Modelowanie kompaktowych lamp fluoroscencyjnych do badań ich oddziaływania na sieć zasilającą, ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Łukasz STARZAK, Sławomir BEK
Politechnika Łódzka, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych
Modelowanie kompaktowych lamp fluorescencyjnych do badań
ich oddziaływania na sieć zasilającą
Streszczenie.
W artykule wykazano konieczność stosowania właściwych modeli lamp fluorescencyjnych już na etapie projektowania,
współpracującego z lampą, statecznika elektronicznego. Model rezystancyjny o wykładniczej zależności od pobieranej mocy w wystarczająco
dokładny sposób odzwierciedla nie tylko zależności napięciowo-prądowe układu, ale również pozwala określić wartość wskaźników energetycznych
charakteryzujących współpracę układu z siecią zasilającą.
Abstract
. In the paper, the need for using proper fluorescent lamp models yet at the stage of electronic ballast design has been proved. The
resistance model with exponential dependence on the lamp power accurately enough represents not only the voltage-current relationships in the
circuit but also enables to determine the values of parameters characterizing the circuit’s influence on the mains. (
Modelling of compact
fluorescent lamps for investigation of their influence on the mains
).
Słowa kluczowe
: model lampy fluorescencyjnej, symulacja, statecznik elektroniczny, operacja ściemniania.
Keywords
: fluorescent lamp model, simulation, electronic ballast, dimming.
Wstęp
O wyborze układu zasilania lampy fluorescencyjnej
decyduje wiele czynników, wśród których niebagatelne
znaczenie ma oddziaływanie na sieć zasilającą i poziom
emitowanych zaburzeń elektromagnetycznych. Przy czym
oddziaływanie na sieć zasilającą można ocenić na
podstawie znajomości poszczególnych harmonicznych
prądu zasilania i na podstawie syntetycznego wskaźnika –
współczynnika mocy, którego wartość powinna być duża,
zbliżona do jedności [1].
Lampy fluorescencyjne mają potencjalnie dłuższy czas
życia niż lampy żarowe. Warunkiem jest jednak, aby prąd
lampy posiadał kształt możliwie zbliżony do sinusoidy.
Producenci szacują, że współczynnik kształtu nie powinien
przekraczać wartości 1,7 aby nie spowodować znaczącego
skrócenia czasu życia lampy [2].
Ograniczenia energetyczno-ekonomiczne skłaniają do
poszukiwania nowych koncepcji układów zasilania, co
wymaga (przed wykonaniem układów fizycznych do badań)
przeprowadzenia szeregu symulacji. Niezbędne jest zatem
posiadanie dobrych i sprawdzonych statycznych i
dynamicznych modeli lamp fluorescencyjnych.
wartości rezystancji, uzależnionej od mocy lub prądu, a
zatem wielkości związanych z aktualnym stanem pracy
lampy [3].
Układ testowy
Pomiary i symulacje (PSpice) wykonano dla układu
przedstawionego na rysunku 1. Wyprostowane i
wygładzone napięcie zasila samowzbudny falownik w
układzie półmostkowym. Obciążeniem jest lampa
fluorescencyjna o mocy znamionowej
P
Ln
= 11 W. Operacja
ściemniania realizowana jest poprzez zmianę wartości
skutecznej napięcia zasilania. Dla celów analizy
komputerowej lampę zastąpiono rezystancją, której wartość
jest uzależniona od mocy lampy
P
L
, co jest postępowaniem
standardowym dla układów stateczników pracujących z
częstotliwością powyżej (10–20) kHz [4]. Do momentu
zapłonu lampa przedstawiona jest jako rezystancja o stałej
wartości 10 kΩ.
Po załączeniu zasilania układu narasta napięcie na
kondensatorze C
4
i po osiągnięciu wartości napięcia
zapłonu napięcie i prąd lampy ustalają się na poziomie
wynikającym z napięcia zasilania, częstotliwości pracy
układu oraz parametrów obwodu
rezonansowego: L, C
2
, C
3
, C
4
, R
L
(rys. 2).
Dla stanu pracy po zapłonie lampy dokonano
pomiarów w układzie (rys. 3). Wyniki pomiarów i
obliczeń przedstawiono na rysunku 4.
Rezystancja zastępcza lampy
R
L
(obliczona jako
stosunek wartości skutecznej napięcia na lampie
do wartości skutecznej prądu płynącego przez
lampę) – zgodnie z przewidywaniem – maleje ze
wzrostem mocy wydzielanej w lampie i można ją
opisać krzywą wykładniczą lub kombinacją
krzywych wykładniczych. Na rysunku 4 pokazano
również zmianę współczynnika szczytu (
k
c
) prądu
lampy. W całym zakresie zmian mocy jego
wartość jest mniejsza od zalecanej maksymalnej
wartości 1,7.
Dla celów modelowania układu, charakterystykę
rezystancji zastępczej lampy opisano zależnością
wykładniczą jak niżej.
Rys.1. Statecznik elektroniczny w układzie zasilania lampy
fluorescencyjnej
W artykule rozważa się współpracę lampy
fluorescencyjnej ze statecznikiem elektronicznym bez
korekcji współczynnika mocy, przy czym zadaniem
analizowanego układu jest realizacja funkcji ściemniania, a
zatem pracy przy różnych poziomach mocy wyjściowej.
