（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技术研究.pdf

墨墨塑墨 一 s u b j e c t ：s t u d yo ne l e c t r o n l cb a l l a s t i n gt e c h n i q u e sf o r h l g hi n t e n s l t yd i s c h a r g el a m p s p e c i a l i t y ：p o w e re l e c t r o n i c sa n d e l e c t r i cd r i v e n a m e ： c h e n gw e i b i n ( i n s t r u c t o r ：z h o n gy a n r u ( s a b s t r a c t h i g i ii n t e n s i v yd i s c h a r g e ( h i d ) l a m p ，w i t hh i g hl u m i n o u sf l u xa n dh i g i le f f i c i e n c ya n dl o n gl i f ea n d s m a l ld i s c h a r g et u b e h a sb e e nt h en e wl i g h t i n gs o u r c ew i t hp o w e r f u lc o m p e t i t i v e n e s s t h ec o i li n d u c t a n c e b a l l a s t 。w i t ht h ed i s a d v a n t a g e so fl a r g e rs i z ea n dn o i s e sa n df l i c k e r ，c a nn o ta r r i v ea tt h ee x p e c t a t i o no f g r e e n 1 g i l t i n g a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c sa n dt h ek n o w l e d g eo fh i dl a m p ，t h e e l e c t r o n i cb a l l a s t ，b a s e do nh i g hf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，c o m ei n t or e s e a r c h ，h u th i dl a m po p e r a t i n ga th i g h f r e q u e n c yg i v o sb i r t ht oa c o u s t i cr e s o n a n c ee a s i l y , l i k ea r cs h r i n ka n dd i s t o r t i o na n di n s t a b l ei n t e n s i t y ，w h i c h c a nw i n kt h el i g h t a n de v e nc a u s et h ed e s t r u c t i o no f t h ev e s s e l t h es c h e m eo fg a sd i s c h a r g ea n dt h em i c r om o t i o na n dm a c r oc h a r a e t e r l s t i c sa r es t u d i e dj nt h i sp a d c r a n dt h ee i g e n f o n c t i o n so fp l a s m ar e s o n a n c eo fh i dl a m pa r ed e d u c e di f ld e t a i l s oa st of i n do u tt h ee x c i t i n g m e c h a n i s ma n dc r u c i a lf a c t o ro f t h ea c o u s t i cr e s o n a n c ei np l a s m ao f h l dl a m p t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa r ca n da c o u s t i cw a v ea n de l e c t r i c so fa c o u s t i cr e s o n a n c e ，t h ee x t r i n s i c r e p r e s e n t a t i o no fp l a s m a ，a r er e s e a r c h e d 。