Энергосбережение на современном этапе

(37)

или, используя соотношение (32) и (34), получаем:

. (38)

Видно, что напряжение на балласте в момент перезажигания лампы зависит только от величины индуктивности балласта и характеристик лампы, и не зависит от U_c.

Необходимо учитывать, что индуктивно-емкостная схема балласта, в целом по отношению к сети, ведет себя как емкостная нагрузка, так как по фазе опережает u_c. В связи с этим, целесообразно при подключении достаточно большого числа осветительных устройств к общей сети, чередовать использование схем с емкостными и индуктивным балластами. В этом случае обеспечивается практическое отсутствие сдвига фазы суммарного тока по отношению к сетевому напряжению и не требуется применения специальных мер исправления cos сети. Поэтому считается, что емкостный балласт является одним из наиболее экономичных 16,17.

Известно 18, что в случае индуктивно-емкостного балласта имеет место увеличенное искажение формы питающего напряжения по сравнению со случаем индуктивного балласта. Анализ спектра напряжения на зажимах комплекта лампа ДРЛ-ПРА (индуктивно-емкостный), показал, что относительный уровень третьей гармоники составляет 20-30%, а уровень пятой - (3-5)%, что в 2-3 раза выше, чем в чисто индуктивном балласте. Повышенное наличие высших гармоник в питающей сети с одной стороны вызывает повышение потерь в сердечниках трансформаторов подстанций 19, а с другой - увеличивает уровень помех проводным системам связи.

Реальные балластные устройства отличаются от рассмотренных выше, прежде всего наличием активных потерь, которые создаются в основном в электромагнитных элементах, а в качественных конденсаторах даже при работе в условиях повышенной температуры они не превышают 0,4%. Для стабилизации мощности лампы или обеспечения постоянства светового потока необходимо ограничивать влияние колебаний сетевого напряжения на мощность. С этой целью используют схемы со стабилизацией тока лампы. Напряжение горения лампы очень слабо зависит от величины тока, в результате мощность лампы в такой схеме также оказывается стабилизированной. В качестве элемента, ограничивающего ток лампы, используется емкостный балласт. Для того чтобы такой балласт стабилизировал ток лампы при изменении напряжения питания, в нем вместо обычного дросселя используют дроссель с высокой магнитной индукцией в сердечнике. При этом увеличение тока, сопровождающее возрастание сетевого напряжения, приводит к уменьшению реактивного сопротивления дросселя. В результате суммарное реактивное сопротивление последовательно соединенных элементов L и С возрастает и ток лампы увеличивается незначительно. Эта схема хотя и обеспечивает хорошую стабилизацию, но обладает одним существенным недостатком. Форма кривой тока лампы, работающей последовательно с емкостным балластом, даже если его индуктивный элемент линеен, получается сильно искаженной, за счет большой доли высших гармоник в суммарном токе лампы. А использование индуктивного элемента приводит к дополнительному увеличению доли высших гармоник и к еще большему искажению формы кривой тока. При этом особенно сильно возрастает третья гармоника. Для того чтобы ее уменьшить или даже перекомпенсировать, в схему включают трансформатор с рассеянием. Фаза третьей гармоники на вторичной обмотке трансформатора получается сдвинутой почти на 180° относительно фазы третьей гармоники, создаваемой емкостной составляющей балласта. Форма кривой тока в этом случае в области максимума становится плоской, а действующее значение тока при фиксированной мощности лампы уменьшается.

Если последовательно с трансформатором или автотрансформатором с рассеянием включить конденсатор достаточно большой емкости, то такая схема будет обладать свойствами емкостного балласта. В этой схеме вторичное напряжение в рабочем режиме получается больше, чем напряжение холостого хода, из-за того, что напряжение на конденсаторе находится в противофазе по отношению к напряжению на фиктивной индуктивности и значительно больше последнего.

Коэффициент мощности, определяемый углом сдвига между напряжением и током на выходе схемы (cos ), если схема состоит из лампы, соединенной последовательно с индуктивным или емкостным балластом, обычно лежит в пределах 0,4 - 0,7. По экономическим соображениям низкий cos является нежелательным, и поэтому применяют специальные методы для его повышения. В случае индуктивной схемы включения лампы применяется групповая или индивидуальная компенсация cos . Для этого группа конденсаторов присоединяется, соответственно, либо параллельно к источнику питания, либо непосредственно на входе индивидуальной схемы каждой лампы. При таком включении емкости возникает опережающая реактивная составляющая тока в токоподводящих проводах. Поэтому угол сдвига между суммарным током лампы и емкости, и сетевым напряжением уменьшается. Подбирая величину емкости, можно добиться, чтобы cos был близок к единице. Пример зависимости cos компенсированной индуктивной схемы включения от величины емкости показан на рис. 9. Получить в такой схеме cos = 1 нельзя, т.к. ток через конденсатор не может компенсировать действие высших гармоник . Качественная компенсация может быть достигнута только для строго фиксированной частоты питающего напряжения. Изменение частоты сетевого напряжения приводит к уменьшению cos , по сравнению с расчетным, из-за того, что величины емкостного и индуктивного сопротивлений изменяются противоположно.

Рис.9. Зависимость коэффициента мощности лампы ДРЛ 125, включенной с индуктивным балластом, от емкости компенсирующего конденсатора С_к

Аналогичное явление имеет место и при искажении формы питающего напряжения, из-за появления в емкостном токе высших гармоник. Таким образом, при компенсации коэффициента мощности индуктивного балласта максимальный коэффициент получается меньше единицы из-за того, что форма кривой тока отличается от синусоидальной. Для группы ламп компенсация cos может быть осуществлена путем включения одной части ламп последовательно с емкостным балластом, а другой - с индуктивным. Подбирая правильное соотношение между числом индуктивных и емкостных схем, можно добиться получения cos , очень близкого к единице. Обычно ограничиваются компенсацией коэффициента мощности до величины порядка 0,85 - 0,90, т.к. в этом случае можно обойтись меньшим количеством схем с емкостным балластом. В этом случае стоимость осветительной установки в целом получается более низкой (рис.10).

