Ходовая часть Caterpillar от компании Сибмашинери.

Электронный пускорегулирующий аппарат для дуговых натриевых ламп

Натриевые лампы высокого давления находят широкое применение для наружного освещения, интенсивно вытесняя дуговые ртутные лампы благодаря лучшим технико-экономическим показателям. Основные преимущества натриевых ламп по сравнению с дуговыми:

• 25% сбережение электроэнергии;
  
• увеличенный срок службы;
  
• до 45% больший световой поток;
  
• отсутствие мигания лампы к концу срока службы.
  

Традиционная система электропитания лампы от сети переменного напряжения 220 В, 50 Гц содержит токоограничивающий реактор, последовательно включенный с лампой, и устройство, формирующее высоковольтные импульсы для зажигания разряда. Проблемы, связанные с электромагнитными пускорегулирующими аппаратами (ПРА), следующие:

• мерцание от сети 50 Гц;
  
• нестабильность мощности и светового потока лампы при колебаниях сетевого напряжения;
  
• низкий коэффициент мощности;
  
• большие масса и габариты самого ПРА и необходимость применения дополнительного конденсатора для улучшения коэффициента мощности;
  
• отсутствие возможности управления светом.
  

   Эти недостатки устраняются при использовании для питания натриевых ламп электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА), другое распространенное название которых — электронные балласты. В дополнение к этому ЭПРА позволяет:

• повысить срок службы лампы;
  
• увеличить светоотдачу, соответственно, уменьшить энергопотреб-ление;
  
• обеспечить комфортную освещенность.
  

Кроме того, они конкурентоспособны по стоимости с традиционными балластами, поскольку более высокая начальная цена компенсируется увеличением срока службы, постоянно увеличивающейся стоимостью электроэнергии и сокращением затрат на обслуживание осветительных установок. Поэтому электронные балласты вызывают повышенный интерес у организаций, занимающихся вопросами городского освещения.

Рис. 1. Функциональная схема ЭПРА

Ниже описывается электронный пускорегулирующий аппарат для серийно выпускаемых дуговых натриевых ламп высокого давления типа ДНаТ, мощностью 250 Вт, разработанный на кафедре “Промышленной электроники” Московского энергетического института (Технического Университета) и серийно осваиваемый на Государственном предприятии “Нижегородский завод им. М.В. Фрунзе”. Функциональная схема ЭПРА представлена на рис. 1 и содержит следующие узлы:

• сетевой фильтр;
  
• выпрямитель с устройством защиты;
  
• корректор коэффициента мощности;
  
• инвертор;
  
• устройство поджига;
  
• устройство управления мощностью.
  

Таблица 1. Результаты испытаний ЭПРА в различных режимах работы

Отметим некоторые особенности нового ЭПРА.

• Применение активного корректора коэффициента мощности решило проблемы совместимости ЭПРА с питающей сетью. Корректор выполнен по схеме повышающего импульсного преобразователя на мощном МДП-транзисторе, управление которым производится от специализированной интегральной микросхемы, что обеспечило энергопотребление с коэффициентом мощности в номинальном режиме на уровне 0,98. Как видно из представленных в табл. 1 данных, коэффициент мощности имеет высокое значение при всех возможных режимах в диапазоне изменения напряжения 220 В ± 15%. Вторым положительным свойством применения корректора является высокая стабильность освещенности при изменении напряжения питающей сети за счет стабилизации напряжения в силовой цепи постоянного тока.
  
• Регулируемый высокочастотный инвертор обеспечивает питание лампы током повышенной частоты в двух режимах: в режиме полной мощности и в режиме энергопотребления на уровне 50% от номинального, — что дает адекватное управление яркостью свечения лампы. Для управления силовыми МДП-транзисторами инвертора используется интегральная микросхема высоковольтного драйвера, что обеспечивает надежный запуск и стабильную работу ЭПРА в широком диапазоне температур. В состав инвертора входит динисторная схема пуска, формирующая высоковольтные импульсы для поджига лампы. После зажигания лампы осцилляция прекращается. Зажигание и выход лампы на режим происходит при токах значительно меньших, чем при пуске от дроссельных ПРА, что увеличивает срок службы лампы и уменьшает эксплуатационные расходы.
• Управление светом в электронном балласте осуществляется специальной схемой, воздействующей на узел управления частотой переключения транзисторов инвертора. Частота тока лампы увеличивается, ток лампы уменьшается и, соответственно, уменьшается яркость ее свечения. При повторном управляющем воздействии частота тока возвращается к номинальной, и сила света возрастает до своего максимального значения.
  
