（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关键技术研究.pdf

a b s t r a c t b e c a u s eo ft h e s h o r t a g e o fn o n r e n e w a b l e e n e r g y , e n e r g ys a v i n g h a sb e c o m ea w o r l d w i d et o p i c b e i n gp a r to fi t ，g r e e nl i g h t i n gp r o j e c t sa r ea t t r a c t i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n a sah i g he f f i c a c y 、l o n gl i f et i m el i g h t i n gs o u r c e ，h 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 pp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei ni t t h e r e f o r et h ed e v e l o p m e n to ft h ed r i v ec i r c u i to ft h el a m p ， n a m e l yb a l l a s th a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hp 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 y s 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 c b a l l a s tw i l l g r a d u a l l yt a k e t h e p l a c e o ft r a d i t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i c ( e m ) b a l l a s t a tt h eb e g i n n i n go ft h et h e s i s ，t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e so fh i d l a m p a sw e l la st h eb a l l a s t a r e i n t r o d u c e d e x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o nb e t w e e ne mb a l l a s t a n de l e c t r o n i cb a l l a s ti s c o n d u c t e dt oa n a l y z et h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fe a c ho f t h e m a c o u s t i cr e s o n a n c ei sas e r i o u sp r o b l e mo ft h eh i d l a m p sw h e no p e r a t i n gu n d e rh i g h f r e q u e n c y c h a p t e ri i n v e s t i g a t e st h em e c h a n i s mo f a 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 a i 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 ei n t r o d u c e da n d a n a l y z e db yt h e o r ya n de x p e r i m e n t s v o l t a g es o u r c eh a l fb r i d g er e s o n a n tb a l l a s ta r ew i d e l yu s e db e c a u s e o fi t ss i m p l ec o n t r o l s t r a t e g ya n de a s ys t a r t i n g d e t a i ld e s i g np r o c e s so f a3 8 0 v 2 5 0 wb a l l a s tf o rh i g hp r e s s u r e s o d i u ml a m pi sg i v e ni nc h a p t e r9 1 i t sv e r i f i e db ys i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t e a s yt od i mi s as u p e r i o r i t yo fe l e c t r o n i cb a l l a s tt oe mb a l l a s ta n dt h el m n ps h o u l db e d i