（电力电子与电力传动专业论文）高压钠灯用大功率电子镇流器的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho ne l e c t r o n i cb a l l a s tu s e df o r h i g h p r e s s u r es o d i u ml a m p a b s t r a c t t h ei m p l e m e n t a t i o no fn a t i o n a l g r e e nl i g h t i n ge n g i n e e r i n gu r g e st h e d e v e l o p m e n to fd i f f e r e n tt y p e so fl i g h ts o u r c ew i t hg r e e n ，e f f i c i e n t l y ，l o n g e rl i f e a n dg o o dl i g h t i n gc o l o r t h eh i e l li n t e n s i t yg a s e o u sd i s c h a r g el a m p ( h i d ) i st h e m o s tt y p i c a ln e wl i g h ts o u r c e b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e si nl i g h t i n ge f f i c i e n c y ， l i f e ，l i g h t i n gc o l o ra n dl i g h t i n gp e n e t r a b i l i t y ，t h eh i g hp r e s s u r es o d i u ml a m p ( h p s ) i sm o r eb r o a d l ya p p l i c a t e di nt h ef a m i l yo fh i dl a m p b u tt h ei n d u c t a n c e b a l l a s t ，w i t hl o w e rp o w e rf a c t o r ，m u c hm o r el o s sa n dl a r g ep h y s i c a lv o l u m ee t c ， m a k e st h eh p sl a m pc a n ts a t i s f yp e o p l e sr e q u e s tf o rl i g h t i n ge q u i p m e n to f g r e e na n de n e r g ys a v i n g t h ed e v e l o p m e n tf o rs o m ek i n d so fe l e c t r o n i cb a l l a s t ， h a v i n gh i g hp o w e rf a c t o r , l e s sl o s sa n ds m a l l e rp h y s i c a lv o l u m ee t c ，h a sb e c o m e i n s i s t e n tr e q u i r e m e n t t h er e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i si sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt o t h i sv i e w p o i n t an u m b e ro fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lt e c h n i q u ed a t ar e l e a t e dt oh i dl a m p a n di t sl i g h t i n gt e c h n o l o g yh a v eb e e nr e f e r e d ，a n a l y z e da n dc o m p r e h e n s i v e l y s y n t h e s i z e df i r s t l y t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fh i dl a m pa r e c o g n i z e d t h ep r o b l e mi n v o l v e di nt h ea p p l i c a t i o np r a c t i c eo fh i dl a m pi s f u n d a m e n t a l l yu n d e r s t o o d a n d ，t h et e c h n i q u er e s e a r c hw o r k sa b o u th i dl a m p a n di t s a p p l i c a t i o np r a c t i c ec a r r i e do u tb yf o r m e rr