（电气工程专业论文）hid灯原理及其镇流器研制.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p ( h i d ) a r eh i g h e f f i c i e n t w h i t e l i g h t s o u r c e sf o rc o m m o n a l i t ya n ds t r e e tl i g h t i n ga p p l i c a t i o n sw i d e l y ，a n da r e p a r t i c u l a r l yp r e v a l e n ti ns t r e e tl i g h t i n ga p p l i c a t i o n s h i dl a m p s ，am e m b e ro f t h eh i g hh i df a m i l y ，n e e da h i g hs t a r t - u pv o l t a g ea n da n o r m a lv o l t a g ed u r i n g i t sw o r k i n g ，s oh i dn e e dh i g h v o l t a g et r i g g e ra n db a l l a s t h o w e v e r , n o wh i d l a m p sa r en o tp r e v a l e n ti nl i g h t i n ga p p l i c a t i o n sf o ri t sr e l i a b i l i t ya n da c o u s t i c r e s o n a n c e s t h i sp a p e rt a k e sd if f e r e n tk i n d so fp l a s m ae l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya ss t u d y o b j e c t ，a n da n a l y z e st h ea d a p t a b l i t yo ft h e s em o d e l s ，p u te x t r ae f f o r t s t o e x p l o r ez & le l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y a n da n a l y z e dh i dl a m p s d e m a n df o r e l e c t r o n i cb a l l a s ti nd e t a i l t h e p o p _ - t o p i c i nh i d sa n dh i d l a m p s d e m a n df o re l e c t r o n i c b a l a s t i n d e t a l la r ea y a n a l y z e d a f t e rt h a tt h et o p o l o g yo fe l e c t r o n i cb a l l a s to f 2 5 0 wh i dl a m p si sp r o v i d e d ， a c c o r d i n gt ot h et o p o l o g yo fe l e c t r o n i cb a l l a s to f2 5 0 wh i dl a m p s ，t h e d e v e l o p i n gh i g h - f r e q u e n c y3 5w h i de l e c t r o n i cb a l l a s ti sp r o v i d e d ，w h oh a d e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ee l e c t r i cw a v ei sn e a rt oe l e c t r o n i c a f t e ral o n g i - t l n t e s t i n g ，t h et e s tr e s u l t so ft h ed e s i g na r eb a s i c a l l yi nl i n ew i t he x p e c t a t i o n s k e y w o r d s ：h i de 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 