Конденсаторы для газоразрядных ламп
Электронные ПРА строятся по принципу инвертора частоты со звеном постоянного тока. Они включают входной фильтр импульсных помех и схему коррекции коэффицента мощности. Поэтому если вы используете ЭПРА (электронное ПРА) – конденсатор вам не нужен!
Внимание! Установка фазокомпенсирующего конденсатора без разрядного резистора может быть опасна для здоровья и жизни!
Статья написана для пытливых гроверов, стремящихся познать суть мироздания. Ленивым можно почитать про принцип действия дросселя буквально 10 строками ниже, затем перейти к принципу компенсации реактивной мощности (подчеркнуто) и напоследок – распространенные утверждения и заключение. Данные по практике применения конденсаторов и разрядных резисторов находятся в конце статьи.
Для принятия решения о необходимости установки фазокомпенсирующего конденсатора конкретно в Вашей системе освещения давайте для начала немного углубимся в теорию. Посмотрим из чего состоит электрическая цепь во время работы лампы. ИЗУ (Импульсное Зажигающее Устройство) участвует только в розжиге лампы и в рабочем режиме на физику процесса не влияет. На таймер, контактор и т.п. внимания обращать также не будем. Таким образом между фазой и нулем остаются:
1. соединительные провода
2. дроссель
3. горелка лампы, в которой в парах определенного состава горит дуга, давая свет.
С проводами все просто – это чисто активное сопротивление.
Дроссель – есть тот же провод, но намотанный на стальной сердечник. С ним все немного интереснее, чем с прямым проводом. При прохождении переменного тока через обмотку дросселя, в последнем создается электромагнитное поле, которое в том же самом дросселе индуцирует ЭДС, которая вызывает второй ток, препятствующий всякому изменению тока, его создавшего. Если проще – при возрастании тока дроссель всячески упирается и препятствует его возрастанию, а при спаде препятствует его спаду – как бы поддерживает. Поэтому говорят, что дроссель обладает волновым сопротивлением, которое зависит от его индуктивности и частоты колебаний напряжения. Реальный дроссель также обладает и активным сопротивлением, поскольку его обмотка выполнена из металла (чаще меди).
С горелкой сложнее. Если зависимость между током и напряжением в сопротивлении или дросселе легко описать соответственно линейным уравнением (U=I*R) и линейным дифференциальным уравнением (U=L*dI/dt), то в случае с горелкой придется обломаться. Сопротивление дуги в горелке величина непостоянная, нелинейная и зависит от температуры дуги, а ток – от напряжения в какой-то степени. Это значит, что если разжечь дугу в горелке лампы и подключить ее напрямую к сети, то за время нарастания напряжения ток через нее будет очень быстро возрастать. Большие значения тока быстро приведут к перегреву горелки и ее перегоранию. Нетрудно догадаться, что здесь-то нам и пригодится нежелание дросселя просто так мириться с протекающим через него током. Достаточно включить его последовательно с горелкой и он придушит ток до нормальных значений.
Теперь о сабже.
Дроссель ограничивает броски тока, но из-за своего упорства сдержать его изменение кагбэ оттягивает его назад по отношению к напряжению. Ток начинает отставать от напряжения, которое задается сетью и никого не ждет. Графики изменения напряжения, тока и мощности показаны ниже:
Как известно Полная мощность S есть произведение полного тока I на напряжение U (S=U*I) Взгляните на картинку. Легко найти области на графике, в которых напряжение и ток имеют один и тот же знак. В этих областях формула S=U*I дает положительные значения. В них происходит преобразование электроэнергии в свет, излучаемый горелкой, нагрев дросселя и проводов, а также накопление энергии в магнитном поле дросселя. В областях, где напряжение уже перевалило в отрицательную область, а ток еще не успел, S отрицательное. В них происходит возврат мощности, запасенной полем катушки, в сеть. Эту мощность и называют реактивной. Она расходуется на электромагнитные процессы и не производит полезной работы (свет, тепло, движение). Реактивный ток дополнительно нагружает сеть и генераторы. Если проще – этот ток занимает место в проводах, которое могло бы быть занято активным током, производящим полезную нам работу. Доля реактивной мощности от полной зависит от угла сдвига тока относительно напряжения – фи и может быть найдена из соотношения Q=S*sin(фи). Активную мощность можно найти из полной по соотношению P=S*cos(фи). Вредность реактива можно пояснить на примере:
Допустим на электростанции установлен генератор однофазного переменного тока мощностью 240 кВА напряжением 1200 В. Ток, который может быть отдан в сеть составляет I=S/U?=240000/1200=200 А. Присоединим к этому генератору чисто активную нагрузку – электрорадиатор например. Реактивных сопротивлений в цепи нет, поэтому угол сдвига между током и напряжением равен 0, Соответственно cos(0)=1 и активная мощность будет равняться P=S*cos(фи)=240*1=240 кВт. Присоединим теперь такую нагрузку, у которой cos(фи) равен 0,8. Тогда активная мощность будет составлять только 192 кВт, хотя по обмоткам генератора будет проходить тот же ток в 200А который нельзя превышать из-за опасности перегрева обмоток. При cos(фи) равном 0,5 активная мощность будет составлять только 120 кВт, но током генератор будет загружен на полную.
