устройство для питания и зажигания газоразрядной лампы высокого давления

Формула изобретения

Устройство для зажигания газоразрядной лампы высокого давления, включающее двухобмоточный импульсный трансформатор, один конец вторичной обмотки которого через электромагнитный дроссель подключен к сети, а первичная обмотка включена в контур, образованный накопительным конденсатором и ключевым элементом, отличающееся тем, что, с целью повышения срока службы газоразрядной лампы и обеспечения экономии электроэнергии, устройство снабжено двумя последовательно соединенными терморезисторами, один из которых имеет положительный, а другой отрицательный температурные коэффициенты, зашунтированными параллельным конденсатором, и дополнительно содержащее блок настраиваемых резонансных конденсаторов, при этом общая точка контура, соединяющая накопительный конденсатор и ключевой элемент, подключена к одному из выводов лампы через цепочку терморезисторов, зашунтированных параллельным конденсатором, точка соединения которых с выводом лампы подключена к сети через блок резонансных конденсаторов, а точка соединения электромагнитного дросселя и вторичной обмотки импульсного трансформатора подключена к другому выводу лампы, при этом параметры контура, образованного блоком резонансных конденсаторов, электромагнитным дросселем и лампой, настраиваются на резонансную частоту, близкую к частоте питающей сети.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к схемам и устройствам для зажигания или приведения в действие газоразрядных осветительных ламп высокого давления, используемых для освещения промышленных предприятий, учреждений, транспортных магистралей и других объектов.

Люминесцентные лампы, являясь более экономичными источниками света, в условиях роста цен на энергоносители находят все большее применение, а вместе с ними актуальной проблемой является создание и модернизирование экономичных устройств для их зажигания и питания.

Известно устройство для зажигания газоразрядной лампы, содержащее автотрансформатор (см. Фугенфиров М.И. Пускорегулирующая аппаратура. М.: Энергия, 1970 г., с.56).

Однако это устройство имеет высокие массогабаритные показатели, определяемые параметрами автотрансформатора.

Известно зажигающее устройство с циклическим режимом работы (см. ж. «Механизация и электрификация сельского хозяйства», 10, 1998 г., с.19, рис.4).

Это устройство содержит дроссель, который подключен одним своим выводом к входному выводу, а другой вывод дросселя подключен к одному выводу вторичной обмотки трансформатора, другой вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с одним выводом газоразрядной лампы. К другому входному выходу подключен тиристор и другой вывод лампы.

Недостатком этого устройства является недостаточная надежность зажигания. Кроме того, устройство содержит тиристорный элемент, количество включений которого ограничено, что сокращает срок службы устройства, а также имеются большие потери при прохождении тока через тиристорный элемент, что снижает коэффициент полезного действия устройства.

Известно устройство для зажигания газоразрядных ламп (см. патент РФ №2088054, МПК 6 Н 05 В 41/23, 1997 г.).

Это устройство состоит из последовательно соединенных ограничительного и накопительного конденсаторов, обмотки повышающего трансформатора, цепи из последовательно соединенных диодов и резистора, которая подключена параллельно ограничительному конденсатору. Кроме того, устройство содержит коммутирующий элемент, подключенный между отводом обмотки автотрансформатора и точкой соединения конденсаторов.

Недостатком этого устройства является недостаточно продолжительный срок службы лампы и большой расход электроэнергии.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для зажигания газоразрядных ламп, содержащее импульсный двухобмоточный автотрансформатор, один конец повышающей обмотки которого соединен с первым выводом лампы, а сеть подключена через дроссель между вторым выводом лампы и концом первичной обмотки импульсного автотрансформатора, не общим с повышающей обмоткой, при этом первичная обмотка импульсного автотрансформатора включена в контур, образованный конденсатором и стартером тлеющего разряда, общая точка которых подключена ко второму выводу лампы (см. патент РФ №2134496, МПК 6 Н 05 В 41/23, 1999 г.).