s ；p l a s m a e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y ；r e l i a b i l i t y 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江 苏大学可以将本学位论文的全部内容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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口， 在 年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：名薹p o 扯 指导教师签名： y 7 年f 沙j7 日 纠年p 月 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 袜户 门，厶 ：一 孙年 签f 者 崎 作 沙姚 沦刚 位学 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 伴随着中国经济的快速、稳定发展，中国的城市建设进入了一个r 新月异、蓬勃发 展的时期。城市照明、夜景照明作为城市建设的重要组成部分，不仅直接关系人民群众 的生产生活，而且直接关系到城市的形象。它直接反映了一个城市的建设水平和城市风 貌。 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。作为一般照明常用的高强度气体放电( h i g h i n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p ，简称h i d ) 灯有高压汞灯、高压气体灯和合卤灯。1 9 9 1 年被 研发成功以来，以其低功率、高效率、高亮度( 色温4 0 0 0 6 0 0 0 k ) 、长寿命( 3 0 0 0 , 5 0 0 0 h ) 等优异特性，被誉为：“二十一世纪照明革命产品 。由于它所消耗的功率只有 卤素灯的一半，寿命却比卤素灯长了5 倍，因此取代卤素灯是大势所趋，并成为2 1 世 纪新潮流f l i 。 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干家万户。 1 1 电光源原理 1 1 1 电光源的分类与特点 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【2 1 。 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，又称高强度气体放电灯。 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，具有白炽灯 江苏大学工程硕士学位论文 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 d 时1 3 j ，比白炽灯高5 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、高压气体灯( h p s ) ，金属卤化物灯( m h o ，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。 表1 1高强度气体放电灯特性比较 灯类型高压汞灯 高压气体灯金属卤化物灯 碘化钠、碘化铊、碘化 主要填充气体汞蒸气钠蒸气、氙、氪 铟 功率范围 1 0 w 1 0 k w3 5 、v - 1 5 0 1 3 l w1 0 w 1 m w 光效( 流明瓦) 4 0 6 07 0 1 2 56 0 1 2 0 显色指数 2 0 3 03 06 0 9 0 光色淡蓝绿色黄金白色白色 平均寿命( 小时) 5 k 8 k 。2 4 k5 0 0 2 0 k 厂房照明、室内道路、机场、码头 广场、商场、体育场照 主要应用场合明，建筑物泛光及投光 外照明及工矿企业照明 照明 由于高压汞灯光效相对较低、显色性较差且寿命较短，已经逐步为高压气体灯和金 属卤化物灯所代替，而高压气体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，己经成为继白炽灯、荧光灯之后的第三代电光源。 1 1 2 气体放电原理 放电灯的内部主要是一个放电管，用于将电能转换为电磁辐射。放电管由透明或半 透明材料制成，两端是封闭电极，放电管中充满惰性气体或金属蒸气。电极产生的自由 电子被放电管中的电场加速。