（电力电子与电力传动专业论文）380v600w及新型两级低频方波hid灯电子镇流器的研究.pdf

a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fg r e e n l i g h t i n gp r o j e c t ，t h eh i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g e ( h i d ) l a m pi sd r a w i n gc l o s ea t t e n t i o nd u e t oi t s e n e r g ys a v i n ga n dh i g hl i g h t i n ge f f i c i e n c y t h e r e f o r et h ed e v e l o p m e n to f t h ed r i v ec i r c u i to f t h el a m p ，n a m e l yb a l l a s th a sb e c o m e a ni m p o r t a n tr e s e a r c h p o i n t b e c a u s eo f t h ee x c e l l e n c ei ne n e r g ys a v i n g ，l i g h tw e i g h t ， e t c ，e l e c t r o n i cb a l l a s tw i l lg r a d u a l l yt a k et h ep l a c eo f t r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i c ( e m ) b a l l a s t as e r i e so f p r o b l e m si nt h el a t e s td e v e l o p m e n t so f e l e c t r o n i cb a l l a s ta r ed i s c u s s e d i nt h et h e s i sb a s e do nt h ed e t a i ld e s i g no ft h e6 0 0 we l e c t r o n i cb a l l a s tp r o v i d e dw i t h 3 8 0 v h i g hv o l t a g ei n p u ta n d t h er e s e a r c ho f an o v e ll o w - f r e q u e n c ye l e c t r o n i cb a l l a s t a tt h e b e g i n n i n g o ft h e t h e s i s ，c h a r a c t e r i s t i c s o fd i f f e r e n t l i g h t i n gs o u r c e s ， e s p e c i a l l yt h ee l e c t r o n i cc h a r a c t e r i s t i c so fh i dl a m p s ，a r ei n t r o d u c e d t h eo p e r a t i o n p r i n c i p l e s ，s u p e r i o r i t ya n dd e v e l o p m e n t so f e l e c t r o n i cb a l l a s ta r ea l s op r e s e n t e d i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h e l a m p sn e g a t i v e i n c r e m e n t a l i m p e d a n c e o f c h a r a c t e r i s t i c sa n d a n a l y z e t h e s t a b i l i t y o f b a l l a s t l a m ps y s t e mc l e a r l y , t h e l o w - f r e q u e n c y b a l l a s ts y s t e ms t a b i l i t yw i t hc l o s e dl o o pa r ea n a l y z e db a s e do nt h eh i d l a m pf r e q u e n c y d o m a i nm o d e l i nc h a p t e ri i d e t a i ld e s i g np r o c e s so fa3 8 0 v 6 0 0 wh i g hf r e q u e n c ye l e c t r o n i cb a l l a s tf o rh i 曲 p r e s s u r es o d i u ml a m pi s g i v e n i n c h