Живлення світильників з ЕПРА від силових трансформаторів
При харчуванні світильників від силового трансформатора зі схемою з'єднання зірка-зірка з нулем і завантаженні цього трансформатора тільки світильниками з електронними баластами більш ніж на 60% виникають коливання фазної напруги з частотою 10-20 Гц, що призводить до мерехтіння ламп і нестабільної роботи решти устаткування.
Максимальні напруги при цьому можуть досягати значень 300V і більш, що буде в свою чергу приводити до виходу ЕПРА та іншого обладнання з ладу.
Виходом з цієї ситуації є застосування силових трансформаторів з Z - образної схемою з'єднання обмоток або завантаження трансформатора зі схемою з'єднання зірка-зірка з нулем світильниками з електронними баластами не більше ніж на 60%.
Решта навантаження трансформатора може бути активною або активно-індуктивному.
Енергозберігаючі електронні пускорегулюючі апарати (ЕПРА)
ДРЛ Ртутні
Пульсація світлового потоку відбувається з подвійною частотою мережі.
При роботі в мережі 50Гц в схемі зі стандартним Електромагнітним дроселем ЕМПР (ПРА). коефіцієнт пульсацій состовляет 63-74%
При наявності обертових деталей машин, пулсація може викликати стробоскопічний ефект. * (Див. СНиП 23-05-95.)
Стробоскопический (мерехтіння ламп) ефект можна зменшити (тільки зменшити) при включенні ламп в різні фази.
Пульсації МГЛ, в схемі зі стандартним дроселем ЕМПР (ПРА). нижче ніж в ДРЛ і залишають 30%.
Традиційна система електроживлення лампи від мережі змінного напруги 220В 50 Гц містить струмообмежувальним реактор, послідовно включений з лампою і пристрій, що формує високовольтні імпульси для запалювання розряду.
Проблеми, пов'язані з електромагнітними ПРА, такі:
мерехтіння від мережі 50 Гц; *
нестабільність потужності і світлового потоку лампи при коливаннях напруги;
низький коефіцієнт потужності;
велика маса реактора ПРА, наявність окремого блоку імпульсного запуску і необхідність застосування додаткового конденсатора для поліпшення коефіцієнта потужності;
відсутність можливості управління світлом;
Ці недоліки усуваються при використанні електронних пускорегулювальних апаратів (ЕПРА):
Стабільність світлового потоку на весь термін служби лампи;
Збільшення терміну служби лампи від номінального, від 20% і вище, за рахунок стабілізації потужності в широкому діапазоні зміни напруги живлення і оптимізації режиму розпалювання - «м'який» пуск;
Надійне відключення несправних ламп або ламп з відхиленням робочого режиму;
Робочий діапазон температур -40 ... + 85 ° С;
Широкий діапазон вхідної напруги 100 ... 264W:
Висока якість споживаної електроенергії - коефіцієнт потужності близький до одиниці (0,98), завдяки споживанню синусоїдального струму з нульовим фазовим зрушенням;
Робота ЕПРА на підвищеній частоті з високим К.П.Д. (96%);
Зниження енерговитрат на 50-55% в порівнянні з електромагнітним ПРА;
Стабілізація вихідної потужності при змінах напруги мережі живлення;
Можливість підключення до лінії більшого числа світильників при повній відсутності фактора різниці рівня освітленості на початку і в кінці лінії;
Безшумна робота (відсутність шумових перешкод) за рахунок харчування струмом підвищеної частоти (понад 20 кГц);
Низький рівень радіоперешкод, який досягається шляхом використання спеціальних фільтрів;
Відсутність кидків комутаційних струмів в силовий живильної ланцюга при включенні апаратів;
Відсутність низькочастотних пульсацій світлового потоку (мерехтіння лампи - стробоскопічного ефекту); *
Відсутність додаткового обладнання (конденсаторів і ИЗУ) для запуску і компенсації реактивної потужності;
Низьке тепловиділення блоку ЕПРА;
Мала маса і габарити ЕПРА.
Схема ЕПРА представлена на рис. 1 і містить наступні вузли: мережевий фільтр, випрямляч, коректор коефіцієнта потужності, інвертор, пристрій підпалу і пристрій управління потужністю.
Мал. 1. Схема ЕПРА для МГЛ / ДНаТ - 250.
1. ЕПРА виконаний на базі полумостового інвертора напруги на силових МОП-транзисторах, що працюють на підвищеній частоті модуляції. Для управління силовими МОП-транзисторами інвертора використовується інтегральна мікросхема високовольтного драйвера, що забезпечує надійний запуск, стабільну роботу ЕПРА в широкому діапазоні температур і низький рівень динамічних втрат в транзисторах.
