（电力电子与电力传动专业论文）hid灯用高频谐振变换系统稳定性的研究—高频声共振的研究.pdf

北方t 业大学硕士学位论文 a s t u d yo ft h es t a b i l i 够o fh i g h f r e q u e n c yr e s o n a n c et r a n s f o r m i n g s y s t e mo fh i dl a m p s as t u d yo ft h eh i g h f r e q u e n c ya c o u s t i c r e s 0 n a n c e a b s t r a c t 1 1 1 er e a s o i l ，p h e n o m e ma n dm o d e lf o rt h ea c o u 如cr e s o n a n c eo fm e t a jh a j i d e ( m h ) l a n l p s w h e nw o f k i n gi nh i 曲丘e q m c ya r e 衙v e s t i g a t e d ab a l l a s tc i i u i tw h i c hma ：k e su s eo f 恤 p o w e r 锄p l i f i e rt oo u 印u tm es q u a r e w a v ec l 代n ta r eb u i l tt od r i v en l e7 0 wm e t a ll l a l i d e l 锄p so nt l l eo p e n - l o o pc o n m t i o n ni so p e m t e do v 盯a1 1 i 曲- f e q u e n c ym g e 自o mll ( i zt 0 3 0 l 出i z f o rt 1 1 eb a j l a s tc i r c u 吒t 1 1 eq 翮眦m g 丘e q u e n c y 甜1 dt t l er 心t u d eo ft 1 1 el 唧c l m l e m c a nb ec o m r o l l e di n d e p e n d e n t l y a n da m e a s u 五n gs y s t e mi ss e tu pt 0e x a m i l l e 廿l ee 位c t so f m e a c o u s t i cr e s 0 眦et 0t 1 1 es h a p eo f t h el 锄pa r c ，t 1 1 ec o l o rt e m p c 舵曲r e ，t l l el i 出o u 印u ta sw e l la s e l e c t r i c a lc h a 】旧c t e r i s t i c s 1 h ed i s c u s s i o no ns t a b l es t a t ea n dt 1 1 ea c o u 如c1 1 c ：s o n a n c em o ( 1 e l e m p l o y 锄p i d c ma n dc u r v e - f i t t i n gm e 廿1 0 d s i i la d d i t i o 玛t i l eu n 站l b l es t a _ t ep l l 饥o m e mc a l 瑚斑 b y 【hl 锄pa r er e s e a r c h e d ，w h j c hp m sf o “旧r ds o m e 吐l e o r e t i c a jg u i d a n c ea 1 1 dr e f b r e n c eo n 舭 访1 1 i b i t i o no f a c o 删cr e s o n a i l c ea r l d 廿l ed e s i g no f e l e c 仃d 1 1 i cb a j l a s tc i i u i t 1 k e x p e r i r n e n t sa r ec o n d u c t e d0 n l e7 0 wm e t a lh a l i d el 锄p s 1 ke ) ( p e r i r n e i l t a l 陀s u l t s s h o wm a tt 1 1 ea c o u s t i c 把s o n a n c eo fm hl 锄1 pi sc a u s e db yi t s e l fa tl l i 曲丘硼u e n c y ，w l l i c h e x c l u i i et h ee 仃e c t so fe l e c 缸d i l i cb a l l a s tc i r c u i ta n dr e s o 呦c ec i r c u i tt o l ea c o 删cr e s o n a n c e b a s e do n 龇e x p c 渤e n t s ，廿1 es t a _ b l eq 删n g 毹q u e n c yr a n g ei su n d e rlol ( i zw h