Dla takiego rodzaju pracy wybiera się zazwyczaj modele
lampy fluorescencyjnej w postaci rezystora o zmiennej
(1)
R
L
=
c
1
+
c
2
⋅
exp
P
( )
c
3
⋅
L
.
Parametry równania (1) dla badanej lampy wyznaczono
numerycznie i otrzymano następujące wartości:
c
1
= 0,538 kΩ,
c
2
= 21,0 kΩ,
c
3
= 0,371 W
−1
.
106
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 9/2007
−
Uzyskane wyniki świadczą o tym, że przyjęty model
statyczny dobrze odzwierciedla rzeczywiste warunki pracy i
nie byłyby do przewidzenia, gdyby jako model lampy
zastosować rezystancję o niezmiennej wartości. Po-
twierdzają to charakterystyki przedstawione na rysunku 5.
Tabela 1. Oddziaływanie układu statecznika na sieć (
I
1m
,
I
3m
–
am
plituda 1. i 3. harmonicznej prądu pobieranego z sieci) – pom
iar
P
L
/
P
Ln
λ
d
h
i
I
3m
/
I
1m
100%
0,50
182%
95,3%
75%
0,52
163%
94,7%
62%
0,54
154%
93,8%
27%
0,60
157%
92,7%
Rys. 2. Napięcie na lampie oraz prąd lampy przed zapłonem i po
zapłonie (symulacja); do chwili zapłonu prąd lampy jest prądem
podgrzewania
0,70
0,65
0,60
0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
P [W]
L
Lampa (pomiar)
Model zmienno -
rezystancyjny
(symulacja)
Model stało-
rezystancyjny
(symulacja)
Rys. 5. Współczynnik mocy układu wyznaczony z pomiarów oraz
uzyskany metodą symulacji przy wykorzystaniu stało- i
zmiennorezystancyjnego modelu lampy
Rys. 3. Napięcie na lampie (A) oraz prąd lampy (4) po zapłonie;
lampa fluorescencyjna o mocy 11 W (pomiar)
Wnioski
Wyniki badań pokazują konieczność stosowania właści-
wych modeli lampy fluorescencyjnej na etapie projekto-
wania stateczników elektronicznych, a w szczególności w
celu predykcji oddziaływania konstruowanego urządzenia
na sieć zasilającą. Model lampy w postaci rezystancji, której
wartość uzależniona jest wykładniczo od aktualnej mocy
lampy, pozwala z zadowalającą dokładnością
zaprojektować statecznik elektroniczny. Jednocześnie
przyjęty model umożliwia jakościową ocenę współczynnika
kształtu prądu zasilającego lampę, co stanowi wytyczną do
oceny czasu jej bezawaryjnej pracy.
10
2
8
1,8
6
1,6
4
1,4
2
1,2
0
1
Autorzy pragną podziękować p. Pawłowi Zielińskiemu za
wkład w konstrukcję układu badawczego.
2
4
6
8
10
12
14
P [W]
L
Rezystancja
zastępcza (po -
miar)
Rezystancja
zastępcza (a -
proksymacja)
Współczynnik
szczytu k
c
LITERATURA
[1] S t a r z a k Ł., B e k S., O l s z e w s k i A., Poprawa parametrów
energetycznych układów zasilania lamp fluorescencyjnych,
Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej
, 103 (2005), nr 962,
129–138
[2] S u n M., H e s t e r m a n B.L., PSpice high-frequency dynamic
fluorescent lamp model,
IEEE Transactions on Power
Electronics
, 13 (1998), nr 2, 261–272
[3] Moo C., Hsieh Y., Yen H., Lee C., Fluorescent lamp model
with power and temperature dependence for high-frequency
electronic ballasts,
IEEE Transactions on Industry Applications
,
39 (2003), nr 1, 121–127
[4] Onishi N., Shiomi T., Okuda A., Yamauchi T.,
A fluorescent lamp model for high frequency wide range
dimming electronic ballast simulation,
IEEE APEC ‛99, Dallas
,
1999, 1001–1004
Rys. 4. Rezystancja zastępcza lampy
R
L
i współczynnik szczytu
k
c
prądu lampy dla różnych wartości mocy lampy
P
L
Zbadano działanie układu dla przypadku zmniejszania
wartości pobieranej mocy (operacja ściemniania) poprzez
zmianę wartości skutecznej napięcia zasilania. Wybrane
wyniki przedstawiono w tabeli 1. Początkowo lampa
pracowała w warunkach znamionowych. Następnie
obniżono moc do poziomu 75%, 62% i 27% mocy
znamionowej. Obniżenie mocy powoduje zauważalny
wzrost współczynnika mocy
λ
i zmniejszenie odkształcenia
przebiegu prądu zasilania (współczynnik zniekształceń
harmonicznych
d
h
i
wyznaczany jako stosunek wypadkowej
wartości skutecznej harmonicznych prądu do wartości
skutecznej składowej podstawowej prądu).
Autorzy
: dr inż. Sławomir Bek, mgr inż. Łukasz Starzak,
Politechnika Łódzka, Katedra Mikroelektroniki i Technik
Informatycznych, al. Politechniki 11, bud. C3, 93-590 Łódź, E-mail:
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 9/2007
107
[ Pobierz całość w formacie PDF ]