带有降低系统瓦数用的器件的照明系统 本发明涉及包括高压气体放电灯在内的照明系统，该系统带有一降低该照明系统中系统瓦数用的器件。本发明还涉及安装有该器件的高压气体放电灯。
高压气体放电(HID)灯，尤其被广泛应用于工业、商店照明以及其他方面。高压气体放电灯，乃是一种带有放电容器(例如由石英玻璃或陶瓷制成)和填充物的灯，以便通常工作在约2个大气压以上时维持放电电弧。高压钠灯、高压汞灯以及金属卤化物灯，属于高压气体放电灯。
如同低压气体放电灯(例如荧光灯)的情况一样，高压气体放电灯具有负阻特性，并且需要稳定镇流器以控制放电灯工作时通过该灯的电流。没有镇流器，放电灯的电流将迅速增大，且在放电灯点燃之后难以控制，导致放电灯故障。最简单的镇流器是与放电灯串联的扼流线圈，且其阻抗是根据预定以保持放电灯电流在所需水平时该型放电灯地工作电压来选择的。这样的镇流器具有不希望的低滞后功率因数(电流滞后于电压)。为了提高此功率因数以及降低起始电流，与其扼流线圈并联接入一电容器。在美国，高压放电灯所用的镇流器通常具有超前的功率因数(电流超前于电压)是通过与电感线圈串联的电容器提供的。以上就是最简单的镇流器构形。应用于高压气体放电灯的非常通用的商品化镇流器，是不变瓦数的自耦变压器(CWA)，能够提供稳定的功率而不管电网电压常见的波动情况。这种镇流器包含高电抗的自耦变压器(一种其部分绕组由次级和初级线圈共用的变压器)和与放电灯串联的电容器，并提供超前的功率因数。
在美国，照明约占电力的20-25％。对于商店、办公室和仓库来说，照明可能要高达其电力消耗的50％。因此，在照明系统中节约电能，可以为这些商务部门提供总电能使用方面的相当大的节约。
商品化的高压气体放电照明设备，采用多个遍及被照明区域的分散的照明器。一个照明器是一个完整的照明机构，它物理支承器镇流器及其外壳、灯座和灯，通常还有一个调整光线的反射镜。改进耗能效率的一种途径是，用新的带有更高效率的放电灯和镇流器的照明器来取代现有的照明设备。例如，用带有高压钠灯和为其设计的镇流器的照明装置替代带有传统汞灯和CWA镇流器的照明器，将为照明系统提供更高的效率。采用这种方法的缺点在于原始投资的成本费用高。
另外一种方法是仅用效率更高的放电灯替换该照明器中的放电灯以得到非常低的成本，因为保留了原有的镇流器和照明装置组件。该放电灯类型可不同于被替换的放电灯。例如，通常是用高压钠灯替换汞灯，它比相同瓦数的汞灯具有更高的效率，并可在同样镇流器上工作。此新的放电灯类型也可与被替换的放电灯相同，但改变为与现有的镇流器一同工作时使用较低的能量。例如，一种节能途径是用具有较低额定电压的高压钠灯来取代相应额定电压的高压钠灯。一般说来，当使用CWA镇流器时，额定的灯电压降低约20％，可使放电灯瓦数降低约10％。
虽然降低放电灯的电压能够获得节能，但其缺点是通过放电灯和镇流器的电流上升。这就引起比使用原来放电灯时更高的镇流器损耗，并且造成系统瓦数下降比放电灯瓦数下降要少得多。如放电灯电压下降约20％，该系统的瓦数仅下降约为放电灯瓦数下降约10％的5-7％。
因此，本发明的目的是降低应用气体放电灯气体的照明系统的瓦数，但并不改变原有的镇流器。
一般说来，根据本发明的照明系统，包括一气体放电灯、一在放电灯工作时控制通过该放电灯电流的镇流器，以及连接在该镇流器和放电灯的放电容器之间的减小放电灯工作时通过该放电灯电流的电流减小器件，该器件的电损耗比放电灯的放电容器或镇流器的电损耗低。通过减小经过放电灯和镇流器的电流来减小放电灯的瓦数，与只降低改进型放电灯的额定灯电压相比，镇流器的损耗将会减小。只要额定的灯电压保持相同，尽管放电灯瓦数较低放电灯瓦数和系统瓦数的降低基本上相同。为达到最大节能，该器件最好基本上没有损耗。