e s e a r c h e ra r es i m p l y s u m m a r i e d b a s e do nt h ea n a l y s i n ga b o u tt h em e r i t sa n ds h o r t c o m i n g so fp r e s e n th i d l a m p sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ea u t h o rm a k e ss o m et r i a lr e s e a r c hw o r k so nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fh i dl a m p a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sf o rt h ea p p l i c a b l e f r e q u e n c yr a n g ea n dd e f e c t so ft w om a t h e m a t i c a lm o d e l su s e df o re l e c t r i ca r c d i s c h a r g e sw i t h i nh i g hv o l t a g es w i t c h ，t h ea u t h o rp r e s e n t sak i n do fm a t h e m a t i c a l m o d e lf o rn o r m a l l yw o r k e dh i dl a m p c o m p a r e dw i t hf o r m e rm o d e l s t h i sm o d e l h a st h ea d v a n t a g eo fl e s sp a r a m e t e r s ，w i d ea p p l i c a b l ef r e q u e n c yr a n g ea n de a s y m e t h o do fp a r a m e t e rs e t t l ee t c s i m u l a t i o nr e s e a r c hs h o w st h a tt h i sm o d e lh a st h e s a m ep e r f o r m a n c eo ff o r m e rc o m p l i c a t e dm o d e li na s p e c to fd e s c r i b i n gt h e 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 e x t e r i o re l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fh i dl a m p t 1 1 i sm o d e lc a nb eu s e di nv a r i o u s s i t u a t i o n si nw h i c ht h ee x t e r i o re l e c t r i cp e r f o r m a n c eo fh i dl a m pi sc o n c e r n e d a sa na p p l i c a t i o no ft h eh i dl a m p sm a t h e m a t i c a lm o d e lp u tf o r w a r di n t h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h ev o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m sa c q u i r e df r o ma t e s to fa 2 5 0 w 垴g l lp r e s s u r e s o d i u ml a m pw o r k i n ga t5 0 h z ，t h i sh p s l a m p s m a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d i nm a t l a b ss i m u l i n ke n v i r o n m e n t ， t h i sm o d e li ss u e di nt h es i m u l a t i o no ft h ei n v e r t e rw h i c hi st h em a i np a r to ft h e e l e c t r o n i cb a l l a s tc i r c u i td e s i g n e df o rt h eh p sl a m p c o m b i n e dw i t ht h ed e s i g n f o rt h ed r i v i n ga n dc o n t r o l l i n gc i r c u i to ft h ei n v e r t e r ，t h ep u l s