（电力电子与电力传动专业论文）大功率hid灯镇流装置试验平台的研究与设计.pdf

北方 业大学硕十学位论文 r e s e a r c ha n dd e s i g no ft e s t i n gp l a t f o r mf o rh i g h - p o w e rh i d l a m o b a l l a s t sd e v i c e a b s t r a c t h i d0 4 i g h - h a t e n s i t y - d i s c h a r g e ) l a m p s 黜w i d e l ya p p l i e di nr e s i d e n t i a l 嬲w e l la s c o m m e r c i a ll i g h t i n ga p p l i c a t i o n sd u et oi t s i m p r e s s i v ep e r f o r m a n c es u c ha sh i g hl u m i n o u s e f f i c a c y , l o n gl i f e , c o l o rr e n d e r i n g b e c a u s eo fh i dl a m p sn e g a t i v ei n c r e m e n t a li m p e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c s , b a l l a s ti sn e e d e dt oe m p l o yt ol i m i tl a m p sc u r r e n t t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y a n dp o w e rd e n s i t yo fb a l l a s t su s e df o rh i dl a m p ，b a l l a s t sw o r k i n gf r e q u e n c yh a sb e e n g r a d u a l l yi m p r o v e d h o w e v e r , w h e nh i dl 曲a p so p e r a t ei nh i g hf r e q u e n c y , s o m ee s p e c i a l p h e n o m e n as u c ha sa c o u s t i cr e s o n a n c ew i l lo c , c l 口os o i ti sn e c e s s a r yt od e s i g na l le x p e r i m e n t a n do b s e r v a t i o np l a t f o r mf o rs t u d y i n gt h eh i di 锄叩a n dt h eb a l l a s t t h ei n v e s t i g a t i o no ft h et h e s i si sf o c u s e do nd e s i g nt h ee l e c t r i c a lt e s t i n gp l a t f o r mf o r 1 0 0 0 wh i dl a m p t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa l e 雒t h ef o l l o w i n g s ：( 1 ) b a s eo nd e e p l y i n v e s l d g a t i n gh i dl a m p so p e r a t i n gp r i n c i p l eu s i n gg a sd i s c h a r g et h e o r y , as u i to fc o n t r o l s t r a t e g yh 鹪b e e nb r o u g h tf o r w a r d ( 2 ) 1 0 0 0 wh i g h - f r e q u e n c ye l e e m m i eb a l l a s tf o rh i dl a m p i sf i n i s h e da n dd e t a i ld e s i 掣f i n gp r o c e s sh a sb e e nd e s c r i b e d ( 3 ) i no r d e rt of a c i l i t a t et h e o b s e r v a t i o n , e l e c t r i c a lp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n ta n da r c ：i m a g i n gd e v i c e sh a v eb e e nd e s i g n e d e x p e r i m e n tr e s u l t sh a v eb e e np r o v e dt h a tt h ei k w b a