a n dt h eg e n e r a lt e c h n i q u e sf o rs u p p r e s s i n ga c o u s t i cr e s o n a n c ea r e a l s oc o n c e n t r a t i v e l ya n a l y z e d ，t h ea p p l i e dc h a c a r t e r i s t i c so fm a n yk i n d so ff r e q u e n c ym o d u l a t i o na n dt h e i r s p e c t r u m sa r em a i n l yd i s c u s s e di nt h ep a p e r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o na r eu s e db o t hi nt w ot o p o l o g i c a ls t a g e so fh l de l e c t r o n i cb a l l a s t t h ei n p u t s c a g ei sb o o s tc i r c u i tw i t ha c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n t h eo u t p u ts t a g ei st h eb r i d g ei n v e r t e r n ” h a r m o n i c so fp w mw i t hi n v a r i a b l e f r e q u e n c i e s a n di n v a r i a b l em a g n i t u d e sa r e e n e r g y s o u r c e so f e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n da c o u s t i cr e s o n a n c e t h er e l a t i o n s h i po fi n p u tc u r r e n th a r m o n i c sa n dp o w e rf a c t o ri sa n a l y z e d t h ea c t i v ep o w e rf a c t o r c o r r e c t i o nt e c h n i q u ei sc o n c l u d e d ，a n dt h e nt h en o v e lr e f o r m a t i o na n df r e q u e n c y - v a r y i n gt e c h n i q u ea n d s e l f - o s c i l l a t i o nc i r c u i ta r ep r o p o s e df o rd e s i g n i n gt h ea p f cc i r c u i tt om e e tt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n b a s e do nt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ee x c i t i o no fa c o u s t i cr e s o n a n c es h o u l dh a v ea p p r o p r i a t ef r e q u e n c ya n d e n o u g he n e r g ya n dt h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e sa r ep r o d u c t e db yh a r m o n i c s ，t h et e c h n i q u eo fs p r e a d s p e c t r u mi sp r o p o s e dt os p r e a dt h eh a r m o n i cf r e q u e n c i e sb r o a d e r s o t or e d u c et h et o t a lh a r m o n i c d i s t o r t i o no fi n p u tc u r r e n t ，a n dd e c r e a s et h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a n dt oa v o i dt h ed r i v i n gs i g n a lf o r h i dl a m pt ob es t a n d i n gw a v e si ns o m ei n v a r a b l ef r e q u e n c i e s s oa st os u p p r e s st h ea c o u s t i cr e s o n a n c e t h ec h a o t i cp h e n o m e n aa n dc h a r a c t e r i s t i c sj nb o