Недостатком известного устройства является недостаточно высокая надежность зажигания лампы, значительный расход электроэнергии, перегрев корпуса и электродов кварцевой горелки, тепловые и электромагнитные потери и как следствие ограниченный срок службы лампы, то есть ее рабочий ресурс.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение срока службы лампы, повышение надежности ее зажигания, экономия электроэнергии, уменьшение тепловых и электромагнитных потерь.

Технический эффект, достигаемый изобретением, заключается в ограничении рабочих и пусковых токов лампы, что исключает перегрев корпуса и электродов кварцевой горелки лампы, и как следствие исключается повышенная эмиссия и распыление материалов электродов, что существенно продлевает срок службы лампы и уменьшает электропотребление. Кроме того, обеспечение нарастающей амплитуды высоковольтных поджигающих импульсов в оба полупериода питающего напряжения создает более щадящие и надежные режимы зажигания лампы, а изменение режимов электропитания лампы уменьшает тепловые и электромагнитные потери.

Этот результат достигается тем, что устройство для питания и зажигания газоразрядной лампы высокого давления, включающее двухобмоточный импульсный трансформатор, один конец вторичной обмотки которого через электромагнитный дроссель подключен к сети, а первичная обмотка включена в контур, образованный накопительным конденсатором и ключевым элементом, при этом общая точка контура подключена к одному из выводов лампы через цепочку последовательно соединенных терморезисторов, точка соединения которых с выводом лампы подключена к сети через блок резонансных конденсаторов. Последовательно соединенные терморезисторы зашунтированы конденсатором. Точка соединения электромагнитного дросселя и вторичной обмотки импульсного трансформатора подключена к другому выводу лампы. Кроме того, блок резонансных конденсаторов выполнен из ряда параллельно подключенных конденсаторов с защитно-разрядными резисторами, включенными параллельно к каждому конденсатору. Количество конденсаторов с защитно-разрядными резисторами может колебаться от одного до десяти штук тех и других. Более десяти нецелесообразно применять, так как очень увеличиваются габариты устройства. Оптимальным с этой точки зрения является наличие четырех или шести конденсаторов совместно с защитно-разрядными резисторами.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема устройства, частично состоящая из блоков, а на фиг.2 - блок резонансных конденсаторов с размещением последних совместно с защитно-разрядными резисторами.

Заявляемое устройство для зажигания газоразрядной лампы высокого давления содержит электромагнитный дроссель 1 (фиг.1), один вывод которого подключен к сети, а второй соединен с концом вторичной обмотки 2 импульсного трансформатора 3. Первичная обмотка 4 трансформатора включена в контур, образованный накопительным конденсатором 5 и ключевым элементом 6. Общая точка ключевого элемента 6 и накопительного конденсатора 5 через цепочку последовательно соединенных терморезисторов 7 и 8 подключена к одному из выводов лампы 9, а точка соединения вывода лампы 9 с цепочкой терморезисторов 7 и 8 подключена к сети через блок резонансных конденсаторов 10. Терморезисторы 7 и 8 зашунтированы разрядным конденсатором 11. Точка соединения электромагнитного дросселя 1 с концом вторичной обмотки 2 импульсного трансформатора 3 подключена к другому выводу лампы 9. Блок резонансных конденсаторов 10 (фиг.2) выполнен из параллельно подключенных конденсаторов с защитно-разрядными резисторами, включенными к ним также параллельно. Позицией 11 (фиг.1) обозначен шунтирующий конденсатор.

