（检测技术与自动化装置专业论文）低谐波高功率因数的荧光灯电子镇流技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 低谐波高功率因数的荧光灯电子镇流技术研究 检测技术与自动化装置 鲁晔( 签名) 程为彬( 签名) 摘要 在“绿色照明 工程日益兴起的今天，节能与环保越来越多地受到了关注。荧光灯 电子镇流器作为荧光灯的配套设备，它的性能和价格已成为影响其发展与普及的两大重 要因素。本论文主要研究低成本高性能的荧光灯用电子镇流器，以便促进其发展与推广。 从荧光灯对电子镇流器的要求出发，分析了荧光灯电子镇流器的基本结构、特点以 及存在的问题，研究了荧光灯电子镇流器前后两级的基础电路，设计了荧光灯的驱动电 路和辅助电路。 针对荧光灯电子镇流器中的谐波问题，分析前后两级的谐波产生根源及特征，并分 别提出谐波抑制方法。首先，研究了前级功率因数校正电路的原理，分析了基于峰值电 流控制的断续电流模式电路中的谐波特征，提出了谐波补偿的思路和方法。应用电路仿 真，对比了补偿前与补偿后的总谐波含量，结果表明该电路不仅能提高功率因数，还可 以降低谐波含量，验证了谐波补偿方法的正确性和可行性。其次，分析了后级逆变电路 的谐波根源，提出了频谱分散的思想，以分散驱动信号在单个频率上过高的幅值，使之 分散在较宽的频带范围内，达到降低电磁干扰和谐波污染的目的。 根据仿真结果，设计了实验电路，进行了电路参数调试、试验和测试。试验数据表 明，输入级的谐波补偿技术可以降低输入电流谐波含量，防止波形失真，输出级的频谱 分散技术可以展宽频谱降低单个频率上的信号幅值。以上两种方法的综合使用，不仅提 高了电能利用率，还有效地降低谐波和电磁干扰，而且价格低廉，是推广高性价比的荧 光灯电子镇流器的一种有效技术。 关键词：荧光灯谐波抑制a p f c 谐波补偿频谱分散 论文类型：应用研究 ( 本文得到陕西省教育厅专项科研计划项目( 0 8 j k 4 1 0 ) 和西安石油大学博士创新基 ( z 0 8 0 1 8 ) 的资助) 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： s t u d yo nl o w h a r m o n i cd i s t o r t i o na n dh i g hp o w e rf a c t o re l e c t r o n i cb a l l a s t f o rf l u o r e s c e n tl a m p d e t e c t i n gt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i o ne q u i p m e n t l uy e ( s i g n a t u r e ) 幺i 垒 i n s t r u c t o r ：c h e n gw e i b i n ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t g r e e nl i g h t i n ge n g i n e e r i n g ，e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na t t r a c tm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n st o d a y t h ep e r f o r m a n c ea n dp r i c ea r e t h em o s tt w oi m p o r t a n tf a c t o r st oa f f e c t t h ed e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no ff l u o r e s c e n tl a m pe l e c t r o n i cb a l l a s t l o w c o s t h i 曲- p e r f o r m a n c ee l e c t r o n i cb a l l a s tf o rf l u o r e s c e n tl a m pi ss t u d i e di no r d e rt op r o m o t ei t s d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n b a s e do nt h ee l e c t r o n i cb a l l a s t i n gr e q u e s to ff l u o r e s c e n tl a m p ，t h eb a s i cs t r u c t u r ea n d c h a r a c t e r i s t i c sa n de x i s t i n gp r o b l e m so ff l u o r e s c e n tl a m pe l e c t r o n i cb a l l a s ta r ea n a l y z e d ，t h e b a