（电力电子与电力传动专业论文）高强度气体放电灯电子镇流器的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r c c t a b s t r a c t h i g hi n t e n s 时d i s c h a r g e ( i - i i d ) l a m p sa r eh i g h e f f i c i e n tl i g h ts o u r c e s ，w h i c ha r e w i d e l yu s e di nc o m m o n a l i t ya n d s t r e e tl i g h t i n ga p p l i c a t i o n s t ow o r kp r o p e r l y , h i dl a m p sn e e ds p e c i a lc u r r e n tr e s t r a i n i n gc i r c u i t , w h i c hi s c a l l e d “b a l l a s t t h eb a l l a s tr e s t r a i n st h el a m pc u r r e n ta n dm a k e si tw o r ku n d e r n o r m a le l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c n o wh i dl a m p sa r eg e n e r a l l y i g n i t e db yt h e t r a d i t i o n a l5 0 h ze l e c t r o m a g n e t i cb a l l a s tt h a tb e a r sl i m i t a t i o n sl i k eh i g he n e r g y c o n s u m p t i o n ，l o we f f i c i e n c ya n dl o wp o w e rf a c t o r ，e t c t h e r e f o r e ，r e s e a r c h e r sa n d e x p e r t sw o r l d - w i d ea l es t r e n u o u s l yw o r k i n gt od e v e l o pt h ee l e c t r o n i cb a l l a s to fh i d l a m p s t h i sp a p e rf 1 _ r s t l yi n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e so f h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g i n ga n dt h e e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i co f h i dl a m p s , p o i n t e do u tt h ed e m a n dt oe l e c t r o n i cb a l l a s t s t h e nt h ep a p e ra n a l y z e dt h ep o p - t o p i c sa n dc r i t i c a lt e c h n i q u e so f h i da n d s u m m a r i z e dt h ee x c e l l e n t 白u i 乜t h a to b t a i n e db e f o r e i nt h ee n dw ed e s i g n e dd i f f e r e n t e l e c t r o n i cb a l l a s t sf o rh i g hp r e s s u r es o d i u m ( h p s ) l a m p sa n dm e t a lh a l i d e ( m h d ) l a m p s f i n a l t y , t h ep a p e rd i s c u s s e dt 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 e ( e m i ) a n dt h e r e l i a b i l i t y o f b a l l a s t s ，e s t a b l i s h e d t h e c i r c u i t m o d e l s f o rc o n d u c t e d e m i a n d a n a l y z e d t h ef a c t o r st h em a y i m p a c tt h er e l i a b i l 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 e , e l e c t r o n i cb a l l a s t s ，a c o u s t i cr c s o u a n e c e , e m l ， r e l i a b i l i t y 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 高强度气体放电灯( h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p , h i dl a m p ) 又称高压气 体放电灯，是节能型新一代电光源，具有光效商、寿命长等优点，已被广泛应用 于交通、市政、工厂等照明场合中。 