加速的电子与惰性气体原子碰撞，电子的不同动能决定了 其中既有弹性碰撞又有非弹性碰撞i 4 j 。放电管内部的基本放电过程为： 1 、发热。电子动能较低时，发生弹性碰撞，仅有少部分电子能量传递给气体原子 这种碰撞的结果是气体温度的升高。这种情况下，电能用于产生热耗散。由于放电必须 在理想工作温度下进行，因此发热是非常重要的过程。 2 、气体原子激发。某些电子有较高动能，碰撞传递的能量用于将气体原子中的电 子送入更高能量轨道。这种状况不稳定，电子有恢复其初始能量水平的趋势，这会把吸 收的能量以电辐射的方式稀放。这种辐射直接用于产生可见光。另一种情况是先产生紫 外辐射，然后依靠放电管内壁的磷涂层将其转换为可见光辐射。 3 、气体原子电离。某些情况下，原子聚集了很高的动能，与气体原子的碰撞会稀 江苏大学工程硕士学位论文 放原来属于气体原子的电子，结果就产生了j 下电离子和自由电子。这个自由电子可以起 到电极产生电子相同的作用。由于维持灯中电流需要电离原子与电子，因此该过程对于 放电点火和正常运行都非常重要。放电灯中自由电子的数量可由连续电离迅速增加，产 生无限制的电流，最终短路，根据有关资料及研究表明放电灯一旦稳定工作后表现为： 当电流增加时，电子正离子对产生的速率将高于损失速率，从而使放电不稳定。为 了维持放电的稳定，只有当电流增加时，设法减少电子的电离碰撞次数来减少电离量， 亦即设法降低沿管轴方向的电场强度，而轴向电场强度的降低，意味着管压降的降低。 导致放电产生了放电电流增大而管压降反而减小的负阻特性，若不采取措施，负阻特性 将会使放电无法稳定；为使放电稳定，必须在放电管两端串联稳流( 弧) 装置，使整个系统 为正伏安特性，才能使放电获得稳定的电流和电弧，这种装置被称为镇流器。 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j 下负带电粒子的复合、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。在灯中产生光谱可见光部分辐射的 基本元素为钠和汞，前者产生光谱的可见光部分辐射，后者主要产生紫外线区域的辐射， 这种辐射很容易被放电容器内壁的磷涂层转换为可见光辐射。除采用的元素外，另一个 与辐射效率和丰富程度相关的重要参数就是放电参数就是放电压力，对于钠和汞元素， 在两种压力值下放电放电的光视效能较高。第一种压力很低，约为1 p a ，第二种较高， 约为1 m p a ，这就产生了两种主要类型的放电灯： ( 1 ) 、低压放电灯，这类灯在约1 p a 的压力下运行，放电的电流密度较低，单位放电 长度下功率较低。因此这种灯的放电容器较大，额定功率较低。最有代表性的例子是低 压钠灯和低压汞灯。 ( 2 ) 、高压放电灯。这类灯升高至1 m p a 或更高，以实现放电光视效能的显著增加。 这类放电灯放电电流密度高，单位放电长度功率高，因此放电容器较小。高压气体灯、 高压气体灯和卤化物灯是这类灯的例子。 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【5 j 。电弧的阴极压降值和阳极压降值都很小， 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 o k 以上，而 3 江苏大学工程硕士学位论文 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。也就是既，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f b j 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复合发光( 在本文的第二章有专门的模型描述高压 气体导电率的特性) 。 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 2 高强度气体放电灯( h i d ) 1 2 1h i d 的分类 高强度气体放电灯主要包括高压汞灯、高压气体灯( r p s ) 、金属卤化物灯( m h l ) ， 另外还有一些特种气体放电灯( h i d ) ，如氙气灯、氩气灯等。 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金属蒸气的种类不同，。它们盼放电灯启动过程也是基本相近的，都 4 江苏大学工程硕士学位论文 是通过点火产生弧光并使之稳定的过程。5 5 ； b ，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。 