l l a s ta r i do b s e r v a t i o nd e v i c e sh a v e t h es u p e r i o r i t yp e r f o r m 锄e e , a n dd e s i g nm e t h o di sw i t hg o o dl f e r e n e ev a l u ef o ra n a l y s i sa n d d e s i g no f h i g h - p o w e rh i g h - f r e q u e n c ye l e c t r o n i cb a l l a s t t h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t d e v i c e sh a v et h ef a v o r a b l ec h a r a c t e r i s t i c ss u c h 勰证d ei r a n s m i s s i o nb a n d s , h i 业s a m p l i n g p r e c i s i o n , f a s ts a m p l i n gs p e c , t , a n dg o o dr ，既：t o r m a n c eo fe l e c t r i c a li s o l a t i o n t h ea r ci m a g i n g e q u i p m e n tu s e di n f r a r e di m a g i n gt e c h n o l o g yc , f l l lb ee a s ya n dc o n v e n i e n tt oo b s e r v ea n dr e c o r d t h ea r cu n d e rh i d l a m pr u n n i n gs t a t e t h ee x p e r i m e n ta n do b s e r v a t i o np l a t f o r mf o rh i g h - p o w e rb a l l a s to f h i dl a m pd e s i g n e di n t h i sp r o j e c th a sb e e nv e r i f i e dt h a ti th a sg o o de l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c , a n di tc a no f f e rg o o ds e r v i c e f o ra n a l y z i n gt h eh i dl a m pc h n r a c t e r i s t i e , a sw e l li l l s e f f e c t i v e l yh e l pt od e s i g nh i g h - f r e q u e n c y b a l l a s tf o rh d l a m p k e yw o r d s ：h ml a m p , e l e c t r o n i cb a l l a s t , s a m p l i n gn e t w o r k , e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c , e i r c l f i ts i m u l a t i o n 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工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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j e 左王些太堂或其他教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：獬字日期；9 年。明。j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解韭友王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权j b 友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：狮 签字日期：9 年。月o j 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：巧净潮巧妇 电话： 邮编： 北方一i ：业大学硕士学位论文 引言 绿色照明是照明节电、减少环境污染、保护生态平衡的系统工程。“绿色照明工程 在世界上许多国家都被列为重点推广项目和节能产业的跨世纪战略。高气压强度放电 ( h i g h - i n t e n s i t y - d i s c h a r g e ，简称h i d ) 灯具有光效高，显色性好，寿命超长，光谱频带 宽，汞含量小( 仅为荧光灯1 l o ) ，性能稳定等优点，具备高效节能，绿色环保，照明 质量高等特质，是绿色照明工程所主推的绿色照明产品之一。