m m e di nm a n yc i r c u m s t a n c e sd u et od i f f e r e n ti n t e n t i o n s c h a p t e ri vs u m m a r i z e sa l lk i n d s o f d i m m i n g m e t h o d sa n ds t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h el m n pu n d e r d i m m i n g e x p e r i m e n t a l r e s u l t so fv a r i a b l es w i t c h i n gf r e q u e n c ys c h e m ea n dv a r i a b l ev o l t a g es c h e m ea r ep r o v i d e dt o a n a l y z et h e i rs t r o n g p o i n ta n dd r a w b a c k s an o v e ld i m m i n gm e t h o di sa l s op r o p o s e di nt h i s c h a p t e rw i t hv e r i f i c a t i o no f s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a tt h ee n do ft h ep a p e r ，an 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 ee l e c t r o n i cb a l l a s t f o rh i dl a m p si s p r o p o s e dw i t hd e t a i ld e s i g np r o c e s s s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s a r ep 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 ；a c o u s t i cr e s o n a n c e ； d i m m i n g 塑坚盔堂堡! ：堂堡堡兰一堂l 坠 第一章绪论 自从第一只白炽灯诞生以来，电光源以其稳定、方便、亮度高等优势替代了传统光 源而成为人们生活中必不可少的部分。随着气体放电灯的发明，新一轮的光源革命发 ! l 二了，气体放电灯以其远高于白炽灯的光效和寿命逐渐取代自炽灯而被应用于各种场 合。气体放电灯的出现同时引起了人们对与之配套的镇流器的广泛关注，绿色照明的 概念已被广泛接受，相信在不久的将来，电子镇流器驱动的气体放电灯将步入千家万 户。 本章在介绍光度量基本参数的基础上广泛介绍了各种气体放电灯，并进而对高强度 气体放电灯及其镇流器的特点进行了研究。 第一节电光源基本参数与分类 一、电光源光度量基本参数 电光源的种类很多，为了能够比较各种电光源的优劣，我们必须先了解一些光度 量基本参数”“”： 光通量 即可见光的输出，由于人限对不同波长的光的视觉灵敏度是不同的，因此 不能邕接用辐射能量柬衡量光能的大小，而必须用人眼对光的相对感觉量来衡量。光 通量是指单位时问内，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。 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。 照度 照度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。 显色指数 用不同光色的光源照射物体时，物体显现的颜色( 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显色性。光源的光谱能量 分和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l ( ) o ，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l o o 。 浙江人学硕： ? 学位论文 绪论 色温 将一标准黑体( 如铁) 加热，随着温度升高，其颜色由深红一浅红一橙黄一 白一蓝白一蓝逐渐改变，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。由于电光源的光谱能量分布与黑体的光谱能量分布很不致，故采用“相关色 温”这一概念：电光源的光色与黑体在某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。 二、电光源的分类及特点 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“”。 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 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f 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。弧光放电灯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爿能f 常工作。