Modelowanie kompaktowych lamp fluorescencyjnych.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)

⋅

exp P

( )

⋅

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]

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.

1,8

1,6

1,4

1,2

Autorzy pragną podziękować p. Pawłowi Zielińskiemu za

wkład w konstrukcję układu badawczego.

P [W]

Rezystancja

zastępcza (po -

miar)

Rezystancja

zastępcza (a -

proksymacja)

Współczynnik

szczytu k

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:

starzak@dmcs.p.lodz.pl .

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 9/2007

107

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: