（电力电子与电力传动专业论文）高功率因数高低压钠灯电子镇流器的研制.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，e c n o m i ce x p a n da n de n e r g yt e n s i t y , t h e p e o p l ei n c r e a s i n g l yn e e dh i g hp o w e rf a c t o re l e c t r o n i cb a l l a s tw h i c hc a ns a v e e n e r g y ，d e c r e a s ec o s ta n di m p r o v el i g h t i n gc o n d i t i o n ，a tt h es a m et i m ee l e c t r i c l i g h t i n gn e e d st h en e wp o w e re l e c t r i ct e c h n o l o g y s oi tw i l lb e c o m es y m b o lo f s o c i e t yp r o g r e s st od e v e l o ph p s l p sh i g hp o w e r f a c t o re l e c t r o n i cb a l l a s tw i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r e e n n e s s ，h i g hl u m i n o u se f f i c i e n c y ，l o n gl i f e ，g o o d c o l o u rr e n d e r i n ga n ds oo n h i g hp r e s s u r es o d i u m ( h p s ) h a st h eh i g h t e s t l u m i n o u se f f i c i e n c ya m o n gh i g hi n t e n s i t yl i g h t i n gs o u r c e s ，a n da l s oh a sl o n g l i f e 、g o o dc o l o u ra n ds t r o n gr a yp e n e t r a b i l i t y ，e t c i th a sb e e nt h ep r e e m i n e n c e r e p r e s e n t a t i v ei nt h et h i r dg e n e r a t i o nl i g h t i n gs o u r c e a n dt h a tl o w p r e s s u r e s o d i u m ( l p s ) h a st h eh i g h t e s tl u m i n o u se f f i c i e n c ya n dl o n gl i f ea m o n gt h e l i g h t i n gs o u r c e s ，s oi t w a sh a p p i l ya c c e p t e db ym o r ea n d m o r ep e o p l e t h e h p s l p st h e o r ya n dc h a r a c t e r i sw a sa m y l a s e d ，t h es u i t e dh i g hp o w e rf a c t o r e l e c t r o n i cb a l l a s tw a sd e v e l o p e d ，an e ww a yt or e s t r a i ns o u n dr e s o n a n c ea n dn e w i g n i t i n gs t r u c t u r ew a sp u tf o r w o r d d e t a i l e da c a d e m i ca n a l y s ef o rt h ei n v o l v e d t e c h n o l o g yo fe l e c t r o n i cb a l l a s t ，s u mu pa n dp r o s p e c to ft h er e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h e f u t u r ew a sg i v e ni nt h ep a p e r p r i m a r yr e s e a r c hc o n t e n t sa b o u te l e c t r o n i cb a l l a s ta r e a sf o l l o w s ： 1 s o m ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n sb e t w e e nd i f f e r e n tt o p o l o g ys t r u c t u r e so f h p se l e c t r o n i cb a l l a s ta n dl p se l e c t r o n i cb a l l a s t ，a n dc a p a b i l i t i e sa n ds p e c i a l t i e s ， 2 。