（电力电子与电力传动专业论文）400w高压钠灯高频电子镇流器的研究.pdf

a b s 仃a c t a st h ei m p l e m e n to fg r e e n n e s s1 i g h t i n gp r o je c t s ，i ti sf b c u s i n ga t t e n t i o nu p o n a p p l y i n gt h en e wp o w e re l e c t r o n i c t i c st e c h n o l o g i e sc o m p r e h e n s i v e l yf 【) re l e c t “c l i g h t i n g s o j tw i l lb en e c e s s a r yt os e e ks o m e l i g h t i n ge q u i p m e n t sw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so f g r e e n n e s s ，h i g h 1 u m i n o u s e f f i c i e n c y ，l o n g1 i f e ，g o o d c o l o u r r e n d e r i n g ，a n d s oo n h i 曲p r e s s u r es o d i u m ( h p s ) h a st h eh i g h t e s tl u m i n o u s e f n c i e n c yi nm u l t i t u d eo fl i g h t i n gs o u r c e s ，a n da l s oh a sl o n gl i f e 撂o o dc o l o u r r e n d e r i n gg o o dq u a l i t i e s ，i ti s s o c a l l e dt h et h i r dg e n e r a t i o nl i g h t i n gs o u r c et o r e p l a c et h et r a d d t i o n a lo n e s i t ，h o w e v e r ，h a ss o m ed e n c i e n c i e s ，s u c ha sl o wp o w e r f a c t o r ，l o wl u m i n o u se m c i e n c y ，l a f g ev 0 1 u m ew h e ni ti ss u i t e dt ot h ec o r e c o i l b a l l a s t ，i th a sn o ts a t i s n e dw i t ht h en e e d so fg r e e n n e s sl i g h t i n ga n de c o n o m i z e e n e r g yi ns u c ha na p p e a l i n gt os a v ee n e r g yt i m e s oi ti st i m et od e s i g no n ek i n d e l e c t r o n i cb a l l a s tw i t ht h ec h a r a c t e “s t i c so fh i g hp o w e rf a c t o r ，h i g hl u m i n o u s e m c i e n c y ，s m a l lv o l u m ea n dh i g he l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) t os u i t et o t h eh p s ，a n dt h i st r e n dw i l lb eo n ed i r e c t i o nw i t hm o r ef - o r e g r o u n d t h i sp a p p e ri s b a s e do nt h er e l a t i v e l yd e t a i l e dt h e o r ya n a l y s e so ft h ep “n c i p l e sa n ds t r u c t u r e so f d i s c h a r g ev a p o u rl a m p ，e l e c t r o n i cb a l l a s ta n di t se m cd e s i g n ，a n dp u t sf b r w a r do n e k i n dp r o je c td e s i g n e df b re l e c n o n i cb a l l a s ta n da l s og e tf h r t h e rv a l i d a t i o n si ns o m e e x p e “m e n t s i ta l s om a k ew i t hs o m