В рабочем установившемся режиме переменный ток проходит через цепочку элементов: дроссель 1, лампу 9, блок резонансных конденсаторов 10. Блок резонансных конденсаторов 10 ограничивает потребляемый лампой 9 ток и корректирует коэффициент мощности питающей электросети. В отличие от ранее используемых схем, параметры блока резонансных конденсаторов 10 и дросселя 1 предлагаемого устройства подобраны с такими параметрами, что резонансная цепь, состоящая из блока резисторных конденсаторов 10, дросселя 1 и лампы 9, имеет резонансную частоту, близкую к частоте питающей сети - 50 Гц. Дополнительную настройку резонансного контура в зависимости от параметров применяемой лампы 9 и дросселя 1 обеспечивает настройка параметров блока резонансных конденсаторов 10. Настройка осуществляется путем изменения общей емкости блока резонансных конденсаторов 10 поочередной коммутацией находящихся в блоке конденсаторов. Режим резонанса определяется путем измерения потребляемой устройством мощности и измерения светового потока от лампы 9. Блок резонансных конденсаторов считается настроенным, если устройство при необходимой интенсивности светового потока от 9 потребляет минимум электроэнергии.

Резонансный режим работы цепи обеспечивает минимум потерь электроэнергии в цепи питания лампы 9 и стабилизацию ее работы.

В блоке резонансных конденсаторов имеются защитно-разрядные резисторы, включенные параллельно конденсаторам для обеспечения защиты газоразрядной лампы 9 от токовой перегрузки, возникающей при кратковременных импульсных пропаданиях напряжения питания, путем быстрого снятия опасного для лампы 9 напряжения с конденсаторов. При кратковременных пропаданиях напряжения и его последующем быстром включении за счет наличия реактивных токов возникает высоковольтный коммутационный бросок напряжения. Если при этом блок резонансных конденсаторов 10 еще не разрядился, то при совпадении полярности заряженного конденсатора и коммутационного импульса питающей сети на лампу 9 может быть подано напряжение, равное сумме напряжений заряженного блока резонансных конденсаторов 10 и напряжения сети. Это приведет к возникновению токовой перегрузки и соответственному разрушению лампы 9.

Необходимая для зажигания лампы 9 схема импульсного зажигающего устройства состоит из повышающего напряжение двухобмоточного импульсного трансформатора 3, на первичную обмотку 4 которого подается импульсное напряжение за счет разряда через нее накопительного конденсатора 5 через ключевой элемент 6. Характеристика ключевого элемента 6 обеспечивает протекание через него тока только после того, как напряжение на выводах ключевого элемента 6 превысит заранее заданное значение как в положительный, так и в отрицательный полупериоды питающего напряжения, что в отличие от других схем позволяет формировать высоковольтные зажигающие импульсы на электродах лампы 9 в оба полупериода питающего напряжения и обеспечивает более надежное и быстрое ее зажигание лампы 9. Высоковольтные зажигающие импульсы со вторичной обмотки 2 импульсного трансформатора 3 с одной стороны непосредственно подаются на электрод лампы 9, с другой стороны проходят через накопительный конденсатор 5, шунтирующий терморезисторы разрядный конденсатор 11 и подаются на другой электрод лампы 9. Наличие в схеме шунтирующих терморезисторов 7 и 8 разрядного конденсатора 11 позволяет значительно снизить общее сопротивление цепи для высоковольтных зажигающих импульсов и, следовательно, повысить их мощность, что обеспечивает более надежное зажигание лампы и повышает коэффициент полезного действия импульсного зажигающего устройства.

После зажигания лампы 9 напряжение на ее электродах значительно понижается, соответственно понижается напряжение питания включенной параллельно лампе 9 схемы импульсного зажигающего устройства и, следовательно, понижается напряжение на выводах ключевого элемента 6, при этом ключевой элемент 6 перестает открываться, пропуская через себя ток, что одновременно прекращает выработку высоковольтных поджигающих импульсов. Прекращение работы импульсного зажигающего устройства после зажигания лампы 9 значительно продляет срок службы элементов схемы и тем самым повышает надежность устройства.