高强度气体放电( h i 踢灯毖须配合相应的镇流器才能稳定工作。传统的5 0 h z 电感型镇流器存在着诸多缺陷f i 】圆，已不能满足当今社会对环保和节能要求，因 此国内外学多学者及工程技术人员投入较大的人力、物力研发h i d 灯的电子镇流 器，并取得了丰硕的成果。但是我们还面临着成本、可靠性、声谐振等问题，这 些问题制约了电子镇流器的广泛应用。 本章将在叙述气体放电基本原理的基础上，分析了传统电感式镇流器存在的 缺陷及电子镇流器的优点，并指出h i d 灯对电子镇流器的性能要求，从而引出本 文的工作目标和内容。 1 1 气体放电原理及其特性 1 1 1 电光源的几个基本术语3 l 在描述气体放电原理及特性之前，有必要先了解一下与电光源相关的几个基 本术语： 辐射通量( r a d i a t i o n 舢i i o u u 0 指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。 光通量( l u m i n o u sf l u x ) l i p 3 8 0 n m 到7 8 0 h m 之间的可见光的输出的视觉响应 的计量。由于人眼对不同波长的光的视觉灵敏度是不同的，因此不能直接用辐射 能量来衡量光能的大小，而必须用人眼对光的相对感觉量来衡量。光通量是指单 位时间内，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，则入眼感觉越明亮。 照度( i n t e n s i t yo f i l l u m i n a t i o n ) 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( l u x ) ，即流明米2 照度是用于衡量物体表面被光源照亮的程度 浙江大学硕士学位论文 绪论 的，在其他一切条件保持不变的情况下，照度与光通量成正比。 光效能( l u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c y ) 光效能是用来度量由辐射所引起的视感 觉情况，是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。 光效能是衡量电光源的一个重要指标，它表示电光源将电能转换为光能的效率， 提高光效是目前电光源研究的一个重要方面。 色温( c h r o m a ) 光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑 体的温度称为该光源的色温。因为大部分光源所发出的光统称为白光，故光源的 色表温度或相关色温度即用以指称其光色相对白的程度，以量化光源的光色表 现。黑体加热至呈红色时温度约5 2 7 即3 0 0 k 。光色愈偏蓝，色温愈高：偏红则 色温愈低。光源色温不同，光色也不同，色温在3 3 0 0 k 以下有稳重的气氛，有 温暖的感觉；色温在3 0 0 0 5 0 0 0 k 为中间色温，有爽快的感觉；色温在5 0 0 0 k 以 上有冷的感觉。 显色指数( k a u f m a n ) 光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜 色逼真的程度，是通过与同色温的参考或基准光源( 白炽灯或画光) 下物体外观颜 色的比较。显色性高的光源对颜色的表现较好，我们所看到的颜色也就较接近自 然原色，显色性低的光源对颜色的表现较差，我们所看到的颜色偏差也较大。 1 1 2 常用电光源及分类f 2 】【4 】 常用的照明光源包括白炽灯、汞灯、荧光灯、钠灯、金卤灯等，根据其发光 原理，通常可分为热辐射光源和气体放电光源两大类。 白炽灯是典型的热辐射光源，显色性好，色温低( 2 7 0 0 k 2 9 0 0 k ) ，启动性能 好，体积小，成本低，适用于卧室、客厅等生活居室照明，但白炽灯照度比较低， 其光效只有2 0 l r r i ，w 。 气体放电光源根据工作原理的不同可分为两类：辉光放电灯和弧光放电灯。 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，阴极压降较大， 电流密度较小，通常需要很高的工作电压；弧光放电灯放电时阴极压降较小，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正常工作，汞灯、 荧光灯、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( h i d ) 灯。