（电力电子与电力传动专业论文）集中式hid电子镇流器及其供电系统的研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 论文还提出了通过市电电网作为通信媒介实现对h i d 的集中式的检测和控 制技术。该技术省去控制线，便于现场布线：通过l o n w o r k s 的专门组网工具进 行灵活地组网，采用了l o n w o r k s 专用的电力线载波通信芯片p l t 一2 2 ，整个h i d 镇流系统具有检测敏感、通信安全可靠的特点。 本文从不同的角度对h i d 及其镇流器技术以及供电系统进行了探讨和研究。 提出的集中监控和驱动的h i d 供电电源方案有利于解决推广h i d 过程中的性能与 可靠性等问题。尤其是它的节能方式具有独特性，不但具有重要的理论意义，同 时具有很好的应用前景。 论文完成了理论分析、计算机仿真、实验室论证。论文研究成果通过了省级 科技成果鉴定。 关键词：h i d ，h i d 电子镇流器，电力线载波，集中驱动，集中监控，节能， 可靠性。 浙江大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m y , c o n f l i c t sb e t w e e nd e m a n da n d s u p p l yi ne n e r g yr e s o u r c e sh a v e b e e na g g r a v a t e d t o r e a l i z ee n e r g y s a v i n ga n d c o n s u m p t i o n - r e d u c t i o nt h e r e f o r eb e c o m e sas i g n i f i c a n tp r o j e c tw i t hs t r a t e g i cm e a n i n g h i g hi n t e n s i t y d i s c h a r g el a m p ( h i d ) a ne n e r g y s a v i n gl i g h t s o u r c eo fan e w g e n e r m i o n ，h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt r a n s p o r t a t i o n ，c i v i li n f r a s t r u c t u r e ，a n d f a c t o r i e sf o ri t sh i 曲e f f i c i e n c ya n dl o n gl i f e h o w e v e r , h i d sa r eg e n e r a l l yi g n i t e db y t h et 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 曲e n e r g y c o n s u m p t i o n ，h i g hm a t e r i a lc o n s u m p t i o na 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 de x p e r t sw o r l d w i d ea r 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 es i n g l e e l e c t r o n i cb a l l a s t t h i sp a p e rd i s c u s s e sh i di l l u m i n a t i o na n dp o w e rs u p p l ys y s t e mf r o man e w a n g l ew i t ht h ep u r p o s eo fs a v i n ge n e r g ya n dm a t e r i a l ，a n ds o l v e st h ep r o b l e mo f e n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o n ，p r o v i d i n gn e wa p p r o a c h e sa n dt e c h n o l o g i e sf o rt h ef e a s i b i l i t y o fl a r g e s c a l eu t i l i t yo fe n e r g y - s a v i n gi l l u m i n a t i o n a ne l e c t r o n i cb a l l a s tw i t hh i 曲 f r e q u e n c yw a sf i r s