DE19708187A1

DE19708187A1 - Anordnung und Verfahren zur Ansteuerung von Lampenschaltungen

Info

Publication number: DE19708187A1
Application number: DE1997108187
Authority: DE
Inventors: Johann Neiszer; Andreas Brazel
Original assignee: UWE Unterwasser Electric GmbH and Co KG
Current assignee: UWE Unterwasser Electric GmbH and Co KG
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 1998-09-03

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Ansteuerung von an den Ausgang einer Wechselstrom quelle angeschlossenen, aus mindestens einem induktiven oder kapazitiven Vorschaltgerät und einer als Leucht stofflampe oder Hochdrucklampe ausgebildeten Entladungs lampe bestehenden Lampenschaltungen.

Lampenschaltungen dieser Art werden im sichtbaren Be reich zu Beleuchtungszwecken und im UV-Bereich zu Be strahlungs- und Bräunungszwecken eingesetzt. Das Vor schaltgerät weist eine an die betreffende Lampenart und an die Wechselstromquelle angepaßte Drosselspule oder Kapazität auf, die in Verbindung mit einem Starter zur Erzeugung der Zündspannung sowie zur Strombegrenzung der Lampenschaltung benötigt wird. Wegen des Blindwi derstandes des Vorschaltgeräts tritt beim Betrieb von Leuchtstoff- und Hochdrucklampen eine Phasenverschie bung auf. Die Lampen können auch in ihrer Helligkeit gesteuert werden. Dazu werden bisher überwiegend elek tronische Vorschaltgeräte benutzt. Vorschaltgeräte die ser Art benötigen einen erheblichen Schaltungsaufwand.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur Ansteue rung von Lampenschaltungen zu entwickeln, womit bei re lativ geringem baulichen Aufwand eine Leistungssteue rung ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Ansprüchen 1 und 20 angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschla gen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprü chen.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Erkenntnis zu grunde, daß die in Betracht gezogenen Entladungslampen einen von der Entladung abhängigen Widerstand und die Vorschaltgeräte eine frequenzabhängige Impedanz aufwei sen, die mit der Wechselstromfrequenz ansteigt oder ab nimmt. Andererseits ist der Lampenstrom bei gegebener Wechselspannung umgekehrt proportional zur Gesamtimpe danz der Lampenschaltung. Dementsprechend wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Ausgangsfrequenz der Wechselstromquelle nach Maßgabe einer einzustellen den Lampenleistung veränderbar ist, wobei mit der "Lam penleistung" sowohl die elektrische Leistungsaufnahme als auch die abgegebene Strahlungsleistung gemeint ist.

Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsvarian te wird bei konstanter Ausgangsspannung der Wechsel stromquelle die Ausgangsfrequenz nach Maßgabe der Ab weichung der einzustellenden Lampenleistung von einer Nennleistung verändert, wobei die Ausgangsfrequenz zur Einstellung einer gegenüber der Nennleistung reduzier ten Lampenleistung im Falle des induktiven Vorschaltge räts erhöht und im Falle des kapazitiven Vorschaltge räts erniedrigt wird. Mit dieser Maßnahme ist es mög lich, die Helligkeit der Entladungslampe durch Frequenz veränderung zu dimmen. Bei der Auslegung der Lampen schaltung wird zur Einstellung der Nennleistung bei ei nem induktiven Vorschaltgerät zweckmäßig von einer Startfrequenz von 50 bis 150 Hz ausgegangen, während die größte Ausgangsfrequenz zur Einstellung einer defi nierten Mindestleistung bei etwa 170 bis 600 Hz gewählt wird. Bei einem kapazitiven Vorschaltgerät wird zur Einstellung der Netzfrequenz zweckmäßig von einer Start frequenz von 150 bis 600 Hz ausgegangen, während die Endfrequenz zur Einstellung einer definierten Mindest leistung bei etwa 50 bis 150 Hz gewählt wird. Während bei den niedrigen Wechselstromfrequenzen von 50 bis 70 Hz die Entladungslampe flimmert, verschwindet das Flim mern bei höheren Betriebsfrequenzen oberhalb 70 Hz.