比较有利的作法是使减小电流器件与放电容器并联。为了得到基本合适的电流，此并联器件的阻抗应比该放电灯放电容器的阻抗高约10至20倍。其优点为，流过该器件的电流能比其与放电灯串联时少得多，所以其损耗将低很多，因损耗与电流的平方成正比。
在与超前型镇流器配用的实施例中，此用来减小电流的器件包括与该放电灯并联的容性器件。比较有利的作法是，该容性器件为具有极低损耗的电容器元件。该电容器可被包含在从中有导线伸出的外壳或者电容器罩中。于是这种电容器外罩可被安装在照明装置的放电灯和现有镇流器的外部，以便与灯座和镇流器的引线进行电气连接。虽然这需要花费一些劳动，然而原有的镇流器仍可使用。可选方案为，该电容器可被安置在放电灯中，例如空间允许，例如被封装在放电灯的外壳内或者该外壳和灯头之间。其所具有的显著优点是，只需通过取走现有的灯并且换上安装有并联电容的新灯，很容易就能将照明系统改型。因此，便可节省将额外元件接入该照明装置的费用。
本发明的另一实施例，包含与此并联的容性器件串联在一起的电感性器件。在使用脉冲触发器提供高频(＞＞1KHz)触发脉冲的照明系统中，此并联的容性器件可以降低该触发脉冲的高度，并影响放电灯的正常起动。这可以通过镇流器与电容元件的某种组合来完成，调整此串联的电感性器件来阻断高频触发脉冲，确保此并联的电容器不会将起动脉冲减小到足以影响放电灯正常起动的程度。在触发之后，由于镇流器具有低得多的电网频率(50/60Hz)，故此电感性器件将不会对该电容器件的作用产生影响。在实施例中，电感性的装置含有以磁珠形式出现在电容器引线上的铁氧体。另一种方式为，可以在点燃放电灯期间利用一开关来断开此并联电容器，并在点燃之后接通此并联电容器。
在本发明的另一实施例中，为了用在滞后型的镇流器上，该减小电流用的器件包含与放电灯并联的电感性器件。
应当指出的是，通过以上实施例提供的节能能力，由参考文献FR-A-2480649看来会感到意外。此被缓引的法国专利文献公开了一种使用滞后型镇流器(带有与电感线圈并联的电容器)将高压汞灯变暗到50％功率水平的方案。使用这种镇流器变暗到这种水平是有问题的，由于每个半周期内的再引弧电压不足，将导致该放电灯熄灭。并联在放电灯上的附加的电容器，能够在每个半周期内提供其再引弧电压，以避免该放电灯熄灭。然而从被援引的法国参考文献可知，该方案对于250瓦的放电灯来说，实际上是将该系统的瓦数从约275瓦增加到约295瓦。此放电灯被有效地变暗淡了，但能量的消耗增加了！公开在此援引的法国专利文献中的方案，为本申请人重复过，而且照明系统瓦数的增加也被证实。
本发明的目的并非变暗淡本身(虽然这可能发生)，而在于使用现有照明设备达到节能而又能保持相同或相似的亮度级。为此，申请人发现，节能可通过以下手段达到：对于超前型的镇流器，使用与放电灯并联的容性器件；对于滞后型镇流器，使用与放电灯并联的电感性器件。
参照以下附图、详细描述和所附的权利要求书，将会清楚本发明的这些以及其它一些实施例、性能和优点。
图1A为包含超前型镇流器、HID灯和并联的容性器件的照明系统示意图；
图1B为图1A中一部分的略图，表示一电感性器件与电容器串联；
图2表示高压钠灯，在其外壳内带有被封装在气密性玻璃封壳内的电容器；而且
图3为带HID灯和根据本发明并联的电感性器件的滞后型镇流器的示意图。