es u m m a r i z a t i o n sa n dp r o s p e c t sf o r t h e a p p l i c a t i o no fh p se l e c t r o n i cb a l l a s ta n df u r t h e rs t u d yo ni t t h em a i nc o n t e n t so f s t u d i e so nt h i s “n de l e c t r o n i cb a u a s ti nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf 0 1 l o w ： 1 s o m ed e e p l ya n a l y s e so ft h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fd i s c h a r g e v a p o u rl a m p 2 s o m ea n a l y s i s 锄dc o m p 撕s o n sb e t 、v c e nd i 丘b r e mt o p 0 1 0 9 ys t m c t u r e so fh p s e l e c t r o n i cb a l l a s t ，i t sc o n t m l em e m o d s ，c 印a b i l i t i e sa 1 1 ds p e c i a l t i e s ，a 1 1 dm e no n e d e s i g ns c h e m eo fh i 啦f e q u e n c ye k c 虹i cb a l l a s ti sp u tf o 州a r df o rh i g h e rp o w e r h p s 3 s o m es t u d i e so nt h es o u n dr e s o n a n c em e c m i s mo fh p s a i l do n es c h e m ei s b m u g h tf o l w a r dt oa v o i d i n gs o l l n dr e s o n a n c eo fm 曲e rp o w e rh p s ，t h a ti s ，u s i n g s 、v i t c hc a p a c i t a n c em e t h o dt oc o m r o lt h et u b ec u r r e n t i ti sp r e f e r a b l l yv a d i d a t e d c o m p a r a t i v e l yi ns o m ee x p e r i m c m s 4 d e s i g n o n en e wk i n do f 培n i t ec i r c u i t ，t h ec o n t r 0 1 e p u l s et r a n s f o r m e r ， t h r o u g hs t u d y i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh p si nc o l da n dh e a tc o n d i t i o n ，i t 1 e a v eo u ts o m ei n s u l a t em e a s u r e sb e t w e e nt h es t r o n ga n df e e b l es i g n a l sa n d a i s oc a np r o t e c th p sf r o mb e i n gi g n i t e df r e q u e n t l yi na b n o r m a lc o n d i t i o n s 5 ，s o m et e c h n i c sm e t h o d st oi m p r o v et h ee m co fe l e c 仃o n i cb a l l a s ta r eb r o u g h t f o n v 脚血m u 曲s t u d yo ni t se m c ，i ta l s oh a ss o m ei n s t m c t i v e tm e a l l st od e s i g n l l i g h c rp o 、v e rh p s e l e c t r o l l i cb a l l a s t 6 s o m en e c e s s a r yp m t e c t i v em e a s u r e sw i t hh i g h e rp o w e rh p se l e c t r o n i cb a l l a s t t h r o u 曲a n a l y z i n gt h eb a dr u i lc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gl o wv 0 1 t a g e ，o