Цепочка, состоящая из последовательно соединенных терморезисторов 7 и 8, один из которых имеет отрицательный, а другой положительный температурный коэффициенты, обеспечивает особый режим питания импульсного зажигающего устройства. В момент подачи на устройство питающего напряжения терморезистор с положительным температурным коэффициентом имеет малое сопротивление и свободно пропускает электрический ток, который при закрытом ключевом элементе 6 протекает через терморезисторы 7 и 8, накопительный конденсатор 5 и вторичную обмотку 2 импульсного трансформатора 3. При этом второй терморезистор, имеющий отрицательный температурный коэффициент, имеет достаточно большое сопротивление, и протекающий через него ток начинает его постепенно разогревать, причем в гораздо большей степени, чем первый терморезистор. Появившееся на выводах ключевого элемента 6 напряжение, по достижении заданного значения, отпирает его. Это приводит к разряду накопительного конденсатора 5 через первичную обмотку 4 импульсного трансформатора 3, что формирует во вторичной его обмотке 2 импульс высоковольтного напряжения, поступающий на вывод лампы 9. По мере роста температуры терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом его сопротивление снижается, соответственно увеличивается ток в цепи питания импульсного зажигающего устройства, и на лампу 9 подаются импульсы все более нарастающей со временем мощности и амплитуды. Такой режим постепенного нарастания мощности зажигающего импульса обеспечивает надежное зажигание лампы 9 и менее разрушительно действует на ее электроды, чем подача сразу большого зажигающего импульса, как в известных и стандартных импульсных зажигающих устройствах. Это значительно продлевает срок службы лампы. Если через определенный промежуток времени лампа 9 все же не зажигается, в силу выхода из строя или разрушения, то сопротивление терморезистора с положительным температурным коэффициентом из-за нагрева постепенно возрастает и достигает значения, при котором уменьшившийся в цепи питания импульсного зажигающего устройства ток уже не может обеспечить заряд накопительного конденсатора 5 до необходимого напряжения, и схема перестает вырабатывать высоковольтные зажигающие импульсы. Тем самым увеличивается срок службы всего устройства и обеспечивается экономия электроэнергии. Если лампа 9 не зажглась, то по мере остывания терморезисторов 7 и 8, спустя значительный промежуток времени, схема снова начинает непродолжительное время вырабатывать высоковольтные зажигающие импульсы, которые могут зажечь лампу 9, например, после ее замены. Применение терморезисторов 7 и 8 в цепи питания импульсного зажигающего устройства обеспечивает его включение и выключение через некоторый промежуток времени так же, как в схемах с использованием различного рода таймеров, но имеет более простую и, следовательно, более надежную конструкцию. При зажигании лампы 9 на ее электродах происходит резкое падение напряжения, и импульсное зажигающее устройство перестает вырабатывать зажигающие импульсы, что обеспечивает повышение надежности устройства и дополнительную экономию электроэнергии.

При возникновении короткого замыкания на лампе 9 или дросселе 1 величина проходящего через схему тока будет ограничиваться блоком резонансных конденсаторов 10, что обеспечит защиту схемы и питающей электросети от повышенного тока в аварийном режиме.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения обеспечивает оптимальность всех необходимых режимов работы лампы, включая пусковой, рабочий и режим аварийной защиты, возникающие в процессе ее эксплуатации. Соединение в единую резонансную цепь лампы 9, дросселя 1 и блока резонансных конденсаторов 10 позволяет уменьшить тепловые и электромагнитные потери в пускорегулирующей аппаратуре, уменьшить потребление электроэнергии, уменьшить пульсации светового потока от работающей лампы 9, уменьшить уровень шумов от работающего светильника, скорректировать коэффициент мощности питающей электросети и значительно продлить сроки эксплуатации лампы.

При этом за счет изменения параметров блока резонансных конденсаторов 10, устройство обладает свойством переключать лампу на «ночной» режим работы с соответствующей экономией электроэнергии и подстраивать параметры работы пускорегулирующей аппаратуры под конкретный тип применяемых ламп и светильников для них.

Кроме того, с целью расширения технологических возможностей устройство легко переключается на последовательный режим поджига газоразрядной лампы. Для этого нужно всего лишь вторичную обмотку импульсного трансформатора 3 подключить в разрыв цепи между дросселем 1 и лампой 9.