e n 山el a m p s a r ed r i v e nb yt h es q 眦e w a v e 吼l n e m a n di tw o u l db ev c = r yd i f j i c u l tt oq 髓吼et h el 锄pi i l 丘e q u e n c ym n g eo f1ol 出i z 、访t h o u ts e r i o u sa r ci m 妇b i l i t i e so ra r ce x t i n c d o n a tt h es 锄et i i l l e ， w i l e nm ed e a d - t i m eo ft 1 1 e1 1 i 曲丘e q u e n c ys q 眦e w a v ec 眦e mi sb e l o w2 4 s ，m ed r i v i i l g m e m o d 、v o u l ds u l ) p r e s st h ea c o u s t i cr e s o n a l l c e w i t hq ) e r a t i i 唱丘e q u e n c yr a j s i n g ，t 1 1 es c o p eo f d 砷血n go fm hl 锄pw o u l dr e d u c e f m a l l y ，l eh i 曲能q u e n c ys k i b l e 娥l t em o d e l i si n j t i a u y e s t a b l i s h e d 、们t 1 1p i e c e 、杌s el i n e a z a t i o n ，a n dw ed i s c o 、吼。i ti sad y i 枷cr e s i s t a 】ei nf 托q u e n c y 舳g eo f1k i zt o3 0i ( h za n di sv e r i f i e db ys 曲u l a t i o l l s m o d e lo f 1 ea c o u s t i cr e s o n a n c ei s d i s c u s s e da r l db r m gs o m ee x p l a 删i o na _ b o u tp h e n o m e n ao f m ea c o l i s l i cr e s o 眦e k e yw o r d s ：m e t a lh 甜i d ei 锄p s ，p i e c e 晰s el i n e 撕z a t i o n ，m o d e l ， m e a s u r e m e n td e v i c eo na r ci m a g i n ga n de l e c t r i cp a r 锄e t e r 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，也不包含为获得韭友王 些盔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。 学位敝储虢孤锈碍签字嗍础朋；阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 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。本人授权北方工业大学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z ) 犯半 签字日期：矽年夕月7 珀 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：圃 签字日期：溯年眵日 电话： 邮编： 北方丁业大学硕士学位论文 引言 金属卤化物气体放电灯( ) 是一种新型高效节能型电光源，属高强度气体放电灯 ( h d ) 的范畴，它以发光效率高( 8 0 1 4 0 1 1 1 l w ) 、显色性好( 芝8 5 ) 、寿命长等特 点，得到了越来越广泛的应用，是本世纪绿色照明光源之一。但是，与之配套的传统电 感镇流器，功率因数低，体积大且笨重，在电网电压波动时，灯的输出功率和光通量随 之变化，给人一种闪烁的感觉，不具备恒流、恒功率的特性。高性能电子镇流器的使用 可以克服以上不足，但是，在高频工作下，h d 灯具有声共振现象，使得高频电子镇流 器的应用受到了影响。所谓声谐振即声共振现象是指高强度气体放电灯在高频电流驱动 时，表现出的放电电弧不稳定性，当h d 灯工作在5 7 0 0 k h z 频率范围时，很多频段会 出现明显的光输出波动并伴以电流、电压起伏、电弧弯曲、摇晃。当频率降低到最低不 稳定频率时电弧可能熄灭，甚至导致电弧管炸裂。 目前，学者们普遍的共识是，声共振现象是阻碍镇流器装置高频化及提高功率等级 的最主要障碍。所以研究其成因与抑制技术是当前一个热门课题。目前比较流行的理论 是以等离子体中的声学理论为基础，研究如d 灯的放电过程，解释声共振现象。其主 要结论是：当用高频功率信号驱动h d 灯时，由于灯管内的多个声波的叠加，会在灯 管内形成驻波。