o s tc i r c u i ta n dp l a s m sa n dt h e i rc e n t r e lm e t h o d sa r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r ，ac h a o t i cc o n t r o la p p r o a c h ，r e s o n a n tp a r a m e t r i cp e r t u r b a t i o n ，i sp r o p o s e dt ow e a k e n a n de v e ne l i m i n a t et h ec h a o t i cm o t i o n ，a n dg e tc o n t i n u o u sa n db r o a d e rs p e c t r u m sa tt h es a m et i m e f i n a l l y ，c h a o t i cc e n t r e lt e c h n i q u e sa r et a k e nf o rb o o s tc i r c u i ta n di n v e r t e rw i t hd i f i e r e n tr e s o n a n t p a r a m e t e r s 。t h er e a lt i m ea n do n l i n ec h a o t i cc o n t r o l sa r er e a l i z e d m o r ef r e q u e n c yc o m p o n e n t sa r eo b t a i n e d t os p r e a dt h ep w mh a r m o n i cf r e q u e n c i e so v e rab r o a d e rb a n d ，a n dd e c r e a s et h e i rq u a s ip c a kv a l u e s 1 1 1 c d r i v i n gf r e q u e n c yi sm a k e nt ot a k ean o n l i n e a rs w i n ga b o u tac e n t r a lf r e q u e n c y 罄t or e d u c et h ea v e r a g e a m p l i t u d ev a l u e so f t h eh a r m o n i c s t h ec h a o t i cm o d u l a t i o nc i r c u i ti sv e r ys i m p l e ，c a nm e e tt h en e e do f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n i ti ss h o w nb y e x p e r i m e n t a ld a t aa n dt e s t i n g w a v e st h a tt h ec h a o t i cm e d u l a t i o nc 锄d e c r e a s ee f f i c i e n t l yt h ep 、j h a r m o n i c s ，r e d u c et h ee l e c t r o m a g n e t i cj n t e r f e r e n e e ，a n ds u p p r e s st h ea c o u s t i cr e a n n a o o ei nh i dl a m p k e y w o r d s ：d i s c h a r g el a m p ，b a l l a s t ( 1 a m p ) ，p l a s m a ，s p r e a ds p e c t r u m ，c h a o t i cm o d u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y u 前言 前言 在2 0 世纪7 0 年代末，荧光灯电子镇流器开始崭露头角，被认为是照明电器发展史上 一项重大技术创新。进入2 0 世纪9 0 年代，各种气体放电灯电子镇流器在世界范围内不断 涌现，形成称为“绿色照明”的新兴产业 汞灯、高压钠灯和金属卤素灯都属于高强度气体放电灯，具有高光通、高光效、长寿 命和放电管小等特点，是用途广泛的第三代节能型光源，广泛使用于街道、广场、机场、 公路、铁路、港口、矿山、车库、高速公路、体育场馆、车辆、户外广告、庭院、隧道、 建筑物泛光和城市景观照明等场所。 目前高强度气体放电灯电子镇流器的研究正在全世界范围内如火如荼地开展，其中主 要技术难题是高频电子镇流所产生的声谐振现象和电磁干扰，研究者围绕这些课题进行了 广泛的研究，以期研制出高性能价格比的实用产品。 高强度气体放电灯电子镇流技术与荧光灯电子镇流技术有相同之处，又有诸多不同之 处，采用结构简单的荧光灯电子镇流电路无法满足较大功率的高强度气体放电灯电子镇流 的要求。