t l yd e v e l o p e da n dt h e nt w ot y p e so fc o m p u t e rs i m u l a t i o n sw e r e c o n d u c t e d ，e l e c t r i cp r o p e r t i e sm o d e l i n gs i m u l a t i o na n dp h y s i c a l - t h e r m a lm o d e l i n g s i m u l a t i o n ，w h i c hp r o v e dt ob ei nc o n s i s t e n c ew i t ha c t u a lu t i l i t y t h u st h r e en o v e l a p p r o a c h e sa n dt e c h n o l o g i e sf o rp o w e rs u p p l ys y s t e m so fh i d e l e c t r o n i cb a l l a s tw e r e a d v a n c e d ：ac e n t r a l i z e dh i db a l l a s tc o n t r o ls y s t e m ，ac e n t r a l i z e dh i db a l l a s ts y s t e m w i t ha cp o w e r - b u s ，a n dac e n t r a l i z e dh i db a l l a s ts y s t e mw i t hd cp o w e r - b u s t h i s p a p e rp r e s e n t s i nc h a p t e rt h r e e ，f o u ra n df i v et h er e s e a r c hr e s u l t so ft h et h r e e a p p r o a c h e sr e s p e c t i v e l y 1 ) ac e n t r a l i z e dh i db a l l a s ts y s t e mw i t hd cp o w e r - b u s t h i sp a p e ra d d r e s s e san o v e lc i r c u i tf r a m ew h i c hs u b s t i t u t e st h er e c t i f i e ra n d f i l t e rc i r c u i ti ns e r i e so fs i n g l eb a l l a s t sw i t hat o t a lr e c t i f i e rf i l t e r a n dt h es y s t e mi s d r i v e nw i 1d cb u si n s t e a do ft h em a i n ss u p p l y t h en o v e lt e c h n o l o g yc a n e n o r m o u s l ye n h a n c et h ee l e c t r i cc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ，a n dr e d u c e st h es i z ea n d w e i g h to fs y s t e m t h r o u g ht h ea d j u s t m e n to fv o l t a g ei nd cb u s ，c e n t r a l i z e dd i m m i n g c a nb ea c h i e v e d 2 、ac e n t r a l i z e dh i db a l l a s ts y s t e mw i t ha cp o w e r - b u s t h i sp a p e ra d d r e s s e sac e n t r a l i z e dh i db a l l a s ts y s t e mw i t h4 0 0 h zb u s t h e b a l l a s ts y s t e ma d o p t sat o t a lf r e q u e n c y - c o n v e r t e rt oc o n v e r t5 0 h zm a i n si n t o4 0 0 h z 浙江大学博士学位论文摘要 p w m ，a n dt h ep w mw a v ei sf u r t h e rt r a n s m i t t e db yas p e c i a ll cf i l t e ri n t o4 0 0 h z s i n ew a v e f o r