При работе лампы на промышленной частоте необходимым условием работы без пауз тока является отсутствие скачков тока в момент перезажигания, вызванных изменением напряжения на лампе. В ГРЛ переменного тока дважды за период ток и напряжение дугового разряда проходят через нуль и меняют направление, соответственно меняется и полярность электродов. При этом каждый раз происходит погасание и вновь зажигание разряда. В схеме одноконтурных ПРА для обеспечения зажигания и перезажигания дуги достаточно включить последовательно с лампой один дроссель, т.е. обеспечить индуктивный характер входного сопротивления схемы включения со стороны лампы. После снижения напряжения источника питания ниже напряжения дуги ее горение поддерживается за счет электромагнитной энергии, накопленной в индуктивности.

Рис.10. Зависимость коэффициента мощности cos установки с группой ламп, включенных с индуктивными и емкостными балластами, от процентного содержания емкостных балластов (на кривых указаны типы ламп, использованных в установке)

Поэтому при работе ламп на переменном токе в качестве стабилизирующего элемента применяют, главным образом, индуктивные сопротивления - дроссели. Поскольку резистивное сопротивление дросселя , как правило, много меньше его индуктивного сопротивления , то потери мощности в дросселе оказываются значительно меньше, чем в резистивном балласте, составляя от 5 до 50% мощности лампы (чем больше мощность лампы, тем меньше относительные потери в дросселе). Кроме того, в отличие от резистора, мгновенное падение напряжение на дросселе пропорционально не току, а его производной . Появляющийся благодаря этому сдвиг фаз, между напряжением сети и током, приводит к уменьшению пауз тока, поскольку к моменту прохождения тока через нуль напряжение сети уже имеет некоторую величину обратного знака, и, таким образом, разряд вспыхивает вновь, едва успев погаснуть. Благодаря этому уменьшаются паузы тока и излучения, и улучшаются условия перезажигания разряда, что обеспечивает более благоприятные условия для работы катодов. В качестве недостатка дросселей указывают 20 на большую удельную массу, составляющую от 10 до 30 кг/кВт мощности лампы, большие габариты и низкий коэффициент мощности установки (обычно 0,5 - 0,6), для повышения которого параллельно лампе включают конденсаторы.

В емкостном балласте емкость не ограничивает максимальное значение тока, т.к. ее стабилизирующее действие проявляется в ограничении количества зарядов, проходящих через цепь в каждые полпериода. Вследствие этого, при стабилизации разряда только емкостью на промышленной частоте, каждые полпериода возникают большие кратковременные толчки тока и следующие за ними большие паузы тока и излучения. Такой режим работы ламп неприемлем для освещения и пагубно сказывается на работе самокалящихся активированных электродов. Поэтому применение чисто емкостного балласта для стабилизации оказывается возможной только при работе лампы в сети с повышенной частотой, начиная от 400 Гц и выше. При последовательном включении дросселя и конденсатора с лампой, благодаря наличию индуктивности толчки тока сглаживаются, а паузы тока и излучения уменьшаются. В цепи питания лампы необходимо поддержание оптимальных параметров. Например, для лампы типа ДРЛ 125 с индуктивно-емкостным балластом: P=125 Вт; L = 0,425 Гн; R = 10 Ом; . Специфическим свойством индуктивно-емкостного балласта является [21] то, что ток короткого замыкания лампы мало отличается от ее рабочего тока. При питающая сеть является как бы источником тока для такой особого вида нагрузки, как разрядная лампа. Считается [22], что индуктивно-емкостный балласт практически по всем показателям уступает индуктивному и его использование оправдано лишь в двухламповых схемах с "расщепленной" фазой, для уменьшения пульсаций светового потока в двухламповых установках. При мощности ГРЛ более 100 Вт индуктивно-емкостный балласт практически не применяют из-за большой емкости конденсатора. Необходимо также учитывать, что в индуктивно-емкостных ПРА в режимах без паузы тока действующее значение напряжения на лампе U_л выше установившегося напряжения на постоянном токе U₀, например для лампы типа ДРЛ - .

Для ламп ДРЛ применение чисто емкостного балласта при токе с частотой f = 50 Гц не рекомендуется из-за их влияния на форму кривой тока и сокращения в связи с этим срока службы. Наибольшее распространение получили индуктивные балласты в виде дросселей или трансформаторов с рассеянием. Для четырехэлектродных ДРЛ зажигание ламп может быть произведено от напряжения сети. В схеме с последовательным индуктивным балластом (рис.11, а) коэффициент мощности составляет 0,5 - 0,6, поэтому для его повышения используют индивидуальную компенсацию параллельным конденсатором, емкость которого определяется в зависимости от мощности лампы. Когда требуется поддержание постоянства светового потока лампы при колебаниях напряжения сети питания, применяются схемы со стабилизацией мощности лампы, содержащие последовательно соединенные насыщенный дроссель (или АТ с рассеянием) и конденсатор (рис.11, б). Стабилизация мощности лампы может быть достигнута в том случае, если при колебании напряжения питания ток лампы сохраняется почти неизменным. Так как напряжение горения лампы практически не зависит от тока, то и мощность лампы будет оставаться неизменной. В схеме с насыщенным дросселем с повышением U_с, ток лампы I_л увеличивается, при этом реактивное сопротивление дросселя уменьшается. Суммарное реактивное сопротивление последовательно соединенных L и C возрастает и ток лампы увеличивается в незначительной степени. Конденсатор С (рис.11, б) должен быть подобран таким образом, чтобы балласт имел емкостный характер. Однако, при работе лампы на промышленной частоте, кривая тока сильно искажена за счет высших гармоник. Лучшие результаты достигаются при применении автотрансформатора с рассеянием (рис.11, в). При этом кривая тока лампы становится более плоской, уменьшается действующее значение тока при неизменной мощности лампы и повышаются стабилизирующие свойства схемы.