t os o m es t u d i e so nt h es o u n dl 燃o n r r c em e c h a n i s mo fh p s ，p u t t i n g f o r w a r do n en e ws c h e m et oa v o i ds o u n dr e s o n a n c eo f l i p st h r o u g hc o m p a r i n g 3 p u t t i n gf o r w a r dt w od i f f e r e n ti g n i t ec i r c u i ta i m e da td i f f e r e n tt r a i t so f t h eh p s l p s ，a n dg i v i n gd e t a i l e dd i s c u s sf o re a c ht h e o r y , n o v e lh p si ni g n i t e c i r c u i t 4 d e t a i l e di l l u s t r a t i o nf o rt h et h e o r yo fa c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n c i r c u i t r ya n dp a r a r n e t e ra c c o u n ta i m e da t4 0 0 wh p s 5 s o m ed i f i e n tn e c e s s a r yp r o t e c t i v em e a s u r e ss u c ha so v e rv o l t a g e ，o v e rh e a t ， o v e rc u r r e n t ，o p e nf i l a m e n ta n ds h o r tc i r c u i te t cf o rh p sa n dl p s ， 6 d e v e l o p i n gc o m m e r c i a lh p s l p se l e c t r o n i cb a l l a s t ，a n do p t i m i z i n g t e c h n i c sa n dl a y o u t ，s o l v i n gh e a ta n ds c a t t e rh e a t k e y w o r d s ： h i g hp r e s s u r es o d i u m ，l o wp r e s s u r es o d i u m ，e l e c t r o n i cb a l l a s t ，p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ，s o u n dr e s o n a n c e 图l 一1 图1 - 2 图1 0 图2 1 圈22 图23 图2 - - 4 图25 圈3 1 | 墨| 3 2 图3 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 - - 9 图5 - - i 图5 * 2 图5 - - 3 图54 图5 5 圈5 - - 6 圈5 - - 7 图5 - - 8 图5 - - 9 图5i o 圉5l i 幽5 1 2 图51 3 图51 4 图5 1 5 图5 一1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 一1 9 图5 2 0 图5 2 i 插图清单 不同电光源光效对比图1 放电灯电压一电流特性曲线8 弧光放电负阻特性1 0 低压钠灯示意图1 2 典型低压钠灯的启动特性1 3 低压钠灯电子启动器1 5 高压钠灯的启动特性1 6 高压钠灯镇流器四边形特征曲线1 8 4 0 0 w 电子镇流器整体结构图2 0 三级式电子镇流器框图2 1 两级式的电子镇流器框图 2 2 电磁干扰和整流电路设计2 3 b o o s ta p f c 原理图2 6 a p f c 不同控制方法的电流电压波形一2 7 临界断续导电模式2 8 b o o s t 型电路基本原理图2 9 临界断续不定频率导通模式m o s f e t 驱动波形3 0 