База знаний, Статьи 12825

Источники питания газосветных ламп

ЕВГЕНИЙ АВДОНИН

Для того чтобы уличная газосветная установка засияла яркими красками, необходимо обеспечить ее электропитание. Решить подобную задачу можно несколькими способами. Этой статьей мы начинаем цикл публикаций, посвященных источникам питания газосветных ламп.

Как и большинство других газоразрядных источников света, газосветная лампа (ГЛ) не может быть подключена напрямую к промышленной сети переменного тока. Это связано с особенностями нормального тлеющего разряда (ТР), имеющего место в ГЛ, а точнее - с особенностями вольт-амперной характеристики (ВАХ) ТР.

Вольт-амперная характеристика газового разряда

Для построения ВАХ используется схема. Здесь с помощью потенциометра R1, включенного делителем напряжения, можно изменять разность потенциалов, приложенную к электродам РТ EL1, а потенциометром R2 изменять ток, протекающий в цепи трубки. Измерение тока Iл и напряжения Uл производится соответственно амперметром РА1 и вольтметром PV1. Рассмотрим рис. 1, где показана зависимость напряжения на разрядной трубке (лампе) Uл от тока электрического разряда в газе. Для нас наиболее интересным является средний участок ВАХ от точки Uз - эта величина, соответствующая моменту зажигания ТР, носит название потенциала (напряжения) зажигания - до перехода ТР в дуговой.

Коротко рассмотрим основные процессы, происходящие в РТ. Если приложенное к ней напряжение Uл невелико, ток в трубке может возникнуть только под воздействием внешних ионизаторов. В качестве них могут выступать различные виды излучений, в частности свет. Под воздействием внешнего ионизатора в первоначально электрически нейтральном газе, наполняющем РТ, возникают свободные электроны, а атомы, потерявшие их под воздействием энергии квантов излучения, становятся положительными ионами Так возникают заряженные частицы, которые начинают двигаться под воздействием электрического поля электродов РТ; в трубке возникает ток. Величина его весьма невелика, но с увеличением Uл ток растет. Разряд, возникающий иод воздействием внешнего ионизатора, носит название несамостоятельного тихого (иначе темного, или таунсендовского разряда). Название "несамостоятельный" подчеркивает тот факт, что при устранении воздействия ионизатора он прекращается, поскольку разность потенциалов между электродами РТ еще недостаточна для возникновения в газе носителей заряда.

При некоторой величине Uл разряд переходит в новую форму - самостоятельный тихий разряд. Этот вид разряда уже "самоподдерживающийся" - заряженные частицы рождаются электрическим полем, то есть без воздействия bileiiiнего ионизатора. Однако энергия частиц еще невелика, поэтому разряд не светится, хотя ток в цепи течет. После достижения величины U_л=U_з картина резко меняется; в РТ вспыхивает довольно яркое свечение. Эта форма разряда носит название тлеющего, поскольку внешний вид его в некоторых газах (к примеру, в неоне) похож на слабое свечение тлеющих углей. Обратим внимание на то, что переход кривой ВАХ от тихого к тлеющему разряду происходит на протяженном падающем участке. Эта переходная кривая - падающая ВАХ - отличается интересными свойствами.

Динамическое сопротивление РТ на этом участке, определяемое как отношение приращения разности потенциалов (аргумента) к приращению тока (функции), имеет отрицательное значение (поскольку числитель этой дроби будет меньше нуля). Таким образом, на падающем участке ВАХ трубка работает в особом режиме - не потребляет энергию от источника питания, а отдает ее; такой режим разряда весьма неустойчив. Однако на практике за счет включения последовательно с РТ сопротивления R2 происходит следующее. В момент зажигания ТР к трубке прикладывается разность потенциалов U_л=U_з однако ток I_л ~ 0; сразу после зажигания разряда ток I резко возрастает, при этом на R2 напряжение ΔU_R2 падает, в результате чего U_л снижается до величины U_л=U_г. U_г называют напряжением горения ТР. Сопротивление, включенное последовательно с РТ, обеспечивает согласование электрических параметров РТ и источника питания, ограничивая ток РТ.