При эксплуатации ламп в условиях низких температур или пониженном напряжении сети питания, применяют схему с автотрансформатором с рассеиванием и с дополнительным конденсатором С (рис 11, г), предназначенным для улучшения коэффициента мощности ПРА, обеспечивающую необходимое повышение напряжения на лампе. При использовании ламп ДРЛ иногда приходится применять меры для уменьшения влияния пульсаций светового потока, которые вызывают появление стробоскопического эффекта. Такими мерами могут быть, например включение ламп в различные фазы трехфазной сети (рис.11, д) либо, как для ЛЛ, применение двухламповой схемы включения (рис.11, е).

В момент включения ламп ДРЛ с индуктивным балластом в цепи возникает бросок тока вследствие прохождения переходного процесса, превышающий установившееся значение тока. Допустимые броски тока для ламп ДРЛ ограничивают при мощности лампы 250 Вт - до 20 А, при 1000 Вт - до 40 А.

Рис.11. Принципиальные схемы включения четырехэлектродной ГРЛ ВД в сеть: НТ - насыщенный трансформатор; r₁ и r₂ - предохранительные сопротивления

Лампы ДРЛ для общего освещения предназначены для использования в сетях переменного напряжения, так что каждый электрод попеременно каждые полпериода выполняет роль катода и анода. Поэтому роль электродов состоит в том, чтобы в катодный полупериод обеспечить ток электронов, необходимый для поддержания разряда, а в анодный полупериод - принимать электронный ток из разрядного промежутка. Работа и качество электродов в лампах ДРЛ в значительной мере определяют качество и работоспособность лампы в целом. От состояния электродов при эксплуатации зависят основные служебные характеристики: надежность работы лампы, стабильность светового потока и напряжения зажигания, а также срок службы лампы.

Работу электродов ГРЛ ВД можно разделить, по крайней мере, на два периода, в каждом из которых режимы и условия работы существенно различаются. В момент зажигания лампы давление ртутных паров мало и электроды еще холодные, причем работают в атмосфере инертного газа низкого давления в режиме тлеющего разряда. Ток, отбираемый от электродов в катодный полупериод, в этом случае мал, однако высокое катодное падение напряжения - порядка 100 В и низкое давление наполняющего газа создают условия интенсивной ионной бомбардировки электродов. К этому же периоду относится переходной режим, связанный с созданием на электроде условий необходимых для обеспечения прохождения большого разрядного тока. Второй, основной по времени, период работы электродов протекает в атмосфере ртутных паров высокого давления (в установившемся режиме парциальное давление инертного газа составляет всего несколько процентов от давления ртути в лампе). Электроды работают в режиме дугового разряда и нагреваются до высокой температуры 1500-1700°С. Тепловой режим электрода должен быть таким, чтобы температура была не выше определенной величины, превышение которой приводит к недопустимому распылению материала эмиттера. Наличие постоянной составляющей в токе разряда приводит к увеличению тока электронов в анодный полупериод. Более высокое напряжение зажигания разряда может привести к сильному распылению электродов, сопровождающемуся потемнением концов трубки горелки в процессе длительной работы лампы. Если изменение сетевого напряжения приводит к колебаниям электрического режима лампы, то происходит изменение температуры и скорости испарения ртути. Необходимо учитывать, что напряжение зажигания основного газоразрядного промежутка при достаточно высоком значении ограничивающего сопротивления не определяется его величиной. Величина сопротивления в реальных лампах выбирается порядка 25 кОм. Мощность рассеиваемая на каждом сопротивлении, не превосходит 0,5 Вт, при этом ток протекает через сопротивление только в течение того полупериода, когда зажигающий электрод положителен по отношению к соседнему основному электроду, при противоположной полярности ток очень мал и им можно пренебречь.

На рис.11, ж показана принципиальная схема включения четырехэлектродной лампы ДРЛ с индуктивным балластом. Горелка лампы имеет два основных электрода и два зажигающих, расположенных на малом расстоянии от основных. Зажигающие электроды через резисторы, размещенные вне горелки в объеме внешней колбы, присоединяются к противолежащим основным электродам. Выводы основных электродов присоединяются к цоколю лампы. Сетевое напряжение подводится к этим выводам обязательно через стабилизирующий балласт. Величины U_с обычно недостаточно для того, чтобы вызвать пробой разрядного промежутка непосредственно между основными электродами, т.к. расстояние между ними составляет несколько сантиметров (в зависимости от размеров горелки, определяемых ее мощностью). При этом вспомогательные промежутки между основным и зажигающим электродами оказываются под воздействием полного сетевого напряжения. Расстояния между этими электродами выбирают такими, чтобы при заданном давлении инертного газа величина напряжения зажигания разряда U_з во вспомогательном промежутке была ниже величины U_с. Поэтому первоначально возникает разряд между вспомогательными и основными электродами. Характер и ток этого разряда определяется величиной ограничивающих или предохранительных сопротивлений. Обычно это тлеющий разряд с небольшой силой тока. Возникновение вспомогательного разряда в дальнейшем приводит к пробою промежутка между силовыми электродами и возникновению основного разряда, стабилизированного балластом.

Перспективным является применение импульсного трансформатора, выполняющего роль индуктивного балласта и, одновременно, используемого для создания импульса зажигания (рис.11, з). Например, в устройстве для зажигания ГРЛ ВД (пат. 2192714 Россия, НО5В41/231, опубл. 10.11.2002) содержащем импульсный трансформатор, тиристор, конденсаторы, времязадающие RC-цепи и счетчик. Такие ПРА выпускаются ООО "Мир" (Промышленные АСУ и контроллеры, 2002, №9, С.30), для ГРЛ ВД мощность 150-400 Вт.

Основными причинами выхода из строя ламп типа ДРЛ являются: естественное ухудшение свойств кварцевого стекла горелок, за счет кристаллизации при высоких температурах; разуплотнение горелок и уход ртути и аргона в колбу; разгерметизация вводов к электродам внутри колбы; запыление колбы горелки при испарении электродов.