这种驻波会引起灯的弧光闪烁、扭曲、变形或熄灭，甚至引发灯管爆 炸。与其他h d 灯相比，金属卤化物灯中的离子种类较多，容易激起离子振荡的频率 更为密集，加以电弧中电位梯度大，电弧温度高，弧径细，所以更容易激起离子振荡并 引起放电不稳定现象。小功率金属卤化物灯的电弧不稳定现象最为严重。但是以声学理 论为基础所形成的理论，无法合理解释弧光的绳化现象、无法建立声共振时的电气模型 等。因此，需要引进新的理论研究声共振的起因、电气特性、抑制技术等问题。 本文的研究目标就是探索高强度气体放电灯的声共振现象是由电子镇流器系统或谐 振网络引起的还是由灯本身引起的。如果是由电子镇流器系统引起的，那么我们可以从 镇流器系统下手解决这个问题。如果是由灯本身引起的，我们对镇流器系统所作的工作 只能是最大程度地抑制声共振，不能从根本上解决。所以在这罩我们选取了更容易发生 声共振的小功率金属卤化物灯，对其进行开环实验，以探讨声共振现象和检测在这种状 态下金卤灯的声共振情况。 北方- t 业大学硕十学位论文 1 关于h d 灯声共振的综述 1 1h d 灯声共振的成因 1 1 1 “声谐振论点 早在1 9 6 2 年b u c k l e y 和g e r u e 【l 】就已发现高频调制的直流氙电弧在一系列频率附近出 现不稳定现象，并测得伴随着产生的与调制频率相同的声波，同时还发现电弧不稳定的 最低调制频率随放电容器加大而降低，在电弧不稳定的最低调制频率时放电起伏最大， 有时导致放电熄灭。他们还注意到放电不稳定时测得的一系列声波频率差不多正好与放 电容器谐振，而在产生不稳定现象的最低频率时声波波长大致等于容器尺寸。因此他们 断定放电的不稳定是由于放电中产生的声波与容器谐振、形成驻波造成的，因而称之为 “声谐振”效应。 综合起来“声谐振”论点的核心内容是：高频放电使气体周期性加热是导致放电不 稳定的根本原因。气体被周期性加热和冷却的结果产生了同一频率的压力张驰并形成压 力波。当该压力波与容器谐振、形成驻波时振荡被加强。他们认为放电不稳定时测得的 声波就是这样形成。这一声波使电弧弯曲、抖动、放电起伏，光输出波动甚至使电弧熄 灭、灯管炸裂。 但是上述论点中存在很多难以令人信服的疑点，对一些现象也难作出令人满意的解 释。例如：( 1 ) 正常运转时h d 灯中的高密度、高温气体的热容量很大，温度响应灵敏度 很低，决不可能如此快速地随着可能高达4 0 0 k h z 的放电加热频率变化。电弧周期性加热 的结果充其量是使气体在很高的平均温度上叠加一个非常微小的波动，不可能产生明显 的高频温度起伏，更不可能形成如此强烈的压力波。( 2 ) 退一步说即使放电加热使气体温 度产生较为明显的周期性起伏、产生相应的压力波并且与容器谐振，充其量其结果是使 气体粒子的空间分布疏密不匀，造成放电及等离子体密度相应的非均匀空间分布，并影 响输出光强和光色分布的均匀，但不可能造成放电强度及光输出在时i 日j 上的变化。( 3 ) 更 退一步说，即使放电随声波变化，但测得的声波频率为数千周至数百千周，如此高的变 化频率何以转化为人们所见的二十周或以下的低频放电不稳定现象。( 4 ) 锥形、喇叭形放 电管灯端的结构完全破坏声波谐振条件，为什么并不能抑制由“声谐振”引起的放电不 稳定现象，必须增加调频措施才能收到一定效果。( 5 ) 按放电加热论点，未产生不稳定现 象的电弧同样会冈温度变化产生压力波，为什么这时不能检测到声波的存在。( 6 ) 即使同 2 ， 北方t 业人学硕十学位论文 样结构的h d 灯，为什么金属卤化物灯的电弧不稳定现象特别严重。按放电加热论点这 是没有道理的。 所有上述问题都是“声谐振理论所无法解释的，这不能不令人怀疑“声谐振 论点的可信性。 1 1 2 等离子体振荡论点 根据气体放电理论【2 】，决定高气压弧光放电的光电参数的特征区域为放电正柱区， 气体放电正柱是一个典型的等离子体，处于局部热力学平衡状态，从整体而言放电等离 子体呈电中性，但等离子体中的局部部位常常出现电荷不平衡。高气压弧光放电中，当 某一小范围出现净正离子电荷时，其附近必将出现净负电子电荷。质量轻得多的电子云 将在离子云电场作用下在其附近往返摆动，形成等离子体电子振荡。当电子云在正离子 云附近振荡时，离子云必受电子云反作用并在平衡位置附近摆动。由于离子质量远比电 子质量大，振荡频率和幅度则低得多。任何放电等离子体中，等离子体振荡( 局部) 都 是存在的，只是此起彼伏、随机发生。相位和频率( 通常所谓等离子体振荡频率即指电 子振荡频率，一般电子云振荡频率约在1 0 0 0 m 1 0 0 0 0 m 之间，这一频率在微波波段， 并被称为等离子体本征频率或截止频率) 则取决于离子云出现的时间和地点与该处等离 子体参量、并在相当宽的频谱范围内随机分布。这种振荡一经发生由于与气体粒子的大 量碰撞而迅速衰减。因此通常从等离子体外部不能发现等离子体振荡的存在，放电稳定 性亦不受这种随机振荡的影响。 ， 当等离子体处于高频电场作用下时，某些地点出现的相位合适、振荡频率与电场频 率相近的正电荷云( 离子云振荡频率约在几k 至几百k 之间) 将从电场不断补充能量，并 受电场牵引，相位和频率逐渐与电场同步，从而使离子振荡逐步放大，终至形成影响整 个等离子体的振荡，表现为灯弧的长度和光强振荡，由于等离子体的振荡频率在声波频 率范围内，通常称为声谐振。