Eine weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit der er findungsgemäßen Maßnahmen besteht darin, daß die Aus gangsfrequenz nach Maßgabe der Abweichung der Ausgangs spannung der Wechselstromquelle von einer Nennspannung unter Einstellung einer konstanten Lampenleistung ver änderbar ist. Vorteilhafterweise wird die Ausgangsfre quenz zur Einstellung einer konstanten Lampenleistung bei gegenüber der Nennspannung abnehmender Ausgangsspan nung im Falle des induktiven Vorschaltgeräts verkleinert und beim kapazitiven Vorschaltgerät erhöht. Auf diese Weise können Spannungsschwankungen der Wechselstromquel le leistungsmäßig ausgeglichen werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann mit Vorteil zur Steuerung der Strahlungsleistung in Bräunungsgeräten eingesetzt werden, wenn die Entladungslampen der Lam penschaltung als UV-Lampen ausgebildet sind.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Lampenschaltung am Ausgang eines eingangsseitig an ein Stromnetz angeschlossenen Fre quenzumrichters mit kontinuierlich oder stufenweise veränderbarer Ausgangsfrequenz angeschlossen ist. Die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters kann von Hand, sensorisch oder programmgesteuert verändert werden. Um Schwankungen in der Strahlungsleistung zu kompensieren, ist es von Vorteil, wenn der Frequenzumrichter über ei nen Lichtsensor, insbesondere einen UV-Lichtsensor an steuerbar ist. Es ist dabei von Vorteil, wenn der Fre quenzumrichter über einen einen Lichtsensor oder UV-Sensor als Meßglied aufweisenden Regler angesteuert wird.

Der Frequenzumrichter kann mit einem Wechselstromaus gang für den Anschluß mehrerer, parallel geschalteter Lampenkreise ausgestattet werden. Eine bevorzugte Aus gestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Frequenzum richter einen Drehstromausgang für den Anschluß mehre rer, gegebenenfalls gruppenweise parallel geschalteter Lampenkreise in einer Stern- oder Dreiecksanordnung aufweist.

Der Frequenzumrichter kann entweder einen als Span nungsumrichter oder als Stromumrichter ausgebildeten Umrichterzwischenkreis aufweisen. Eine Kompensation des ausgangsseitigen Blindstromanteils ist entbehrlich, wenn der Frequenzumrichter unabhängig vom ausgangssei tigen Blindstromanteil eingangsseitig blindstrom-kom pensiert ist. Dadurch können die sonst bei der Verwen dung von Entladungslampen erforderlichen Kompensations kondensatoren und deren Verdrahtungen in den Lampen schaltungen weggelassen werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Stromlaufplan einer Lampenschaltung mit ei nem eingangsseitig an ein Drehstromnetz ange schlossenen Frequenzumrichter und mit in einer Sternschaltung an den Ausgang des Stromrichters angeschlossenen Entladungslampen;

Fig. 2 eine Lampenschaltung mit einem eingangsseitig an ein Wechselstromnetz angeschlossenen Fre quenzumrichter und mit in einer Dreieckschal tung an einen Drehstromausgang des Frequenzum richters angeschlossenen Entladungslampen;

Fig. 3 ein Schaltschema eines Lampenstromkreises mit Entladungslampe und induktivem Vorschaltgerät;

Fig. 4 eine komplexe Impedanzdarstellung der Reihen schaltung nach Fig. 3;