Слишком сильное случайное понижение сетевого напряжения U_c, даже на время несколько миллисекунд, может привести к погасанию лампы ДРЛ. Величина напряжения сети, при которой происходит погасание - U_пог, зависит от типа балласта, стабилизирующего работу лампы, и от схемы ее включения. Причем U_пог лампы в схеме с индуктивным балластом примерно на 10% ниже, чем U_пог той же лампы в схеме с активным балластом. Наименьшее значение U_пог наблюдается при работе лампы в схеме с емкостным балластом, т.к. такая схема при прочих равных условиях обеспечивает наименьшее изменение тока лампы при уменьшении напряжения сети.

Особенностью электрического режима горения лампы ДРЛ является то, что изменение напряжения сети вызывает, главным образом, изменение тока лампы, а напряжение на лампе при изменении тока в ограниченных пределах изменяется несущественно. В схеме с индуктивным балластом примерно пропорциональное изменение тока на лампе I_л с изменением U_с наблюдается только в тех случаях, когда U_л/U_c < 0,4, однако, на практике такие случаи встречаются редко. Типичный пример изменения электрических и световых характеристик лампы для наиболее часто используемого соотношения U_л/U_c 0,6 (для лампы ДРЛ мощностью ) показан на рис.12. Из кривых видно, что изменение U_c на ±10% вызывает соответствующее изменение тока лампы на ±20% и изменение светового потока на ±25%, при этом световая отдача лампы (т.е. визуально наблюдаемая "яркость свечения" лампы) изменяется незначительно. Наименьшее изменение электрического режима лампы и, соответственно, светового потока, наблюдается при включении лампы последовательно с правильно рассчитанным индуктивно-емкостным балластом (на рис.11, б при , т.е. в резонансе напряжений). При изменении U_c в пределах, наиболее часто встречающихся в практике эксплуатации ламп (±10%), изменение I_л и F_л не превышает 12-15% 18.

Рис.12. Изменение электрических и световых характеристик лампы ДРЛ 400 в схеме с индуктивным балластом при изменении напряжения сети: I -ток лампы, U - напряжение на лампе; Р - мощность лампы; Н - световая отдача лампы; U_с - напряжение сети

При снижении U_c скачком до величины, близкой к U_пог, погасание лампы происходит не сразу, а спустя некоторый промежуток времени, причем I_л вначале изменяется скачком до значения, соответствующего сниженной величине U_c, а затем медленно уменьшается до нуля. Погасание происходит тем быстрее, чем выше U_л, поэтому при кратковременных снижениях U_c лампы с высоким напряжением горения (более мощные) гаснут быстрее, при одной и той же продолжительности действия сниженного U_c. Наибольшей устойчивостью обладают лампы в схемах с регулируемым выходом и с трансформатором рассеяния. В последнем случае при изменении U_c на 5% стабильность горения лампы вообще не претерпевает никаких изменений. Аналогичное явление наблюдается и при медленном снижении U_c. В конечном счете, главными факторами, оказываются глубина снижения U_c и длительность работы лампы в этом режиме.

Основной причиной спада светового потока и снижение срока службы ламп ДРЛ является распыление и испарение материала электродов. Максимальное разрушение катода происходит в период зажигания лампы до тех пор, пока на конце электрода не возникнет строго фиксированное катодное пятно. Нефиксированное пятно и большая величина тока из пятна является в этот период ответственным за распыление электрода. Чем больше ток лампы в период разгорания, тем сильнее выражен этот эффект, поэтому скорость спада светового потока со временем горения, зависит от типа балласта, с которым работает лампа. В схемах с емкостным балластом, в которых величина пускового тока мало отличается от величины тока лампы в стационарном режиме, спад светового потока меньше, чем у ламп, работающих последовательно с индуктивным балластом. В последних, пусковой ток может в 1,5-1,7 раза превосходить величину номинального тока. Спад светового потока вызывается процессами, протекающими за время разгорания лампы и тем больше, чем большее число включений происходит на одну и ту же продолжительность горения в стационарном режиме. Таким образом, эксплуатация ламп ДРЛ в схемах с малым пусковым током уменьшает спад светового потока и увеличивает срок службы ламп.

Номинальная величина светового потока устанавливается не сразу после зажигания разряда в горелке. Всегда требуется некоторое время для того, чтобы ртуть в горелке полностью испарилась и только после этого наступает стационарный режим горения. Изменение характеристик ламп в процессе разгорания и особенности этого процесса зависят от типа балласта, стабилизирующего работу горелки. В лампах ДРЛ, работающих с реактивным балластом, в начальный период разгорание разряда напряжение горения на лампе невелико и, пренебрегая этой величиной, можно считать, что ток через лампу I_л близок по величине к току короткого замыкания I_зк через балласт при закороченной лампе (рис.13).

Определим отношение , по уравнениям (33) и (36), которое характеризует время разогрева лампы, для случая работы лампы последовательно с индуктивным балластом. Используя известную [18] для этого случая зависимость:

, (39)

и очевидное соотношение: ; (40)

получим:. (41)

Рис.13. Изменение электрических и световых характеристик лампы ДРЛ-400 в процессе разгорания: U_л - напряжение на лампе; i_л - ток лампы; F_л - световой поток

В схемах с индуктивным балластом величина U_л /U_c обычно выбирается порядка 0,7 (предельное значение 0,76) и в этом случае отношение лежит в пределах 1,5-1,7. В схеме с индуктивно-емкостным балластом при оптимальном соотношении между индуктивностью и емкостью выполняется соотношение . Из этого следует, что при прочих равных условиях время разгорания лампы в схеме с индуктивным балластом меньше, чем время разгорания в схеме с емкостным балластом. Однако, необходимо помнить, что слишком большой ток сокращает срок службы катодов.