a p t e r i i i i t sv e r i f i e d b ys i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t t h e r ea r ea c o u s t i cr e s o n a n c ep h e n o m e n ai nh i dl a m p sw h e nd r i v e na t h i g h f r e q u e n c y , w h i c hp r o h i b i t s t h ed e v e l o p m e n t so fe l e c t r o n i cb a l l a s to fh i dl a m p s c h a p t e r i v i n v e s t i g a t e s t h em e c h a n i s mo fa c o u s t i cr e s o n a n c e ，i t se f f e c t sa n di t s c h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l y a l lk i n d so fm e t h o d st oe l i m i n a t ea c o u s t i cr e s o n a n c ea r e r e v i e w e d a tt h ee n do ft h et h e s i s ，t h er e v i e wo nt h ed e v e l o p m e n t so f l o w - f r e q u e n c ys q u a r e w a v ee l e c t r o n i cb a l l a s ti sg i v e n t h e nan o v e lt w o s t a g el o w f r e q u e n c ys q u a r ew a v e e l e c t r o n i cb a l l a s tf o rh i dl a m p si sp r o p o s e dw i t hd e t a i l e dp r o p o s e dc i r c u i ta n a l y s i s a n dc o n t r o lc i r c u i t d e s c r i p t i o n f i n a l l y s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r e p r o v i d e dt ov e r i f yi t ss u p e r i o r i t y k e yw o r d s ：h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p ；e l e c t r o n i cb a l l a s t ；m o d e l ；s t a b i l i t y ；a c o u s t i c r e s o n a n c e 1 i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 自从爱迪生发明t t 灶h , 灯的、百多年来，电光源以其亮度高、发光稳定、使用 方便等优点已经成为了人们生活中不可替代的一部分，它不仅给人类带来了光 明，更为人类带来了绚丽多姿的色彩。 本章在介绍光度量基本参数的基础上，就目前广泛应用的各类电光源进行了 分类说明。同时针对高强度气体放电灯及其镇流器的特点进行了详细说明。 第一节电光源的基本参数及其分类 一、电光源光度量基本参数 电光源的种类很多，为了比较各种电光源的性能，我们有必要了解一下光度 量的基本参数“i i 2 l 【光通量】由于人眼对各种波长的光的视觉灵敏度是不同的，因此不能直接使用 辐射能量来衡量光能的大小，而必需用人眼对光的相对感觉量即光通量来衡量。 光通量是指单位时间内，在可见波长范围内光源所辐射的光总量，其单位是流明。 光源的光通量越大，则人眼感觉越明亮。 【发光效率】发光效率是指电光源所发出的光通量与它所消耗的电功率之比，其 单位是流明瓦。发光效率常简称为光效，光效是衡量电光源的一个重要指标， 它表示电光源将电能转化为光能的效率，提高光效是目前电光源研究的一个重要 方面。 【照度】照度是指在单位光照面积上入射的光通量，其单位是勒可斯，即流明 米2 。照度是衡量物体表面被光源照亮的程度。 【显色指数】用不同光色的光源照射物体时，物体呈现的颜色( 物体在人眼产生 的颜色感觉) 是不同的，这种光源还原色彩的能力就是光源的星色性。光源的光 谱能量分布决定了光源的显色性。为了对显色性进行定量的比较，引入了显色指 数的概念，把太阳光的显色指数定为1 0 0 ，其它人造电光源的显色指数均与之比 较而定，显然，人造电光源的显色指数均低于1 0 0 。 【色温】将标准黑体( 如铁) 加热，随着稳定升高，其颜色 l _ 深红一浅j ：橙 浙江大学硕士学位论文 黄一自一蓝白蓝逐渐改变，利用这种光色变化的特性，当电光源发射的光的颜 色与黑体在某一温度下的光色相同时，称黑体的这个温度为该电光源的色温，以 绝对温度k 来表示。