v e r h e a t e d ，o v e r c u r r e n t ，d e f 色n dt 1 1 u n d e r ，e t c k e yw o r d s ： h i g hp r e s s u r es o d i 啪，e l e c 订o n i cb a l l a s t ，p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，s o l l t l dr e s o n a l l c e 图l 一2 图l 一3 幽2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图3 1 图3 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 一】o 图4 1 1 图4 一1 2 图4 1 3 图4 一1 4 图4 1 5 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 插图清单 气体放电伏安特性曲线 气体放电灯在稳态下的等效电路 h p s 灯电子镇流器原理方框图 三级式电子镇流器框图 两级式的电子镇流器框图 单级式的电子镇流器框 低频调制方法的控制信号 全桥拓扑结构 变频和变幅值调制的控制回路框图 变频控制的电流波形 变幅值控制的电流波形 白噪声调制的控制回路框图 差模和共模 气体放电灯的光效随工作频率变化的曲线 h p s 灯电子镇流器方框图 电子镇流器e m i 整流 典型逐流电路拓扑 逐流电路电压电流波形 高频反馈充电式p p f c 电路 高频反馈充电式p p f c 电路进线电压和电流 b o o s ta p f c 原理图 整流电压v d 。与电感电流i l 和输入电压电流波形 a p f c 不同控制方法的电流电压波形一 临界断续导电模式 b o o s t 型电路基本原理图 f a n 7 5 2 8 b 的内部结构框图 基于f a n 7 5 2 8 b 的4 0 0 wa p f c 控制器设计 l c r 串联谐振电路 半桥驱动器i r 2 1 5 5 半桥逆变主电路 启动等效电路 启动电路 启动电压波形 短路保护电路 欠压保护电路 可变频率驱动 镇流器的输入电压电流波形 半桥输出电压波形 可变频率驱动时的灯电压电流波形 高压钠灯正常工作时局部电压电流波形 _ “j m h h h”鸵丝拍拍”船四凹”引弘”弘铊北豁钙牝钉鹌如如 表格清单 表l l 常用电光源的发光光效和色温数值2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究i 作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金罡工些盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的利料。与我一同r ：作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签瓣日吣月f 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒月巴些盍堂有关保留、使爿j 学位论文的规定，有权保留并响 国家有关部门或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒墨王些盘 当兰一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印戚卡j 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一铂确一：摊 签字日幼f 年6 月7 日 【：作单位 通讯地址 签字日剃砌詹彳月1 7 日 电话 邮编 致谢 时光荏苒，三年的研究生生活即将结束，回想在能源所学习的f = f 子，无时 没有老师的关心和同学的帮助，这使我的学业得以顺利完成，在此论文完稿付 印之际，我将要由衷地对他们的关心和帮助表达我最诚挚的感谢。 首先我要感谢我的导师孙佩石老师，在这三年的生活、学习、科研过程中， 受到了孙老师的悉心的指导和亲切的关怀，他为我的学业完成提供了有力的保 障，孙老师的渊博知识、一丝不苟的工作作风，使我受益匪浅；同时他良好的为 人，也深深感染教育了我，使我。生受益并时刻铭记。在此我衷心的感谢孙老 师。 感谢苏建徽老师、张国荣老师和茆美琴老师的无私帮助和精心指导，并提 供了丰富的实践机会和良好的实验条件，使我的课题研究能够顺利进行，并取 得一定的成果。他们知识渊博、治学严谨、诲人不倦，待人诚恳豁达，在学术 和为人方面都为我作出了良好的榜样。我每一点滴的进步，都是在诸位老师的 悉心指导和辛勤栽培f 取得的，在此，我向他们表示最真挚的感谢。 我还要真诚地感谢杜雪芳老师、杜燕老师和刘翔老师，在整个课题研究过 程中，他们在很多方面给予了我关心和帮助，为课题的顺利进行作出很大贡献。 在论文的撰写过程中，他们也为我提供了很多资料和修改建议。为此我要对他 们说一声谢谢! 