f a n 7 5 2 7 b 的内部结构框图 3 l 基于f a n 7 5 2 8 ba p f c 控制环设计3 2 升压电感l p 电流波形示意图3 3 推挽逆变电路一3 3 半桥逆变电路3 8 全桥逆变电路3 8 半桥逆变主电路4 0 启动等效电路 4 0 i r 2 1 5 3 的方框图4 3 低压钠灯的逆变电路原理图4 4 l c 谐振变换器基本电路4 5 l c 谐振变换器的交流等效电路4 5 灯电压增益和串联谐振频率比的关系4 7 异常保护电路i 波形图4 8 异常保护电路2 波形图5 0 低压钠灯启动波形图5 0 低压钠灯正常工作电压电流波形图5 0 半桥高频逆变电路5 i s g 3 5 2 5 a 管脚图5 2 半桥驱动电路5 2 可变频率控制示意图一5 3 h p s 启动电路 5 4 h p s 启动后封锁电路 5 5 开路和短路保护电路图5 6 图5 - - 2 2 图52 3 图5 2 4 图5 - - 2 6 图5 2 7 图5 2 8 图5 2 9 过流保护原理图 5 7 h p s 启动波形图5 8 h p s 一分钟后启动波形图5 7 高压钠灯正常工作时电网电压电流输入波形5 8 高压钠灯启动电压波形 5 8 高压钠灯正常工作的电压电流输出波形5 9 高乐钠灯正常工作的电压电流输出波形5 9 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 碘究成栗。握我获知，除了文中特j ；l i d i ：i 以标注和致谢的地方终，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得一 盒型王些盍堂 或其他教囊机构的学位或证书而使用过的材料。1o 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。 学位论文作者签名 移酝签字蹶谢年- z 月( h 学位论文版权使用授权书 本学能淦文作者完全了解佥兰些态堂有关保髫、使用学位论文舱规定， 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。本人授权盒胆兰些太鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 效据痒遗行检索，可潋采用影印、缩印或扫攥等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者鹳：巧秽否 签字门期：沙存z 月善霸 学位论文作者中业后去向： 工俸单谴： 通讯地址： 导师繇知敖 p 。 签字r 瀚：彩年善月多目 电话： 邮编： 致谢 转眼问，三年的研究生生活即将结束，回顾在能源所学潮的日f j 夜夜， 燃长豹蓑心和露学的帮勋搜我约学业戆够顺利完成，在姥论文聪稳嚣印之 际，我要对他们的关心和帮助表达我由衷地感谢。 首先我要感谢我的导颊苏建徽教授。在整整三年的学习、科研过程中， 苏老师为我提供丰富的实践机会和良好的实验条件，正是在苏老师的无私 帮助和精心指导下，使我的课题研究能够顺利进行，并取得较大成果。在 论文的写作过程中苏老筛也给予了很大的帮韵和关心。苏老筛治学严谨、 知识渊博、诲人不倦，待人诚恳，在学术和为人上都为我做出了榜样。在 藏，任僻表示都无法表运我对稳静感谢。 我述要感谢张国荣老师和茆美琴老师，在整个的学习和课题研究过程 中，镌稻在缀多方瑟给予了我关心帮帮勃，必漾蔻懿黻蠢送行骰凄缀大贡 献。在论文的撰写过程中，他们也为我提供了很多资料和修改建议。为此， 我要对稳稻表这我最涤瓣瀣意l 能源敷戆桎霉芳、涟海宁、潮熬、搴圭蒸、 张健老师对我的毕业论文的完成给予徽多的帮助，在此，对他们也袭示衷 ，妇的感谢。 我还要感谢能源所的几位研究生附学，他们是博士生鞠洪新，硕士生 贺文涛、公平、粱海涛、陈林、潘江溅、吴敏、刘宁、杨向真、李颖、阮 辩义等，他们谯我的研究生的学习生活中，墩给予了我很多帮助，和他们 一起相处的日子浅将终生难忘! 最稻，我要感谢辛勤养育我的父蹲和关心我的亲久们，铯f f 的支持是 我人生路上前进的动力! 作者：李桂臣 2 0 0 6 年5 胄1 0 曰 1 ，1 电光源鹣发展历程 第一章绪论 电光源建指将电能转换为光髓的器件或装羲。广泛用于日常照鞠、工农业生 产、国防和科研等。人类对电光源的研究始1 8 世纪末。1 9 世纪初，英国的h 戴维发明碳弧灯。1 8 7 9 年，美圜的t a 爱迪生发明了具有实用价值的碳丝白炽 灯，使入炎从漫长的火光照明进入电气照明时代。1 9 0 7 年采用拉制的钨丝作为 自炽体。1 9 1 2 年，美国麴i 。麓缪尔等人对充气白炽灯送行研究，提薅了叁炽薄 懿发光效黎并延长了寿余，扩大了自炽汀应蘑范溺。2 整纪3 0 年代裙，低压镳 灯研制成功。1 9 3 8 年，欧洲和美国研制出荧光灯，发光效率和寿命均为白炽灯 的3 倍以上，这是电光源技术的一大突破。4 0 年代高压汞灯进入实用阶段。