Дискретне управління частотою модуляції інвертора, відповідно, струмом лампи і споживаної потужністю здійснюється шляхом зміни ємності времязадающей RC-ланцюга керуючої мікросхеми за допомогою ключа S, в ланцюг якого включений додатковий конденсатор.
Інвертор забезпечує харчування лампи струмом підвищеної частоти в двох режимах - режимі повної потужності і в режимі енергоспоживання на рівні 50% від номінального, що дає адекватне управління яскравістю світіння лампи.
Перемикання режимів здійснюється за допомогою пристрою управління потужністю, що включає компаратор, на вхід якого надходить випрямлена напруга мережі, селектор імпульсів по тривалості і пристрій, що управляє ключем S.
При підключенні до мережі в ЕПРА завжди встановлюється режим повної потужності.
Команда на перемикання режиму надходить від станції управління, силова частина якої являє собою тиристорний комутатор, і полягає в перериванні живлячої напруги на час, що дорівнює половині його періоду повторення.
Керуючий вплив ідентифікується пристроєм управління потужністю ЕПРА і змінює стан пристрою, що запам'ятовує.
Ключ S розмикається, підвищуючи робочу частоту инвертирования, і ЕПРА переходить в режим зниженої потужності. При повторному керуючого дії ЕПРА повертається в початковий стан.
Наявність у пристрої управління потужністю селектора імпульсів по тривалості дозволяє виключити помилкові спрацьовування при збоях, що виникають в мережі.
На рис. 2, а наведено осцилограми напруги і струму лампи при переході на знижену потужність.
2. Застосування активного коректора коефіцієнта потужності вирішує проблеми сумісності ЕПРА з мережею живлення.
Коректор виконаний за схемою підвищувального імпульсного перетворювача на потужному МОП-транзисторі, управління якого виробляється від спеціалізованої інтегральної мікросхеми [2], що забезпечує енергоспоживання з коефіцієнтом потужності в номінальному режимі на рівні 0,98. Коректор коефіцієнта потужності формує квазісінусоідальние ток в реакторі, включеному на виході випрямляча, а мережевий фільтр знижує рівень високочастотних гармонік в споживаної струмі. Як видно, з представлених в таблиці 1 даних, коефіцієнт потужності має високе значення при всіх можливих режимах в діапазоні зміни напруги 220 В ± 15%.
Осцилограми напруги і споживаного струму наведені на рис. 2, б.
Другим позитивним властивістю застосування коректора є висока стабільність освітленості при зміні напруги мережі за рахунок стабілізації напруги в силовому ланцюзі постійного струму.
Мал. 2. Осцилограми:
а)
б)
а) - напруга в електромережі та струму лампи в режимі перемикання потужності;
б) - напруга в електромережі та споживаного з мережі струму.
3. Мережевий фільтр крім згладжування високочастотних пульсацій споживаного струму, що виникають при роботі активного коректора коефіцієнта потужності, забезпечує придушення радіоперешкод, що генеруються ЕПРА. Наявність активного коректора і мережевого фільтра забезпечило виконання стандарту МЕК 555.2, жорстко регламентує рівень вищих гармонік споживаного з мережі струму.
На вході мережевого фільтра включений традиційний вузол захисту від мережевих перенапруг, що включає варістор і запобіжник.
З'єднаний послідовно з запобіжником терморезистор з негативним температурним коефіцієнтом опору обмежує кидок вхідного струму при підключенні ЕПРА до мережі, обумовлений зарядом ємнісного фільтра на вході інвертора.
4. Запалювання лампи проводиться шляхом подачі на її електроди високої напруги.
Напруга необхідне для запалювання може бути отримано в резонансному контурі або сформовано спеціальної схемою у вигляді повторюваних імпульсів.
Для надійного запалювання лампи в високочастотної резонансної схемою потрібна напруга, діюче значення якого перевищує 1 - 1,2 кВ, що призводить до 3 - 4 кратної перевантаження по струму по відношенню до номінального струму лампи [4] і, як наслідок, до збільшення встановленої потужності силових напівпровідникових ключів інвертора, зниження надійності і додаткових втрат потужності в режимі холостого ходу.
Тривалий режим холостого ходу, що виникає при виході лампи з ладу або її відсутності, стає практично неприпустимим.
Потрібно ускладнення схеми для забезпечення повторно-короткочасного режиму пуску.
Тому для пуску лампи була використана імпульсна система запалювання.
Пристрій підпалу виконано за відомою діністорной схемою запуску [1], яка формує високовольтні імпульси напруги з амплітудою 3-4 кВ.
Схема містить накопичувальний конденсатор, заряд якого проводиться через резистори від шин живлення інвертора.
