Электротехнические характеристики ламп

Материал из Руководство по устройству электроустановок

Перейти к: навигация , поиск
Общие правила проектирования электроустановок
Подключение к распределительной сети высокого напряжения
Подключение к низковольтной распределительной сети
Руководство по выбору архитектуры сети высокого и низкого напряжения
Распределение в системах низкого напряжения
Защита от поражения электрическим током
Выбор сечения и защита проводников
Низковольтная распределительная аппаратура
Защита от перенапряжений в низковольтных сетях
Энергоэффективность в электрических сетях
Компенсация реактивной мощности и фильтрация гармоник
Управление гармониками
Особые источники питания и нагрузки
Электроустановки жилых помещений и коттеджей
Электромагнитная совместимость (ЭМС)

Содержание


Лампы накаливания с прямым электропитанием

В силу крайне высокой рабочей температуры нити (до 2500°С) ее сопротивление значительно зависит от того, включена лампа или нет. Поскольку сопротивление в холодном состоянии низкое, пик тока приходится на зажигание и может в 10-15 раз превышать номинальный ток в течение доли миллисекунды или даже нескольких миллисекунд.

Это ограничение сказывается на применении стандартных и галогенных ламп: оно налагает требование по снижению максимального числа ламп, которые могут питаться через такие устройства, как импульсное реле, модульные контакторы и реле сборных шин.


Галогенные лампы сверхнизкого напряжения (ELV)

  • Некоторые галогенные лампы низкой мощности работают при питании от сверхнизкого напряжения 12 или 24 В через трансформатор или электронный преобразователь. При питании через трансформатор явление намагничивания усиливается изменением сопротивления нити при включении. Ток при включении может в 50-75 раз превышать номинальный в течение нескольких миллисекунд. Использование светорегулятора (диммера), установленного перед лампой, позволяет значительно снизить это ограничение.
  • Электронные преобразователи представляют собой значительно более дорогостоящее решение в сравнении с трансформатором при одинаковой номинальной мощности. Такой экономический недостаток может компенсироваться за счет удобства монтажа, поскольку их низкое тепловыделение означает возможность крепления на огнеопасной опоре. Более того, они, как правило, имеют встроенную тепловую защиту.

В настоящее время поставляются галогенные лампы сверхнизкого напряжения с трансформатором, встроенным в их цоколь. Они могут получать питание непосредственно через низковольтную линию и могут заменять стандартные лампы без каких-либо специальных приспособлений.


Регулирование силы света ламп накаливания

Такое регулирование может осуществляться путем изменения напряжения, подаваемого на лампу.

Напряжение обычно изменяется специальным устройством, таким как диммер, путем изменения угла отпирания в период сетевого напряжения. Форма волны напряжения, подаваемого на лампу, показана на рис. N38а. Такой метод, известный как «управление отпиранием», может использоваться для питания цепей с активным сопротивлением или индуктивных цепей. Другой метод, пригодный для питания емкостных цепей, разработан с использованием электронных компонентов MOS и IGBT. При этом методе изменяется напряжение путем блокировки тока до завершения полупериода (см. рис. N38b). Этот метод известен как «управление запиранием».


Рис N38.jpg


Рис. N38 : Форма волны напряжения, подаваемого через электронный светорегулятор, при 50% максимального напряжения при использовании следующих методов:
a) управление отпиранием;
b) управление запиранием


Постепенное включение лампы может также снижать (или даже устранять) пик тока при зажигании.

Поскольку ток искажается электронным светорегулятором, генерируются гармонические токи. Преобладают гармоники третьего порядка. Процент токовых гармонических составляющих третьего порядка относительно максимального основного тока (при максимальной мощности) показан на рис. N39.

Следует отметить, что на практике мощность, подаваемая на лампу через электронный светорегулятор, может изменяться только в диапазоне 15-85% максимальной мощности лампы.