随着h i d 灯的制造水平、 产品性能逐步改进，h i d 灯用镇流器的性能也不断提高，先后经历了电磁式镇流器、低 频电子镇流器正向第三代的高频电子镇流器发展。高频化、高功率等级、高功率密度、 高能效比及绿色环保是h d 灯用镇流器的基本发展目标。 提高h i d 灯的发光效率，除了改进灯的加工工艺，最直接的方法就是设计更为出色 的灯用电子镇流器。镇流器高频化被认为是提高h i d 灯光源效率的最为有效方法之一。 然而当镇流器的输出驱动信号频率高于一定程度时，会引发灯的声共振现象，从而引发 系统的不稳定，甚至损坏。目前对于声共振的研究颇多，灯声共振模型的研究也有一定 进展，一些克服声共振的方法被提出，然而基于目前的研究成果，设计出一套性能稳 定、安全适用的大功率高频电子镇流器仍显得相当困难。根据已有成果，第三代高频电 子镇流器的输出功率最高为4 0 0 w ( 工作频率2 0 k h z ) ，效率9 3 ，光效较低频电子镇 流器约提高1 0 2 0 左右。但功率等级、工作频率及工作效率仍无法满足现代的照明需 求。 要设计出性能出众的h d 灯用电子镇流器，对灯在高频功率信号驱动下，物理特 性、电气特性所发生变化进行研究是必须的。需要探索声共振产生的根源、影响因素， 找出行之有效且具有普遍意义的解决方法，才是解决h i d 灯高频工作不稳定问题的根 本。为了使h d 灯在高频下的运行状态便于观测。设计一套功能强大、使用方便的h d 灯镇流装置实验平台显得异常必要，这也正是本课题的主要任务。 首先我们需要运用气体放电理论对灯的整个运行状态进行详细分析，将等离子体放 电理论与现代控制技术相结合，研究出合理的、能使h d 灯在各个状态良好运行的控制 策略。根据设计出的控制策略，结合p s p i e d 方真技术设计大功率h i d 灯用电源系统，使 灯能稳定、安全地工作。对高压、高频交流采样技术、红外成像技术进行研究，设计出 观测和弧光成像装置，结合计算机来对灯运行时的电气特性，弧光状态进行观测、分 析，为以后声共振产生根源的研究、灯高频工作时异常现象的分析打下良好基础。 北方： 业大学硕士学位论文 本章主要介绍了电光源的发展与现状，例举了常见光源的特点及分类。通过对比传 统电光源与高强度气体放电灯的性能特点与差异，进而阐述了高强度气体放电灯优越性 能及在现代照明应用领域中的重要地位。镇流器的发展过程也在本章做了简单介绍，展 示了在现代节约、高效的经济发展模式下，高频电子镇流器的广阔发展空问。 1 1 电光源 1 1 1 电光源的发展 在人类的照明发展史中，电光源的产生起着划时代的作用，它使人们告别了传统的 燃烧式光源。从电光源的诞生至今，其发展共经历了三个重要阶段：白炽灯，荧光灯和 气体放电灯。 世界上第一只真正的白炽灯泡诞生于1 8 7 8 年，此后人类进入了电光源照明时代。 自炽灯称为第一代电光源。现代的白炽灯主要是利用钨丝通过电流受热而发亮来作为光 源的。作为照明领域最成功的产品，白炽灯在家用照明应用中占主导地位。然而白炽灯 的效率很低，仅能将约5 的电能转化为光能。 气体放电光源中最早得到发展的是低气压放电光源。1 9 3 8 年，一种不需要靠灯丝 发热产生光的灯一荧光灯出现，它的原理来源于气体放电，放电过程中产生的紫外线辐 射通过玻璃管内壁上的荧光材料转化为可见光。早期的荧光灯都是直管形状( 体积过 大) ，而且光颜色偏冷使其没有得到广泛的应用。在上世纪的七十年代后期，由于世界 性能源危机，出现了节能型的紧凑型荧光灯和细管径f r 8 ) 荧光灯，改变了传统直管荧光 灯体积大的缺点。同时，荧光粉的材料的改进，使得荧光灯能以得到与白炽灯相似的暖 色光。荧光灯真正开始取代自炽灯应用在家用照明中。九十年代又出现了超长寿命的无 极荧光灯( 如q l 灯，寿命6 万小时) 及管径更细仃s ) 、光效更n 0 0 0 l m w ) 的荧光灯。其 高效能、光输出的持久性、颜色的多样性及较长的使用寿命使它成为上述照明领域中的 理想选择。据估计全世界人造光源所发出光的总量中，约8 0 是荧光灯所发出的【”。 低压钠灯是另一个具有代表性的低气压放电照明光源，它是目前电光源中发光效率 最高( 2 0 0 1 m w ) 的一种光源。低压钠灯虽和荧光灯一样，很早得到了应用，但由于它是 一种单色光源，显色性极差，只能用在特殊场合。 高气压放电光源由于气体放电电流密度大、发光亮度高，习惯上称它为高强度气体 放电灯( h i d 灯) 。高气压放电光源以高压汞灯为代表，在上世纪五十年代初进人照明颁 北方工业大学硕士学位论文 域。六十年代初出现了大功率弧氙灯，光色好，但光效较低( 3 r a m w ) 。为了进一步改 善高气压放电光源的显色性能和提高发光效率，金属卤化物灯和高压钠灯的研制和开发 被日益重视，在八十年代初金属卤化物灯和高压钠灯生产制造技术趋向成熟，进入大批 量生产。这两种灯分别具有良好的显色性能及很高的光效，以及很长的寿命，因而成为 最具有发展前程的高效节能光源。在九十年代后期出现了兼有这二种光源的优点而性能 更为优越的陶瓷金属卤化物灯，以及更富有创新的高频无极放电高气压放电光源。 今天，世界上入约有6 0 0 0 种不同类型的灯被人们使用，主要包括白炽灯，卤钨灯。 