m w i t ht h ep o w e r - b u s ，v o l u m ea n dw e i g h tr e d u c e db a l l a s t sc a nb e d r i v e ni np a r a l l e l c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l5 0 h zb a l l a s t ，t h ec e n t r a l i z e dh i d b a l l a s ts y s t e mw i t h4 0 0 h zb u si so f g r e a ta d v a n t a g e s ：r e d u c t i o no f v o l u m ea n d w e i g h t ， e c o n o m i z a t i o no fm a t e r i a l s ，e n h a n c e m e n to fe l e c t r i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , s a v i n g o f e n e r g y , a n dc o n v e n i e n c eo f d i m m i n g ，e t c 3 1a c e n t r a l i z e dh i db m l a s tc o n t r o ls y s t e mw i 廿lp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ( p l c ) t h i sp a p e ra d d r e s s e st h et e c h n o l o g yo f c o m m t m i c a t i o nt h r o u g ht h em a i n sl i n et o a c h i e v ec e n t r a l i z e dd e t e c t i o na n dc o n t r o lo fh i d i nt h i ss y s t e m c o n t r o lw i r e sa r e u n n e c e s s a r ya n df i e l dw i r i n gi sc o n v e n i e n t t h es y s t e ma p p l i e st h el o n w o r k sn e t w o r k t e c h n o l o g yw i t hs p e c i a lp l ct r m l s c e i v e rp l t - 2 2f o rf l e x i b l ec o m m u n i c a t i o na n d n e t w o r kb u i l d i n g t h ew h o l es y s t e mp r o v i d e sg r e a ta d v a n t a g e so fs e n s i t i v ed e t e c t i o n a n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n ，e t c t h i sp a p e rd i s c u s s e sa td i f f e r e n tv i e w o f t h et e c h n o l o g i e so f h i d ，i t sb a l l a s t ，a n d i t sp o w e rs u p p l ys y s t e m ，p r o p o s i n gt h es o l u t i o nt ot h eh i dp e r f o r m a n c ea n d r e l i a b i l i t yb yt h ep o w e rs u p p l yw i t hc e n t r a l i z e dc o n t r o l l i n ga n dd r i v i n g e s p e c i a l l y , t h eu n i q u e n e s si ne n e r g y s a v i n gi so fs i g n i f i c a n c ei nt h e o r ya sw e l la si np r a c t i c e ，a n d t h e r ei sm u c hp r o s p e c to fa p p l i c a t i o na n dm a r k e t t h i sp a p e rh a ss h o w nt h e o r i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o n ，a n de