由于气体放电光源的光谱能量与黑体的光谱能量分卸很不一 致，故采用“相对色温”这一概念：气体放电光源的光色与黑体在某一温度下的 光色接近时，称黑体的当时温度为气体放电光源的市h 关色温。 二、电光源的分类及特点 在电光源发展的一百多年来，光源照明电气已经经历了三个重要的发展阶 段：白炽灯，荧光灯和高强度气体放电灯，这三个阶段中的代表性光源分别为白 炽灯，荧光灯和高强度气体放电灯。现在人们普遍认为l e d 将可望发展成为第四 代光源。 在照明工程中，电光源根据其发光原理通常可以分为：热辐射光源和气体放 电光源两大类“。5 1 t - 6 1 。 热辐射光源的典型代表是白炽灯，白炽灯作为低照度的室内照明用具，具有 以下特点：屐色性好，色温低( 2 7 0 0 2 9 0 0 k ) ，给人以舒适感，适用于卧室、客 厅等生活居室照明；启动性能好，即灯点亮后，灯的光输出很快能达到额定值， 非常适用于应急照明；体积小，成本低；光输出可随电源电压变化而连续变化， 便于实现调光。 气体放电光源又可分为两类：辉光放电灯和弧光放电灯。其中辉光放电灯的 典型代表是霓虹灯。这类灯由正辉光放电柱产生光，阴极位降较大( 1 0 0 伏左右) ， 电流密度较小，通常需要很高的工作电压。与辉光放电灯相对应的是弧光放电灯， 弧光放电时阴极位降较小，电流密度较大，这类灯通常需要专门的启动器件和工 作线路才能j 下常工作。汞灯、钠灯、金属卤化物灯均属于弧光放电灯。 根据放电管中放电气体的气压不同气体放电灯又可以分为两种：低气压气体 放电灯和高气压气体放电灯，又称高强度气体放电灯( h i g hi n t e n s i t yd is c h a r g e l a m p ) 。荧光灯作为低气压气体放电灯的典型代表，是室内照明的主要电光源， 具有白炽灯无法比拟的优点：光效高、寿命长，普通卤磷酸钙荧光灯的4 0 瓦荧 光灯的光效可达6 0 流明瓦，比白炽灯高4 倍，寿命可达1 0 0 0 0 小时，比白炽灯 高1 0 倍：盟色性好；色温范冈较宽、光线柔和、无眩光：光输出随电源电压变 浙江大学硕士学位论文 化较小，不影响视觉。 高强度气体放电灯主要包括高压汞灯、高压钠灯( 1 i p s ) 、金属卤化物灯( m h l ) ， 另外还有一些特种气体放电灯如氙灯、氪灯等。高强度气体放电灯的基本发光原 理都是相同的，之所以产生不同的光输出，是因为他们的填充气体或蒸气的种类 不同。表卜1 所示为不同种类的高强度气体放电灯的特点及应用场合d 2 1 。 表1 1 高强度气体放电灯特性比较 灯类型高压汞灯高压钠灯金属卤化物灯 主要填充气体汞蒸气钠蒸气、汞蒸气、氙碘化钠、碘化钢 功率范m1 0 w 1 0 k w3 5 w 1 5 0 0 w1 0 w l m w 光效( 流明瓦)4 0 6 07 0 1 2 5 6 0 1 2 0 显色指数 2 0 3 03 06 0 9 0 光色淡蓝一绿色黄- 金白色白色 、f 均寿命( 小时) 5 k8 k 4 2 4 k5 0 0 2 0 k 道路、机场、码头及工矿广场、商场、体育场照明、 主要应用场合厂房照明、室内外照明 企业照明建筑物泛光及投光照明 由于高压汞灯光效相对较低、显色性能较差且寿命较短，已经逐步为高压钠 灯和金属卤化物灯所代替，而高压钠灯和金属卤化物灯则具备了光效高、显色性 好、发光集中等优越性，已经成为继白炽灯、荧光灯之后的第三代电光源，这两 种类型的灯所配套的电子镇流器正是本文所要讨论的重点。 第二节高强度气体放电灯 在通常情况下，气体是良好的绝缘体，不能传导电流，但是在一定的条件下， 如强电场、光辐射、离子轰击和高温加热下，气体分子可能发生电离并产生可自 由移动的带电粒子，在电场作用下形成电流，这种电流通过气体的现象称为气体 放电。 在电离气体中，存在着各种中性粒子和带电粒子，它们之间发生着复杂的相 互作用，带电粒子不断地从电场中取得能量，并通过各种相互作用把能量传递给 其他粒子，这些得到能量的粒子可能被激发，形成激发态粒子，当这些激发态粒 子自发返网基念h , j ，就会产生电磁辐射，释放出光子；此外，电离气体中f 负带 浙江大学硕士学位论文 电粒子的复合、带电粒子在电场中的减速等，也都会产生辐射，因此气体放电总 是伴随着辐射现象，利用这一原理制造而成的光源称为气体放电光源，简称气体 放电灯。 一、气体放电基础 1 电极与电子发射1 4 1 在气体放电灯工作时，灯内存在大量电子、正离子等带电粒子，这些粒子在 电场作用下形成电流。由于正离子质量大、速度慢，对电流的贡献可以忽略，凼 此要维持放电电流，电极必须源源不断地提供电子。通常我们把这种提供电子的 电极称为阴极，而把阴极提供电子的过程称为电子发射。 阴极内部有很多自由电子，但是这些电子并不会自动跑到周围气体中去。如 要从阴极逸出，电子必须具备一定的能量，对于某一种确定的阴极材料，在绝对 零度t - 电子逸出所需的最小能量为该阴极材料的逸出功仍阴极的逸出功也即电 子离开阴极所必须克服的最低势垒能量，是衡量阴极材料电子发射能力的一个参 数。 