[硕士论文精品]25ow 高压钠灯的数字化电子镇设计

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要高强度气体放电灯以其光效高、寿命长、显色性好等优点而备受瞩目，高压钠灯即为一种具有上述优点的理想光源，设计与之配套的电子镇流系统是实施绿色照明工程的重要组成。本文提出了一种可替代电感式镇流器的数字化电子镇流器设计方案，并进行了较为深入的理论分析、仿真研究和实验调试，具体包括如下几个方面对高压钠灯的工作原理和特性进行了详细的分析，并在此基础上提出了高压钠灯的分时段电气模型。根据这个模型，提出了分段控制的恒功率控制方法，实验结果证实了这种控制方法的正确性和实用性。本文对高压钠灯的启动过程和特性进行了详细的分析，提出了高压钠灯的启动要求。针对LC串联谐振启动方式进行了仿真和实验研究，确定了一种适于启动高强度气体放电灯的高电压、低电流的方案针对变压器祸合的启动方式，提出一种简单实用的SIDAC二极管变压器启动方式，并且在此基础之上，采用单片机的逻辑控制方法，使变压器启动方式具有完备的保护功能。本文设计了适用于数字化电子镇流器的检测、驱动和控制电路，并且通过软件变频的方法对高压钠灯进行了精确的控制在分析了负载回路电气特性的基础上，设计并求解了负载回路元件参数，并且实现了软开关，使功率器件的开关损耗得以降低对各种负载和镇流器的异常状态进行有效的保护，并且提供了网络化的监控和调光功能接口。以上述理论为基础成功地研制了用于25OW高压钠灯的数字化电子镇流器装置，各项实验测试结果满足设计要求，实验数据和波形验证了理论分析的正确性。关键词高压钠灯数字化电子镇流器恒功率控制有源功率因数校正调光一一分一于一Q/JHT1/YZYRYT“LLF洛ABSTRACTTHEHIGHINTENSITYDISCHARGELAMPSHID,CONSISTINGOFABROADRANGEOFGASDISCHARGELAMPS,ARENOTABLEFORTHEIRHIGHLUMINOUSEFFICACY,GOODCOLORRENDERINGANDLONGLIFEHIGHPRESSURESODIUMLAMPSHPSHAVETHEBESTCOMBINATIONOFTHEABOVEPROPERTIESANDARECONSIDEREDTHEMOSTIDEALLIGHTSOURCESSOITISTIMETODESIGN山EDIGITALELECTRONICBALLASTTOFTTHEMANEWMETHODOFPLANNINGDIGITALELECTRONICBALLASTISPUTFORWARDTOREPLACETHECORECOILBALLASTINTHISPAPERTHEANALYSISOFTHEORYANDTHESTUDYOFSIMULATIONANDEXPERIMENTAREEXPLAINEDINDETAILTHEMAINRESULTSOFTHISDISSERTATIONAREASFOLLOWSINTHISPAPER,THECHARACTERISTICSANDWORKINGTHEORYOFHPSLAMPSARECAREFULLYANALYZED,ANDPUTFORWARDALINERELECTRICALMODELACCORDINGTOTHEMODEL,THECONTROLSTRATEGYISPROVIDEDFORTHEELECTRONICBALLASTOPERATINGTHEHPSLAMPATCONSTANTPOWERTHEEXPERIMENTALRESULTSFORTHEHPSLAMPSVERIFIEDTHATTHETHEORYISEFFECTIVEANDAPPLICABLETHISPAPERELABORATESONTHEIGNITINGMETHODOLCRESONANCE,INCLUDINGTHESTUDYOFTHEORYANDSIMULATIONANDBRINGSFORWARDAHIGHVOLTAGE,LOWCURRENTMETHODFORHPSLAMPSITALSOBRINGSANEWIGNITINGMODETHATASIDACISUSEDASPULSETRANSFORMERI酗TER,ANDONTHEBASEOFTHESIDACIGNITERAMCUCONTROLLEDIGNITERISCREATEDWHICHHASFULLYPROTECTINGFUNCTIONSSPECIALDRIVING,SENSINGANDCONTROLCIRCUITSAREDESIGNEDFORTHEDIGITALELECTRONICBALLASTS,THROUGHWHICHTHESOFTWARECONTROLSTHEHPSLAMPSBYCHANGINGFREQUENCYANEFFECTIVEMETHODBASEDONTHECHARACTERISTICSOFTHELOADCIRCUITISPROPOSEDTOCALCULATETHEPARAMETERSINTHELOADCIRCUIT,SOTHEPOWERDEVICESCOULDBEREDUCEDGREATLYANDTHESOFTSWITCHISREALIZEDTHEDIGITALELECTRONICBALLASTPROVIDESAFULLYPROTECTIONWHENTHELOADORTHEELECTRONICBALLASTSISINFAULT