目前国内电光源行业的工程技术人员不太熟悉电子技术，相应的行业期刊杂志和 文献对此报道甚少，缺乏与世界接轨和赶超的技术储备。而制作电子镇流器的技术人员又 对气体放电灯的物理特性和工作过程知之甚少，发表的研究成果往往局限于电子线路的研 究，不能深入其内部机理，延缓了电子镇流技术的研究进展和快速发展。 本课题基于学科知识和工程技术的交叉，对气体放电的原理以及高频工作下的各种特 征进行研究，探讨高强度气体放电中的等离子体振荡的激励机制和激励因子，研究等离子 体中的混沌现象，结合电子技术和最新混沌控制技术，对高强度气体放电灯的电子镇流技 术进行了长期研究。 本课题研究成果凝聚了研究者自1 9 9 8 年以来的心血，在研究过程中得到许多电力电 子领域和等离子体物理以及声学领域的前辈和同行们的指导，也得到法国图卢兹第三大学 等离子体研究中心的帮助，在此表示衷心的感谢。 鉴于作者对气体放电和电力电子的知识有限，错误之处恳请指正。 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 本 已经在 论文作者签名莎丞墅勤嗲 ? 月，& 日 学位论文使用授权声明 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：痨蝉 导师签名： 7 年夕月弓日 1 绪论 l7 “绪论 1 1 研究的目的及意义 自从1 8 7 9 年美国爱迪生发明第一盏实用白炽灯以来，迄今已有1 0 0 余年的历史。继 白炽灯之后，又出现了荧光灯、汞灯、钠灯和金属卤素灯等气体放电灯( d i s c h a r g el a m p ) ， 其中荧光灯为低压气体放电灯，汞灯、高压钠灯和金属卤素灯为高压气体放电灯( 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，也称为高强度气体放电灯) 。由于自身具有负阻 特性，气体放电灯都需要采用镇流器镇流，通常采用电感式镇流器和启辉器作为稳流和启 动附件。 当气体放电灯在交流供电下工作时，气体或金属蒸气放电的特性取决于交流供电的频 率和镇流器的类型。灯的等效阻抗近似为一个非线性电阻和一个电感的串联，放电电流的 突然增加不会立即影响气体的电导率，经过一个短暂时间后气体的电导率才会增加到一个 新的值并达到平衡。电感式镇流器由于直接与电网相连，使整个系统工作在低频状态 ( 5 0 6 0 h z ) ：每半个周期开始时，灯都被迅速地再点燃；灯的阻抗在整个交流周期里一直 不停地发生变化，从而导致了非正弦的电压和电流波形，并产生了谐波成分。 尽管电感式镇流器具有成本低，可靠性高等优点，但是它存在以下缺点：首先，由于 低频工作造成镇流器的体积大而且笨重；其次，工作在5 0 6 0 h z 的电源下，灯的时问常数 为毫秒级，相应光输出的频率为1 0 0 h z 或1 2 0 h z 。在这种低频交流工作条件下，灯的电极 容易老化，而且会造成频闪现象。 2 0 世纪7 0 年代出现了世界性的能源危机，导致许多公司致力于新型电子镇流器的研 究。同时，半导体技术和电力电子技术日新月异地飞速发展，各种作为开关用的功率器件 不断出现，为电子镇流器提供了前提条件。2 0 世纪7 0 年代末，p h i l i p s 等公司率先研制成 功了荧光灯交流高频电子镇流器，这是照明电器发展史上的一项重大创新。 2 0 世纪8 0 年代初，g e 的h a m m e re d w a r de 博士首次发现了荧光灯在高频电能驱动 下其性能与参数会发生变化，如光效提高，寿命增加，显色性改善等。更为重要的是高频 电能驱动下，在某一稳定工作点，从灯电压和灯电流波形看，荧光灯可以等效为一个电阻。 h a m m e re d w a r de 等人对荧光灯的高频工作特性进行了详细的测量，为荧光灯电子镇流器 的诞生尊定了基础【i 。j 。 2 0 世纪8 0 年代，随着电力电子技术的发展，出现了为荧光灯提供高频电能的电子镇 流器。电子镇流器工作在高频状态下，不仅减小了体积和重量，而且改变了灯的工作特性。 高频工作时，荧光灯的电压和电流波形近似为正弦波形，荧光灯的稳态电阻近似为一线性 电阻，电阻值随着灯电流的变化而交化。在高频状态下，荧光灯内部电离和复合的速率远 远低于荧光灯的工作频率，因此在电压过零时并不存在重新点燃的情况。由于气体放电在 整个周期内持续发生，使得能量利用比较好，电极上的损耗减小，而光输出增加。当开关 频率为2 0k h z 时，光效可以提高l i p , 6 高频工作的荧光灯还可以降低其启动电压，减少 光输出闪烁，并实现灯功率的调节，多灯管并联工作等其他功能 西安理工大学博士擘位论文 随着电子镇流器在荧光灯中的广泛应用，人们开始研究在h i d 灯中用它替代工频电 感式镇流器。与低频工作不同，h i d 灯在高频电子镇流器的驱动下会有一些不同的特性。 对h i d 灯的高频特性研究最早是g e 公司的c 锄p e u 。 3 1 ，他发现h i d 灯在高频工作时也有 与荧光灯相似的光电参数的变化，如光效提高，效率增加，稳定工作时相当于一个定常电 阻对金属卤素灯在低频和高频镇流器驱动下灯特性的研究也得到了类似的结果1 4 】。