使电子获得足够的能量从阴极逸出的方法有很多，如加热、正离子轰击和施 加电场等，在这里我们主要介绍在h i d 灯中最主要的两种电子发射：热电子发 射和f 离子轰击发射。 【热电子发射】当阴极被加热时，电子的平均速度增加，随着阴极温度的 升高，越来越多的电子可以得到足够的能量从阴极逸出，使电子发射增加。 逸出功为妒的阴极，在绝对温度t 时的发射电流密度j ( a c m 2 ) j g ： ，= 一。7 1 2e x p ( 一妒女口丁) ( 1 - 1 ) 式中，b 为波尔兹曼常数， 由于大部分金属材料存在杂质和表面缺陷，大部分金属a 。= 6 0 a c m 。2k 由式( 1 1 ) 可以看出逸出功卿温度对热发射电流密度，的影响很大。在同样的 温度下，逸出功低的阴极发射电流密度大，对于同一种阴极，随着温度的升高， 热发射电流密度也增大。因此，在选择热发射电子材料的时候，应选择低逸出功、 高熔点、低蒸发率且便于加工的材料。热电子发射是弧光放电阴极最主要的电子 浙江大学硕士学位论文 发射形式。 【正离子轰击发射】正离子在到达阴极前被空间电场加速，飞落到阴极上， 当正离子的总能量即动能和电离能之和大于逸出功的两倍时，有一个电子可能从 阴极逸出，另个电子被正离子吸收。这种发射阴极不需要加热，我们称之为冷 阴极发射。为使达到阴极的正离子有足够的速度，在阴极前面必须有高的电压， 这个电压称为阴极位降，通常应大于1 0 0 v 。辉光放电如霓虹灯，以及高压钠灯 和金卤灯启辉时，电极的发射形式主要是正离子轰击发射。 2 电子与放电气体的相互作用 从阴极发射出的电子到达阳极之前，在放电空问内与放电气体发生复杂的相 互作用，主要是碰撞、激发和电离。 若灯管为真空，则阴极发射的电子在电场作用下以抛物线或直线形式向阳极 运动。实际上电极之间存在气体，因此电子在向阳极运动过程中，不断地和气体 原子发生碰撞。当处于基态的原子和动能小于激发电能e 。的电子碰撞时，只能 产生弹性碰撞：如果电子的动能大于，气体原子有可能被激发到m 态，而电 子继续运动，不过其动能减少了e 。，这些电子在电场作用下重新获得能量，再 与其他原子发生碰撞；当电子动能大于电离能时，它就可能使与之碰撞的原子电 离成正离子和电子，电离产生的电子经电场加速后又与其他的原子作电离碰撞， 产生更多的电子。这类由电子碰撞造成的原子激发和电离称为第一类非弹性碰 撞。 在平衡条件下，任何过程都有其逆过程。带电粒子的消失过程称为消电离。 是电离的逆过程。消电离主要有三种形式：其一是电子和正离子通过双极性扩散 到达放电灯管壁然后复合，称为管壁复合。是荧光灯中的主要消电离形式。其二 是带电粒子在电极上的消失，当放电空间气压较低，而电场很强时，这种消电离 方式占主导。其三是带电粒子在放电空间中的复合，如被激发的原子和电子碰撞 时，原子也可能回到基念，电子的动能则增加了，这类过程我们称为第二类非弹 性碰撞。一种放电形式的确立，不仅与带电粒子的产生和运动有关，而且只有当 带电粒子的产生速率与消失速率相等时，这种放电状态才能稳定下来，而不再随 时间变化而变化。 综：所述，气体放电空间巾带电粒子的产生、运动和消失足一个热电学的平 浙江犬学硕士学位论文 衡过程。 3 气体放电的形成 用图1 1 所示的简单电路可以测量气体放电灯的伏安特性 i - 4 1 1 图中的放电 管是一组平行的平行板电极，管内充以气压为几毫米汞柱的气体，v o 是直流可 变电源，r 是可变负载电阻。电流表a 和电压表v 分别用来测量放电管的电流 和管压降。当改变电源电压或电阻时，可得到管压降v 随电流i 变化的关系曲线， 如图1 2 所示为气体放电的伏安特性。各段的情况分析如下： 放电灯 图1 1 伏安特性测试线路图1 - 2 气体放电的伏安特性 0 a 段：由于外致电离，在灯管中存在带电粒子，带电粒子在电场作用下向阳 极运动，形成电流。随着电场的增加，带电粒子的速度增加，则电流增大。 a b 段：随着电场进一步增大，由外致电离产生的带电粒子全部到达阳极，电 流饱和。 b d 段：继续增加电极间电压，则电场使带电粒子增加到很大，他们与中性气 体原子碰撞使之电离，而中性气体原子电离产生的电子又被电场加速后与另外一 些中性气体原子做碰撞电离，形成更多的电子。这样一种繁衍过程使电子数目雪 崩倍增，这个放电过程称为雪崩放电。电流增加到什么程度将取决于灯管特性， 例如电极材料、形状、距离、充气压力和灯管形状大小等，约为1 0 1 4 1 0 1 2 安培。 d e 段：到d 点后，管压降随即下降，同时灯管中产生可见的辉光。我们称d 点为气体放电着火点，相应的电压称为着火电压。由于电流的增加导致灯管的导 通，导通后其内阻由原来的无穷大降低到很小，灯管内阻的减小带来管压降的减 小，并且远远大于电流增大造成的管压降的升高，所以总的管压降下降很多。 e f 段：在这段内电流增加，但管压降基本保持不变，称为正常辉光放电阶 段。管压降能维持不变是因为在这个范围内，阴极并没有全部用于电予发射，而 用于发射的面积正比于电流，所以电流的增加只增加阴极的发射而积，而不改变 其管压降。 f g 段：当电流增大到整个阴极面积都用于发射时，即到达了f 点。如果继续 增大电流，阴极的电流密度就必须增加，因此管压降上升，进入了异常辉光放电 阶段。 