,ANDITALSOCANCOMMUNICATEWITHTHEPOWERLINEMODEMWHICHCANCONTROLANDDIMTHEHPSLAMPTHROUGHPOWERLINEATTHEENDOFTHEPAPER,THEDIGITALELECTRONICBALLASTFOR250WHPSLAMPSISDEVELOPEDSUCCESSFULLYONTHEBASEOFABOVERESEARCHEACHRESULTISSATISFIEDWITHTHEREQUESTALLTHEEXPERIMENTDATUMANDWAVEAPPROVETHETHEORYANAL脚SN哈尔滨工业大学工学硕士学位论文COMPLETELYKEYWORDSHIGHPRESSURESODIUMLAMPHPSLAMPDIGITALELECTRONICBALLASTCONSTANTPOWERCONTROLACTIVEPOWERFACTORCORRECTIONDIMMING哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论11课题背景据统计世界上现在有大约6000多种灯，它们可以被分为六个大类白炽灯、荧光灯、汞蒸气灯、金属卤化物灯、高压钠灯、低压钠灯。除白炽灯外，其余的各种光源都可以叫做气体放电灯。荧光灯和低压钠灯属于低压气体放电灯，而汞蒸气灯、金属卤化物灯和高压钠灯属于高压气体放电灯，即高强度气体放电灯HIGHINTENSITYDISCHARGELAMPHID从1972年发生第一次石油危机以来，节能问题日益被世界各国所关注，并且促使许多国家都制定了各种形式的“节能法”以对能源的使用方法、消耗限度加以约束。1992年在巴西召开的“地球高级会议”更使全球的瞩目焦点汇集到了能源与环境问题上。据权威组织统计，目前全世界范围内的电力消耗中，照明用电大约占总发电量的201E就我国而言，1995年照明用电约为1000亿千瓦时，占当年总发电量的10，预计到2010年将会达到1500亿千瓦时以上。照明用电的迅速增加，不但要增加大量的电力投资在我国约为040688万元/KW，牵制国民经济的发展，而且还会产生大量的污染。就此提出的“中国绿色照明工程”是国家经贸委会同国家计委、科技部、原国家质量技术监督局等13个部门，在“九五”期间共同组织实施的一项旨在节约电能、保护环境、改善照明质量的重点节能示范工程。自19年国家经贸委印发中国绿色照明工程实施方案以来，绿色照明工程的实施取得了明显的社会和经济效益2,3,41。为了进一步推进我国照明节电工作，提高能源效率，国家经贸委与联合国开发计划署合作开发了“国家经贸委/联合国开发计划署1全球环境中国绿色照明工程促进项目”。执行期为2001年到2005年。节约能源的紧迫感使许多公司致力于节能光源和荧光灯、高强度气体放电灯电子镇流器的研究，随着半导体技术飞速发展，各种大功率开关器件不断涌现，为电子镇流器的开发提供了条件。70年代末，国外厂家率先推出了第一代电子镇流器，是照明发展史上一项重大的创新。由于它具有节能等许多优点，引起了全世界的极大关注和兴趣，认为是取代电感镇流器的理想产品。由于电工技术、电光源技术、微电子技术突飞猛进的发展，促进了电子镇流器向高性一一一一一一一一型竺理竺翌玺掣蜜能高可靠性方向发展5J目前，在荧光灯照明系统中，作为绿色照明工程实施重要组成部分之一的电子镇流器，已成功取代传统的电感镇流器，并得到了广泛地应用同，而用于厂矿、街道照明的主要电光源一高压钠灯HIGHPRESSURESODIUMLAMPHPS,仍然配接传统的电感镇流器7,S1随着科技进步以及对生存环境和生活质量要求的不断提高，人们对照明质量的看法已经从以前的只关心照明电器工作的有效性和安全性转向强调照明环境的舒适性和照明管理的智能化。本课题以广泛使用的较大功率的高压钠灯作为被控对象，通过开发与其配接的高性能数字化电子镇流器，达到简化电路结构、改善照明环境和实现照明管理智能化的目的。12HID灯电子镇流器技术的综述121HID灯电子镇流器的起源及发展一提到气体放电灯，不论是低气压放电灯还是高强度气体放电灯，总是离不开一种电器装置镇流器。气体放电灯自身具有负阻特性，灯电压、电流曲线如图11A所示，DV/DI0时，这个系统才是稳定的，如图11B所示91VVADV/DI0图11高强度气体放电灯的伏一安特性曲线FIGI一1VICHARACTERISTICSOFHIDLAMPS早在20世纪50年代，有人就针对电感镇流器存在的一些弊端，提出了采用电子镇流器的设想一镇流元件工作的高频化。70年代末，荷兰飞利浦等公司哈尔滨工业大学工学硕士学位论文率先研制成功了荧光灯交流电子镇流器，这是照明电器发展史上的一项重大创新。其基本结构如图12所示。220V/A图12电子镇流器基本结构框图FIG12THEBLOCKOFTHEELECTRONICBALLAST由电子镇流器基本结构图12所示，从本质上可以认为电子镇流器是一种供电电源，它将电网能量进行了一定形式的变换，将高频化的并且去掉了电网中可能存在的干扰的电能供给气体放电灯使用，同时它也是电气负载对电用的唯一通道，负责将负载产生的对电网正常工作有害的谐波成分滤掉。荧光灯电子镇流器的飞速发展对研发难度较大的高强度气体放电灯电子镇流器起到了有力的促进作用并提供了很多可以借鉴的经验如今，HID灯电子镇流器技术仍然沿袭了这一思想，只是在实现形式上和研究深度上都有了很大的进步，主要是围绕提高照明质量、改善照明环境、减少电力污染等几个方面进行的。