离子与电场作用的响应速率是很快的，完全赶得上电源极 性的变化。显然正离子电荷云在电场作用下的振荡必然形成同频率、同相位的压力波 ( 离子振荡时将产生在振荡方向传播的压力波，因其频率在声波范围，所以被称为离子 声波) 这就是等离子体物理中常称的离子声波。所有文献中报导的测得的声波实际是离 子振荡时产生的离子压力波、而非放电的加热作用使气体周期性温升和冷却形成的压力 波。显然在不形成这种影响全局的等离子体振荡时，随机振荡所产生的频率、相位、时 间和空间与随机的离子声波只构成等离子体的声频噪声，不可能形成频率稳定的声波。 在最低离子振荡频率时，离子云振荡幅值正好等于电弧长度，这相当于离子云在电 源相位约为7 2 时在阳极附近出现，并向阴极加速运动，当离子云到达电弧中部时电 3 北方j i ：业大学硕十学位论文 场极性变换，然后在减速场作用下继续前进，在3 万2 时到达电极附近，速度降低为 零，然后反向加速运动。对于这种情况下的振动、灯电压波动幅度最大，放电维持困 难，并常导致电弧熄灭。这就是文献中报道的最低“声谐振频率”时电弧熄灭的真正原 因。显然发生离子振荡时电弧的不同部位会出现不同符号的净电荷。电弧电荷与管壁电 场的作用会使电弧弯曲、抖动，严重时电弧可能使管壁某些部位温度过高并因管内气压 过高而炸裂。 与其他h d 灯相比，金属卤化物灯中的离子种类较多，容易激起离子振荡的频率更 为密集，加以电弧中电位梯度大，电弧温度高，弧径细，属电极稳定型电弧，所以更容 易激起离子振荡并引起放电不稳定现象。 1 2 声共振的判断依据 声共振现象发生时，随着灯内气体压强周期性变化，发出声波，导致电弧不稳定， 同时伴随着电弧长度和半径的变形，会引起灯的电学参数，如电压、电流和电阻的改 变。电弧扭曲导致h d 灯发出的光强度随共振频率而变化，通过测量光的强度随频率的 变化可以判断其是否声共振；也可用声音传感器采集声音信号来判断其是否声共振。因 此检测声共振时，可以取样灯的电流、电阻、声波、光的强度作为采样指标。 1 2 1 通过电弧的稳定性判断声共振 最早发现h d 灯声谐振现象的c f g a l l o t 以及后来的w i 劬唱都曾经提出以放电电 弧的稳定性为判别依据，对于用户而言，电弧的稳定是最为重要的，由此，可以视电 弧是否稳定作为判据，这样比较直观。但是对于电子镇流器的设计者来说，应该考虑的 是：如何将这种“电弧的不稳定性反映成某种电信号，作为被控对象通过控制手段将 其消除。 1 2 2 通过理论计算预测声共振 要解决声谐振问题，必须找到一个合理的判断依据，虽然部分声谐振可以采用理论计 算方法得到，并进行预测i ”1 ，但不能覆盖全部频率，而且对于不同厂家不同型号的金 卤灯都需要计算。 1 2 3 通过测量r 尺检测声共振 h d 灯工作于高频时，在没有声共振的情况下，灯电阻几乎是线性并且稳定的。某 些频率下，由于发生了声共振，灯电阻有明显变化。r 月比矿y 和，大，因此 尺r 作为检测声共振的参数更准确一些。 4 北方工业大学硕士学位论文 已应用此方法对不同生产厂家的7 0 w 金卤灯进行了大量实验，结果表明测量 r r 是一种检测声共振的可行方法。理论分析和实验结果都表明，灯电阻相对变化的 百分比( 尺r ) 对声共振最敏感，是检测发生声共振的最恰当指标。通过检测声共振 时电流与电压的方法，很容易计算出尺r ，利用它可以判断出声共振时的频率，然后 在控制芯片中，设计模糊控制规则时避开此频率，为更好抑制声共振提供控制芯片设计 数据。 1 2 4 光学方法检测声共振 减弱或消除声共振的方法之一是将灯输入功率按频谱展开，因为共振波仅当激发源 在声波频率附近强度足够大时发生。降低在声波频率的功率强度，即不会激发该频率的 声共振。但是如果在声波频率处存在着低强度的功率源，虽然不会激发可见的电弧扭 曲，根据连续性原理，还是会引起电弧发光强度的变化，该变化难以用肉眼观测，需要 用精密的检测仪器来检测。光学检测方法即是建立在这种假设的基础之上。 功率放大器为金卤灯提供电源。载波由载波振荡器h p 3 3 2 5 a 提供，其频率必须避开 声共振频率，因此选取了高频2 7 0 k h z 。矢量信号分析仪 p 8 9 4 1 0 a 内部电压源提供有限 带宽的激发信号( 白噪音) 。宽带光电二极管捕捉电弧光强度输出信号，输入矢量信号 分析仪。矢量信号分析仪将光电二极管的信号与内部噪声信号进行调制，其绝对值对频 率扫描作图，从而得到金卤灯的频率响应。该实验使用的方法在电路中注入少量调制电 流。通过限制注入功率来使声共振频率稳定，灯可以在比较正常的情况下工作，从而能 够测量更多的声共振频率。 1 2 5 检测发生声共振时灯的电流 采用取线电压方法测量声共振频率。所提出的声共振检测方法理论依据基于声共振 发生时灯电流会发生变化。根据电弧放电理论，当强度足够高时，正柱区的等离子体处 于局域热平衡状态，因此电弧主要集中在灯管轴线部分，正柱区的中心部分是均匀的导 体，在正柱体以外，温度很低，而且没有电流通过。根据这种假设，正柱区的电导率可 由欧姆定律，= 册。