但 r i d 灯在高频工作时极易产生声谐振现象 5 - 1 9 1 ，对外直接表现为光强不稳、电弧闪烁、扭 曲，可测得灯电流、灯电压的起伏，并伴随产生与激励源同频率的声波；严重时可能熄弧， 甚至导致灯管毁损。因此给h i d 灯电子镇流器的设计带来了很大的困难 2 0 矧。 h i d 灯电子镇流器是一个将工频交流电转换为高频交流电的电源变换器，其中整流、 功率因数调整和高频逆变等都会产生谐波，由于其频率相对较低，其产生的干扰主要以传 导形式为主，辐射干扰可以通过金属外壳屏蔽，一般都在电磁兼容( e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ，缩写e m c ) 标准之内。传导干扰指电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ， 缩写e m i ) 通过电源线和公共地线传导产生，有差模和共模两种形式，差模于扰是在两 电源线间产生的干扰电压，共模干扰在每一电源线与地问产生。 电磁干扰的测量原理是用干扰分析仪将噪声信号中的频率分量以9k h z 频宽扫描整 个频带，测量出噪声信号的准峰值( q u a s i p e a k ) 和平均值( a v e r a g e ) ；当连续改变设定频率 时，就能得到噪声信号的频谱；对噪声信号进行谐波分析，可得出谐波波形中各次谐波的 幅值和相角。电磁兼容技术中，关心的只是噪声幅值必须在规定限度内。 综上所述，高强度气体放电( h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g e ) 灯以其高光通、高光效、长 寿命和放电管小等优良性能，广泛用于街道、广场、机场、公路、铁路、港口、矿山、车 库、高速公路、体育场馆、车辆、户外广告、庭院、隧道、建筑物泛光照明和城市景观等 场所照明，已成为照明领域极具竞争力的新光源。由于自身具有负阻特性，需要采用镇流 器镇流，传统的电感镇流器的自身损耗大、线路功率因数低、耗材多、体积大、笨重，存 在频闪和嗡嗡的工频交流声，达不到绿色照明的要求，以电子镇流器替代电感镇流器成为 绿色照明工程的一个重要组成部分。 1 2 电子镇流的应用、发展和技术要求 1 2 1 电子镇流器的应用 如前所述，高强度气体放电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，高强度气体放电灯一般采用电感作镇流器。电感镇流器的优点是可靠性较 高，使用寿命较长。同时不可避免的存在以下几个缺点：( 1 ) 功率因数低。一股为0 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，效率低等。这种照明系统己不满足人们对高质量h i d 灯照明系 统的要求。1 9 6 3 年，r o d d a m 提出电子镇流的思想，由于器件问题，无法实现。2 0 世纪 7 0 年代的世界性能源危机促进了电子镇流器的发展，许多公司开始研究新型节能电光源 及荧光灯交流电子镇流器。 2 1 绪论 随着半导体技术的飞速发展，各种功率开关器件不断发明应用，使交流电子镇流器的 产生成为可能。1 9 7 8 年，荷兰p b i l i 阳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。进入2 0 世纪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。我国在2 0 世纪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，目前我国不同功率的电子镇流器的技术含量和产品质量却与 国外的差距很大，市场使用量很低。 与电感镇流器相比，电子镇流器却有很大的优势： ( 1 ) 适应性好。高频变换器电路加上串联谐振负载，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 ) 稳定发光，提高光效。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；相对工频工作，高频点灯又会提高 1 0 2 0 9 6 左右的光电转换率。 ( 3 ) 恒功率供电。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，可实现限流和恒功率供电。 ( 4 ) 提高功率因数。在高频变换器的电网侧插入功率因数校正电路( 有源或无源) ， 轻易地将使网侧功率因数提高到0 9 5 以上。甚至达到0 9 9 。 ( 5 ) 延长灯管寿命。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 ) 保护和控制功能。在电子镇流器上实现短路、开路、过压、过流和过热等保护 比较容易，定时、自控和群控等亦很方便。 ( 7 ) 减小体积和重量。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。 由于高频电予镇流器比工频电感镇流器具有一系列优点，在一些工业发达国家中，政 策大力支持“绿色照明”，高品质的电子镇流器己经得到了较广泛的应用。