Рис N39.jpg



Рис. N39 : Процент токовых гармонических составляющих третьего порядка, как функция мощности, подаваемой на лампу накаливания через электронный светорегулятор


Согласно стандарту МЭК 61000-3-2, устанавливающему предельное содержание гармоник для электрических или электронных систем при токе ≤ 16 А, применяются следующие правила:

  • Автономные электронные светорегуляторы для ламп накаливания с номинальной мощностью не более 1 кВт не ограничиваются по содержанию гармоник.
  • Для других случаев и осветительного оборудования с использованием ламп накаливания со встроенным электронным светорегулятором, максимальный допустимый гармонический ток (гармоники третьего порядка) составляет 2,30 А.

Флуоресцентные лампы с магнитным балластным сопротивлением

Флуоресцентные трубки и газоразрядные лампы требуют ограничения интенсивности дуги. Такое ограничение выполняется дросселем (или магнитным балластным сопротивлением), включенным последовательно с лампой (см. рис. N40).


Рис N40.jpg



Рис. N40 : Балластный дроссель


Такая схема наиболее часто используется в жилых помещениях с ограниченным числом ламп, не накладывая особые ограничения на выключатели.

Электронные светорегуляторы не совместимы с магнитными балластными сопротивлениями: отсутствие напряжения прерывает разряд и приводит к полному выключению лампы.

Стартер выполняет двойную функцию: предварительный нагрев электродов трубки и последующее генерирование повышенного напряжения для зажигания трубки. Такое повышенное напряжение создается путем размыкания контакта (управляемого тепловым выключателем), что прерывает циркуляцию тока в магнитном балластном сопротивлении.

В течение работы стартера (≈ 1 с) ток, потребляемый светильником, приблизительно в два раза превышает номинальный ток.

Поскольку ток, потребляемый трубкой с балластным сопротивлением, является преимущественно индуктивным, коэффициент мощности низкий (в среднем 0,4-0,5). В системах, включающих большое количество ламп, необходимо обеспечивать компенсацию для повышения коэффициента мощности.

Для крупных осветительных электроустановок централизованная компенсация с помощью конденсаторов является возможным решением, но более часто такая компенсация осуществляется на уровне каждого светильника в рамках ряда различных схем (см. рис. N41).


Рис N41.jpg


Схема компенсации Применение Примечания
Без компенсации Жилые помещения Единственное подсоединение
Параллельная [a] Офисы, мастерские,универсамы Риск больших токов для устройств управления
Последовательная [b] Выбор конденсаторов с высоким рабочим напряжением (450-480 В)
Двойная последовательная [c] Подавление эффекта мерцания


Рис. N41 : Различные схемы компенсации: a] параллельная; b] последовательная; c] двойная последовательная компенсация


Параметры компенсационных конденсаторов выбираются для обеспечения общего коэффициента мощности не выше 0,85. В большинстве случаев параллельной компенсации их средняя емкость составляет 1 µФ для активной мощности 10 Вт для ламп любого типа. Однако, такая компенсация не совместима с электронными светорегуляторами.


Ограничения, влияющие на компенсацию

Схема параллельной компенсации налагает ограничения на зажигание лампы. Поскольку конденсатор изначально разряжен, включение приводит к повышенному потреблению тока. Кроме того, возникают перенапряжения из-за колебаний в цепи, включающей конденсатор и индуктивность.

Следующий пример может использоваться для определения порядка величин.

Рассмотрим блок из 50 флуоресцентных ламп на 36 Вт каждая:

  • общая активная мощность: 1800 Вт;
  • полная мощность: 2 кВА;
  • общий среднеквадратичный ток: 9 А;
  • пиковый ток: 13 А.

Конденсаторная батарея:

  • Общая емкость: С = 175 µФ.
  • Входная индуктивность (соответствующая току КЗ 5 кА): L = 150 µH.

Максимальный пиковый ток при включении:


Ic = V_{max} \sqrt {\frac{C}{L} }= 230 \sqrt{2}\ \sqrt {\frac{175 \times 10^{-6} }{150 \times 10^{-6} } }=350 A


Следовательно, теоретический пиковый ток при включении в 27 раз больше пикового тока при нормальном режиме работы.