При работе разрядных ламп можно выделить следующие основные режимы: 1) режим зажигания (пусковой режим); 2) переходной режим (разгорание); 3) установившийся режим при нормально и аномально работающей лампе. В пусковом режиме электропроводимость лампы мала и поэтому цепь включения может рассматриваться как работающая без лампы. Для ряда ламп (типов ДРИ, ДНАТ и др.) при зажигании используется маломощный высоковольтный импульсный генератор, который работает только в режиме пуска.

Режим разгорания связан с постепенным изменением электрических параметров лампы. Например, для всех ламп высокого давления, наполненных парами металлов, в период их разгорания при увеличении температуры колбы постепенно возрастает установившееся на ней напряжение, что приводит к существенному изменению режима работы схемы включения. При пониженных напряжениях сети режим разгорания может быть длительным.

Установившийся режим является режимом длительной работы лампы, когда ее электрические параметры (ток и мощность) должны соответствовать паспортным значениям. Форма тока лампы не должна существенно отличаться от синусоидальной (для большинства ламп это учитывается ограничением коэффициента амплитуды тока лампы и использованием режима работы без пауз тока).

К концу срока службы при дезактивации одного из электродов лампы, а иногда и в новой лампе при некоторых дефектах, наблюдаются аномальные режимы. Например, возрастает напряжение перезажигания в тот полупериод, когда дезактивированный электрод является катодом. В ртутных лампах высокого давления может уменьшаться установившееся напряжение.

Изменение силы тока разряда возможно при изменении напряжения питания, сопротивления балласта и фазы зажигания разряда, и приводит к изменению светового потока (яркости) лампы. При наличии постоянной составляющей в токе лампы происходит изменение сопротивления дросселя, за счет подмагничивания его сердечника постоянным током.

В контуре с ГРЛ возможно нарушение симметрии питающего лампу напряжения за счет появления постоянной составляющей тока и напряжения. Постоянная составляющая может быть вызвана различными значениями напряжения повторного зажигания в разные полупериоды или появлением однополупериодного разряда, возникающего в период зажигания источника света, либо в его рабочем режиме 23, 24, а также задаваться искусственно, например с помощью умножителей напряжения. Существенное значение имеет асимметрия в схемах с емкостно-индуктивным балластом. Наличие емкости исключает или уменьшает появление в цепи постоянной составляющей тока. Следовательно, при синусоидальном питании схемы может возникнуть такая асимметрия кривых тока и напряжения, при которой постоянная составляющая будет только у напряжения на источнике света и конденсаторе. Если последовательно с источником света включен индуктивно-емкостный балласт, то конденсатор обеспечивает защиту цепи от протекания по дросселю постоянной составляющей тока, которая при отсутствии конденсатора может вызвать повышенный нагрев и выход дросселя из строя. Особое внимание при этом обращают на схемы, где параллельно источнику света включен индуктивный элемент, например трансформатор, а последовательно с лампой соединен индуктивно-емкостный балласт. В этом случае через параллельный элемент схемы может замыкаться постоянная составляющая тока, появляющаяся из-за асимметрии кривых напряжения или тока. При малых активных сопротивлениях параллельного элемента постоянная составляющая тока может превысить пусковой ток, на который этот элемент рассчитан, что приведет к его нагреву и возможному аварийному выходы из строя. Учитывая это, при построении практических схем включения лампы принимают соответствующие меры по обеспечению защиты от протекания постоянной составляющей тока в элементах контура.

Имеется самая тесная связь между характеристиками контура и получаемыми при данной схеме включения параметрами источника света. Поэтому нельзя рассматривать отдельно газоразрядный источник света и его схемы включения, составляющее одно целое. При разработке схемы включения следует иметь в виду, прежде всего, выполнение требования о поддержании на необходимом уровне в условиях эксплуатации электрических и световых характеристик лампы, в первую очередь при изменении напряжения сети и сопротивления балласта. Это позволяет прогнозировать срок службы ламп и определять экономичность их эксплуатации. Необходимо отметить, что световой поток источника света непосредственно связан с его активной мощностью, так как кривая мгновенных значений светового потока следует за кривой мгновенный значений мощности лампы. Очевидно, что особое внимание должно быть обращено на поддержания в эксплуатационных условиях стабильности мощности источника света.

Требование получения заданного светового потока в рабочем режиме практически равносильно требованию обеспечения заданной мощности лампы при номинальном напряжении сети. Следует особо остановиться на определении понятия "мощность лампы". Дело в том, что в рабочем режиме по электродам горелки, как правило, постоянно протекает ток чрез поджигающие электроды, вызывающий дополнительные потери мощности. Если эту дополнительную мощность отнести к потерям в ПРА, то световой поток лампы, как бы увеличивается. Поэтому один и тот же световой поток от лампы может быть получен при разных мощностях лампы.

С изменением напряжения сети изменяются электрические и световые характеристики ламп ДРЛ. Это связано с тем, что изменяются электрический режим горения ламп, а вместе с ним и температурные условия их работы. Вид этих характеристик зависит от степени изменения напряжения и типа балласта. Следуют различать медленные изменения напряжения в сети, когда устанавливается новый стабильный тепловой режим в лампе, и быстрые колебания напряжения, при которых вследствие тепловой инерции газовой среды и горелки изменения плотности и давления паров ртути не может следовать за изменением напряжения сети. При медленном изменении напряжения питания имеет место почти прямолинейная зависимость мощности, тока и светового потока ламп от напряжения. При этом наибольшее изменение претерпевает световой поток и мощность ламп. На каждый процент изменения напряжения световой поток и мощность изменяются примерно на 2%. Напряжение на лампе в пределах допустимых колебаний U_c, остается почти неизменным. Для условия эксплуатации характерны не медленные изменения напряжения, а резкие мгновенные понижения, связанные с пуском крупных электродвигателей, включением электросварочных аппаратов, а также с другими изменениями нагрузки в сети. При резком понижении напряжения на лампе (даже кратковременном) возможно ее погасание. Напряжение сети, при котором лампа ДРЛ гаснет U_пог, зависит от типа балласта и от схемы ее включения, а также от конструктивных размеров горелки, т.е. от мощности лампы и напряжения на ней. Известно 18, что более мощные лампы гаснут при более низком U_c. Если при заданных U и U_л увеличивать сопротивление балласта Z, то это будет равносильно уменьшению мощности лампы и увеличению U_пог. Аналогичный результат может быть получен путем увеличения нелинейности дросселя.