e - u pc i r c u i to ft h e l a m pa n dt h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i to ft h ew h o l ee l e c t r o n i cb a l l a s t ，t h e a u t h o rc o m p l e t e dt h ed e s i g nw o r ko fe l e c t r o n i cb a l l a s tu s e df o rt h eh p sl a m p a n dt h et e c h n i q u er o u t er u nt h r o u g ht h i sd e s i g np r o c e s sc a nb ec o m p l e t e l yu s e d f o rt h ed e s i g nw o r ko fo t h e rt y p e so fh i dl a m p se l e c t r o n i cb a l l a s t t h ek e y w o r d s ：h i g hp r e s s u r es o d i u ml a m p ，m a t h e m a t i c sm o d e l ，e l e c t r o n i c b a l l a s t h i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压钠灯用大功率电子镇流 器的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 名：帛研刈吼2 0 0 8 2 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 高压钠灯用大功率电子镇流器的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈 尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提 交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密日 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名唧好多j 奄 名：鲫i 彩 日期：2 0 0 8 年3 月2 日 日期：2 0 0 8 年3 月2 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电光源光度量基本参数 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 轮的光源革命发生了，气体放电灯以其远高于白炽灯的光效和寿命逐渐取代白 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，绿色照明的概念己被广泛接受，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。 由于电光源的种类很多，为了能够比较各种电光源的性能好坏，人们定义 了一些衡量光源性能优劣的光度量技术参数，主要的光度量技术参数包括【1 】： 光通量。光通量是指在可见光波长范围内，光源单位时间内所辐射的光总 量，其单位是流明。光源的光通量越大，则人眼感觉光源越明亮。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，这就是为什么用可见光波长范 围的光源辐射能量大小来定义的原因。 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能力高低，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，其单位是流明米2 ，称 为勒可斯( l u p 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。显然，照度的大小与被照 物体与光源之间的距离有非常直接的关系，在其他一切条件保持不变的情况 下，距离越小照度越大。 显色指数。当用不同光色的光源照射同一物体时，物体在人眼中产生的颜 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 量分布决定了光源的显色性。为了对显色性进行定量的比较，人们引入了显色 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 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 色温。将一标准黑体( 如铁) 加热，随着温度升高，其颜色由深红浅 红橙黄白蓝白蓝逐渐改变，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，就把黑体的这个温度 称为该电光源的色温，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一致，故采用“相关色温 这一概念：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。 