但在我国还没 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，其中除有价格 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，本身也存在一些缺点： ( 1 ) 输入电流谐波失真大，在集群使用时，会造成成批损坏，甚至引起火灾，较大的输 入谐波回馈到电网上，严重影响电网质量。同时产生较强的电磁干扰。( 2 ) 低成本要求导 致整体性能差，可靠性差，寿命短，同时造成灯管发黑，缩短灯的寿命。 1 2 2 电子镇流器的发展 气体放电灯电感式镇流器较大的体积( 特别是较大功率的气体放电灯) 给电气安装带 来不便，且会产生噪音污染和低频频闪。提高镇流器中镇流元件的工作频率，既可减小镇 流元件体积，又可消除噪声，同时提高放电灯的光效，并能得到妥善解决低频频闪问题。 随着电力电子技术、电光源技术和微电子技术等的不断发展，在电子镇流的实现形式 西安理工大学博士学位论文 和研究深度上都有了很大的进步。目前，电予镇流器技术研究主要在提高照明质量、改善 照明环境、减少电力污染，远程控制和调光等几方面展开的 ， 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、 新结构、新方法也不断地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的出现，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，如德国西门子、美国 微线性、美国r 、韩国三星等公司的电子镇流器控制集成电路，基本实现了单片集成电 路内部的高、低压部分的电气隔离使得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。由于电子镇流器同其它高频开关电源 一样，在正弦电压供电下，输入电流将严重畸变，含有大量谐波。不采用任何滤波的电子 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 。国际电工委员会的 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。为达到这些标准，必须采用无源或有源滤波电路，来消除输入电流谐波对电网的污染。 近年来，电子镇流器功率因数校正技术，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，成为高性能电子镇流器研究的主要方向。 电力照明系统占世界电能损耗1 5 1 8 ，我国照明用电约占总发电量的1 0 1 3 2 4 1 ，丽且大多属于峰时用电，照明节电具有节约电量和缓解峰时通电的双重作用。假 如使用节能的电子镇流器能获广泛应用，减少照明系统用电量8 ，就可以为我国减少约 1 的电力消耗。 总之，电力电子、微电子和新型控制技术在高性能电子镇流器中的应用，将使电子镇 流器的品质和技术含量得到很大的提高。 1 2 3 高强度气体放电灯对电子镇流器的要求 高强度气体放电灯在高频电流下点燃时容易产生放电管声共振现象，这是由灯管内压 力波的脉动从管内壁反射回来，若与灯高频电流的脉动成分相位相同，形成驻波，其表现 为：( 1 ) 电弧管体内有音频噪声：( 2 ) 电弧管内电弧发生闪烁、扭曲、翻滚等现象，同时 灯电压不稳定，严重时将会发生熄弧或使灯损坏卜”。 高强度气体放电灯的结构和工作原理与荧光灯并不相同，所以高强度气体放电灯电子 镇流器的技术要求与荧光灯的电子镇流器的技术要求也不相同。根据h i d 灯的特点，对 h m 电子镇流器提出以下具体要求瞄i ； ( 1 ) 能输出足够大的功率。双管荧光灯的电子镇流器的最大输出功率为8 0 w ，而 h i d 灯电子镇流器的输出功率往往达几百w ，有的高达1 0 0 0 w ，这对h i d 灯电子镇流器 的功率器件提出了非常高的要求。 ( 2 ) 提供足够高的触发电压。h i d 灯的触发启动电压高达3 0 0 0 v 4 0 0 0 v ，比荧光 灯高3 5 倍，产生3 0 0 0 v 以上的高压并不困难，但要求在灯启动过程中不能对灯和电子 4 1 绪论 镇流器的元器件造成损坏j 气体放电的着火条件是遵循帕邢定律的闭。着火电压和放电管的极间距离、管内的 气体压力、气体种类和阴极性质有关在高频作用下，由共振产生高电压使灯启动是容易 傲到的。但为了维持高强度气体放电灯的寿命，必须满足两个条件：启动瞬时的高能量和 防止任何大于工作电流的浪涌电流冲击阴极，以最大限度地减少强电场、大电流引起的阴 极物质的溅射，从而延长灯的寿命 ( 3 ) 能消除“声谐振”现象。坷p 灯在高频电源工作时，会出现放电电弧不稳定现 象，轻受灯光抖动，重则烧毁灯管 ( 4 ) 能长时间点燃，在恶劣环境条件下正常运行。在低温2 0 c高温+ 4 0 0 可以持 续点燃l o 小时以上。同时具有耐高温、耐低温、防风沙、防雨淋，防腐蚀等“五防功能， 在供电突然中断后又立即恢复后能立即工作，即热启动功能。 