s i cc i r c u i to ff l u o r e s c e n tl a m pe l e c t r o n i cb a l l a s ti ss t u d i e d ，a n dt h ed r i v e rc i r c u i ta n d a u x i l i a r yc i r c u i ta r ed e s i g n e dt o o i nv i e w o fh a r m o n i c so ff l u o r e s c e n t l a m p s e l e c t r o n i cb a l l a s t ，t h es o u r c ea n d c h a r a c t e r i s t i c so fh a r m o n i c si nt h ei n p u ta n dt h eo u t p u ts t a g e sa r ea n a l y z e d ，a n dt h eh a r m o n i c s u p p r e s s i o nm e t h o d sa r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e l y f i r s to fa l l ，t h ep o w e r f a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t i nt h ei n p u ts t a g ei ss t u d i e d ，t h eh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c so fd i s c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ( d c m ) 诵t hp e a kc u r r e n tc o n t r o la r ea n a l y z e d ，a n dt h e nt h eh a n n o m cc o m p e n s a t i o nm e t h o di s p r o p o s e d t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ( t h d ) w i t hc o m p e n s a t i o ni sc o m p a r e dt ot h d w i t h o u t h a r m o n i cc o m p e n s a t i o na n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p e n s a t i o nc i r c u i tc a nn o t o n l yi n c r e a s et h ep o w e rf a c t o r ，b u ta l s ol o w e rh a r m o n i cc o m p o n e n t ，t h e nt h ec o r r e c t n e s sa n d f e a s i b i l i t yo fh a r m o n i cc o m p e n s a t i o na r ev e r i f i e d t h eh a r m o n i c ss o u r c eo f t h eo u t p u ts t a g e c i r c u i ti sa n a l y z e d ，a n dt h ep r i n c i p l eo fs p r e a ds p e c t r u mi sp r o p o s e dt os p r e a dt h eh i g h e r a m p l i t u d ei ns i n g l ef r e q u e n c yo fd r i v i n gs i g n a lt oaw i d e rr a n g ef r e q u e n c yb a n d ，s oa st o r e d u c et h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n dh a r m o n i cp o l l u t i o n a c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ee x p e r i m e n t a lc i r c u i ti s d e s i g n e d ，a n dt h e p a r a m e t e rd e b u g ，t e s ta n dm e a s u r e m e n ta r ec a r r i e do u t e x p e r i m e n td a t as h o w st h a tt h e h a r m o n i cc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u eu