1 2 2h i d 及其启动过程 和绝大多数其他放电灯一样，高压气体灯有负伏安特性，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。高压灯工作过程包括以下几个过程【6 1 ： 启动。因为电弧管内实际上不能装辅助启动电极，高压气体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 - s 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气体原子电离的水平，才能使h i d 灯重 新启动。这个过程大约需3 0 秒的时间，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 i d 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( i e c 6 6 2 ) 对高压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 i d 达到稳定状态。此时灯管温度及电弧腔内 压强相对稳定。 1 3h i d 电子镇流器 1 3 1电子镇流器的起源与发展 镇流器的基本功能是防止电流失控和使灯在它的正常电特性下进行工作。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 p s 灯大多采用电感镇流器。 电感镇流器由铁芯和线圈两部分组成，铁芯用硅钥片叠成，线圈用漆包线绕制。从 外形分，电感镇流器可分为封闭式、半封闭式和敞开式三种：从内部结构可将其分为芯 式租壳式两种；芯式采用双线圈，线圈两端插入口字形铁芯，铁芯中间的空气隙用来调 s 江苏大学工程硕士学位论文 整电感量。壳式采用单线圈，两端插入e 字形铁芯，铁芯中间也有磁隙。由于芯式结构 具有蜂音小、电参数稳定等优点，因此目前工厂生产的日光灯和高压汞灯电感镇流器都 采用芯式结构，然后封入一个金属壳内，以达到防潮和减小镇流器蜂音的目的。 有关资料显示传统电感式镇流器有以下缺点： ( 1 ) 体积大、笨重、消耗大量金属材料； ( 2 ) 电效率在8 0 左右； ( 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9 ( 5 ) 灯的电流波峰比较高为1 8 1 9 ，对灯的寿命不利： ( 6 ) 再点火对灯的寿命有很大的影响。 ( 7 ) 功率因数在o 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。 鉴于上述电感镇流器的缺点，早在5 0 年代就有人丌始研究镇流器，并提出了电子 镇流器的设想：随着电力电子技术的发展，r o d d s a m 于1 9 6 3 年在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， 只是由于当时功率丌关管还没有普遍应用，方案没有实行。 当世界性的能源危机出现时，许多国家及机构开始意识到新型节能电光源电子镇流 器研究的必要性。同时半导体技术的高速发展，各种功率开关器件的不断出现，使电子 镇流器的实现成为可能，到了9 0 年代，由于高速公路的飞速建设，高压气体灯由于自 身优点被广泛应用，因此许多人开始致力于高压气体灯电子镇流器的研究。 最初的高压气体灯电子镇流器研究只是基于一种简单的没想：因为电感式镇流器庞 大的体积带来了安装不便及电磁振荡会产生噪音污染及功率因数低等原因，提高镇流器 的工作频率既可以减小镇流元件体积及又可以使高频振荡所产生的噪音高于人耳可感 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及低频频 闪问题也会在高频下得到妥善解决。因此大家把高压气体灯电子镇流器聚集在高频电子 镇流器上，随着研究工作的深入，途中也碰到了不少麻烦，才发展为现在这种多样化的 状况。表1 2 是高压气体灯电子镇流器与电感式镇流器性能对比，从表中能看出两者的 差异。 6 江苏大学工程硕士学位论文 表1 2 高压气体灯电子镇流器与电感式镇流器性能对比 性能指标电感式镇流器 电子镇流器 启动电流( a ) 5l 工作电流( a ) 2 51 2 灯泡使用寿命 设计寿命的3 0 左右设计寿命的9 0 左右 总耗电量( w ) 5 5 0 2 5 0 谐波总量 3 8 电压适应范围( v ) 2 2 0 士1 01 2 0 2 6 0 功率因数4 5 9 9 节电功率( 有功) 3 0 使用寿命比电感式长2 倍 安全性中线电流大无中线电流 对电网的干扰大 很小 对灯泡冲击大很小 1 3 2h i d 电子镇流器现状 随着相关学科的不断发展，目前h i d 电子镇流器在实现形式及研究深度上都有了 很大的进步，h i d 电子镇流器研究技术主要是围绕提高照明质量、改善照明环境、减少 电力污染及集中控制等方面展开的，并且突出表现在以下几个方面： ( 1 ) 电力电子技术的发展是电子镇流器应用的基础。