Fig. 5 diverse Frequenzdiagramme einer Lampenschal tung, bestehend aus einer an den Wechselstrom ausgang eines Frequenzumrichters angeschlosse nen Lampenschaltung mit einer Bräunungsröhre mit einer Nennleistung von 160 W und einer an die Nennleistung bei einer Ausgangsfrequenz von 50 Hz angepaßten Drosselspule.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigten Schaltungsanordnungen weisen einen an ein Drehstromnetz L₁, L₂, L₃ (Fig. 1) oder an ein Wechselstromnetz L₁, N (Fig. 2) eingangssei tig angeschlossenen Frequenzumrichter 10 und eine Lam penschaltung 12 auf. Die Lampenschaltung 12 besteht da bei aus mehreren, gruppenweise in Parallelschaltung an die Drehstromausgänge U, V, W in einer Sternschaltung (Fig. 1) oder in einer Dreieckschaltung (Fig. 2) ange schlossenen Lampenkreisen 14, die je eine Entladungs lampe 16 und ein zu dieser in Reihe geschaltetes induk tives Vorschaltgerät 18 enthalten. Der Frequenzumrich ter 10 weist einen mit einem Potentiometer 20 bestück ten Steuereingang 22 zur stufenlosen Verstellung der Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters auf. Anstelle des Potentiometers kann auch ein beispielsweise als Lichtsensor oder UV-Sensor ausgebildeter, gegebenen falls in einem Regelkreis angeordneter Sensor an den Steuereingang 22 angeschlossen werden.

Die in Fig. 3 skizzierte Reihenschaltung der Lampen kreise 14 umfaßt eine Entladungslampe 16 mit dem Röh renwiderstand R_r und ein induktives Vorschaltgerät 18 mit der Drosselimpedanz Z_L, bestehend aus dem Wirkwi derstand R_VSG und dem Blindwiderstand

X_VSG = X_L = jωL (1)

wobei L die Induktivität der Drosselspule 18 und ω die Kreisfrequenz der Wechselspannung bedeuten.

Bei Verwendung eines rein kapazitiven Vorschaltgeräts mit der Kapazität C beträgt der Blindwiderstand

Für die Kreisfrequenz gilt

ω = 2πf (3)

wobei f die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters bedeutet.

Für die Drosselimpedanz (Scheinwiderstand) eines induktiven Vorschaltgeräts gilt:

Z_VSG = R_VSG + jωL (4)

Die Gesamtimpedanz Z_ges des Lampenstromkreises ergibt sich hiernach zu

Z_ges = (R_r + R_VSG) + jωL (5)

Diese Formel ist in der komplexen Darstellung nach Fig. 4 veranschaulicht.

Der Absolutwert der Stromkreisimpedanz ergibt sich aus Fig. 4 zu

wobei R_VSG und L konstant sind, während R_r von der Ent ladung und damit effektiv von der Frequenz f abhängig ist.

Im Falle eines kapazitiven Vorschaltgeräts gilt für den Absolutwert der Stromkreisimpedanz:

Ausführungsbeispiel

Bei einer Leuchtstofflampe mit 160 Watt Nennleistung und einem auf 160 Watt dimensionierten induktiven Vor schaltgerät wurden folgende konstante Größen gemessen:

R_VSG = 5Ω
L = 0,38 Henry

Die effektiv frequenzabhängigen Größen nach Gl. (6) sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefaßt:

Die Tabelle zeigt, daß die Gesamtimpedanz Z des Lampen kreises frequenzabhängig ist und mit zunehmender Fre quenz ansteigt. Diese Impedanzerhöhung verursacht bei gleichbleibender Ausgangsspannung eine Stromverringe rung, die zu einer Leistungsreduzierung und somit zu einer Reduzierung der Strahlungsstärke der Entladungs lampe führt.

Die Meßwerte des beschriebenen Ausführungsbeispiels sind in den Diagrammen nach Fig. 5A bis L dargestellt. Im einzelnen zeigen die genannten Diagramme die nach stehend angegebenen Meßgrößen jeweils in Abhängigkeit von der Frequenz f:

Fig. 5A Lampenleistung

Fig. 5B cosϕ

Fig. 5C Lampenstrom

Fig. 5D UV-Leistung der Entladungslampe

Fig. 5E Spannungsabfall über der Entladungslampe

Fig. 5F Spannungsabfall über dem Vorschaltgerät

Fig. 5G Ausgangsspannung des Frequenzumrichters 10

Fig. 5H den gesamten Wirkwiderstand von Entladungs lampe und Vorschaltgerät

Fig. 5I den am Eingang des Frequenzumrichters 10 ge messenen Netzstrom.