1 2 照明光源的发展 照明技术就是光的应用技术。电光源按发光原理大体上可以分为：热辐射 光源( 如白炽灯、卤钨灯等) 、气体放电发光光源、固体发光电光源三种【1 1 。具 体分类见图1 1 所示。 电光 图卜1 电光源分类 、 f i g 1 - 11 r i 圮c l a s s i f i c a t i o no f e l e c t r i c a ll i g h t u r c 懿 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。 固体发光电光源( 如发光二极管、等离子体发光器件等) 虽然发光效率或光 强度高，但是目前不能做到大功率化，同时由于成本等因素，当前使之市场 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 化、规模化很困难，还有待时日。 根据工作原理的不同气体放电光源可分为两类：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，通常需要比较高的工作电压。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【2 】。 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低气压气体放 电灯和高气压气体放电灯两种，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 ) ，简称为h i d 气体放电灯。 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。 1 9 3 8 年问世的荧光灯是一种充有氢气的低压汞放电灯，发光效率和寿命约为白 炽灯的两倍。荧光灯灯管发光均匀、亮度适中，光色柔和，是理想的室内照明 灯。荧光灯有负阻性质，必须和具有限流作用的镇流器串联使用，以防止工作 电流过高损坏灯管。荧光灯汞蒸气压力较低，工作温度不高，气压变化也小， 启动和工作时灯管阻抗变化较小，因此镇流器较简单。与白炽灯相比，荧光灯 及其它种类的气体放电灯大大提高了照明系统的发光效率，因此能节约大量电 能。具有白炽灯无法比拟的优点：光效高，寿命长，4 0 瓦普通卤磷酸钙荧光灯 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。 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 u l ) 。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汽的种类不同。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。 在第三代电光源中，由于金属卤化物灯的显色指数最高，而且其单灯功率 又可以做得很大，所以被用于广场、商场、体育场照明，建筑物泛光及投光照 明灯等需要大功率且对色彩表现力要求很高的场合。而高压钠灯则由于其显色 性、寿命和单灯功率方面的综合优势被广泛应用在道路、机场、码头及工矿企 业的照明。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 表1 1 高强度气体放电灯特性比较 t a b l e1 1t h ec o m p a r i s o no f c h a r a c t e r i s t i c so f h i d 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、氨碘化钠、碘化铊、碘化铟 功率范围 l o 、- 1 0 k w3 5 w - 1 5 0 0 wl o w 二1 m w 发光效率( 1 m w )4 0 6 07 0 - 1 2 56 0 1 2 0 显色指数 2 0 3 0 3 06 0 9 0 光色 淡蓝一绿色 黄一金白色白色 平均寿命( h ) 5 0 0 08 0 0 0 2 4 0 0 05 0 0 2 0 0 0 0 厂房照明、道路、机场、码头及广场、商场、体育场照 应用场合 室内外照明工矿企业照明明，建筑物泛光及投光 随着中国国民经济的快速发展，农村城镇化的进程加快，城市建设力度加 大和城市美容亮化工程的实施，使照明产业获得高速的发展机遇，h i d 灯及配 套的镇流器、灯具产业有了较快的发展。据权威部门调查统计呻1 ：2 0 0 1 年全 国h i d 灯总产量5 7 1 0 8 5 万只，其中高压钠灯1 1 7 6 5 3 万只；2 0 0 2 年全国h i d 灯总产量6 8 9 9 6 6 万只，其中高压钠灯1 6 9 8 4 4 万只。2 0 0 3 年全国h i d 灯总产 量8 3 1 0 2 6 万只，其中高压钠灯1 9 5 2 0 7 万只。2 0 0 4 年全国h i d 灯总产量 9 4 0 0 5 7 万只，其中高压钠灯2 3 3 3 5 0 万只。2 0 0 5 年全国h i d 灯总产量 1 2 5 5 8 0 7 万只，其中高压钠灯3 0 4 3 8 4 万只。