我还要感谢几位研究生同学，他们是博士研究生王飞、郑诗程、汪海宁、 鞠洪新，以及硕士研究生齐发、朱小强、张志刚、任祖德、吴杰，谢磊、叶爱 芹、杜凤付、魏刚、黄嫒。他们都曾帮助过我。正是大家的共同努力、激烈研 讨，彳使研究有所成果。 最后，将这篇论文献给我的大伯、父母、哥嫂。十多年来，他们给我最大 最多许多的安慰鼓励，他们给了我奋斗前进的最有力的支持，其中感激无以言 表。希望能够阻此文回报他们的养育之恩和关爱之情。 当我站在一个终点时，才发现我只是在一个起点，路漫漫其修远兮，吾将 上f 而求索。我愿在未来的学习和工作中，将以更大的热情和更加丰厚的成果 来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老师、同学、朋友和亲人。 作者：马志保 2 0 0 5 年6 月 第一章绪论 1 1 灯光源的发展及相关原理知识 照明技术就是光的应用技术。电光源按发光原理大体上可以分为：热致发 光光源( 如白炽灯、卤钨灯等) 、气体放电发光光源、固体发光电光源三种。其 中热致发光光源制作简单，成本低，却效率很低，一般约1 1 左右，能量多是 以热能得形式消耗掉了。固体发光电光源( 如发光二极管、等离子体发光器件 等) 虽然发光效率或光强度高，但是目前不能做到大功率化( 如上百瓦的，近 来据报道l u x e o n ( 飞利浦与h p 合资) 的白光发光二极管亮度每瓦达6 0 流明， 输入功率在1 0 w ) ，同时由于成本等因素，当前使之市场化、规模化很困难，还 有待时日。气体放电发光光源，如荧光灯、金属卤化物灯、汞蒸气灯、高压钠 灯、低压钠灯，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( m e t a lh a l i d e ) 和高压钠灯( h p s h i g hp r e s s u r es o d i u m ) 属于高压气体 放电灯，即高强度气体放电灯( h i d h i 曲i n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p ) 。 荧光灯( 1 9 3 8 问世) 是一种充有氩气的低压汞放电灯，发光效率和寿命约 为白炽灯的两倍。荧光灯灯管发光均匀、亮度适中，光色柔和，是理想的室内 照明灯。荧光灯有负阻性质，必须和具有限流作用的镇流器串联使用，以防止 工作电流过高损坏灯管。荧光灯汞蒸气压力较低，工作温度不高，气压变化也 小，启动和工作时灯管阻抗变化较小，因此镇流器较简单。与白炽灯相比，荧 光灯及其它种类的气体放电灯大大提高了照明系统的发光效率( l u m e n sp e r w a t t ) ( 表1 一1 ) ，因此能节约大量电能。 但是其与后继发明的高强度气体放电灯相比还是相逊一筹的。金属卤发物 灯是由汞灯演变而来的，灯管内加入了卤盐( 铟、铊、钪、典化钠等) ，使汞 蒸气浓缩，发光效率较汞灯大为提高；同时增加了红光和黄光成份，使光色接 近白炽灯，常用于室内照明和影视照明。汞灯因其光色中的兰光较重，已逐渐 被光色质量好，发光效率更高的高压钠灯和金属卤化物灯取代，因此h i d 灯 亦即高压钠灯和金属卤化物灯的泛称。高压钠灯工作介质是金属钠蒸气，光管 内充以惰性气体氙，光管内部压力为每立方厘米o 1 4 k g 0 2 8 k 岛比标准大所压 低，规格有3 0 w 1 0 0 0 w 。一般讲，光管内介质压力越大，发光强度越高，所 谓高压是相对而言的，荧光低压灯，其灯管较大，内压较低；高压放电灯管极 小，内压和发光强度都极高。 近年来又开发出高显色高压钠灯，显色指数8 0 左右，寿命8 0 0 0 h 。金属 卤化物灯也由于能兼具光效高和光色好的优点，由于制造工艺的提高，使光源 性能有了极大的提高，其中3 5 w 1 5 0 w 规格的小功率金属卤化物灯已广泛地 应用到室内照明和高档汽车前照灯。 第一章绪论 1 _ l 灯光源的发展及相关原理知识 照明技术就是光的应用技术。电光源按发光原理大体上可以分为：热致发 光光源( 如白炽灯、卤鸽灯等) 、气体放电发光光源、同体发光电光源= 种。其 中热致发光光源制作简单，成盘低，却效率很低， 般约1 l 左右，能量多是 以热能得形式消耗掉了。固体发光电光源( 如发光二极管、等离子体发光器件 等) 虽然发光效率或光强度高，但是目前不能做到大功率化( 如上百瓦的，近 来据报道l u x e o n ( e 利浦与h p 合资) 的白光发光二极管亮度每瓦达6 0 流明， 输入功率在1 0 w ) ，同时出于成本等因素，当前使之市场化、舰模化很困难，还 有待时日。气体放电发光光源，如荧光灯、金属卤化物灯、汞蒸气灯、高压钠 灯、低压钠灯，荧光灯和低压钠灯属于低压气体放电灯，而汞蒸气灯、令属卤 化物灯( m e t a lh a l i d e ) 和高压钠灯( h p s i i i g hp r e s s u r es o d i u m ) 属于高压气体 放电灯，即高强度气体放电灯( h i d i i g hi n t e n s i t yd i s c h a 增el a m p ) 。 荧光灯( 1 9 3 8 问世) 是一种充有氩气的低压求放电灯，发光效率和寿命约 为白炽灯的两倍。