x p e r i m e n t a t i o no fa p r o t o t y p ei nl a b o r a t o r y a n dt h er e s e a r c hr e s u l t si nt h ep a p e rh a v ep a s s e dt h e p r o v i n c i a la u t h e n t i c a t i o nf o rt e c h n o l o g i c a la c n e v e m e m s k e y w o r d ：h i d ，h i db a l l a s t ，p l c ，c e n t r a l i z e dd r i v i n g ，c e n t r a l i z e dc o n t r o l l i n g ，e n e r g y s a v i n g ，r e l i a b i l i t y 2 浙江大学博士学位论文 第一章 第一章引言 节能降耗是当今中国的一项重大战略课题。随着经济的快速发展，能源约 束矛盾日益突出，已经成为经济和社会发展的重要制约因素之一。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 ，简称h i d ) 是属于节能型新一代电 光源，已广泛应用于交通、市政、工厂等照明中，其具有光效高，寿命长等优 点。但目前的h i d 大部分采用传统笨重的5 0 h z 电感型镇流器或单体的电子镇流 器。采用传统的5 0 h z 电感式镇流器的系统存在许多缺陷：( 1 ) 体积大、笨重、 消耗大量金属材料( 2 ) 功率因数低，电能利用率低( 3 ) 启动电流冲击较大( 4 ) 存在5 0 h z 工频闪烁，灯光通常随电网电压波动而变化“h 。因此国内外学者和 专家以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，它在 一定程度上改进了电感式镇流器的缺点。但是我们还是面临h i d 电子镇流器的 可靠性问题和特有的声谐振问题。“，因此限制了它的广泛应用。 本章在介绍光度量基本参数的基础上叙述了各种气体放电灯，并进而对传 统的电感式镇流器和电子镇流器技术难点及可靠性问题进行了介绍，引出本文 的工作目标和内容。 1 1 i d 特性 1 1 1 电光源基本参数1 】【2 6 】 作为电力电子专业的技术人员，在研究h i d 镇流器技术的前期，必须对h i d 的特性有一定的了解。而对h i d 的了解，必须从光的基本参数、h i d 的发光机 理开始。以下列出了电光源基本参数的定义： 辐射通量( r a d i a t i o na m o u n t ) 为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 ) 即3 8 0 n m 到7 8 0 n 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 浙江大学博士学位论文第一章 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，则人眼感觉越明亮。用积分光度计进行比较测量也可以确 定光源的光通量，被测光源的光通是通过和已知光通的标准光源的比较得到的。 照度( i n t e n s i t yo fi 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皆通称为白光，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 。c 即8 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，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。 亮度系数( l u m i n o s i t y ) 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，用v 表示。用单色光照射时，亮度系 数就用( 五) 表示。 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。 光所发射的光谱内容决定光源的光色，但同样光色可由两个单色或许多单 色光波合成，因此对各个颜色的显色性亦大不相同。二相同光色的光源会有相 异的光谱组成，光谱组成较广的光源较有可能提供较佳的显色品质。其关键在 该光线之“分光特性”，可见光之波长在3 8 0 n m 至7 6 0 n m 之范围内，也就是我们 浙江大学博士学位论文第一章 在光谱中，见到的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的范围，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。 