具体体现在1高性能的专用集成控制芯片、新型功率器件的出现加快了电子镇流器集成化、高能量密度和高可靠性的进程11O,1Q2电工理论及自动控制领域中出现的新型拓扑结构和控制方法提高了电子镇流器的整机性能121613网络化技术的发展让现代的照明行业进入了智能化管理时代17191高强度气体放电灯具有与低压放电灯明显不同的两个特征一是需要几千伏左右的点燃电压3KV左右，而且热灯立即再点燃电压高达几十千伏二是高频电流驱动下的声共振现象201高强度气体放电灯自身独有的特性，决定了不可能不加变更地采用荧光灯电子镇流器的原理方案和技术。因此，自二十世纪八十年中末期以来，高强度气体放电灯电子镇流器的研究主要集中到如何解决这两个技术难点上来。经过十几年的深入研究，关于这两个方哈尔滨工业大学工学硕士学位论文面的文章在国内外论文集上发表了不少，也出现了一些实验室样品2121122HI。灯电子镇流器的要求HID灯具有非线性的电气特性，它的很多物理特性跟灯芯的材料、尺寸等有关系，因而HID灯是一个非线性的负载。虽然HID灯电子镇流器的思想源于荧光灯电子镇流器，但是用普通荧光灯电子镇流器去燃点同样功率的HID灯电子镇流器并不合适。根据HID灯的特点，对电子镇流器提出以下几项具体要求1能够有效的控制灯功率的输出。目前国产荧光灯交流电子镇流器大多数在40W以下，最大的输出功率不过80W40W双管。而HID灯的功率往往达数百瓦，有的HPS灯达1000W，为了减小电子镇流器的体积，提高效率和减小成本，HID灯电子镇流器工作在高频状态下，这就对电子镇流器中的功率开关管提出了非常高的要求另外，HID灯具有复杂的非线性物理特性，很好的控制灯的输出，使HID灯发挥最好的作用是HID灯电子镇流器的核心问题。对于HID灯的控制问题，将在第二章中详细研究。2能够提供足够高的触发启动电压。HPS灯的触发启动电压往往达34KV，比荧光灯高35倍。产生RV以上的高压并不困难，但是要求这一高压必须匹配HID灯的启动特性，使HID灯可靠的启动，并且要求在启动过程中不得对灯和电子镇流器中的器件造成损害。对于HID灯的启动问题，将在第三章中详细介绍。3能消除“声共振”现象。HID灯工作在高频电源供电的情况下，会出现放电电弧不稳定的现象，轻则使灯光抖动，重则烧毁灯管。电弧不稳往往引起息弧，随电压升高电流急剧增大。最终会导致电子镇流器和HID灯两败俱伤。这种“声共振”现象在金卤灯MENTALHALIDELAMPMH中表现最为明显，是MH灯电子镇流器的核心问题之一。在HPS灯中同样有声共振现象，若采取适当的措施，可以有效地消除。4在HID灯出现故障或烧毁时，电子镇流器不应损坏。像UPS灯常年用作室外照明，在露天的场合，冬天低至零下40度，夏天高至零上40度的情况屡见不鲜，HID灯往往要连续燃点10个小时左右。为此要求电子镇流器有完善的保护功能，同时还要求供电突然中断又立即恢复时能正常工作。5鉴于HID灯功率比较大，要求电子镇流器对输入电流谐波、射频干扰一一一一一一分一遭竺巴匕犯塑当瞥和电磁辐射具有完善的保护功能。以上几点概括了HID灯电子镇流器的关键问题，本课题也围绕这些问题设计电子镇流器系统，具体的实验和结果将在第四章中给出。123HID灯电子镇流器的拓扑结构HID灯电子镇流器是在荧光灯电子镇流器基础上发展起来的。基于上文提到的HID灯本身的特点以及对于HID灯电子镇流器系统的各种要求，目前在研究HID灯电子镇流器领域主要的拓扑结构有三种第一种结构是沿袭传统电感镇流器的工作模式基础上的三级式的电子镇流器。三级式的电子镇流器主要思想是使电子镇流器工作在高频状态下，用低频恒流源来直接驱动HID灯，灯能够稳定工作，无需电感镇流器。EBS公司的JANESMELTS于1994年的PESC会议上发表了采用低频恒流源的HID灯电子镇流器281。镇流器的结构框图和主要波形见图13和图14所示。图13三级式的电子镇流器框图FIG13BLOCKOFTHREELEVELELECTRONICBALLAST图14三级式的电子镇流器的电压和电流FIG14VOLTAGEANDCURRENTOFTHREELEVELELECTRONICBALLAST三级式的电子镇流器的主要特点是前一级是经过整流的市电通过BOOST哈尔滨工业大学工学硕士学位论文结构的升压电路，使电子镇流器的功率因数得到提高采用适当的控制策略，使中间级的BUCK电路成为一种功率可调的恒流源后面的方波逆变器就工作在低频方式下，一般是100200HZ左右，目的是避免HID灯工作在直流状态下影响灯的寿命。这种工作方式的电子镇流器驱动HID灯时，就不会有声共振现象发生。经过不断的完善和改进，UNITRODE公司于19年推出了低频恒工作方式的HID灯电子镇流器的控制芯片UC2/33051291AUC2/3305的主要功能是完成对BOOSTPFC级、BUCK恒流级和方波逆变级的主开关的控制。这也从一个侧面反映了低频恒流源驱动的HID灯是目前最为成功的方式。但是，从图13中可以看出，它需要三级功率变换器，整个电子镇流器的效率是很低的，而且成本很高整个电子镇流器需要6个可控开关，控制复杂最重要的是HID灯工作在低频状态下，其光效、寿命等性能都不如工作在高频状态下的HID灯。第二种HID灯的电子镇流器拓扑弥补了三级式电子镇流器的一些缺点，使电子镇流器和HID灯都工作在高频状态下，电子镇流器的结构如图15所示。