图1A示意表示照明系统10，它包括有高压气体放电灯(HID)30(被确定为工作在镇流器26上)以及处在该镇流器外部用于降低照明系统的系统瓦数的器件40，该器件包含容性装置。在实施例中，安装在该照明系统中的放电灯工作在超前型镇流器上。该照明系统可以是一套照明装置。此超前型镇流器20是一个CWA镇流器，带有连接在干线电源上的一对输入端子21，22、高电抗自耦变压器23以及镇流器的电容器24。该镇流器进一步包括一对输出端子25和26。自耦变压器包含叠片铁芯和由镇流器的初级和次级侧共用的线圈。镇流器被封装在用虚线表示的普通镇流器外壳27中。HID灯30跨接在镇流器输出端25及26上。在图中，HID灯为一高压汞灯，带有包含石英玻璃弧光管31的放电容器、一对放电电极32、起动电极33和填充物，该填充物包括装在弧光管31中的水银和惰性气体，以在放电灯工作时在一对电极32之间维持弧光放电。放电容器通常被封装在有灯座(例如大型管座)的外壳中(未表示)，灯座上带有放电灯接线端子34和35。镇流器20和HID灯30为高压汞灯照明装置外罩中的典型元件。
为了降低能量消耗，一容性器件40被加到照明系统中。图中的容性器件为被封装在以虚线42表示的保护性外壳或罩中的电容器元件41。容性器件40与HID30并联，并在放电灯工作时减小灯电流。为此，该电容器的阻抗值通常约比HID30的阻抗高10到20倍。
现有放电灯和改装的(并联)电容器的组合，能够为镇流器提供比现有单独放电灯更大的阻抗。因此，使用改装的电容器可使通过镇流器的电流减小，从而使镇流器的损耗降低。此外，并联的电容器能够容纳一些系统电流，因此放电灯的电流和功率便下降。与镇流器20和放电灯30相比，电容器41具有非常低的损耗。因此，电容器41能够将灯和镇流器消耗的功率，减小到比附加电容器41提供的额外损耗大得多的程度，所以总的系统耗能降低。在上述情况下，光输出的减小与功耗的减小同时发生，因为所使用的放电灯未变。
如上所述，通常是用效率更高的高压钠灯取代现有设备中的汞灯。因此，使用与高压钠灯并联的电容器41进行试验。该试验是利用超前型的71A4822 400瓦镇流器灯和超前型的71A8221 250瓦镇流器进行的。其结果表示在下表I中。替代工作在上述镇流器上的标称额定400瓦和250瓦放电灯，当与所列举的并联电容器一起使用时，试验放电灯使用的是根据同样灯电压(100-105伏)的改进型弧光管作为对照灯。可以通过多种途径来改变放电灯的瓦数/电压数，例如改变电极之间的距离。对于每个试验(不带电容器41)的对照情况，以电容为0.0微法拉形式表示在下表中。用于对照的标准灯，通常具有相对于所述镇流器(不带并联电容器)所列的灯电压。
表I放电灯类型 C (mFd) V灯 (V) I灯 (A) W灯 (W) W灯. 额定 (％)V系统 (V) I系统 (A)W系统 (W) W系统. 额定 (％) 功率 因数(系统) 400 0.0 102 4.60 384 100 239 1.91 448 100 0.98 400 2.0 102 4.15 355 92 239 1.77 411 92 0.97 400 3.0 102 4.06 347 90 239 1.73 403 90 0.97 250 0.0 104 3.24 279 100 240 1.37 327 100 0.99 250 1.5 107 2.91 265 95 240 1.29 306 94 0.99 250 3.0 105 2.84 253 91 240 1.23 293 90 0.99
