Улучшение характеристик электронного балласта для газоразрядных ламп с частотным управлением мощностью

Газоразрядная лампа высокого давления на текущий момент является наиболее эффективным осветительным прибором благодаря высоким характеристикам удельной отдачи (люмен/ватт) и относительно низкой цене. Однако обеспечение длительного и надежного функционирования лампы связано с поддержанием ее эксплуатационных характеристик в требуемом диапазоне значений, что не всегда обеспечивается при использовании простейших балластных устройств [1,2].

Современные электронные балласты позволяют, с одной стороны, благодаря наличию корректора коэффициента мощности (ККМ) обеспе чить близкое к единице значение coscp, с другой стороны обеспечить зажигание лампы и формирование требуемого режима горения за счет частотного управления коммутацией ключей полумостового инвертора (ПМИ) с LC фильтром. Структурная схема балластного устройства, реализующего указанную функцию, представлена на рис. 1.

1. Описание схемы замещения колебательного контура

Эксплуатационной функцией ККМ является формирование на выходном фильтре постоянного по величине напряжения при соблюдении потребляемым током формы напряжения питающей сети.

Рис. 1. Структурная схема балластного устройства: ККМ - корректор коэффициента мощности; ПМИ - полумостовой инвертор; СУ - система управления

Структурно он построен по схеме повышающего преобразователя напряжения, выходной фильтр представлен последовательным соединением конденсаторов для лучшего согласования с полумостовым инвертором.

Полумостовой инвертор резонансного типа реализует частотное управление током нагрузки за счет использования в нагрузочной цепи дросселя Ь₂. Наличие конденсатора С₂ позволяет обеспечить формирование высоковольтного зажигающего напряжения при работе контура на резонансной гармонике.

Следует отметить, что основной проблемой использования такой схемы электронного балласта является непостоянство электрических характеристик газоразрядной лампы, так как в процессе эксплуатации лампа деградирует. Изменение свойств лампы принято оценивать изменением активного сопротивления газоразрядного столба в режиме горения лампы. Для наиболее популярных ламп (ДНАТ-250) это сопротивление может изменяться от 27 до 104 Ом. Изменение активного сопротивления приводит к изменению электрической мощности, потребляемой лампой, и для ее стабилизации применяется частотное управление коммутирующими ключами.

Для анализа воздействия частоты коммутации и изменяющегося активного сопротивления лампы на энергетические режимы преобразователя построена математическая модель, отражающая работу резонансного колебательного контура на основной гармонике коммутационного напряжения. Схема замещения колебательного контура представлена на рис. 2, где U_x - входное гармоническое напряжение основной гармоники входного коммутационного напряжения; U₂ - напряжение на газоразрядной лампе; С] - эквивалент выходного сопротивления полумостового преобразователя; L - токостабилизирующий дроссель; С₂ - резонансный поджигательный конденсатор; R - активное сопротивление газоразрядной лампы.

Рис. 2. Схема замещения колебательного контура

2. Режим работы схемы замещения

Рассматривая режим работы схемы на основной гармонике, имеем:

где 7? ||—i— j®C2

тогда

^2=^1

= UX---

7? +

R

j®C2

R

R ₊       1⁺ У®^С₂

>С2

7?

1 + jmRC₂

--1--- {_ jy^L

1 + j®RC₂ jx _______R__________

1 + j^RC^

............: „ г -v^+jtoRC^jtoL jmCx

= U_X- ----г------------------

| 1 + — | +—-— + jto--«?LC₂

( C, J j®RC_x R

_                1

1 + — -оУЬС₂

£1

R ®RCX

Учитывая, что для гармонического сигнала мощность, выделяемая в активном сопротивлении, (и^м\"

Р =------ , можно записать:

2R

2PR =

1 e>RC_A

откуда

( с Л Г с Л

1 + —- о2 -2 1 + — ZC2o4 +

f Т             I

+(ZC₂)²o⁶ + - го⁴-2—— co^{2 2} Ш R²C_a

Конечное уравнение:

(ZC2)2o6 +

А.Ю. Вставский, E.B. Вставская, В.И. Константинов, В.В. Хатеева

3. Расчет схемы замещения

При фиксированных параметрах схемы замещения:

L = 138-Ю"⁶Гн; С!=2-10"⁶Ф;

С₂ = 3,4-10”⁹Ф; Р = 250 Вт; Ц^м =255 В.

Построим характеристику зависимости требуемой частоты коммутации сопротивления (рис. 3).

В табл. 1 представлены численные значения зависимости частоты коммутации от активного сопротивления лампы.

Таблица 1 Зависимость частоты от сопротивления

R, Ом	27	53	104
у; кГц	63,4	80,3	86,2

Для устранения токовой перегрузки преобразователя при низких значениях частоты коммутации ограничим минимальное значение частоты на уровне 57 кГц (рис. 4).

При этом зависимость напряжения на активном сопротивлении лампы от ее сопротивления будет иметь следующий вид:

2-<-R-CA)

В табл. 2 и на рис. 5 представлена зависимость напряжения на газоразрядной лампе от ее сопротивления.

Таблица 2

Зависимость напряжения на лампе от ее сопротивления

R, Ом	27	53	104
672,В	116,19	162,79	228,04

Рис. 3. Зависимость частоты коммутации               Рис. 4. Зависимость частоты коммутации от сопротивления лампы                     с ограничением от сопротивления лампы

Рис. 5. Зависимость напряжения на газоразрядной лампе от ее сопротивления

Ограничение позволяет сформировать ток лампы (рис. 6 и табл. 3):

7?V2 ’

Рис. 6. Зависимость тока лампы от ее сопротивления

Таблица 3

Зависимость тока от сопротивления лампы

R, Ом	27	53	104
/, А	3,043	2,172	1,55

Для анализа влияния резонансного конденсатора (С2) на энергетические характеристики лампы, проанализируем зависимость тока через конденсатор от сопротивления лампы (рис. 7):

Рис. 7. Зависимость тока через резонансный конденсатор от сопротивления газоразрядной лампы

Отсюда можно сделать вывод, что ток несущественно влияет на характеристику лампы.

Определим зависимость электрической мощности лампы от ее активного сопротивления при постоянной частоте коммутации (рис. 8).

Рис. 8. Погрешность мощности лампы, с фиксированной частотой коммутации

Из графика видно, что за время жизни лампы при фиксированной частоте коммутации ключей ИМИ электрическая мощность лампы изменяется на 30 %, что, с одной стороны, сокращает жизненный цикл лампы за счет перегрузки по мощности, с другой, может считаться объектом энергосбережения, поскольку светотехническое проектирование использования светильников предполагает получение минимально гарантированной световой отдачи, а она меняется с течением времени.

Устранение этого недостатка - построение ПМИ с обратной связью по потребляемой мощности с целью ее стабилизации. В качестве сигнала о текущей потребляемой мощности легко использовать сигнал выходного тока ККМ, поскольку его выходное напряжение фиксировано, а КПД стремится к единице.

Следует отметить, что проведенный электрический анализ по сигналам основной гармоники дает высокую точность определения токов и напряжений, поскольку расчетные и экспериментальные результаты анализа электрических режимов отличаются не более чем на 3 %.