s e di ni n p u ts t a g ec a nr e d u c et h ei n p u tc u r r e n th a r m o n i c c o m p o n e n ta n dl o w e rw a v e f o r md i s t o r t i o n ，a n dt h es p e c t r u ms p r e a dt e c h n i q u eu s e di no u t p u t s t a g ec a ns p r e a dp w ms p e c t r u ma n dr e d u c et h ea m p l i t u d eo fs p e c i f i cf r e q u e n c y i n t e g r a t i n g t h ea b o v et w om e t h o d sc a nn o to n l yi m p r o v e st h ep o w e re f f i c i e n c y ，b u ta l s or e d u c e st h e h a r m o n i c sa n de m i i ti sau s e f u lt e c h n i q u et oa p p l yt h ef l u o r e s c e n tl a m pe l e c t r o n i c b a l l a s t tt t 英文摘要 、析t l ll o wc o s ta n dh i g hp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：f l u o r e s c e n tl a m p ，h a r m o n i cs u p p r e s s i o n ，a p f c ，h a r m o n i cc o m p e n s a t i o n ， s p r e a ds p e c t r u m t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y ( t h ep a p e ri ss u p p o r t e db ys c i e n c er e s e a r c hf o u n d a t i o no ft h ee d u c a t i o nd e p a r t m e n to f s h a a n x ip r o v i n c e ( g r a n tn o 0 8 j k 410 ) ，a n dd o c t o r i a li n n o v a t i o nf u n do fx i 8 1 1s h i y o u u n i v e r s i t y ( g r a n tn o z 0 8 018 ) ) i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：纽日期：习二三二! 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：纽 导师签名：j 斗 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁了匕 1 1 绿色照明的兴起 1 1 1 绿色照明工程及其实施情况 绿色照明一中国节能产业跨世纪的战略，是指通过科学的照明设计，采用高效节电 照明产品，达到节电、保护照明环境和提高照明质量的统称，是国际发展趋势和国家现 代化的标志【l 】【2 1 。 绿色照明是美国国家环保局于2 0 世纪9 0 年代初提出的概念。完整的绿色照明 内涵包含高效节能、环保、安全、舒适等4 项指标，不可或缺。高效节能意味着以 消耗较少的电能获得足够的照明，从而明显减少电厂大气污染物的排放，达到环保 的目的。安全、舒适指的是光照清晰、柔和及不产生紫外线、眩光等有害光照，不 产生光污染。 绿色照明是系统工程，是照明节电、减少对环境污染、保护生态平衡的系统工程， 其宗旨是： 1 ) 保护环境，包括减少照明器具的污染物排放，采用洁净光源、自然光源和 绿色材料，控制光污染； 2 ) 节约能源，以紧凑型荧光灯代替白炽灯为例，可节电7 0 以上，高效电光 源可使冷却灯具散发出热量的能耗明显减少； 3 ) 有益健康，提供舒适、愉悦、安全的高质量照明环境； 4 ) 提高工作效率，这比节省电费更有价值； 5 ) 营造体现现代文明的光文化。 随着全球绿色照明工程的兴起，各国的绿色照明都已有新的发展： 1 ) 美国正在开展旨在降低生产、销售成本和扩大市场容量的“能源之星活动和“大 宗采购计划”； 2 ) 欧盟各国在开展电力需求管理活动( d s m ) 基础上，将“绿色照明计划扩展 到私人公司或团体； 3 ) 中国等发展中国家正逐步实施“绿色照明计划，近年围绕提高产品技术、质量 水平，提高节电产品认识和建立持续、高效照明产品市场三大主题工作。 1 1 2 绿色照明产品 绿色照明产品泛指能创造绿色照明环境的产品，包括新型、高效、节能电光源和配 套照明电器附件、灯具及控制器等。