荧光灯作为典型的低气压气体放电灯，是 2 浙江大学硕士学位论文 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 4 0 瓦荧光灯的光效可达6 0 1 m w ，是白炽灯的3 倍，寿命可达1 0 0 0 0 小时，比白 炽灯高1 0 倍；显色性好，色温范围较宽、光线柔和、无眩光；光输出随电源电 压变化较小，不影响视觉。高压钠灯( h i g hp r e s s u r es o d i u ml a m p s ，h p sl a m p s ) 、 金属卤化物灯( m e t a lh a l i d el a m p s ，m h dl a m p s ) 捏：典型的高压气体放电灯，其光 效比低压气体放电灯更高，本文将主要研究高压气体放电灯电子镇流器。 高压 l 一金卤 | 辞9 灯l 灯 荧光 灯 r 自帜灯 图1 - 1 不同电光源的光效比较 1 1 3 气体放电原理及其特性1 1 1 1 5 】 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、离子轰击或高温加热下，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 其它粒子，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 子自发返回基态时，就会产生电磁辐射，释放出光子。此外，电离气体中正负带 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，俗称气体 放电灯。气体放电灯的内部主要是一个放电管，用于将电能转换为电磁辐射能。 放电管由透明或半透明材料制成，两端是封闭电极，放电管中充满惰性气体或金 属蒸气。 m 伽 伽 锄 o 一【一籁泉 浙江大学硕士学位论文 v 黑暗放电辉光放电弧光放电 汤姆逊区 f u c 饱和区 奉征鼻子化 b 垩常辉踅l 一亚辉光一 y 图l - 2 气体放电灯的启动过程 图i - 2 是气体放电灯的伏安特性曲线，为使电子镇流器的设计更合理，有必 要了解d 灯从点火到正常工作的各个阶段： 第一阶段：黑暗放电。对 l i d 灯施加电压后，灯中填充的气体从初始的非导 电状态激励到导电状态队e ) ，整个过程是人眼不可见的；管内电离形成的电子 和离子在外加电压形成的极间电场中漂移，形成微弱的电流，这个微弱的电流通 过电子和离子的移动达到饱和，这个阶段电压上升很快( b - o ；电压达到灯管中 气体电离程度时，灯管中发生雪崩击穿( 汤森德放电) 产生微弱的辉光( c - d ) ；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( d - e ) ，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，仍叫做黑暗放电；电压增加到一定的程度后，由于从阳极发射的原子或者 光电子达到了电流击穿的程度，就发生了电流击穿，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，则灯直接进入辉光放电阶段( e - f ) ，击穿 电压决定于电极间的距离和电极材料。 第二阶段：辉光放电。辉光放电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，电流增长( f g ) 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( o - h ) ，在h 点产生电压击穿。 4 浙江大学硕士学位论文 第三阶段：弧光放电。灯电压击穿后，h i d 灯呈现负阻特性( h i ) ，此时辉光 向弧光过渡。在弧光放电过程中，电压下降而电流上升，直到电流到达i 点。此 后如果继续增大电流，放电灯就会进入热弧区，放电灯温升加剧，将会大大缩短 灯的使用寿命，因此，镇流器设计应能避免这种情况出现。 若在h i d 灯出现故障或有意中断工作而灯弧尚未冷却时就进行热点火，则 需要比冷态情况下高得多的点火电压，因此在灯未充分冷却时点火是比较困难 的。 气体放电总是伴随着辐射现象，在灯中产生光谱可见光部分辐射的基本元素 为钠和汞，前者产生光谱的可见光部分辐射，后者主要产生紫外线区域的辐射， 这种辐射很容易被放电容器内壁的磷涂层转换为可见光辐射。除采用的元素外， 另一个与辐射效率和丰富程度相关的重要参数就是放电参数就是放电压力，一种 压力很低，约为l p a ，另一种较高，约为1 m p a ，这就产生了两种主要类型的放 电灯： 1 低压放电灯。这类灯在约i p a 的压力下运行，放电的电流密度较低，单 位放电长度下功率较低。因此这种灯的放电容器较大，额定功率较低，最有代表 性的例子是低压钠灯和低压汞灯 2 高压放电( h i d ) 灯。h i d 灯气压升高至i m p a 或更高，以实现放电光视效 能的显著增加。这类放电灯放电电流密度高，单位放电长度功率高，因此放电容 器较小高压钠灯、高压汞灯和金属卤化物灯均属于高压放电灯。 由于高压汞灯光效相对较低、显色性较差且寿命较短，已经逐步被淘汰，而 高压钠灯和金属卤化物灯则具备了光效高、显色性好、发光集中等优点，己经成 为继白炽灯、荧光灯之后的第三代电光源。表1 - 1 是几种高强度气体放电灯的性 能比较。 