5 0 年代末，体积和光衰减量极小的卤钨灯问世，改交了热辐射光源技术谶展滞缓的 状态，这怒媳光源技术的又一黧大突破。年代开发了金羁卤化物灯嗣赢蓬钠 嚣，箕发必效率远亵于衰基泵疼。鞠年代密魂了鬃警径紧凑登节戆荧怒蠢、枣 功率高压钠灯和小功率金属螽化物灯，使电光源进入i ，j 、型化、节优和电子化 的新时期。1 1 一 v 校 絮 螽露 i l 1 2 5 瓣匕金圃 灯 荧光| 灯| 汞玎 2 5 爿 圈l 一1不同电光源毙散对比图 电光源般可分为照明光源和辐射光源两大必。照明光源是以照明为目的， 辐射出主鼹为人眼视觉的可见光谱( 波长3 8 0 7 8 0 纳米) 的电光源，旗舰格品 种繁多，功率从0 1 瓦到2 0 千瓦，产量占电光源总产量的9 5 以上。辐射光源 是不以爨明为嚣豹，能辐射大豢紫卦光谱( 1 3 8 0 续寒) 秘红乡 毙谗( 7 8 0 i 1 0 8 缡米) 静电蠢源，它奄貉紫多 光源、鲤努巍潦籁菲照鹱蹋兹可燕党源。竣 上两大黉光源均为非相干光源。此外还有一类相干光源，它通过激发态粒子在受 激辐射作用下发光，输出光波波长从短波紫外直到逡红外，这种光源称为激光光 源。 啪啪 嵫瑚瑚婺# 照明光源品种很多，按发光形式分为热辐射光源、气体放电光源和电致发光 光源3 类。热辐射光源。电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的光源。 包括白炽灯和卤钨灯两种。气体放电光源。电流流经气体或金属蒸气，使之产 生气体放电而发光的光源。气体放电有弧光放电和辉光放电两种，放电电压有低 气压、高气压和超高气压3 种。弧光放电光源包括：荧光灯、低压钠灯等低气 压气体放电灯，高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯等高强度气体放电灯，超高 压汞灯等超高压气体放电灯，以及碳弧灯、氙灯、某些光谱光源等放电气压跨度 较大的气体放电灯。辉光放电光源包括利用负辉区辉光放电的辉光指示光源和利 用正柱区辉光放电的霓虹灯，二者均为低气压放电灯；此外还包括某些光谱光源。 电致发光光源。在电场作用下，使固体物质发光的光源。它将电能直接转变为 光能，包括场致发光光源和发光二极管两种。 电光源主要性能指标有6 项：光量特性指标。包括总光通量、亮度、光强、 紫外线量和热辐射量等。光色特性指标。包括光色、色温、显色性、色度和光 谱分布等。电气特性指标。包括消耗功率、灯电压、灯电流、启动特性和干扰 噪声等。机械特性。包括几何尺寸、灯结构和灯头等。经济特性。包括发光 效率、寿命、价格和电费等。心理特性。 为了提高灯的发光效率，开发体积小的高效节能光源，改善电光源的显色 性，延长其寿命。具体途径是开发研制新型材料、采用新工艺以及进一步研究新 的发光机理、开发新型电光源；而最为现实的途径则是改进现有电光源的制造技 术，采用新型的、自动化性能好的生产设各。如图卜1 不同电光源光效对比图， 由图可以看出，低压钠灯的光效是最高的，可以达到2 0 0 1 m w ；其次是高压钠灯 光效可达1 4 0 1 m w ，它在高强度气体放电灯中光效是最高的。“1 1 2 课题背景和意义 从1 9 7 2 年发生第一次石油危机以来，节能问题日益被世界各国所关注，并 且促使许多国家都制定了各种形式的“节能法”以对能源的使用方法、消耗限度 加以约束。1 9 9 2 年在巴西召开的“地球高级会议”更使全球的瞩目焦点汇集到 了能源与环境问题上。据权威组织统计，日前全世界范围内的电力消耗中，照明 用电大约占总发电量的2 0 。 就我国而言，1 9 9 5 年照明用电约为1 0 0 0 万千瓦时，占当年总发电量的1 0 ， 估计到2 0 1 0 年将会达到1 亿千瓦时以上。照明用电的迅速增加，不但要增加大 量的电力投资，牵制国民经济的发展，而且还会产生大量的污染。就此提出的“中 国绿色照明工程”是国家经贸委会同国家计委、科技部、原国家质量技术监督局 等1 3 个部门，在“九五”期间共同组织实施的一项旨在节约电能、保护环境、 改善照明质量的重点节能示范工程。自1 9 9 6 年国家经贸委印发中国绿色照明 工程实施方寨l 奠来，绿色照明工程的实施取褥了孵艇的社会和经济效虢。特别 是近几年，油价上涨，使节能和开发新能源的呼声越来越高。“1 节约能源的紧迫感使许多公司致力于节能光源和荧光灯、高强度气体放电灯 电子镇流器的研究。由于电工技术、电光源技术、微电子技术突飞猛迸发展，备 耱大功率开关器 争不錾涌瑗，键逑了电子镇滚器囊麓毽戆，裹可煮牲及低徐经方 彝发震。 本课题以广泛使用的较大功率的高低压钠灯作为被控对象，通过开发与其配 套的高功率因数电子镇流器，遮到节约能源、降低成本、改善照明环境和实现照 明向新能源发展为目的。 1 。3 镶滚器瓣发震茨程 1 3 1 电黪镇流器 高低联钠灯必须和镇流器拥串联才能稳定工作。为减小在限流元件中的能量 损耗，褰添镳灯一羧采震澄耗露凌萌搴不多豹邀抗瞧元磐一毫感终镇滚器。电感 镇流器斡优点霆可靠性较离，使耀寿命较长。