Что же произойдет при увеличении тока I_л? Рассматривая ВАХ, мы остановились на том моменте, когда в трубке возник ТР; в этом режиме при дальнейшем увеличении тока в течение некоторого времени U_л остается практически неизменным (на ВАХ этому соответствует горизонтальный участок). Однако, как известно, при ТР поверхность катода покрыта светящейся пленкой. Площадь участка катода, покрытого свечением, будет увеличиваться с ростом тока при неизменной величине U_л. Это обусловлено ограничением эмиссионной способности катода; плотность тока J не превышает единиц миллиампер на квадратный сантиметр (для неактивированного катода J=1-3 мА/см^²). ТР, характеризующийся этими свойствами, носит название нормального тлеющего разряда. Именно с нормальным ТР мы имеем дело в ГЛ. Характерной его особенностью является высокое катодное падение потенциала U_к (относительно быстрое снижение величины потенциала в прикатодной зоне).

Когда I_л возрастет настолько, что уже весь катод будет покрыт свечением, дальнейшее нарастание тока повлечет переход ТР в новую форму - аномальный ТР. При этом ВАХ становится возрастающей: увеличению I_л соответствует рост U_л , что обеспечивается в основном за счет увеличения U_к. Этот процесс вызывает все более интенсивное нагревание катода, и когда температура его становится достаточной для начала термоэлектронной эмиссии, U_л вновь резко падает, как и U_к, а разряд переходит в дуговой разряд. Ослепительно яркое свечение дуги используется во многих видах источников света, однако в данный момент нас интересует нормальный ТР.

Итак, мы убедились, что питать РТ напрямую от гальванической батареи или иного источника напряжения, характеризующегося практически неизменным выходным напряжением при изменении тока нагрузки в широких пределах, невозможно. Если подключить ГЛ к источнику питания, выходное напряжение которого равно или превышает Uз то вспыхнувший в лампе разряд мгновенно перейдет в дуговой. Поскольку конструктивные элементы ГЛ не рассчитаны на высокую температуру, свойственную дуговому разряду, лампа будет разрушена. Таким образом, последовательно с разрядной лампой необходимо включать некий элемент, способный согласовать ВАХ разряда с ВАХ источника питания. Этот элемент носит название пускорегулирующего аппарата (ПРА). Поскольку в рабочем режиме лампы на ПРА будет бесполезно рассеиваться некоторая мощность, обусловленная наличием падения напряжения на нем UПРА, то этот элемент иногда называют балластом, или балластным сопротивлением. Общая ВАХ комплекта "лампа - ПРА" будет иметь возрастающий характер.

Для согласования ВАХ разрядной лампы проще всего применить включенное последовательно с ней токоограничивающее сопротивление. Оно может быть как активным (резистор) - так и реактивным (дроссель или конденсатор), причем если два последних варианта применимы только для цепей переменного тока, то первый универсален. Такая схема включения применяется для ламп ТР без положительного столба (сигнальные лампы ТН, МН и аналогичные). Однако эти лампы работают при малых I_л (0.5-3 мА) и невысоких U_л (60-200 В). Для ламп дугового разряда, рабочие токи которых значительны (от 0.1 А и выше), в качестве ПРА используется дроссель либо цепочка "дроссель - конденсатор", включенные последовательно с лампой. ГЛ по величине номинального тока занимают промежуточное положение между теми и другими (30-80 мА для наиболее массовых ламп), однако отличаются как высоким значением U_к так и значительной протяженностью положительного столба. Поэтому напряжение промышленной сети 220/380 В является недостаточным для зажигания и горения ГЛ, используемых в газосветных установках (ГУ).

Возникает необходимость применения повышающего трансформатора с выходным напряжением не менее 0.7 кВ и не более 15 кВ, причем нижняя граница является чисто технологической и связана с необходимостью обеспечить зажигание ГЛ минимальной длины (в данном случае - около 0.3 м), а верхняя - с условиями безопасной эксплуатации газосветной установки (ГУ) и нормируется Правилами устройства электроустановок (ПУЭ, глава 6.4 "Световая реклама, знаки и иллюминация").