荧光灯灯管发光均匀、亮度适中，光色柔和，是理想的室内 照明灯。荧光灯有负阻性质，必须和具有限流作用的镇流器串联使用，以防止 工作电流过高损坏灯管。荧光灯汞蒸气压力较低，工作温度不高，气压变化也 小，启动和工作时灯管阻抗变化较小，因此镇流器较简单。与白炽灯相比，荧 光灯及其它种类的气体放电灯大大提高了照明系统的发光效率f l u m e n sp e r w a ( 表11 ) ，因此能节约大量电能。 但是其与后继发明的高强度气体放电灯相比还是相逊一筹的。金属卤发物 灯是由汞灯演变而来的，灯管内加入了卤盐( 铟、钻、钪、典化钠等) ，使汞 蒸气浓缩，发光效率较汞灯大为提高；同时增加了红光和黄光成份，使光色接 近自炽灯，常用于室内照明和影视照明。汞灯因其光色中的兰光较苹，已逐渐 被光色质量好，发光效率更高的高压钠灯和金属卤化物灯取代，因此h 】d 灯 亦即高压钠灯和金属卤化物灯的泛称。高压钠灯工作介质是金属钠蒸气，光管 内充以惰性气体氤，光管内部压力为每立方厘米o 1 4 k g o 2 9 k 舀比标准大所压 低，规格有3 0 w 1 0 0 0 w 。一般讲，光管内介质压力越大，发光强度越高，所 谓高压是相对而言的，荧光低压灯，其灯管较大，内压较低；高压救r b 灯管极 小，内压和发光强度都极高。 近年来义开发出高显色高压钠灯，显色指数8 0 左右，寿命8 0 0 0 h 。金属 卣化物灯也由于能兼具光效高和光色好的优点，由于制造工艺的提高，使光源 性能有了极大的提高，其中3 5 w i5 0 w 规格的小功率金属卤化物灯已广泛地 应用到室内照明和高档汽车前照灯。 应用到室内照明和高档汽车前照灯。 在这些电光源中，高压钠灯的光效是最高的，而且其还有寿命长( 长= 达 2 4 0 0 0 小时) 、光色好、光穿透性强等优点。被称为第三代的灯光源来替代传统 灯光源，已逐渐被广泛应用于广场、道路、码头、铁路、矿山等室外火面积照 明系统。 热辐射光源气体放电光源同体发光电光源 白炽卤钨 低显色高压金属 低压高压发光二极等离子体 光源荧光汞荧光卤化 灯灯钠灯钠灯管 发光器件 灯汞灯物灯 发光 1 5 6 0 效率1 0 2 0 5 0 7 5 8 0 1 3 0 ( 1 3 0 0 3 5 0 6 6 7 8 ( 1 m 2 03 36 08 51 3 01 5 01 0 0 0 09 0 0 c d m 2 w ) c d m 2 ) 【2 】 色温 2 8 0 0 3 0 0 04 5 0 0 2 0 0 0 2 9 0 0 2 9 0 0 4 5 0 0 3 0 0 01 2 0 0 0 ( k ) 3 0 0 0 6 5 0 0 2 9 0 0 3 2 0 0 6 5 0 02 4 0 0 表1 一l常用电光源的发光光效和色温数值 注： 1 l m w 为光源每消耗1 瓦功率所要发出的流明数，即光效。 2 】c d m 2 为1 m 2 的均匀 发光表面的垂直方向( 即表面法向) 的发光强度，c d m 2 = l m ( m 2 s r ) ( s r 为球面度) 。 3 】 光源的色温是指一个光源的光色与加热到绝对温度x 开尔文( k ) 的黑体所发出的光色相 同，这个光源的色温就是xk ，通常自然光是5 0 0 0 2 8 0 0 0 k 。 1 2 气体放电灯的原理和特性 1 2 1 气体放电灯的原理 气体的放电发光，实际上就是由于气体原子在一定的高电压下被电离、激 发所引起的放电现象。玻璃容器中发生气体放电时，在放电空间中产生的电子 和正离子在电极间电场的作用下，向阳极( a ) 和阴极( k ) 漂移而形成放电电 流。放电管的两端的管压降与放电电流的关系称为气体放电的伏安( v i ) 特性 ( 如图1 2 所示) 。 在图1 2 中，当在放电灯的两个电极之间施加足够高的电压时，灯中填 充的惰性气体将从初始的非导电状态激励到导电状态。将开始进入i 区( 盖革 区) ，此时放电管两端所加电压较低，电流是脉冲式的。由于电流密度较小，不 能达到所要求的放电状态。要进入放电状态，还必须增加两极间电压以增大极 间电流。随着极间电压逐渐升高，就有越来越多的电荷从一个电极到达另一个 电极，此时电流迅速增加，而电压不变，达到饱和，放电进入汤森德放电阶段。 电流增大，即进入i i 区( 汤森德放电区) 。然而，在此区域电压非常小的上升将 导致电流的急剧增长。当电流增加到如图1 2 中所指的“电流击穿”点时，弧光 放电变为自持的了，但放电电流可能增加了几个数量级。从汤森德放电到电流 击穿的转换过程就是从辉光到弧光的转化过程。此时，放电的发光很微弱，此 阶段放电灯两端电压比较稳定。故称为自持暗放电区( i i i 区) 。随着电流的不 断增加，放电灯两端电压将急剧下降，该现象称为电压击穿( 区) 。电压击穿 后，灯开始进入亚辉光放电，呈现负阻特征。随电流的增加，灯电压反而卜- 降， 这就是弧光放电。弧光放电电流一般在0 1 a 以上。放电时，管内出现明显的弧 光，阴极温度迅速升高。弧光放电是热阴极放电，在此之前的放电形式都属于 冷阴极放电。冷阴极辉光放电与热阴极弧光放电相比，由于前者存在着高的阴 电流击穿电压击穿 电流( a ) 图1 2气体放电伏安特性曲线 极位降，因此，在两种放电保持同样的光输出条件下，前者所需功率约为后者 的两倍。