Лишить цепь с индуктивностью реактивной составляющей тока невозможно. Однако возможно разгрузить от реактивной составляющей сеть. Так как же это сделать? Да очень просто. Нужно реактивную мощность, запасенную в магнитном поле дросселя отдать не в сеть, а на время запасти в электрическом поле конденсатора. Затем энергия электрического поля конденсатора опять будет запасена в магнитном поле дросселя и т.д.
Попробуем сделать кое-какие вычисления и определить Емкость конденсатора на примере лампы 250Вт. Из паспортных данных дросселя имеем полный ток осветительной установки I=3А. Коэффицент мощности (он же cos(фи)) = 0,42. Номинальная (полезная) мощность – 250Вт. Потери в дросселе – около 30Вт. Цепь без компенсации и векторная диаграмма токов и напряжений показана на верхней паре рисунков: 
Здесь излучение горелки, а также потери на нагрев лампы и дросселя обозначены эквивалентным сопротивлением R, а волновое сопротивление дросселя – сопротивлением X L. Построение векторной диаграммы начинается с построения вектора напряжения U. Для удобства он построен вертикально. Вектор полного тока I строим длиной 3А(как по паспорту) и под паспортным углом к напряжению arccos(0,42)=65,2o. Здесь легко определить активную составляющую Тока как I A =I*cos(фи)=3*0,42=1,26А откуда активная потребляемая мощность P=U*I A =220*1,26=277,2 Вт. Реактивный ток определяется как I Р =I*sin(фи)=3*0,9=2,7А, откуда реактивная мощность, курсирующая из сети в дроссель и назад и не производящая полезной работы Q=U*I P =220*2,7=594 ВАр. Попробуем полностью избавиться от реактивной составляющей I P (не пустить ее в сеть). Как известно в цепи с емкостью ток опережает напряжение на 90o. Построим вектор тока, протекающего через емкость – I C, равный по модулю I P и опережающий вектор напряжения на 90o. Геометрическая сумма векторов I C и I P даст 0 и полный ток I будет равняться активной составляющей I A =1,26А. Емкость конденсатора можно определить из формулы I C =U/X? C, откуда X C =U/I? C =220/2,7=81,5 Ом. Как известно волновое сопротивление конденсатора X C=1/wC, где w=314 – частота сети, переведенная из Герцев в радианы в секунду. Таким образом С=1/wX C =1/(314*81,5)=39 мкФ. При такой емкости конденсатора угол фи=0 cos(фи)=1, Полный потребляемый из сети ток полностью лишен реактивной составляющей (чисто активный) и равен 1,26А.
Однако по экономическим соображениям невыгодно доводить угол фи до нуля. Практически целесообразно иметь cos(фи)=0,9–0,95.
Попробуем определить полный ток, потребляемый из сети при рекомендуемой для лампы 250Вт емкости конденсатора 32 мкФ (см. нижнюю пару рисунков). Активными потерями в конденсаторе пренебрежем. X C =1/wC=1/(314*0,000032)=99,5 Ом. Ток, протекающий через емкость I C =U/X? C=220/99,5=2,21 A. Поскольку мы пренебрегли активными потерями в конденсаторе, суммарное активное сопротивление цепи останется прежним, а значит останется прежней и активная составляющая полного тока I A =1,26А. Реактивная составляющая I PK определяется как геометрическая сумма векторов I C и I Р. Поскольку они направлены в противоположные стороны, то модуль I PK =I Р – I C =2,7–2,21=0,49. Полный ток, потребляемый из сети I K находим по теореме Пифагора I K =sqrt(1,262+0,492)=1,35 А. Суммарный cos(фи)=I A /I K =1,26/1,35=0,93 – самое оно.