荧光灯、节能灯，高压汞灯( m v ) ，低压钠灯( l p s ) ，高压钠灯( h p s ) ，金属卤化物灯( m h ) 等。我们可以对白炽灯、荧光灯、h i d 灯的一些应用特性作简单比较，如表1 1 所示： 表1 1 几种常见光源的特性及应用比较 l 灯种发光效率光色性能平均寿命 l 自炽灯 最低显色性最好，但色调单一最短 i 荧光灯很高显色性好，色调可调 了长 ih i d 灯 最高 显色性好，色调多品种多 最长 据美国能源部2 0 0 2 年的统计报告，2 0 0 1 年美国的h i d 的使用数量约为1 0 5 3 5 6 万 只，占照明用总灯数的比例为2 ，发光功率占总照明功率的7 左右，如表1 2 所示 1 2 1 。美国电气制造者协会( n e m a ) 统计数字显示，其成员的m h 灯出1 ：3 量从1 9 9 0 到 2 0 0 2 年，增长达2 2 9 8 ，近几年的势头更为迅猛。 表1 22 0 0 1 年美国h i d 使用状况统计表 皿量 住宅照明 商q t , 昭明 工业照明室外照明合计 安装 m v3 1 0 3 0 0 05 4 0 1 0 0 01 7 5 0 0 0 01 2 1 4 f 对0 02 2 4 ( 】o o o o 总数 m h1 9 3 7 8 0 0 01 0 7 0 ( m d 04 7 2 便l o o3 4 8 0 9 0 0 0 量 h p s1 2 0 4 0 0 05 8 1 4 0 0 02 6 9 4 0 0 03 4 3 4 7 0 0 04 4 0 5 8 0 0 0 皿4 3 0 7 0 0 03 0 9 1 2 0 0 01 5 2 2 3 0 0 05 4 9 1 5 0 0 01 0 5 3 5 6 0 0 0 占照m v 1 1 7 多6 明用 m h 1 3 6 总灯h p s1 4 7 1 数比 h d 2 5 7 5 2 0 占照 m v2 3 1 9 1 明总 m h 8 2 2 1 0 4 功率 鹏1 5 5 0 2 比 h ) 1 1 3 0 8 3 7 表1 3 列举了各种照明用灯的特性比较，其中“照明贡献是为了评估各种灯为照明 事业所作的贡献，依照灯的发光效率与平均寿命的乘积作的粗略评钟1 , 3 4 1 。可以看出， 高压气体放电灯具有明显的优越性。 北方 业大学硕十学位论文 表1 3 各种常见照明用灯的特性 灯泡品种 光效( i r a w )显色指数( r a )色温( k )平均寿命( 1 1 )照明贡献( i m w x h ) 白炽灯 1 29 5 9 72 q 0 睢2 9 0 01 0 0 01 2 0 0 0 卤钨灯 2 09 8 1 0 02 9 0 3 0 5 02 0 0 04 0 0 0 0 荧光灯 7 04 5 - 9 52 7 0 0 石5 0 08 0 0 05 6 0 0 0 0 高压汞灯 6 01 6 - 5 32 0 0 0 4 5 0 01 2 0 0 07 2 0 0 0 0 金属卤化物灯 l o o8 0 9 03 0 0 0 - - 4 5 0 02 0 0 0 02 0 0 0 0 0 0 高压钠灯 1 2 02 0 3 91 9 5 0 一3 0 0 02 4 0 0 02 8 8 0 0 0 0 1 1 2 电光源的基本参数 了解电光源的基本参数，有助于我们更好地对比较各种电光源的性能特点，从而为 选择合适的电光源提供参考标准。以下列出了各种电光源基本参数的含义及应用场合： ( 1 ) 辐射通量：发射和接受的电磁辐射总功率，以瓦为单位，它包括可见光辐射和 不可见光辐射两部分。 ( 2 ) 光通量：单位时自j 内，在可见光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。 ( 3 ) 发光效率：简称光效，指电光源所发出的光通量与它所消耗的电功率之比，其 单位为流明瓦。实际上，光效表示了电光源将电能转换为光能的效率。 ( 4 ) 照度：单位光照面积上入射的光通量，单位是流明米2 。照度是衡量物体表面 被光源照亮的程度。在其它条件保持不变的情况下，照度与光通量成正比。 ( 5 ) 显色指数：是光源显色性的量化，它表述了光源还原色彩的能力。如果光源所 放射的光之中所含的各色光的比例和自然光相近，则我们眼睛所看到的颜色也较为逼 真，更接近自然原色，显色性高。为了方便比较，规定太阳光的显色指数为1 0 0 ，其它 电光源的显色指数均与之比较而定，电光源的显色指数均低于1 0 0 。 ( 6 ) 色温、相关色温：当电光源发射的光的颜色与标准黑体( 如铁) 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。电光源 的光色与黑体在某一温度下的光色接近时，称黑体当时的温度为电光源的相关色温，这 主要是因为气体放电光源的光谱能量与黑体的光谱能量分布很不一致，故采用“相对色 温i 塞一概念来标定电光源色温。大部分光源所发出的光通称为白光，故光源的色温或 相关色温即用以指其光色相对白的程度，以量化光源的光色表现。 ( 7 ) 亮度系数：在同一照明条件下，反射表面的亮度和完全漫反射面的亮度之比称 为该表面的亮度系数。 