Форма волны напряжения и тока при зажигании приводится на рис. N42 в предположении включения в момент максимума напряжения сетевого питания.

Следовательно, существует риск приваривания контактов в электромеханических устройствах управления (импульсное реле, контактор, выключатель) или выхода из строя полупроводниковых переключателей.


Рис N42.jpg



Рис. N42 : Напряжение питания и потребляемый ток при включении


На самом деле, ограничения обычно носят менее строгий характер, учитывая полное сопротивление кабелей.

Зажигание флуоресцентных трубок в группах накладывает одно дополнительное ограничение. При уже включенной группе трубок компенсационные конденсаторы, находящиеся в этих трубках под напряжением, участвуют в токе включения в момент зажигания второй группы трубок: они «усиливают» пик тока в выключателе в момент зажигания второй группы трубок.

Таблица на рис. N43, основанная на результатах измерений, указывает величину первого пика тока для различных значений ожидаемого тока КЗ Isc. Как видно из таблицы, пик тока может умножаться на 2 или 3 в зависимости от числа ламп, работающих на момент подключения последней группы ламп.

Число используемых ламп Число подключаемых ламп Пик тока включения (А)
Isc = 1500 A  Isc = 3000 A Isc = 6000 A
0 14 233 250 320
14 14 558 556 575
28 14 608 607 624
42 14 618 616 632


Рис. N43 : Величина пика тока выключателя на момент зажигания второй группы ламп


Рекомендуется последовательное зажигание каждой группы ламп для снижения пика тока в главном выключателе.

Магнитные балластные сопротивления последней разработки характеризуются низкими потерями. Магнитная цепь оптимизирована, но принцип работы остается прежним. Это новое поколение балластных сопротивлений находит широкое применение под влиянием новых норм (Европейская директива, Закон об энергетической политике США).


Флуоресцентные лампы с электронным балластным сопротивлением

Электронные балластные сопротивления используются в качестве замены магнитных балластных сопротивлений для питания флуоресцентных трубок (включая компактные флуоресцентные лампы) и газоразрядных ламп. Они также обеспечивают функцию стартера и не требуют каких-либо средств компенсации.

Принцип работы электронных балластных сопротивлений (см. рис. N44) заключается в питании дуги лампы через электронное устройство, которое генерирует напряжение переменного тока прямоугольной формы при частоте 20-60 кГц.


Рис N44.jpg


Рис. N44 : Электронный «балласт»


Подвод на дугу высокочастотного напряжения полностью устраняет явление мерцания и стробоскопические эффекты. Электронное балластное сопротивление работает бесшумно.

В течение периода предварительного нагрева газоразрядной лампы балластное сопротивление обеспечивает повышение напряжения на лампе, создавая тем самым неизменный по величине ток. В установившемся режиме оно регулирует напряжение, подаваемое на лампу, независимо от каких-либо колебаний сетевого напряжения.

Оптимальный режим напряжения дуги обеспечивает экономию электроэнергии (5-10%) и повышение срока службы лампы. Более того, КПД электронного балластного сопротивления может превышать 93%, тогда как средний КПД магнитных устройств – 85%.

Коэффициент мощности – высокий (> 0,9).

Электронное балластное сопротивление используется также для обеспечения функции регулирования силы света. Изменение частоты фактически изменяет величину тока в дуге и, следовательно, силу света.


Ток включения

Основное ограничение, накладываемое электронными балластными сопротивлениями на сетевое электропитание, заключается в высоком токе включения, связанным с начальной нагрузкой сглаживающих конденсаторов (см. рис. N45).

Технология Макс. ток включения Длительность
Выпрямитель с конденсатором компенсации реактивной мощности (PFC) 30 - 100 In ≤ 1 мс
Выпрямитель с дросселем 10 - 30 In ≤ 5 мс
Магнитный «балласт» ≤ 13 In 5 - 10 мс


Рис. N45 : Порядок величины максимальных значений тока включения в зависимости от используемой технологии


На самом деле, учитывая полное сопротивление кабелей, токи включения для блока ламп намного ниже, чем приведенные значения, порядка 5-10 In в течение менее 5 мс. В отличие от магнитных балластных сопротивлений, такой ток включения не сопровождается перенапряжением.