毽楚这秘采用大电感镇滚的照明系 统不可避免的具有以下几个缺点： ( 1 ) 功率因数低：一般为0 4 左右，这种照明系统的大量使用增加了电网的无 功负担。 ( 2 ) 薰爨大、体积大、损耗大、噪音大：一般交流供电系统豹频率只卷几十 赫兹，嚣鎏圭激惫感等无添元终稳裁旋镶滚器在王菝f 要筵弱有效兹陵流效莱藏要 有较大的元件标称值，同时也会有较大的体积。而且在工频交流供电的情况下， 电感产生的电磁振荡是人耳可以听到的，这就形成了电感式镇流器所特肖的工频 噪声。另外，一般情况高压钠灯灯电感镇流器的损耗为灯功率的2 0 左右，对于 较大规格的高压钠灯灯照明系绕，也是不容忽视的阏题。 ( 3 ) 功率稳定淫差：电溺惫蕊交往辩，功率交化大。 鉴于上述电感镇流一- - h i d 灯照明系统存在静诸多缺点，这种怒鞠系统邑不 能满足人们黼质量的用电要求。1 1 3 2 电予镇流器 1 。3 。2 。1 漱予镶流器戆惹澡 早在5 0 年代，有人就针对电感镇流器存在的一魃弊端，开始了对其改进的研 究，并提出了采用电子镇流器的设想。1 9 6 3 年，r o d d a m 宅e 晶体管变流器与换能 器一书中，首次发表了荧光灯交流电子镇流器具体电路，并进行了详细的分析 和讨论。只是由于当时没有可供选择的功率开关晶体管，r o d d a m 的设计方案并 未得到实施。 在2 0 世纪7 0 年代出现了世界性的能源危机，导致了许多公司致力于新型节 能电光源及荧光灯交流电子镇流器的研究。半导体技术的日新月异的飞速发展， 各种作为开关使用的高反压功率器件不断出现，为交流电子镇流器的产生提供了 前提条件。7 0 年代末，荷兰飞利浦等公司率先研制成功了荧光灯交流电子镇流 器，这是照明电器发展史上的一项重大创新。进入9 0 年代，人们开始致力于将 电子镇流器推广到高强度气体放电灯领域。 由于高频电子镇流器较之工频电感镇流器具有一系列优点，故自其问世之 后，在世界范围内尤其是在一些工业发达国家中迅速得到推广应用。 1 3 2 2 电子镇流器的发展 最初的荧光灯电子镇流器研究只是基于一种简单的设想：因为电感式镇流器 “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以及镇流 器中的电磁振荡会产生噪音污染，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使高频振荡所产生的噪声高于人耳可感知的听觉频段 ( 低于1 8 k h z ) ，同时放电灯在较高的频率下工作会有更高的光效( 普通直管型 荧光灯可以提高1 0 2 0 ) ，低频频闪问题在高频下也能得到妥善的解决。 今天的电子镇流器技术仍然从本质上体现着这一简单的思想，只是随着相关 学科( 电工技术、电光源技术、微电子技术等) 的不断发展，在实现形式和研究深 度上都有了很大的进步。目前，电子镇流器技术研究主要是围绕提高照明质量、 改善照明环境、减少电力污染等几个方面展开的。 如果从时间上划分，电子镇流器的发展还可以分以下三个阶段： 第一阶段是8 0 年代中期到9 0 年代初期。这期间，电力电子技术由低频向高 频发展，a p f c ( 有源功率因数校正) 也开始起步，电子镇流器的优缺点开始显现出 来。这一阶段电子镇流器的主要特征是： ( 1 ) 镇流器的输入端采用不可控整流和大电容( 或不用电容) 滤波，输入电流 波形严重畸变，当大量使用时，会造成中线电流增加，严重时会引起镇流器大量 损坏甚至造成火灾。 ( 2 ) 采用“逐流”无源滤波技术，使得功率因数大于0 9 ，总谐波畸变t h a 。 低于3 0 。但是9 次谐波的波峰系数秘2 ，超过标准。有人把采用这种“逐流” 无源滤波技术的电子镇流器称为第二代电子镇流器。 第二阶段是9 0 年代初期到9 0 年代中期这期间，由于a p f c 技术已成熟，并 推出了相关专用集成芯片。电子镇流器电路主要采用两级功率变换，第一级采用 a p f c ( 常用b o o s t 型p f c 电路) ，第二级采用功率d c a c 逆变。人们常将采用这种 技术的电子镇流器称为第三代电子镇流器。由于它采用了p f c 技术，所以功率因 数可达0 9 9 ，t h d 及各次谐波指标均能满足要求，控制技术已较为成熟。但是这 种电子镇流器采取了两级高频功率变换，所以整机效率在8 0 一9 0 ，同时电路复 杂，成本高，一时难于大范围推广。 第三阶段是典型电路采用单级多功能的电子镇流器，发展方向主要有： ( 1 ) c u k 提出的单功率级电子镇流器。其典型的拓扑结构有t s a i f uw u 等 研究者提出的b u c k b o o s t 变换与半桥谐振逆变结合的电子镇流器拓扑结构，这 种电路结构简单，元件数量减少，成本降低，但功率器件上的应力增加，通过占 空比的调节一定程度上可降低其应力。 ( 2 ) 美国v i r g i n i a 电力电子中心的研究者提出的高频能量反馈式电荷泵电 路，这一类结构的镇流器主要有电流控制型电荷泵结构和电压控制型电荷泵结 构。