浙江大学硕士学位论文 表l - l 高强度气体放电灯性能比较 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、碘化钠、碘化铊、 氤碘化铟 功率范围l o w 1 0 k w3 5 w 1 5 0 0 w2 5 w 1 0 k w 光效( 流明瓦) 4 0 6 07 0 1 2 56 0 1 2 0 显色指数 2 0 3 03 06 0 9 0 光色淡蓝绿色黄金白色 白色 平均寿命( 小时) 5 kg k 2 4 k5 0 0 2 0 k 主要应用场合 厂房照明、室内外道路、机场、码头广场、商场、体育 照明及工矿企业照明场照明、建筑物泛 光及投光照明 1 2 高强度气体放电灯电子镇流器 气体放电灯是一种强烈的非线性负载，这些具有负伏安特性的气体放电灯不 能直接应用于电压源上，否则微小的电压波动将导致电流无限制地增加直至烧毁 灯管或导致电流无限制地减小引起熄弧。因此，气体放电灯往往需要专门的限流 线路才能工作，也就是我们熟知的镇流器，镇流器的基本功能是防止电流失控， 使灯在正常的电特性下工作。 1 2 1 电感式镇流器的缺陷 图1 3 是典型的电感式镇流器示意图，其中电感提供了一个工频阻抗，以稳 定灯电流，电容用于无功补偿，提高输入端的功率因数。 l 图l o 电感式镇流器 6 l a m p 浙江大学硕士学位论文绪论 图l - 4 是使用电感式镇流器的高强度气体放电灯的典型工作波形，由波形可 以看出，这种h i d 灯系统的输入电压和电流之间存在明显的相移，功率因数低， 对电网产生严重的谐波污染，此外在每一个灯电流过零点时灯电压都有一个尖 峰，即所谓的“再点火”，这对灯的寿命有很大的影响。 l 0 0t 、 、 t l l z 2蕊z j烈 弋。 弋少 j j 厂。 f j f - 瓷 螽 赢 ； ： 。：-。 ； _ 沁融 叫 i j a ) 灯管电压和电流”输入电压和电流 图1 4 电感式镇流器工作波形 电感镇流器的优点是可靠性高，使用寿命较长，但是采用大电感镇流的照明 系统不可避免的带有以下缺陷【6 】： ( 1 ) 功率因数低。电感式镇流器功率因数一般在0 6 左右，这种照明系统的大 量使用增加了电网的无功负担； ( 2 ) 体积大、损耗大、噪音大。一般交流供电系统的频率只有几十赫兹，以 电感等无源元件构成的镇流器在工频下要起到有效的限流效果需要较大的元件 标称值，同时也会有一较大的体积。而且在工频下交流电感产生的电磁振荡是人 耳可以听到的，产生电感式镇流器所特有的工频噪声。另外，一般情况电感镇流 器的损耗为灯功率的2 0 左右，对于较大规格的h i d 灯照明系统，这是不容忽视 的问题； ( 3 ) 功率稳定性差。电网电压变化时，灯功率变化大，会缩短h i d 灯的使用 寿命。 1 2 2 电子式镇流器的优点 电子镇流器将低频交流电通过整流转变为直流电，再经过逆变器转变为较高 频率的交流电，逆变器一般工作在4 0 0 7 0 k h z ，启动电路往往采用谐振电路或 高压脉冲变压器，通过瞬间高压将灯点燃，点燃后由电感限制灯管电流。因为电 浙江大学硕士学位论文 子镇流器工作频率较高，从而可以用较小的电感就能实现系统稳定工作，达到镇 流效果。 在电子镇流器中，还可以增加一些附加电路，如保护电路、调光电路等，增 强了电子镇流器的功能，扩大了它的应用范围。具体来说，电子镇流器相对电感 式镇流器具有以下几方面优点【l 】川： ( 1 ) 能耗低，效率高。电感功耗较大，一般电子镇流器的效率都在9 0 以上， 在大量采用照明灯具的场所，如工厂、学校及机关等，通过采用h i d 灯和电子镇 流器就可以大量节约用电，我国于1 9 9 6 年实施的绿色照明工程就是在提高人们生 活质量的前提下提高用电效率，节约电力，减少污染，保护环境。 ( 2 ) 电子镇流器体积小、重量轻、无工频噪声，灯光无闪烁。电子镇流器一 般工作在2 0 k h z 以上的频率，它没有铁心电感所特有的令人心烦的嗡嗡噪声，避 免了噪声干扰，提高了照明环境质量。由于工作频率高，只需用体积很小、重量 很轻的铁氧体磁芯制作电感，整个电子线路占用空间小，灯光没有5 0 h z i 频闪烁。 ( 3 ) 电子镇流器具有高功率因数。传统的电子镇流器的输入功率因数一般仅 为0 5 o 6 ，而采用了功率因数校正措施的电子镇流器很容易达n o 9 5 以上，有 效地提了高电能利用率，减少对电网的谐波污染。 “) 电子镇流器可以提高灯的发光效率。研究表明，在输入功率不变的前提 下，在5 0 5 0 k h z 范围内，h i d 灯的光效随着频率的提高而增加。因此，要达到同 样的光输出，采用电子镇流器可以减小输入功率。 ( 5 ) 设计优良的电子镇流器可以具有良好的恒功率特性。h i d 灯的灯管电压 会随着灯管的不断老化而逐渐增大，而传统电感镇流器具有恒流特性，这就导致 了灯管在使用寿命期间功率不断增大，加速了灯管老化，而电子镇流器采用适当 的控制方式就可以很好地控制灯管功率，有效地延长了灯管寿命。另外，输入电 压在较大范围内波动时，电感镇流器驱动的灯功率会有很大波动，而使用电子镇 流器可以获得稳定的光输出。 ( 6 ) 可实现调光和智能控制。电子镇流器在采用调频、脉宽调制及光控等技 术的前提下，容易实现可调光和智能化照明系统。 