中国绿色照明工程现阶段重点发展和推广应用的绿 色照明产品包括： 1 ) 光效高、光色好、寿命长、安全和性能稳定的节能电光源，如细管径荧光灯、紧 西安石油大学硕士学位论文 凑型荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯及其它新型光源等； 2 ) 自耗小、省电，对环境、人体无污染和影响的照明电器附件，包括电子镇流器、 节能型电感镇流器、电子变压器等； 3 ) 光能利用率高，安全、可靠，美观、适用的照明灯具； 4 ) 传输效率高，电能损耗小，使用安全可靠的配线器材，各种调光装置，感应、光 控开关和遥控等控制器具； 5 ) 集光、电、i t 技术于一体的智能照明系统。 绿色照明，功在当代、利在千秋。目前，我国照明用电1 5 0 0 亿度( 占总发电量1 0 ) ， 约相当长江三峡电站年发电量的2 倍，缺电和照明落后成为制约经济发展的瓶颈。实施 绿色照明工程，可节电3 0 0 亿度，节约原煤1 5 0 0 亿吨，减少污染、保护环境；推动产业 结构调整和技术进步；产生巨大的社会经济效益。例如，用1 l w 电子节能灯替代6 0 w 白炽灯可节电4 8 w ，按4 小时天使用计算，年节电7 l 度，全国替换2 亿只，年可节电 1 4 2 亿度；全国家庭2 7 6 亿户( 含农村2 亿户) ，照明仍以白炽灯为主体，加上企事业、 公用设施用白炽灯，数量可观。若全部改用电子节能灯，年可节电9 3 8 亿度，超过长江 三峡总发电量，是葛洲坝水电站年发电量的5 倍，等等。 通过实施绿色照明工程，强化了人们的节能和环保意识，并取得了显著的社会效益 和保护效益。事实证明，发展绿色照明，是节能降耗和保护环境的一项重要举措，是促 进人与自然和谐、建设节约型社会和落实科学发展观的战略性措施，是功在当代、造福 子孙的大事。 综上所述，全球绿色照明已逐步兴起，绿色照明的兴起对节约用电、保护环境的节 能环保行动有着深远的意义。为了响应绿色照明的号召，本课题主要研究低成本、高性 能、节能环保的荧光灯电子镇流技术。 1 1 3 课题研究的意义 自荧光灯问世以来，人们一直采用电感镇流器和启辉器来使荧光灯工作。目前为止， 教室里的荧光灯依然使用的是电感镇流器和启辉器，这种镇流器存在许多的缺点：重量 重，体积大，占用地方多，自身损耗大及电感还会发出令人心烦的嗡嗡的噪音。另外， 它在5 0 h z 频率下工作时，灯的亮度会有一定的闪烁，这一点虽不明显但的确存在，长 期在这样的环境下工作、读书和写字，容易损伤人的视力。 与电感镇流器相比，电子镇流器具有很大的优势。工作在高频驱动下其性能和参数 会发生变化，如光效提高，寿命增加，显色改善等。 在电力电子装置中，整流器、逆变器和斩波器等都是由电力电子开关元件构成的电 能变换装置，这些装置对于电网来说都是非线性负载，它们派生出的有害高次谐波电流 注入电网，就造成了对电网的谐波污染。它和功率因数降低、电磁干扰被称为威胁电力 系统的三大电力公害。 2 第一章绪论 各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各 种故障和事故也不断发生。谐波危害的严重性也越来越多地引起了人们高度的关注。谐 波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面【3 j ： 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备 的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会 产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热：谐波使电容器、电缆等设备过 热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 3 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上 述1 ) 和2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重事故。 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致程 序丢失，使通信系统无法正常工作。 6 ) 另外，谐波的增大会消耗大量的无功功率，无功功率会造成能源的极大浪费。 电子镇流器是将工频交流电变换为较高频率的交流电，并能使一个或几个荧光灯正 常启动并稳定工作的变换器。其中整流、斩波、逆变部分都会产生谐波对电网造成污染。 实施绿色照明、节能降耗，谐波问题是必须解决的问题之一。因此，在电子镇流器 中采取有效的措施，抑制谐波，减小无功损耗，提高功率因数是研究荧光灯电子镇流器 技术的重点。 目前虽然电子镇流器的研究很多，但高功率因数电子镇流器带来了过高成本，很大 程度上妨碍了这类产品的推广应用。 在绿色照明工程的大背景下，本设计研究的目的就是充分提高荧光灯电子镇流器的 性价比，研究高性能、低成本的荧光灯电子镇流器。这对于改善教室照明有很大的意义， 对改善青少年的视力也会起到促进作用。 