电力电子技术领域中出现的新 器件、新拓扑结构、新方法不断地被广大电力电子技术人员用来设计新的电子镇流器。 ( 2 ) 微电子技术的巨大进步有力地推动电子镇流器技术的发展。新型高质量的功率 因数及频率波形的镇流器件出现使各种电路实现变得越来越简单，如t l 4 9 4 、s g 3 5 2 5 等芯片的出现使得高频逆变电路部分变得可靠而又简单扼要。 ( 3 ) 功率因数校正技术是实现绿色照明的重要手段。由于电子镇流器同开关电源一 样，需要整流，在正弦电压供电下，电流将严重畸变，产生大量的高次谐波，不仅降低 了功率因数同时也污染了电网。所以国家对电子镇流器的功率因数、谐波含量、畸变率、 e m i 等作出了明确规定。为此必须采用无源或有源滤波电路来消除对电网的污染。近年 来高功率因数芯片的发展使电子镇流器的功率因数大大提高，如m c 3 4 2 6 2 具有完善的 保护功能使p f c 电路变得非常稳定。 ( 4 ) 计算机仿真技术在高性能电子镇流器设计中起到越来越重要的作用。近二十年 来，计算机仿真技术作为c a d 自动化的一个有力工具，己被广泛甩于电办电壬电贼 江苏大学工程硕士学位论文 系统的分析中。由于高压气体灯的启动特性为非线性，使得高压气体灯的启动仿真非常 复杂，目前有许多人已经将高压气体灯的稳态工作仿真，而且仿真结果与实际波形比较 接近，因此应用仿真软件对电子镇流器进行仿真对于电子镇流器的设计工作有一定的好 处【7 1 。 总而言之，电子镇流器是电力电子技术应用中的一个产品，但是由于涉及到光、电、 气体、声、热等许多方面的学科，许多新技术及新方法都可以在电子镇流器中应用，以 提高其可靠性及改善性能，同时可以降低成本使电子镇流器得到广泛的应用。 1 3 3h i d 灯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。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m 1 ( c h a r g ep u m p ) ，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a 逆变器输 入电压调整；b 开关频率调整；c 占空比调节；d 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。 ( 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( 十几 k h z 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十几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。 总而言之，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。 1 4 本文研究意义与工作内容 我国作为一个能源短缺的国家，国家建设部、发改委为加强城市照明管理，于2 0 0 4 年1 1 月，发布了关于加强城市照明管理促进节约用电的意见的文件。文中要求“大 力推广节能技术，提高电能利用效率；严格按照照明设计标准规范进行照明设施的建设， 不得超标准建设；新建、改建照明项目必须采用科学的照明设计方法，推广采用高效照 8 江苏大学工程硕士学位论文 明电器产品和节能控制技术。 h i d 灯工作在8 0 0 h z 高频状态，灯的回路中只需很小的电感就可以使灯稳定工作。 还可以使用控制技术，使灯工作在恒功率工作状态，达到稳定镇流效果。通常，电子镇 流器的电源输入端还具有功率因数较正功能，提高了输入端的功率因数，减少了对电网 的污染。 另外，h i d 灯电子镇流器比电感镇流器节约2 0 以上的电力，灯的发光效率高于电 感式1 0 ，不产生任何噪音，无须启辉器和补偿电容器，性能更可靠，镇流器具有自动 保护功能，可自动断路及自启动。可有效抵抗电网电压不稳的缺点。 本课题主要的工作包括： ( 1 ) 研究路灯镇流器嵌入式技术，将数字m c u 芯片嵌入到路灯镇流器中，使路 灯镇流器具有智能化，其中重点要解决针对p i c 系统单片机的软件编程问题。 ( 2 ) 研究h i d 灯启动工作特性，h i d 灯启动曲线呈非线性，过程非常复杂，电流 从几十安培到0 3 5 安培，电压从2 3 0 0 0 伏到8 5 伏可调，调试、控制非常复杂，该过程 的控制优良是灯得以长寿命的关键。 ( 3 ) h i d 灯镇流器采用恒功率控制方式，在灯正常启动后，镇流器输出功率恒定 在2 5 0 w ，在控制过程中，实时检测工作电压、电流，并调整输出功率，使之恒定在2 5 0 w ， 该功能是灯得以稳定可靠工作的基石。 ( 4 ) h i d 灯镇流器具有过电压、欠电压检测，过流检测，空载检测等功能。使镇流 器工作更可靠、稳定。 本系统采用体积小巧、低功耗、高可靠性、高性能的单片机作为主镇流器，与现代 科技接轨，能够增强系统的可靠性及可控性，及时发现路灯系统故障，通过智能控制， 加上使用低功率、高效率、高亮度、长寿命的灯管，达到软硬件双向节能，创造城市新 景观。在节约能源、保证灯具寿命、提高照明管理水平、美化城市夜景和保证城市夜间 出行安全等方面，都具有非常实际的意义。 9 江苏大学工程硕士学位论文 第二章h i d 灯工作原理 2 1h i d 灯及镇流器的组成 2 1 1h i d 灯镇流器的组成原理 根据h i d 灯的启动与稳定后的工作状态镇流器主要包括e m i 滤波器、功率因数校 j 下变换器、高压触发器、h 全桥逆变驱动电路、控制及检测保护电路等部分组成，其框 图如图2 1 所示。 图2 1h i d 灯工作原理框图 其中p f c 功率因数较正变换器用以提高输入端功率因数；直流变换电路为桥式驱 动、控制电路等提供合适的电源；全桥驱动逆变电路则提供了高频交流电压，因为高强 度气体放电灯需要工作于交流状态，防止极化；高压触发电路则在启动瞬间提供一高压 用于击穿气体；控制及保护电路则为单片机检测各种控制信号并为h 全桥主驱动的 m o s e f t 提供脉冲及保护，使h i d 灯能正常恒功率工作。 2 1 2h i d 灯泡的结构点 h i d 的放电管是由充填有金属和高压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。 1 0 江苏走学工程硕士学位论文 电极 自一 噩 一惰 律 露 1 ll ll 矗座 电极 图2 - 2h i d 划泡的示意瞄( 左) 与g e 牌氰气灯实物酗( 右 2 2h i d 灯内高压气体概况 懑 高压汞灯、金卤灯和高压气体灯内的等离子体都可以用局域热平衡或近局域热平衡 状态的等离子体理论进行解释。它们的电子密度大概要达到，碰撞频率达l o ，洲， 全部电子的碰撞频率大概为5 l o “5 。灯内等离子体温度约为1 0 0 0 6 0 0 0 k ( 0 3 2 e v 05 e v ) 。工作时的压强大约为l 1 0 a a n 。属于非理想等离子体p l 。 对于处于局域热平衡或近局热平衡状态的等离子体来说，因为灯所采用的气体的热 导率相对较低，因此从灯轴线到灯壁有很陡的温度梯度。在灯轴线部分的等离子体温度 很高，而在管壁温度大约只有1 0 0 0 k 1 5 0 0 k 。据估计，灯轴线的电子温度大约比原子 和分子的温度高难度1 0 k 2 0 k ，在接近管壁的地方，温度差达到期1 0 0 k 。处于激发态 的气体原子和分子与电子大致保持热平衡。因此激发态的原子主要集中在灯轴线区域， 这就是电弧集中在轴线部分的原因。 不同的等离子体其电离度可从1 0 0 ( 完全电离) 变化为很低的值( 例如1 0 。一1 0 。； 部分电离) ，差别如此之大的等离子体在计算电导率时也要采取不同的模型i “i 。 江苏大学工程硕士学位论文 2 3 等离子体电离率 工作于一个大气压的直流弧和射频等离子体是处于或近于热平衡的，在此状态下， 电子、离子和中性气体的温度是相同的，在这些条件下，由中性气体到完全电离等离子 体状态的转变可由沙哈方程来描述，此关系表明电子、离子和中性密度( n o ) 【1 1 】之间 的关系，给出为： 等2 芈c 鲁， 亿。， 其中h 是普朗克( p l a n c k ) 常量，t 是三种粒子的共同热动力学温度，e i 是原子的电离 电位，g i g o 为1 的量级。由于汞蒸汽的化合价一般为1 ，有关系式吃2 _ 成立，而等离 子体又是准中性的，所以电离率f 可写成： f ：生 n o ( 2 - 2 ) 根据理想气体定律，可用中性气体的压力和动力学温度代替中性气体密度i l o ， p o2 n o k t ( 2 3 ) 将方程( 2 1 ) 及( 2 3 ) 代入方程( 2 2 ) ，得以动力学温度为函数的电离率f 肚鼍等和等 p 4 ， 将参数带入得到汞蒸汽电离率随温度变化曲线如图2 - 3 ，汞蒸汽电离率随压强变化曲线 如图2 4 。