Если для включения лампы применен повышающий трансформатор с рассеянием, то при заданном U_л повышение U_xx ПРА аналогично увеличению напряжения питания. Поэтому, чем выше напряжение холостого хода ПРА, тем меньше допустимое относительное уменьшение напряжение U_пог/U_хх. Например, для ламп ДРЛ с индуктивным балластом в сетях с номинальным напряжением 220 В допускается снижение напряжения до 0,9U. При применении повышающего трансформатора с U_xx= 300 В допускается снижение напряжение до 0,7U_xx. На допустимое снижение напряжения U оказывает влияние вид ВАХ дросселя. При нелинейном балласте с уменьшением U происходит более резкое уменьшение тока, чем при линейном, и лампа гаснет быстрее. Индуктивно-емкостный балласт по сравнению с индуктивным обеспечивает большую стабильность тока и мощности ламп при колебаниях напряжения в сети. Например, при изменении напряжения в пределах + 10%, изменения I_л и Р_л не превосходят 12?15%. Следует ожидать, что в этом случае может быть допущено более глубокое снижение напряжения в сети. Экспериментально на лампах ДРЛ показали 18, что для индуктивно-емкостного балласта допустимо относительное уменьшение U_пог/U менее 0,7. Отсюда следует, что в сетях, где возможны значительные колебания напряжения, целесообразно применять индуктивно-емкостный балласт. Аналогичный эффект оказывают умножители напряжения, повышающие U_xx и снижающие U_пог/U.

При резком снижении напряжения сети до значения, близкого или меньшего U_пог, погасание лампы произойдет не сразу, а спустя некоторый промежуток времени _пог, называемый временем погасания. Одновременно со снижением напряжения сети резко измениться ток лампы I_л, до соответствующего сниженному значению U, а затем за время _пог уменьшится до нуля, т.е. лампа погаснет. Сниженное напряжение называется напряжением посадки U_пос. Пока U_пос > U_пог - лампа будет гореть, а при U_пос < U_пог - лампа гаснет в течении времени _пог. При длительных посадках напряжения, т.е. когда неравенство U_пос < U_пог сохраняется в течение некоторого времени посадки _пос, с последующим повышением напряжения до номинального значения, условие непогасания лампы можно выразить неравенством _пос<_пог. При кратковременных снижениях напряжения погасание лампы происходит тем быстрее, чем выше напряжение U_л, т.е. при одном и том же времени _пос гаснут быстрее лампы большей мощности. Наибольшей устойчивостью обладают лампы в схемах с регулируемым выходным напряжением и включенные через трансформатор с рассеиванием. В последнем случае при кратковременных колебаниях напряжения сети в пределах ± 5% не наблюдаются нарушения стабильности горения ламп.

Известно 25, что при работе лампы на переменном токе, когда мощность изменяется аналогично среднеквадратичному значению тока, но максимальное значение тока выше, чем среднеквадратичное, лампа должна работать, по крайней мере, некоторое время, при большем значении тока, чем при постоянном напряжении и той же мощности, и поэтому, по крайней мере, некоторое время, с более высокой концентрацией электронов, чем при постоянном напряжении. В результате действия этих двух факторов КПД резонансного излучения в лампе на 5?10% меньше, в случае работы на переменном токе с частотой 50 Гц, чем при работе на постоянном токе при той же мощности. Однако, при работе лампы на постоянном токе с активным балластом наблюдаются потери на резисторе, сравнимые с мощностью потребляемой лампы и, соответственно, общий КПД системы ПРА-лампа уменьшается. На переменном токе можно использовать реактивные сопротивления для управления током разряда и потери мощности, здесь будут меньше. Следовательно, КПД системы выше при работе на переменном токе при частоте 50 Гц, хотя КПД лампы при этом несколько меньше.

В сущности, разряд на высокой частоте ведет себя подобно разряду на постоянном токе. При частоте переменного тока, приблизительно равной нескольким килогерцам, концентрация электронов, будучи примерно постоянной, пропорциональна не мгновенному значению тока, а ближе к среднеквадратичному. Поэтому для ртутных ламп при постоянном токе и ВЧ токе наблюдаются подобные зависимости, например выход ультрафиолетового излучения (УФ) увеличивается с ростом тока до некоторого предельного значения, а КПД генерации УФ снижается с ростом тока. Не вызывает никаких сомнений тот факт, что пиковые значения тока больше, чем среднеквадратичные, поэтому та часть потерь КПД, которая имеет место на переменном токе частотой 50 Гц, не будет иметь место для ВЧ тока и КПД разряда становится близким к КПД на постоянном токе. В связи с влиянием электродов потери на них также уменьшаются при высоких частотах и, таким образом, КПД ЛЛ при частотах в несколько килогерц может даже превосходить КПД ламп, работающих на постоянном токе.