На основании вышеописанных расчетов подтвердим или опровергнем некоторые утверждения, муссирующиеся на ОЛКе:
КПД электромагнитного ПРА изначально в пределах 50% – половина потребляемой энергии расходуется на нагрев дросселя и проводов. Установка конденсатора позволяет повысить кпд почти в 2 раза
Как известно кпд есть отношение полезной мощности к мощности, потребленной из сети – n=P полезная /P потр .
P полезная = 250Вт.
P потр есть активная составляющая потребляемой мощности (выше считали) P=U*I A =220*1,26=277,2 Вт плюс потери в проводах, которые можно найти из соотношения P проводов =I2*R проводов. Примем R проводов =3 Ом.
Цепь без компенсации P полезная =250 Вт. P потр =277,2+3*3*3=304,2 Вт. Откуда n=250/304,2=0,822
Цепь с компенсацией P полезная =250 Вт. P потр =277,2+1,35*1,35*3=282,7 Вт. Откуда n=250/282,7=0,884
кпд увеличится всего в 1,07 раза (на 7%)
Утверждение не верно.
Коэффицент мощности (cos(фи)) электромагнитного ПРА изначально в пределах 50%. Установка конденсатора позволяет значительно повысить коэффицент мощности (cos(фи)), что позволяет снизить полный ток в сети более чем в 2 раза
Как видно из вышеприведенных расчетов в нескомпенсированной цепи Коэффицент мощности (cos(фи))=0,42 полный ток I=3 A.
в компенсированной цепи Коэффицент мощности (cos(фи))=0,93 полный ток I=1,35 A.
Полный ток в цепи с конденсатором снизится в 2,2 раза. Cos(фи) возрастет с 0,42 до 0,93.
Утверждение верно.
Из двух утверждений выше очевидно –
Конденсатор значительно сокращает потребляемую мощность и сокращает расходы на электроэнергию
Бытовые счетчики считают только активную электроэнергию. Установлены они на вводе в квартиру. Проводка до розеток обычно выполняется 3 жильным медным кабелем сечением 2.5 мм2. Длина провода от счетчика до розетки обычно не превышает 40м. из паспортных данных этого провода определяем его сопротивление 0,72 Ом. Количество часов работы света за цикл – 31*18+61*12=1290. Активная энергия, потребляемая нескомпенсированной осветительной установкой определяется как P=277,2 (считали выше) помноженное на время работы плюс потери на сопротивлении проводов помноженные на время работы то есть W=277,2*1290+3*3*0,72*1290=357588+8359,2=366 кВтч. В пересчете на кровные деревянные по одноставочному тарифу в домах с электроплитками сумма счета за свет будет составлять 366*1,3= 475 рублей 80 копеек.
В скомпенсированной цепи ток через лампу останется прежним, снизится только полный ток сети (с 3 до 1,35 А) и добавятся потери на конденсаторе (пусть будет около 2 Вт). Подставляя новые значение получим W=277,2*1290+1,35*1,35*0,72*1290+2*1290=362 кВтч или 470 рублей 60 копеек.
Как видно разница в оплате за цикл на лампе 250 Вт составит всего 5 рублей 20 копеек.
Утверждение не верно.
Конденсатор значительно снижает полный ток в горелке лампы, что увеличивает ее срок службы
Конденсатор включается параллельно цепи дроссель-лампа и поэтому никак не влияет на ток этой цепи. Снижается только суммарный ток на общем участке т.е. в сети, ток в цепи дроссель-лампа не меняется.
Утверждение не верно.
Фазокомпенсирующий конденсатор является источником сильного превышения тока и напряжения при включении лампы, что приводит к быстрому выходу из строя контактов реле таймера и сбоям в его программе
По законам физики напряжение на конденсаторе не может изменяться мгновенно. При включении цепи с конденсатором напряжение на его обкладках будет возрастать плавно.
По законам физики ток через конденсатор может быть определен как I=CdU/dt?. В худшем случае при С=32мкФ, dU=220В и dt=0,001 сек ток будет составлять 7,04 А. Таким образом конденсатор является источником повышенного тока, но ток этот будет повышен очень непродолжительное время. Наложение этого тока на ток в цепи дроссель-горелка рассматривать не будем. Известно, что контактор спасет ваш таймер от поломок