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪7 0 年代出现了世界性的能源危机，节约能源的紧迫感使许多公司致力于节 能光源和荧光灯电子镇流器的研究，随着半导体技术飞速发展，各种高反压功率开关器 件不断涌现，为电子镇流器的开发提供了条件。2 0 世纪7 0 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，随后一些著名的 企业都投入了相当的人力、物力来进行更高一级的研究与开发。由于微电子技术突飞猛 进，促进了电子镇流器向高性能高可靠性方向发展，许多半导体公司推出了专用功率开 关器件和控制集成电路的系列产品，1 9 8 4 年，西门子公司开发出了t p a 4 8 1 2 等有源功 率因数校正电器i c ，功率因数达到0 9 9 。随后一些公司相继推出集成电子镇流器，1 9 8 9 西安石油大学硕士学位论文 年芬兰赫尔瓦利公司又成功推出可调光单片集成电路电子镇流器，电子镇流器目前在全 世界特别是发达国家已全国推广应用。 国外的集成电路厂家结合微电子技术，又推出单片机式电子荧光灯镇流器。a t m e l 公司的a t 9 0 p w m x 系列微控制器是为电子镇流器、电源及电机控制等产品量身定做的 一个新的微控制器系列，比普通工业级i c 有更宽广的工作温度范围。a t 9 0 p w m 2 ( b ) 3 ( b ) 微控制器不仅具有电源所必备的高频、高精度p w m 、还加入了高可靠性和高灵活性的 功率控制单元p s c ，也特地为灯具行业加入符合d a l ! 协议的硬件接口。带有d a l i 接 口的可调光荧光灯电子镇流器，具有调光功能，可调节的功率范围为2 0 o , - , 1 0 0 ，由m c u 来完成高频p w m 和p f c 控制，因而成本较低、可靠性较高，功率因数、e m i 各方面也 可以满足相应的要求。据资料记载采用计算机网络照明调光控制系统，可以使建筑物照 明节能效果达3 0 以上，并利用计算机可以实现照明效果的控制，以实现更复杂，更智 能的控制系统。因此带有智能通信接口的可调光电子镇流器必定是未来电子镇流器的发 展方向和市场主流。 我国对电子镇流器的研究开发起步较晚，技术起点低，早期对这一产品的难度和复 杂性认识不足，专用半导体器件开发未跟上，产品质量过不了关，而且市场极不规范， 大量的低价劣质品被抛向市场，使消费者蒙受损失，严重损害了电子镇流器的形象。2 0 世纪9 0 年代后期，由于生产水平有了迅速发展和提高，从电路设计到电子器件的配套都 进入了较成熟阶段，优质产品进入建筑工程，随着我国绿色照明工程的实施，为电子镇 流器推广应用铺平了道路，国产电子镇流器必将迅速赶上国际先进水平，在竞争的国际 市场中占有一席之地。 我国目前虽然是照明电器生产和出口的第一大国，但产品总体水平差，档次低。虽 然我国小功率( 3 1 8 w ) 节能灯电子镇流器几乎全部取代了电感镇流器，但是节能灯的 电子镇流器是依靠低价位促销的，产品仍然存在质量较差和使用寿命较短的问题。在 1 8 5 8 w 的荧光灯中，电感镇流器仍占主导地位。 1 3 课题主要研究内容 在绪论这个章节中，主要介绍了“绿色照明”工程和本课题的研究的目的及意义， 以及国内外的研究现状。 综上所述，低成本、高性能的荧光灯电子镇流器的研究是十分必要的。本课题正是 基于低成本的要求，研究低谐波、高功率因数的荧光灯电子镇流技术。论文在第二章分 析了荧光灯的特性，荧光灯电子镇流器的设计要求及其结构特点。 第三章介绍了荧光灯电子镇流器的基础电路，分为前级a c d c 电路和后级d c a c 电路，以及辅助电路三个部分。 第四章分析了功率因数校正的原理，设计了基于u c 3 8 4 2 芯片的a p f c 电路，并对 所设计的电路进行了仿真分析和实验调试，给出了仿真结果和实验结果。分析了峰值电 4 第一章绪论 流型a p f c 电路工作在断续电流模式时的谐波问题，并针对其谐波含量较高的缺点，提 出了一种谐波补偿的方法，通过仿真分析和实验调试，达到了降低谐波的目的，验证了 方法的可行性和实用性。 第五章分析了输出级的谐波及电磁干扰的问题，应用频谱分散的方法抑制了谐波， 降低了电磁干扰。对所设计电路进行了仿真分析和实验调试，给出了仿真结果和实验结 果，达到了抑制谐波、降低电磁干扰的目的。 第六章对文中所提出和研究的各项技术进行了总结并对此课题的进一步研究做了展 望。 西安石油大学硕士学位论文 第二章荧光灯电子镇流技术 2 1 荧光灯的构造及其特性 2 1 1 荧光灯的结构及原理 家庭及工业照明用荧光灯( 俗称日光灯) ，是一种低压汞蒸气放电灯，其大部分光是 由放电产生紫外线激发管壁上的荧光粉涂层而发出来的。核心部件是管形玻壳和灯丝， 管内壁涂卤磷酸钙荧光粉，管内充惰性气体( 氩) 和低压汞蒸气，灯丝( 阴极) 涂能发 射电子物质。 荧光灯的工作原理：管中的汞蒸气在电场作用下放电，在放电过程中，汞原子的价 电子不断的从原始状态被激发成激发态，同时由激发态自发的返回到基态，将价电子的 位能转换为电磁辐射能，并辐射出紫外线。涂抹在玻璃管内壁上的荧光粉吸收紫外线， 把它转换为可见光。荧光粉不同，发光的颜色不同，这种现象成为光致发光。荧光灯之 所以能发光、起到照明作用，就是建立在气体放电和光致发光的基础之上的。 