主要指标可达：功率因数大于0 9 9 ，t h d 小于7 ，c f 低于1 6 。 单级电子镇流器由于元件数量减少，成本可大大降低，这是作为产品推广的 关键。但由于p f c 电路与负载电路关联，使电路的设计复杂化。因此，寻找单级 电子镇流器系统、可行的设计方法，成为电子镇流器设计的关键。“1 总之，电子镇流器是电力电子高频化应用中的一个典型产品，许多电力电子 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，以提高其可靠性和改善其性能。 1 3 2 3 高低压钠灯对电子镇流器的要求 高低压钠灯电子镇流器的思想源于荧光灯电子镇流器，低压钠灯电子镇流器 与荧光灯电子镇流器思想类似；但是高压钠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“声共振”现象；三是热灯难易启动( 或者说需要比 冷灯高得多的启动电压) 。因此，用普通荧光灯电子镇流器去燃点同样功率的高 压钠灯电子镇流器并不合适。根据钠灯的特点，对电子镇流器提出以下几项具体 要求： ( 1 ) 给灯的两电极间提供足够高的启动电压，使灯正常点火。通常低压钠灯 的启动电压低于1 5 0 0 v ；而高压钠灯的启动电压为2 4 k v 。 ( 2 ) 在钠灯点火进入稳态工作后，应确保灯能稳定工作，要为灯提供一个大 小合适且稳定的工作电流。电子镇流器的输出功率、旌加于灯两端的电压和灯的 实际工作电流必须与配接的灯参数相匹配。 ( 3 ) 必须将电流谐波含量控制在标准规定限定值以内，以防止对电网造成严 重污染，并获得高功率因数。 ( 4 ) 必须具备较高的安全性和可靠性。 对高压钠灯电子镇流器的一些特殊要求如下： 1 ) 由于高压钠灯蒸气压强大，启辉电压较高，必须提供2 4 k v 且具足够能 量的启动电压来启动灯。 2 ) 由于高压钠灯蒸气压强和功率都较大，点燃过程中灯电压变化范围大， 镇流器必须能适应。 3 ) 由于放电电流密度大，镇流器应有较强的恒功率能力，能保证放电电弧 稳定。 4 ) 由于高压钠灯电流大、电压高、温升高且热反馈强，镇流器应与灯特性 匹配，以保证灯的最佳运行和寿命。 5 ) 保护功能应安全可靠。 以上几点概括了钠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 1 4 钠灯电子镇流器的关键技术 1 4 1 电子镇流器的有源功率因数技术 本章所讨论的有源因数功率校正电路( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n c i r c u i t r ya p f c ) 的优点很多的。它能使输入电流的平均值基本上按输入电压的 正弦波形变化，功率因数可以达到0 9 9 左右，输入电流的总谐波失真t h d 8 0 。另 一个重要特点是色温提高到2 5 0 0 k 以上，十分接近于白炽灯。因而，它具有暖 白色的色调，显色性高，对美化城市、美化环境有着很大的作用。这种灯可用于 商业照明以及高档商品( 如黄金首饰、珠宝、珍贵皮货等) 的照明，而且节能效果 十分显著。 2 ) 常用高压钠灯的技术数据 表2 2 给出了常用各种规格高压钠灯的一些技术数据： 功率( w ) 3 65 0 7 0 1 0 0 l $ o 2 5 04 0 0 1 0 0 0 灯毫毯v8 58 59 21 0 01 0 0 1 0 01 8 51 0 5 灯电流a0 5 d 0 t 5 1 0 01 21 8 3 04 4 51 0 3 受效l 嚣 5 6 6 8 3 9 59 71 8 2 1 2 8 1 3 8 平均寿命h 1 6 0 0 0 2 4 0 0 0 2 4 0 0 0 2 4 0 0 02 4 0 0 0强0 0 02 4 0 0 02 4 0 0 0 l l 喹僵启动魂压x v 2 3 2 。32 02 34 。54 。554 。5 2 3 高压钠灯的镇流 在灯毒愈鬻内，链汞静瀵发及英成分魄铡熬交琵褥影羲衰基镶嚣懿奄褥 丕， 也即是说，在工作点上的电特征将发生变化；另外，灯和镇流器的生产也存在着 容许范围，灯嫩的特性对灯的电特性也有着影响。由于这些因素，骚对高压钠灯 粒镇滚器熬特筏热 冀特殊熬敝铡，也鄂是黉给定一个工佟点灯鄹镇漉器特征 斑线的交点所允许存在的区域。这个送域是一个溺透形。 4 7 5 4 0 0 2 8 0 o 图2 - 5 高压钠灯镇流器四边形特征曲线 与高压汞灯不同，对搿逛钠灯，当灯功率变化时，灯电压的交化相当大， 狳了￥一p 关系外，高压钠灯还有一个在垮命期内灯奄压大大上蠢静特点，峦予 这些因素，对于一个给定的商压钠灯，可以用v _ p 网中的梯形来限定灯功率和 灯电压的允许变化范围，如图2 5 所示。图中，最大灯功率线是灯具有合理的 痊愈秘走遥绫撩特性掰龛 謦蠢熬最大功率；最小灯功奉线是灯能提供合理| 黪光簸 蹈和满意的澄升时间所允许有的最小功率。表2 3 徐出了高压钠灯功率的允诲 1 8 范围。 在灯的寿命期内，灯电压会上升。