Новые схемы термостойких, высоконадежных сетевых электронных балластов и регулируемых вторичных источников тока для газоразрядных и зарядно-накопительных устройств

Для питания от однофазной сети переменного тока относительно мощных (более 100 Вт) газоразрядных устройств (светильников наружного применения с лампами высокого давления, сварочных аппаратов, плазмотронов ионно-плазменных двигателей и систем зажигания, полупроводниковых светодиодных и лазерных устройств), а также для зарядно-накопительных устройств (аккумуляторных батарей и генераторов импульсных токов с емкостным накопителем для точечно-импульсной сварки, импульсных лазеров, антиобледенительных вибраторов и др.) вместо ранее применяемых нерегулируемых реакторных или трансреакторных ограничителей тока (электромагнитных балластов) все большее применение находят так называемые сетевые электронные балласты, относящиеся к более широкому классу регулируемых вторичных источников тока. Как правило, СЭБ или ВИТ представляют собой однонаправленный (необратимый) двухкаскадный выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) с входным импульсным корректором коэффициента мощности (ККМ) для обеспечения ЭМС, сохранения качества электроэнергии и снижения тепловых потерь в питающей сети, с промежуточным емкостным или индуктивно-емкостным накопителем для сглаживания низкочастотных пульсаций выпрямленного напряжения и выходным инвертором прямоугольного напряжения или тока высокой частоты (более 15–20 кГц), исключающим акустические воздействия и позволяющим снизить массу и габариты трансформаторов и дросселей.

Напряжения перезажигания газоразрядных промежутков существенно изменяются в процессе работы устройств в зависимости от давления, температуры и физико-химического состава газа, что часто приводит к прекращению перезажигания (например, погасанию старых газоразрядных ламп высокого давления при их разогреве на время их остывания, неустойчивости сварочной дуги, погасанию плазмотронов и т. п.). Существенно этому способствуют низкочастотные пульсации выпрямленного сетевого напряжения, способные также приводить к миганиям (мерцаниям) светодиодных и люминесцентных светильников, сложности стабилизации предразрядного напряжения емкостного накопителя в генераторах импульсных токов (ГИТ) и другим нежелательным явлениям. Указанные обстоятельства вынуждают устанавливать в известных схемах СЭБ и ВИТ в качестве промежуточных накопителей энергоемкие электролитические конденсаторы с низкими показателями надежности по термостойкости, безотказности, сроку службы и практической неработоспособностью при низких температурах окружающей среды.

В [1–3] авторами предложены и исследованы схемотехнические решения, обеспечивающие термостойкость и ЭМС СЭБ и ВИТ. Эти решения основаны на применении индуктивных (реакторных и трансреакторных) накопителей и сглаживающих фильтров (демодуляторов), позволяющих исключить энергоемкие емкостные накопители и фильтры с электролитическими конденсаторами. Однако в указанных работах недостаточно освещены некоторые проблемы, существенно затрудняющие реализацию термостойких электронных балластов, в частности следующие:

• обеспечение высокочастотно-транс­форматорной гальванической развязки и согласования напряжений входных и выходных цепей (с учетом защиты от насыщения трансформатора и от коммутационных перенапряжений на транзисторных ключах);
• обеспечение статической устойчивости замкнутой системы регулирования выходных параметров устройства и потокосцепления его индуктивного накопителя (реактора или трансреактора);
• обеспечение обратимости (двунаправленности) потока мгновенной электромагнитной мощности выходной цепи с учетом смешанного активно-реактивного характера нагрузки и наличия корректора потребляемой из сети мощности.

Первая проблема возникает из-за неустранимых индуктивностей рассеяния трансформатора, требующих установки снабберных конденсаторов для поглощения их энергии при размыкании тока и части энергии реактора при его подключении к первичной (через коммутатор) или вторичной (через выпрямитель) обмоткам трансформатора, а также в силу необходимости специального симметрирования разнополярных вольт-секундных параметров (интегралов) подводимого к трансформатору напряжения во избежание его насыщения и появления импульсных сверхтоков.