2 1 2 主要特性 a 负阻特性 由于荧光灯工作在弧光放电状态，因此它的管电压和管电流间呈负阻特性，管电流 增加时，管电压下降：反之亦然。典型的荧光灯电压一电流( ) 特性曲线如图2 1 所 示，阻抗曲线如图2 - 2 所示1 4 1 。 电 l l 蹦 ；i ， v bj 图2 - 1 电压- 电流特性曲线图2 - 2 阻抗曲线 当施加在荧光灯两端的电压低于触发启动电压( v 嘶k e ) 时，灯管呈高阻关断状态， 灯中没有电流通过。一旦外加电压达到了点火电压值，灯则导通，并且其两端电压急剧 下降，然后略有升高，最后进入稳定工作状态。在这一过程中，阻抗曲线和电压曲线是 一致的。在稳定工作状态下，当荧光灯的工作电流上升时，灯管压降下降，呈现负阻特 性。如果由低阻抗的电压源供电，任何小的灯管电流上升将导致管压降下降，从而引起 灯管电流继续上升，最终引起灯管损坏。因此必须外接具有限流作用的镇流器，使灯电 流稳定在额定值，并且使灯两端的导通电压降( v o n ) 也基本保持不变。荧光灯在稳态 条件下，可以等效为两个背靠背的稳压二极管与一个恒定不变的电阻相串联，在交流电 6 第二章荧光灯电子镇流技术 压下，不论正负半周都可以导通工作。 b 荧光灯光效随频率的变化 荧光灯的触发启动电压和正常工作时灯两端的电压降与灯管长度、灯管直径，灯管 内填充气体的种类、气压，温度以及电极种类( 是冷阴极还是热阴极) 等因素有关。荧 光灯点火启动电压一般为5 0 0 v 一1 2 0 0 v ，灯点燃后稳定工作电压降一般为4 0 v - 11 0 v 。电 感式荧光灯般工作在工频5 0 或6 0 h z 。 实验证明【5 】，随着气体放电灯供电频率的增加，灯管的发光效率也会相应得到提高。 工作频率为2 0 k h z 时的发光效率要比6 0 h z 供电频率下的效率提高1 4 ，当荧光灯工作 的频率超过2 0 k h z 时，发光效率基本保持不变。比5 0 k h z 更高的频率，光效先是减少， 而到5 0 0 k h z 时又增加。对于t 8 和t 1 2 荧光灯而言，工作频率以2 0 5 0 k h z 为最佳，这 也是目前荧光灯电子镇流器的工作频率范围。在对荧光灯的研究中，可以看到，荧光灯 高频工作时，灯的特性有以下几点明显的变化： 1 ) 当工作频率升高时，灯的特性逐渐变成电阻性的，灯的电压和电流波形都接近正 弦波。 2 ) 在工作频率大于2 0 k h z 后，灯的光效比5 0 ( 6 0 ) h z 时明显提高。 2 1 3 荧光灯镇流技术 鉴于荧光灯以上的特点，需要有一个装置来点燃和控制它，这个装置就是镇流器。 为了提高荧光灯的发光效率。减少电能的损耗，消除噪声和频闪，人们设计出了各种各 样的镇流器，主要有电感式镇流器、电子式镇流器等。 1 ) 电感式镇流器 电感式镇流器是使用最早，也是目前我国应用最多的一种镇流器，它是由一个或两 个绕在铁心上的线圈组成铁心线圈电感，与荧光灯管串联后，接在供电电源上，电感式 镇流器由于具有结构简单，制造工艺简单，成本低，寿命长，安全可靠，使用方便等优 点，因而得到了广泛的应用。 电感式镇流器的主要缺点是自身功率损耗较大，在电源电压较低时灯起动困难或不 能起动，熄弧，灯输出功率降低，有频闪，功率因数较低等。 由于电感式镇流器应用广泛，在我国相当长的时间内还不可能被淘汰，因此，如何 提高电感式镇流器的性能，降低损耗，是目前要解决的重要课题之一。提高电感式镇流 器的性能，减少功率损耗的主要办法是改进铁心设计。最早的铁心为e 型，其功耗较大， 经测试，2 0 w 、3 0 w 和4 0 w 的荧光灯的损耗分别占灯功率的5 0 、2 6 和2 3 ；1 0 0 w 、 2 5 0 w 和4 0 0 w 钠汞灯的损耗分别占灯功率的1 5 、1 2 和1 0 。由此可见，灯的功率越小， 镇流器损耗所占的比例越大。据国外资料报道，4 0 w 荧光灯用的电感式镇流器已将自身 损耗降到了3 5 4 0 w ，国内的研究也已证明，完全可以将现有损耗降低3 0 5 0 。 2 ) 电子式镇流器 7 西安石油大学硕士学位论文 电子式镇流器是一种高频谐振逆变器。它的基本工作原理是：将2 2 0 v 、5 0 h z 的交流 电整流滤波后，输入高频谐振电路，得到2 0 5 0 k h z 的高频交流电推动荧光灯工作。这类 镇流器具有耗能少、起动电压低、功率因数高、无频闪和噪声、体积小、重量轻的优点， 还可以提高荧光灯的发光效率，是一种较为理想的镇流器。但是，这种镇流器结构复杂， 价格较高，超负荷或非正常运行时容易损坏，有较严重的射频干扰和电磁辐射干扰，影 响电子仪器、自动化电子设备、电子计算机等的正常工作，还会对电网造成污染。这些 缺点都限制了它的普及和推广。 2 2 荧光灯对电子镇流器的基本要求 电子镇流器是将工频( 5 0 h z 6 0 h z ) 交流电变换为较高频率的交流电，并能使一个 或几个荧光灯正常启动和稳定工作的变换器，基本原理是用电子元器件组成高频变换电 路。先将照明交流电源整流变成直流电，再由逆变器变为高频交流电，由振荡电路产生 2 肛5 0 z 的高频电压去启动和点亮荧光灯，经调整可正确与灯匹配，满足不同功率灯 管的启动电压、灯电压和灯电流，达到正常工作。 