心e 求导得到，设电弧半径为台，对上式求导可得到正柱区的电导 率g = 万芬，z 。以，其中，为电弧的长度，以为电子迁移率。当声共振发生时，放电 等离子体的压强变化会导致气体分子( 实际上，只有o 1 气体被电离的电离气体已经 具有明显的等离子体性质，如果有1 气体被电离，则已是电导率很大的等离子体。因 此等离子体中含有离子、电子和气体分子) 分布不均匀，因此，会减小，从而g 也会减 小，因此灯的电压和电流都会发生变化。通过测量灯电流的变化即可得到声共振频率。 5 北方_ 业大学硕士学位论文 1 2 6 检测声共振时发出的声波 在靠近声谐振频率时，灯发出声谱范围的震动，通过测量声谱，可以检测到灯中的 声共振波。这种方法还发现在发生声共振时不一定同时伴随有可见的电弧的不稳定现 象。 利用该方法对3 0 0 w 高压汞灯进行测量。首先将灯放置于一个绝音空间中，然后通 过一个电容麦克风和扩音器将输出的声信号采集放大，最后通过频谱分析仪来进行分 析。实验结果表明【5 】，随着输入电流频率的不同，激发的声谐振频率和强度都有变化。 1 2 7 利用计算机控制的声共振检测工作平台 由图形化编辑语言l a b v w 编程。这种方法【5 】基于放电电弧的投影图，对投影图上 的不同点进行相对强度测量并统计性地分析以检测声共振。实验结果证明这是一种能够 自动得到声共振频率的有用的方法。 1 2 8 小结 从以上论述中可看出，电阻变化率和电流测量方法都是测量灯的电学参数的变化， 因此较容易加入电路，作成反馈。使用灯电阻也避免了单独使用电压或电流带来的一些 干扰，这些干扰可能会被误判为声共振。测r r 来检测声共振的方法，比单独检测电 流的灵敏度高，检测方便实用；光学方法检测声共振主要利用光电二极管测量光的强 度，然后用白噪声调制控制芯片，从而抑制声共振，检测时不会改变共振状态，检测结 果可靠准确；另外，光学检测方法的优点是让灯工作在比较正常的情况下进行检测，这 样就比其它3 种方法更安全，可以检测出更多的声共振频率；最后一种用声学计检测的 方法使用的声学计价格较昂贵，实际使用不太经济，另外实验表明【6 】有些声共振情况 下，电弧并不发生可见的扭曲，至于是否会导致电流产生5 1 0 h z 的分量，以及是否由 光学方法检测出来，有待进一步的研究。最后一种方法属于高端技术，涉及到虚拟仪 器，因此成本高。 这几种方法测得的谐振频率虽然大体应一致，但由于它们的根据是声共振引起的不 同现象，因此测得的频率可能不会完全相同。 1 3 声共振的抑制方法 由前面介绍可知，在等离子体放电中，高频电场的能量是通过带电粒子的弹性碰撞 传给放电气体的，当高频电场的频率落在可能产生声谐振的频率点上时，只有当带电粒 子传给放电气体的能量达到一定的阀值，才有可能出现声谐振现象。因此，我们可以得 到声谐振产生的两个条件7 】：驱动h d 灯的高频能量的频率要落在可能产生声谐振的频 一6 北方工业大学硕士学位论文 带内；驱动h d 灯的高频能量达到一定的幅度，即超过这一频率点的能量阈值。因此， h d 灯电子镇流器就可以从这两个条件出发，只要避免其中的一个条件就可以避免声谐 振的发生。珈d 灯电子镇流器因此可以分为两类： 1 3 1 第一类 使高频能量的频率不落在阈值能量的功率谱的频带内。 1 3 1 1 工作频率小于阈值能量的功率谱的最低频率 一般h d 灯阈值能量的功率谱的最低频率一般在l o k h z ，落在音频区域，将会产生 声音干扰。 1 3 1 2 工作频率高于阈值能量的功率谱的最高频率 即采用的开关频率很高，如5 0 0 k h z 以上，以避开声谐振发生的频率区段。但是开关 频率过高，其e m 【增加，开关器件以及磁性材料的损耗增加，使电子镇流器效率降低。 1 3 1 3 使h d 气体灯工作于声共振谱上的安静区域 对h d 灯，通过计算和测量，我们发现在某些频率段，不会发生声谐振，这是由 于声谐振频率具有分布不连续的特点。但由于不同厂家生产的不同灯泡其不发生声共振 的安静窗口是不同的，因此这种方法在实际中很难做到通用性。有些种类的声共振可以 采用理论计算方法得到，并进行预测【蚓，将中心频率避开计算得到的频率点，但由于不 能穷举避开所有类型的声共振频率，仍可看到电弧的轻微抖动，而且对于不同厂家不同 型号的金卤灯都需要计算。 1 3 1 4 改变放电管形状 放电管的形状也会影响声谐振的频率。这种方法主要在设计灯管形状上下功夫，对 电路设计者没有直接意义上的帮助。 1 3 1 5 低频恒流源驱动灯管 这是一种目前真正得以应用的一种方法【l o 】。低频恒压源来直接驱动阳d 灯时，由 于负阻特性，卸d 不能稳定工作，需要低频的电感镇流器，如果我们用低频恒流源来直 接驱动h d 灯时，灯能稳定工作。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，电路拓扑结构较复杂，其三级功率电路在成本及功耗方面限制了其应用。 1 3 1 6 高频方波驱动h d 气体灯】 对于理想的方波驱动，灯管功率变化十分迅速，不会对电弧产生干扰，从而抑制了 声共振，但要获得理想的高效高频方波是十分困难的。 