在上述试验中，试验灯的灯电压基本上保持与对照灯相同，尽管灯电流会由于并联电容器41的存在而下降。对于400瓦的试验来说，每种电容保持同样的灯电压(102V)；对于250瓦的试验来说，灯电压非常接近对照灯的灯电压。可以看出，系统瓦数和灯的瓦数下降的百分比，对于400瓦的情况是相同的，对于250瓦是基本上相同的。
以上表明，通过使用改装的(与预定的并联电容器一起使用时)具有与被取代的高压钠或汞灯相同灯电压的放电灯，如何使系统的瓦数和灯的瓦数等量减小。然而效果显著的节能，甚至在存在改装的(并联)电容器而使灯电压下降时也能够获得。这表示在下表II中。
表II放电灯 类型 (mFd) V灯 (V) I灯 (A) W灯 (W) W灯. 额定 (％) V系统 (V) I系统 (A) W系统 (W) W系统 额定 (％) 功率因数 (系统) 400 0 102 4.6 384 100 239 1.9 448 100 0.98 400 2 93 4.55 352 92 240 1.76 416 93 0.98 400 3 91 4.55 343 89 239 1.72 407 91 0.99 250 0 104 3.2 279 100 240 1.4 327 100 0.99 250 2 89 3.23 240 86 240 1.21 286 87 0.98 250 3 87 3.18 231 83 240 1.16 276 84 0.99
与表I相比，由表II中可以看出：与对照灯相比，对于400瓦和250瓦两种试验来说，灯电压并不保持相同，实际上随着电容增大而减小(由于灯电流减小)。对于400瓦的试验来说，系统瓦数的下降与表I的类似，而对于250瓦的试验系统瓦数的下降实际上要比表I中的大。对于250瓦较低的系统瓦数，能比表I中相应的情况提供更低的流明数，因为所得到的灯的瓦数明显更低。
由表I及II中还应当看到，与对照组相比，这些试验的系统功率因数基本上保持相同。所以，并无其它损耗介入，而且节能是有效的。
各种瓦数的高压钠灯的典型阻抗(取自菲利浦照明公司)，列在下表III中，而相应电容能为系统提供最大希望节能约40％。
表III W灯 (W) V灯 (V) I灯 (I) Z (Ohm) C (mfd) 35 55 0.75 73.46 4 50 55 1.07 51.43 5 70 55 1.50 36.73 7 100 55 2.14 25.71 10 150 33 3.21 17.14 15 150 100 1.76 56.67 5 250 100 2.94 34.00 8 400 100 4.71 21.25 12 1000 275 4.28 64.28 4
在某些场所下，尤其是对于要求若干千伏数量级的触发脉冲(通常要由＞＞1KHz的高频起动器产生)的高压钠灯来说，此并联的电容器可能会将触发脉冲减小，引起点燃困难。在这种场合下，调整与电容器41串联的电感线圈51(参照图1B)，来阻断高频起动脉冲并在触发之后让低频干线电流通过，以使电容器41真正地将电流和镇流器电流降低。然而许多电容器因螺旋式结构具有较高的固有电感，所以不再需要额外的电感线圈。这样的电容器在60Hz时起电容器作用，在高频时起线圈作用而且不降低起动脉冲。