前面所述的几种气体放电灯都是工作在热阴极弧光放电区。霓虹灯一 般采用冷阴极正常辉光，即正阻区( v 区) 放电形式工作。高压钠灯( h p s ) 二作在弧光放电区域。 1 2 2 气体放电的伏安( v i ) 特性 由图1 2 可见气体放电灯的伏安特性具有明显的非线性，气体放电在弧 光放电区域有一重要特性：电压击穿后，灯开始进入亚辉光放电，呈现负阻特 性，即灯电流增大时，灯压降减小；反之则反。其伏安特性也因而称为负伏安 特性。此时灯可以等效为两个背对背的齐纳二极管与一个电阻的串联( 如图1 3 所示) ，齐纳二极管的电压均等于放电灯工作电压。当电压升到可以击穿齐 纳二极管时，才会产生弧光。 气体放电负伏安特性的出现，其机理是：在图1 3 所示的区域内，当电 一a ) 础l 审 流，增加时，电子一正离子对产生的速率将高于损失速率，从而使放电不稳 图l 一3气体放电灯在稳态下的等效电路 定。为了维持放电的稳定，只有当电流j 增大时，设法减少电子的电离碰撞次 数来减少电离量，亦即设法降低电子温度。这必须使电子在电场中获得的输入 能量减小，即要降低沿管轴方向的电场强度，而轴向电场强度的降低，意昧着 管压降的降低。正是这种原因使放电产生了放电电流增加而管压降反而减小的 负阻特性。 所以为使之放电稳定，工作在正常工作区，使整个系统为正伏安特性，而 获得其恒功率特性，就必须在放电管两端串联稳流( 弧) 装置，才能获得稳定 的电流和电弧。这种装置被称为镇流器。 1 3 电予镇流器的应用和发展 1 3 1 电子镇流器的应用 如前所述，高压钠灯必须和镇流器相串联才能稳定工作。为减小在限流元 件中的能量损耗，高压钠灯般采用消耗有功功率不多的电抗性元件电感 作镇流器。电感镇流器的优点是可靠性较高，使用寿命较长。但是这种采用大 电感镇流的照明系统不可避免的具有以下几个缺点： ( 1 ) 功率因数低：一般为0 4 左右( 2 ) 重量大、体积大、损耗大、噪音大。( 3 ) 功率稳定性差：电网电压变化时，功率变化大。( 4 ) 工频点灯，效率低等。 鉴于上述电感镇流h i d 灯照明系统存在的诸多缺点，这种照明系统己不足 以满足人们对高质量照明系统的要求。在2 0 世纪7 0 年代出现了世界性的能源危 机，导致了许多公司致力于新型节能电光源及荧光灯交流电子镇流器的研究。 同样半导体技术的飞速发展，各种功率开关器件不断发明应用，使交流电子镇 流器的产生成为可能。在1 9 7 8 ，荷兰飞利浦公司率先研制成功了荧光灯高频交 流电子镇流器，这是照明电器发展史上的一项重大创新。进入9 0 年代，人们开 始致力于将电子镇流器推广到高强度气体放电灯领域。可是我国在8 0 后期年代 才开始进行开发研究和生产小功率的交流电子镇流器，所以，目前我国不同功 率的电子镇流器的产能虽然很大，但是技术含量和产品质量却与国外的差距很 大。 而与电感镇流器相比，电子镇流器却有很大的优势： ( 1 ) 高频变换器电路加上这种串联谐振负载，适当改变谐振电路的电容、电 感参数以选择合适的q 值，能适应各种气体放电灯。 4 f 2 1 串联谐振负载电路提供给灯管的电压是高频正弦波，j 卜弦波电压驱动灯 管会使电极损耗小，并且电弧稳定，高频相对工频又会提高1 5 左右的光电转 换率。 ( 3 ) 高频变换器和串联谐振电感的组合，对于放电灯管来说，从一个低阻抗 电压源转变成一个高阻抗电流源，实现限流和恒功率供电。 ( 4 ) 在高频变换器的电网侧插入功率因数校正电路( 有源或无源) ，将使网 侧功率因数提高到0 9 5 以上甚至达到o 9 9 。 ( 5 ) 灯管在使用中会逐渐老化，老化是由于电极活性元素的放射性不断衰减 造成的，老化的灯管发光效率亦不断下降，然而电子镇流器的谐振电路能不断 地向灯管提供补偿电能，使灯管保持有效发光，因此灯管使用寿命延长。 ( 6 ) 在电子镇流器上实现短路、开路、过压、过流、过热等保护比较容易， 定时、自控、群控等亦很方便。 ( 7 ) 高频化使电子镇流器的体积重量上有显著的优势，且功率越大越明显。 虽然高频电子镇流器较之工频电感镇流器具有一系列优点，可是在我国城 市亮化工程中还没有完全推广应用，城乡较大功率照明系统中电子镇流器的应 用比重还很低，其中除有较大功率的电子镇流器可靠性的问题，还有价格的补 贴，政策倾斜( 如国家没有强制性推广电子镇流器) 等因素，然而在一些工业 发达国家中，由于政策大力支持“绿色照明”，高品质的电子镇流器已经得到了 较广泛的应用。 1 3 2 电子镇流器的发展 由于气体放电灯电感式镇流器“庞大”的体积( 特别是较大功率的气体放电 灯) 给电气安装带来不便，以及镇流器中的电磁振荡会产生噪音污染，所以提 高镇流器中“镇流”元件的工作频率既可以减小镇流元件体积又可以消除噪声， 同时放电灯的光效较大提高，低频频闪问题在高频下也能得到妥善的解决。 随着相关学科( 电工技术、电光源技术、微电子技术等) 的不断发展，在实 现形式和研究深度上都有了很大的进步。目前，电子镇流器技术研究主要在提 高照明质量、改善照明环境、减少电力污染，远程控制，调光等几方面展开的。 电力电子技术的发展是电子镇流器应用的基础。