g h 段：继续增大电流，当阴极温度升高到能产生显著的热电子发射时，阴极 位降又开始减小，阳极位降上升，于是管压降再次大幅度下降，最后达到某一弧 光放电值，产生强烈的弧光，这一阶段称为弧光放电阶段。 在0 c 段的放电是非自持的，如果撤去外致电场，放电就会停止；而e 点之后 的放电是自持的，从e 点之后都是稳定的自持放电。其中，辉光放电的电流一般 在1 0 1 0 。1 安培，而弧光放电的电流在1 0 。1 安培以上，且具有负伏安特性。 二、高强度气体放电灯的电特性 1 弧光放电的负伏安特性“5 1 高强度气体放电灯在通常的放电条件下，大部分的气体原子都处于基态，只 有很少一部分的处于激发态。然而，由于激发态原子电离几率比基态原子大得多， 因此通过逐次电离产生的电子数可与基态原子直接电离产生的电子数相比拟，有 时甚至超过。随着放电电流i l 增加，逐次电离所起作用越来越重要。由于逐次 电离是一种二次过程，它发生的次数正比于电流的平方。而由基态原子直接产生 电离的次数与电流成正比。因此，灯中总的电离次数正比于i l n ，l n 2 。但是， 带电粒子通常因双极性扩散而损失，即损失通常正比于i l 。这样，当放电电流i 。 增加时，如果灯光电压v l 不变，则带电粒子的产生必定超过带电粒子的损失。 为了维持放电的平衡，当放电电流增加时，必须减少电离几率，即必须降低电子 温度t 。亦即必须减少轴向电场强度，所以放电灯v l 和i 。的关系便成为图1 - 3 中 曲线。 由曲线不难看出，警是负值，即放电灯的伏安特性是负的，这也就是我们 d ， 常跣的气体放电灯的负阻特性。 具有负伏一安特性的器件单独工作肯定是不稳定的。假定这一放电灯如蚓 浙江大学硕士学位论文 1 3 所示中曲线a 一样，工作于某电压n ，流过的电流是，。如果由于某种原 因，电流从，瞬时增加到1 2 ，这时就产生了一个过剩的电压能力( v l 一) ，它 将使电流进步增加。同样如果电流从 瞬时地减小到厶，这时要维持1 3 ，电压 能力就差r 巧一巧土这又导致电流进一步减小。可见，将具有负伏安特性的放 电灯单独接到电网中去时，工作时是不稳定的，它将会导致灯电弧很快熄灭或导 致电流无限止增加，最后直到灯或电路的某郁分被过电流烧毁为止。 如果我们把电阻和弧光放电电弧串联起来使用，就可以克服电弧的不稳定 性，在图1 3 中，a 、b 分别是弧光放电电弧和电阻的伏安特性曲线，c 是二者特 性的叠加曲线，从国中可以看出c 具有正的伏安特性，它将能够在电网中稳定工 作。在交流情况下，能够使用的限制电流的器件有电阻、电感、电容等，这些通 称为镇流器或限流器。 v 3 v 1 v 2 o 图1 - 3 放电灯的伏一安特性 2 高强度气体放电灯的工频和高频特性5 1 【工频工作特性】高强度气体放电灯在交流5 0 h z 工作时，电子浓度不再是 常数，而是不断随时间变化而变化。在半周开始时，电流要增加，即电子浓度要 增加。而在半周的后半期，电流减小。图1 - 4 即为工频5 0 h z 工作下灯的电压电 流波形，图1 5 为灯在低频下的动念伏安特性。电压波形中的小尖峰反映了灯对 熏复点火的要求，既然交流工作时灯每半周要熄灭一次，因此也就要重复点火一 次，这就是所谓的再点火现象，再点火将对灯的寿命产生很大影响。在灯熄灭至 重复点火的这段时间里灯的电流差不多为零，当灯重复着火之后灯内才有显著的 乜流流动，如果j 上】内无电流的时间太长，不但灯重复点火困难，而_ 日灯光有明品 的列烁现象。 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 1 5 0 1 0 0 掌5 0 _ 警0 呈锄 1 0 0 - 1 5 0 锄 iii 葺鞋 r 一1 一一1 一一t 一一 iiii - - i - - - i 一+ 十一 iii r 一1 一一一一十一一 ili iiii 一一一一一一 iiii j ：j ：j l ：i ： -i-：- 一一i _ - j 一一j 一一l 一一 iiii i j j 一l 一一 iiii lli 锄删- 1 , 5 0 - 1 0 0 瑚0 1 0 0 1 5 0 卸2 5 0 “蝎 幽1 - 41 频。i 作f 的灯电压电流波形图1 5t 频1 二作下灯的动态伏一安特性 【高频工作特性】当气体放电灯工作在高频( 几k h z 一几百k h z ) 时，这时， 灯的工作频率远远大于灯的电离频率，灯管电压和灯管电流的的瞬时关系将成为 线性关系，灯电阻呈现纯阻特性，图卜6 即为高频1 0 0 k h z 工作下灯的电压电流 波形，图卜7 为灯在高频下的动态伏安特性。 龋瓣 1 湘 1 0 0 宝 5 0 百 o i 鼬 - 1 。o 。t 5 0 i 扩 i ， ， ； i 2 1 5 0 - 1 0 0 5 005 01 馋02 0 0 d y e s 】 图1 - 6 高频r 的灯电压一电流波形 图1 7 高频下工作下灯的动态伏一安特性 当高强度气体放电灯工作于高频时，其工作性能会发生相应的变化： a h i d 灯的光效随着工作频率的提高而提高。因为随着灯工作频率的提高， 灯的阳极电压和阴极电压下降，使得电极损耗下降，光效得以提高。 b h i d 灯的效率随着工作频率的提高而提高。