有关产品质量高温寿命实验统计资料表明【2 4 1 ，属于功率管失效的产品占失效总数的 绝大多数，约为6 5 ，电解电容失效的产品占产品失效总数的2 0 ，其余为二极管及保 护电路失效。目前，国外同类产品一般选用绝缘栅型场效应管器件，适当选择电解电容尉 压值、二极管及电阻等的功率耗散值，可大大提高电路的可靠性。 ( 5 ) 具有完善的热启动功能。在开路、过压、过流和短路时提供保护功能。 短路保护指当由于人为错误而造成线路短接时，电子镇流器不依赖于保险而是电子线 路本身，即能达到截止状态，从而保护电子镇流器不受损坏。开路保护一般发生在灯损坏 后而不能及时更换的情况。此时电路始终处于供电状态，一旦换上新灯，线路应能马上恢 复工作。这就要求线路不断发出申请信号，若一段时间( 如3 0 秒) 不能启动灯，则线路处 于等待状态，保护功能起作用，直到灯重新启点燃为止。过压保护电路的作用是防止电网 过压，以及由电网窜入的高压脉冲干扰。为此电路中须有故障检测电路；将信号检测出来， 然后通过延时电路，馈入控制电路。控制电路一般由检波电路、滤波电路、延时电路、触 发电路、电子开关电路等组成，将故障信号转换成开关信号来控制高频振荡电路，使振荡 器停振，主功率电路停止工作，从而保证电子镇流器不受损坏。 ( 6 ) 具有较高的输入功率因数和较小的输入电流谐波。对射频干扰和电磁辐射具有 足够高的抑制能力。同时产生较小的射频干扰和电磁辐射。 为改善功率因数，既要减少基波电压与电流的相位角差，又要改善波形，减少谐波分 量，以提高功率因数。若电子镇流器谐波含量大，不仅对电网干扰大，而且使三相平衡中 的高次谐波无法抵消，成批使用可使中线电流严重超载，而引起火灾、供电柜夥闸等后果， 因而必须采取措施，使高次谐波含量在规定的范围之内，使其可靠地接入电冈。 总之，开发h i d 灯电子镇流器的难度远远商予普通荧光灯电子镇流器的开发，欲将 其从样品到产品，再形成商品并非易事；尽管技术上并非难以实现，但如果成本过高，就 无法进入实用化。因此制作高性能价格比的h i d 灯电子镇流器是一个急需攻克的难题。 西安理工大学博士学位论文 1 3 国内外研究现状 ，。 目前。荧光电子镇流器已成功取代电感镇流器，并获得了广泛地应用近几年，随着 电力电子技术的发展，研制实用、高性能的h i d 灯用电子镇流器具备了一定的技术条件 和基础：新型的h i d 灯电子镇流器层出不穷，但由于可靠性及成本的原因，大功率电子 镇流器离推广应用还有一段距离。同时在研制h i d 灯用电子镇流器过程中，特别是较大 功率h i d 灯用电子镇流器，遇到了一些比较难以解决的问题，同时由于价格，政策的倾 斜度等因素，目前国内城市照明工程中绝大多数项目还是配置的性能价格比相对较高的电 感镇流器，在相当长的一段时间内，电感镇流器，特别是节能电感镇流器，性能安全，可 靠、节能、省钱，符合当前的中国国情。 世界上三大照明巨头荷兰p h i l i p s 公司，美国g e 公司和德国o s r a m 公司对电子镇流 器实现了规模生产，电子镇流器的年产量都在几百万只以上，产品供不应求，但只是较小 功率的电子镇流器，至今尚未有一家公司能够推出实用化2 5 0 w 以上高压钠灯电子镇流 器。据了解，美国g e 公司最大仅推出1 3 0 w 商品化高强度气体放电灯电子镇流器，而德 国o s r a m 公司最大也仅仅推出1 2 0 w 商品化高强度气体放电灯电子镇流器。对其某些型 号电子镇流器的测试结果来看，其产品性能指标并不高，并且温升比较高。 目前，国内的一些电光源生产厂家己先期研究开发出了高压钠灯电子镇流器产品，有 些指标己达到某些国外产品的性能，但大多数企业规模很小，技术力量薄弱，其产品性能 低劣，可靠性差，影响了销售声誉。这些产品虽大都采用专用i c 器件，但功率等级较低、 线路较复杂，而且对灯的适应性较差。同时目前国内也有部分厂家不断推出了较大功率的 h i d 灯的电子镇流嚣。但是多数没有取得认证就推向市场。其可靠性安全性问题还有待 市场的检验。对h i d 灯的电子镇流器来说，仅仅参照荧光灯电子镇流器行业的国家安全 标准g b l 5 1 4 3 9 4 及性能标准g b t 1 5 1 4 4 9 4 还是不够的，所以有自己的产品标准将具有 重要意义。 从总体上看，国内研制的h i d 灯电子镇流器取得了很大进展，但仍存在一些问题， 如功率因数、谐波含量、抗干扰能力、安全指标还达不到要求，有些镇流器还影响灯的寿 命，甚至引起火灾的发生。这主要是由于以下几个原因： 1 ) 对h i d 灯的物理特性了解不深，对h i d 灯的启动过程和正常工作状态缺乏系统 的、科学的认识。忽视灯与电子镇流器匹配特性的研究与优化，线路整体设计不够科学。 2 ) 对电路参数的设计不尽合理，特别是对元器件特性掌握不深，选择不合理，对其 损坏和老化机理缺乏理论上豹指导。 因此，一个设计合理的h i d 灯电子镇流器应该着重注意解决以下技术关键： 1 ) 声谐振问题 目前国内外一般采用远离声谐振窗口的单一频率准正弦波作为灯的供电电源。然而， 不同品牌甚至同一品牌而不同批次的灯，由于灯放电管尺寸的一致性不够好，仍会产生声 谐振，有时甚至会很严重。声谐振会大大损害灯的寿命，严重时甚至会损坏放电管，并且 6 1 蟹论 抖动的光线极易造成视觉疲劳而损害人的视力 删，2 ) 散热问题和能量局部集中问题 一功率屯子产品i 中，元器件的发热是不可避免的。