А Лупенко - Амплітудне регулювання потужності люмінесцентних ламп електронними пускорегулювальними апаратами - страница 2

Страницы:
1  2 

-Td min

-Td min

З виразу (17) можна визначити мінімальний паразитної ємності стік-витік дорівнює q

Qco0 інтервал Td

sin-

0 d min

2

sin<Kp). (17)

min,

T

2

d min

-arcsin-

CceU 0(р):

U 0

hm (p)sin (P(p)

де Ссе ємність стік-витік транзистора.

прийнявши, що заряд

(18)

часової

Максимальне значення затримки Td цих визначається як інтервал часу між моментом початку чергової комутації та моментом переходу струму в індуктивності через нуль, а саме:

Ф( Р)

Tdi

(19)

Рисунок 11- Залежності максимальної та мінімальної затримок від відносної потужності

q®0

Перевищення цієї затримки суттєво збільшує втрати в транзисторах.

На рис.11 показано залежності

Tdmin      та       Tdmax      для інвертора,

побудованого на транзисторах IRF840 (Ссе=310 пФ) для різних значень Z0. З рисунка видно, що при зміні потужності в широких межах суттєво змінюється інтервал (Tdm!ix - T^in). Так для характеристичного опору Z0=400Ом вказаний інтервал змінюється в межах від 3,8 до 1,3 мксек при регулюванні потужності в межах (100-30)%. Цю особливість необхідно враховувати при розробці схеми керування транзисторами інвертора ЕПРА.

Потужність підігрівання електродів відіграє важливу роль для забезпечення великого строку служби ЛЛ. При зменшенні робочої температури електродів нижче за мінімально допустиму зростає катодне падіння потенціалу ЛЛ, що призводить до інтенсивного бомбардування катодів іонами, а отже, до розпилення оксидного шару електродів. Перевищення максимально допустимої температури викликає інтенсивне випаровування матеріалу електродів.

Температура електродів підтримується за рахунок протікання через них робочого струму лампи І(р) та додаткового струму підігрівання, який в схемі рис.1 є струмом Іс(р) конденсатора резонансного контура. Ці два струми викликають виділення потужності в електродах, яка забезпечує необхідну їх температуру. Опір електрода в розігрітому стані може бути в 4^5 разів більшим від опору холодного електрода [10]. Коли потужність лампи зменшується, зменшується її робочий струм, в результаті потужність підігрівання електродів за рахунок цього струму зменшується. Оскільки при зменшенні потужності ЛЛ зростає напруга на ній, то струм конденсатора буде частково компенсувати зменшення струму ЛЛ.

Для встановлення залежності між потужністю підігрівання і робочою потужністю лампи врахуємо, що струм лампи і струм конденсатора С зсунені на 900. Враховуючи, що модель кожного електрода ЛЛ складається з двох опорів r/2 (рис.3), потужність підігрівання Ре(р) двох електродів можна записати:

е

(12( p)

+1

l(p)) r + /c2(p)r

= (/2(p) + 2/2(p)) r,

(20)

або інакше:

2

pPHOM

U (p)

? + 2 f U (p) Qf Z0

r.

(21)

На основі виразу (21) побудовано залежності (рис.12) потужності підігрівання від відносної потужності ЛЛ для різних значень Z0. З рисунка видно, що при малих значеннях Z0 потужність підігрівання електродів різко збільшується. При заданій

потужності підігрівання Ре можна визначити характеристичний опір:

V2QU ( p)

Z 0 =

(22)

Рисунок 12- Залежності потужності підігрівання електродів від відносної потужності лампи

V r U(p) Важливою характеристикою вихідного каскаду ЕПРА є залежність напруги запалювання, яку він подає на лампу в режимі запалювання, від відносної потужності. В режимі запалювання опір лампи ЛЛ К(р) можна вважати дуже великим, тому ним можна знехтувати. Тоді, приймаючи Я(р)=<х>, на основі аналізу еквівалентної схеми рис.3 можна визначити

вираз для запалювання:

діючого

значення

напруги

Uзап

V2~Uq( p)_\

1 + r2

f

Z0 )

\2

(1 -Q2)

+ —2-( re + 2r ) Z02

.(23)

Рисунок 13 - Залежності напруги запалю­вання лампи від відносної потужності

За виразом (23) на рис.13 побудовано залежності напруги запалювання (Vign=U3an) від потужності для різних значень Z0.