采用这种二级式的电子镇流器结构，前一级仍然是BOOST结构的功率因数校正电路后一级是高频半桥逆变电路，通过适当的负载谐振回路，流过HID灯为高频的电流，这样就使电子镇流器的效率提高。图15两级式的电子镇流器的电压和电流FIG15VOLTAGEANDCURRENTOFTWOLEVELELECTRONICBALLAST这种二级式的电子镇流器结构虽然使电子镇流器的性能得到提高，但是也带来了一些问题，例如HID灯的声共振问题，高频下的逆变器的损耗问题等等。二级式的电子镇流器是电子镇流器研究的热点，本课题中采用的就是这种二级式的拓扑，具体问题的解决方法将在论文中讨论。第三种电子镇流器的拓扑是单级的高功率因数AC/AC变换电子镇流器。这种“INTEGRATED13O31，思想的单功率级电子镇流器的主要方法是把用作APFC的校正环节的功率器件和CLASSD类功率逆变器的功率器件，在满足一定条件的情况下，合用起来，它的具体电路结构有很多变化，2003年3月的IEEE一价一一一一一石一点竺型当迁塑艺翌鳖一一一一一一TRANSACTION上，西班牙的IMALONS。等人321优化了这种方法，使这种单级的电子镇流器的设计有了系统的方法。124国内、外的发展现状1991年1月美国环保局EPA首先提出实施“绿色照明GREENLIGHTS”和推进“绿色照明工程GREENLIGHTSPROGRAM”的概念，很快得到联合国的支持和许多发达国家和发展中国家的重视，并积极采取相应的政策和技术措施，推进绿色照明工程的实施和发展。1996年年欧洲尤里卡计划的实施，推出了70250W高压钠灯配用的数字化电子镇流器系列样品，以及一整套实现路灯照明网络化管理的解决方案。此外，PESC02会议上发表了韩国作者的一篇采用EPLDS为控制核心的金卤灯数字化电子镇流器331。由此看来，国外一些学者对高强度气体放电灯电子镇流器的研究，倾向于采用智能控制芯片作为镇流器的控制核心，以简化控制电路的设计和有效避免声共振的产生。我国电子镇流器的研究和开发工作大约到80年代中期才开始，由于财力特别是元器件品种性能和质量的制约发展不够迅速。虽然我国也进行了不少独立的研究，但大多数是参照国外的专利进行的。目前我国生产的电子镇流器以与紧凑型荧光灯配套并一体化为主。高强度放电灯电子镇流器的研究已经开始，少数研究单位和大专院校已进行了相当的工作并取得了一定的成果34411特别是高强度放电灯数字化镇流器的研究还处在空白阶段。1993年11月我国国家经贸委开始启动中国绿色照明工程，并于19年正式列入国家计划。由于城市区域及道路、广场的拓展，路灯的数量也急剧增长，对于路灯现代化管理的要求也日趋迫切，过去的人工巡检、整条线路开/关控制的方式需要非常繁琐和耗费人力的工作，己不适应城市发展的需要。高强度气体放电灯电子镇流器的开发不仅限于替代电感式镇流器，如今的电子镇流器正逐步向网络化，智能化发展。运用单片机技术及电力线载波技术的管理系统自动检测、远距离开、关遥控的路灯管理系统，使其无需另外增加信号线路的便利条件下，在路灯管理中央控制中心通过计算机自动检测显示路灯的工作状态，控制某个部分或全部路灯的开关，实现城市路灯的自动检测与控制。这些研究方向在电子镇流器这一领域中的研究尚处在起步阶段，开展这一方面的研究工作无疑对跟踪国际领先技术，促进我国电力电子技术领域尽快成熟和发展，都具有重大的现实意义。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文13数字化HPS灯电子镇流器系统131数字化电子镇流器起源1996年年欧洲尤里卡计划的实施，推出了70250W高压钠灯配用的数字化电子镇流器系列样品，以及一整套实现路灯照明网络化管理的解决方案。我国于1999年底2000年初，根据路灯事业发展的需要，经充分酝酿，中国决定开发建设路灯管理信息系统，并制定了实施规划和牵头的相关机构、责任人。路灯管理信息系统基于局域网建设，以计算机技术为核心，在高速网络、多媒体技术、数据库技术等信息技术支撑下，收集、加工、分类、汇总各种路灯管理信息，以充分利用信息资源，更好地组织人力、物力、资金等，提高工作效率和质量，使我处管理向科学化、合理化、制度化、规范化方向发展，路灯网络化照明系统的示意图如图16所示。采用路灯的监控系统有以下几个优点1与路灯自动监控系统联网对接，充分利用其监控信息2使设施管理部门、生产部门、材料管理部门、人事部门、财务部门等信息连成一个有机整体，实现资源共享，真正做到让正确的信息在准确的时间和地点送达管理者，以便领导准确、适时地进行决策管理。3利用计算机及其网络替代工作人员的部分业务工作，使其从被统计、报表占用大量时间的业务中解脱出来，将其主要精力集中在利用信息，提高其业务工作效率和质量上。作为路灯管理系统的重要组成部分，具有通讯功能的数字化电子镇流器的研究已经成为绿色照明工程发展的必然。132数字化电子镇流器系统的特点电子电源发展到今天，由单片机MCU构成的控制电路取代传统的模拟控制电路是一种必然的趋势，在提高控制性能和可靠性的同时简化了硬件电路、使系统能够完成更复杂的控制任务。