但如何确保元器件处在合理的发热水 平，以保证其最大寿命，是提高电子镇流器整机可靠性的前提和关键。 3 ) 大功率高强度气体放电灯同配用的电子镇流器最佳匹配问题 通过使电子镇流器同h i d 灯启动过程的起辉、辉光放电、辉光放电向弧光放电过渡 和弧光放电四个阶段以及最终的稳定弧光放电各个阶段的最优匹配，可大大提高灯的寿命 和电子镇流器的可靠性。 4 ) 提高功率因数，减小输入电流谐波含量。 1 4 课题研究内容及文章内容 本课题首先要对气体放电的原理及其等离子体的性质进行研究，探究等离子体的集体 运动特征，掌握等离子体振荡的机理和关键因素。然后分析高强度气体放电灯在高频工作 时的声谐振现象，了解其内在规律和外在表现。还要对高频电子镇流电路的两种混沌现象： b o o s t 电路的混沌现象和h i d 灯的混沌现象进行研究，寻找抑制方法；结合电子线路，进 行试验和测试，验证所提出的新型电子镇流技术和电路的可行性。 论文共分五章，第一章为绪论，介绍了本课题的研究目的、电子镇流技术的应用和发 展，讨论了高强度气体放电灯电子镇流的技术要求。 第二章为气体放电的理论部分，介绍了气体放电的原理和机制，对气体放电灯中的等 离子体的微观运动和宏观性质进行研究，了解等离子体的振荡特征，推导等离子体振荡的 特征方程，对弧光放电正柱及其声学原理作了进一步介绍，揭示等离子体的振荡现象的激 励机理和决定因素。同时对气体放电灯的数学模型进行介绍，为设计新型电子镇流电路做 好技术准备。 第三章简单介绍了电子镇流的工作原理和所采用的高频镇流电路和控制方法，并对电 子镇流的功率控制及其对灯的影响作了全面分析。着重介绍了声谐振的电气、声学和电弧 特征以及目前抑制技术研究成果。 第四章分析了输入电流谐波与功率因数的关系，着重讨论了b o o s t 电路的有源功率 因数校正技术，并提出了有源功率因数校正电路的改进设计、可变频率驱动及自振荡驱动 电路，以满足不同的屯子镶流要求 第五章引入了频谱分散的概念，介绍了频谱分散的工作原理、特点及其应用。对目前 通用的p w m 调制方法的频谱作了数学分析，从理论上定性分析各种调制方法的频谱特征 和谐波抑制特点。 第六章介绍了有源功率因数校正b o o s t 电路的混沌现象，讨论了高强度气体放电灯的 高频工作的混沌现象一声谐振。引入了非线性电路的反混沌控制方法，详细讨论了具体的 实时在线控制路线。针对二者不同的特征，分掰采用不同的参数共振微扰，通过给激励参 数以特定频率的扰动，减弱甚至消除其中的混沌运动；同时又获得连续的宽带频谱。对 7 西安理工大学博士学位论文 p w m 波的实时在线混沌调制，将输出谐波的频率分散到更宽的范围，降低了各次谐波频 率的准峰值；并使得驱动频率围绕中心频率不断非线性漂移，降低谐波幅值的平均值 最后对全文和课题研究作了总结，提出不足和需要继续研究的内容。 8 2 高强度气体放电原理 2 高强度气体放电原理 为了正确理解气体放电灯的电压一电流的非线性特性，必须对气体放电的物理过程有 个全面的了解。本章从气体放电等离子体的微观和宏观理论出发，系统分析气体放电的物 理过程和气体放电的伏安特性，为解释气体放电灯的电气特性和控制作理论准备。 在通常的情况下，气体是良好的绝缘体，不能传导电流。但是在强电场、光辐射、离 子轰击和高温加热等条件下，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【2 7 2 9 1 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 电粒子不断从电场中取得能量，并通过各种作用把能量传递绘其他粒子，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，电离气体中正负带电粒子的复合、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，如果辐射的光子波长在可见光范围 ( 或者是通过某种物质，比如荧光粉，将不可见波长范围的光转变为可见光) ，就可以被看 见，这也就是气体放电发光现象。利用这一原理制造而成的光源称为气体放电光源，或称 气体放电灯。 2 1 电子镇流器常用术语与电光源分类 2 1 1 电子镇流器常用术语 与电子镇流器有关的专业术语很多，其中有些还涉及电光源术语，下面给出本文中所 使用的术语的定义和解释，供参考瞄】。 交流电子镇流器：安装在电源与一个或几个气体放电灯之间，将工频交流电源变换为 高频交流电，供( 单支或多支) 正常启动和稳定工作的变换器或电子装置。 高功率因数镇流器：g b f r l 5 1 4 4 定义为线路功率因数达到0 8 5 或0 8 5 以上的镇流器。 在0 8 5 的数值中，已将电流波形畸变对功率因数的影响考虑在内。 线路功率因数：指镇流器和灯组合体的功率因数，等于线路有功功率与视在功率的比 值，符号为k 视在功率等于真有效值电压和电流之积。 总谐波含量：也称为总谐波畸变、总谐波畸变率或谐波总含量，是各次谐波分量方均 根值得总和( 以基波为1 0 0 ) ，符号t h d