荧光灯用辉光启动器标准要点解析

2012-08-08俞安琪

照明工程学报 2012年4期

李妹俞安琪

(国家电光源质量监督检验中心 (上海)、国家灯具质量监督检验中心上海时代之光照明电器检测有限公司，上海 201114)

1 引言

在我国，配电感镇流器的荧光灯工作回路中，基本都采用荧光灯用辉光启动器。尽管目前电子镇流器的广泛采用并且还有LED灯管的出现已经挤占了一定的份额，但是配电感镇流器的荧光灯具仍旧具有较大的市场份额，尤其在要求具有电磁兼容高抗扰度、低电磁辐射骚扰的工作场合仍旧具有一定的应用市场。在上述配电感镇流器的荧光灯工作回路中，荧光灯用辉光启动器质量的优劣直接关系到荧光灯的启动顺利与否以及荧光灯的使用寿命。目前荧光灯用辉光启动器采用的标准是GB20550—2006/IEC60155∶1993，但是，对该标准的理解和执行中尚存在较多的问题，本文就其中最主要的要点进行解析，供有关人员之用。

2 要点解析

2.1 电容型镇流器 (capacitive ballast)

在标准启动试验的8.3.3条中，要求功率大于22W的辉光启动器的测量都配用电容型镇流器，另外，在标准的10.3条和10.5条中，都提到了应采用电容型镇流器，但是，该标准中没有提到电容型镇流器串联电容器电容量的计算，更没有说明有关的测量原理。

(1)采用电容型镇流器的原委

电感镇流器和灯配合工作的线路功率因数均很低，一般线路功率因数λ约为0.3～0.5，因此有较大的无功电流，造成供电线路的压降增大及供电网络的电能损失。一般应进行无功功率补偿 (电容器补偿)，可单灯补偿，也可以多灯总补偿，还有一种补偿方法为感容互补方式 (见图1)，即在双灯管系统中，在某一灯回路中串联一只电容器使之阻抗呈容性，线路功率因数λ=0.50C左右 (以36/40W为例)，而另一灯回路中因未被补偿所以仍呈感性阻抗，线路功率因数λ=0.50左右，两者互补使双灯系统总功率因数上升，一般补偿好的话总线路功率因数λ≥0.90。双灯串联电容互补法的优点是:既省去了一个电容器，节约了成本，又由于被补偿灯的电流因电容C的移相作用使灯电流在过零时的暗区正好与未补偿灯错开近90°，从而避免了电感型荧光灯的频闪现像。但是，因为在回路中串联了电容器，当辉光启动器断开的瞬间，电感镇流器的自感电动势必须与串联电容电压的即时值以及电源电压的即时值叠加后才能加到灯管上，从理论上讲，因为电容端电压的抗突变性，对自感电动势的影响不大，但实际上，因为电容量的有限以及电感镇流器的自感电动势的脉冲宽度较大，所以电容器的串入将降低自感电动势脉冲的幅度及能量。为了保证在采用图1电路时，荧光灯依然能顺利地启动并且能抵御灯去激活时的较大负载，所以提出了对配合较大功率的辉光启动器，必须采用电容型镇流器进行有关的试验。

图1 感容互补方式

(2)串联补偿电容器电容量的计算

从图1可看出，在两个整灯中只对一个整灯进行串联补偿并使被补偿的灯经补偿后处于容性，与未补偿灯正好处于反相的状态，当两个灯一起使用时正好起到功率因数的互补作用，从而达到提高功率因数的目的。

补偿原理和计算方法如下:

镇流器阻抗简化以后的表达式为:

串入电容后的复合阻抗简化以后的表达式为:

从式 (2)可以看出，为了保证被补偿的灯在补偿电容C的串入后回路电流不变 (即阻抗不变)，则必须使补偿后回路满足XC=2XL，即回路中容抗XC等于2倍的镇流器感抗XL。

而镇流器阻抗可基本等效分解为:

根据容抗公式

把式 (3)、式 (4)和式 (6)合并有 XC=1/(2πFC)=2Z Sin，变形后可得串联电容器电容量计算公式为:

式中，Z——镇流器的实测阻抗值;

XL——镇流器之感抗值;

XC——电容的容抗值;

π——圆周率;

f——频率，我国国家电网是50Hz;