每每电力电子技术领域中 出现的新器件、新结构、新方法也不断地被应用于电子镇流器设计与制作。同 时随着微电子技术的进步，新型高质量的功率和控制器件的出现使各种新型电 路结构、新的控制手段得以在电子镇流器电路中有效的应用。高性能的电子镇 流器专用集成控制芯片和新型的功率开关器件己成为国际上几家主要的半导体 生产厂家致力研究与推广的重要产品。如西门予、美国微线、i r 、南韩三星等 公司的电子镇流器控制集成电路，而其中品种较全、性能较好的以美因i r 的系 列集成控制电路最有代表性。其产品中实现了单片集成电路内部的高、低压部 分的电气隔离，使得高频逆变电路的驱动问题开始变得简单而可靠。 当然功率因数校正技术是实现绿色照明的重要手段。由丁 电子镇流器同其 它高频开关电源一样，在正弦电压供电下，电流将严重畸变，并含有大量谐波。 不加任何滤波的电子镇流器，功率因数只有o 4 o 6 ，谐波总量可达基波的1 3 0 18 0 。所以，i e c 一5 5 5 和i e c 一1 0 0 0 标准对电子镇流器的功率因数、各 次谐波等运行参数做了明确的规定。为此，必须采用无源或有源滤波电路，来 消除谐波对电网的污染。近年来，电子镇流器功率因数校正技术，诸如单位功 率因数的实现、电网高次谐波含量的分析及其抑制方法的研究是高性能电子镇 流器研究的主要方向。由于大功率电子镇流器技术的研究是绿色照明工程的深 入发展。在低压荧光灯用电子镇流器研制成功的基础上，各国的电子镇流器设 计者正致力于研制适合高强度放电灯的高性能电子镇流器，以解决当前采用大 电感镇流的高强度气体放电灯照明系统存在的诸多缺点。 计算机技术在高性能电子镇流器设计中起到了越来越重要的作用。近二十 年来，不仅计算机的仿真技术作为c a d 自动化的一一个有力的工具，己广泛用 于电力电子电路( 或系统) 的分析中，而且也有专业的电子镇流器计算机辅助设 计软件( b d a ) ，如i r 公司推出的b d a 、，e r s i o n2 0 0 ，对小功率的电子镇流器 可靠性设计有极大的意义。同时计算机控制技术也不断用到了h i d 灯电子镇流 器上了，如有的电子镇流器采用单片机控制，可以实现远程独立控制、群控和 自动、手动调光控制。远程控制系统可以及时地对灯管网中任何光源点进行控 制，而任何失效都会得到及时的反馈，并可以在采集的数据基础上对整个照明 系统的工作与维护进行最优化管理。对于有些照明场合还需要根据实时环境来 调节照度，使视觉柔和，否则不仅会造成能源的浪费还会产生光污染等问题。 最近，飞利浦研制了一种非常实用的方案，4 0 0 w 以下的h p l ( 荧光高压汞灯) 与s o n 光源( 飞利浦得一款高压钠灯) 可以通过该系统单独调光，而无需时钟、 电缆、变压器和其他控制装置。而每个光源点的耗能问题也可通过远程控制系 统以及为灵活的方式进行合理化调整。近来，香港城市大学学者声称成功研发 节能环保调光技术，有关科技已在中国内地部分城市的道路照明系统试用，证 实可减省电3 0 。电力照明系统占世界电能损耗15 至18 。假如城大的节能 环保调光技术获广泛应用，减少照明系统用电量6 7 ，就可以为全球减少1 的电力消耗。 总之，电力电子新技术，诸如功率因数校正、谐波抑制、软开关、多重保 护等都可以在高性能电子镇流器中得到应用，同时部分计算机计仿真、计算机 控制技术和通信技术的应用，也将使电子镇流器的品质和技术含量得到很大得 提高。所以电子镇流器已经不仅是电力电子高频化应用中的一个典型产品，而 且也是融合许多计算机技术的电子产品了。 6 1 3 3 高压钠灯等h i d 灯对电子镇流器的要求 众所周知，高压钠灯对镇流器的要求很高的，要制作高品质的高压钠灯电 子镇流器还是比较困难的。高压钠灯在高频电流下点燃时容易产生放电管声共 振现象，这是由灯管内压力波的脉动从管内壁反射回来，若与灯高频电流的脉 动成分相位相同，形成驻波，其表现为：( 1 ) 电弧管体内有音频噪声：( 2 ) 电弧 管内电弧发生闪烁、扭曲、翻滚等现象，同时灯电压不稳定，严重时将会发生 熄弧或使灯损坏。根据对高强度气体放电灯高频变换器技术的研究，结合高压 钠灯的工作特性，归纳高压钠灯电子镇流器的主要技术要求如下：f 1 ) 能提供r 叮 靠的3 5 k v 电压且脉冲宽度曼孔s ，具有足够能量的高压来触发启动，完成 汤姆逊放电( 离子放电) 一过渡放电一辉光放电一弧光放电的启动过程；( 2 ) 具 有较强的非线性负载适应性，特别是触发启动瞬间，高压钠灯电子镇流器相当 于输出短路状态，具备恒功率或恒电流控制能力，保证电弧管体内放电电弧稳 定，避免光通量闪烁；( 3 ) 能消除声共振；( 4 ) 鉴于h i d 灯功率比较大，要求电 子镇流器在输入电流谐波、射频干扰和电磁辐射等方面符合国家标准，要求其 功率因数高、可靠性高、成本低，可实现短路、开路、欠压、过压、过流、过 热的保护；( 5 ) 能在户外长期工作，且使用寿命长。 1 4 高强度气体放电灯电子镇流器国内外研究动态 目前，在荧光灯照明系统中，电子镇流器已成功取代电感镇流器，并得到 了广泛地应用。