与传统的模拟电子镇流器相比，数字化的电子镇流器系统具有以下特点1可以实现复杂的控制算法，因而对HID灯的控制精确，有利于延长HID灯寿命2电路更加简化，电子镇流器的体积更加缩小3保护功能完善，可以补偿负载和环境参数变化，使灯的性能更有效发挥哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章HPS灯的特性及其控制规律的研究21HPS灯的特性和模型分析211HPS灯的工作原理高压钠灯HPS灯是一种高压气体放电HID灯，其结构是在抽真空的外壳内，安装了一根多晶氧化铝的电弧管，在HPS灯管内的主要填充物是金属钠、汞和氛气。HPS灯充入约27KPA的氛气或氢气作为启动气体，导致了HPS灯的启动相对其它HID灯更困难。在HPS灯的启动过程中，填充在灯内的汞、金属钠和氨气在1到3分钟内蒸发，这个过程称为启动过程。在启动过程中，灯两端的电压、功率以及光通量逐步增长到额定值，而HPS灯的电流和色温逐步减小到额定值。图21给出了OSRAM公司生产的250WHPS灯的电气特性。0M、“、，、，了厂，/I/MJ到T月玉温、灯电流CR由FF认认刀灯功率、NFI角甚，/，少0寸10入0010沈0寸0闪启动时间/分图21HPS灯的电特性FIG21THEELECTRICALCHARACTERISTICSOFHPSLAMP在UPS灯的燃点过程中，由于管壁和电弧中心温度相差很大，HPS灯内一，一一一一一一坐注巴竺壁男之恐盆的惰性气体氛气就会产生分解和再复合的循环过程。工作时，HPS灯中的汞都蒸发而形成管壁稳定的电弧，汞的蒸发在灯内造成了几个大气压的压力。惰性气体在管壁的高温下大量蒸发，并因浓度梯度而向电弧中心扩散。在电弧中心的高温区域约40006000K，灯内的钠和氛气分解为钠原子和氮原子。金属原子参与放电，并产生辐射。氨原子和金属原子由于浓度梯度而又向管壁扩散，在接近管壁的低温区又重新复合成钠和氮气分子。212HIPS灯电气模型的研究气体放电灯是一个具有热惯性的非线性电阻元件。要全面掌握这一具有热惯性的非线性电阻元件，从而进行电子镇流器的优化设计和稳定性分析，必须建立合适的气体放电灯模型。从1948年FRANCIS提出的著名的假设以来。目前，关于气体放电灯的建模主要有五种1物理级模型应用物理学家从统计物理学基本原理出发，所建立的模型涉及气体放电灯的参数、灯内气体温度和气压以及灯管形状灯。如WAYMOUTH模型和ELENBASS通道模型35401。其目的是为了指导电光源的优化设计。此模型的缺点参数过于复杂，数学形式为多值函数或隐函数难于求解，不能直观反映气体放电灯的电参数变化规律。2经验级模型一些电光源专家从气体放电灯在各种驱动条件下所表现出来的外部VI特征，通过一些假设，对FRANCIS方程进行各种形式的修改后，来建立灯的瞬时VI关系的微分方程经验模型4T421。这类模型可以借助计算机进行数值运算来仿真气体放电灯在各种不同驱动下的VI波形。此模型的缺点计算量大，不适合对电子镇流器进行优化设计。3PSPIEE动态模型MICROLINEAR公司的UPANDER在1992年的IEEEAS的年会上首先提出。后来，MAGNETIC公司的NINGSUNG等人对UPANDER的模型进行了修改。国内，浙江大学的戴国骏博士对这一模型做了进一步简化，并成功地采用此模型进行了荧光灯电子镇流器的优化设计4314小俏号模型1997年EDWARDDENG提出了荧光灯在频域内的小信号模型。小信号模型的提出，使电路工作者能够应用经典控制理论来判别电子镇流器与气体放电灯构成的照明系统在额定工作点的稳定性网。文献抖41给出了汽车用小功率金属卤化物灯的小信号模型，根据所提出的小信号模型，优化设计了电子镇流器的控制回路。但是，到目前为止，大功率高强度气体放电灯的小信号模型的具体参数仍未确定。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文这里要重点提到一种简单实用的HID灯的模型一分时段线性回归模型。分时段线性回归模型首先是由WESTINGHOUSE研究中心的WDPARTHOW和国内的张卫平博士分别根据MB灯从触发到稳定工作时各个阶段的实验数据提出了分时段线性回归模型451。这种线性化的模型的主要思想是用三段直线近似其电压和电流的变化规律来建立MH灯的电气模型。分时段线性回归建模的方法如下第一段为当TEO,TO,UOE20UO,85UO,IOE140IO,110I,，其中UO,I。表示灯的瞬态电压和电流，U。和I。表示灯的额定电压和电流。例如，575W的灯，UO95V,IO605A,1005一IMIN，取TO09MINO瞬态电压和电流的线性表达式如下U0UO0UTO一U0TOT029585UO一20U,09T1968T21IOIO011L0一1AIO09T141。一031,T/09二847一2T22瞬态的等效电阻RTUTTOU,ET1968T847一2T23第二段为当TETO,TJ,85UO,100U,IO。110IO,100IO，对575W的灯，TO12一17MIN，取TO13MINO瞬态电压和电流的线性表达式如下U0UOTOUT,一U1011一TOT一TO24085X95U一85U，十，下不TO一一L一10808353T一TOTOIOTIIOT,一IOTOT,一TOT一TO1170十兰宁子卜，。，一66，一，6T一，25瞬态的等效电阻_UT大，一IOT808353T一TO667一16T一TO26第一段和第二段为灯的启动特性入稳态。在采用方波供电时，当ME。第三段TT,，可以近似认为灯己经进灯进入稳态后，其功率因数值为0961一一一一分朴一碧犁巴竺赶之吐因而可以认为几乎就是一个纯电阻。