显色指数( 0 一l o o ) 高的光源对颜色的再现越接近自然原色，显色指数低导致颜 色失真。 1 1 2 电光源的分类及特点口6 】 在常用的照明光源中，主要有：白炽灯、节能灯、卤钨灯、荧光灯、低压 钠灯、高压钠灯、汞灯、l e d 灯等。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。 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：显色性好；色温低( 2 7 0 0 k - - 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。 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，阴极压 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。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、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( 简称h i d ) 。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；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。而高强度气体放电灯的特点在后面 的章节详细叙述。 1 1 3 气体放电的机理及特性2 6 】 气体放电通常比白炽灯更有效，这是由于放电的辐射来自于高于固体灯丝 能达到的温度区域。 浙江大学博士学位论文 第一章 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，如图1 1 所示。 箍# - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 卜 图1 1 气体放电原理图 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，简称气体放电灯。 1 气体放电的阶段 气体放电的伏安特性如图1 2 所示。各段的情况分析如下： o a 段：由于场致电离，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。随着电场强度的增加，带电粒子的速度增加，则电流增 大。 a b 段：随着电场强度进一一步增大，由场致电离产生的带电粒子全部到达阳 极，电流饱和。 b c d 段：继续增大电极间电压，则电场使带电粒子速度增加到很大，它们 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 后和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 使电子数目雪崩被增，这个放电过程称为雪崩放电。电流增加到什么程度将取 浙江大学博士学位论文 第一章 决于灯管特性，如电极材料、形状、距离、充气压力和灯管形状大小等。 u d e 段：到d 后，管压降随即迅速下降，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：在这一段内电流增加，但管压降基本保持不变，称为正常辉光放电 阶段。管压降能够维持不变是因为在这个范围内，阴极并没有全部用于电子发 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面积， 而不会改变其管压降。 f g 段：当电流增大到整个阴极面积都用于电子发射刚，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 的辉光放电阶段。 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。 o c 段：放电是非自持的，如果撤去外致电场，放电就会停止；而c 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。 2 高压气体放电的特点 高强度气体放电灯电弧管内的气体在稳定工作时处于弧光放电状态，弧光 放电通常由阴极位降区、正柱区和阳极位降区组成。电弧的阴极压降值和阳极 浙江人学博上学位论文 第一章 压降值都很小，正离子轰击阴极产生的电子发射很小，主要是电极被加热引起 的热电子发射，因此弧光放电的主要特性由其正柱区决定。 弧光放电的正柱区是一个电流通道的等离子区，但是随着气压的变化会表 现出不同的性质，下面来比较一下低气压气体和高气压气体的弧光放电特性的 区别。 低气压时，气体原子很稀薄，电子与气体原子的碰撞机会少，电子与气体 原子发生一次碰撞后，可能在移动了较长的距离后再与另一个气体原子发生碰 撞，即电子有较长的自由程。