当然，电子镇流器也有其缺点，就目前而言，主要是成本较高、可靠性相对 较低。 浙江大学硕士学位论文 1 2 3h i d 灯对电子镇流器的要求 虽然h i d 灯电子镇流器的思想源于荧光灯电子镇流器，但是h i d 灯的特性比荧 光灯复杂的多，它们具有与荧光灯明显不同的几个特征：一是需要比荧光灯大得 多的冷灯启动电压；二是在高频电流驱动下易产生“声谐振”现象；三是热灯启 动比较困难；四是h i d 灯的功率规格通常比荧光灯大。根据前面对h i d 灯特性的分 析，对电子镇流器提出了以下几项具体要求f 1 5 1 1 6 1 ： ( 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4 0 w 以下，最大的输出功率不过8 0 w ( 4 0 w 双管) ，而h i d 灯的功率达数百瓦， 甚至上千瓦，镇流器需要能很好地控制灯的输出，使输出功率在h i d 灯允许的功 率范围内，这样不仅能发挥m d 灯的优点，而且不影响灯的寿命； ( 2 ) 能够提供足够高的触发启动电压。h i d 灯的启动电压往往达2 k v 以上， 比荧光灯高得多。产生2 k v 以上的高压并不困难，但是要求这一高压必须匹配h i d 灯的启动特性，使h i d 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； ( 3 ) 能消除“声谐振”现象。h i d 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，电流随电压升高而急剧增大，最终会导致电子镇流器和m d 灯两败俱伤； ( 4 ) 能连续长时问点燃，在恶劣条件下可以正常运行。h i d 灯常年用作室外 照明，在露天的场合，冬天低至零下2 0 ，夏天高至零上5 0 ( 2 的情况屡见不鲜， 而且往往要连续燃点l o 个小时左右。因此，要求h i d 灯电子镇流器必须能耐高、 低温，防风沙、雨淋，同时还要求供电突然中断又立即恢复时能正常工作； ( 5 ) 在h i d 灯出现故障或烧毁时，电子镇流器不应损坏，为此要求电子镇流 器有完善的保护功能； ( 6 ) 鉴于h i d 灯功率比较大，要求电子镇流器防止对电网产生谐波污染，避 免对周围环境和设备产生电磁干扰。 综上所述，理想的电子镇流器须具备以下几个条件： ( 1 ) 成本低，价格便宜； ( 2 ) 对电网没有污染。即功率因数为l ，谐波含量低； ( 3 ) 电子镇流器不能影响灯的寿命； 9 浙江大学硕士学位论文 ( 4 ) 无频闪，无噪音： ( 5 ) 符合相关电磁兼容标准。 以上几点概括了h i d 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，具体的设计和实验结果将在以后几章中给出。 1 3 本文研究内容和意义 本文在分析高强度气体放电( h i d ) 灯电子镇流器关键技术的基础上，借鉴前 人的优秀成果，设计并研制出了几种规格的h i d 灯电子镇流器，用相关仪器进行 了测试，同时本文还探讨了电子镇流器的电磁干扰( e m i ) 和可靠性设计，提出相 应的解决方法。 本文的主要工作分四部分展开： 第二章主要介绍了当前电子镇流器研究中的熟点和关键技术，包括h i d 灯的 建模、声谐振问题及其解决办法、电子镇流器拓扑等，领会和掌握这些技术对于 电子镇流器的设计很有帮助。 在第二章内容的基础上，本文第三章针对高压钠灯和金属卤化物灯设计了不 同的电子镇流器方案，成功研制出1 5 0 挖5 0 4 0 0 w 高压钠灯电子镇流器和4 0 0 w 金 属卤化物灯电子镇流器，并对其性能作了测试。 第四章主要探讨电子镇流器的电磁干扰( e m i ) 和可靠性设计。通过分析传导 e m i 的干扰源和传播路径，建立了等效电路模型，并根据此模型设计了相应的 e m i 滤波器。本章还对影响电子镇流器可靠性的因素进行了分析，提出了相应的 解决措施。 第五章对本文的工作进行了总结，并展望了未来的工作。 l o 浙江大学硕士学位论文 电子镇流器关键技术研究 第二章电子镇流器关键技术研究 照明产业前景广阔，新一代h i d 灯由于其所具有的优点而成为世界范围内 研究的热点，相关的论文和文献资料也比较多。国外许多大公司如p h i l i p s ，g e 等都在h i d 镇流器研究上投入了很大的人力、物力，取得了一些新的成果，国 内也有许多厂家也在开发h i d 电子镇流器，但尚处于起步阶段，技术还不成熟。 本章将主要介绍当前电子镇流器研究中的热点和关键技术，包括h i d 灯的 稳态建模、声谐振问题及其解决方法，电子镇流器的拓扑、功率因数校正等。在 设计电子镇流器之前，必须对这些技术有基本的了解。 2 1h i d 灯的稳态建型 在设计h i d 灯电子镇流器之前，必须对其电特性，尤其是稳态特性有一定的 了解。下面将分析h i d 灯在不同工作频率下的电特性，进而介绍几种描述h i d 灯 的稳态数学模型，并对其进行分析和比较。 2 1 1h i d 灯在低频和高频下不同的电特征 h i d 灯的稳态特性十分复杂，在高频和低频下表现出来的电特性截然不同。 ： 毛 ，幽钟岫r ( - 、 it_ i 蕊z 2i 尘乡s 。 