当荧光灯与电子镇流器配套工作时，为保证荧光灯可靠启动和正常工作，对灯的性 能不造成损害，荧光灯电子镇流器必须具备以下主要功斛6 】： 1 ) 给灯两端提供一个足够高的启动电压，使灯点火成功。目前大多数电子镇流器是 通过l c 串联谐振电路发生串联谐振产生高压脉冲，施加于灯管两端将灯启动点燃的。 2 ) 在灯点火之后，为灯提供一个大小合适而且稳定的工作电流。灯电流若高于其额 定工作电流，会影响灯的使用寿命。但若灯电流偏小，则会影响灯光效。 3 ) 必须将电流谐波含量控制在标准规定限值之内，以防止对电网造成严重污染，并 获得高功率因数。如果电子镇流器不采取谐波滤波和p f c 措施，输入电流波形会出现严 重畸变。过高的电流谐波含量会使交流供电电源的中线电流增大，引起中线超负荷，影 响电力系统的安全经济运行。尤其是当电子镇流器在商场这类公共场合密集使用时，往 往会使电子镇流器出现成批损坏，甚至会引起火灾。同时，谐波含量还与线路功率因数 密切相关。 4 ) 必须具有较高的安全性和可靠性。尽管电子镇流器较电感镇流器有许多突出的优 点，但是如果其安全性和可靠性没有最基本的保证，也将失去其实用价值。主要包括： 设计灯开路、短路、过载等异常状态的保护功能；所用零部件有良好防潮、防腐性能； 所用绝缘材料应有足够耐热、耐火性能，并符合安规要求；达到耐久性试验要求等。 2 3 荧光灯电子镇流器的基本结构、特点及其发展 荧光灯交流电子镇流器采用电子电路代替传统的电感镇流器和辉光启辉器。由于电 子镇流器在2 0 k h z 以上的频率上工作，电感元件的尺寸和重量可以大幅的缩减。 8 第二章荧光灯电子镇流技术 2 3 1 荧光灯电子镇流器的基本结构 电子镇流器主要由e m i 滤波器、整流电路、功率因数校正电路、逆变电路和谐振电 路组成，其结构框图如图2 3 所示。 2 2 0 v 市电 输入 图2 3 荧光灯电子镇流器电路的组成框图 图2 3 中e m i 滤波器是抑制因辐射和传导所引起的电磁干扰，要求外界来的干扰不 影响电子镇流器的工作，同时来自镇流器内部的高频干扰信号也不要通过传导方式和辐 射方式对同一环境中其它无线电设备造成干扰，以便达到电磁兼容( e m c ) 。 有源功率因数校正电路可以在桥式整流器的输入端产生与交流输入电压保持同相位 的正弦波电流，使输入功率因数几乎达到l ，并提供升压的稳定输出电压。 逆变电路和谐振电路中采用控制电路控制，可以提供灯的预热启动、全方位的故障 保护乃至调光功能。 功率因数校正电路和逆变电路单元都采用集成电路加外部电路来控制。 2 3 2 荧光灯电子镇流器的优点 基于荧光灯的结构特点，为使荧光灯正常工作，必须有镇流器与之配合工作。与电 感式镇流器比较，荧光灯电子镇流器具有以下的优点【7 】 1 ) 节电效果显著，一是增加光输出，提高发光效率。二是自身功耗低。三是可以实 现接近于1 的功率因数。 2 ) 无频闪，无工频噪声。电子镇流器在2 0 k h z 以上的高频下工作，消除了工频噪 声和灯闪烁现象。避免了对人的噪声干扰和眼疲劳，增加了舒适感。 3 ) 在较低交流电源电压下可以使灯可靠启动，采用a p f c 电路的电子镇流器一般都 适应8 5 - 2 6 5 v 的全球交流线路供电电压通用输入，不会存在因电压低不能使灯管启动的 问题。 4 ) 体积小，重量轻，易于实现遥控和调光技术。 荧光灯电子镇流器的上述优点，响应了绿色照明工程的要求。尽管电子镇流器具有 诸多优点，但其价格较高，可靠性较低，故不能完全取代电感镇流器。在世界各国推行 绿色照明时，都把推广电子镇流器和高效能电感镇流器同时列入重点项目。 那么，如何在确保低成本的前提下，解决荧光灯电子镇流器中的谐波及电磁干扰问 题，是发展并推广荧光灯电子镇流器的必要条件，也是重要的一步。 9 西安石油大学硕士学位论文 2 3 3 荧光灯电子镇流器的发展及存在问题 a 荧光灯电子镇流器的发展 电子镇流器经过2 0 余年的发展，在世界各国都得到了广泛的应用。微电子技术突飞 猛进的发展，促进了高频电子镇流器性能及可靠性的不断提高。世界很多著名的半导体 厂商，都看准了电子镇流器的巨大商机，争先恐后的推出了电子镇流器专用功率开关器 件和控制集成电路( i c ) 系列产品，使电子镇流器在技术上不断地得到创新。 就电子镇流器用功率开关器件来说，不仅有高压高速双极型晶体管，而且还有各种 m o s f e t 和i g b t 等场控型功率器件可供选择，并且日益显示出其优越性。一些a p f c 控制器i c ，高压高速自振荡驱动i c ，自振荡驱动模块和集p f c 、预热启动、自振荡驱 动、可调光与各种保护于一身的i c 系列产品的不断出现，使电子镇流器的性能价格比日 益提高。 高频电子镇流器不仅用于荧光灯，而且用于高压钠灯和金属卤化物灯等高强度气体 放电灯。各种应急灯和霓虹灯电子变压器，实际上其核心是高频电子镇流器电路。 电子镇流器是一种与气体放电灯配套使用的新型节能电子产品。绿色照明产业的蓬 勃兴起，为电子镇流器的推广使用提供了良好的机遇。高频电子镇流器正在向集成化、 模块化、多功能、高可靠、长寿命和大功率方向发展，它与各种新型电光源正在形成充 满生机的新兴产业【j 。 