这时在电极间的电场加速作用下，电子可能具有 较大的动能，即获得较大的电子能量，因此，电子温度比气体温度要高得多， 一般电子温度可达5 0 0 0 k 以上，而气体温度与放电管的管壁温度相仿。可见， 在低气压气体放电的工作条件下，气体原子的电离和激发主要是由电子的碰撞 来完成，其它因素处于次要地位。从物理学原理可知，电子的碰撞激发的几率 与电子所具有的能量有关，而电子的能量在电子的自由程和电场强度固定的条 件下为一定值。所以并不是所有的能级都能被激发，常常只是某些特定的能级 被特别强地激发，相应这些能级之间的跃迁产生的线光谱也就特别强，低压钠 灯就是低气压气体放电而辐射特定谱线的典型。线光谱强的光源必定带有某种 特定的颜色，其色表和显色性都不是很好。 当气体气压逐步升高时，放电空问中气体原子的浓度也逐步增加，电子的 自由程变小，电子碰撞损失所带能量后，常常还来不及积累足够的能量便再次 发生碰撞，因此这种碰撞几乎只是弹性碰撞，无法使原子激发和电离。由于气 压升高后，弹性碰撞的频率非常大，电子动能就非常容易转移到气体原予上， 二者之间渐趋平衡。也就是说，气体压力的升高，使得电子温度逐步降低，而 气体温度则逐步上升，虽然电子温度总是会比气体温度略高一些，但当气体气 压增加到一定数值以后，等离子体的电子温度和气体温度之间就相差无几了， 这种等离子体称为等温等离子体，也就是达到了热平衡状态。 在热平衡状态下，气体放电空间中的电子的碰撞激发和电离所起的作用相 对低气压放电时就微乎其微了，而高温气体的热激发和热电离则成为主导因素。 这时气体放电的发光特性也会和低气压放电的发光特性有明显区别。在低气压 放电时，以单个原子的光谱占主导地位，辐射的光谱主要是该元素原子的特征 浙江大学博士学位论文 第一章 谱线；而在高气压放电时，由于相邻原子接近，原子之间的相互作用增强，原 子特征谱线放宽，产生了谱线的压力加宽、多普勒加宽等。另外，在高气压工 作条件下，热电离现象明显加剧，电子和正离子在放电空间中的浓度很高，它 们在放电区域复合的几率大大增加，这就产生了气体放电的发光机理中另一个 很重要的现象一复合发光。 放电空间中的电子的动能是连续变化的，因此复合发光的波长也不是固定 的，而是一系列连续可变的数值。随着气压的升高，电子和正离子的浓度相应 增加，复合发光显然也会进一步增加，因此在很高的工作气压下，辐射的光谱 中有很强的连续部分。所以，工作在高气压放电工作条件下的气体放电光源具 有连续性较好的光谱，也就是说光源的色表和显色性能都比较优良。 1 1 4 高强度气体放电灯( h i d ) 分类及特性2 6 1 1 高强度气体放电灯( h i d ) 分类 高强度气体放电灯主要包括高压汞灯、高压钠灯( h p s ) 、金属卤化物灯 ( m t i l ) ，另外还有一些特种气体放电灯，如氙气灯、氪气灯等等。 高强度气体放电灯的基本发光原理是基本相同的，之所以产生不同的光输 出，是因为它们的填充气体或蒸气的种类不同。它们的放电灯启动过程也是基 本相近的，都是通过点火产生弧光并使之稳定的过程。另外，高强度气体放电灯 在出现故障或在有意中断工作后，在重新启动时，只要h i d 灯尚未冷却就进行 热点火，则需要比冷态情况下要高得多的点火电压。 表1 1 所示为不同种类的高强度气体放电灯的气体成分、特点及应用场合。 由于高压汞灯光效相对较低、显色性较差且寿命较短，已经逐步为高压钠 灯和金属卤化物所代替，而高压钠灯和金属卤化物灯则具备了光效高、显色性 好、发光集中等优点，已经成为继白炽灯、荧光灯之后的第三代电光源。下面 分别介绍高压钠灯和金属卤化物灯的发光机理。 2 高压钠灯( h p s ) 及其特性 高压钠灯( h p s ) 的放电管是由充填有金属和启动气体的陶瓷电弧管组成， 电弧管两端封有支撑电极的导电塞。制成的电弧管封入玻璃或石英外泡壳之中， 外泡壳内抽成真空，以保护电弧管部件不受氧化并提供良好的绝热性能。 浙江大学博士学位论文第一章 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 h p m v h p s姗 主要填充气体汞蒸气钠蒸气、汞蒸气、碘化钠、碘化铊、碘 氙气 化铟 功率范围l o w 一1 0 k w3 5 w 一1 5 0 0 wl o w - 1 m w 光效( 流明瓦)4 0 6 07 0 1 2 56 0 一1 2 0 显色指数2 0 - 3 03 06 0 9 5 光色淡蓝一绿色黄一金白色白色 平均寿命( 小时) 5 k 8 k 一2 4 k5 0 0 - 2 k 触发电压 1 0 0 3 0 0 v1 5 5 k v 2 0 6 5 k v ( 辅助电极) 厂房照明、室道路、机场、码广场、商场、体育场 主要应用场合内外照明头及工矿企业照照明、建筑物泛光及 明、植物照明投光照明 与绝大多数的放电灯一样，高压钠灯有负伏安特性，这意味着使用时需串 联限流元件。可以采用电感性镇流器或电子镇流器。