汞灯、钠 灯、会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 i s c h a r g el 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l o 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。 高强度气体放电灯主要包括高压汞灯、高压钠灯( h p s ) 、会属卤化物灯( 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是相 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。表l ，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“”。 浙江大学颂 ：学位论文 结论 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 碘化钠、碘化铊、碘 主要填充气体汞蒸气钠蒸气、汞蒸气、氤 化铟 功率范围 1 0 w 1 0 k w3 5 w 1 5 0 0 wl o w 1 m w 光效( 流明 4 0 6 07 0 1 2 56 0 1 2 0 瓦) 显色指数 2 0 3 03 06 0 9 0 光色淡蓝一绿色黄一金白色白色 平均寿命( 小 5 k8 k 2 4 k5 0 0 2 0 k 时) 厂房照明、室道路、机场、码头及 广场、商场、体育场 主要应用场合照明，建筑物泛光及 内外照明工矿企业照明 投光照明 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 等优点，已经成为继白炽灯、荧光灯之后的第三代电光源。 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f 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、气体放电的形成 图1 1 所示为气体放电的伏安特性“”。各段的情况分析如下： 堑坚查堂堡兰竺堡兰 一一羔【 坠 u o 幽11 气体放电的伏蜜特性 删段：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。 朋段：随着电场强度迸一步增大，由场致电离产生的带电粒子全部到达阳极，电 流饱和。 占抄段：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，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 - “0 矿“安培。 d e 段：到刀后，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。 点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时，即到达了，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，迸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。 在移f 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f 点之后都是稳定的自持放电。其中，辉光放电的电流一般在j 0 矿7 4 浙江大学硕十学位论文绪论 安培，而弧光放电的电流在j 口1 安培以上，且具有负伏安特性。 二、弧光放电的特点 由前面的讨论可知，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。电弧的阴极电压值 和阳极电压值都很小，因为阴极位降值小，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，下面我们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“ ib l 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个气体原子发生碰撞，即电子有 较长的自由程。这时在电极削的电场加速作用下，电子可能具有较大的动能，即获得 较大的电予能量，因此，电子温度t 。比气体温度t 。要高得多，一般t 。可达5 x l o k 以上， 而t ；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，放电空间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子上，二者之间渐趋平衡。也就是 况，气体压力的升高，使得电子温度t 。逐步降低，而气体温度t 。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定数值以后，等离子体的 电子温度t c 和气体温度l 之闯就相差无几了，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谱线；而在高气压放电时， 浙江大学颂十学位论文 绪论 出于相邻原子接近，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 f 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。