Гармонические токи

Для балластных сопротивлений, разрядных ламп высокой мощности ток, потребляемый из сети, имеет меньшее общее гармоническое искажение (< 20% в общем случае и < 10% для самых сложных устройств). И наоборот, устройства, связанные с лампами малой мощности, в частности, компактными флуоресцентными лампами, потребляют ток с высокой степенью искажения (см. рис. N46). Общее гармоническое искажение может достигать 150%. В таких условиях действующее значение тока, потребляемого из сети, в 1,8 раз превышает ток, соответствующий активной мощности лампы, что равнозначно коэффициенту мощности 0,55.


Рис N46.jpg


Рис. N46 : Форма волны тока, потребляемого компактной флуоресцентной лампой


Для равномерного распределения нагрузки между фазами, осветительные цепи обычно подключаются между каждой из фаз и нейтралью с обеспечением симметричности. В таких условиях высокий уровень третьей гармоники и гармоник, кратных 3, может приводить к перегрузке нейтрального проводника. В наименее благоприятной ситуации ток нейтрали может в  \sqrt 3 раза превышать ток в каждой фазе.

Предельные значения гармоник для электрических и электронных систем устанавливаются стандартом МЭК 61000-3-2. Для упрощения предельные значения для осветительного оборудования приводятся здесь только для гармоник третьего и пятого порядка, наиболее значимых в нашем случае (см. рис. N47).


Порядок гармоники Активная входная мощность
> 25 Вт
Активная входная мощность ≤ 25 Вт
применяется одно из 2 предельных значений
   % от основной (первой) гармоники тока  % от основной (первой) гармоники тока Гармонический ток относитель-но активной мощности
3 30 86 3,4 мА/Вт
5 10 61 1,9 мА/Вт


Рис. N47 : Максимальный допустимый гармонический ток

Токи утечки

Электронные балластные сопротивления обычно обеспечиваются конденсаторами, установленными между питающими проводниками и землей. Этим обусловлено наличие постоянно циркулирующего тока утечки порядка 0,5-1 мА на балластное сопротивление. Как следствие, это ограничивает число балластных сопротивлений, которые могут питаться через устройство дифференциальной защиты нулевой последовательности (УЗО).

При включении таких конденсаторов могут возникнуть пики тока, величина которых может достигать нескольких ампер в течение 10 мкс. Такой пиковый ток может приводить к ошибочному отключению устройств.


Высокочастотные помехи

Электронные балластные сопротивления являются источниками высокочастотных кондуктивных и электромагнитных помех.

Очень крутой фронт напряжения на выходе электронного балласта вызывает появление импульсов тока в паразитных емкостях на землю. В результате паразитные токи циркулируют в заземляющих и питающих проводниках. В силу высокой частоты таких токов возникает также электромагнитное излучение. Для ограничения таких высокочастотных помех лампа должна устанавливаться в непосредственной близости от балластного сопротивления для уменьшения длины наиболее интенсивно излучающих проводников.

Различные режимы электропитания

(см. рис. N48)

Технология Режим электропитания Другие устройства
Стандартная лампа накаливания Непосредственное электропитание Электронный светорегулятор (диммер)
Галогенная лампа накаливания
Галогенная лампа накаливания сверхнизкого напряжения Трансформатор Электронный преобразователь
Флуоресцентная трубка Магнитное балластное сопротивление и стартер Электронное балластное сопротивление Электронный светорегулятор (диммер) + балластное сопротивл.
Компактная флуоресцентная лампа Встроенное электронное балластное сопротивление  
Ртутная лампа Магнитное балластное сопротивление Электронное балластное сопротивление
Натриевая высокого давления
Натриевая низкого давления
С галоидными соединениями металлов


Рис. N48 : Различные режимы электропитания