Розряд конденсатора відбувається через динистор на додаткову обмотку реактора, що викликає формування на його силовий обмотці високовольтного імпульсу напруги у вигляді затухаючого гармонійного сигналу, який через силові ключі і розділовий конденсатор прикладається до електродів лампи.
Після запалювання лампи осциляція припиняється, оскільки ланцюг навантаження змінює умови заряду конденсатора і не дозволяє досягти напрузі на ньому значення порога спрацьовування динистора.
5. За запалюванням лампи слід відносно тривалий (кілька хвилин) процес її розгоряння.
Протягом цього часу напруга на лампі зростає від 20-30 В до номінального значення, що становить для ламп ДНаТ потужністю 250 Вт приблизно 100 В.
Струм обмежується опором реактора і його діюче значення не перевищує 3,1 А, що становить 120-130% його номінального значення.
Значення робочої частоти вибрано поблизу 20 кГц [5] для виключення так званого акустичного резонансу і супроводжуючих його явищ: нестабільності світлового потоку, локального перегріву стінок розрядної трубки, що приводить до можливого її розтріскування.
6. ДНаТ має різко зростаючі вольт-амперну і, відповідно, вольт-мощностную характеристики для рівноважної температури розрядної трубки [5].
Така залежність зумовлює сильний вплив параметрів ПРА на характеристики лампи.
Крім того, в процесі експлуатації відбувається поступове зростання напруги на натрієвих лампах.
При реальних коливаннях напруги (понад 5%) вольт-потужності характеристики комплекту електромагнітний ПРА - лампа виходить за рамки чотирикутника, побудованого відповідно до вимог МЕК, що говорить про перевищення допустимого рівня потужності практично протягом усього терміну служби лампи [5].
Вольт-потужності характеристики ЕПРА, побудована в відносних одиницях наведена на рис. 3.
Як видно з рис. 3 потужність P зростає зі збільшенням напруги Uл на лампі і максимального свого значення Рmax досягає при напрузі складових приблизно 0,65 вихідної напруги U інвертора.
При подальшому зростанні напруги на лампі потужність падає.
Максимально допустиме перевищення, яке згідно з публікаціями МЕК становить 16%, буде мати місце при номінальній напрузі на лампі становить приблизно 0,44 вихідної напруги інвертора.
Для лампи ДНаТ-250 Вт з розрахунковим номінальною напругою 100 В і напругою в ланцюзі постійного струму 400 В при використанні полумостовой схеми інвертора максимальне перевищення потужності складе 9%.
Таким чином правильний вибір напруги в проміжній ланцюга постійного струму ЕПРА дозволяє забезпечити обмеження вихідної потужності на необхідному рівні.
Відсутня необхідність введення додаткових зворотних зв'язків (наприклад, змінюють частоту модуляції інвертора) для обмеження потужності, негативним проявом яких може з'явитися погіршення стійкості системи ЕПРА - лампа в динамічних режимах.
Досвід розробки ЕПРА з активним коректором коефіцієнта потужності показує, що при наявності вже існуючих зворотних зв'язків доводиться вирішувати питання стійкості системи в перехідних режимах.
Як зазначалося, протягом експлуатації відбувається поступове збільшення напруги на натрієвої лампи.
На відміну від роботи на промисловій частоті, де термін служби лампи визначається відомим переходом в циклічний режим через зростання напруги перезажіганія, при роботі з ЕПРА підвищена частота напруги живлення призводить до повного зникнення піків перезажіганія, а згасання розряду пов'язано з порушенням стійкості роботи лампи в комплекті з ЕПРА [5,6].
Термін служби ламп збільшується, в тому числі, за рахунок обмеження максимальної потужності, проте об'єктивну оцінку можуть дати тільки ресурсні випробування в реальних умовах експлуатації.
Електронний баласт забезпечує помітну економію матеріалів.
На рис. 4 наведено порівняльну фотографія ЕПРА і електромагнітного ПРА для натрієвої лампи потужністю 250 Вт. До складу електромагнітного ПРА входять обмежувальний реактор, тиристорне пристрій запалювання і конденсатор для компенсації реактивної потужності.
При порівнянних габаритах ЕПРА має в 3 рази меншу вагу і більш зручний в монтажі.
Економічність ЕПРА визначається зменшеним енергоспоживанням при збереженні світлового потоку за рахунок зменшення на 50-55% втрат в порівнянні з електромагнітним ПРА, додатковим енергозбереженням завдяки можливості управління світловим потоком лампи (перехід на знижену потужність), зменшеними експлуатаційними витратами за рахунок підвищення терміну служби ламп.
Більш висока, порівняно з традиційним ПРА, вартість ЕПРА компенсується постійно збільшується вартістю електроенергії і скороченням витрат на обслуговування освітлювальних установок.
Мал. 5.
Схема підключення ПРА і ЕПРА