7 北方_ t 业大学硕十学位论文 1 3 1 7 频率控制方式一灯电流灯电压反馈控制方案【汜】 这种方式需要对灯的电压变化进行监视，以调控灯的工作频率。由此可以设定镇流 器电路选择频率的动作程序，在工作频率控制的上限嗽和下限咖之间往复搜索。往返 于上、下限之间反复探索，若其间有一个或一个以上稳定区域存在的话，稳定点灯就不 成问题了。这种方式的特点是要对声谐振的发生进行实时检测，导致控制比较复杂，实 现起来也有一些困难。 1 3 2 第二类 使高频能量的幅值不超过阈值能量的功率谱的幅度值。 1 3 2 1 低频方波电压叠加高频电压【1 3 i 这种方法受声共振产生的第二个条件启发，使高频能量的值达不到产生声谐振的阈 值，这样也就可以避免了声谐振的发生。 图l ，1 全桥拓扑结构图1 2 加入低频信号调制的控制回路原理图 其镇流器的拓扑结构如图1 1 所示，图中电容c p 可以在稳定工作时将高频信号吸 收，在启动时提供高压脉冲，这样就省去了外启动电路，而且该连接方式还能够实现功 率开关管的软开关运行。经过c p 将高频信号滤去后，加在灯端的信号就为4 0 0 h z 的低频 信号，在这个频率下，金卤灯没有声共振问题，同时采用高频控制可以大大减小电感的 体积和重量，也可以在一定程度上降低功率管的损耗。可以通过改变高频信号的占空比 来改变低频信号包络的有效值，从而实现恒功率控制。如图1 1 所示，可以让功率管q 1 和q 3 工作在高频状态下，q 2 和q 4 工作在低频状态下来实现高低频信号的叠加。从理论 上讲该方法是可行的，它能够从根本上解决声共振的问题，但是考虑到经济、实用，下 面的方法更为可行。 1 3 2 2 在高频信号中叠加低频信号调制消除声共捌1 2 l 该方法是在高频信号中加入低频的j 下弦波或白噪声进行调制。这种频率调制法是由 l a s z l ol a s k a i 等人提出的，他们采用的是低频j 下弦波去调制逆变其中高频丌关的工作频 率，使h i d 灯得不到单一频率的高频能量。该方法可分为频率调制和在频率固定条件下 的幅值调制。在这早只讨论频率调方法，对于固定频率调制的制幅值的方法与调节频率 8 北方工业大学硕十学位论文 的方法类似。由于h d 电子镇流器的输出级通常采用脉冲宽度调制( p u l s ew i d t l l m 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。在没加入低频调制信号以前，先要在没有 声共振现象的区域选择中心频率，它由直流给定信号决定，然后选择调制的频率范围， 控制回路部分的示意图如图1 2 。这样在中心频率信号上叠加了低频调制信号( 如1 0 0 h z 的正弦波) ，灯端电流就会围绕着这个中心频率实时地变化。因为频率不是固定在一点 上，所以就不会在固定的频率上形成驻波而产生声共振。这种在高频信号中加入低频信 号调制的方法实现起来比较简单，而且易于调试。它不需要加入更多的硬件就能实现， 所以是一种经济、可行的方法。 l4 探索i 生实验一纵向磁场对小功率金属卤化物灯声共振的影响 纵向磁场指磁力线方向与电弧弧柱轴线方向相同的磁场。在纵向磁场作用下的电弧 弧柱中，由阴极发射出来的带电粒子将围绕磁力线旋转，使得电弧的弧柱平行于磁力 线。在粒子密度很大时可以将电弧弧柱看作流体，用磁流体力学理论描述。当施加纵向 磁场后，电弧中的电流线力图保持平行于磁力线，当纵向磁场强度达到一定值时，电弧 弧柱形状保持不变，从而灯电弧的声共振现象可能用纵向磁场抑制。但实验【1 4 】结果表明 在本次研究的条件下，纵向磁场不能消除声共振现象，但纵向磁场的增强可以使得声共 振的起始时刻有所滞后。本结果可为小功率金属卤化物灯声共振现象的研究提供经验。 9 一 北方l ：业人学硕十学位论文 2m h 灯放电特性及声共振现象 2 1 等离子体放电理论 干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导 体。这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体 放电。依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形 式。主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。 放电形成等离子体，它是离子、电子形成的混合体，平均呈电中性，如图2 1 所 示。一般必须有与等离子体的电子连接，通常是电极，但无电极连接也是可能的。放电 是使气体转变成等离子体的一种常见形式，等离子体是物质第四态。气体中只要有 o 1 的分子被电离，就已经具有了等离子体的性质。 图2 1 等离子体的形成图2 2 等离子体的分类 等离子体的性质：第一，非束缚性。异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基 本粒子元是正负电荷的粒子，包括电子、离子，而不是其结合体；第二，粒子与电磁场 的不可分割性。等离子体中粒子的运动与电磁场( 外场及粒子产生的自洽场) 的运动紧 密耦合，不可分割；第三，集体效应起主导作用。