Рис. 4.1. Расчетные зависимости ин-дуктивно-резистивного ПРА (£/о = = 103 В, L=l,28 Гн, Л = 206 Ом, (/ = = 146 В):

/- /С/о; 2~-iJh

Mi(mJ в широком диапазоне напряжений и. Из рис. 4.1 также видно, что во время паузы тока по лампе протекает небольшой ток (2 - 5% амплитудного значения 4J.

Для повышения точности расчетов можно провести анализ эквивалентной схемы индуктивно-емкостного ПРА при раздельном учете потерь в обмотке и магнитопроводе дросселя. Для такой схемы с нелинейным дросселем уравнения состояния имеют вид:

[ (О- ес/С-(/? б+ 1/GJ 4JL iJ];

dQc u,{t)~QclC+R 4>JL{4>,) dt R +R+\/G,

(4.6)

где i?o6 - сопротивление обмотки дросселя; /? -сопротивление, учитывающее потери в стали магнитопровода (включено параллельно обмотке дросселя).

Расчеты показали, что и при линейной, и при нелинейной характеристике дросселя раздельный учет потерь дает заметное увеличение точности расчетов, когда потери в сердечнике дросселя Р составляют более 15% мощности лампы Если P jP 0,\5, расчеты по (4.6) и (4.1) практически совпадают (расхождение менее 1%). Это хорошо согласуется с экспериментальными результатами.

Дополнительно были проведены исследования рассмотренных выше схем ПРА при подключении аппаратов к высокочастотному источнику питания (/=100-;-20 ООО Гц) и при различной форме напряжения u [t). Расчеты показали, что в режимах без пауз тока на частотах выше 500-1000 Гц формы напряжения и тока лампы практически совпадают. Погрешности расчета тока 1 и мощности лампы Р, как правило, не превосходили 2% при синусоидальной форме тока и достигали 3-4% при несинусоидальном токе лампы.

Рис. 4.2. Схема тиристор-ного регулятора светового потока (СУ-схема управления)

Таким образом, математические модели электрических параметров люминесцентных ламп и ламп типа ДРЛ показали высокую точность при расчетах линейных и нелинейных индуктивных, индуктивно-емкостных, резистивных и полупроводниковых балластов, работающих как на промышленной, так и на повышенной частоте.

Для более сложных комбинированных ПРА ниже приведены результаты расчета тиристорного регулятора светового потока, работающего с равным количеством индуктивных и индуктивно-емкостных ПРА. Схема такого регулятора показана на рис. 4.2. В этом регуляторе при изменении угла отпирания тиристора изменяются значение и форма тока ламп и соответственно их световой поток. Регулятор обладает двумя достоинствами. Во-первых, применение равного количества индуктивных и индуктивно-емкостных ПРА позволяет снизить потребляемую реактивную мощность как при номинальном, так и при пониженном световом потоке. Во-вторых, обеспечивается снижение пульсации светового потока, так как токи ламп сдвинуты между собой на угол 100-120°.

При использовании нелинейных дросселей система уравнений цепи регулятора имеет вид

(4.7)

й?Fl/Л = V2 [/ sin ((0? +ф) -/г [4*1/Li (Fl) + + 42/Z,(4)]-/?i4i/Zi(4i)- ,i; aP2/Л=V2 f/ sin (ш?+ф) -/г [Ч!/L (¥i) +

+ 42/L2(4i)]-/?242/L2(42)-Gc/C- ,2;

где ф - угол включения тиристора.

Система (4.7) решалась совместно с уравнениями модели люминесцентной лампы. Решение проводилось по двум интервалам. На первом интервале при 0ю/ф1 тиристор открыт, его сопротивление постоянно /? = /?о = 1 10 Ом. Угол ф1 находился из условия

Рис. 4.3. Регулировочные характеристики регулятора светового потока:

1-/,; 2-12, -упрощенная

модель;----точная модель

80°

120°

\i\ = n1+ = iI*!/! {У,) + Уг1Ьг (Ч2)1 = 0,8/

(4.8)

где /уд - ток удержания тиристора, приведенный к одному двухламповому аппарату. При этом учитывалось ограничение ф1<71. На втором интервале при (<ш<% было принято, что сопротивление тиристора возрастает по экспоненциальному закону с постоянной времени Tj:

/? = /?оехр[(?-ф1/(о)/Тт]. (4.9)

Для исключения очень больших значений сопротивления R учитывалось ограничение /?</?(, ехр 20. При условии ф1л второй интервал отсутствовал. Расчет повторялся до достижения установившегося режима.