• Электронная защита от сетевых перенапряжений на силовом транзисторном ключе, включенном на стороне постоянного тока сетевого выпрямителя, в дополнение к традиционной защите в виде варистора и предохранителя, повышает надежность устройства. На рис. 2 приведены осциллограммы токов и напряжений, иллюстрирующие работу ЭПРА. Основные технические характеристики ЭПРА приведены в табл. 2.
  

Рис. 2.
а)входное напряжение и потребляемый ток
б) режим переключения мощности ЭПРА

Таблица 2. Основные технические характеристики ЭПРА

Достоинства нового ЭПРА:

• Cтабильность освещения и повышенный срок службы лампы за счет стабилизации выходной мощности при изменениях напряжения питающей сети и обеспечения более щадящего пуска.
  
• Комфортное освещение за счет отсутствия низкочастотных пульсаций светового потока (стробоскопического эффекта).
  
• Высокое качество потребляемой электроэнергии — коэффициент мощности близкий к единице благодаря потреблению синусоидального тока с нулевым фазовым сдвигом.
  
• Малые масса и габариты благодаря работе на повышенной частоте с высоким КПД, наличию встроенного устройства зажигания и отсутствию необходимости в дополнительном оборудовании для компенсации реактивной мощности.
  
• Бесшумная работа за счет питания током повышенной частоты (свыше 20 кГц).
  
• Низкий уровень радиопомех, который достигается путем использования специальных фильтров.
  
• Уменьшенное на 20% энергопотребление при сохранении светового потока за счет уменьшения потерь в ПРА и повышения светоотдачи.
• Дополнительное энергосбережение за счет наличия возможности управления световым потоком лампы (переход на пониженную мощность).
  
• Уменьшенные эксплуатационные расходы на смену ламп за счет повышения срока службы лампы.
  

Экономическая эффективность

Снижение затрат на оплату электроэнергии при использовании ЭПРА представлено на рис. 3. При работе 10 часов в сутки в обычном режиме годовая экономия электроэнергии составляет 212 кВт·ч на один ЭПРА, управляющий 100 лампами.

Рис. 3. Экономия при замене электромагнитного ПРА на электронный

При использовании средств управления для переключения ламп в экономичный режим и при условии работы в этом режиме половины времени горения лампы экономия электроэнергии составит: в год — 476 кВт·ч; в течение всего срока службы — 5220 кВт·ч. Экономическая эффективность у потребителя при использовании одного ЭПРА составляет:

• для обычного режима работы — 570 руб.;
  
• для управляемого режима работы (с переходом на пониженную мощность в ночное время) — 1322 руб.
  

Государственным предприятием “Нижегородский завод им. М.В.Фрунзе” изготовлена и испытана опытная партия ЭПРА. Испытания показали эксплуатационную надежность при воздействии всех дестабилизирующих факторов (температура, изменение сетевого напряжения и др.). Произведена сертификация ЭПРА.
    Завод предполагает освоение электронных пускорегулирующих аппаратов для всего ряда серийно выпускаемых дуговых натриевых ламп высокого давления типа ДНаТ мощностью 70, 100, 150, 250 Вт.
    Авторы выражают благодарность фирме Hewlett-Packard за предоставленное оборудование, а именно: осциллограф HP 54645D и генератор сигналов НР 33120А, которые были использованы при данной разработке (приведенные выше осциллограммы были сняты осциллографом и переданы на компьютер, где была произведена их дальнейшая обработка).

Кафедра «Промышленной электроники» МЭИ
Тел. (095) 362-7424, 362-7419, 362-7422
Факс (095) 362-7424
E-mail:pel@srv-vmss.mpei.ac.ru