据此预测，到2 0 1 0 年全国h i d 灯总产量将达到2 亿只 1 3 气体放电灯的原理和特性 1 3 1 气体放电灯的原理 气体放电就是指在外电场的作用下，本来绝缘的气体介质丧失其绝缘性 能，成为气体导电介质所发生的物理过程。气体放电现象在日常生活和工作中 经常可以看到。夏天雷雨时的电闪就是在大气中发生的一种放电过程。工业上 广泛应用的电焊机则是利用气体放电来焊接。在闪电和电焊时都可以看到有很 强的光产生。利用气体放电发光的原理制成的灯，就是气体放电灯。 对于大部分气体放电灯，灯管内发光分三个基本过程： 1 气体中的自由电子被外电场加速而获得动能； 2 当获得足够大动能的运动电子与气体分子的原子碰撞时，电子的动能 转交给气体分子的原子，使气体分子的原子获得能量，这将带来两种可能的结 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 果：一是气体分子的原子所获得的能量虽然不足以使其电离，但是可以使其脱 离正常态而进入激发态；二是气体分子的原子所获得的能量足够大，使其发生 碰撞电离而产生正离子和新的电子。 3 当处于激发态的气体分子的原子返回基态时，原来所吸收的能量以辐 射报发光的形式释放出来。而碰撞电离所产生的正离子和电子在运动过程中将 会发生复合而形成原子，同时以光辐射的形式释放出能量。如果上面的这两种 辐射发光的频率在可见光范围内，便可以被人眼感觉到。 1 3 2 气体放电灯的工作特性 气体放电灯灯管内的放电的形成可以用如图1 2 示的电压电流的伏一安特 性曲线来分段描述，各段描述如下： u ( v ) 0 i o a i 口al o 气i a i ( a ) 图1 2 气体放电灯全伏安曲线 f 喀1 - 2t h ef u l lv ic h a r a c t e r i s t i c so f g a s - d i s c h a r g el a m p 1 由于灯管外部的电离因素，灯管中将产生正、负带电粒子，同时，所 产生的正、负带电粒子又由于它们之间的吸引作用而不断复合。当单位时间内 由于外部电离因素而产生的正、负带电粒子数与因为复合而失去的正、负带电 粒子数相等时，这种外部电离因素而引起的电离过程就进入稳定状态。此时， 灯管的气体空间将会存在数目比较稳定的带电粒子。如果在灯管的两个电极间 有电场作用，则这些带电粒子就会在电场的作用下向电极运动，其中一部分到 达电极而形成微弱的电流。随着电场的增强，这些带电粒子向电极运动的速度 增加，从而有更多的带电粒子到达电极，使得电流增大，这就是图中的o a 段。这一阶段的特点是流经灯管的电流和灯管两电极间的电压几乎成正比，这 时的灯相当于一个固定阻值的电阻。 2 当电场再增加时，由于外部电离因素所形成的带电粒子将会全部到达 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 电极，如果继续增加电压，电流的增加将不明显，也就是说电流就饱和了，这 就是a b 段。 3 如果电压再升高，电流将又会增加，并且随电压增大电流增加的幅度 远大于o a 阶段，这说明发生了电子碰撞电离，出现了电子崩过程，这就是图 中的b c 段。 4 相对于o a 段和b c 段而言，在c 点之后，随着电压的微小增大，电 流的增加幅度将会更大，通过灯管的电流会突然增加到d 点。造成这种现象的 原因可以解释为随着电压的提高电子崩过程的加剧造成的。 5 在d 点之前的放电都是依赖于外部电离因素的放电，如果将外部电离 因素完全去除，放电将会停止，这种放电称之为非自持性放电。d 点之后，一 个电子而引起的电子崩过程所产生的正离子，在电场作用下到达阴极表面后因 为撞击阴极表面，至少将使电子逸出阴极表面而成为产生新的电子崩过程的引 发电子，这样就导致放电可以不依赖于外部电离因素也可以继续进行下去。在 d e 段，由于这种正离子碰撞阴极过程所产生的带电粒子的大量增加，使得随 着电流的增加电压会有所降低。 6 在e f 段，随着电流的增加电压基本维持不变，这是正常辉光放电，此 时阴极并没有全部用于发射，电流正比于发射面积，电流密度为一常数。当整 个阴极都用于发射( f 点之后) ，如果继续增大电流，阴极电流密度必须增加， 造成管压上升。这样就进入异常辉光放电阶段f g 。 7 在g 点之后再使放电电流增加，则电极温度升高到能够进行热电子发 射的温度，产生阴极热电子发射；同时，放电通道的温度也很高，使得放电通 道中的热电离成为主要电离方式。从外部特性看，电流迅速增加，同时电极间 电压大幅度下降，放电进入弧光放电区( g 以后) 。弧光放电时，灯呈现负电阻 特性。 弧光放电通常由阴极位降区、正柱区、阳极位降区三部分组成。弧光放电 的阴极位降和阳极位降都不大，约是辉光放电的十分之一。因此，弧光放电的 特点是低电压大电流。 弧光放电的正柱区是一个等离子体，放电的性能由它的特性所决定。随着 气压的不同，它表现出不同的性质。对气体放电灯的分类，通常就是按照正柱 区气压的高低分为低压气体放电灯和高压气体放电灯。 由以上分析可以看出：在高压气体放电灯的正常工作状态下，其伏安特性 具有负阻性特点。因而这种灯在工作时必须要借助于外电路的限流元器件才能 进入稳定工作状态。这个限流元器件就被称作镇流器。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 4h i d 灯用镇流器的应用和发展 1 4 1 电感镇流器的应用 如前所述，高压钠灯必须和镇流器相串联才能稳定工作。