C——电容值。

以上两参数对配不同功率灯的镇流器均可通过查标准，测量或计算得出。

值得指出的是，一般的电感型镇流器工作电流往往小于标准值，即镇流器阻抗大于规定值。如果按照标准要求，所用的灯管寿命试验用镇流器工作电流偏差应小于2%，并应保持一致性，在用上述公式进行电容量计算时还应根据实际所用镇流器的实测阻抗参数进行计算。另外，所用电容器的容量误差应在计算值的±2%内。电容器的耐压值也应≥450V(交流)。否则当感容公差以最不利的情况出现时将使被补偿灯的实际工作电流和预热电流与额定值相差太大而缩短灯的使用寿命并且达不到试验的规定条件。

2.2 脉冲电压测量

在标准脉冲电压试验的8.7条中，要求按标准GB20550—2006中的图9和图3的电路进行试验。从图2(GB20550—2006标准中的图3)的电路可以看出，荧光灯被短接，其等效电路是两个阴极电阻。

图2 GB20550—2006标准中的图3启动器试验线路

辉光启动器产生启动电压的原理是:当荧光灯、电感镇流器、辉光启动器组成的点灯回路刚接通电源时，因为荧光灯尚未形成气体放电，此时启动器的内阻抗远大于电感镇流器，所以电源电压主要降落在启动器的两端，该电压大于启动器工作的阀门电压值，所以启动器内部两个电极间开始辉光放电。由于辉光放电的加热作用，使启动器内具有双金属片的电极因热膨胀系数不同而产生热变形，这种变形的积累使具有双金属片的电极碰到启动器的另一极从而形成短接，此时，启动器内的辉光放电消失，其内部的电极因为“热惯性”仍保持短接状态，为荧光灯两端的阴极提供预热电流的通路，所以启动器两极的热变形而短接的时间即为荧光灯的预热时间。由于启动器内两电极短接造成其内部辉光放电的停止，所以此时启动器内的两个电极得不到加热的补充，当其中双金属片的电极温度下降到一定程度时，双金属片电极因冷却还原变形而与另一极断开，此时电感镇流器因为预热电流的突然中断而产生瞬间的自感电动势，其数学表达式为:

式中，UB——电感镇流器自感电动势;

L——镇流器在实际工作状态的电感量;

d i/d t——启动器内两电极断开时流过镇流器的电流随时间的变化率。

这一瞬间自感电动势对图1的下半电路与电源电压的即时值叠加后施加在经预热的灯管上，电动势的方向与原电压的方向相同，因而形成一瞬间高压，加在灯管两端，使灯管中的气体放电，从而灯管成为电流通路，使日光灯正常发光，其数学表达式为:

式中，UL——灯管两端瞬时电压;

Ui——电源电压;

θ——启动器内两电极断开时的相位角。

从表达式 (9)可以看出，在辉光启动器两个电极跳开时，灯管两端的瞬时电压值与下述要素有关:

(1)此时的电源电压的相位值;

(2)在断电前瞬间流过镇流器的预热电流值;

图3 GB20550—2006标准中的图9脉冲电压测试线路

(3)辉光启动器两个电极断开的速率。

因为辉光启动器两个电极断开的时间与电网供电电压的相位无任何时间上的关联，且该电极断开时流过镇流器的电流以及启动器内两电极断开的速率也不会相同，所以从理论上讲施加在灯管两端的瞬时电压值可以是0V～1500V之间的任一峰值电压，但一般只有≥800V峰值的电压才可能点亮灯。因为这一脉冲幅值很大的离散性，如果采用示波器加高压探头直接测量该电压，很难准确测量出在单位时间段内有多少个脉冲电压是符合要求的，尤其是不能保证每次测量结果的重复性，因为这一特征，所以在标准中专门列出了按GB20550—2006标准中的图9电路进行测量 (见图3)。图3所示的电路是典型的能对正、反向脉冲进行积分测量的电路图，在IEC标准系统中，所有对高压脉冲的测量都采用这一电路，各标准只是根据所测脉冲电压的幅值和脉宽的不同，而对有关的积分电路中的各极之间的绝缘电阻，积分电容的电容量，整流二极管参数及放电电阻的数值上有所变化。图3中所列的测量电压表位置，首先推荐用静电高压表 (精度1级或以上)，也可以用内阻抗≥100MΩ的带高压探头的存储示波器，在正反两个位置测量，有争议时，应以静电高压表测量为准。