电湖5哪i 】 二二j ， - - _ ， ，。 e a ) 5 0 h zb ) 2 5 k h z 图2 - 1h i i m j 的稳态电特性 图2 一l a ) 是在工频5 0 h z 下的灯管电压电流波形。可以看到，在电流过零点继 浙江大学硕士学位论文 电子镇流器关键技术研究 续增大的时候，灯电压会突然升高，达到一个尖峰，然后又迅速回落，这即是所 谓的“再点燃”现象，再点燃对h i d 灯的使用寿命有很大的影响。 当h i d 灯工作于高频，如图2 1 b ) 所示，在2 5 k h z 下，灯电流和灯电压波形近 似为三角波，且两者相位几乎相同，这时h i d 灯可近似看作线性负载。 图2 2 表明3 h i d 灯在不同频率正弦电流的驱动下电压波形的变化趋势【8 】a 在 低频时灯管电压几乎为方波，随着频率的增大，电压波形与电流波形逐渐趋于一 致，5 k h z 下的电压波形几乎为正弦波。 ， ： ： 5 0 f i o o l t t5 k 、 i i i 灯电流 一一一一玎电压 图2 - 2 不同频率下的灯电压、电流波形 2 1 2h i d 灯的稳态模型 h i d 灯从启动到稳态的工作过程极其复杂，很难用精确数学表达式来表述， 因此建立一个h i d 灯的近似模型对于电子镇流器的设计非常重要，下面将介绍几 个描述h i d 灯稳态特性的模型。 1 热学模型 9 1 热学模型中基本原理是能量守恒定律，在任意给定的时间，h i d 灯电弧热 量增加( d q ) 等于输入功率与输出辐射功率和热传导功率的差值，可用下面的等 式表示： a q = ( 一气一乇弦 ( 2 1 ) 其e e 最。是h i d 灯输入电功率，屹，为辐射功率，圪。为热传导功率。 根据基本电路关系，有 1 2 新江大学硕士学位论文 电子镇流器关键技术研究 k 2 苦 ( 2 2 ) 其中k ，是加在h i d 灯上的电压，。是灯电流，k 是h i d 灯的等效电阻， 也是电弧腔内等离子体的等效电阻。 k = 啦若d 矿 ( 2 3 ) 这里吒是等离子体的电导率，矿是等离子体的体积，l 是等离子的长度，s 是等离子体的截面积。 通常，h i d 灯的电导率等于所有等离子气体成份的电导率之和： d ! = q( 2 4 ) 对于弱电离等离子体，电导吒与温度有关： q = 若州一刍k 1 ( 2 5 )q 2 0 01 一唧一磊三)( 2 5 ) q p 其中的0 0 是与填充气体f 相关的常数，t 是电弧的中心温度，p 是气体压强， 最是气体i 的电离能，七是玻尔兹曼常数。 基于文献【9 】假定，单位长度电弧的热增量可用如下式子表示： 坦一- - i ”。一2 + 疵mc _ ，p 茹( 屹。一如) l e r ( 2 6 ) 其中，c 、c _ ，分别为内外层的热容量，成。、p _ 分别为内外层的密 度，、分别为电弧管腔体内径和内层的半径( = ，其中心为电极半 径) ，t 。为平均外围温度与平均中心温度的比值。 h i d 灯单位长度的输入电功率为： 气2 半 乞为两电极间的距离长度。 h i d 灯辐射功率为： 圪d = 2 z 心占( r )( 2 8 ) 浙江大学硕士学位论文 电子镇流嚣关键技术研究 s ( r ) 是电弧表面发射率。 h i d 灯热传导功率可表示为： p 埘= t ( 丁) ( r 一? k ) 2 万心( 2 9 ) 其中七( r ) 为热传导系数，z k 代表环境温度。 将式( 2 6 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 代入式( 2 1 ) 中，可得到了如下描述电弧状态的基本 微分方程： 砑专生砌心【占( 乃+ k ( t ) ( r - - -)l$ 一d t2 而云云雨丽i 孑j i 而 q 。1 0 ) 万l 万+ 万焉w c ，p ，( 屯一j ) l 据此，文献【9 】给出y h i d 灯的s p i c e 模型，该模型是从h i d 灯电弧的物理性 质推出的，因此在大范围的工作条件下均适用。但f h 上述公式可以看出，这个模 型需要的参数众多，包括灯气体的成份及其所占比例、各种气体的密度、热容量、 压强、灯管的长度、直径、体积，灯点燃后气体轴心温度、管壁温度、辐射功率 系数、灯电流、灯电压等等。对于每一种灯来说，有的数据灯生产厂家是机密 的，不能透露，有的数据由于实验条件的限制，不易测得。 2 高频线性模型 如图2 l b ) 所示，h i d 灯工作于高频时，其电压电流波形类似，且两者相位几 乎相同。文献1 1 0 通过实验测量的方法，获得了m d 灯的高频特性曲线，实验结 果表明，h i d 等在高频下电压电流近似呈一次线性关系。 下表是某品牌2 5 0 w 高压钠灯测定的相关数据【1 1 】，根据这些实验数据可以画 出高压钠灯的v j 特性曲线，如图2 - 3 所示由图可见，电压电流基本上呈线性关 系，可以用一次线性表达式来描述。 1 4 浙江大学硕士学位论文 电子镇流器关键技术研究 根据图2 3 ，有： 图2 - 3 某2 5 0 wh i d f f 的稳态v i 特性 吃= 置t + k( 2 1 1 ) 其中墨为近似特性曲线的斜率，足2 芝普，k 为曲线与v - a ) 【i s 的交点， i = k e ，l ，圪、为灯电压和灯电流。 