Использование в качестве ПРА обычного повышающего трансформатора, имеющего жесткую внешнюю ВАХ, при которой выходное напряжение практически не зависит от тока нагрузки, не решило бы проблемы согласования с падающей ВАХ ГЛ. Трансформаторы с жесткой ВАХ применяются, например, для прогрева ГЛ ионной бомбардировкой при вакуумной обработке, но при этом необходимо включение в цепь нагрузки токоограничивающего элемента. При ионной бомбардировке ток ограничивается регулятором тока в первичной обмотке трансформатора. Для питания же ГЛ в составе ГУ нужен простой и недорогой ПРА, обеспечивающий стабильность тока в цепи ГЛ, то есть источник тока. Однако напряжение горения ГЛ может сильно варьироваться - в зависимости от ее длины, диаметра, свойств электродов. Таким образом, ПРА для ГЛ должен "самонастраиваться" (в определенных пределах) на параметры нагрузки, то есть сочетать в себе свойства трансформатора и включенного последовательно с ним дросселя рассеяния. Эта задача решена в специальных газосветных трансформаторах (ГТ), имеющих падающую внешнюю ВАХ.

ГТ является наиболее массовым источником питания ГЛ, что обусловлено целым рядом положительных свойств, характерных для него. В их числе можно назвать относительную конструктивную простоту ГТ4, которая в значительной степени определяет его функциональную надежность, а также возможность подключения к ГТ различной нагрузки.

Электромагнитный трансформатор для неона

Исторически первым видом ПРА для ГЛ были электромагнитные ГТ (ЭмГТ), конструктивно выполненные в виде трансформаторов с повышенным магнитным рассеянием. До настоящего времени ЭмГТ остаются наиболее массовым видом ПРА для ГЛ. О причинах этого мы расскажем несколько позже. Сейчас же разберемся с понятием "повышенное магнитное рассеяние". Оно означает, что в конструкцию магнитопровода (сердечника) трансформатора введены элементы, рассеивающие часть магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой трансформатора, во внешнюю среду. Так искусственно образуется потеря энергии, передаваемой с первичной обмотки ГТ во вторичную, чем и обеспечивается падающая ВАХ.

Потери энергии в любом трансформаторе состоят из следующих компонент:

• потери на джоулево тепло (нагрев обмоток);
• потери на утечку линий электромагнитной индукции;
• потери на вихревые токи (токи Фуко);
• потери на работу перемагничивания сердечника, обусловленную гистерезисом.

Очевидно, что можно создать трансформатор, конструкция которого будет обеспечивать дополнительную утечку линий электромагнитной индукции, причем его свойства будут схожими со свойствами цепочки, состоящей из трансформатора и дросселя, включенного в цепь нагрузки вторичной обмотки.

Для этого используются следующие методы:

а) вторичная, а в отдельных случаях и первичная обмотки выполняются в виде двух или более отдельных катушек, что помимо прочего упрощает их намотку и изоляцию;
б) первичная и вторичная обмотки располагаются на магнитопроводе на некотором расстоянии друг от друга, а не на общем каркасе, который применяется в обычных трансформаторах напряжения;
в) в магнитопроводе между катушками первичной и вторичной обмотки устанавливается магнитный шунт, представляющий собой магнитопровод небольшого сечения. Часть магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой, ответвляется в шунт и теряется, затрачиваясь на перемагничивание и нагревание сердечника.

Возможен еще один способ увеличения магнитного рассеяния - создание в магнитопроводе трансформатора немагнитного зазора. Небольшой зазор обеспечивается за счет установки прокладки из немагнитного материала (пластмасса, картон), которая обеспечивает его неизменную величину. Такие трансформаторы обычно применяются в высокочастотных электронных ГТ.

Как видно, ГТ весьма схож по конструкции с трансформатором для ручной дуговой сварки (сварочным трансформатором): сходство основано на том, что сварочная дуга также имеет падающую ВАХ.