北方工业大学硕士学位论文 1 1 3 电光源的分类和应用 照明电光源一般分为热辐射光源、气体放电光源和其他光源三大类。在照明工程 中，可根据具体情况，选择各种光源。 ( 1 ) 热辐射光源 主要包括普通白炽灯和卤钨灯。白炽灯作为低照度的室内照明用灯，具有显色性 好，显色指数高，色温低，色表舒适感好，显色性好，启动性能好，光输出可调光，结 构简单，价格低廉等特点。但寿命短、光效低。适合于生活居室照明，应急照明；卤钨 灯( 填充部分卤族元素或卤化物的充气自炽灯) 具有普通照明自炽灯的全部特点，光效 和寿命比普通白炽灯高一倍以上，体积小，适合于家居、办公、商业及特殊照明。 ( 2 ) 气体放电光源 气体放电本质是指电流通过气体媒质时气体导电的现象，又称气体导电。通常情况 下，气体由中性分子或原子组成，是良好的绝缘体，并不导电。气体的导电性取决于气 体中电子、离子的产生及其在电场中的运动。加热、照射( 紫外线、x 射线、放射性射 线) 等都能使气体电离，从而产生导电性，这个过程称为被激导电，使气体被激导电的 这些因素统称电离剂。当加在气体上的电压增加到某一数值后，气体中电流急剧增加， 即使撤去电离剂，导电仍能维持，这种情形称为气体自持导电或自激放电。气体由被激 导电过渡到自持导电的过程，通常称为气体被击穿或被点燃，相应的电压叫做击穿电 压。气体放电原理类的灯发光过程基本上都是灯管内的气体的自持导电过程。 气体自持放电的特征与气体的种类、压强、电极的材料、形状、温度、间距等诸多 因素有关，而且往往伴随有发声、发光等现象发生。自持放电因产生的条件不同，放电 的形式也有所不同，主要的形式包括暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放 电、高频放电等。根据灯放电的形式及制作工艺的不同，气体放电光源包括低气压放电 灯和高强度气体放电灯。 低气压放电灯主要有荧光灯和低压钠灯。荧光灯俗称日光灯，具有光效高( 高白炽 灯4 倍) ，寿命长( 约为自炽灯1 0 倍) ，显色性好，色温范围较宽，光线柔和、无眩 光，光输出稳定等特点。广泛应用于室内照明用灯，是应用范围十分广泛的节能照明光 源；低压钠灯发光效率特高、寿命长、光通维持率高、透雾性强，但显色性差。主要用 于隧道、港口、码头、矿场照明。 高强度气体放电( h i g h - i n t e n s i t y - d i s c h a r g e ，简称h i d ) 灯，包括高压汞灯、高压 钠灯、金属卤化物( m e t a lh a l i d e ，简称m h ) 灯及特种气体放电灯( 氰灯、氢灯) 等， 北方下业大学硕七学位论文 具有光效商、显色性好、寿命超长、光谱频带宽、汞含量小、性能稳定等优点，应用广 泛，是本课题的研究对象，其发光原理和特性将在后续章节进行详细介绍。 h d 灯根据填充气体不同分为很多种，各种h i d 灯的特点的比较如下：荧光高 压汞灯，寿命长、成本相对较低，主要应用道路照明、室内外工业照明、商业照明； 高压钠灯的寿命长、光效高、透雾性强，主要应用道路照明、泛光照明、广场照明、工 业照明等；金属卤化物灯的寿命长、光效高、显色性好，用途主要为工业照明、城市 亮化工程照明、商业照明、体育场馆照明以及道路照明等；陶瓷金属卤化物灯的性能 优于一般金卤灯，用途为商场、橱窗、重点展示及商业街道照明。 ( 3 ) 其他电光源 主要包括高频无极灯，发光二极管( l e d ) 和新型节能灯等。其中，高频无极灯寿 命超长( 可达4 0 0 0 0 8 0 0 0 0 小时) ，无电极，瞬间启动和再启动，无频闪，显色性好， 主要用于公共建筑、商店、隧道、步行街、路灯、保安和安全照明及其他室外照明；发 光二极管( 电致发光的固体半导体光源，又称为固体放电灯) 具有高亮度的点光源，可 辐射各种色光和白光，0 - - 1 0 0 光输出( 电子调光) ，寿命长，低电压工作，其用途为 交通信号灯、标识照明、指示灯、桥体或建筑物轮廓照明及装饰照明等；新型节能灯为 当今流行的新型电光源，其材料使用多数与稀土有关，其中使用最多的电光源是稀土三 基色荧光灯。稀土三基色节能灯与普通的白炽灯相比节电率高达8 0 0 , 6 ，而且可以获得与 目光相近的色温，使得被照物体颜色纯正不失真，其生产过程不污染环境。 1 2 高强度气体放电灯 1 2 1h i d 灯的结构 从光源的分类可知，各种h i d 灯发光原理基本相似，只是填充气体不同，因此输 出的光也不相同。下面以金属卤化物为例，来说明h i d 灯的主要结构及放电形式。 图1 1 为金属卤化物灯的结构示意图，高压气体被填充于弧光管内，弧光管管壁一 般用石英制成。气体击穿放电，建立稳定的光辐射均发生在图示的弧光管内。金属卤化 物灯起源为高压汞灯灯管内加入金属卤化物，之所以采用金属的卤化物，是因为它有两 个很好的特性：第一，金属卤化物的蒸气压一般都比金属的蒸气压高得多，能使电弧中 心金属原子的浓度达到产生有效辐射的标准；第二，除金属氟化物外，其它金属卤化物 都不和石英玻璃或电极发生明显的化学作用，可避免灯泡外壳损坏。金属卤化物灯的平 均显色指数可达9 0 ，最高甚至可达9 5 。只要选择适当的发光物质，就可以使辐射尽可 能集中在所需要的波长，而使其它波长的辐射减少，甚至为零；且由于气体放电辐射的 北方工业大学硕士学位论文 波长范围有选择性，使得金属卤化物灯色彩呈现多样化，其发光效率也能有所调整，可 达到较高的发光效率。