稳态时，h i d 灯的等效电阻可表示为： 2 等2 警瑚芒 h i d 灯的电压电流特性可描述为： v z ( t ) = 墨目( f ) = ( 咒+ 2 ) ( f ) ( 2 1 3 ) 由于。可预先确定，上式只包含墨、k 两个未知参数，可通过实验测量来 获得。 这个模型简洁明了，只需通过实验获得两个未知参数，即可比较准确地描述 m d 的高频特性，高频线性模型的s a b c r 仿真原理图如图2 4 所示，但该模型只适 用于高频( 如1 0 l ( h z 以上) 情况下，而在低频时误差较大。 舌：m o 浙江大学硕士学位论文 电子镇流器关键技术研究 图2 - 4 高频线性模型的s a b e r 仿真图 3 等效电导模型 1 9 4 8 年f r a n c i s 在分析荧光灯电特性时提出了三个基本假定1 2 1 ，即： a ) 放电正柱区中电子浓度的增加正比于灯电压和灯电流乘积； b ) 放电正柱区中电子浓度的减小正比于放电空间中的电子浓度； c ) 放电正柱区中的等效瞬态电导正比于放电空间中的电子浓度。 假定a ) 表明电子浓度的增加与灯瞬时输入功率成正比，假定b ) 模拟因管壁复 合而导致电子浓度的损失，f r a n c i s 根据这三个假定提出了下面的两个方程： 百d n f = 舻一e 心( 2 1 4 ) g i 矾( 2 1 5 ) 这里以是电子浓度，i 是灯弧电流，v 是灯电极电压，g 是荧光灯的等效电导， 4 、b i 、f 是未知常量。其中式( 2 1 4 ) x 尊应假定a ) 、b ) ，式( 2 1 5 ) 对应假定c ) 。 将式( 2 1 5 ) 带入式( 2 1 4 ) n - j 得： 堕d t = 一吾埘( 2 1 6 )g 7 这就是经典的f m n c i s 方程旧，其中a = 4 ，b = e 为常量，可通过实验测 量可确定a 、b 的值。 h i d 灯无论在工频条件下还是在高频条件下，其v i 特性都与荧光灯很相 浙江大学硕士学位论文 电子镇流器关键技术研究 似，j c a n t 6 n 等在荧光灯模型的基础上作了改进，得到如下i 构i h i d 灯模型 鲁= 4 如一马心一g 矿6 7 ) 可见，上式比式( 2 1 6 ) i g t “- c , e q 6 ”一项，这是因为h i d 灯除了管壁复合 外还存在空间复合，其空间复合效应远远大于荧光灯， “一q e 马6 ”一项模拟因 空间复合而导致电子浓度的损失。 将式( 2 1 5 ) 带入上式，可得到如下的h i d 灯模型： 譬：彳姜一b g 一俨 ( 2 1 8 ) i 2 爿否一一掣。 ( 2 1 8 ) 这里c = c l f ，d = d l i f 。 根据式( 2 1 8 ) ，可在s i m u l i n k m a t l a b 下建、- r h i d 灯的等效电导模型，如图 2 - 5 所示，其中输入量为灯电流i ，输出量为灯电压v 和h i d ) 【t 的等效电导g 。 图2 - 5 等效电导模型的s i m u l i n k m a t l a b 仿真图 等效电导模型在低频和高频情况下均能很好地模拟h i d 灯的稳态电特性，且 模型简洁明了此模型的缺点在于常数彳、曰、c 、d 的获取比较麻烦。 1 7 浙江大学硕士学位论文 电子镇流器关键技术研究 2 2 声谐振问题及其解决方法 随着电子镇流器在低压气体放电灯如荧光灯领域的成功推广，人们将电子镇 流器推广至u h i d 灯领域，但由此产生了一个新的问题，这就是声谐振问题。 声谐振是指h i d 灯高频工作时出现电弧不稳定的现象。发生声谐振时，h i d 灯光输出发生波动并伴以电流电压起伏，实验研究表明，此时灯电压电流有效值 会出现一个低频( 5 2 0 h z ) 的波动，这种能为人肉眼所察觉的低频波动导致灯光 闪烁，严重影响了照明效果。声谐振时灯电弧会发生扭曲和抖动，严重时电弧会 熄灭，甚至导致电弧管炸裂图2 6 和图2 7 a ) 、b ) 分别是稳定工作下和发生声谐 振时的灯电弧。 a ) 电感式镇流器 图2 - 6 稳定时的灯电弧 ”电子镇流器 图2 7 声谐振时的灯电弧 产生声谐振的因素有很多，如放电管的形状、尺寸、管中气体压力、温度、 灯的使用寿命等等【6 】，而且对于不同厂家，不同批号的灯，甚至是同一批号的， 每一支灯的声谐振频率范围也不相同，更重要的是，随着灯的使用寿命的延长， 声谐振点会有所改变，因此解决声谐振问题有很大的难度，因此解决声谐振问题 浙江大学硕士学位论文电子镇流器关键技术研究 是电子镇流器在h i d 灯中推广的关键之一。 2 2 1 声谐振的产生机理【2 l 高强度气体放电灯的主要特性由放电正柱区决定，而放电正柱区是一段等温 等离子体，带电粒子的浓度处于局部热平衡状态，等离子体的电子温度和气体温 度基本相同。理论声学奠基人k u i n g a r d 曾经对这种等温等离子体做过一个实 验：用电场e 把等离子体保持在一个放电管内，维持气体放电，再用一个周期 性的电场局s i n ( a , t ) 去调制电场局，其中国在声频范围内。