Fig. 5J Gesamtimpedanz Z

Fig. 5K Röhrenwiderstand R_r

Fig. 5L Drosselimpedanz Z_L
Aus den Diagrammen ist erkennbar, daß bei steigender Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters 10, die über den Steuereingang 22 einstellbar ist, die in den Dia grammen dargestellten Meßgrößen bei konstanter Aus gangsspannung des Frequenzumrichters (Fig. 5G) einen monoton steigenden bzw. fallenden Verlauf aufweisen, so daß sich im Ergebnis eine eindeutige Beziehung zwischen der Ausgangsfrequenz f und der UV-Leistung der Entla dungslampe (Fig. 5D) ergibt. Damit ist es möglich, durch Variation der Ausgangsfrequenz f über den Steuer eingang 22 die UV-Leistung der Entladungslampe zu vari ieren (dimmen).

In dem Diagramm nach Fig. 5G ist zusätzlich im Bereich zwischen 30 und 50 Hz eine lineare U(f)-Kennlinie dar gestellt, anhand der bei Schwankungen in der Ausgangs spannung die Lampenleistung durch Variation der Fre quenz f konstant gehalten werden kann.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen: Die Erfin dung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zur Ansteuerung von an den Ausgang einer Wechselstrom quelle 10 angeschlossenen Lampenschaltungen, die aus mindestens einem induktiven oder kapazitiven Vorschalt gerät 18 und einer vorzugsweise als Leuchtstofflampe oder Hochdrucklampe ausgebildeten Entladungslampe 16 bestehen. Anordnungen dieser Art können bei Verwendung von UV-Entladungslampen in Bräunungsgeräten eingesetzt werden. Um mit einfachen Mitteln die Strahlungsleistung der Entladungslampen variieren (dimmen) zu können, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Ausgangsfre quenz der Wechselstromquelle 10 zur Verstellung der Lampenleistung verändert wird. Die Wechselstromquelle umfaßt dabei zweckmäßig einen Frequenzumrichter 10, dessen Ausgangsfrequenz über den Steuereingang 22 von Hand, sensorisch oder programmgesteuert verändert wer den kann.

Claims

1. Anordnung zur Ansteuerung von an den Ausgang einer Wechselstromquelle (10) angeschlossenen, aus min destens einem induktiven oder kapazitiven Vorschalt gerät (18) und einer vorzugsweise als Leuchtstoff lampe oder Hochdrucklampe ausgebildeten Entladungs lampe (16) bestehenden Lampenschaltungen (12), da durch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfrequenz (f) der Wechselstromquelle (10) zur Verstellung der Lampenleistung veränderbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle (10) eine konstante Aus gangsspannung aufweist, und daß die Ausgangsfre quenz (f) nach Maßgabe der Abweichung einer einzu stellenden Lampenleistung von einer Nennleistung veränderbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines induktiven Vorschaltgeräts die Ausgangsfrequenz (f) zur Einstellung einer gegenüber der Nennleistung reduzierten Lampenlei stung erhöht wird.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinste Ausgangsfrequenz (Startfrequenz) zur Einstellung der Nennleistung 50 bis 150 Hz und die größte Ausgangsfrequenz (Endfrequenz) zur Ein stellung einer definierten Mindestleistung 170 bis 600 Hz beträgt.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines kapazitiven Vorschaltge räts die Ausgangsfrequenz (f) zur Einstellung einer gegenüber der Nennleistung reduzierten Lampenlei stung verkleinert wird.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die größte Ausgangsfrequenz (Startfrequenz) zur Einstellung der Nennleistung 170 bis 600 Hz und die kleinste Ausgangsfrequenz (Endfrequenz) zur Ein stellung einer definierten Mindestleistung 50 bis 150 Hz beträgt.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfrequenz (f) nach Maßgabe der Ab weichung der Ausgangsspannung der Wechselstromquel le (10) von einer Nennspannung unter Einstellung einer konstanten Lampenleistung veränderbar ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines induktiven Vorschaltgeräts die Ausgangsfrequenz zur Einstellung einer konstan ten Lampenleistung bei gegenüber der Nennspannung abnehmender Ausgangsspannung verkleinert wird.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines kapazitiven Vorschaltge räts die Ausgangsfrequenz zur Einstellung einer konstanten Lampenleistung bei gegenüber der Nenn spannung abnehmender Ausgangsspannung erhöht wird.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungslampe (16) als UV-Lampe ausgebildet ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß die Lampenschaltung (12) am Ausgang eines eingangsseitig an ein Stromnetz (L₁, L₂, L₃; L₁, N) angeschlossenen Frequenzumrichters (10) mit kontinuierlich oder stufenweise veränder barer Ausgangsfrequenz (f) angeschlossen ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfrequenz (f) des Frequenzumrichters (10) über einen Steuerein gang (22) von Hand, sensorisch oder programmgesteu ert veränderbar ist.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter (10) über einen Lichtsen sor, insbesondere einen UV-Sensor ansteuerbar ist.