为减小在限流元 件中的能量损耗，目前，高压钠灯一般采用消耗有功功率不多的电抗性元件一 一电感作镇流器 6 1 。 图1 3 是h i d 灯中用电感式镇流器的典型接线图，其中电感镇流器提供了 一个工频阻抗，以稳定灯电流，补偿电容用于进行无功功率补偿，以提高对电 源端的功率因数。启动器是一个电子电路，用于为h i d 灯的启动提供特定的 启动电压。 电感镇流器 厂、厂、厂y 丫、厂、广n 交流 稚 毁r 砘o i 电源 衄二 启动器 王l 趟 上 栉 图1 - 3h i d 灯用电感式镇流器的典型接线图 f i g 1 - 3t h et y p i c a lc o n n e c t i o nd i a g r a mo f h i dl a m pw i t har e a c t i v eb a l l a s t 图l _ 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。 电感镇流器的优点是可靠性较高，使用寿命较长。但是这种采用大电感镇 流的照明系统不可避免的具有以下几个缺点【6 】： 。 1 功率因数低：一般为o 4 左右。 2 重量大、体积大、损耗大、噪音大。 3 功率稳定性差：电网电压变化时，功率变化大。 4 工频点灯，效率低。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 底薯薯 ；憾 五譬誊篱 譬誊拦 c ；：毛渺 日f f 酊黼鼍一 ；：碗o 0 0 7 a ) 电压、电流波形 。! m l ! 一o 口阿酊胡阁 c h 9 2 s 涮 ；：三爱3 詈， b ) 动态伏安曲线 图1 - 45 0 h z 下用电感式镇流器的h i d 灯典型电压、电流波形及动态伏安曲线 f i g 1 - 4t h et y p i c a lw a v e so f v o l t a g ea n dc u r r e n to f h i dl a m pa n di t sv ic i l a r a c t e r i s t i c sw i t ha r e a c t i v eb m l a s ta t5 0 h z 1 4 2 电子镇流器的发展 由于气体放电灯电感式镇流器“庞大的体积( 特别是较大功率的气体放 电灯) 给电气安装带来不便，另外，电感镇流器中的电磁振荡会产生噪音污 染，所以提高镇流器中“镇流 元件的工作频率既可以减小镇流元件体积又可 以消除噪声，同时可以提高气体放电灯的光效，低频频闪问题在高频下也能得 到妥善的解决。 鉴于上述电感镇流h i d 灯照明系统存在的诸多缺点，这种照明系统已经 不能满足人们对高质量照明系统的要求。在2 0 世纪7 0 年代，由于世界性的对 能源危机的更深刻认识，许多公司开始致力于新型节能电光源及荧光灯交流电 子镇流器的研究。同时，由于半导体技术的飞速发展，使得各种新型功率开关 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 器件不断发明并应用，这些为交流电子镇流器的研制生产奠定了技术和物质基 础。在1 9 7 8 年，荷兰一家公司率先研制成功了荧光灯高频交流电子镇流器， 这是照明电器发展史上的一项重大创新。此后，荧光灯电子镇流器便得到了充 分的研究并获得了广泛的应用。 随着电工技术、电光源技术和微电子技术等的不断发展，对电子镇流器的 研究在实现形式和研究深度上都有了很大的进步。 电力电子技术的发展是电子镇流器应用的基础。每当电力电子技术领域中 出现新器件、新结构、新方法时，它们很快就会被应用于电子镇流器设计与制 作。同时，随着微电子技术的进步，新型高质量的功率和控制器件不断涌现， 使各种新型电路结构、新的控制手段得以在电子镇流器电路中获得有效的应 用。高性能的电子镇流器专用集成控制芯片和新型的功率开关器件己成为国际 上几家主要的半导体生产厂家致力研究与推广的重要产品。如s i m e n s 、i r 、 s a m s u n g 等公司的电子镇流器控制集成电路。其中品种较全、性能较好的以美 国r 的系列集成控制电路最有代表性。其产品实现了单片集成电路内部的 高、低压部分电气隔离，使高频逆变电路的驱动问题开始变得简单而可靠。 功率因数校正技术是实现绿色照明的重要手段【1 7 叫。由于电子镇流器同其 它高频开关电源一样，如果不采取特殊技术手段，在正弦电压供电下电流将严 重畸变，并含有大量谐波。不加任何滤波的电子镇流器，功率因数只有0 4 0 6 ，谐波总量可达基波的1 3 0 1 8 0 。所以，i e c 5 5 5 和i e c 1 0 0 0 标准对电 子镇流器的功率因数、各次谐波等运行参数做了明确的规定。迫使电子镇流器 生产商必须采用无源或有源滤波电路，来消除谐波对电网的污染。近年来，电 子镇流器功率因数校正技术，诸如单位功率因数的实现、电网高次谐波含量的 分析及其抑制方法的研究已经成为高性能电子镇流器研究的主要方向。 计算机技术在高性能电子镇流器设计中起到了越来越重要的作用。