因而有如下得线性表达式7只22FAR二UOT等效电阻业诩RTUIO605157S21在稳态时，HID灯可以用一个纯电阻来代替，其阻值是额定电压和额定电流之比。在这里公式2118为575WME灯的电气模型。实验证实，这个模型的误差在3之内。根据不同的HID灯的特点，这个建模的方法可以推广用于所有的HII灯。图22所示为分段线性化后的曲线。根据分时段线性回归模型，MH灯的启动特性可以用第一段和第二段来代替，而第三段是稳态的模型，近似等效成定值的电阻。这是一种线性化的电气模型，这种建模方法的好处是可以简化问题，既可以满足工程要求又可以使电流和电压的表达式在每个时间段内变为时间的线性函数，以便使其控制策略用线性电路来实现。了V匆0补。1TT3OPOF二叹口I以7CPOOC勺口JO口01TOT3T145TMIN图22分段线性化的模型曲线FIG22THECURVEOFTHELAMPMODEL根据上文对HPS灯的特性和分时段线性化模型的分析，我们可以看出用分时段线性化分析大功率250W的HPS灯的模型，其特性与MB灯有一定的差异I根据文献4“8L和在实验室里对HPS灯启动特性的研究，虽然HPS的稳态灯电流比MH灯大很多，但是实际上相同功率级250W的HPS灯的启哈尔滨工业大学工学硕士学位论文动时间大约45MIN比MH灯启动时间大约23MIN要长很多。这说明MH灯在启动过程中的平均电流变化率要远远大于FIN灯，即DI。DI_L、。_。二。，卜_，、，_。一、“、竺MH种二HPS由图21中的HPS灯的电特性曲线也可以说明了这一点在DTDT一HPS灯启动的过程中灯平均电流的变化是比较小的。因此，应用原来的分时段线性的HID模型分析和控制HPS灯时，第一段和第二段可以合成一段，即为当TE0,TO,UOS20UO,IOOUO,IOE12010,10010，其中UO,IO表示灯的瞬态电压和电流，U。和1。表示灯的额定电压和电流。瞬态电压和电流的线性表达式如下YOUOOUTO上UOTTO伦9TO二210TTO210瞬态的等效电阻211灯高很多大约业诩IOIO0BT2在额定功率的稳态状况下，MH灯的灯电压比HPS3G40V，而在这种情况下MH灯的灯电流却比HPS灯小，因此，MIA灯的等效电阻比HPS灯大此时，对于本课题研究的25OWHPS灯IOT二UOT澎25AFT100V212几矶等效电阻RT二UOTILLTU,兰澎35只LN213这种两段式的HPS灯模型，为正确的设计HPS灯的控制策略提供了有力的理沦根据。22221HPS灯恒功率控制理论HPS灯恒功率控制理论的提出根据21节对HPS灯的特性和模型的分析可以看出，在HPS灯燃点在额定功率下的时候，HPS灯可以近似等效为一个定值电阻。但是这并不代表所有哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的同功率的HPS灯在稳态燃点时都可以作为一个定值的电阻来控制，这主要是因为分时段线性化模型的假设只是对于一只特定的HID灯而言的，HID灯始终是一种非线性的物理负载，很难保证同一个厂家生产出的两只同功率的灯都有相同的电气特性，而不同生产厂家生产的同功率的HID灯的电特性更是差别很大的。例如，250W的HPS灯的额定电压可能在9011OV，因而相对的电流差别也不小，每只灯在出厂时都标明了额定的电压、电流、功率灯参数，以便于匹配电子镇流器。HID灯的这种不确定的物理特性给电子镇流器的优化设计带来很大的难度。HPS灯在燃点的过程中，灯的电特性是在不断变化的。在HPS灯中，灯的电特性受灯的冷端温度和汞齐组成的影响。当灯的功率变化时，灯的管压要随之线性变化，如图23中的直线段AC所示。该直线表征了HPS灯的功率管压特性。图中的虚线是典型的电感镇流器的特性曲线，它表示了电源和镇流器的组合能提供给灯的功率和灯的管压之间的关系。很显然，它与HPS灯特性曲线的交点就是灯的工作点。对于250W的高压钠灯，该工作点的位置近似是P,_P25OW,V1AFIOOV。由于灯和镇流器生产过程中允许存在的误差，再加上灯具有的光学特性和散热条件可能不同，HPS灯的工作点经常会发生变化。为了保证HPS灯有满意的工作特性，HPS灯工作点变化的范围是有严格规定的。250W的HPS灯的功率上限为294W,超过这一功率时，灯的寿命就要缩短。250W的HPS灯的功率下限为LSOW，低于这一功率，灯的光通量太低，而且灯的温升时间太长。四边形的两条侧边是HPS灯的两条功率一管压特性曲线。左边的边界代表了最小管压的情况，这时250W的HPS灯得管压为IOOV，当它Z作在290W和180W时，管压分别为80V和70V。灯的管压不应该比这种情况还低，否则灯的工作电流就会太大，而且可能在灯工作时镇流器提供给灯的功率不够右边的边界代表了最高管压的情况。这时25OWHPS灯的管压为147V，当它工作于290W和180W时，管压分别为115V和147V，当管压越出边界时，灯的工作就不稳定、易自息、缩短了灯的实际使用寿命。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文P阴MU户AP耸糯票口从/290W一一万25UW1HOW巨2州护凡，70V100V15V147VVO图23欧洲标准EN60662标准250WHPS灯VP特性曲线FIG23CURVEOFTHEVPCHARACTERISTICSFAR250WHPSLAMPSFIXEDEN60662上述的四边形给高压钠灯电子镇流器的设计提供了指南。