5. Схемы комбинированных ПРА

Возможно создание источников питания ГРЛ с комбинацией полупроводниковых элементов и традиционных ПРА. Например, в емкостно-полупроводниковых ПРА (рис. 14, а) стабилизация средних за период параметров J_л, осуществляется балластным конденсатором C с реализацией статического режима работы лампы. Полупроводниковый стабилизатор тока служит для улучшения формы тока лампы и, таким образом, осуществляет динамическую стабилизацию ее рабочих параметров. В таких схемах при малых токах весь ток конденсатора проходит через лампу, а при увеличении тока сверх допустимого часть тока конденсатора ответвляется в параллельную ветвь. Также, возможна комбинация емкостного или индуктивного балласта с полупроводниковым балластом непрерывного действия (рис. 14, б) в котором транзистор работает в активной области и ограничивает ток лампы на заданном уровне, т.е. в схеме имитируется принцип работы ГРЛ с активным балластом. Поэтому могут наблюдаться присущие ему недостатки: наличие пауз в токе лампы (рис. 14, в), низкий к.п.д. (60-70%), снижение световой отдачи и срока службы лампы. Если комбинирование происходит с полупроводниковым балластом импульсного действия, то реализуется ключевой режим работы транзистора (рис. 14, г) и ток лампы стабилизируется посредством широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции. При этом, в течение каждого полупериода (рис. 14, д) переменного напряжения лампа несколько раз подключается (при внутреннем сопротивлении балласта примерно равным нулю) и отключается от источника питания. К.п.д. такого аппарата может достигать более 90%. Однако, специфическая форма тока лампы требует изучения световых и эксплутационных характеристик ГРЛ в комбинации с существующими ПРА в таких режимах.

Классификация схем ПРА может быть проведена [21] по различным признакам: по типу токоограничивающего элемента, по условиям зажигания и работы лампы, по типу источника питания, по количеству ламп и другим. Для целей энергосбережения наиболее предпочтительна классификация по типу балласта, так как именно он определяет потери и стабильность параметров лампы. В соответствии с такой классификацией (рис. 15) все ПРА можно разделить на три основные группы: электромагнитные, полупроводниковые и комбинированные. К отдельной группе можно отнести ПРА без токоограничивающего элемента для специальных, так называемых безбалластных, ламп. К электромагнитным ПРА (ЭМПРА) относятся аппараты с реактивными и активными балластами и их комбинациями, причем в основном силовом контуре этих ПРА находятся только токоограничивающие элементы, а 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. Такие ПРА могут быть со стартерным или бесстартерным зажиганием, иметь цепи для предварительного подогрева ЛЛ или цепи мгновенного перезажигания ламп ВД (типа ДРЛ, ДРИ).

Рис.14. Схема емкостно-полупроводникового ПРА (а), схема полупро-водникового балласта непрерывного действия (б) и осциллограммы напряжения и тока на нем (в), схема полупроводникового балласта импульсного действия (г) и осциллограммы напряжения и тока на нем (д)

Рис.15. Классификация ПРА для разрядных ламп по типу токоограничивающего элемента

Аппараты с резистивными балластами используют при подключении разрядных ламп к сети постоянного тока или промышленной частоты. В них может быть использован балластный резистор или нелинейный резистор (например вольфрамовая спираль ЛН). Резистивные аппараты не получили широкого распространения из-за низкого к.п.д. Однако в настоящие время для КЛЛ находят применение емкостно-резистивные балласты, в которых указанный выше основной недостаток таких ПРА в известной степени нивелирован.

В полупроводниковых ПРА стабилизация тока лампы осуществляется с помощью полупроводниковых элементов, обычно транзисторов. Если в качестве нелинейного сопротивления используется транзистор (рис 16, а), то такая схема удовлетворительно работает на постоянном токе при незначительных колебаниях напряжения источника питания, но на переменном токе наблюдаются большие собственные потери. В импульсных полупроводниковых ПРА, носящих название динамического балласта (рис 16, б), транзистор работает в режиме ключа, и стабилизация тока лампы осуществляется с использованием инерционных свойств плазмы газового разряда. При этом форма напряжений на разрядной лампе изменяется (рис 17, а) так, что при открытом транзисторе (0) напряжение источника питания (), а при закрытом транзисторе () напряжение на лампе равно нулю. Анализ формы тока лампы показывает (рис. 17, б), что за время импульса напряжения ток лампы возрастает от J_o до J_max, но за время паузы происходит частичная деионизация плазмы, возрастает ее сопротивление и следующий импульс тока опять начинается с J_o.

Рис.16. Схемы нелинейного (а) и импульсного (б) полупроводникового ПРА

В комбинированных ПРА стабилизация тока лампы осуществляется с помощью как реактивных элементов, так и полупроводниковых приборов. Причем, в качестве балластов используются дроссели, конденсаторы, транзисторы, тиристоры и другие полупроводниковые приборы, с большим количеством разнообразных схем. Например, наиболее значительные из них: с высокочастотным (ВЧ) генератором, емкостно-полупроводниковые, индуктивно-полупроводниковые и схемы с преобразованием частоты и формы тока.

Рис.17. Осциллограммы напряжения на лампе (а) и тока лампы (б) в схеме импульсного полупроводникового ПРА

Все схемы с ВЧ генератором построены практически по единой схеме (рис. 18), в которой питание лампы осуществляется от двух источников питания: силовое - через балласт 1 и повышенной частоты - через балласт 2. Схема с использованием дросселя в качестве низкочастотного балласта и конденсатора - в качестве высокочастотного (рис. 19, а) нашла применение в светорегуляторах, при работе ламп в условиях пониженного напряжения питания, а также для снижения пульсации светового потока ламп. В схеме комбинированного импульсного ПРА с двумя источниками питания (рис. 19, б) для поддержания разряда в лампе через балласт 2 поступают ионизирующие импульсы тока. Анализ формы напряжения и тока лампы показывает (рис. 20, а, б), что во время импульса () ток лампы поддерживается постоянным (), и за счет ионизации положительного столба разряда сопротивление лампы и напряжение на ней уменьшаются. В интервале ток ионизирующего генератора i₂= 0, и ток лампы определяется только током . В силу того, что напряжение питания меньше напряжения горения разряда, происходит деионизация плазмы столба разряда, и ток постепенно уменьшается до J_min. Затем подается импульс тока и все процессы повторяются. В схеме емкостно-полупроводникового ПРА (рис. 21, а) основное падение напряжения происходит на балластном конденсаторе C, что снижает напряжение на стабилизирующем транзисторе VT и тем самым повышает к.п.д. схемы. В индуктивно-полупроводниковом ПРА (рис. 21, б) симметричный тиристор VS шунтирует вспомогательный дроссель , что также обеспечивает повышение стабильности работы лампы и к.п.д. схемы. В настоящее время широко распространяется схема комбинированного ПРА с преобразователем частоты (рис. 22), обеспечивающая питание ЛЛ током повышенной частоты (20?50 кГц), при этом повышается световая отдача ламп, снижаются размеры балластных дросселей и конденсаторов.