等离子体中相互作用的电磁力是长程 的。 等离子体中单位体积内所含电子数的数目称为电子密度，单位体积内所含离子数的 数目称为离子密度。它们都和温度有密切关系。温度越高，密度也越大。因而，温度 就成为描述等离子体的重要热学特征，称为等离子体温度。在高密度的等离子体内，粒 子问碰撞频繁，同时因粒子间平均距离较小，静电相互作用明显，于是，等离子体中电 子和离子之1 、白j 能够建立热平衡。在这种情况下，可以用统一的温度表征系统的热学特 征。为方便起见，习惯上把温度高于1 0 6k 的等离子体称为高温等离子体，低于1 0 6 i ( 的则称为低温等离子体，如图2 2 所示。在等离子休巾，出】丁含_ 仃大量正、负带电粒 一1 0 北方工业大学硕士学位论文 子，其电磁性质也变得非常复杂。外加稳恒电场时，等离子体表现为优良的导体；而在 交变电磁场中，等离子体却能呈现出电介质的性质。 在等离子体中，如果小范围内出现正负电荷分离，因离子质量大，可视为固定不 动，构成均匀正电背景，电子则在静电力作用下集体振荡，这就是等离子体振荡，振荡 频率p 称为等离子体频率( p l 踟a 丘明u e i l c y ) 。在忽略电子热运动与碰撞，即在所谓 冷等离子体条件下，p 只与电子的数密度、质量、电荷有关。在冷等离子体中，等离 子体振荡是一种局部振荡，不向外传播，不形成波( 其群速为零) 。在热等离子体中， 即考虑电子的热运动后，等离子体振荡会形成群速不为零、向外传播的纵波( 静电 波) ，称为朗缪尔波。实际上离子也在作集体振荡。由于电子比离子活跃得多，如果电 子是灼热的( 即温度很高) ，则在离子完成一个振荡的时间内，电子依靠热运动可以实 现空间均匀分布，离子的振荡是在均匀负电背景下产生的。因离子质量远大于电子质 量，离子的振荡频率远小于电子振荡频率，其影响可以忽略，通常所谓等离子体振荡频 率即指电子振荡频率。 等离子体频率是表征等离子体特征的一个重要物理量，它反映等离子体中的电子 对电场扰动响应的快慢。在等离子体，如果由于某种原因引起小范围内电中性的破坏， 那么等离子体就会在数量级为p - 1 的时间内去消除它。因此，对于远小于等离子体频率 的任何低频扰动，等离子体将以足够快的反应来维持它的电中性。即凡频率低于等离子 体振荡频率的电磁波在等离子体表面均将被反射，而高于这一频率的电磁波则可穿入等 离子体。 2 2m h 灯的工作原理 为能在高气压电弧的器壁温度下( 如1 0 0 0 k ) 维持足够高的蒸气压，并且能产生明 显的可见光辐射的元素的种类非常少，实际上用于照明光源的填充元素通常只有氙、钠 和汞，但绝大多数金属元素产生的金属卤化物比它们自身还要活泼得多。许多元素，尤 其是元素周期表中那些过渡金属和稀土金属元素，具有非常多的能级数目，并且能辐射 出数干条光谱线。其中的一些元素如钪、镝等，在可见光区域能产生非常丰富的辐射。 其他的一些元素，如铟、铊和钠，可以产生非常强的线光谱，分别对应蓝色、绿色和黄 色。以上这些事实构成了m h 灯的理论基础f 1 5 印】。 北方t 业大学硕十学位论文 oo o o oo 0oo， ： 萨e 鲈每u 西oj 删占“u 名0 7 等 oooooooooj o 康子。正禹子e 电子* 扩散运动漂移运动 本图中导电沟道的直径与形状仅作示意 图2 3h d 灯导电沟道示意图 下面来分析一下灯的工作原理【l6 】：首先，在启动过程中，低气压的惰性气 体，由于低气压，灯的工作电压很低，电流很大，光输出比较少；其放电的热量加热了 泡壳，惰性气体原子受电子的频繁碰撞使之平均速度增加，温度升高，随后汞迅速被蒸 发，管壁变得足够热使部分卤化物被蒸发出来，导电沟道如图2 3 所示；这些卤化物通 过扩散进入最高温度约为6 0 0 0 k 的汞电弧参与放电，蒸汽压逐渐升高，工作电压也升 高，电流减少，直到达到正常的工作电压和电流，进入稳态，发出强光。其次，放电达 到稳定后，金属卤化物分子从冷凝在弧光管壁上的液体颗粒中蒸发出来，一部分金属卤 化物分子扩散进入放电电弧区域，在电弧的高温下分解为金属原子和卤原子，金属原子 与电弧中高速的电子碰撞而受到激发，然后发出该金属的特征光谱，成为原子发光。与 金属原子相比卤元素的激发能要大得多，因此几乎没有卤元素的辐射；另一部分金属卤 化物不被电弧高温所分解，在高温和电场的双重作用下，直接被激发，成为分子发光。 另一方面，电弧中的金属原子和卤素原子也向壁管扩散，由于壁管温度远低于电弧温 度，故两种原子相遇时再次化合形成卤化物，这样，卤化物又在壁管的温度下蒸发，又 向电弧中心扩散，重复此过程，不断地向电弧提供金属蒸汽。 处于这种高温高压状态下，电子的碰撞激发和碰撞电离作用就微乎其微，高温气体 的热激发和热电离则起主要作用。由于相邻原子接近，相互作用增强，使得气体原子特 征谱线加宽。另外，高气压工作条件下热电离现象明显加剧，电子和离子在空间中浓度 很高，它们在放电区复合的几率大大增加，这就产生复合发光。 2 - 3 气体放电电弧绳化现象 低气压下( 10 - 1 1 0 。2 托) ，放电气体原子浓度很稀薄，电子与气体原子的碰撞次 数少，即电子有较长的自由程，电子可以加速获得较大能量，使电子温度远远大于气体 原子温度。