在寿命期内，管压应尽可能的稳定，即使上升，也保证不超过右边边界。由于灯端温度的升高和钠的损失，工作点也要发生移动，一只新的HPS灯到老化时，灯电压的上升可以达到170，当BPS灯的灯电压上升到一定时候，镇流器给灯提供的电流就会越来越小，直到不能维持灯的正常燃点，出现“息弧”现象，重新点燃时，HPS灯又会被点燃，点燃到一定的功率和温度，又会“息弧”，这就是我们常见的路灯时亮时灭的现象，“CYCLING”是HPS灯老化的表现。在设计电子镇流器时，镇流器应该控制灯的在额定的功率上，使灯工作的特性曲线界于上、下限之间，不与上、下限相交，只有这样才会有效的防止灯的进一步老化。HPS灯在使用寿命内的灯电压不断升高而导致老化的主要原因是灯电压是由燃点时钠蒸气的压力决定的，而钠蒸气的量是由管内的温度决定的。在高温下，钠是活跃的金属原子，容易和和汞形成混合物钠汞齐，在标准的HPS灯中钠汞齐并不全部挥发为气体，多余的钠汞齐处于液态并且沉积在灯管内最冷的地方，这种混合物对温度变化非常敏感，很小的温度变化就会改变钠汞齐混合物的蒸气浓度，从而改变灯电压。原来的电感镇流器在灯的特性变化以后，长期处于高于额定功率OVERPOWER的状态下燃点，温度升高，灯两极沉积的钠汞齐很快的挥发为气体，使灯电压升高，灯功率也继续升高，这时普通的镇流器不但不能补偿灯电压的升高，反而促进了灯电压的进一步提高，加速HPS灯的老化。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文222HPS灯的分段线性控制方法通过上面的分析可以得出一些结论，在考虑电子镇流器控制策略的时候应该分为三个阶段来考虑HPS灯的启动、HPS灯的启动后到稳态的阶段和稳态燃点的阶段。从启动到稳态的阶段是一个非线性的过程，电子镇流器在这个过程中通过控制HPS灯的电流可以有效的控制HPS灯的启动特性。本课题采用的是启动过程的恒定电流控制方式，这种方法有两个优点一是HID灯的负阻特性，灯在启动过程电流不断减小，利用电子镇流器控制灯电流保持一个恒定值，有利于给灯提供充足的能量，加快灯的启动速度另外，灯电流的恒定使放电管中温度变化较小，这有利于延长灯电极的寿命。在达到稳定燃点状态后，HPS灯的特性是不断变化的，HPS的电压会随着灯的寿命而增大，其中HPS灯燃点在功率值超出额定值是导致HPS灯电压升高的主要原因。因此，电子镇流器在燃点的过程中必须监视灯电压的变化并且提供补偿，给HPS灯提供额定的功率以防止灯电压的进一步升高。根据以上分析的原理，提出IRS灯的分段控制方法，如图24所示。N,425“”马翻是C丫“口只刃叼。团日曰门护“叶反嘴脚CPL州90VTFLEVFLPSI群M图24恒功率控制方法的示意图FIG23SKETCHMAPFORCONSTANTPOWERCONTROL23HPS灯恒功率控制的实现上文提出的控制策略1在启动过程中保持电流恒定2在稳态过程中保持功率恒定在实际实现过程的控制原理为图25所示。整个控制过程都是通过MCU的变成实现的，如图中的虚线所示，其中恒流环和功率环的切换是通过检测灯电压是否到达额定值来实现的。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第3章HPS灯启动方式的研究31HPS灯启动的特性和要求HPS灯启动的过程就是通过点火产生弧光的并使之稳定的过程。为使电子镇流器的启动电路的设计更合理，有必要了解HPS灯从点火转入正常的工作的各个步骤，可以通过图31的电压一电流变化过程来表示。津法成宕苗护篇FG卜际昆巴它A旨旧_BE10亚律芳E8E6二E4。E21，100，二K彩月E10,000LAMPCURRENT图31HPS灯的点火过程FIG31THEIGNITIONOFHPSLAMPS第一步无光放电。无光放电HPS灯加电后，灯中填充的氨气必须从初始状态的非导电状态激励到导电状态AE,整个过程是人眼不可见的。本底离子化AB在大气压下沿着放电管的方向通过本地辐射把放电管中的宇宙射线、发射性矿物质等激发到一个可测量的程度，并产生微弱的电流这个微弱的电流通过电子和离子的移动达到电流的饱和，这个阶段电压上升很快BC电压达到一定后，已经到达灯管中的气体电离的程度，灯管中发生雪崩击穿汤森德放电产生微弱的辉光CD产生真正的辉光放电之前，在汤森德放电区域中的电场强度较大的地方产生电晕放电DE,，电晕放电电流较大时理论上可以叫做辉光放电，肉眼可见，而电流较小时，仍叫做无光放电电哈尔滨工业大学工学硕士学位论文压增加到一定的程度后，由于从阳极发射的原子或者光电子达到了电击穿的程度，这时就发生了电流击穿，电流从100增加到101，这时的电流只受到电源内部阻抗的限制，如果电源的内阻足够低，则灯直接转化到辉光放电阶段EF此时的击穿电压决定于电极间的距离和电极材料1491第二步辉光放电。辉光放电就像它本身的名字一样，这个阶段的等离子体是可见的。灯中的辉光可见是因为放电管中的电子能量和密度都到达到了通过碰撞激励而发光的程度。到达正常的辉光放电的阶段后，放电管中的电压几乎不受电流约束，电流增长FG的过程只是阴极等离子体的增加的过程直到阳极的等离子体覆盖了整个阴极，放电中的灯离子体浓度很高，灯管进入非正常的辉光放电阶段GH，灯电压在H点产生击穿。第三步弧光放电。