Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4 |
1. НАТРИЕВАЯ ЛАМПА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
КАК НАГРУЗКА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ .9
1.1. Характеристики НЛВД и их зависимость от внешних
факторов 9
Работа РЛ на повышенной частоте 23
"Акустический" резонанс 25
Регулирование мощности 27
Технические требования к преобразователю .29
Выводы по главе .......... .ф:^и1^f^ ЗО
2. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОСТРЙ^^^^'^
ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 31
2.1. Выбор схемотехнического решения и элементной базы 31
Корректор коэффициента мощности 31
Инвертор 38
Силовые ключи 38
Управление инвертором 40
Регулирование мощности ....44 !
Выбор способа зажигания 46
Выбор базовой схемы силовой части преобразователя 49
Стабилизация мощности 57
Выводы по главе 58
3. АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 59
Инверторы с индуктивным балластом. Методика расчета ... 59
Инверторы с индуктивно-емкостным балластом. Методика
расчета 69
Влияние демпфирующего конденсатора на внешние характеристики ЭПРА 78
Методы стабилизации мощности
и характеристики ЭПРА 81
3.5. Исследования комплекта "ЭПРА-лампа" для определения
рабочих диапазонов частот, свободных от
"акустического резонанса" 92
3.6. Выводы по главе 93
4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЭПРА 95
Управляемый ЭПРА для дуговых натриевых ламп 95
Регулируемый ЭПРА для дуговых натриевых ламп с
микропроцессорным управлением 107
ЭПРА для люминесцентных ламп 118
Выводы по главе 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. :..... 129
ПРИЛОЖЕНИЕ. Материалы по внедрению результатов работы 137
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время все большее применение для освещения улиц, магистралей, открытых производственных площадей, теплиц и других объектов, благодаря лучшим технико-экономическим показателям находят современные типы разрядных ламп высокого давления, интенсивно вытесняя, дуговые ртутные лампы [1-2]. К ним относятся натриевые лампы высокого давления (НЛВД) и металлогалогенные лампы (МГЛ). Традиционно для электропитания ламп используются системы, работающие от сети переменного тока 50-60 Гц, и состоящие из токоограничивающего реактора, последовательно включенного с лампой и устройства для зажигания разряда. К достоинствам таких систем следует отнести низкую стоимость и достаточно высокую надежность самого электромагнитного балласта. Основные проблемы, связанные с электромагнитными балластами: мерцание от сети 50 Гц; нестабильность мощности и светового потока лампы при колебаниях напряжения сети; низкий коэффициент мощности, необходимость применения емкостного компенсатора; большие масса и габариты всей системы электропитания; трудности в управлении светом.
В последнее время проявляется растущий интерес к возможности использования электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА), или электронных балластов, для питания ламп высокого давления, в том числе, НЛВД. Это вызвано рядом причин. Первая из них - оптимальное управление в рабочем и аномальных режимах.
Дело в том, что НЛВД очень критичны к перегрузке по мощности, а традиционные электромагнитные балласты не в состоянии обеспечить стабилизацию мощности на заданном уровне при изменении условий эксплуатации лампы (например, при повышенном напряжении сети), а также изменении ее характеристик в процессе старения. Перегрев лампы,
.. 5
сопровождающийся процессами, приводящими к ее интенсивному износу, сокращает срок службы лампы. По данным исследований [3-5], при повышенном напряжении сети (242 В) срок службы сокращается в среднем в 2-3 раза. Требуется более частая замена ламп, что приводит к дополнительным затратам. При выходе лампы из строя устройство зажигания продолжает работать в течение всего времени до замены лампы, генерируя высоковольтные импульсы (3-5 кВ), что негативно сказывается на долговечности устройства зажигания и ПРА. Длительная работа ПРА на повышенном токе при неисправной лампе (лампа с пониженным рабочим напряжением) ведет к перегреву токоограничивающего реактора, что также является причиной преждевременного выхода балласта из строя.