当调制比达到一定程 度时，放电管中发出了声音，而且随着的增加，声音强度增加，这说明放电管中 放电气体的气压存在周期性的变化，并在放电腔内传播，即在放电气体中形成了 气体压力波，气体气压有规律的波动，而这个压力波的波源就是调制电场 es i n ( 国t ) 通过带电粒子与放电气体原子之间的第一类弹性碰撞而传递给气体原 子的能量。 放电管内的声波是一个三维的声波场，当声波碰到管壁和放电电极时，声波 会发生反射，因此，在放电管中的声波其实是多个声波的叠加。不难想象，在电 场巨的调制频率国中，肯定存在某些频率q ，恰好使得放电管中的入射波和反 射波在相位上一致，从而形成驻波，经过一段时间稳定后，使放电管中气体气压 形成有规律的波动，出现稳定的压力波波形和明显的波节，这就是等离子体中的 声谐振现象。 高强度气体放电灯在达到稳定的弧光放电时，其放电的特征区域放电正柱 区是一段典型的高气压等温等离子体。因为h i d 灯放电管内气体原子浓度很高， 电子的自由程很小，电子与气体原子之间发生弹性碰撞的频率很高，调制电场的 能量很容易通过电子传递给气体原子，从而引起与外加调制电场同频率的气体压 力波。通过求解等温等离子体的波动方程可知，发生谐振的电场工作频率分布在 i k h z 1 0 4 k h z 之间1 1 4 1 ，频率范围非常宽，其中包含了电子镇流器通常采用的工 作频率区间。因此，用普通的高频电子镇流器去驱动h i d 灯时，如果电子镇流器 的逆变输出的角频率正好是能使放电正柱区的气体压力波形成驻波的某个频率 衄的一半，并且在正柱区单位长度上的功率达到一定水平时，h i d 灯就会发生声 1 9 浙江大学硕士学位论文 电子镇流器关键技术研究 谐振现象。 了解等离子体声波传导规律以后，我们可以总结出h i d 灯产生声谐振的两个 必要条件： ( 1 ) 引起声谐振的某个频率； ( 2 ) 引起声谐振的某个频率的驱动波源在单位电弧长度上的强度。 两个条件必须同时满足才能引起声谐振。 2 2 2 声谐振的解决方法 由前面内容可知，等离子体放电中高频电场的能量是通过带电粒子的碰撞来 传递能量的，只有带电粒子在一定频率上传递给放电气体的能量达到阈值时，才 有可能产生声频谐振【1 5 1 ，即产生声谐振的两个基本条件是：1 激励源频率覆盖可 能产生声谐振的频率范围；2 在可能的声谐振点的高频能量达到一定阈值，这也 被实验所证实1 1 6 1 。为此，可以从两方面抑制声谐振： ( 1 ) 将h i d 灯工作频率设在产生声谐振的频段以外。根据等离子体振荡频率 的计算和测试可知，产生声谐振的最低频率一般在l k h z 以上，最高频率与h i d 灯 的功率有关，一般在4 0 0 k u z 以上声谐振发生的几率已经很小了。 ( 2 ) 使得激励源在某些可能产生声谐振的能量幅值不超过阈值。由于h i d 电 子镇流器的输出级通常采用脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 驱动电路， 其输出电流的基波频率是一定的，当某些地点出现的相位合适、振荡频率与激励 电场频率相近的电场时，就可能形成整个等离子体的振荡。如果激励源的驱动频 率在一定范围内以一定速率变化，使输出频谱分散开来，就很难在固定频率点上 形成驻波，这就是频谱分散技术。 基于以上两点，人们提出了以下几种抑制声谐振的具体方法： 1 选频运行 高强度气体放电灯存在一些可以预计的声谐振频率点，通过声学和热力学的 方法及灯管的参数和内部气体的参数求出其谐振频率点，通过选择电子镇流器的 工作频率防止声谐振的发生，而且事实上也存在一些无声谐振的频率窗口。图 2 8 是用电弧观察法对两盏2 5 0 w 金属卤化物灯测得的声谐振频率分布”。从图 中可以看出确实存在一些频率区间，在这区间内灯不会发生声谐振。 浙江大学硕士学位论文 电子镇流器关键技术研究 频率递增 频率递减 一声谐振区 岫岫 帅 3 嘁3 2 k3 4 k 3 6 卫：3 掘4 0 k3 0 k3 强3 4 k 3 6 k3 弧4 0 k 灯a灯b 图2 82 5 0 w 金属卤化物灯实测的声谐振频率分布图 然而声谐振频率与灯的很多参数有关，无法简单地预测，而且从图2 8 可见， 灯的声谐振频率在频率递增和频率递减时都不一样，简单的预测显然不能有效防 止声谐振，特别是对于国内许多生产工艺不是非常好的厂家生产的灯泡，灯的参 数参差不齐，显而易见这种方法不能有效解决问题。 2 低频方波工作 将h i d 灯工作频率设在5 0 0 h z 以下可有效防止声谐振的产生，为此，人们提 出了低频方波电子镇流器。但用低频电压源来直接驱动h i d 灯时，由于负阻特性， h i d 不能稳定工作，需要低频的电感镇流器。如果用低频电流源来直接驱动h i d 灯，需要在传统电子镇流器拓扑基础上增加恒功率控制或者恒流控制环节，其典 型电路拓扑如图2 9 所示。 h i d 灯 笼o v a c 号 图2 - 9 低频方波电子镇流器典型拓扑 这种电子镇流器的主要特点是电路中有一级d c d c 变换器，采用适当的控 浙江大学硕士学位论文 电子镇流器关键技术研究 制策略，使d c d c 输出成为功率可调的恒流源，后面的方波逆变器就可以工作在 低频方式，一般在几百赫兹，避免声谐振的发生。这个电路的缺点就是电路比较 复杂，成本较高。 3 超高频工作 发生声谐振的工作频率在一定的范围内( 几k h z 一，l 百k h z ) ，当工作频率不在 这频率段就会避