Вторая проблема общеизвестна и характерна для любых простейших (одноключевых) широтно-импульсных модуляторов с непрерывным потокосцеплением реактора: понижающего, повышающего (бустерного) и полярноинвертирующего (обратноходового). Она также связана с необходимостью симметрирования разнополярных вольт-секундных параметров (интегралов) питания реактора, которое достигается введением резистивного компенсатора, а чаще — динамическим регулированием с отрицательной обратной связью путем сравнения выходного параметра с эталонным. Можно попутно заметить, что при частотно-импульсном регулировании (с постоянной порцией энергии индуктивного дозатора) обеспечивается статическая устойчивость при всех допустимых уровнях среднециклических мощностей. Но при этом потокосцепление реактора (трансреактора) является прерывистым, что снижает КПД и не позволяет использовать его в качестве накопителя (демодулятора).

Третья проблема вызвана сложностью организации цепи для протекания реактивных токов нагрузки через питающую сеть, минуя накопительный реактор и входной ККМ. Обратного выпрямительного моста, обычно применяемого в инверторах напряжения, для этого оказывается недостаточно.

Для решения вышеуказанных проблем авторами предлагаются две новые взаимоальтернативные схемы термостойких и высоконадеж­ных СЭБ (ВИТ), представленные на рис. 1 и 2. Обе схемы содержат в своем составе: промежуточные выводы 1–2 постоянного напряжения, зашунтированные фильтровым конденсатором 3 (пленочным или керамическим); выходные выводы 4–5 для питания нагрузки высокочастотным прямоугольным переменным током (типа «меандр»); выходной трансформатор 6 с первичной обмоткой 7, имеющей средний вывод, и вторичной обмоткой 8; двухключевую модуляторную стойку 9–10 с обратными диодами (11, 12 на рис. 1 и встроенными на рис. 2), управляющую двухвентильную стойку (26–27 на рис. 1 и 13–14 на рис. 2);модуляторный ключ (13 на рис. 1 и 17 на рис. 2), реактор (17 на рис. 1 и 22 на рис. 2) с шунтирующими ключами (параллельная пара ключей 31–33 «косого» моста на рис. 1 и ключ 23 на рис. 2); снабберные конденсаторы (18, 28 и 35 на рис. 1 и 12 на рис. 2); выводы сетевого питания (21, 22 на рис. 1 и 25, 26 на рис. 2); входной выпрямитель 20 с предвключенным балластным дросселем 19; вспомогательные диоды (15, 16, 32, 34 на рис. 1 и 16, 24 на рис. 2) и датчики выходных токов и напряжений (23, 24, 25 на рис. 1). Помимо перечисленных элементов, вторая схема имеет модуляторный дроссель 18 в составе импульсного регулятора 15.

Рис. 1. Схема СЭБ (ВИТ) с тремя снабберными конденсаторами и семью п/п ключами

Первая схема (рис. 1) содержит три раздельных снабберных конденсатора 18, 28 и 35 и семь полупроводниковых ключей, а вторая (рис. 2) — один общий снабберный конденсатор 12 и шесть полупроводниковых ключей. Работа схем описана в приложении к статье на сайте: http://power-e.ru/files/pe_6_13_appendix_ballasts.rar.

Рис. 2. Схема СЭБ (ВИТ):
а) с общим снабберным конденсатором и шестью п/п ключами;
б) вариант входного выпрямителя по схеме удвоения фазного напряжения с заземлением нейтрально-нулевого сетевого вывода;
в) временные диаграммы сетевых тока и напряжения и выпрямленного напряжения

В той и другой схеме трансформатор 6 получает питание от инвертора тока через реактор и поэтому не требует специальных антинасыщающих симметрирующих устройств.

В обеих схемах используется так называемое «дуальное» управление по двум параметрам регулирования: g_и и g_п(относительным длительностям положительного импульса и нулевой паузы знакопеременного прямоугольно-импульсного напряжения, подводимого к выводам реактора и шунтируемого накоротко в нулевых паузах). Благодаря этому обеспечивается статическая устойчивость следящей системы регулирования в широких пределах возмущающих воздействий и отклонений регулируемых параметров: среднециклических значений выходного тока и потокосцепления реактора, выполняющего функцию сглаживающего накопительного фильтра и позволяющего исключить электролитические конденсаторы с низкими показателями термостойкости и надежности.