辐射的波长取决于下式： 蛆；瓯+ 喜帆哆+ 去杉： ( 1 1 ) 酰 ，：等：竺_ ii _ 2 + ；一m y 2 ：筹 z ， 所以波长为： 五= 罢 ( 1 _ 3 ) 上面的式子中，e ，。是工作气体的电离能：昙m 。嘭是电子动能；，l - - m ，一2 是正离子动 能；y 是辐射频率； 是普朗克常数；a 是辐射波长。 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。 三高强度气体放电灯的电特性与模型 如图1 2 所示，高强度气体放电灯正常工作时具有“负阻特性”，即随着工作电流 的增大电压减小。因此，他们不能直接应用于电压源上，否则微小的电压波动将导致 电流过大烧毁灯管或者熄弧。为了能使高强度气体放电灯稳定工作，必须有镇流器与 之配套。对于电气工程师，在设计镇流器时一个可用于仿真软件进行仿真的高强度气 体放电灯的模型变得非常有用。事实上，人们也做了一系列得努力对灯管进行建模。 所完成的灯模型主要分为以下几种： v i 幽i 2 稳定一作时高强度气体放电灯的伏安特性 6 浙江大学预：【：学位论文 绪论 1 非常复杂的物理模型“”： 这种模型能相当精确地描述灯在直流、交流或其他工作方式下的特性。然而，这种 模型往往不能与电气工程师经常使用的软件( p s p i c e ，s u c c e s s 等) 相兼容，因此对于 最需要灯模型的镇流器设计工程师们，这种模型并无多大实用性。 2 为了能在实际工作中使用，电气工程师们根据灯的电特性建立了一些很简单的模型 来描述灯的电压一电流特性 1 6 1 0 这些模型能在通用的仿真软件中使用，但其通用性和 准确性有待进一步提高。 3 最近人们建立了一些与通用仿真软件兼容的物理模型“”，这种模型能较准确地描 述灯在不同工作方式下的特性。 4 为了研究气体放电灯一镇流器系统的稳定性，人们又建立了一些高强度气体放电灯 的小信号模型n 朋，从而能充分利用控制理论来研究系统稳定性。 对于气体放电灯特性的充分理解是一个镇流器设计工程师的必备素质，在设计过 程中，以恒定电阻代替灯是远远不够的，准确而实用的灯模型有利于人们更深刻地理 解灯特性，更好地设计镇流器。与仿真软件相兼容的基于物理机理的模型成为最佳选 择，特别是随着仿真工具的发展，m a s t 等行为描述语言的出现使建立准确的物理仿真 模型变得不再那么困难。 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，即： ：6 l v - l a 一, n p 。 ( 1 5 ) 这就是镇流器的基本出发点。 7 浙江大学硕士学位论文绪论 一电感式镇流器 图1 3 是典型的电感式镇流器示意图，其中电感提供了个工频阻抗，以稳定灯 电流，电容用于进行无功补偿，提高输入端的功率因数。 i 一一一一一i j a c 幽1 3 典型的电感式镇流器 ( a )( b ) 图1 4 金属卤化物灯电感式镇流器系统： 作波形 ( a ) 输入电流电乐波形( b ) 灯电流电乐波形 图1 4 所示的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 可见，这种系统输入端的功率因数低而且灯的功率因数也低，另外在每一个灯电流过 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。 二电子镇流器 电子镇流器般使气体放电灯工作于高频( 几k h z - - 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。通常电子镇流器还具有功率因数校正功能，提高了输入端的功率 因数，降低了对电网的污染。最常见的电子镇流器是半桥谐振式电子镇流器，如图1 5 所示。 浙江大学硕士学位论文 图1 s 半桥谐振式电子镇流器 峥，氟t 酬而坼i 一： ( a )( b ) 图1 。6 典型电子镇流器金属卤化物灯系统工作波形 ( a ) 系统输入端电压电流波形( b ) 灯电压电流波形 从图1 6 可见，有功率因数校正功能的电子镇流器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，基本上表现为一个恒定电阻。 目前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有力竞争者， 它必须具有较电感式镇流器更好的性能，以下各指标是衡量电子镇流器效果的重要的 标准：h 川“ 1 高功率因数 对于商业和工业应用韵电子镇流器，输入端功率因数应大于0 9 。 2 谐波 虽然目前没有强制性谐波指标，为了防止大规模应用对电网造成严重污染，总谐波 畸变( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 应当控制在3 3 以下。 3 电磁干扰( r f i e m i ) 电子镇流器应当包含e m i 滤波器，能通过相关的检验。 9 浙江大学碳 ：学位论义 绪论 4 电网瞬态畸变保护功能 由于电子镇流器所使用的半导体器件对瞬念的电网畸变非常敏感，因此。镇流器必 须具备相应保护功能，使之能在电网瞬间跌落或者出现电压尖峰时仍能f 常工作，不 致损坏。 5 启动时最大电流 由于电子镇流器往往是大批同时使用，如果丌启时输入电流很大，显然会影响到电 网，可能会熔断断路器。因此该电流必须被限制在一定的范围内。 