Регулировочные характеристики, построенные по результатам расчета, приведены на рис. 4.3. Использование уточненной модели позволило снизить погрешность расчетов до 4-5%, что особенно сушественно при малых токах ламп. В то же время расчеты показали, что учет нелинейности характеристики дросселя сказывается незначительно и только в области номинальных токов.

4.2. АНАЛИЗ СХЕМ КОМБИНИРОВАННЫХ ПРА

К этой группе аппаратов относятся все ПРА, в которых для стабилизации тока лампы применяются как электромагнитные, так и полупроводниковые элементы. Одной из наиболее интересных и перспективных является схема с так называемым ионизируюшим генератором.

Аппараты с ионизируюшими генераторами предложены А. Е. Краснопольским и В. И. Бураком в 1965 -1966 гг. [4.6 - 4.8]. В течение ряда лет они применялись лишь в регуляторах яркости светового потока люминесцентных ламп, но в последние годы широко используются для включения различных разрядных ламп при пониженном напряжении питания, для улучшения условий перезажигания, снижения пульсаций светового потока, создания так называемых безбалластных ПРА и др.

Обобшенная структурная схема ПРА с ионизирующим генератором приведена на рис. 1.8. В этой схеме ток лампы состоит из двух составляющих, т. е.

/л = Ч + 2. (4.10)

Основной источник питания с напряжением создает составляющую тока лампы i. Для ограничения этого тока служит Балласт 1. Вспомогательный ионизирующий источник питания с напряжением создает лишь небольшую часть тока лампы /2-Его значение стабилизируется Балластом 2.

Все схемы с ионизирующим генератором могут быть получены из этой обобщенной схемы при использовании различных источников питания и типов балластов.

Если в качестве основного источника питания используется сеть промышленной частоты, а Балласт 1 представляет собой индуктивный или индуктивно-емкостный балласт, то имеют распространенную группу индуктивных комбинированных ПРА. В этой группе ПРА обычно используется ионизирующий источник напряжения повышенной частоты (/3= 1-н 100 кГц), включенный последовательно с высокочастотным емкостным балластом (см. рис. 1.9). Ионизирующий источник создает на негорящей лампе повышенное напряжение, облегчающее ее зажигание, и при разгорании лампы типа ДРИ облегчает ее перезажигание. Аппараты обеспечивают работу ламп при пониженном напряжении питания, например, в регуляторах яркости. При низких напряжениях питания ионизирующий источник предотвращает глубокую деионизацию плазмы столба разряда во время паузы тока.

Для схемы с нелинейным дросселем и постоянным еопротив-лением потерь R система уравнений имеет вид

d4/dt = u {t)-Ri/LCi)-u (ty, dQ/dt=i it)-4/L(4).

(4.11)

Система (4.11) решалась совместно с уравнениями модели люминесцентной лампы (2.10) и (2.16). Это позволило рассчитать все электрические режимы индуктивного ПРА с высокочастотным генератором, используемого в регуляторах яркости. Высокочастотный генератор имел параметры 11 = 250 В, /=5 кГц. Емкость высокочастотного балласта С =600 пФ. В момент пуска за счет последовательного резонанса высокочастотное напряжение на лампе возрастало до 350-400 В, что обеспечивало надежное зажигание ламп на всех уровнях яркости. Минимальная яркость определялась значением высокочастотного тока /2 и не превышала 0,5% максимальной яркости.