气体原子的电离和激发主要由电子的( 非弹性) 碰撞来完成的。电子碰撞激 发的可能机率与电子的能量有关，而电子的能量在电子的自由程和电场强度同定下，为 1 2 北方 业人学硕十学位论文 一定值，所以只是某些特别的能级被特别的激发，故低压气体放电只辐射特定谱线，色 表和显色指数不太好。 高气压下，气体原子浓度增加，电子的自由程变小，电子碰撞损失所带的能量之 后，常常还来不及积累足够的能量便又发生碰撞，因此只发生弹性碰撞，无法使原子电 离或激发。这时，电子的动能很容易转移到气体原子动能，两者渐趋平衡。气体粒子快 速运动，由于相互碰撞可以使气体粒子的动能变为激发能和电离能量。最后达到气体温 度几乎等于电子温度，这样的状态称为热平衡状态。要维持如此高的气体温度，则必然 存在温度梯度，中心区域变热。沿着温度梯度方向流向管壁的热能损失限制此种电弧的 辐射效率约为6 0 。蒸气的参数由于选择性辐射可以调整使辐射主要发生在可见光区 域。高的气体温度有助于激发和电离，由于大部分的电流通过中心区域，电弧中心区域 非常热，绝大多数的光在中心产生，这就是为什么高气压放电电弧绳化的原因。中心热 区域的气体密度低于外部冷区域。如果该放电沿水平方向，则热的中心区域就会朝上弯 曲，这就是为什么把此种放电称为电弧的原因。这也解释了为什么高气压放电并非全体 都是高热的，弯曲引起的微小变化也能引起温度和光色的显著变化，如图2 4 所示。在 极端的情况下，它可能引起管壁过热而损坏。 ( a ) 铷1 s( b ) 卢0 1 5 s 图2 4 声共振时灯在接近管壁某一固定点的测量温度对比 当m h 灯发生声共振时，通过弧光成像装置对各点温度分别在净o 1s 和仁0 15 s 时 进行观测，发现在a 点附近的温差最大，分别为9 3 5 和9 7 6 ；b 点附近的温差相对 小些，分别为9 6 5 和9 7 6 ；而其余点的温差保持不变。通过目测镜观察，恰好发现 在a 点附近电弧抖动严重，b 点附近抖动次之。同理，在对灯电弧正常稳定时的 各点温度分别进行测量，结果是各点温度都保持不变，因此我们可以推断出这样一个结 论：在发生声共振时电弧抖动越严重的地方，它的温度变化也就越大，光输出的变化也 越明显。这也说明了电极温度与工作电流有关系，电极温度随着电流变化而变化【1 7 】。 1 3 北方川k 人学硕七学位论文 2 4 声共振现象之电弧状态 h d 灯发生声共振时会导致电弧不稳定、扭曲、旋转和摇晃，造成输出光闪烁，严 重时会振断电弧而熄灭，甚至使电弧管爆裂，以上这些现象是使用者无法接受的，甚至 是危及使用者安全的。图2 5 为灯管电弧状态示意图，当无发生声共振时，灯管电弧呈 现相当稳定的状态，如图2 5 一( a ) 所示。图2 5 ( b ) 为发生声共振时的灯管电弧状态，灯管 电弧呈现出一个扰动的情形，透过目测可以明显地感觉光输出闪烁，如图2 6 一( b ) 所示， 其光输出的轨迹已产生变化，反观无声共振时的图2 6 一( a ) ，其光输出则呈现稳定的状 态。 ( a ) 稳定电弧嘞扰动电弧 图2 5 灯管电弧状态示意图 ( a ) 光输出稳定( b ) 光输i _ 5 不稳定 图2 6 灯管光输山状态示意图 此外，电弧管的相对位置的改变会引起冷端位置和温度分布发生变化，从而致使灯 在不同方位燃点时的明显光输出的差异【1 8 】，同时也造成灯泡额定寿命上的不同【2 2 j ，示意 一1 4 北方工业大学硕士学位论文 图如图2 7 所示。灯在水平燃点时会使灯管产生电弧的弧柱弯曲，电弧管上下管壁温差 较大( 这是由于电弧温度和管壁附近气体温度不同产生一定浮力造成的) 。对于垂直燃 点的灯，其电弧管的温度差较小，故垂直燃点的灯光通输出一般高于水平燃点时灯的光 通量输出。以上这种性能，使人们在评估灯光特性时遇到困难，因此在测定灯光参数时 应指明灯是什么燃点位置。在使用中要想满足一定要求( 例如有的场合要求光通均匀、 光色一致性好) ，更要规定灯的燃点位置。对于用户特定要求的燃点位置，设计者可专 门进行电弧管设计。一般表明任意燃点的灯泡的额定寿命都是指在垂直燃点位置。 五；奄 r 、ljj ( a ) 垂直燃点( b ) 水平燃点 图2 7 不同燃点的灯的电弧状态示意图 2 5 声共振现象之电气特i l 生 2 5 1 电流波形对灯管瞬时功率之影响 常用的金属卤化物灯驱动方式可大概分为正弦波电流驱动与方波电流驱动两种。本 文也将以方波电流驱动方式来探讨声共振现象，以可更精确掌握声共振的相关特性。图 2 8 为不同电流驱动的灯管电压、电流与瞬时功率示意图，图2 8 ( a ) 为正弦波电流驱 动，由于灯管瞬时功率会随着灯管电压、电流的乘积而变化，波谷则低至零功率，此种 剧烈变动的功率波，对声共振的发生似乎有推波助澜的效果，因此容易使灯管发生声共 振的情沉。这在实验中得到了验证，同样的条件用方波电流即可稳定驱动。图2 8 m ) 为 理想方波电流驱动，理想的方波电流波形会使灯管功率固定不随时间变化，几乎成为水 平静止的直流波形，由于不含任何的高频谐波，使得方波电流驱动下的金属卤化物灯， 其灯管内的功率波相当地稳定，这样即可完全避免声共振的发生，图中灯管电压与