6 。电压调整率 由于电网不是一个恒定的电压源，往往随着电网负载变化而产生电压变化，电子镇 流器应当能维持输出功率基本保持不变，一般情况下，要求电子镇流器在电网电压变 化1 0 时的功率变化在5 以内。 7 开路电压 丌路电压是在启动时提供给灯的高压，以击穿灯管内气体。该电压应当不低于灯管 的最低启动电压，没有上限。同时，该电压不能太高，因为点火电压太高可能会降低 灯的寿命。最佳的点火电压是能让灯正常点燃的最低电压。 8 频洲 电子镇流器驱动下的高强度气体放电灯应当无频闪现象。 9 启动状态设定 除了波峰因数( c r e s tf a c t o r ) 以外，灯的启动过程是灯寿命最敏感的因素。很好 地理解灯的启动过程并设计符合其特性的电子镇流器是一个优秀的设计者必备的素 质。不同的灯有不同的启动特性，需要区别对待。 l o 波峰因数( c r e s tf a c t o r ) 波峰因数是指灯电流峰值与有效值之比。波峰因数在镇流器设计中是一个很重要的 参数，对灯寿命有很重要的影响。一般认为，波峰因数越大，灯寿命越短。对于电子 镇流器，推荐的波峰因数不能高于1 7 。 1 1 镇流器系数( 流明系数) 镇流器在标准状态下工作时驱动下的灯的光输出与标准镇流器驱动下的灯的光输 出之比。这个值应当大于0 9 。 1 2 能效因数( b a l l a s te f f i c i e n c yf a c t o r ) o 塑坚盔堂堡主兰堡堡苎 一羔l j 坠 能效因数是相对光输出与输入能量之比，其定义可由下式表示。这个指标现已成为 个的衡量镇流器是否节能的重要指标，对于不同功率等级和不同种类的灯有不同的 标准。 b e f = l o o xu p ( 1 6 ) 其中掣是镇流器系数，尸是线路功率。 1 3 无声谐振 电子镇流器驱动下的高强度气体放电灯应当无声谐振现象，声谐振的产生机理和防 止方法将在第二章中进行详细讨论。 三电子镇流器与电感式镇流器的对比与分析 为了体现电子镇流器的优越性，我们分别对电感式和电子式镇流器进行了实验研究 对比。所用的电子镇流器是半桥谐振式镇流器，其前级为b o o s tp f c 变换器，输出电 压为4 0 0 v ，逆变器工作频率为2 5 k h z ，实验结果如下： 1 电网电压变化时的参数变化比较 图1 _ 7 所示的是不同电网电压下的电子镇流器和电感式镇流器驱动下的4 0 0 w 金属 卤化物灯光通量、电路输入功率和输入端功率因数的实验结果比较。从图中可见，电 子镇流器驱动下的灯功率变化很小，光输出稳定，功率因数高，而电感式镇流器的输 入功率会随着电网电压的变化而剧烈变化。 器 鉴 娶 蠡 一气尹： 勰 7 j j 么0 一 ； z 彩 输 电压( v 】 ( a ) 绪论 塑坚盔堂堡：! ：兰丝堡兰一 ( b ) 功车目救 e 较 ( c ) 幽1 7 电子镇流器乖i 电感式镇流器住不同输入电乐f 的实验结果比较 ( a )灯输出光通量比较( b ) 输入功率比较( c ) 输入端功率因数比较 2 发光效率比较 4 0 0 w 金属卤化物灯在电感式镇流器驱动下的光效随功率变化而变化的曲线如图1 8 所示。 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 电摩式馥漉毒驱动下的盒屠卤化鞠灯的发光效率 ； i j ， z i ： ： 7ii 输入功率 阔i 8 电感式镇流器驱动卜的金属卤化物灯的发光效率 从实验数据看，电子镇流器驱动下的灯的发光效率稳定在7 2 流明瓦左右，明显高 于电感式镇流器。 3 两种镇流器驱动下的灯寿命比较 影响灯寿命的因素很多，但般认为主要为点火状况、波峰因数、灯功率等。关于 点火和波峰因数前面已经介绍过了，他们都对灯寿命有着很重要的影响。灯工作时的 功率也是一个重要因素，文献【1 - 1 1 】研究表明，由于电子镇流器工作下灯的功率因 数较高，相同的灯功率下灯电流较小，因此电弧较细小，在水平工作状态下由于浮力 的缘故略有弯曲而靠近灯管壁，从而降低了灯的寿命。而通过控制灯管管壁的温度来 控制灯功率的话可以大大提高寿命，并估计设计良好的电子镇流器能将灯的寿命延长 到电感式镇流器的1 5 2 倍。高强度气体放电灯的寿命耗尽形式主要表现为灯电压的 上升和流明维持率的下降。文献【1 1 2 对h q it s7 0 w 灯在恒功率电子镇流器和电感 式镇流器驱动下的灯电压和流明维持率进行了研究，得出了如下图所示的结果。 浙江大学硕士学位论文 绪论 4 。一h “* 3 0 0 06 0 0 09 0 0 01 2 0 0 01 5 0 0 0h r ：。蕊瓷j ，8 。0 慧菱、 7 。：掣觚、“嗡m e ( b ) 图1 9 电感式和电子镇流器驱动f 的h o it s7 0 w 灯电压( a ) 和流明维持率( b ) ”1 图1 9 ( a ) 中以再点火电压尖峰分析了电感式镇流器工作时的灯电压高的原因， 文献认为两者的电压之差主要是由再点火电压尖峰引起的。再者由于再点火电压尖峰 同样对灯的寿命造成损害，因此如图( b ) 所示，电感式镇流器工作下的灯的流明维持 率明显低于电子镇流器驱动下的灯。 除以上所列的三种要素以外，电子镇流器相对于电感式镇流器还有很多其它优点 “”：电子镇流器体积小、重量轻、无噪声、灯光无闪烁：高频工作下的灯电弧更直， 更易于设计反光器：在整个寿命过程中，高频驱动的灯的色温变化可以忽略；电子镇 流器很易于实现调光等。