14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, daß der Frequenzumrichter (10) über ei nen einen Licht- oder UV-Sensor als Meßglied auf weisenden Regler ansteuerbar ist.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, da durch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter 10) einen Wechselstromausgang für den Anschluß mehrerer, parallelgeschalteter Lampenkreise auf weist.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter (10) einen Drehstromausgang (U, V, W) für den An schluß mehrerer, gegebenenfalls gruppenweise paral lel geschalteter Lampenkreise (14) in einer Stern- oder Dreiecksanordnung aufweist.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter (10) einen als Spannungsumrichter ausgebildeten Um richterzwischenkreis aufweist.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter (10) einen als Stromumrichter ausgebildeten Umrich terzwischenkreis aufweist.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, da durch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter un abhängig vom ausgangsseitigen Blindstromanteil ein gangsseitig blindstrom-kompensiert ist.

20. Verfahren zur Ansteuerung von an den Ausgang einer Wechselstromquelle angeschlossenen, aus mindestens einem induktiven oder kapazitiven Vorschaltgerät und einer vorzugsweise als Leuchtstofflampe oder als Hochdrucklampe ausgebildeten Entladungslampe bestehenden Lampenschaltungen (12), dadurch gekenn zeichnet, daß die Ausgangsfrequenz (f) der Wechsel stromquelle (10) zur Verstellung der Lampenleistung variiert wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Wechselstromquelle (10) mit konstan ter Ausgangsspannung die Ausgangsfrequenz (f) nach Maßgabe der Abweichung einer einzustellenden Lam penleistung von einer Nennleistung verändert wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines induktiven Vorschaltgeräts die Ausgangsfrequenz (f) zur Einstellung einer gegenüber der Nennleistung reduzierten Lampenlei stung erhöht wird.

23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines kapazitiven Vorschaltge räts die Ausgangsfrequenz (f) zur Einstellung einer gegenüber der Nennleistung reduzierten Lampenlei stung erniedrigt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfrequenz nach Maßgabe der Abwei chung der Ausgangsspannung der Wechselstromquelle von einer Nennspannung unter Einstellung einer kon stanten Lampenleistung verändert wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines induktiven Vorschaltgeräts die Ausgangsfrequenz zur Einstellung einer konstan ten Lampenleistung bei gegenüber der Nennspannung abnehmender Ausgangsspannung verkleinert wird.

26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines kapazitiven Vorschaltge räts die Ausgangsfrequenz zur Einstellung einer konstanten Lampenleistung bei gegenüber der Nenn spannung abnehmender Ausgangsspannung erhöht wird.