Ультрафиолетовые лампы низкого и среднего давления и светодиоды являются хорошо известными и широко используемыми источниками ультрафиолетового излучения для дезинфекции воздуха, поверхностей, воды и других жидкостей. Повышение эффективности УФ-ламп достигло физических пределов, а УФ-светодиодам еще предстоит пройти долгий путь. К сожалению, общей эффективности систем энергоснабжения для источников УФ-излучения в большинстве случаев не уделяется должного внимания, и краткосрочные затраты на первоначальные вложения преобладают над общей стоимостью владения. Большинство пускорегулирующих аппаратов / драйверов ламп действуют как нелинейные нагрузки на электрические сети, формируя искаженную форму волны, содержащую гармоники, что приводит к проблемам с электромагнитной совместимостью (ЭМС), включая проблемы с качеством электроэнергии. Когда электронные драйверы ламп потребляют энергию в импульсном режиме, это приводит к более низкому коэффициенту мощности.

Помните, что обычная электросеть была рассчитана на линейные нагрузки. Повторяющиеся пиковые токи на входе сети будут содержать гармоники, а сумма всех гармоник известна как полное гармоническое искажение (THD) тока и напряжения сети, в зависимости от импеданса линии питания. Последствиями более низкого коэффициента мощности и гармонических искажений тока и напряжения являются повышенные потери в трансформаторах, линиях электропередач, а также перегрев и ухудшение характеристик проводников и изоляционного материала. Наконец, это может сократить срок службы компонентов. Другой проблемой качества электроэнергии для УФ-систем могут быть скачки напряжения в сети, переходные пиковые напряжения (несколько киловольт) на входе балласта / драйвера лампы.

При недостаточном подавлении перенапряжения в балласте эти переходные процессы могут привести к повреждению драйвера и достичь лампы, что может привести к преждевременному выходу лампы из строя. Влияние коэффициента мощности и THD электронных драйверов ламп было исследовано путем тестирования четырех топологий, доступных на рынке. Было проведено сравнение общей эффективности и качества электроэнергии, затрат и воздействия выбросов CO 2 . Коэффициент мощности и гармоники Отношение реальной мощности к кажущейся определяет коэффициент мощности в системе электроснабжения переменного тока и вызвано тем, что напряжение и ток не совпадают по фазе. Более низкий коэффициент мощности (оптимальный = 1) вызывает более высокие токи в электросети и вызывает дополнительные потери в меди (I 2 * R).

Кроме того, искажение входного напряжения и тока, вызванное таким устройством, как электронный драйвер лампы / балласт, приведет к дополнительным гармоническим токам. В этом случае потери в меди (I 2* R) будет увеличиваться из-за более высоких токов (I) и из-за скин-эффекта, когда токи более высокой частоты протекают в основном во внешнем слое проводника, вызывая увеличение сопротивления (R). Кроме того, вихревые токи добавят некоторые дополнительные потери, поскольку паразитные электромагнитные поля индуцируют циркулирующие токи в проводах и обмотках трансформаторов. Увеличение общего тока (I rms ) из-за гармоник можно рассчитать, умножив базовый ток I 1 (при частоте сети 50 Гц или 60 Гц) на коэффициент, определяемый THD (i).       I среднеквадратичное значение = I 1 * √ (1+ THD 2 ) Это показано на следующем графике: увеличенный общий ток Рисунок 1.

Коэффициент увеличения общего тока (Irms) из-за гармоник Устройства, которые вызывают серьезные уровни THD (i) в 60%, покажут увеличение общего тока на 16%, что приведет к дополнительным потерям мощности на 36%. Это без учета дополнительных потерь из-за скин-эффекта (таблица 1). ударно-высоковольтный Таблица 1. Обзор влияния высоких искажений напряжения / тока в сети (THD) карта передачи энергии Рисунок 2. Передача электроэнергии и распределение потерь (% от выработки) В поисках более надежных и более энергоэффективных систем также важно исследовать потери в электрических сетях, нагрев силовых кабелей и трансформаторов.

