происходит через динистор на дополнительную обмотку реактора, что вызывает формирование на его силовой обмотке высоковольтного импульса напряжения в виде затухающего гармонического сигнала, который через силовые ключи и разделительный конденсатор прикладывается к электродам лампы. После зажигания лампы осцилляция прекращается, поскольку цепь нагрузки изменяет условия заряда конденсатора и не позволяет достигнуть напряжению на нем значения порога срабатывания динистора.

5. За зажиганием лампы следует относительно длительный (несколько минут) процесс ее разгорания. В течение этого времени напряжение на лампе растет от 20-30 В до номинального значения, составляющего для ламп ДНаТ мощностью 250 Вт примерно 100 В. Ток ограничивается сопротивлением реактора и его действующее значение не превышает 3,1 А, что составляет 120-130% его номинального значения. Значение рабочей частоты выбрано вблизи 20 кГц [5] для исключения так называемого акустического резонанса и сопровождающих его явлений: нестабильности светового потока, локального перегрева стенок разрядной трубки, приводящего к возможному ее растрескиванию.

6. ДНаТ имеет резко возрастающие вольт-амперную и, соответственно, вольт-мощностную характеристики для равновесной температуры разрядной трубки [5]. Такая зависимость обуславливает сильное влияние параметров ПРА на характеристики лампы. Кроме того, в процессе эксплуатации происходит постепенный рост напряжения на натриевых лампах. При реальных колебаниях сетевого напряжения (более 5%) вольт-мощностная характеристика комплекта электромагнитный ПРА - лампа выходит за рамки четырехугольника, построенного в соответствии с требованиями МЭК, что говорит о превышении допустимого уровня мощности практически в течение всего срока службы лампы [5].

Вольт-мощностная характеристика ЭПРА, построенная в относительных единицах приведена на рис. 3. Как видно из рис. 3 мощность P растет с увеличением напряжения U_л на лампе и максимального своего значения Р_max достигает при напряжении составляющим примерно 0,65 выходного напряжения U инвертора. При дальнейшем росте напряжения на лампе мощность падает. Максимально допустимое превышение, которое согласно публикациям МЭК составляет 16%, будет иметь место при номинальном напряжении на лампе составляющем примерно 0,44 выходного напряжения инвертора. Для лампы ДНаТ-250 Вт с расчетным номинальным напряжением 100 В и напряжением в цепи постоянного тока 400 В при использовании полумостовой схемы инвертора максимальное превышение мощности составит 9%. Таким образом правильный выбор напряжения в промежуточной цепи постоянного тока ЭПРА позволяет обеспечить ограничение выходной мощности на требуемом уровне. Отсутствует необходимость введения дополнительных обратных связей (например, изменяющих частоту модуляции инвертора) для ограничения мощности, негативным проявлением которых может явиться ухудшение устойчивости системы ЭПРА - лампа в динамических режимах. Опыт разработки ЭПРА с активным корректором коэффициента мощности показывает, что при наличии уже существующих обратных связей приходится решать вопросы устойчивости системы в переходных режимах.

Рис. 3.

Как отмечалось, в течение эксплуатации происходит постепенное увеличение напряжения на натриевой лампе. В отличие от работы на промышленной частоте, где срок службы лампы определяется известным переходом в циклический режим из-за роста напряжения перезажигания, при работе с ЭПРА повышенная частота питающего напряжения приводит к полному исчезновению пиков перезажигания, а погасание разряда связано с нарушением устойчивости работы лампы в комплекте с ЭПРА [5,6]. Срок службы ламп увеличивается, в том числе, за счет ограничения максимальной мощности, однако объективную оценку могут дать только ресурсные испытания в реальных условиях эксплуатации.

Электронный балласт обеспечивает заметную экономию материалов. На рис. 4 приведена сравнительная фотография ЭПРА и электромагнитного ПРА для натриевой лампы мощностью 250 Вт. В состав электромагнитного ПРА входят ограничительный реактор, тиристорное устройство зажигания и конденсатор для компенсации реактивной мощности. При сопоставимых габаритах ЭПРА имеет в 3 раза меньший вес и более удобен в монтаже.

Рис. 4.

Экономичность ЭПРА определяется уменьшенным энергопотреблением при сохранении светового потока за счет уменьшения на 50-55% потерь по сравнению с электромагнитным ПРА, дополнительным энергосбережением благодаря возможности управления световым потоком лампы (переход на пониженную мощность), уменьшенными эксплуатационными расходами за счет повышения срока службы ламп.

Более высокая, по сравнению с традиционным ПРА, стоимость ЭПРА компенсируется постоянно увеличивающейся стоимостью электроэнергии и сокращением затрат на обслуживание осветительных установок.

На рис. 5 приведены результаты расчета экономической эффективности при использовании ЭПРА вместо традиционного электромагнитного ПРА, проведенного по формуле

где Ц_Э - цена ЭПРА в рублях;

Ц_эм - цена электромагнитного ПРА в рублях;

Р - потребляемая мощность при питании лампы от электромагнитного ПРА в кВт;

Т - срок эксплуатации ЭПРА в часах;

С - стоимость электрической энергии в кВтЧ ч;

Ц_у - стоимость системы управления светом;

З_у - затраты по установке системы управления светом;

m - количество ламп контролируемых системой управления светом;

к₁ - коэффициент экономии электроэнергии;

к₂ - коэффициент дополнительной экономии за счет управления, определяющий использование энергосберегающего режима пониженной мощности (50% номинального) в суточном цикле эксплуатации.