Проведенные расчеты показали, что нелинейность характеристики дросселя лишь незначительно влияет на ход функции

Р {и ) и только в области больших токов. Это позволило в схемах с ионизирующим генератором использовать дроссели с более высоким значением максимальной магнитной индукции В , что приводит к уменьщению их массы на 10-15%. Дальнейшее снижение массы дросселя в таких ПРА возможно либо при работе на пониженных напряжениях питания С/п=130-н140 В, либо при работе со специальными лампами, номинальное напряжение которых = 170-н 180 В. В таких режимах напряжение на дросселе снижается до значений С/др = 80100 В, что приводит к уменьшению его размеров на 40-50%. Проведенный нами расчет показал, что при отношении [/ /[/ = 0,750,8 и токе высокочастотного генератора /2 = (0,15 н-0,2)/дном коэффициенты чувствительности Л/ Apfj находятся в пределах 2,4 - 2,8. Это допустимо при колебаниях напряжения питания в пределах +5%.

При дальнейшем повышении отношения U /U до 0,9 - 0,95 коэффициенты чувствительности возрастают до 4,5 - 5, и удовлетворительная работа возможна лишь при введении стабилизирующей связи X, , =3-3,5 или X; , 10.

В индуктивном ПРА с высокочастотным ионизирующим генератором для снижения мощности высокочастотного генератора целесообразно модулировать его напряжение синфазно с напряжением питания так, чтобы максимум высокочастотного напряжения совпадал с паузой тока i. В регуляторах яркости это позволяет снизить мощность высокочастного генератора в 10-12 раз и расширить пределы регулирования светового потока до 1:2000.

Если в обобщенной схеме ПРА с ионизирующим генератором (см. рис. 1.8) в качестве Балласта 1 применить конденсатор С и запирающий фильтр, настроенный на частоту ионизирующего генератора, то получим схему ПРА с емкостным балластом и высокочастотным ионизирующим генератором (рис. 4.4). В таком аппарате энергия поступает в лампу в основном от источника промышленной частоты С/ . Высокочастотный генератор поддерживает ионизацию плазмы в столбе разряда во время паузы тока г. Этим достигается улучшение формы тока лампы и снижение пульсаций светового потока.

I, 12

\\-о

Рис. 4.4. Схема ПРА с емкостным балластом и ВЧ ионизирующим генератором (Ф-фильтр)

Рис. 4.5. Пульсации приведенной проводимости (г) в схеме емкостного ПРА с ионизирующим генератором: 7-7,/4 = 0,15; 2-0,25; 5-0,35; 4-0,45

Принимая, что фильтр Ф обладает бесконечным сопротивлением для высокочастотного тока /2 и нулевым для тока /j, а конденсатор С2 не пропускает низкочастотный ток г, получим упрощенную систему уравнений для схемы емкостного ПРА с ионизирующим генератором:

п= с1 + <5лл;

в = Ис2 + <5лл;

4 = Cduci/dt + C2duc2/dt.

(4Л2)

Расчеты, проведенные по (4.12) с использованием математической модели люминесцентной лампы (2.10), показали следующее:

1) удовлетворительная форма тока лампы (ЛГ <2) достигается при токе высокочастотного генератора /2/40,2. При этом пауза в токе не превышает 25°;

2) применение высокочастотного генератора с модулированным выходным напряжением улучшает работу лампы, снижает пульсации ее светового потока. Пульсации оценивались нами по пульсации приведенной проводимости лампы На рис. 4.5 показана форма (0- Пульсации приведенной проводимости (gmax-gmin)/(2gcp) 0,l при /2/4 = 0,45. Наилучшее снижение пульсации достигается при заполнении высокочастотным током 2 пауз в токе г;

3) частота ионизирующего генератора слабо влияет на основные параметры лампы (4, Р, пульсацию светового потока и т. п.). Однако для эффективного разделения низкочастотного и высокочастотного контуров ее целесообразно выбирать достаточно высокой (f2,5 кГц).

Рассмотрим импульсный ПРА, в котором отсутствует токоограничивающий элемент в силовой цепи [4.9]. На рис. 1.10 была приведена схема такого ПРА, а на рис. 1.11 - осциллограммы напряжения и тока лампы. На рис. 4.6 дана зависимость оптимальной длительности периода Гопт, при которой в лампу поступает максимальная мощность от силового источника питания, от отношения Г / Г. При Гот