另外，随着数字控制技术的发展，数字控制的电子镇流器逐 渐出现，并体现出更强大的功能，比如用同一个镇流器实现驱动不同种类的高强度气 体放电灯“。 一 “ u 融 一 一 “ 竺?一彳一立 0 _ 2 y = ；| 一 5 ， 2 一 一一 l “ l ；， 一岁，箩瞄 ， 一 一 气 晰 ， h | 星 、| ， l ， ， j。 |y，沙。? v m m m m m m m ”知盯 浙江大学硕士学位论文 绪论 四电子镇流器研究热点 目前国内外电子镇流器的研究主要集中于以下几个方面： 1 电子镇流器的一般性设计；降低电子镇流器的成本和提高可靠性等方面的研究。 降低成本的一种常用方法是采用单级结构n “”“”“。单级结构就是将功率因数 校正级的开关管与逆变级共用，这样可以节省一个开关管以降低成本，当然这种方案 往往以恶化功率因数，应力等其它指标为代价的，而且这种电路的设计难度大，往往 需要在各种指标之间找到一个较好的折衷。另一种方法是采用充电泵电路( c h a r g e p u m p ) n 川“2 ”，这种电路中使用电容代替电感以实现功率因数校正，降低了成本，同时 减小了电路体积。 2 电子镇流器的调光功能：调整输出功率的大小。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。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“”1 i j n i 3 占空比调节1 1 2 4 14 两种频率交替使用以调 整输出功率“”：这种方法使用两种工作频率，让它们交替使用，控制这两种频率使用 的时间比以达到调整输出功率的效果。我们将在第四章中就调光进行详细研究。 3 高强度气体放电灯声谐振抑制技术：一般认为：镇流器提供的高频成分( 几k h z 一 几百k h z ) 的功率大到一定程度，而这个频率又与灯管特征频率存在一定关系的话会在 灯管内形成驻波，引起振荡，发生声谐振。 为了解决这个问题，出现了各种各样的措施，主要针对其原因即消除几k h z 一几百 k h z 的输入功率，或者使之降低到一个不足以产生驻波的程度“”1 。”“2 钉n ”m 3 n n 删g l 3 3 1 。我们将在第二章就这问题进行研究。 总面言之，电子镇流器以其独特而强大的功能逐渐克服成本较高、可靠性相对较低 的缺点逐渐成为电感式镇流器的有力竞争对手，在可以预见的不久的将来，电子镇流 器必将逐渐替代电感式镇流器。 第四节本课题意义及主要工作 综上所述，高强度气体放电灯有着传统光源无法比拟的优越性，逐渐被广泛应用。 而目前与其配套的镇流器仍以电感式镇流器为主并占有绝对优势。但电感式镇流器有 着庞大、笨重、效率低等系列缺点，1 与高效的电光源的发展很不相称。随着电力电 子技术的发展与应用，电子镇流器逐渐出现并体现出了独特的优点，而且在小功率的 浙江大学t il ：学位论文 绪论 荧光灯中的应用中取得了成功，然而在高强度气体放电灯中的应用迟迟未能取得突破 性进展。研制性能优越、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。 本课题针对上述现象，对高强度气体放电灯电子镇流器各种问题进行了较为广泛的 研究。第二章针对阻碍高频电子镇流器发展的声谐振问题进行了研究，探讨了其产生 机理、回顾了各类解决方法，并用理论和实验分析了他们的优缺点。第三章分析了高 频电子镇流器的工作原理，并以3 8 0 v 2 5 0 w 高压钠灯电子镇流器为例，详细介绍了整 个设计过程和方法。第四章对电子镇流器调光进行了研究，分析了电子镇流器调光的 工作原理和实现方法，并用理论和实验分析了两种常用的调光方法各自的优缺点，在 此基础上提出了一种新型的调光方法。第五章提出了一种新型两级低频方波电子镇流 器，并详细介绍了其工作原理和设计方法，然后用实验结果进行了验证。 参考文献 【1 1 】 【1 2 】 【1 3 l 【1 4 】 【1 5 】 t i 6 】 【1 7 】 【1 8 】 【1 。9 】 【1 】0 】 【1 1 1 】 【11 2 】 【11 3 1 【11 4 1 【11 5 】 石中玉，“电光源的今天和明天“，科学出版社，1 9 8 5 飞利浦弧明照明，1 9 9 7 - 1 9 9 8 韦课常，“电气照明技术基础与醍计“水利电力出版社，1 9 8 3 陈大华，“现代光源基础”，学林出版社，1 9 8 7 p r h e r r i c k ，“m a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rh i g h i n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p s ”， e e et r a n sl n d a p p l ，v 0 1 1 6 ，n o 5 ，p p 6 4 8 6 5 4 ，s e p t o c t ，1 9 8 0 m t a b u e l m a a t t i ，“m o d e l i n gt h ec u r r e n t - v o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c so f af l u o r e s c e n tl a m pf o r c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ”，i n t j e l e c t r o n v 0 1 6 6 ，n o 5p p 8 3 5 - 