Коэффициент к₂ определяется как

где Т₁ - время работы лампы в сутки с номинальной мощностью;

Т₂ - время работы лампы в сутки с пониженной (50% ) мощностью;

Т_с - общее время работы лампы в течение суток.

Рис. 5.

Результаты расчета экономии электроэнергии в течение срока эксплуатации ЭПРА представлены на диаграмме рис. 6.

Рис. 6.

При расчете использовались следующие данные: стоимость ЭПРА - 800 руб.; стоимость электромагнитного ПРА, включая дроссель, блок зажигания и конденсатор для компенсации реактивной мощности - 720 руб. (дроссель 200 руб., блок зажигания 200 руб., компенсирующий конденсатор 320 руб.); стоимость электроэнергии - 0,28 руб. за 1 кВтЧ ч; коэффициент экономии к₁ - 0,2; коэффициент дополнительной экономии к₂ - 0,25; потребляемая мощность при питании от электромагнитного ПРА - 290 Вт; срок эксплуатации ЭПРА - 40000 часов (соответствует паспортным данным); стоимость устройства для управления светом на 100 ламп (25 кВт) - 5000 руб. Дополнительная эффективность за счет уменьшения эксплуатационных затрат не учитывалась. Не учитывалась также косвенная экономия за счет разгрузки электросети.

При работе лампы 10 часов в сутки в обычном режиме годовая экономия электроэнергии составляет 212 кВтЧ ч на один ЭПРА. При использовании средств управления для переключения ламп в экономичный режим и при условии работы в этом режиме половины времени горения лампы экономия электроэнергии составит: в год - 476 кВтЧ ч; в течение всего срока службы - 5220 кВтЧ ч.

Экономическая эффективность у потребителя при использовании одного ЭПРА составляет: для обычного режима работы 570 руб.; для управляемого режима работы (с переходом на пониженную мощность в ночное время) 1322 руб.

Основные технические характеристики ЭПРА приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Основные технические характеристики ЭПРА.

Основные достоинства ЭПРА:

• стабильность освещения и повышенный срок службы лампы за счет стабилизации выходной мощности при изменениях напряжения питающей сети и обеспечения более щадящего пуска.

• комфортное освещение за счет отсутствия низкочастотных пульсаций светового потока (стробоскопического эффекта).

• высокое качество потребляемой электроэнергии - коэффициент мощности близкий к единице, благодаря потреблению синусоидального тока с нулевым фазовым сдвигом.

• малая масса, благодаря работе на повышенной частоте с высоким к.п.д., наличию встроенного устройства зажигания и отсутствию необходимости в дополнительном оборудовании для компенсации реактивной мощности.

• бесшумная работа за счет питания током повышенной частоты (свыше 20 кГц).

• низкий уровень радиопомех, который достигается путем использования специальных фильтров.

Государственным предприятием “Нижегородский завод им. М.В.Фрунзе” изготовлена и испытана опытная партия ЭПРА. Испытания, проведенные на ОАО “ЛИСМА ВНИИИС” и объектах муниципального предприятия “Нижегород-горсвет”, показали эксплуатационную надежность при воздействии всех дестабилизирующих факторов (температура, изменение сетевого напряжения и др.). Произведена сертификация ЭПРА.

Серийное производство электронных балластов осуществляется с 1 квартала 1999 года. Завод предполагает освоение электронных пускорегулирующих аппаратов для всего ряда серийно выпускаемых дуговых натриевых ламп высокого давления типа ДНаТ мощностью 70, 100, 150, 250 Вт.

Адрес разработчика: 111250, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., д.14, кафедра “Промышленной электроники”.

Тел. 362-74-24, 362-74-19, 362-74-22; факс 362-74-24.

E-mail: pel@srv-vmss.mpei.ac.ru.

Авторы выражают благодарность фирме Hewlett Packard за оборудование (осциллограф HP 54645D и генератор сигналов НР 33120А), которое было предоставлено кафедре “Промышленной электроники” МЭИ и использовано в процессе проведения разработки электронных балластов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Силовые полупроводниковые приборы. International Rectifier. Книга по применению. Пер. с англ. под ред. В.В.Токарева. Воронеж: Издательство ТОО МП "Элист", 1995. - 661 с.

2. High voltage greenline power factor controller.- Motorola. 1996. - 16 c.

3. IEC 555 - 2; 1982. Disturbances in supply systems caused by hausehold appliances and similar electrical equipment. Part 2: Harmonics (Amendment #2; 1988).

4. Вердеревская А.Н., Волкова Е.Б., Троицкий А.М. Особенности эксплуатации комплекта “Натриевая лампа высокого давления - пускорегулирующий аппарат”. Светотехника. 1989. “N11. С.8-11.

5. 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.

6. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1991.- 720 с.

Назад