高压钠灯工作过程包括以 下几个过程： 启动因为电弧管内实际上不能装辅助启动电极，高压钠灯必须用高压脉 冲触发。高压脉冲通常由限流线路中的电子触发器提供，但灯内若装有自动开 关，也可以利用扼流圈中的电感反向电势。启动电压的脉冲宽度仅有几个微秒， 不过这个脉冲宽度己足以能在气体中产生相应的电离，而形成了电弧。控制电 路、灯头、灯座以及灯本身的电绝缘性能必须能承受脉冲电压( 对于不同额定 功率的灯，启动脉冲电压的峰值范围一般为1 5 - 5 k v ) 。 电源的瞬时中断也会使灯熄灭，这时，电子触发器会立即自动产生启动脉 冲，但是要等到电弧管内的蒸气压降落到启动脉冲能使钠原子电离的水平，才 能使钠灯重新启动。这个过程大约需3 0 s 的时问，这个时间比起其他高气压放 电灯来要短得多。为了使灯能热启动，此时必须对灯加入更高的脉冲电压( 一 浙江大学博士学位论文第一章 般为5 - - 2 0 k v ) ，这就意味着对整个点灯电路需要更高的绝缘，并需要另一种灯 的设计方法。 趋向稳定的过程h p s 电弧刚产生时的电弧电压很低，其原因是蒸气压较 低，所以能量耗散也低，建立正常的工作气压需要几分钟的时间，并且这和灯 的功率和光输出密切相关。国际电工委员会( 1 e e6 6 2 ) 对高压钠灯的电压趋稳 问题有详细规定：即按照上述方法最佳设计的电弧管，既要具备满足快速趋稳 要求，又必须达到正确的管壁功率负载条件。 稳定工作状态经过几分钟的工作，h p s 达到稳定状态。此时的h p s 的灯 管温度及电弧腔内压强相对稳定。 3 金属卤化物灯( 删) 及其特性 为了改善高压汞放电灯的颜色特性，便在汞蒸气放电中加入某些金属卤化 物以提高灯的显色性，另外还能提高灯的光效，即成了现在的金属卤化物灯。 当金属卤化物灯最初点燃的时候，由于卤化物仍凝固在较冷的电弧管壁上， 输出光谱线来自汞蒸气放电。随着电弧管壁温度升高，卤化物可是熔化并蒸发。 通过扩散和对流作用，卤化物蒸气被输运到了电弧管的高温区域。电弧的高温 使卤化物分解成卤素原子和金属原子，在高温电弧核心，金属原子受激产生本 征光谱辐射。金属原子继续扩散，经过电弧空间并在较冷的电弧管壁区域与卤 素重新复合生成卤化物。复合过程是非常重要的，它避免化学性质活泼的碱金 属对电弧管壁的侵蚀。 金属卤化物灯工作过程与高压钠灯相似包括三个过程：启动、趋向稳定的 过程、稳定工作状态。在冷态启动时，通常只需几千伏的触发高压，但在热态 启动时，通常需要2 0 - - 6 5 k v 的触发高压，具体数值取决于灯泡的类型和功率， 这点启动时的触发电压高于高压钠灯的触发电压。紧接的阶段是冷阴极辉光放 电并加热电极，最后阶段是热电子电弧放电。一个设计良好的灯就是要使辉光 放电阶段尽量短，因为辉光放电使电极材料发生溅射，覆盖到电弧管壁上会导 致光输出降低。 与高压汞灯相比较，金属卤化物灯要求灯的启动电压高得多。这可以归因 于碘化物，特别是汞和氢碘化物的存在以及由离解的电子俘获过程形成的带负 电的碘离子。这些因素实际上降低了放电空间的电子可用性，使产生所需的电 浙江人学博士学位论文 第一章 子雪崩非常困难。高压启动问题一般通过点灯电路设计和灯设计两者进行综合 改进。 1 2 传统的5 0 h z 电感式镇流技术 镇流器的基本功能是防止电流失控和使灯在它的正常的电特性下进行工 作。普通镇流器包括：电阻镇流器，电感镇流器，漏电抗变压镇流器，电容镇 流器，扼流一电容镇流器，电子镇流器等。目前h i d 大多采用电感镇流器。 图1 3 是使用传统的5 0 h z 电感镇流系统线路图，包括大电感、高压启动器 和h i d 灯。其中电感提供了一个工频阻抗，以稳定灯电流。高压启动器在刚上 电时产生一个或一串几k v 的高压脉冲，从而点亮h i d 灯。 i il i 阳圈网圈 1 一 i i t 刊t 刊皿j( 一 i i l 厂一俐刊 ，、i ohr njlh t l 3 ，1 4 1 dj、1 4 t n ， 图1 35 0 h z 常用h i d 电感镇流器系统线路图 图1 4 是普遍采用的h i d 专用的大电感。体积较大、重量较重、需要较多 量的金属材料。图1 5 所示的是使用h b 一3 ah i d 测量仪对电感式镇流器系统测 出的典型工作波形及数据。数据包括输入电压、电流、功率、功率因数、i t h d 、 灯电压、灯电流、灯功率、灯电流波峰比等。 可以看出，采用传统的5 0 h z 电感式镇流器的系统有以下缺点： ( 1 ) 体积大、笨重、消耗大量金属材料； ( 2 ) 电效率在8 0 左右； 浙江大学博士学位论文 第一章 图1 45 0 h z2 5 0 wh i d 专用电感实物图片 图1 5h b 一3 a 测出的5 0 h z 镇流系统典型工作波形及数据 ( 3 ) 启动电流冲击较大 浙江大学博+ 学位论文 第一章 ( 4 ) 存在5 0 h z 工频闪烁，灯光通常随电网电压波动而变化； ( 5 ) 灯的电流波峰比较高为1 8 1 9 ，对灯的寿命不利啪1 ； ( 6 ) 再点火对灯的寿命有很大的影响。