灯电压击穿后，HPS灯开始进入亚辉光状态，呈现负阻特性HI，此时辉光向弧光过渡在弧光放电IK过程中，电压下降而电流上升，直到电流到达J点在此之后，灯电压随着灯电流的缓慢增加而增加。通过上面对HPS灯启动特性的分析，可以看出，HPS灯的启动是个很复杂的过程，其中有三个非常重要的要求1辉光放电到弧光放电的过渡是灯启动的难点，也是导致启动失败的主要原因。此时，需要给灯两端提供足够高的脉冲电压2LOKV和足够宽大于1微秒的脉冲宽度保证启动的可靠洛愚。苗刀9目夙TEN叩EAHAE仪图3一启动电压随灯管温度变化曲线FIG32CURVEOFVOLTAGETEMPERATUREOFTHELAMP2热灯状态时，启动BPS灯需要更高电压，如图32所示，启动电路在此时应该能自动封锁高压脉冲，待灯冷却后重新发出高压脉冲，主要是针对供电电网突然中断又立即恢复的情况一一一一盖湮裂乏汪垫尝竺盆3启动电路工作时不得对灯和镇流器中的元器件造成损害目前普遍采用的启动方式有两种基于LC串联谐振理论的启动方式和脉冲变压器启动方式。下面我们来研究一下这两种启动方式。32HPS灯的LC串联谐振启动研究322LCC负载谐振理论和仿真分析图33是一个以气体放电灯为负载的电压输入半桥逆变器，输入直流电压由工频交流市电经整流滤波和功率因数校正后获得的。功率MOSFBTQT和A在驱动电路的控制下以几十千赫兹的频率交替导通和关断，于是在负载电路的两端得到峰值为UN，的高频方波电压输出。这种电路结构的启动原理是利用LC串联谐振产生的高压启动HPS灯，并利用HPS灯启动前后阻抗特性的变化使谐振电路自然失谐达到稳定的工作状态。具体过程如下启动前HPS灯自身相当于开路状态，上电后使电源的串联电感与所串联的总电容在电源的工作频率下发生谐振，这是一种电压谐振，会在串联电容两端产生很高的电压将谐振电压设计得高于灯的启动电压。串联电容主要由C和CP组成。当CSCP时，谐振高压的主要分量出现在CP两端，同时也出现在与CP并联的HPS灯两端，只要此电压高于BPS灯的最小启动值就可以点亮HPS灯。点亮后灯端的并联电容CP被灯电弧短路，由于灯电弧的阻抗远远低于灯开路时的阻抗，使串联谐振条件被打破，电路由谐振状态开始向新的交流稳定状态过渡，依靠串联电感L的限流作用使HPS灯工作点得以稳定，根据图33的参数所示的启动过程的仿真结果如图34所示。VACS0，电压和电流的峰值表达式UTAMPF_IAINU“、II,V35图36是对1,3,5次的谐振电压和电流的仿真波形，可以着出虽然在各次谐振点上的峰值电压都可以达到很高，而高次谐波谐振的电流稍小，但这对谐振回路来说也是很大的。在实际应用中，为避免过高的电流常常选择启动时的驱动频率稍微偏离基波谐振频率，这种方法在小功率、低电压启动的荧光灯哈尔滨工业大学工学硕士学位论文中应用广泛另外一种方法就是采用软启动的思想，连续变化驱动的频率，使灯两端获得逐渐提高的高电压和大电流，镇流器是可以承受的150,511，这种方法在控制上很复杂。S一丁一“轰一A一1，/痴LAMP/一气尹尹灯咤阮ILAMI/犷”有一又二隆丰州一一月一一尸针对变压器祸合的启动方式，提出一种简单适用的SIDAC启动方式，并且在此基础之上，采用单片机的逻辑控制方法，使变压器启动方式具有完备的保护功能。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第4章HPS灯数字化电子镇流器的研制HPS灯数字化电子镇流器的总体结构图41数字化电子镇流器的结构框图FIG41BLOCKDIAGRAMOFTHEDIGITALELECTRONICBALLAST图41是以250W高压钠灯为被控对象设计的数字化电子镇流器的结构框主要包括EMI滤波电路，PFC前置电路，半桥功率逆变电路，半桥驱动4图电路，点火电路，控制核心采用MOTOROLA公司的MC68HC908KX2。启动器采用在第三章中设计的单片机控制的具有完善功能的启动器，该镇流器主要具有以下几个方面的功能1采用有源功率因数校正技术，镇流器一高压钠灯照明系统对电网无污染2采用单片机为控制核心，功率闭环的控制策略3具有负载开路、短路、灯老化智能诊断功能4具有与电力线载波POWERLINECONNNUNICATIONPLC模块通信功能整个电子镇流器电路的工作过程是由一个简单的MOTOROLA8位单片机控制并完成的，并且应用了单片机的异步串行通讯SCI技术对电子镇流器进行状态反馈和控制，为电子镇流器通过电力线载波实现网络化的监控提供了有利的平台。MOTOROLA公司推出的低成本单片机MC68HC908KX2的主要资源如下内部时钟两路PWM发生器两路辅助PWM输出，可对调制频率和占空比编程，可设置为独立方式和偏移方式，此硬件适宜作PFC控制和DAC哈尔滨工业大学工学硕士学位论文SCI串行通讯口复用，可作为与电力线载波模块PLC通信的接口内部包含192个字节的RAM,8KT的FLASHROM。温度范围宽一40125CO42EMI滤波器电磁干扰EMI滤波器采用电容和电感组成的电路结构其作用有一是将镇流器对电网中的其它用电设备的干扰减少到有关标准许可的水平二是防止其它电器设备对镇流器造成干扰。所谓的电子干扰EMI，是因为电磁波造成设备、传输通道或系统性能降低的一种电磁现象。人们常说的射频干扰RFD，实际上从属于EMI。目前电磁千扰的范围和内容不仅仅局限于高频连续波的辐射与传导干扰，同时人们更多的是要考虑各种各样的电磁脉冲EMP的干扰。