Сведение к минимуму этих потерь снизит общие затраты и уменьшит выброс CO 2 . В среднем потери в линиях электропередач составляют около 8%, но сильно зависят от страны (Рисунок 2). Тестовые драйверы электронных ламп Испытательная установка Рисунок 3. Схема испытаний Чтобы исследовать характеристики качества электроэнергии, были оценены четыре топологии, доступные на рынке. Поскольку существует широкий диапазон применимых уровней мощности и типов ламп, были протестированы четыре драйвера для ламп среднего давления, и результаты были нормализованы до уровня мощности 100%.

Все блоки были испытаны с лампами в испытательной камере с воздушным охлаждением и при температуре окружающей среды 21 ° C. На рисунке 3 показана используемая установка. Помимо драйверов Nedap («D»), были протестированы еще три топологии: два европейских дизайна («A1 + A2» и «B») и один азиатский дизайн («C»). Дизайн B представлен на рынке несколькими брендами. Эффективность водитель-электрический КПД Рисунок 4.

Измеренная эффективность драйверов ламп. Эффективность драйвера измерялась анализатором мощности Yokogawa PZ4000 при минимальном, номинальном и максимальном указанном входном напряжении и при 100% мощности (Рисунок 4). Следует отметить, что в некоторых случаях (A + B) дополнительная мощность охлаждающих вентиляторов не включается. В случаях C и D включается питание охлаждающих вентиляторов драйверов. При использовании современных компонентов и конструкций общий КПД должен быть> 95%.

Фактор силы фактор силы Рисунок 5. Измеренный коэффициент мощности (PF) драйверов лампы. Опять же, при трех настройках входного напряжения был измерен коэффициент мощности (рисунок 5). Как указано, цель здесь должна быть близка к PF = 1. В нескольких случаях был замечен хороший коэффициент мощности значительно выше 0,98.

В одном случае (B) очень низкий коэффициент мощности (<0,65) был измерен при 100% выходной мощности и максимальном входном напряжении. Конструкции A + B показали нестабильность в зависимости от полного сопротивления линии электропередачи. В этих случаях необходимо уделять особое внимание дополнительным сетевым фильтрам, чтобы защитить драйвер от перенапряжения, функциональной нестабильности и улучшить уровни электромагнитной совместимости, создаваемые драйвером. Дизайн A также показал слабое место на входной линии под напряжением. Выходная мощность драйвера в этих случаях не уменьшалась, в результате чего входной ток достигал номинала входного предохранителя.

Это может привести к перегреву компонентов и / или нежелательным сбоям в работе. Во время подачи питания на конструкцию C был измерен пик тока 185 А при Vin = 460 В. Номинальное значение входного тока при 100% выходной мощности составляет около 34 А.    Общее гармоническое искажение лампа гармонического искажения Рисунок 6. Измеренные общие гармонические искажения драйверов ламп.

Наконец, были определены значения THD (i) (Рисунок 6). Цель здесь - ниже 10%. И Nedap, и дизайн A1 демонстрируют здесь отличные характеристики. Вариант B показывает очень высокий уровень даже при номинальном входном напряжении THD (i) = 61% и приводит к увеличению потерь мощности в электросети на 37%. Эффект кожи Наблюдается тенденция к увеличению мощности ультрафиолетовых ламп низкого давления, где токи могут достигать почти 10 А на частотах до 60 кГц, поэтому при проектировании кабелей лампы необходимо учитывать скин-эффект, особенно в некоторых приложениях, где требуются большие расстояния (> 50 м).

лампы Рис. 7. Лампы, которые преждевременно вышли из строя из-за слишком холодных нитей. Разъемы и клеммы также нуждаются в этом внимании. На Рисунке 7 показаны вышедшие из строя лампы после 300 часов работы с 60-70 циклами включения / выключения.

Этот преждевременный выход лампы из строя был вызван неправильными наконечниками и обжимным инструментом, которые создавали чрезмерное дополнительное сопротивление. Это привело к слишком низким температурам накала и чрезмерному износу электродов. Заключение Энергия источников УФ-излучения может быть более энергоэффективной. Это позволит сократить расходы на протяжении всего срока службы продукта, уменьшить выброс CO 2 и повысить надежность. Первоначальные недорогие системы с ограниченными функциями, касающимися коэффициента мощности, THD, ЭМС и эффективности, приведут к более высоким эксплуатационным расходам в течение всего срока службы систем.

Анализ совокупной стоимости владения поможет принять правильное решение в отношении электронных драйверов ламп.