h i d 灯工作在高频下灯功率 因数接近于1 ，功率因数的提高减小了输入电流的有效值，降低了线路损耗，从 而提高了效率。 c h i d 灯的触发电压随着工作频率的提高而降低。由于工作频率的提高使 得电极的电子轰击发射增强，使得灯的触发电压降低，从而提高了镇流器的可靠 性，并延长了灯的使用寿命。 d 高频驱动还有助于延氏h i d 灯的使用寿命。高频驱动下的h i d 灯，其电 极区损耗和放电f 柱区的损耗同时下降，有助于延长灯的寿命。 浙江大学硕士学位论文 此外，h i d 灯在高频工作时还具有无工频频闪、发光集中、色温变化小等优 点，而且随着灯寿命的增加，灯电压升高较小、光通量变化较小、电极也不易因 蒸发而变黑。 第三节高强度气体放电灯镇流器 由于高强度气体放电灯具有负阻特性，为了让系统能够稳定工作，我们必须 给灯串联一个正阻抗z ，使得灯和阻抗组成的系统具有正阻特性，这就是镇流器 的基本出发点。 一、电感式镇流器 。国 蚓1 - 9 典刑的电感式镇流器 浙江大学硕士学位论文 二、电子镇流器 电子镇流器最初从减少镇流器体积和重量的角度出发，一般使气体放电灯工 作于高频状态，从而可以用较小的电感就能实现系统的稳定工作，或者是使用控 制技术，使灯电流或者灯功率处于恒定状态，达到镇流的效果，然而，工作频率 的提高同时也给高强度气体放电灯带来了一系列的优点。如今的电予镇流器技术 发展迅速，对于灯工作状态的可_ t 预性成为了它相对于传统电感式镇流器最大的 优势。 目前荧光灯电子镇流器技术已经比较成熟，然而高强度气体放电灯电子镇流 器却并未普及，主要原因是技术并不成熟、成本较高、可靠性相对较低，要成为 电感式镇流器的有力竞争者，它必须具有较电感式镇流器更好的性能及优点，以 下是电子镇流器的主要优点： 【体积小、重量轻】工作在高频下的电感量可以减小，体积可以做得很小。 【高功率因数】一般高强度气体放电灯电子镇流器前级都有有源功率因数校正 电路，输入端功率因数都能达到o 9 9 以上，t h d 小于1 0 。 【恒功率特性】电子镇流器具有良好的恒功率特性，能够很好地克服灯管由于 传统镇流器恒流特性加速老化的现象。 【智能控制】可以方便地实现智能化控制，具有完善的保护功能，较好地解决 了灯的启动问题，以及方便地实现调光输出等功能。 【电磁干扰】电子镇流器可以添加e m i 滤波器，能够通过相关的e m c 检测。 【无频闪】消除了电感式镇流器的1 0 0 h z 频闪与噪声，消除了电感式镇流器的 再点火现象，使光输出更加稳定。 三、电子镇流器的发展动态 目前国内外电子镇流器的研究主要集中在以下几个方面： 1 单级带p f c 电子镇流器在小功率场合的应用。由于电路前级采用了功率 因数校正器，所以增加了电路的成本，为了降低成本，提出了一些单级电子镇流 器拓扑，主要有两大类：充电泵式电子镇流器帅“2 们2 和组合式单级电子镇 流器t l 8 1 19 1 0 2 1 3 “11 4 “11 5 7 1 1 1 1 8 1 ，前者用电容代替电感实现 浙江大学硕士学位论文 功率因数校正，具有一定优势，但是该电路参数设计较为复杂，而且在空载和轻 载时，电压应力较大。后者的思路则是使p f c 级和逆变级组合用一个功率丌关 管，由于p f c 级电路常用b o o s t 和b u c k b o o s t 拓扑，因此可以将b o o s t 或 b u c k b o o s t 和半桥逆变电路合用一个开关管，则可以节省一个开关和其控制电 路，但合用后的功率开关管电流应力会增大，另外由于控制变量的减少，电路的 一些性能指标如p f 、t h d 等会有所变差，因此单级带p f c 电子镇流器的思路其 实质上是一种电路成本与电路性能的折衷。 2 电了镇流器的调光功能研究。因为高强度气体放电灯的使用场合往往是 舞台或者路灯，调光是一个很重要的功能，也是实现节能的重要手段。不同的调 光方案有：1 逆变器输入电压调整：2 开关频率调整2 扪1 1 2 3 1 13 占空比调整i i 2 4 1 ； 4 两种频率交替使用以调整输出功率1 1 2 5 1 。 3 高强度气体放电灯声谐振抑制技术。一般认为：镇流器提供的高频输入 功率大到一定程度，而这个频率又与灯管特征频率存在一定关系的话，灯管内会 形成驻波，发生振荡，引起声谐振。为了解决这个问题，提出了各种各样的措施 呲6 “12 7 埘呲9 埘3 ”3 2 “1 跏m 4 “1 蜘6 3 7 “13 8 川柳1 4 们1 1 4 1 1 , 主要针 对其原因消除或者减小其高频输入功率，使之降低到一个不足以产生驻波的程 度。我们将在第四章中专门就这一问题进行研究。 4 灯模型以及电子镇流器稳定性的研究：对于电气设计师而言，在设计电 子镇流器时，精确的高强度气体放电灯模型对电子镇流器仿真分析非常有用。目 前高强度气体放电灯模型大致可以分为以下几种：1 非常复杂的物理模型1 4 2 1 14 3 1 1 4 4 1 12 电路仿真软件中能够使用的时域模型“4 5 川4 6 4 7 川4 8 1 i i 4 9 1 13 冶b 够研究 其稳定性的频域模型5 0 川5 ”1 1 5 2 1 0 在第二章中，我们将使用高强度气体放电灯 的频域模型来详细研究整个系统的稳定性。 