Падающая ВАХ ГТ обусловливает возможность длительной работы его в режиме короткого замыкания (КЗ) по вторичной обмотке и опасность режима холостого хода (XX). Это связано с тем" что в режиме КЗ напряжение на вторичной обмотке стремится к нулю, ток максимален, однако ограничен ввиду того, что большая часть магнитного потока ГТ замыкается в магнитном шунте. ГТ рассчитывается таким образом, что ток КЗ превышает номинальный ток нагрузки примерно в 1.2-1.3 раза и не перегружает ПРА. В технических характеристиках ГТ всегда указываются номинальный ток и ток КЗ либо кратность последнего по отношению к номинальному. Режим же XX для ГТ является аномальным и опасен из-за вероятности пробоя изоляции вторичной обмотки, поскольку при отсутствии тока нагрузки напряжение на ней максимально. Стоит оговориться, что изготовители ГТ во избежание выхода их из строя рекомендуют не допускать работы трансформаторов как в режиме XX, так и в режиме КЗ.

Несколько десятилетий назад некоторые зарубежные производители изготавливали ЭмГТ с регулируемым магнитным шунтом, что позволяло точно подстраивать ПРА под параметры нагрузки (ток и напряжение). В условиях эксплуатации такую операцию иногда приходилось выполнять и для трансформаторов ТГМ-1020 для "увеличения тока" (при этом часть пластин магнитного шунта удалялась).

Методика инженерного расчета ЭмГТ сходна с расчетом ПРА для других типов разрядных ламп. Значительный вклад в ее разработку внесли Р. Г. Извеков, М. И. Фугенфиров, A. M. Троицкий, А. Е. Красно-польский, М. Е. Клыков.

Конструктивные решения

Применяются две основные конструкции ЭмГТ: на броневом и на стержневом магнито-проводах. Каждая из них имеет преимущества и недостатки, которые в основном связаны с особенностями технологии изготовления ЭмГТ данного типа. Наиболее широко используется конструкция на броневом сердечнике" которая обеспечивает компактность ГТ, хорошо защищает обмотки от механических повреждений, а также выгодна с точки зрения экономии электротехнической стали. Броневые ГТ изготавливают Тес-noservice (Tecnolux Group), KA.R.T. (RA.R.T. SpA), Siet (Siet Company Inc.) - Италия и целый ряд других производителей. Такую же конструкцию имели отечественные трансформаторы ТГ-320, ТГ-620, ТГ-1020, выпускавшиеся Запорожским УПП УТОГ и Клинцовским УПП ВОС (на 3, 6 и 10 кВ соответственно с номинальным током 20 мА и током КЗ 26 мА).

Расшифровка обозначений: ТГ - трансформатор газосветный, ТГМ - ТО же, модернизированный. В аббревиатуре ТГ-320 первая одна или две цифры - напряжение холостого хода (кВ), последние две цифры - номинальный ток нагрузки (мА).

Отечественные ГТ прежних выпусков, иногда встречающиеся в старых ГУ, изготавливались в кожухе из стального листа с крышкой, крепившейся винтами или на защелках. В дальнейшем с целью повышения надежности изоляции обмоток, защиты их от влаги и снижения шума кожух ГТ стали заливать битумом, что однако отнюдь не улучшило их эксплуатационных свойств. Более того, битумная заливка не позволяла визуально контролировать состояние обмоток, и такой ГТ был "котом в мешке". Весьма часто внутри битумной заливки происходили пробои даже при исправной цени нагрузки" причем выявить их иногда удавалось только по характерному звуку искрового разряда либо по сильному разогреву ГТ - иных внешних проявлений неисправности не было вплоть до момента отказа трансформатора. В то же время практика показала, что многие ГТ старых выпусков безаварийно работают десятилетиями.

В 1980-е годы Запорожское УПП УТОГ перешло к производству трансформаторов ТГМ-1020 с витым стержневым магнитопроводом. Существенными преимуществами таких ГТ были высокая ремонтопригодность и возможность быстрой диагностики и замены неисправных обмоток. Эти ГТ производятся и в настоящее время, их предлагают некоторые поставщики комплектующих. При невысокой цене трансформаторы ТГМ обладают удовлетворительной надежностью и могут успешно применяться в наружных ГУ.