Второй причиной является возможность управления мощностью лампы (световым потоком) в зависимости от времени суток и изменяемых условий освещенности, например, в тепличных хозяйствах и установках наружного освещения. Это потенциально дает значительную экономию электроэнергии. Решение этой проблемы в светильниках с электромагнитными ПРА затруднительно и требует введения дополнительных проводов управления. Использование ЭПРА позволяет осуществлять управление светом без дополнительных усложнений питающей сети. Экономия электроэнергии за счет более высокого к.п.д. ЭПРА и возможности управления светом может достигать 40% по сравнению с питанием от электромагнитного ПРА. Поэтому использование ЭПРА вызывает повышенный интерес не только в области городского освещения, но и в промышленности, оборонной технике, медицине, сельском хозяйстве, и многих других отраслях народного хозяйства.
Целью работы является разработка, исследование и получение методики расчета высокочастотных преобразователей для питания разрядных источников света, в частности для наружного и внутреннего освещения, с улучшенными энергетическими, технико-экономическими и массогабаритными показателями.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
обзор источников по характеристикам РЛ, их зависимости от условий эксплуатации;
обзор источников по характеристикам ПРА, применяемых в настоящее время;
формулировка технических требований к преобразователю;
сравнительный анализ известных схемотехнических решений и выбор оптимального схемотехнического решения ЭПРА;
математический анализ ЭПРА;
разработка инженерной методики расчета системы "ЭПРА -РЛ";
схемотехническое моделирование системы "ЭПРА - РЛ";
анализ способов стабилизации и регулирования мощности, анализ замкнутых систем регулирования мощности;
практическая реализация ЭПРА;
подтверждение приемлемости разработанной инженерной методики на схемотехнических и практических моделях.
Методы исследования. В работе при анализе процессов в преобразователе использовались следующие методы:
метод гармонического анализа;
классический операторный метод расчета;
метод схемотехнического моделирования на ПЭВМ с использованием программных пакетов Electronics Workbench и PSPICE;
экспериментальные исследования ЭПРА. Научная новизна. Сформулирован комплекс требований, предъявляемых к ЭПРА для питания РЛ.
Проведен сравнительный анализ возможных схем ЭПРА и даны рекомендации по их использованию в зависимости от типа РЛ.
Проведен математический анализ системы "ЭПРА - РЛ". Получены расчетные выражения для выбора реактивных элементов ЭПРА.
Проведен математический анализ замкнутой системы "ЭПРА - РЛ", обеспечивающей стабилизацию мощности лампы.
Получены расчетные соотношения для внешних характеристик и ошибок регулирования ЭПРА при различных способах стабилизации мощности.
Исследовано влияние параметров демпфирующего конденсатора на внешние характеристики ЭПРА и на расчетные соотношения.
Создана схемотехническая модель системы "ЭПРА - РЛ", на которой проверена приемлемость разработанной методики.
Практическая ценность. Предложена наиболее рациональная схема построения ЭПРА.
Разработана инженерная методика расчета ЭПРА.
Предложены методы стабилизации мощности, передаваемой в лампу. Получены расчетные выражения для выбора параметров замкнутой системы регулирования мощности в лампе.
Разработаны практические схемы ЭПРА для НЛВД и люминесцентных ламп.
Даны рекомендации по выбору рабочей частоты ЭПРА для НЛВД, исходя из условия отсутствия явления "акустического резонанса".
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы ГУЛ "Нижегородский завод им. М.В.Фрунзе" (г.Н.Новгород), ООО "Реконструкции тепличных хозяйств" (г. Москва), ОАО "Завод "СТЕЛЛА" (г.Зеленоград) при создании электронных пускорегулирующих аппаратов для дуговых натриевых ламп высокого давления.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах:
1. Симпозиум технических университетов России "Технологии XXI
века и технические университеты", Москва, 1998 г.
2. Международная конференция "Power Quality '98м, Нюрнберг,
Германия, 1998 г.
3. Шестая ежегодная международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА", Москва, 2000 г.
Публикации. По результатам работы опубликовано 10 печатных работ и получено 1 свидетельство РФ на полезную модель. Отдельные вопросы, связанные с диссертационной работой, отражены в 6 отчетах по НИР.
Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям -доктору технических наук, профессору Булатову Олегу Георгиевичу, доктору технических наук, профессору Панфилову Дмитрию Ивановичу и научному консультанту - кандидату технических наук, доценту Полякову Валерию Дмитриевичу за руководство и помощь при выполнении работы.