由图2 3 可以看出，随着温度从而2 0 0 0 k 变至於6 0 0 0 k ，电离率由1 0 - 5 量级 变至1 0 。3 量级，增大了1 0 0 倍左右，说明温度对灯内气体电离率，也就是电子数和离子 数影响很大，甚至更低，那么灯管壁的电导率必然比灯轴线的要小很多，计算时须按照 不同的电导率来考虑。 江苏大学工程硕士学位论文 f 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 2 图2 - 3 高压气体电离率随温度( p = 1 0 5 p a ) 变化曲线 f 0 。0 0 0 6 0 o 0 0 5 0 0 0 0 4 ， 。、l。 2 0 0 0 。4 姗谕吣? 图2 4 高压气体电离率随压强( t _ 5 0 0 0 k ) 变化曲线 2 4 电导率计算分析 2 4 1 电导率理论模型 在忽略正离子对电流密度的贡献的情况下有【1 2 】： 胤e 南 p 5 ， 其中a 是电子对气体原子的碰撞截面，是一个特征常数。 电子密度以带入上式，得到： t ( k ) p ( p a ) 江苏大学工程硕士学位论文 j = 2 由于= o - e ，从而可以从理论推导得到电导率如下 仃= 2 式中除t 之外都是常数，设此常数为q ，t 。, ，1 0 ： 仃= q 丁1 4e x p ( 百- e t ：, ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 此电导率模型随温度和压强的变化曲线分别如图2 5 和图2 - 6 所示。 ( c r x l 0 ) 呒 ( o - 1 0 ) g 图2 5 理论电导率随温度变化曲线 o 0 0 8 0 。0 0 6 0 0 0 4 o 0 0 2 t ( k ) 8 0 0 0 01 0 0 0 0 0 p ( p a ) 图2 - 6 理论电导率随压强变化曲线 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 可以看出理想的电导率模型计算电导率形式简单，随着温度和压强的变化，该电导 率模型变化很快。 2 4 2 s p i t z e r 模型 等离子体在工业中的应用非常广泛，它考虑了正离子对电子的影响，电子碰撞频率 和漂移速度，假设等离子体完全电离的情况下，并且在h i d 灯中等离子体处于局域热 平衡状态，有如下电导率模型： 2 5 以1 6 f 2 0 ( 百( k t ) 3 2 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 其中z 代表平均电离荷数。s p i t z e r 模型在工业等离子体中有着非常广泛的应用。 此模型假设等离子体完全电离，即其中不存在中性原子，即等离子体是理想等离子体， 特点是温度高( 丁l o e v ) ，密度低【1 3 】。它随温度和压强的变化图如下所示图2 7 、图2 8 。 c r o p ( s i r e e n s ) 3 0 0 0 4 0 0 05 0 0 0 6 0 0 0t ( k ) 图2 - 7 s p i t z e r 电导率随温度变化曲线 式 严广 公 玎一斡努 粹 砥一榭 江苏大学工程硕士学位论文 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 i m p n s ) 2 0 0 0 04 0 0 0 0 6 0 0 0 0 8 0 0 0 010 0 0 0 0p ( p a ) 图2 - 8 s p i t z e r 电导率随压强变化曲线 2 4 3z & l 模型 对于温度在0 1 p 矿r p 矿密度在1 0 _ 4 9 c m 3 p 1 0 一2 9 c m 3 范围内的等离子体， 属于高密度，不完全电离的等离子体，称之为弱等离子体，计算方法与理想等离子体不 同，己有一些模型进行计算。z o f l w e g 和l i e b e r m a n n 加入了s p i t z e r 公式1 4 】忽略的数据 项，并采用了适当的屏蔽半径模型进行了改进得到如图2 - 9 、图2 1 0 。 电导率模型为： = 面瓦y 面e t 研3 1 2 ( 2 1 1 ) 在方程中儿2 警( 却m e 2 ，小m 1 1 2 胍，捌秒2 ， 五= 詈万珥 圳3 ，其中如是德拜半径以是正离子的平均半，径碍是正离子密度，6 。是碰 撞参数，= z e 2 1 2 r t e o k t 。 