近二十 年来，不仅计算机的仿真技术作为电子电路计算机辅助分析、设计的一个有力 的工具，已广泛用于电力电子电路( 或系统) 的分析、设计中，而且也有专业的 电子镇流器计算机辅助设计软件可供使用，如取公司推出的b d av e r s i o n 2 0 0 ，对小功率的电子镇流器可靠性设计有极大的意义。 进入9 0 年代，由于电子镇流器在荧光灯上的成功应用和高强度气体放电 灯的大量应用，人们开始尝试将电子镇流器技术推广应用到高强度气体放电灯 领域。由于大功率电子镇流器技术的研究是绿色照明工程的深入发展。在低压 荧光灯用电子镇流器研制成功的基础上，各国的电子镇流器设计者正致力于研 制适合高强度放电灯的高性能电子镇流器，以解决当前采用大电感镇流的高强 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 度气体放电灯照明系统存在的诸多缺点陟 j 。 电子镇流器在技术上是照明产业中偏离照明而属于电力电子学的研究领 域，与开关电源、不间断电源和交流电机驱动电源等电力电子的热门研究领域 相比较，由于受研究对象的限制，对电子镇流器的研究主要集中在世界上几大 著名照明公司，如g e 。o s r a m 和p h i l i p s 。这三家公司本身是气体放电灯主要制 造商，对气体放电灯本身的研究一直处于领先地位。由于这种先天优势，他们 在电子镇流器方面的研究也最为领先，不管是高压钠灯电子镇流器，还是金属 卤化物灯电子镇流器，他们的研究都非常深入而全面，经过多年的积累，都各 自拥有许多专利技术，其产品极具竞争力。 还有一些国外公司在这方面有很长的研究历史，如日本的松下、日立、三 菱，美国的环球迈特和欧洲的t r i d o n i c 等公司，虽然他们本身不是灯管的主要 制造商，但在电子镇流器的研究和设计上也有很多成果。另外，一部分i c 设 计公司借助于电子镇流器控制i c 的设计，对电子镇流器也开展了一些研究， 如美国的破公司、1 r i 公司、m i c r o c h i p 公司和p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r 公司。 我国对电子镇流器的研究开发起步较晚，但从总体上看，也取得了很大的 进展，陆续有北京电光源研究所、复旦大学、哈尔滨工业大学和浙江大学等科 研单位开展了电光源、电子镇流器相关技术开发工作，进行了相对较深入的分 析和研究【l 蝴】。而绿色照明工程的实施，使得许多生产高效照明产品的国内企 业脱颖而出，如远东照明、深圳忆路通、佛山照明、阳光灯具等公司。 台湾工业技术研究院、新竹清华大学、香港大学和香港城市大学等著名科 研机构和大学都无不例外地将电子镇流器( 他们称为电子安定器) 的研究作为他 们的重要科研课题。电子镇流器装置虽小，但是提高性能价格比难度较大，他 们已在新拓扑应用、高功率应用、宽范围调光和智能照明系统等方面取得了突 破性进展，并拥有多项接近国际水平的技术专利。台湾生产开关电源的大型企 业台达公司也开展了气体放电灯电子镇流器的基础性研究。近来，香港城市大 学学者声称成功研发节能环保调光技术，有关科技己在中国内地部分城市的道 路照明系统试用，证实可省电3 0 。 随着国际交流与合作的进一步发展和深入，许多国际著名的照明企业开始 进入中国。p h i l i p s 于2 0 0 3 年3 月在上海正式成立了飞利浦照明电子全球研发 中心，主要致力于全球市场的应用于各种光源的电子镇流器的设计与开发。 o s r a m 也将最先进的德国照明科技引入中国，在中国佛山市建立了欧司朗( 中国) 照明有限公司。g e 在上海也设有研发中心。这对带动我国照明行业整体技术 水平的发展和提高起到积极有益的作用。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 电力电子新技术，诸如功率因数校正、谐波抑制、软开关、多重保护等都 可以在高性能电子镇流器中得到应用，同时部分计算机计仿真、计算机控制技 术和通信技术的应用，也将使电子镇流器的品质和技术含量得到很大得提高。 所以电子镇流器己经不仅是电力电子高频化应用中的一个典型产品，而且也是 融合许多计算机技术的电子产品了。 1 4 3 电子镇流器的应用 电子镇流器一般使气体放电灯工作于高频( 几k h 一几百k i - i 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【6 嘲。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t 1 2 , 1 3 1 。 全波整流 型丰z 交流 电路、功 率因数校 驱动 电源 控制 型丰：s 陇 正和电压 调整电路 电路 l 竣 脚 整 蛙 旷 图l - 5h d 灯用电子镇流器的典型接线图 f i g i - 5t h et y p i c a lc o n n e c t i o nd i a g r a mo f h i dl a m pw i t ha ne l e c t r o n i cb a l l a s t 与电感镇流器相比，电子镇流器有明显的优势： 1 高频变换器电路加上这种串联谐振负载，适当改变谐振电路的电容、 电感参数以选择合适的q 值，能适应各种气体放电灯。 2 串联谐振负载电路提供给灯管的电压是高频正弦波，正弦波电压驱动 灯管会使电极损耗小，并且电弧稳定，高频相对工频又会提高1 5 左右的光电 转换率。 