而金属卤化物灯的发光效率可达7 5 1 2 5 流明瓦，在众多光源 中，是属于发光效率较高的一种。 垂蜃电报曩光雷联蠢 图1 1m h 灯结构示意图 1 2 2 玎d 灯的发光特性 h i d 灯因填充气体的不同，其光效、颜色也有所不同。h i d 灯之所以发光效率很 好高，只要是由于其光谱的分布主要位于可见区，人眼视觉的可见光谱波长约为 3 8 0 n m 7 8 0 n m 。高压汞灯工作时，主要辐射的是4 0 4 7 r i m 、4 3 5 8 n m 、5 4 6 1 n m 和 5 7 7 0 5 7 9 0 r i m 的可见谱线，此外还辐射较强的3 6 5 0 r i m 的长波紫外线。图1 2 为几种 普通的金属卤化物灯的光谱能量分布。 至 萋i 纂： 罨 童舯。 薹i 蝴。 蘩量 主2 0 0 z 4 0 0 5 0 06 0 0 7 0 0 照长fn m 钠诧俐饕 柏口卯u6 i 0 7 波长n m 锍铺饕 三 萋i 耀三 琶 攥 翟 茹 臻 一 暑 e c 宝 = 图1 2 几种普通金属卤化物灯的光谱能量分布图 媛长n m 铸謇钢类 北方工业大学硕士学位论文 由图可知，金属卤化物灯辐射谱线遍布在可见光范围内，且辐射谱线的峰值皆发 生在波长等于5 0 0 r i m 至6 0 0 n m 左右。而由于灯管中所填充的金属卤化物成分不同，所 以呈现出的辐射光谱与辐射能量也会不同。钠铊铟类灯的辐射光谱在绿光区( 5 2 0 r i m ) 与 黄光n ( 5 9 2 n m ) 的辐射能量较大，色温则介于温暖色( 5 0 0 0 。k ) 之 间。卤化锡的能量主要分布在黄光区，所以灯的颜色偏黄。图中的钠铊铟类、钪钠类、 镝铟类和卤化锡类四类卤化物灯的色温分别为：4 2 0 0 k , - - 4 5 0 0 k ，3 8 0 0 k - , - 4 2 0 0 k ，6 0 0 0 k 和5 0 0 0 k ，显色指数分别为：6 5 - - - 7 0 ，6 5 , , - 7 0 ，9 0 和9 2 。金属卤化物灯具有良好的色温 和显色指数，拥有良好的发光效率。 1 2 3 卸d 灯的声共振现象 为了追求更高的光效，减少频闪，建立稳定的光辐射，通常情况下需要提高灯的 工作频率，然而当灯工作在高频情况下会产生声共振现象1 5 】。声共振是高压气体放电灯 在使用中的一个致命弱点，产生原因为金属卤化物灯的放电电弧驱动气体所产生的振荡 压力与管壁反射的压力同相位时发生的共振现象，且发生的频率在音频范围之内。虽然 有理论说明此音频共振的现象，并推导公式计算可能的共振频率，然而发生音频共振的 频率是因灯管的构造不同而异，灯管内有许多不同振荡路径，径向、轴向以及不同的方 位角都会形成不同的共振频率。而且，次谐波与高次谐波也可能产生共振，加上彼此混 合共振的状况；所以，h i d 灯会有许多可能产生音频共振的频率。h i d 灯声共振特性， 会造成弧光放电不稳定、光输出变动和色温度改变等情形，进而造成灯管电压、电流振 荡，使得弧光闪烁甚至熄灭，更甚者会让灯管严重破裂，图1 3 ，i a 分别给出了声共振 发生前后的弧光示意图。声共振现象是灯的高频镇流器设计的关键问题，同时也是灯的 高频建模的难点之一。 固国 图1 3h i d 灯正常工作时稳态弧光示意图图1 4h i d 灯声共振时稳态弧光示意图 1 2 4h i d 灯的建模方法 h i d 灯的电气模型是设计和提高h m 灯用电子镇流器性能的关键。然而i - l i d 灯的放电 过程既是一个复杂的物理过程，又是一个复杂的化学过程，涉及到很多参数和变量，很 难用普通方法实现，所以近几年来如何建立合理的h i d 灯模型，使其能在很大的频率范 围内反映h d 灯的重要物理特性，并且简单实用，逐渐成为研究 d 灯的热点问题。 北方工业大学硕士学位论文 根据传统的h d 灯建模方法，可将现有的模型分为三大类，原理类模型、经验类模 型和曲线拟合类模型1 6 1 。 、 1 ) 原理类模型：是将微观粒子的运动状态和宏观的电阻、电导、电压、电流、温 度、压力和频率等参数联系起来，以气体放电理论和等离子体理论的方程为基础，建立 h i d 灯的模型。这种方法的优点在于，模型的高频阶段与低频阶段都比较精确，具有普 遍意义，可以适用于不同的h i d 灯。但方程复杂，计算量大，仿真困难。虽然原理类的 模型的建立要用到气体放电理论，难以理解，但这类模型具有很好的适用性，采用灯模 型的仿真波形与灯实际实验波形基本一致。 2 ) 经验类模型：主要通过测取h i d 灯在工作过程中的电压、电流、功率、频率等 量的变化，建立灯的电阻( 或电导) 与这些参数的函数关系，从而获得经验模型。针对低 压气体放电灯来讲，这种方法建立的模型原理简单，容易实现仿真，且参数少，确定起 来相对容易，尤其是模型针对性强，可以实现对声共振等特殊现象的建模与仿真，同时 模型通用性好，可以适用于不同的h i d 灯。但由于建模过程中要忽略次要的量，模型不 精确，而且计算量大，实验波形与仿真波形的对比一致性稍差。 3 ) 曲线拟合类模型：应用数学方法对得到的实验波形进行曲线拟合，用数学公式 逼近，得到这条曲线的数学表达式，进而得到h i d 灯的数学模型。