Однако сегодня наиболее распространены ГТ, герметизированные эпоксидными компаундами с добавлением различных наполнителей, повышающих механическую прочность (с литой изоляцией). Такая заливка, выполненная иод вакуумом, не только хорошо герметизирует обмотки трансформатора, обеспечивая их защиту от атмосферной влаги, но и повышает электрическую прочность изоляции, а также обеспечивает хороший отвод тепла от обмоток. В различных конструкциях ЭмГТ корпус может быть выполнен как в виде литого блока из компаунда с наполнителем (обычно мраморной крошкой) - F.A.R.T. Resinblock, Eurores Galileo (Tecnoser-vice), так и с внешним корпусом из металла (Siet Metalbox) или пластика (Siet Lexabox). Нужно заметить, что основная функция металлического корпуса - механическая защита ГТ и усиление защиты от атмосферных воздействий. Кожух несколько ухудшает теплообмен между ГТ и окружающей средой - цепь теплопроводящих элементов, отделяющих обмотки и сердечник от охлаждающей среды (воздуха), здесь удлиняется, поскольку к литому блоку из компаунда добавляется металлический кожух. Надо полагать, что основными критериями выбора конструкции ГТ являются технические традиции и технологические возможности изготовителя. К примеру, первоначально трансформаторы F.A.R.T. изготавливались в металлическом кожухе, а позднее конструкция была изменена, и от кожухов отказались.

В современных ГТ наиболее широко распространены клеммные соединения проводов с зажимом токоведущей жилы винтом со специальной шайбой. Надо сказать, что использование таких соединений как на стороне первичной обмотки, так и на стороне вторичной, то есть в высоковольтной цепи, зарекомендовало себя хорошо. Оригинальная конструкция высоковольтного ввода применена в ГТ типа ТГМ, однако это было обусловлено дефицитом полимерных изолирующих материалов, стойких к атмосферным воздействиям. Ряд производителей, изготавливающих ГТ в металлических корпусах, применяет высоковольтные вводы с использованием проходных изоляторов из керамики или полимеров. Серьезных эксплуатационных преимуществ таких вводов перед более простыми и компактными клеммными соединениями с изолирующими перегородками между контактами и уплотненными крышками не отмечается.

Достоинства и недостатки

ЭмГТ является источником акустического шума в широком диапазоне частот. Этот шум обусловлен перемагничиванием магнитопровода ГГ и связанной с этим вибрацией его пластин. Вибрация пластин создает шум низкого тона. Наличие полей рассеяния катушек может вызвать вибрацию металлического кожуха ГГ. Вибрацию могут усилить резонансные свойства самого кожуха. Несинусоидальность тока и напряжения лампы вызывает шум трансформатора с широким спектром 50-8000 Гц. Особенно нежелателен шум в интервале 80-1500 Гц, к которому ухо человека и мест повышенную чувствительность. Еще одной причиной шума, создаваемого ГТ, является магнитострикция (явлением магнитострикции называется изменение формы и объема ферромагнетика при его намагничивании. При этом если магнитное поле, действующее на ферромагнетик, меняется периодически, в нем возникают механические колебания, порождающие акустические колебания в окружающей среде) магнитопроводов ГТ. Современные герметизированные ГТ с лигой изоляцией имеют значительно более низкий уровень шума по сравнению со старыми конструкциями. Однако и они довольно сильно шумят, что ограничивает возможности монтажа их в помещениях с длительным пребыванием людей.

Следует отметить, что импортные ЭмГТ в основном рассчитаны на напряжение питания 230 В. Это является весьма важным фактором, ограничивающим нагрузочную способность ПРА, поскольку отечественный стандарт предусматривает напряжение сети 220 В, а в конце линий большой протяженности, питающих ГУ, напряжение часто падает до 210 В, иногда и ниже. Методике расчета нагрузки ГТ посвящено много публикаций, и здесь мы не будем останавливаться на этом вопросе.