Там же горизонтальною лінією показано напругу запалювання лампи ЛД-40 (Vign~350 В). Як видно, при малих Z0 через зменшення добротності ненавантаженої коливної системи зменшується напруга необхідно керувати напругою живлення для

запалювання. Тому при малих Z0 досягнення необхідної напруги запалювання.

Загальна потужність втрат Ретр у вихідному каскаді ЕПРА складається з втрат у транзисторах, індуктивності L та конденсаторі С коливного контура:

P    = р   + р + р

1 етр 1m^^1L^1C

тр

(24)

де Ртр - втрати в транзисторах, PL -втрати в індуктивності, РС - втрати в конденсатрі, якими в подальшому можна знехтувати через їх малий внесок в загальні втрати.

Втрати в транзисторах мають дві складові - кондуктивні Pj та комутаційні P2.

Оскільки транзистори  перебувають  почергово у  відкритому  стані можна

вважати, нехтуючи часовою затримкою Td, що протіканням струму індуктивності за період ВЧ опору одного відкритого транзистора:

P

r 12

тр Lm

кондуктивні втрати Pj обумовлені комутації через опір, що дорівнює

(25)де rmp - опір каналу відкритого транзистора.

Відкривання транзистора відбувається при практично нульовій напрузі, тому комутаційними втратами при відкриванні можна знехтувати. Комутаційні втрати обумовлені, в основному, процесом "жорсткого" закривання транзистора. Їх потужність можна визначити як інтеграл від миттєвої потужності на одному транзисторі на інтервалі його закривання, поділений на півперіод комутації:

іф_

P2 = 2t ju(t)i(t)dt = зU0ILn (p)sin[n_^(p)^f , (26)

2

де T -період комутації; u(t) та i(t) - миттєві значення напруги та струму транзистора на інтервалі його закривання при їх лінійній апроксимації; ILm (p)sin[n _ ^(р)] - струм,

який протікає через транзистор в момент початку його закривання; t(p - тривалість фронту закривання; f - робоча циклічна частота.

Втрати в індуктивності можна оцінити шляхом вимірювання її добротності QL0 на резонансній частоті та наступного визначення її добротності QL на робочій частоті ЕПРА, знехтувавши втратами в конденсаторі:

QL = ^ = = ^ Qlo, (27)

де rL - опір втрат індуктивності, обумовлений електричними та магнітними втратами.

Тоді, вважаючи, що активна потужність котушки індуктивності є набагато меншою від її реактивної потужності, можна знайти потужність втрат в індуктивності через її повну потужність:

PL = ULmlLm , (28)

де ULm -амплітуда напруги на індуктивності.

На рис.14 наведено залежності потужностей кондуктивних Pj,

комутаційних P2 втрат, втрат PL в індуктивності та загальних втрат Pem^Ploss від відносної потужності лампи ЛД40 для експериментального макету ЕПРА, отримані в результаті розрахунку на основі виразів (24), (25) та (28). При цьому опір відкритого транзистора IRF840 rmp=0,85 Ом тривалість фронту закривання транзисторів tф=50нсек, а виміряна добротність індуктивності на резонансній частоті QL0= 150. Як видно з рисунка, втрати в транзисторах є відносно невеликими порівняно з втратами в індуктивності.

Якщо в розрахунковій характеристиці «напруга-потужність» (рис.7) врахувати втрати потужності в електродах (рис.12) та втрати у вихідному каскаді ЕПРА (рис.14), можна переконатися у досить високій відповідності розрахункової та експериментальної регулювальних характеристик комплекту ЛЛ-ЕПРА, що показує адекватність проведеного теоретичного аналізу амплітудного методу регулювання потужності ЛЛ.

Висновки

На основі апроксимаційної нелінійної моделі люмінесцентної лампи для широкого діапазону її робочих потужностей виконано аналіз основних характеристик комплекту "ЕПРА - ЛЛ' з регулюванням потужності ЛЛ шляхом зміни напруги

Рисунок 14- Залежності потужностей втрат вихідного каскаду від відносної потужностіживлення резонансного інвертора. Результати досліджень розкривають особливості роботи дімінгового ЕПРА з амплітудним регулюванням і можуть бути використані як основа для проектування високоякісних ЕПРА.

Встановлено співвідношення, які описують взаємозв'язки між напругою живлення та характеристиками і параметрами ЕПРА. Показано, що чутливість потужності ЛЛ до напруги живлення є майже незмінною в усьому діапазоні регулювання потужності ЛЛ, що спрощує схему керування ЕПРА.

Встановлено верхню та нижню границі для часової затримки між відкритими станами транзисторних ключів, які забезпечують малі комутаційні втрати в них. Для типової схеми ЕПРА з підігріванням електродів струмом, що протікає через конденсатор резонансного контура, проаналізовано зміну потужності підігрівання електродів ЛЛ в процесі регулювання потужності лампи. Проведено аналіз напруги запалювання ЛЛ. В результаті аналізу показано суттєвий вплив характеристичного опору ЛЛ на основні характеристики ЕПРА. Теоретичний аналіз дослідження добре узгоджується з експериментом.

Література

1. C.S. Moo, L.C. Cheng, H.N. Chen, H.C. Yen. Designing Dimmable Electronic Ballast with Frequency Control.// Proc. of IEEE Appl. Power Electronics Conf., APEC'99, 1999. - pp. 727-733.

2. Е.А.Обжерин, Д.И.Панфилов, В.Д.Поляков. Сравнительный анализ способов регулирования светового потока люминесцентных ламп // Светотехника, 2003. - №3.- С. 21-23.

3. C.S. Moo, L.C. Cheng, T.F Lin, H.C. Yen. Designing Dimmable Electronic Ballast with Voltage Control.// Proc. of IEEE International Symposium on Industrial Electronics ISIE '99, 1999. - pp. 786-791.

4. T. Ribarich, J. Ribarich. A new control method for dimmable high frequency electronic ballasts.//Proc. of IEEE Appl. Power Electronics Conf. APEC'98, 1998. - pp. 2038-2043.

5. C. Branas, F.J. Azcondo. S. Bracho. PWM Control of Electronic Ballast for High Pressure Na Lamps in Comparison to Fluorescent Lamps. Introduction to Quasi-optimum Control.// Conf. Record. of IEEE-IAS 1998. - pp. 970-975.

6. T.F. Wu, T.H. Yu. Analysis and Design of a High Power Factor, Single-Stage Electronic Dimming Ballast.// IEEE Transaction on Industrial Applications, vol.34, No.3, 1998. - pp.606-615.

7. Лупенко А.М. Дослідження частотного методу регулювання потужності люмінесцентних ламп//Світло-ШГХ, №5, 2007.- С. 92-97.

8. А.Лупенко. Аналіз вихідного високочастотного каскаду електронного пускорегулюючого апарата. // Вісник Тернопільського державного технічного університету, 2004. -Т.9.-№4. - С. 117-127.

9. К. Гехер. Теория чувствительности и допусков электронных цепей. -М.: Сов. Радио, 1973. - 200с.

10. T.O. Leyh, S.G. Fancher. Fluorescent Lamp High Frequency Reference Ballast Operation and Starting.//Journal of the Illuminating Engineering Society, Summer, 1997. - pp. 3-12.

Одержано 15.09.2008 p.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

А Лупенко - Амплітудне регулювання потужності люмінесцентних ламп електронними пускорегулювальними апаратами