这类建模方法中常用 的有分时段线性回归方法、差分方程拟合方法两种。小信号法建模因为要在稳态工作点 处进行线性化，也可以看成是曲线拟合类模型。这类方法思路简单，运算量小，容易仿 真，而且针对具体的曲线逼近，精度较高。但模型通用性差，模型物理意义不明确，模 型应用频率范围窄。 目前，在h d 灯的建模方面低频建模方法和理论已趋于成熟，最有影响的模型是： 英国h a l l 博士提出的稳压管等效电路模型、美国w d p a r t l o w 提出的分时段回归模型及作 者提出的分段线性化模型等，这些模型较好地描述了h d 灯低频稳定工作的电气特性。 但h d 高频稳定工作的电气模型和声共振模型建立方面，尚未有比较成形的理论和方 法，这也是本论文所需要研究的一个重要问题。 本课题在解决灯高频模型建立问题时，我们用到了经验类模型和曲线拟合类模型方 法。在控制策略设计的时候，我们结合灯的原理和工作曲线，采用曲线拟合进行分时段 控制。在灯的镇流器设计时，我们采用的是经验类模型。 北方一r 业大学硕士学位论文 1 3h i d 灯用电子镇流器 如前所述，高强度气体放电灯正常工作时具有负阻特性”，即随着电流的增大，灯 电压减小，系统处于不稳定状态。因此，h i d 灯不能直接应用于电压源上，否则微小的 电压波动将导致电流过载而烧毁灯管或者熄弧。为了让系统能稳定工作，我们必须给灯 串联一个正阻抗z ，以限制电流的波动，稳定灯的功率，这就是镇流器基本出发点。所 以每一个h d 灯必须有镇流器与之配套才能正常工作。 镇流器在气体放电灯的启动和工作过程中具有极其重要的作用。主要作用是：其开 路电压峰值足以使灯内气体产生电离，从而引起灯的启动；它能将灯的起动电流控制在 合适的范围内；在使用过程中灯的功率不会发生大幅度变化；能自动控制灯的正常工作 电流；能补偿放电电路的功率因数。 1 3 1h i d 灯用镇流器发展现状 h i d 灯用镇流器的发展基本上经历了三个阶段，即电感式镇流器( 也称电磁式镇流 器) 、低频电子镇流器和高频电子镇流器。 根据镇流器的功用，电阻、电感和电容都可以作为高强度气体放电灯的镇流器。但 是，为了减少在限流元件中的能量损耗，设计之初便采用不消耗有功功率的电抗性元件 电感作为镇流器使用，于是产生了第一代镇流器，即电感式镇流器。典型的工频电 感式镇流器的主要拓扑结构如图1 5 所示，其中电n ( a c 益、7 ) 为正弦低频供电，电感提 供了工频阻抗，以稳定灯的电流，电容c 用于进行无功功率补偿，提高输入端的功率因 数。图1 6 为使用电感式镇流器时高强度气体放电灯的典型工作波形，可以看出，电流 波形和电压波形几乎同相位，功率因数较低。另外在每一个灯电流过零点时灯电压都会 出现一个尖峰，这对灯的寿命有很大的影响，这也是电感式镇流器的缺点。 月c 隅j 。b 习厶fp 蔓翌 北方工业大学硕士学位论文 质量大、体积大、损耗大。一般损耗将达到灯额定功率的2 0 左右，空载损耗更为突 出，同时制作过程也加大了钢材和铜材的耗量。功率稳定性差。输入电压的变化对灯 的输出功率影响很大，频闪严重。 2 0 世纪5 0 年代，针对电感式镇流器中存在的一些弊端，有人提出了电子镇流器的 设想真流元件工作的高频化。7 0 年代末荧光灯交流电子镇流器的出现成为照明电 器发展史上的一项重大创新，标志着电子镇流器时代的开始。 电子镇流器的主要特点有 7 - 1 0 l ：电子镇流器设有滤波和功率因数校正电路，具有 高功率因数，低谐波含量，宽适用范围。采用高频技术，解决频闪现象；采用软启动 技术，避免了高起动电流的冲击，延长了灯泡寿命。工作效率高，自身损耗耗小；灯 发光效率高，亮度可调。 电子镇流器的发展可分为第二代的低频电子镇流器和第三代的高频电子镇流器。低 频电子镇流器一般使气体放电灯工作于几k h z 一几十k h z 频率之间，较小的电感值便 能实现系统的正常工作，而且镇流器中还具有功率因数较正功能，降低了对电网的污 染。拓扑结构按主电路驱动方式可分为全桥式和半桥式。最常见的是半桥谐振式电子镇 流器，如图1 7 所示。乃，乃为全控型功率管，厶c 、o 组成串并联谐振电路作为主电 路。灯的典型工作波形如图1 , 8 所示( 图中灯工作频率为2 0 k h z ) ，由于电子镇流器有 功率因数校正功能，所以有着很高的输入端功率因数，同时由于高频工作，高强度气体 放电灯的功率因数也很高，灯电压与灯电流基本保持同步变化，h i d 灯基本上表现为一 个恒定电阻。 代一同闩 埘埘 儿l f 划 图1 7 半桥谐振式电子镇流器图图1 8 典型灯电压电流工作波形 相对于电感镇流器，低频电子镇流器有了很大提高：一是电子镇流器体积小、质量 轻、无噪声、灯光无闪烁；二是高频工作下的灯电弧更稳定，无声共振现象：三是在整 个寿命过程中，高频驱动的灯的色温变化可以忽略，易于实现调光等。目前最大输出功 i 蔫q j j b 方：r = 业大学硕士学位论文 率等级为1 2 k w 。然而在使用过程中也存在一些缺陷，首先电路的环节太多，拓扑结构 复杂，图1 9 为典型的低频电子镇流器结构，以p w m 型开关变换器为基础，采用了 p f c 、d c i x ：变换和d c a c 变换等三级结构。