Важной особенностью работы ГЛ является частичная деионизация плазмы разряда при снижении действующего значения напряжения питания ниже определенного предела. Поскольку ЭмГТ обеспечивают питание ГЛ переменным током промышленной частоты 50 Гц, то в течение периода сетевого напряжения продолжительностью 0.02 с дважды - в каждом из полупериодов - напряжение переходит через нулевое значение. При этом возникает пауза тока I_л. В начале следующего полупериода, когда напряжение U_л станет достаточным для зажигания в ней ТР (но несколько меньше U₃ - за счет того, что часть носителей заряда в ГЛ еще не рекомбин провала), происходит перезажигание разряда. Поэтому работа разрядной лампы на переменном токе сопровождается наличием в начале каждого полу периода пика перезажигания (рис. 10).

На нем изображена схема цепи "ГЛ - ГТ" и ее эквивалент (внизу), где ГТ условно представлен в виде источника ЭДС Gt с последовательно включенным дросселем Lt, а ГЛ - в виде последовательно включенных сопротивления Rл и емкости Gn. Таким образом, цепь LтRлGл представляет собой колебательный контур. Как было отмечено выше, ВАХ газового разряда на переходе к ТР имеет падающий участок, на котором динамическое сопротивление ГЛ отрицательно. Поэтому в момент зажигания ТР, когда рабочая точка контура ГЛ - ГТ оказывается на этом участке, в контуре возникает генерация, причем колебания имеют весьма широкий спектр из-за неустойчивости режима. При этом контур может входить в резонанс, сопровождающийся резким ростом U_л. Длительная работа в таком режиме отрицательно сказывается как на лампе - резко возрастает катодное распыление, возникает заметная пульсация светового потока, гак и на других элементах контура, в частности резко возрастает вероятность пробоя изоляции проводов или ГГ.

Очевидно, что при чрезмерном увеличении нагрузки ГТ возможно затягивание колебательного режима. Это можно наблюдать на практике, когда в течение срока службы ГЛ из-за их старения, обусловленного жестчением, U_г постоянно растет, причем наиболее быстро - в его начале (в идеальном случае тренировка ГЛ должна проводиться так, чтобы после ее завершения U_г стабилизировалось во времени) и конце. Когда при близком рассмотрении группы в одной из ГЛ становится заметной пульсация светового потока положительного столба, то с весьма высокой вероятностью можно сказать, что эта лампа выйдет из строя через 50-100 ч. Ту же картину можно наблюдать во всей группе, если включить в нее слишком много ламп: они будут гореть, однако чуть тусклее, нежели при нормальной нагрузке, что связано с уменьшением I_л. В то же время будут достаточно хорошо заметны пульсации светового потока с частотой питающего напряжения. Пульсации потока особенно заметны боковым зрением, что связано с особенностями зрительных рецепторов глаза.

Несмотря на целый ряд существенных недостатков - значительные габариты и масса, высокий расход активных материалов (проводниковой меди и дорогостоящей электротехнической стали), низкая экономичность, обусловлен ная малым коэффициентом мощности, - ЭмГТ продолжают оставаться наиболее массовым видом ПРА для ГЛ. Причин тому несколько. Во-первых, ЭмГТ обеспечивают надежное зажигание протяженных групп ГЛ в различных условиях - при высоких и низких температурах, при установке на металлоконструкциях и т. п., то есть эти ПРА универсальны. Во-вторых, пока еще электронные ПРА по надежности уступают электромагнитным. Поэтому, надо полагать, еще не один год ЭмГТ будут производиться и использоваться в ГУ Возможности совершенствования этих ПРА сильно ограниченны: это улучшение качества изоляции (за счет повышения диэлектрической и механической прочности, улучшения теплоотвода от обмоток), некоторое снижение массы и габаритов за счет применения высококачественной стали магнитопровода и рационального расчета его конфигурации.

В последние годы некоторые отечественные предприятия проявили интерес к производству ГТ. На рынке время от времени появляются небольшие опытные партии таких изделий, и, надо полагать, в скором времени мы сможем вновь воспользоваться отечественными трансформаторами...