我们可以看到，电子镇流器正在向集成化5 ”5 4 1 1 1 , 5 5 1 模块化、多功能化、 高可靠性、长寿命以及大功率方向发展，电子镇流器技术的逐渐成熟对节能电光 源的广泛应用将起到有力的促进作用，对实现绿色照明也具有十分重要的意义。 第四节本课题意义及主要工作 综一k 所述，高强度气体放电灯作为新一代的高效电光源，正门益显示其优越 浙江大学硕士学位论文 性。但是目前中国i 丁场 ：仍然是采用传统的电感式镇流器为主，电感式镇流器体 积大、自身能耗大、效率低、功率因数低、与节能的高效电光源很不相称，因此 研究开发h i d 灯电子镇流器一直以来是绿色照明工程的一个重要组成部分。如 今荧光灯电子镇流器已经相当完善且相当普及，在功率半导体器件和电力电子技 术同臻完美的今天，h i d 灯电子镇流器却迟迟未能取得突破性发展。因此，研究 性能优越、可靠性高的高强度气体放电灯电子镇流器已成为当务之急。 本课题主要结合了一种3 8 0 v 高电压输入6 0 0 w 高频电子镇流器以及一种新型 的低频方波电子镇流器的开发，从灯的频域特性出发分析了电子镇流器系统的稳 定性问题，同时，对于声谐振问题以及低频方波电路也进行了进一步深入的研究。 参考文献 【11 】石中玉，“电光源的今天和明天”，科学出版社，1 9 8 5 【12 1 飞利浦亚明照明，1 9 9 7 1 9 9 8 【i3 1 韦课常，“电气照明技术基础与设计”，水利电力出版社，1 9 8 3 【14 】陈大华，“现代光渊基础”，学林出版社，1 9 8 7 【1 5 】周太明，“光源原理与设计”复旦大学出版社，1 9 9 3 【1 6 】r r v e r d e r b e r , e mr u b i n s t e i n ，“c o m p a r i s o no f t e c h n o l o g i e sf o rn e we n e r g y e f f i c i e n tl a m p s ”， i e e e t r a n s i n d a p p l ，v 0 1 2 0 ，n o 5 ，p p l l 8 5 - 1 1 8 8 ，s e p o c t ，1 9 8 4 【17 】y o n g x u a nh u ，”a n a l y s i s a n d d e s i g n o f h i g h - i n t e n s i t y - d i s c h a r g el a m p b a l l a s tf o r a u t o m o t i v eh e a d l a m p ”，t h e s i sd i s s e r t a t i o n ，b l a c k s b u r g ，v i r g i n i a ，n o v e m e b e r1 9 ，2 0 0 1 【18 】t a k a h a s h i n ，k a t o y ，o h k i t a m ，o k u t s u k ，“t w o - s w i t c hb o o s tc h o p p e r - b a s e d p f cc o n v e r t e r f o re l e c t r o n i cb a l l a s t ”p o w e re l e c t r o n i c sa n dd r i v es y s t e m s ，v 0 1 1 ，p p 5 1 1 5 1 5 ，2 7 2 9j u l y , 1 9 9 9 【19 1r i b a s j ，a l o n s o j ，m ，c a l l e j a ，aj ；c o r o m i n a s e l ，c a r d e s i n _ j ；r i c o s e c a d e s m ；“an e w d i s c h a r g el a m pb a l l a s t b a s e do nas e l f - o s c i l l a t i n g f u l l - b r i d g e i n v e r t e r i n t e g r a t e d w i t ha b u c k t y p e p f c c i r c u i t ”a p p l i e d p o w e re l e c t r o n i c sc o n f e r e n c ea n d e x p o s i t i o n ，v 0 1 2 ， p p 6 8 8 6 9 4 ，4 - 8m a r c h ，2 0 0 1 【l1 0 】t a k a h a s h i k ，j i n n o m ，a o n o m ，”t h es t u d yo f e l e c t r o n i c b a l l a s t f o r f l u o r e s c e n t l a m p w i t ha n e l e c t r o n i cd e v i c eg i v e nt w of u n c t i o n s ”，i n d u s t r ya p p l i c a t i o n sc o n