Рис.18. Обобщенная структурная схема комбинированного ПРА с ВЧ генератором

Рис. 19. Схемы комбинированных ПРА с ВЧ генератором и индуктивным балластом (а) и импульсного с двумя источниками питания (б)

Рис. 20. Осциллограммы напряжения на лампе (а) и тока лампы (б) в комбинированном импульсном ПРА

Схема емкостного ПРА с последовательным полупроводниковым стабилизатором тока на транзисторе (рис. 23, а) для ламп ЛЛ мощностью 20 Вт (при емкости балластного конденсатора 6,8 мкФ) обеспечивает следующие параметры: ток - 0,428 А; потребляемая мощность - 38 Вт; амплитуда тока лампы - 0,5; к.п.д. ПРА - 54,6%; коэффициент амплитуды тока - 1,17. Такая схема обладает достаточно низким к.п.д. и обеспечивает большие пульсации светового потока лампы. В полупроводниковых ПРА стабилизация средних за период параметров осуществляется, в основном, балластным конденсатором С, который обеспечивает статическую стабилизацию режима лампы. В то же время полупроводниковый стабилизатор тока служит для улучшения формы тока лампы и, таким образом, осуществляет динамическую стабилизацию режима.

В схеме емкостного ПРА с параллельным полупроводниковым стабилизатором (рис. 23, б) при малых токах весь ток конденсатора проходит через лампу. При увеличении тока сверх допустимого, прохождение части тока от конденсатора осуществляется в параллельную ветвь. Такая схема обладает несколько лучшими технико-экономическими показателями, однако и в ней пульсации светового потока находятся на уровне 30%.

Рис.21. Схемы полупроводниковых комбинированных ПРА: а - емкостного; б - индуктивного (СУ - система управления)

Рис.22. Схема комбинированного резонансного ПРА с преобразователем частоты (ПЧ)

Рис.23. Схемы емкостного ПРА с полупроводниковым стабилизатором тока: а - последовательная на транзисторе; б - параллельная полумостовая; в - трехфазная

Для снижения пульсаций и повышения технико-экономических показателей емкостных полупроводниковых ПРА целесообразно применять двух- и трехфазное питание. Например, в схеме трехфазного ПРА с полупроводниковым стабилизатором тока (а.с. 738199 СССР, HO5B 41/39, опубл. 1980) трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 23, в) создает постоянное выпрямленное напряжение . Для статической стабилизации режима разрядной лампы в фазные провода включены балластные конденсаторы и. Выпрямленное напряжение мостовой коммутатор К подается на лампу, включенную последовательно с полупроводниковым стабилизатором тока , который осуществляет динамическую стабилизацию тока лампы. При этом через лампу протекает ток почти прямоугольной формы и некоторое снижение тока происходит лишь в момент коммутации. Питание лампы током прямоугольной формы обеспечивает следующее: 1) малые пульсации светового потока лампы, так как в ней поддерживается стационарный режим разряда; 2) напряжение на лампе в течение всего периода горения остается постоянным; 3) напряжение перезажигание примерно равно среднему напряжению горения, так как в течение короткого времени коммутации в лампе не успевает произойти заметная деионизация столба разряда, что особенно важно для ламп типа ДРЛ, у которых в период разгорания в индуктивных ПРА, напряжение перезажигания может в несколько раз превосходить напряжение горения; 4) подача на цепь лампа-стабилизатор напряжения почти прямоугольной формы позволяет существенно снизить действующее эквивалентное напряжение на уровне (1,1?1,2) от и, тем самым, уменьшить потери мощности в стабилизаторе тока . Для примера приведем параметры для лампы типа ДРЛ 125 при питании, соответственно, от трехфазного емкостного ПРА с полупроводниковым стабилизатором тока и от индуктивного ПРА: ток лампы (А)-1,13; 1,25; амплитуда тока лампы (А)-1,22; 2,00; потребляемая мощность (Вт)- 135; 143; к.п.д. ПРА (%)- 93; 87; коэффициент пульсации (%)- 9; 63. Трехфазный аппарат обладает более высоким к.п.д. и обеспечивает существенное снижение пульсаций светового потока по сравнению с индуктивным ПРА. В трехфазной схеме стабилизатор тока поддерживает практически постоянным ток через лампу, поэтому ток выпрямителя также может быть принят постоянным.

К комбинированным ПРА относятся схемы, в которых для стабилизации тока лампы применяется как электромагнитные, так и полупроводниковые элементы. Например, тиристорный регулятор светового потока, работающий с равным количеством индуктивных и индуктивно-емкостных ПРА (рис. 24). В этом регуляторе при изменении угла отпирания тиристора изменяется значение и форма тока ламп и соответственно их световой поток. Преимущества такого регулятора: 1) применение равного количества индуктивных и индуктивно-емкостных ПРА позволяет снизить потребляемую реактивную мощность, как при номинальном, так и при пониженном световом потоке; 2) обеспечивается снижение пульсации светового потока, так как токи ламп сдвинуты между собой на угол 100-120 ?.

Рис.24. Схема тиристорного регулятора светового потока (СУ - схема управления)

Одной из наиболее интересных и перспективных является схема с так называемым ионизирующим генератором, предположенная А.Е. Краснопольским (а. с. 169692 СССР, HO5В 41/392, опубл. 1965; а. с. 185412 СССР, НО5В 41/392, опубл. 1966; а. с. 318185 СССР, НО5В 41/392, опубл. 1972), которая может использоваться для регулирования яркости светового потока ЛЛ, для включения различных ГРЛ при пониженном напряжении питания, для улучшения условий перезажигания, снижения пульсаций светового потока и создания так называемых безбалластных ПРА [21].