图1 5 下部分的波形所示的是使 用电感式镇流器的高强度气体放电灯的电压电流波形，由波形可见，每一个灯 电流过零点时灯电压都有一个尖峰，这就是所谓的再点火，这对灯的寿命有很 大的影响。1 。 ( 7 ) 功率因数在0 4 左右，电能利用率低，对变压器的容量要求大，对 电线的截面要求增大，增加了设备的投资。 但是采用电感镇流器的h i d 系统有可靠性高，镇流器有成本低的优点。鉴 于此优点目前大家还大部分采用传统的5 0 h z 电感式镇流器的系统。 1 3 砌电子镇流器国内外技术概况 1 3 1 h i d 电子镇流器拓扑结构情况 上节提到传统的5 0 h z 镇流器系统有许多缺点，因此电子镇流器成为大家的 一个努力方向。电子镇流器一般使气体放电灯工作于较高频率( 几百h z 一几百 k h z ) ，从而可以用较小的电感就能实现系统稳定工作；或者是使用控制技术， 使灯电流或者灯功率处于恒定状态，达到镇流效果。通常电了镇流器包括整流、 逆变、启动电路三部分，其中电子镇流器的整流部分与其他设备的整流部分相 类同，这里主要介绍与h i d 特性相关的逆变部分的国内外技术概况。按逆变开 关管的数量可大致分为：单管结构、半桥结构、全桥结构。 部分采用单管结构的电路图( 发表在i e e e 上) 如图1 6 所示。”。这种电 路适合与小功率h i d 镇流驱动的场合。 目前国内许多单体电子镇流器采用的结构是半桥结构。1 ，如图1 _ 7 所示。 该电路逆变部分使用了2 个开关管。工作频率选定在3 0 - - 6 0 k h z ，直流母线电 压在4 0 0 v 左右，其结构对成本的控制相对有利。 电子镇流器也可以采用全桥的逆变结构。3 ，如图1 8 所示。该全桥结构电 子镇流器的控制波形可以采用图1 9 或图1 1 0 两种方法。图1 9 中( 方法a ) ， 模式1 时刻，s 1 、s 4 工作在高频p w m 状态，s 2 、s 3 工作在低频状态；模式2 时刻，s l 、s 4 工作在低频状态，s 2 、s 3 工作在高频p w m 状态；该电路的输出到 1 ， 浙江大学博士学位论文 第一章 灯的电压为低频方波。图1 1 0 中( 方法b ) ，s 1 、s 2 均工作在高频p w m 状态， s 2 、s 3 均工作在低频状态；该电路的输出到灯的电压亦为低频方波。输出频率 都控制在2 0 0 6 0 0 h z 左右，此法可以防止h i d 的声谐振嘲。但由于电路使用 了4 只开关管，对成本的控制相对不利。 图1 6 部分采用单管结构的电路图 卜l 。上一 l 上 【 k 叫尚】 f7 、r l _ _ r l o 耐 图1 7 半桥谐振式电子镇流器 懑曼熙毽登毒i 黪剽妇螽 i i 霉罄鲞赫 i 0 9 凶i ii 趣釜 妻孥；謦 ：鎏 毫8 蛐- 2 图1 8 全桥结构的电子镇流器 nn nnnl 。一l h ， _ 一。lnnnnn i 船| i _ 一i l1 fl i 1 f1 | i n n n 几门5 _，l l 图1 9 全桥结构电子镇流器的控制波形( a ) 浙江大学博土学位论文箱一童 s l 嚣 啦：= 斟蚕巨i 薹至要蜃耍三委蚕 褂篓目兰；：i ：图：；：目：；l m _ 图1 1 0 全桥结构电子镇流器的控制波形( b ) 1 3 2 h i d 电子镇流器国内外研究热点问题 h i d 电子镇流器国内外研究热点问题主要包括：声谐振问题研究、低频方 波拓扑结构研究、h i d 灯的仿真模型研究、h i d 电子镇流器的智能化研究、h i d 电子镇流器的高频研究等卧【4 0 1 。具体如下： 声谐振问题研究：声谐振是h i d 灯的特殊现象，在几k h z 一几百k h z 很容易 产生声谐振现象。通过检测灯电压或电流来判断检测声谐振现象是有效的方法， 另外也有学者研究控制灯电压、电流、频率才能避免声谐振。 低频方波拓扑结构研究：因为低频方波可以有效地避免声谐振，因此也是 目前国内许多厂家选择地拓扑结构，并且在其基础上优化设计。 h i d 灯的仿真模型研究：h i d 的模型建立是与电、光、气体、声、热等相 关的学科，众多学者采取了各种方法进行了研究。有些研究结果对高频适用， 有些对低频状态适用。这是h i d 研究的技术难点，仿真模型的建立对h i d 电 子镇流器的研制也非常有用。 h i d 电子镇流器的智能化研究：在h i d 电子镇流器内部控制芯片中增加微 处理器，可以实现h i d 电子镇流器的智能化，使其具有通信、功率控制、调光、 寿命预算、故障检测等功能。其中通信方法可以包括电力线载波、无线、红外、 各类现场总线等。 h i d 电子镇流器的高频研究：当频率高过5 0 0 k h z 时，h i d 灯就可以防止 声谐振，因此许多学者提出了采用软开关的高频的方案，该方法还可以实现电 子镇流器的小型化。 浙江大学博士学位论文第一章 1 4 单体i t l d 电子镇流器技术要求1 5 l 目前h i d 电子镇流器成本较高、可靠性相对较低，要成为电感式镇流器的