另外低频电子镇流器设计成本高于电感 镇流器、效率仍然不是很理想( 8 5 左右) 、其e m i 也较大，只适用于某些特殊照明行业 ( 如影视照明、军用机场等) ，难以推广使用。 图l - 9 三级式电子镇流器框图 随着电力电子技术的由低频向高频发展，电子镇流器技术不断改进，电气性能也越 来越好。第三代的高频电子镇流器采用两级拓扑结构，主要包括采用了p f c 和d c a c 高频谐振变换两个主要部分，其供电工作方式为高频( 5 0 k h z - 1 5 0 k h z ) 交流正弦波供电， 这种结构能够提高系统的控制精度，从而结合了前两代镇流器的优点，克服了前两代镇 流器的缺点。功率密度是第二代镇流器的两倍，已经得到大多数领域的广泛采纳。 本课题镇流器设计部分的研究以第三代的高频电子镇流器为基础，旨在提高h i d 灯在高频工作时的稳定性。 1 3 2 谐振变换器的比较与选择 电子镇流器主要以谐振变换器的理论为基础，设计大功率灯用高频电子镇流器不可 避免地会涉及谐振电路的相关知识，所以有必要对谐振变换器的分类及选择等知识进行 介绍。依据谐振槽路的类型来说，谐振变换器主要包括：串联谐振变换器( s r c ) 、并 联谐振变换器( p r c ) 和串并联谐振变换器( s p r c ) 三种基本的类型【1 ”。 ( 1 ) 串联谐振变换器 图1 1 0 为全桥式串联谐振变换器，其直流输出是由谐振电流f ，( 谐振电感电流) 通 过整流滤波后产生，而负载通过整流电路与谐振电感串联连接，故称为串联谐振电路。 这种电路电压转换率小于或等于1 ，即在理想情况下，开关频率等于电路的谐振频率 时，输出电压等于输入电压；开关频率偏离谐振频率时，输出电压小于输入电压。在串 北方一r = 业大学硕士学位论文 联谐振变换器中含有一个串联的谐振槽路，串联谐振槽路具有电流源的性质，因此低通 滤波器应是一个滤波电掣1 2 1 。 串联谐振变换器电路的优点是：串联电容隔断直流分量，避免高频变压器饱和， 适合设计成全桥拓扑输出大功率；开关器件的电流随负载的降低而减小，因而轻负载 下效率高。存在的缺点是：轻载或空载下，输出电压不可调；输出直流滤波电容必 须承受大的脉动电湔尤其在输出电压低、输出电流大的应用中是主要问题) ，因此适合 高压小电流输出，高压端没有磁元件。 图1 1 0 串联谐振变换器框图 ( 2 ) 并联谐振变换器 图1 1 l 为全桥式并联谐振变换器，谐振电压，( 谐振电容电压) 通过整流滤波后 形成直流输出，负载通过整流电路与谐振电容并联连接，故称为并联谐振电路。这种变 换器可以升压，也可以降压，取决于开关频率和谐振电路的有效q 值。在并联谐振变 换器中含有一个并联的谐振槽路，并联谐振槽路具有电压源的性质，因此与之相匹配的 低通滤波器应为l c 滤波器【1 3 , 1 4 。 并联谐振变换器的优点是：负载可被开路；由于在输出端采用滤波电感，对滤 波电容的脉动电流要求小，因而适用于低输出电压、大输出电流的场合。存在的缺点 是：开关管和谐振元件传输的电流相对不依赖于负载，轻负载下效率下降，适合于输出 电压范围较窄和额定功率处负载或多或少恒定的场合。 ( 3 ) 串并联谐振变换器 图1 1 2 为全桥式串并联谐振变换器，亦称为l c c 谐振变换器，它相当于在并联谐 振变换器的基础上串联一个电容，其输出电流为方波，输出电压为正弦波。 串并联谐振变换器与并联谐振变换器、串联谐振变换器相比，有很多优点；第一， 串联电容使得回路等效电容量减小，从而使谐振网络的特征阻抗增加，可以减小回路电 流，从而减少变换器所承受的电流应力；第二，l c c 谐振变换器的电压转换特性允许变 换器所接负载范围很大。在重载时，它近似串联谐振变换器，轻载时它近似为并联谐振 j e 方工业大学硕十学位论文 变换器，且轻载回路能量最小；第三，它具有内部短路保护功能；第四，它具有触发特 性，不需要再接触发器。这次镇流器中采用的是l c c 谐振变换器【1 3 , 1 4 1 。 图1 1 1 并联谐振变换器框图 图1 1 2 串并联谐振变换器框图 串并联谐振变换器结合了串联与并联两种变换器的特性，具有两者的优点而克服了 它们的缺点。在额定负载下，变换器呈现串联谐振变换器的特性，当负载变轻时转向并 联谐振变换器的特性。因此，串并联谐振变换器是一种较理想的拓扑形式，本设计中的 电子镇流器采用l c c 谐振变换器。 1 4 课题的意义及系统设计方案 由于商气压强度放电灯的光效高，显色性好，寿命长，光谱频带宽，汞含量小的特 点，使其在照明领域得到日益广泛的应用。为了获得更好的照明效果与效能，镇流器的 研究在h i d 的发展中就显得异常重要，同时h i d 灯及其镇流器装置的研究是以照明行 业为工程背景，h i d 灯用镇流器的研究具有良好工程应用前景。 本课题的主旨是，为研究h i d 灯工作在高频状态下的电气特性及伴随的一些特殊 现象而设计一套h i d 灯的驱动、观测的实验平台，其适用对象为1 0 0 0 wh i d 灯。 大功率h i d 灯镇流装置试验平台的研究与设计主要包括电源系统设计、镇流器设 计、观测装置( 包括电气参数测量装置和弧光成像装置) 设计三大部分，结构示意图如 图1 1 0 所示。电源系统主要完成电能变换，给各个环节正常工作的提供合适的电源， 其包括e m i 滤