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 ( s i m e n s ) 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 。 图2 - 9z & l 电导率随压强变化曲线 t ( 量 - - - - ； ：, - - - cr a 3 a n 3 ，、，r e fr a o 止气n o0 一t ： ， - - - - , cra 4 厂r o c k io s cl ，c l k - i nd - - - - - - i - 一_ cm c l r 御o s c 2 c l k o u t0 一 t cv s sv - d d o 一 - - - - - ( 2r b i n tr b 了c - - - - ，_ 一_ cr b l t l o s o 广r l c k ir b 6d - - - - - - - cr b 2 t 1 0 s ir b 53 _ ： ：- cr b 3 ，c c p lr b 4：d - - - - - ： 。； 图4 3p i c l 6 c 7 1 2 芯片 图4 4 为p i c l 6 c 7 1 2 芯片内部结构框图。p i c l 6 c 7 1 2 是p i c l 6 x x 系列微镇流器中的一 种，它由高性能r i s c 结构的c p u 、存储器、i o 接口和复位电路等组成。 a ) 高性能r i s c 结构c p u 精简指令集，仅3 5 条单字指令，易学易用； 除地址分支跳转指令( g o t o ，c a l l ) 为双周期指令外，其余皆为单周期指令； 执行速度：d c - - - 2 0 0 n s ； 八级硬件堆栈； 多种硬件中断； 直接、间接、相对三种寻址方式。 b ) 功能部件特性 带1 0 位a ，d 转换输入； 高驱动电流，i o 脚可直接驱动数码管( l e d ) 显示； 1 6 c 7 1 2 每个i o 引脚最大拉电流2 0 m a ； 每个i o 引脚最大灌电流2 5 m a ； 双向可独立编程设置i o 引脚； 8 位定时器计数器t m r 0 ，带8 位预分频； 1 6 位定时器计数器t m r l ，睡眠中仍可计数； 有1 路捕捉输入l l 较输出p w m 输出( e c f ) i 江苏走学工程硕士学位论走 8 位定时器，计数器t m r 2 ，带有8 位的周期寄存器及预分频器和后分频器 c ) c m o s 工艺特性 低功耗； 2 m a 5 v ，4 m i - i z ： v - ，比较器输出高电平，此高电平经r 6 0 、r 5 9 分压，u 5 d 输出高电平保持，d 1 2 不起作用，当h i d 灯工作电压v c c 更低时，即灯工作电压偏高，v + v + ，u 5 c 第8 脚电压变低，使q 0 1 截止，此时形成负反馈，使用输出的v d d 电源电压保持稳定，其稳态时的电压为+ 5 v 。 v c cq o l v d d 图4 1 35 v 电源电路原理图 江苏大学工程硕士学位论文 第五章h i d 灯软件设计 h i d 灯工作电压、电流、功率曲线符合技术要求。h i d 灯镇流器控制软件实现了 h i d 灯镇流器启动过程的全过程：启动阶段、w a r m _ u p 阶段、功率比较阶段、恒功率 ( s t e a d y _ s t a t e ) 阶段。 5 1 主程序设计 启动过程的硬件电路必须仔细设计【2 ，这部分包括高压发生电路和t a k eo v e r 电路， h i d 前大灯的启动电压按照启动时刻灯的温度变化的不同，幅值可能达至t 1 2 3 k v 左右。本 课题提出一种采用f l y b a c k 苗q 边倍压整流方式产生高压的方法。这种方法的好处是采用分 立元件搭建在成本和一致性方面具有明显的优势，并且输出电压可以通过倍压整流的级 数调节。 启动之后的维弧和稳定过渡是目前困扰h i d 前大灯开发的主要难题之一。因为h i d 前大灯快速瞬间启动的要求使得镇流器必须能够处理包括热灯启动在内的一切工况。冷 灯启动时，在灯弧建立的瞬间，灯的等效阻抗非常低，最低可达几个欧姆，之后逐渐升 高，但也存在一段时间等效阻抗较小。热灯启动则是另外一种情形，灯弧建立的瞬间， 灯的等效阻抗则与灭灯之前瞬间的等效阻抗相近。那么，很难确定一个固定且合适的初 始功率来兼容所有的点灯情况。这样，一种能够适应对点灯工作状况的控制方式就是必 须的。 灯弧建立之后的w a r mu p 的目的是能够预热稳定电弧。按照s a e 标准，这段期间应 该满足1 5 3 0 m a s 的电流积分，因为这时灯弧刚刚建立，很容易因电流的交替而熄弧， 所以