于是，图2 - 5 中的灯的v p 特征曲线将自 左向右移动。当灯电压上升到镇流器所提供的电压不再能够维持灯燃点的某一点 时，灯将熄灭。待其冷却下来后，将重复温升一熄灭一冷却一再启动的循环，直 至电源被切断。对于4 0 0 w 高压钠灯，1 4 0 v 是灯能稳定工作的最高工作电压点。 工作时电压为1 4 0 v 的4 0 0 w 高压钠灯工作在4 7 5 w 时电压为1 5 1 v ：工作在2 8 0 w 时 电压为1 2 2 7 。这些点也大致落在 p 平面内的一条直线上，该曲线定义了四边 形的右边，称为最大灯电压曲线。最大灯电压选的高时，系统将具有钠灯电流小、 镇流器功率损耗小的优点；但不能选得太高，以免因电压上升的余量过小而导致 灯寿命的缩短。”“8 “”“ 表2 3 高压钠灯功率的允许范围； 动率( w )最小值 最大值 7 05 0 7 l9 01 2 9 1 5 0 1 0 5 7 0 1 8 0 1 2 0 2 0 01 4 07 02 5 0 1 2 5 2 5 0 1 7 5 7 0 3 5 0 1 4 0 4 0 0 2 8 0 7 04 7 5 1 1 9 第三章电子镇澈器静结构及控制方法 3 。1 嘏子镶滚瓣瓣缝稳槎溪 电路原理框图如图3 1 所示。主电路分为两级，第一级为熬流及a p f c ( 有 源功率因数校曩三瞧路) ，蘩二缀为齑频逆交宅鼹。可馥羲蠢，毫予镶流器实袋上 是一个典型的a c d c a c 变换电路。 鞠3 14 0 0 w 电子镁溅器整体绩摘强 e m i 滤波电路主要抑制来自电网的电磁干扰，同时对电子镇流器本身 产生的电磁干扰起衰减作用，以保证不对融网造成污染，从澈达到电磁兼 容( e 赫e ) 酶霹的。 熬流是把电网正弦交流电经蹩流桥转换为直流电；而通道a p f c 的升 压电路恕直流魄丹到4 0 0 v d c ，同辩憩蠖进线电流接邀正弦波，从两提麓功 率因数。 邀变电路是电子镇流器的核心部分。将稳定的4 0 0 v d c 进行逆变成高 菝夔纛渡方波供绘由强弱藏匿键磐爱残夔翊络，凌灯蔽竞稳定。 控制和驱动电路用于按要求产生和调节一系列p w m 控制脉冲来控制功 率开必管的导邋和关断，同时也灾现对电子镇流器的各种保护。 辅韵毫源楚用于产夔控裁鞍保护电路审有漂蕊片所需的低压壹滚供 电电源。 触发启动郝分的作髑是提供给高压钠灯启动时所需的溪德达数予饫， 宽度只有数微秒的脉渖信号，其也有强弱倍号的隔离和兼有程异常状态下 ( 如瞬间停电) 再触发启动的功熊。 3 2 漱予镇流器的控制方法 d 纛镳灯电予镇渡器辍域豹磅巍孛，毒诲多瑟兹撬拎缝擒秘控裁方法不 叛出瑷。虽然蠢不同的设诗方案，结搀上巍会有所变化，毽主要戆缝橡可 归纳为三种： 第一种结构是由三级变换器组成，第一级是功率因数校正( p f c ) ，第 二级莱璃d c d c 交换嚣，第三级冀全臻遂交辕窭低叛方渡( d c a c ) 。三级 式的电子镇流器主要思想是使电予镇流器工作在高频状态下，用低频恒流 源来崴接驱动钠灯，灯能够稳定工作，无需电感镇流器。镇流器的结构框 图觅鬻3 2 蕨示。 这种三级式的电子镇流器的主要特点悬：前一级是经过熬流的市电通 过b o o s t 结构的升压电路，使电予镇流器的功率因数褥到提高，输入嘏流 谐波大大降低，电磁兼容性也明鬣提高；采用适当的控制策略，使中阀缀 的b u c k 电路成为一种功率可调的恒流源；后面的方波逆变器就工作在低 频方式下，一般是1 0 0 t 5 0 0 h z 志右，嚣戆是避免镳懿工终褒轰渡狭态下 影响灯的寿命，同时避免了声共振现象发生。三级式结构中的第二级b u c k 电路和第三级方波逆变构成了这种结构的核心，它们相当于圈3 1 所示 懿一羧缝结梅中鹣遂交( 菇频变羧) 缓。u n i t r o d e 公司于1 9 9 6 年蘩爨了 低频恒工作方式的h i d 灯电予镇流器的控制芯片u c 2 3 3 0 5 。u c 2 3 3 0 5 的 主要功能是完成对b o o s tp f c 级、b u c k 恒流级和方波逆变级的主开关的控 稍。u c 2 3 3 0 5 麓目前应用最广泛的h i d 汀魄子镇流嚣专用集成芯片，这也 从一个侧面反映了低频悔流源驱动的h i d 灯是目前最为成功的方式。 假楚，这秘方寨有缀多不足。从图3 2 中可以簿出，它鬟要三级功率 变换嵇，在整个系统能鬃流中，遗成整个电子镇流嚣的能效眈大大降低， 而且熬个电子镇流器至少需要6 个功率开关器件、2 个功率二极管和3 个 按翱疆凌i c ( 麴髑u c 2 3 3 0 5 一令就霹敬，整是泰璐俊缀毫) ，艨叛戎零主 没有任何优势；同时三级变换器的驱动控制比较复杂。最重臻的是h i d 灯 工作谯低频下，其光效，寿命等性能都不如工作在高频下的h i d 灯。 图3 - 2 三缴式电予镇流器框图 第二种钠灯的电子镇流器拓扑弥补了三级式电子镇流器的些缺点， 使电子镶流嚣鞍镳灯都工作在毫颖状态下，电子镇流器静结襁魏圈3 3 所示。