f e r e n c e ，v o l5 ，p p 3 3 8 2 - 3 3 8 7 8 - 1 2o c t ，2 0 0 0 【il1 】d e n g e ，c u k s ，”s i n g l es t a g e ，h i g hp o w e rf a c t o r ，l a m pb a l l a s t ”，a p p l i e dp o w e re l e c t r o n i c s c o n f e r e n c ea n de x p o s i t i o n ，v 0 1 1 ，p p 4 4 1 - 4 4 91 9 9 4 【i 1 2 】m a l e s a n i l ，r o s s e t t o l ，s p i a z z gt e n t i p ，”h i g he f f i c i e n c ye l e c t r o n i cl a m pb a l l a s tw i t h u n i t yp o w e rf a c t o r ”i n d u s t r ya p p l i c a t i o n ss o c i e t ya n n u a lm e e t i n g ，v 0 1 1 ，p p 6 8 1 6 8 8 ， 4 - 9o c t ，1 9 9 2 【i 1 3 】d e n g e ，c u k s ，“s i n g l es w i t c h ，u n i t yp o w e r f a c t o r , l a m pb a l l a s t s ”，a p p l i e dp o w e r e l e c t r o n i c s c o n f e r e n c ea n de x p o s i t i o n ，v o l2 ，p p 6 7 0 6 7 6 ，5 - 9m a r c h ，l9 9 5 塑兰垄兰堡主兰堡垒查 【t1 4 】p o n c em ，a r a u j ，a l o n s oj m ，“a n a l y s i so ft h ec l a s sea m p l i f i e rw i t ht w oc u r r e n t s o u r c e s u s e da sa h i g h p o w e r f a c t o r e 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 t l a m p s ”，p o w e re l e c t r o n i c s c o n g r e s s ，p p l 6 9 - 1 7 4 ，1 5 - 1 9o c t ，2 0 0 0 【11 5 】f e r r e r oe j ，r i c o m ，a l o n s o j m ，b l a n c o c ，r i b a s j ，“a n a l y s i sa n dd e s i g no fa na c a c r e s o n a n tc o n v e r t e ra sah i g hp r e s s u r es o d i u ml a m pb a l l a s t ”，i n d u s t r i a le l e c t r o n i c s s o c i e t y , v 0 1 2 ，p p 9 4 7 - 9 5 2 ，3 1a u g - 4s e p t ，1 9 9 8 【l1 6 】o b a lm u r a b a y a s h i h ，m u r a s i g es ，t a k a h a s h i i “s i n g l e s w i t c hb u c k b o o s tt y p ed i t h e rp f c c o n v e r t e ru s i n gc e n t e r - t a p p e dt r a n s l b r m e r ，p o w e re l e c t r o n i c ss p e c i a l i s t sc o n f e r e n c e ，v 0 1 2 ， p p l 8 2 2 。1 8 2 7 ，1 7 - 2 2ma y ，1 9 9 8 【11 7 1 s e i d e l m r ，b i s o g n o f e ，p a i v a rc ，m a r c h e s a n t b ，d op r a d o r n ，“b u c k b o o s tp u s h p u l l h i g hp o w e r f a c t o re l e c t r o n i cb a l l a s t ，p o w e r e l e c t r o n i c ss p e c i a l i s t ，v 0 1 1 ，p p 4 5 7 4 6 1 ，2 0 0 3 【ll81l i nt f m o o c s ，s o o n g m j ，c h e r t w m f o rm e t a lh a l i d el