8 3 9 19 8 9 m o s h es h v a r t s a s ，s a mb e n y a a k o v , “as p i c e c o m p a t i b l em o d e lo f h i g hi n t e n s i t vd i s c h a r g e l a m p s ”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 1 9 9 9 p p 1 0 3 7 、1 0 4 2v 0 1 2 j r i b a s ，j m a l o n s o ，a j c a n e j ae t a 1 “s m a l ls i g n a ld y n a m i c c h a r a c t e r i z a t i o no f h i d l a m p s ” i n d u s t r y a p p l i c a t i o n sc o n f e r e n c e 2 0 0 2 p p 1 4 8 9 - 1 4 9 3v 0 1 2 w i l l i a nr a i l i n g , “i m p o r t a n td e s i g np a r a m e t e r sf o rs o l i d - s t a t eb a l l a s t s ”i e e et r a n s a c t i o n so n i n d u s t r ya p p l i c a t i o n s ，v o l u m e ：2 5i s s u e ：2 ，m a r c h a p r i l1 9 8 9p p 2 0 3 2 0 7 高压钠灯电子镇流器技术资料汇编，中国。协能产品认证中心、中国照明学会电光源专 业委员会2 0 0 1 n f u k u m o r i ，h n i s h i m u r a , k u c h i h a s h i 。m f u k u h a r a 。”as t u d yo fh i dl a m pl i f ew h e n o p e r a t e db y e l e c t r o n i cb a l l a s t s ”j o u r n a lo f t h ei e s ，w i n t e r1 9 9 5 p p 4 l - 4 7 e r a s c h ，e s t a t n i c 。b e h a v i o ro fm e t a lh a l i d el a m p sw i t hc o n v e n t i o n a la n de l e c t r o n i c b a l l a s t s ”j o u r n a lo f t h ei e s ，s u m m e r1 9 9 1 ，p p 8 8 9 6 e u g e ns t a t n i c ，“h i g hf r e q u e n c yo p e r a t i o no fm e t a l h a l i d eh i g hp r e s s u r el a m p s ”，s y m p o f l i g h t i n gs o u r c e ，p p 1 0 5 - 1 0 6 ，1 9 8 6 r i c h a r dr e d l 。j o nd p a u l ，”an e w h i g h - f r e q u e n c ya n dh i g he f f i c i e n c ye l e c t r o n i cb a l l a s tf o r h i d l a m p s ：t o p o l o g y , a n a l y s i s ，d e s i g n ，a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ”，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 ，l9 9 9 p p 4 8 6 4 9 2v 0 1 1 e n r i c os a n t i ，z h ez h a n g ，a c u l “h 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 tp r o v i d e sl i n ef r e q u e n c y l a m p c u r r e n t ”1 e e et r a n s o np o w e r e l e c t r o n i c s ，v 0 1 1 6 ，n o 5 p p 6 6 7 6 7 5 1 6 浙江大学坝j 二学位论文绪论 【1 1 6 】t s a i - f uw u ；y u n g - c h u nw u ；z i n g - y i n gs u “d e s i g nc o n s i d e r a t i o n s f u r s i n g l e - s t a g e e l e c t r o n i cb a l l a s tw i t hd i m m i n gf e a t u r e ”i n d u s t r ya p p l i c a t i o n s ，i e e et r a n s a c t i o n so n ， v o l u m e ：3 7i s