采用这种二级式的电子镇流器结构，前一级仍然是b o o s t 结构的功 率因数校正电路；后一级则是高频攘式逆变电路，通过选择适墨谐振鄹路， 流过钠灯为高频的电流，这样使电子镇流器的效率得到提高，也使电路简 单化，而且体现一定的成本优势。 图3 3 两级式的电子镇流器框图 这种二级式的电子镇流器结构使电子镇流器的性能得到提高，但也带 来了一些问题，如高频下高压钠灯的声共振问题，高频下的逆变器的损耗。 二级式的电子镇流器是当前电子镇流器研究的热点，也是很有前途的一种 结构。本课题采用的就是这种二级式的结构拓扑，具体的解决方案将在文 中讨论。 第三种电子镇流器的拓扑是单级的高功率因数变换电子镇流器。这种 体现兼容思想的拓扑结构是在b u c k b o o s t 变换器和半桥谐振变换器的基础 上衍生而来的。2 0 0 3 年，西班牙奥维耶多大学的j m a r c o sa 1 0 n s o 等人 优化了这种方法，并提出了相关变异的拓扑结构，使这种单级的电子镇流 器的设计有了系统的方法。 但是这种单功率级电子镇流器也有其不足，由于其工作在电流断续 模式( d c m ) ，所以只对较小功率的气体放电灯比较合适，在制作较大功率 气体放电灯的镇流器时，功率开关器件的电流脉动很大，使得t h d 将很难 达标，电磁兼容性也会难满足要求，特别是在组建较大的照明系统时，就 尤为明显。所以目前这一拓扑很少大功率化、产品化，还需部分改进提高 其实用性。 本试验采用了两级式的电子镇流器结构，控制简单，采用廉价芯片实现了变 频技术，较好地解决了声共振问题及相应的启动问题。“2 1 第四意电子镇流器豹有澡功率霞数设计与实现 零次实验豹蕙甄压镳灯镇滚嚣郝装瘸5 0 h z 兹单摆交流电珙电，慕级结稳类 似。对于本部分的设计，只把4 0 0 w 高压钠灯作为设计对象，而3 5 w 低压钠灯电 子镇流器的有源功率因数的设计与其思路一致，故省略。 4 1e m i 设计 图4 - 1 电磁干扰年n 整流电路设计 黪锾毫磁予魏( e m i ) ，是蠢魄磁波造减设备、转浚逶遭袋系绕链戆降 低的一种电磁现象。人们常说的射频干扰( r e i ) ，实际上从属于e m i 。目 前电磁干扰的范围和内容不仅仅局限于高频连续波辐射与传导干扰，同时 久翻燮多静考虑各种各榉的电磁躲；孛( e m p ) 懿干魏。东污染和空气澎染 以及电磁干扰所造成的电磁污染，被称为当今人类社会的三大污染源。电 磁污染作为威胁电子瞧气设备安全经济遮行和威胁人类健袋和社会生活 酶“黧客”己西益弓l 超豳际衽会的重视。 目前抑制e m i 的技术措施有屏蔽、接地( 浮地、单点地和接地网) 与 滤波。其中滤波按零是秘翎簧导_ 于挠最奏效帮最经济熬手段。 抗电磁干扰采用了双型滤波器，用于抑制电路的共模和差模信号。 它能防止电子镇流器中的高次谐波干扰电网；同时，还能防止外部用电设 备帮魄嚣对毫予镇滚器瓣于箍。 如图4 1 所示为交流侧有共模、差模抑制干扰作用的滤波器。l o 、l 1 、 c 5 可去除差模予扰外，l 2 、c 9 、c 1 0 可去除共模干扰。l o 、l l 磁心为不易 饱帮的榜质，箕初始磁等率要高。e 5 要选择海瓷奄容或聚乙艏薄膜毫容， 耐压则须考虑输入电压的最大可能值。常见使用0 2 2 0 4 7 u f 。r v 为放 电电阻( 瞧称攫敏电阻，一般为5 1 0 k q 3 。3 m q ) ，塌来瞬孵吸收露凌等 浪涌电压的；c 9 、c i o 的容量一般为2 2 0 0 p f 0 0 2 2 u f ，这熙选择的容量 是2 2 2 k 2 k v 的电容，l 2 0 2 4 0 m h ，具体视电流大小而定。这里选择的 是中2 8 m m 的铁粉芯磁环，国i m m 的导线绕3 0 匝。 遴恕夔滤波器或只龛诲4 0 0 h z 三l 下豹憾叛黄号逶过，对予l k h z 2 0 m h z 之闻戆离频信号其有4 0 1 0 0 d b 懿衰减羹。在设计较大功率静电子镇流器 采用荦级的线型滤波器时，往往就不能荦寻别很好的滤波效果，所以就要使 用2 级组合线型l c 滤波器。但是电子镇流器是一种对成本q 常敏感的产 品，它对降低造价有严格霹求，因此在一般的电子镇流器中，为了经济起 见，1 5 0 w 之下的电子镇瀛器遥常只使用一缀l e 线型滤波器，裙关技术指 标簸霹叛这鬟。 为了减少高频电流待号旁路，电感l 皮具有小的分布奄容，两线圈应 均匀地绕制，两绕组线径相同、匝数相等、极性如图4 1 ，磁芯必须是无 气隙的。磁芯材料应选简频特性良好的材料，如极限频率为1 5 0 m h z 的r i o 型n i z n 铁氧体，磁芯外形选e e 型或者蹙铁粉芯磁环。滤波器中的电容 器疯激矮褰频骛睦良始照隧瓷电骞器或豢鹣薄貘电褰器，惫容器戆连接雩l 线敷尽超短，竣便减，j 、弓| 线电感，雨量其遥选择澄漏电流小静电容。函_ i 逝 设计时应从性能、体积、价格以及安全性统筹考虑。“3 ” 4 2 电子镇流器的有源功率因数校正电路 凄2 。1 瞧子镶滚器戆凌攀因数与慧谐波穗炎 功率因数(