При питании лампы постоянным током используют только активные балласты. Применение схем с активным балластом энергетически не выгодно и связано с большим дополнительным расходом мощности, так как в лучшем случае КПД схемы составляет (60-70)%, причем потери мощности возрастают по мере повышения требований к устойчивости работы лампы. Кроме того, при активном балласте на переменном токе наблюдается мерцание или погасание разряда при переходе тока через ноль (рис.8, а).
Главным преимуществом индуктивного балласта является малая величина потерь мощности на нем (составляющая 4-8% от величины реактивной мощности, потребляемой дросселем – Jл×UL). Потери в дросселе, пересчитанные по отношению к мощности лампы, составляют от 5 до 12%. Индуктивный балласт обладает достаточно высокими стабилизирующими свойствами за счет того, что напряжение на балласте больше разности . Также, практически отсутствуют паузы тока, так как при изменении знака тока в момент, когда 0 и этого достаточно для мгновенного перезажигания дуги (рис. 8, б).
Рис.8. Осциллограммы тока лампы, напряжений на лампе и на балласте при работе ГРЛ на переменном токе (а-в) последовательно с: а – активным сопротивлением; б – дросселем; в - конденсатором; влияние характеристик индуктивно-емкостного балласта на ток лампы (г): ¾ - кривые, рассчитанные из уравнения (36); - - - экспериментальные кривые, полученные в процессе разгорания лампы ДРЛ 400; относительное изменение мощности лампы, при изменении напряжения сети на 10%, в функции отношения напряжения на лампе к напряжению сети, для лампы, работающей на переменном токе с индуктивно-емкостным балластом (д)
Применение емкостного балласта очень заманчиво в силу того, что такие балласты должны иметь малые габариты и характеризоваться практическим отсутствием активных потерь. Однако, при низкой частоте питающего напряжения, форма кривой тока имеет вид узкого пика (рис.8, в) амплитуда которого в несколько раз превосходит действующее значение тока. Это объясняется тем, что в момент изменения направления тока лампы емкость, напряжение на которой достаточно велико, практически накоротко разряжается через лампу. Резкие броски тока очень неблагоприятно сказываются на работе катодов и сокращают долговечность лампы. Кроме того, качество освещения с помощью ламп, включенных последовательно с емкостью, получается низким из-за больших темных пауз. Практически емкостный балласт комбинируют с последовательно включенным индуктивным и, при правильно подобранном соотношении С и L, удается сохранить в значительной мере положительные свойства чисто емкостного балласта и снизить амплитудные значения тока до величины, при которой срок службы лампы практически не отличается от срока службы в схеме с индуктивным балластом.
Используя метод гармонического анализа можно представить прямоугольное напряжение на лампе, которое аппроксимирует реальную кривую напряжения, в виде бесконечной суммы синусоид – ряда Фурье:
(26)
Основная частота этого ряда совпадает с частотой изменения напряжения на лампе, а сумма мгновенных значений относительных ординат синусоид для любого момента времени равна p/4, так, что Uл = uл. В уравнение, описывающее мгновенные значения сетевого напряжения uc необходимо ввести фазовый угол определяющий угол сдвига гармоник, представляющих напряжение на лампе, относительно основной синусоиды сетевого напряжения:
. (27)
Причем, что мгновенные значения напряжения на балласте равны:
Реактивное сопротивление балласта зависит от частоты и определяется формулами:
- для основной гармоники тока; (28)
- для n-ой гармоники тока.
Цепь, состоящая из последовательно включенных дросселя и конденсатора, характеризуется некоторой частотой , при которой наступает резонанс напряжения на этих элементах цепи:
. (29)
Если обозначить , то выражения Zб1 и Zбn могут быть переписаны в виде:
(30)
Используя формулы (26), (27) и (30), составим уравнение мгновенных значений тока, имея в виду что и сдвинуты по фазе на 90°, и получим:
. (31)
Определим из (31) , исходя из условия, что iл=0 при uл=0, или то же самое, при . После проведения вычислений получаем:
. (32)
Действующее значение основной гармоники тока определяется из (31) и (32) обычным интегрированием:
. (33)
Для реальных схем, в которых используются балласты с 1<h<2, доля высших гармонических составляющих в токе лампы мала и можно без особых погрешностей считать, что . Соответственно, мощность лампы для рассматриваемого случая (синусоидальная форма кривой , прямоугольная форма кривой Uл) определяется из уравнения:
(34)
Видно, что характеристики схемы с емкостно-индукционным балластом зависят от величины h и при некоторых ее значениях в поведении характеристик обнаруживаются особые эффекты. Если h = 1 наблюдается резонанс на основной частоте, и величина тока резко возрастает, причем при отсутствии активного сопротивления в последовательной цепи, величина теоретически становится бесконечно большой. При 1<h<2 форма тока близка к синусоидальной и роль высших гармоник, учитываемая последним членом в формуле (31), мала. При h = 2 угол сдвига между Uc и Ul [см. формулу (32)] равен 90° и не зависит от их величины. Необходимо отметить, что формальный вывод, который делают некоторые разработчики ПРА, о том, что схема не потребляет мощности (когда полная нагрузка сети имеет чисто реактивный характер), является ошибочным. Фактически угол сдвига между Uc и основной гармоникой тока, которая и определяет величину Pл, меньше 90°. При h > 2 наблюдаются резонансные явления, причем каждый раз, когда h принимает целое значение, совпадающее с n. При некоторых значениях h, зависящих от Uл/Uс, величина становится мнимой. Очевидно, эти варианты схем не имеют практического значения.
Одной из важных особенностей реальной схемы с индуктивно-емкостным балластом, в которой соотношение между L и С соответствует 1< h < 2, является слабая зависимость величины тока от напряжения на лампе. Наиболее просто можно оценить эту зависимость, сравнивая в реальной схеме с током , устанавливающимся в цепи при закороченной лампе. При этом величина может быть определена из формулы (33), если полагать, что Uл = 0:
. (35)
Искомое отношение, определяется из уравнений (31) и (35):
. (36)
Результаты расчетов по формуле (36) показывают (рис. 8, г), что для h = 1,66 имеем и величина тока через лампу не зависит от напряжения на лампе и целиком определяется параметрами схемы. Расчетные зависимости подтверждаются экспериментальными данными различных авторов [16, 18].
На рис. 8, д показаны зависимости относительного возрастания мощности (тока) при увеличении сетевого напряжения на 10% в функции для нескольких значений h. Наиболее высокой устойчивостью обладают схемы при h = 1,66, при котором изменение величины сетевого напряжения влечет за собой только пропорциональное (на 10%) изменение мощности лампы при любом значении отношения .
Другим важным свойством индуктивно-емкостного балласта является то, что эта схема обеспечивает надежное перезажигание разряда. В каждый полупериод, в момент изменения полярности на лампе (), напряжение на конденсаторе близко к максимальному значению и суммируется с напряжением сети:
(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 Uc.
Необходимо учитывать, что индуктивно-емкостная схема балласта, в целом по отношению к сети, ведет себя как емкостная нагрузка, так как по фазе опережает uc. 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 j 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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13