3 高频变换器和串联谐振电感的组合，对于放电灯管来说，从一个低阻 抗电压源转变成一个高阻抗电流源，有利于实现限流和恒功率供电。 4 在高频变换器的电网侧插入功率因数校正电路( 一般为有源) ，将使网侧 功率因数提高到0 9 5 以上甚至达到o 9 9 5 灯管在使用中会逐渐老化，老化是由于电极活性元素的放射性不断衰 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 减造成的，老化的灯管发光效率亦不断下降，然而电子镇流器的谐振电路能不 断地向灯管提供补偿电能，使灯管保持有效发光，因此灯管使用寿命延长。 6 在电子镇流器上实现短路、开路、过压、过流、过热等保护比较容 易，定时、自控、群控等亦很方便。 7 高频化使电子镇流器的体积重量上有显著的优势，且功率越大越明 显。 虽然高频电子镇流器较之工频电感镇流器具有一系列优点，可是在我国城 市亮化工程中还没有完全推广应用，城乡较大功率照明系统中电子镇流器的应 用比重还很低。事实上，我国在8 0 后期年代才开始进行开发研究和生产小功 率的交流电子镇流器，所以，目前我国不同功率的电子镇流器的产能虽然很 大，但是技术含量和产品质量却与国外的差距很大。而且，绝大多数是在生产 用于小功率荧光灯的电子镇流器。除了大功率的电子镇流器的可靠性问题外， 还有价格的补贴，政策倾斜( 如国家没有强制性推广电子镇流器) 等因素，然而 在一些工业发达国家中，由于政策大力支持“绿色照明 ，高品质的电子镇流 器已经得到了较广泛的应用。 1 4 4h i d 电子镇流器的可靠性问题 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 有力竞争者，它必须具有较电感式镇流器更好的性能和良好的可靠性，国家也 颁发了相关的h i d 镇流器的技术标准，如高压钠灯泡用镇流器节能产品认 证技术要求、 高压钠灯用镇流器能效限定值及节能评价值等。 尽管高压钠灯电子镇流器优点很突出，也被业界公认。但是，很长时间以 来，高压钠灯电子镇流器一直未能在市场上打开局面。时至今日，高压钠灯照 明领域大多还是使用传统的电感式镇流器作系统配套，致使电子镇流器的突出 的优点不能产生效益。当然，有许多原因导致这样的结果，但其中一个十分重 要的因素就是高压钠灯电子镇流器的工作可靠性问题。大多数的使用者都对其 工作可靠性提出质疑1 6 j 高压钠灯电子镇流器在实际的生产和使用中表现为容易出现故障，特别是 在使用中出现故障造成系统功能失效，给用户带来很大的损失，也给生产厂家 的售后服务造成很大的负担。从表面现象看，出现故障时主要表现为功率开关 管损坏，驱动集成电路损坏，高压触发电路失效。镇流器整体温升较高等。通 过实验分析发现，造成故障的原因很多，归纳起来可以分为设计方面的因素和 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 实施设计的工艺过程的因素。 1 设计方面的因素。 镇流器整机的设计要根据参数要求确定电路，选定元器件，在结构上也要 作出与电路相适应的设计，同时整体的热设计也要作相当的考虑。 设计时所采用的拓扑结构也是主要的因素，要结合h i d 的特性及其工作环 境设计出合理的电力电子电路。设计师还要考虑采用尽量少的元器件和适量的 保护电路。 电子镇流器中的大电容往往都采用电解电容，其整流回路用的电解电容在 温度较高的环境中运行是有寿命限制的。因此设计出采用非电解电容的电路对 整个镇流器的寿命非常有用。 2 实施设计的工艺过程因素。 除了设计因素之外，实施设计过程的因素是影响高压钠灯电子镇流器可靠 性最重要的因素。实施设计过程一般可分为设计试制阶段和生产阶段。在试制 阶段影响可靠性的因素主要有：对组成整机的元器件、零部件的认定；对整机 的各种摸底实验程度；对整机的测试方法的认定；对结构的合理性、适用性的 验证；印制线路板的工艺设计与确认；对整机调测工艺的编制；对生产工艺的 编制确定。在生产阶段影响可靠性的因素主要有：对生产工艺文件的理解程 度；对操作人员的产前培训程度及操作人员对技能的掌握程度：工艺流程设计 的合理性；模拟使用现场的试验装置设置的合理性；产品出厂前的检测或检验 手段等等。 1 4 5 高压钠灯等h i d 灯对电子镇流器的要求 众所周知，高压钠灯对镇流器的要求是很高的，要制作高品质的高压钠灯 电子镇流器还是比较困难的。根据对高强度气体放电灯高频变换器技术的研 究，结合高压钠灯的工作特性，归纳总结高压钠灯电子镇流器的主要技术要求 如下 6 , s - 2 8 ： 1 能提供可靠的3 - 5 k v 电压且脉冲宽度不小于2 t t s ，具有足够能量的高 压来触发启动，完成汤姆逊放电( 离子放电) 、过渡放电、辉光放电、弧光放电 的启动过程。 2 具有较强的非线性负载适应性，特别是触发启动瞬间，高压钠灯电子 镇流器相当于输出短路状态，具备恒功率或恒电流控制能力，保证电弧管体内 放电电弧稳定，避免光通量闪烁。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 能消除声共振。 4 鉴于h i d 灯功率比较大，要求电子镇流器在输入电流谐波、射频干扰 和电磁辐射等方面符合国家标准，要求其功率因数高、可靠性高、成本低，可 实现短路、开路、欠压、过压、过流、过热的保护。 5 能在户