Сравнительный анализ предложенных схем показал их приблизительную равнозначность и самостоятельную значимость применительно к конкретным техническим заданиям. Однако во многих случаях предпочтение следует отдать второй схеме в связи со следующими ее относительными достоинствами:

• наличие канала непосредственного регулирования (коррекции или стабилизации) напряжения на общем снабберном конденсаторе, гарантирующее исключение коммутационных перенапряжений на транзисторах;
• простота использования схемы в качестве отдельного фазного модуля при питании от трехфазной сети с общим заземлением нагрузки и нейтрально-нулевого сетевого вывода (рис. 2б).

К общим достоинствам обеих схем СЭБ (ВИТ) относятся:

• наличие трансформаторной гальванической развязки и согласования напряжений питающей сети и нагрузки;
• наличие корректора коэффициента мощности (ККМ);
• исключение электролитических конденсаторов;
• способность регулирования и стабилизации тока нагрузки со стабилловольтной зоной в вольт-амперной характеристике;
• отсутствие устройств антинасыщающего симметрирования трансформатора;
• использование нерассеивающих ограни­чительно-демпфирующих цепей со снабберными конденсаторами, повышающих надежность и КПД;
• двунаправленность (обратимость) преобразования электроэнергии инверторного блока, позволяющая: а) подключать нагрузки смешанного активно-реактивного характера; б) добавлять к выходной обмотке трансформатора зеркально-дублирующий инверторный блок для синтеза обратимого трансформаторного импульсного конвертера (ОТИК) (рис. 3);
• способность работать в понижающем и повышающем режиме в широком диапазоне соотношений входного и выходного напряжений;
• статическая устойчивость следящей системы регулирования выходных параметров и потокосцепления (промежуточной энергии) реактора благодаря дуальному управлению (с помощью изменения величин относительных длительностей импульса и паузы g_и и g_п).

Рис. 3. Многофункциональные импульсные преобразователи с промежуточным звеном высокой частоты (СЭБ-ВИТ) на базе двух ОВИП с накопительным реактором и:
а) с одним снабберным конденсатором;
б) с тремя снабберными конденсаторами;
в) вариант (а) с ККМ по схеме Виенна-выпрямителя

К дополнительным индивидуальным достоинствам второй схемы относятся выше­упомянутые:

• гарантированное исключение коммутационных перенапряжений на транзисторах благодаря регулированию (стабилизации) напряжения на снабберном конденсаторе (повышенная надежность при минимизации внутренней реактивной мощности, а следовательно, улучшенных массогабаритных и энергетических характеристиках элементов);
• простота реализации трехфазного модульного исполнения, а также масштабируемой (параллельнонаращиваемой) модульной архитектуры.

На рис. 3 продемонстрированы возможности построения (на базе рассмотренных схем) многофункциональных импульсных преобразователей с промежуточным звеном высокой частоты. Такой преобразователь может выполнять функции обратимых выпрямителей, инверторов и конвертеров, а также преобразователей частоты, что придает ему универсальность.

Заключение

Авторами предложены и подробно рассмотрены две новые схемы термостойких, высоконадежных сетевых электронных балластов (СЭБ) и вторичных источников тока (ВИТ) для питания широкого класса газоразрядных, зарядно-накопительных, нагревательных и других устройств. Схемы также пригодны для использования в качестве однофазных и трехфазных выпрямительных устройств с промежуточным трансформаторным звеном высокой частоты и могут входить в состав обратимых трансформаторных импульсных конвертеров с широким диапазоном регулирования выходного напряжения. Схемы защищены приоритетом РФ.

Статья предназначена для широкого круга специалистов в области силовой электроники, а также разработчиков электроэнергетических комплексов и вторичных источников электропитания.