b 荧光灯电子镇流器存在的问题 目前，虽然荧光灯电子镇流器已经取得了一定得发展，但是，还有许多关键的问题 存在，制约着其进一步发展和普及。 1 ) 高级的电子式镇流器使用了集成电路，具有较全面的抗干扰功能、谐波抑制功能、 预热延时功能、瞬时过压及异常状态自动保护功能。一只电子式镇流器还可以同时控制 几只荧光灯。但是，它的价格也很高。相当长一段时间内，还无法在我国大量推广使用。 2 ) 简单的电子式镇流器由于未采用谐波抑制、电磁兼容和异常保护措施，易造成干 扰和污染，甚至损坏荧光灯，也不易推广使用因此，提高电子式镇流器的功能，降低成 本和价格，是改进电子式镇流器的发展方向。 综上所述，低成本、高性能的电子镇流器是荧光灯电子镇流器的发展方向。 1 0 第三章荧光灯电子镇流器电路 第三章荧光灯电子镇流器的基础电路 荧光灯电子镇流器的基础电路部分是组成电子镇流器系统的主要单元电路，本章主 要介绍的基础电路包括前级a c d c 电路、后级d c a c 电路和辅助电路三个部分。 3 1 前级电路a c d c 部分 电子镇流器的前级也就是交流直流部分，这部分电路又分为输入e m i 滤波器电 路、整流滤波电路以及b o o s t 变换器电路。 3 1 1 输入e m i 滤波器电路 电磁辐射干扰( e m i ) 一般由电子设备产生，是由于电子设备内的电流、电压快速 变化产生的，电流、电压变化过程越剧烈，电磁辐射干扰( e m i ) 越剧烈。 荧光灯电子镇流器的输入级电路通常由电磁干扰( e m i ) 滤波器和过电压保护元件 ( 如压敏电阻器) 、浪涌电流限制元件( 如n t c 热敏电阻) 及过流保护元件( 如保险丝) 组成。输入e m i 滤波器在电网和电子镇流器之间起一种“隔离墙 的作用，它既阻挡了 电网对电子镇流器的电磁干扰，同时又对电子镇流器自身产生的电磁干扰起到衰减作用， 不致污染电网。 e m i 的来源既可以是外界，也可以是内部；有人为的，也有非人为的( 如闪电、太 阳黑子和宇宙噪声等) 。e m i 所造成的电磁污染和水污染与空气污染，被称为当今人类 社会的三大污染。电磁污染严重威胁电子、电气设备的安全经济运行，也是威胁人类健 康和社会生活的“黑客 。e m i 影响信号的传送、接收和处理，甚至会引起电子元器件 发生破坏性损坏。 电磁辐射干扰( e m i ) 以辐射和传导两种方式进行传播。 能量通过磁场或电场耦合，或以干扰源与受扰设备之间的电磁波形式传播，称为辐 射方式。传导方式是指e m i 能量通过电源线、数据线公共地线等产生或接收。传导干扰 有差模( d m ) 和共模( c m ) 两种类型。差模( 对称模式) 在系统两电源线( 相线和中 线) 间产生干扰电压，而与地线无关。共模( 非对称模式) 噪声在每一电源线和地线间 产生干扰电压。 目前抑制e m i 的技术措施有屏蔽、接地( 浮地、单点地和接地网) 与滤波。其中， 滤波技术是抑制传导干扰最有效和最经济的手段。由于各种干扰在系统接口处最为严重， 故e m i 滤波器均插入到电源线的入口处1 6 1 。 电感滤波、电容滤波、倒l 型l c 滤波，是滤波器的基本形式【8 】，将几种基本滤波 电路进行组合使用往往能在镇流器中达到最好的滤波效果。 在图3 1 中，三，与厶、c l 与c ：和c ，与c 。组成e m i 滤波器，用于差模一共模方式 的e m i r f i 的抑制。在元件数值上，三。= 三2 ，c l = c 2 ，c 3 = c 4 。l 1 和三2 对共模干扰信 号( 非对称干扰) 呈高阻抗，而对差模信号( 对称干扰电流) 和电源电流呈低阻抗，这 西安石油大学硕士学位论文 样就保证了对电源电流的衰减甚微，同时又抑制了电流噪声。通常三。、三：对称的绕在 同一磁芯上，这样可以在正常工作电流范围内，由于磁性材料产生的磁性互相补偿，从 而能避免磁通饱和。但是对于不对称干扰( 共模) 信号来说，这两个线圈产生的磁场是 相互加强的，对外呈现的总电感明显加大，于是，对称的干扰信号就被l 。、l ：和c l ，c ： 大大地抑制了。 图3 一l 电子镇流器输入端e m i 滤波整流电路 3 1 2 整流滤波电路 整流滤波电路的基本功能是将工频市电电源转换为直流电，以为电子镇流器中的 d c a c 逆变器电路供电。因此，整流滤波电路是一种a c d c 转换器。滤波电路的作用 是将整流后的脉动直流电压变成纹波较小的平滑直流电压。 如图3 1 中后一部分所示为全波桥式整流滤波电路。 3 1 3 单相b o o s tp f c 变换器 b o o s t 电路是直流斩波电路的一种。直流斩波电路( d cc h o p p e r ) 的功能是将直流 电变成另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流一直流变换器( d c d c c o n v e r t e r ) 。 从原理上说，任何一种d c d c 变换器拓扑，如b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、f l y b a c k 、 s e p i c 及c u k 变换器都可以用做p f c 变换器的主电路。但是由于b o o s t 变换器的特殊优 点，如输入端有大电感，输入电流可以