近几年，随着电力电子技术的发展，研制实用、高性能的h i d 灯用电子镇流器具备了一定的技术条件，新型的h i d 灯电子镇流器层出不穷， 但是由于可靠性及成本的原因，大功率电子镇流器离推广应用还有一段距离。 其问在研制h i d 灯用电子镇流器过程中，特别是较大功率h i d 灯用电子镇流器， 由于灯负载复杂的特性和整体技术指标的提高上，遇到了一些比较难以解决的 问题，同时由于价格，政策的倾斜度等因素。因此城市照明工程中绝大多数项 目还是配置的性能价格比相对较高的电感镇流器。有人认为电感镇流器，特别 是节能电感镇流器，在性能安全，可靠、节能、省钱，符合当前的中国国情。 现在国际上有些大公司对电子镇流器实现了规模生产，如p h i l i p s 、e b t 、 德国o s r a m 公司等公司的电子镇流器的年产量都在几百万只以上，产品供不 应求。但只是较小功率的电子镇流器，至今尚未有一家公司能够推出实用化 2 5 0 w 以上高压钠灯电子镇流器。据了解，美国g e 公司最大仅推出13 0 w 商品 化高强度气体放电灯电子镇流器，而德国o s r a m 公司最大也仅仅推出1 2 0 w 商品化高强度气体放电灯电子镇流器。对其某些型号电子镇流器的测试结果来 看，其产品性能指标并不高，并且温升比较高。 近年来，国内研制的h i d 灯用电子镇流器也取得了很大进展，但仍存在一 些问题，如功率因数、谐波含量、抗干扰能力、安全指标等还达不到要求灯肩 动问题、声共振问题、恒功率问题没有得到很好的解决，有些镇流器还影响灯 的寿命，甚至引起火灾的发牛。有人认为电感镇流器，特别是节能电感镇流器， 在性能安全，可靠、节能、省钱，符合现在的中国国情。 目前，国内的一些电光源生产厂家己先期研究开发出了高压钠灯电子镇流 器产品，有些指标己达到某些国外产品的性能，但大多数企业规模很小，技术 力量薄弱，其产品性能低劣，可靠性差，影响了销售声誉。这些产品虽大都采 用专用i c 器件，但功率等级较低、线路较复杂，而且对灯的适应性较差。同时 日前国内也有部分厂家不断推出了较大功率的h i d 灯的电子镇流器，但是多数 没有取得认证就推向市场，其可靠性安全性问题还有待市场的检验。对h i d 灯 的电予镇流器来说，仅仅参照荧光灯电子镇流器行业的国家安全标准g b l 5 1 4 3 9 4 及性能标准g b 厂r 1 5 1 4 4 - 9 4 还是不够的，所以有自己的产品标准将具有重要意义。 由上可见，尽快出台h i d 灯的电子镇流器标准，尽快生产出高性能的、符 合标准的电子镇流器是当务之急，而产品质量是推广高科技产品的关键。利用 高科技研究成果，借助高等院校及科研单位的科技优势，不断进行开发，由有 远见、有实力的企业大批量的生产高性能的产品是我国电子镇流器发展的必然。 1 s 本课题的任务 电子值流器涉及高频变换、零电压开关( z v s ) 和零电流开关( z c s ) 、l c 串 联或并联谐振、谐波滤波与功率因数校正( p f c ) 、电磁干扰抑制( e m i e m c ) 、信 号传感与信号采集和处理、p w m 控制或频率调制( f m ) 以及电力电子技术的方 方面面。其各项技术指标严格，所以要制作出一个满足高性能、低价格、小体 积、低电磁辐射干扰、使用安全可靠的高频交流电子镇流器并非易事的。 本课题的目的：根据高压钠灯的伏安特性，选择合理的主电路拓扑结构， 提出可靠的控制方法，设计出一只较大功率的高压钠灯高频电子镇流器样品。 所要解决的主要问题： 1 选择合理的主电路拓扑结构，确定可靠的控制方法， 2 选择适当逆变频率和设计可靠的消除高压钠灯声共振的电路。 3 设计可靠的启动电路。启动电路应能够产生幅值达数千伏、宽度只有数 微秒的脉冲信号，也要有强弱信号的隔离和兼有在异常状念下防频繁触 发启动的保护功能。 4 设计抗电磁干扰性较好的滤波电路，和提出能有效提高高频电子镇流器 电磁兼容性的工艺方法。 5 设计合理的功率因素校正电路，使之达到宽输入电压、高功率因素和低 t h d 的性能指标。 8 第二章高压钠灯电子镇流器的工作原理及其控制方法 2 1 高压钠灯电子镇流器的工作原理 较小功率的高压钠灯电子镇流器和普通荧光灯交流电子镇流器大体相同， 均采用自激振荡电路，只是在启动电路上有些区别，因为高压钠灯的启动电压 比普通荧光灯的要高数倍。而对于大功率的高压钠灯电子镇流器，多是采用它 激式的高频变换电路，但是这样则会对增加元件、体积，同时对辅助电源也有 较高要求，不过具体的电路拓扑和控制方法要复杂的多。图2 1 所示的高压钠 灯电子镇流器的原理框图对较大功率高压钠灯是非常适用。 2 2 0 a c 图2 1h p s 灯电子镇流器原理方框图 由图2 1 可知，h p s 灯电子镇流器本质上就是一个a c d c a c 变换电路。 电子镇流器的a c d c 变换部分是由e m i 滤波电路、整流电路和功率因数校l f ( p f c ) 电路构成；a c d c 变换部分就是对恒定4 0 0 v d c 进行逆变的电路。 e m i 滤波电路主要抑制来自电网的电磁干扰，同时对电子镇流器自身产生 的电磁干扰起衰减作用，以保证不对电网造成污染。 逆变电路是电子镇流器的核心部分。其将稳定的4 0 0 v d c 进行逆变成一定 频率的方波供给由l 、c 和高压钠灯