如前所示，高压钠灯比高压汞灯效率高，并且可以工作在原有的CWA汞灯镇流器上。用高压钠灯替代高压汞灯来降低使用该镇流器时照明系统中的能量消耗。取代用的高压钠灯，通常具有与被取代的高压汞灯相同的灯电压和瓦数。由于高压钠灯的功率因数(0.93-0.95)比高压汞灯的功率因数(0.97-0.98)低，结果使传输给高压钠灯的能量比传输给高压汞灯的能量小，因此可节能约10％。(与镇流器的功率因数类似，放电灯的功率因数是放电灯电流相对其电压的相位的量度。)尽管能量消耗降低，但仍能提供比高压汞灯多很多(约40％)的光，因为高压钠灯具有约为高压汞灯二倍的发光效率(流明/瓦)。额外的光代表被浪费了的能量。因此，最好提供一种改装的使用高压钠灯的照明系统，但其光输出与原有的高压汞灯的光输出基本相同。这在另一种实施例中通过并联的电容器和高压钠灯的组合实现，其组合被优化，以提供与被取代的高压汞灯工作在CWA水银镇流器上时同样的光输出。对于改进型高压钠-汞灯来说，并联电容器适合的电容值，通常为表III所示值两倍的数量级。
通常使用由高压钠灯和并联电容器构成的改装配套元件改进水银灯，如何获得相同流明数的例子，如下所述。原有的设备带有175瓦的CWA水银镇流器以及175瓦的汞灯。此灯具有130伏的标称灯电压、约为0.97的功率因数以及约为52流明/瓦的发光效率，并能提供约9000流明的光通量。灯电流约为1.3-1.5安培。改进用的适合的高压钠灯，为具有100伏灯电压和典型功率因数0.93的100瓦的高压钠灯。所使用的并联电容器承受约20％的系统电流，灯电流为1.2安培左右。实际，并联的电容器和改装的高压钠灯具有与被取代的汞灯基本上相同的阻抗。因而通过镇流器的电流约与汞灯的相等，所以不存在额外的镇流器损耗。然而光通量水平约与该汞灯(9000流明)相同，且由于改装的高压钠灯功率减小，该系统的能量消耗减少75瓦。这就是43％的节能。
在图1A所示的实施例中，电容器被封装在分别用电线连在照明系统上的电容器罩中。在用高压钠灯改装原有汞灯时，此电容器外罩可以作为高压钠灯的套件提供给用户。此外，根据所选电容器实际尺寸以及灯的外壳中可能的空间(与HID灯类型无关)，可以把电容器安装在灯的外壳中。应当指出地是，对于表I中高压钠灯配备有弧光管，且此弧光管具有与并联电容器相同的灯电压(约100伏)的情况来说，可以使用长度比较小的弧光管而在灯的外壳中为电容器留下更多空间。
图2表示该电容器装在高压钠灯中，且按传统方式将陶瓷放电容器52封装在高压钠灯的外壳51中。如通常情况一样，此放电容器包含一对放电电极57a和57b，以及由水银、钠金属和惰性气体组成的维持弧光放电的填充物。框架形式的导线59和60，用来支承放电容器并将电极57a及57b分别与灯头上的相应电触点54及55连接。双金属片58用作填料中感生电离作用的点火辅助手段，它与导线59相连，且在冷却状态下靠紧放电容器并与具有相反电位的电极57a邻接。电容器41位于框架形式的导线59和60之间与放电容器并联。由于以前讨论过的原因，所串联的电感包括位于电容器引线上的铁氧体磁珠61。为了保护处在高温放电灯环境中的电容器和铁氧体磁珠，而且为了防止来自电容器的释气进入被抽成真空的灯泡，该电容器被封装在放电灯外壳内的气密性玻璃封壳中。应当指出地是，可以由美国专利5,336,974中了解到，使用这样的封壳，至少有一个电容器作为起动电容的一部分。此外，当此并联电容器在触发之后受到放电容器加热时应从电路中除去，可以使用双金属开关将电容器41与放电容器并联以确保正常触发。
图3表示按本发明带有含扼流圈71的滞后型镇流器70的实施例将一电感性器件与放电灯30并联来取代并联的电容器，以减小通过该放电灯和镇流器的电流。此电感性器件为封装在外罩82中并与放电灯30串联的单独的扼流圈81。与超前型镇流器的并联电容器一样，此电感性器件应当具有放电灯10到20倍的阻抗。