（计算机应用技术专业论文）基于集中供电方式的日光灯照明系统的研究.pdf

延边大学工学硕士学位论文 摘要 日光灯是一种低气压的汞蒸气弧光放电灯。因其具有光效高、亮度柔和、 寿命长和容易做成彩灯等优点使其在照明领域里占有十分重要的地位。电子 镇流器是日光灯的启动和限流部件，当电子镇流器与灯管达到最佳匹配时， 日光灯可以从电子镇流器中获得最佳电参数，从而提高系统的光效和可靠性， 延长灯管的使用寿命。随着我国绿色照明和节能工程的实旌，对电子设备的 t h d 、e m i 和节能要求越来越高，因此开发出一种e m i 干扰小、效率高、多 功能、经久耐用且经济实用的照明控制系统势在必行。 本论文分析了现有照明系统存在的不足，提出集中供电照明系统的两种 设计方案，即直流4 0 0 v 集中供电方案和交流4 0 0 h z 集中供电方案。通过比 较分析选出直流4 0 0 v 集中供电方案，并提出了详细的设计方案。对主机和 分机系统的组成、功能进行了理论上分析，提出了技术上的设计方案并通过 实验验证。 主机具有分区控制，自动调节亮度，自动开关和根据环境亮度开关等功 能。在设计中采用一台大功率a p f c 方式的a c d c 变换器代替1 0 0 个电子 镇流器的a c d c 变换器。由于输送的公用电能是直流4 0 0 v ，因此输送线上 无交流压降，而输送电压的提高又有利于降低输送电流，从而减少线路的欧 姆损耗。 在分机设计中采用简单的专用电子镇流器芯片，从而实现了电子镇流器 和灯管的合理匹配，提高了发光效率，延长了灯管的使用寿命。主机和分机 采用电力线载波方式进行通信，主机以顺序方式启动每个分机，降低了主机 中主电源的设计容量。 本系统的设计充分利用了现有资源，并具有t h d 和e m i 小、节能、使用 方便、易施工、综舍成本低等特点。 关键词日光灯：绿色照明；e m i ；集中供电；电力线载波 延边大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t f l u o r e s c e n ti sal o wp r e s s u r em e r c u r y - s m o k ea r cd i s c h a r g el a m p i ti s i m p o r t a n ti nt h ef i e l do fl i g h t i n gf o ri t sc h a r a c t e r so fh i g hl i g h te f f i c i e n c y , h i g h s o f t n e s s ，l o n gl i f e l e v e la n dc o n v e n i e n c eo fb e i n gm a d ei n t of a n c yl a n t e r n e l e c t r o n i cb a l l a s ti sap a r to fs t a r t i n ga n d c u r r e n t l i m i t i n go ff l u o r e s c e n t e l e c t r o n i cb a l l a s tc a np r o v i d eo p t i m u mp a r a m e t e rf o rf l u o r e s c e n c el a m pw h e ni t r e a c h e sb e s tm a t c hf o rs t r i pl a m p ，i n c r e a s i n gl i g h te f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e s y s t e m ，p r o l o n g i n gl i f el e v e lo ft h es t r i pl a m p w i t ht h ec h i n a sg r e e nl i g h t i n g a n de n e r g y s a v i n gp r o j e c t s ，i ti su r g e n tt od e v e l o pak i n do fl i g h t i n gs y s t e mw i t h l o w e m i ，h i g he f f i c i e n c y , m u l t i f u n c t i o n ，d u r a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t y i nt h ep a p e r , s e v e r a ld e f i c i e n c i e sa r ea n a l y z e df i r s t ，a n dt h e nt w od e s i g n p r o p o s a l s 一4 0 0 vd cc o l l e c t i v el i g h t i n ga n d4 0 0 va cc o l l e c t i v el i g h t i n g ，a r e i n t r o d u c e d c o m p a r e dw i t h4 0 0 va cc o l l e c t i v el i g h t i n g ，4 0 0 vd cc o l l e c t i v e l i g h t i n g i s s u p e r i o ra n dt h e na d o p t e d i nt h ed e t a i l e dd e s i g np r o p o s a l ，t h e c o m p o s i t i o na n df u n c t i o no fm a i na n da u x i l i a r ys y s t e m sa r ed i s c u s s e da n dp a s s e d e x p e r i m e n t i nt h em a i ns y s t e m ，1 0 0e l e c t r o n i cb a l l a s t sa r er e p l a c e db yal a r g e p o w e r a p f ca c d ct r a n s f o r m e r w i t hd c4 0 0 v ，t h e r ei sn oa cv o l t a g e d r o p ，t h u si ti s b e n e f i tt or e d u c i n gt r a n s p o r tc u r r e n ta n do h m i cl o s s i nt h ea u x i l i a r ys y s t e m ，as i m p l es p e c i a le l e c t r o n i cb a l l a s t sr e a l i z e sr a t i o n a l m a t c h ，i n c r e a s i n gt h el i g h t e n i n ge f f i c i e n c ya n dp r o l o n g i n gt h el i f el e v e lo fs t r i p l a m p p o w e rl i n ec a r r i e rm o d ei sa d o p t e di nt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em a i n a n dt h ea u x i l i a r ys y s t e m s t h em a i ns y s t e mc o n t r o l st h ea u x i l i a r ys y s t e m ，s t a r t s u pt h ea u x i l i a r ys y s t e m si ns e q u e n c e ，s ot h a tr e d u c et h ep o w e rv o l u m eo ft h e m a i ns y s t e m i nt h i s s y s t e m ，e x i s t i n gr e s o u r c e sa r ef u l l yu s e d i ta l s oc h a r a c t e r i z e df o r s m a l lt h da n de m i ，e n e r g y s a v i n g ，c o n v e n i e n c eu s i n ga n dl o wc o s t k e yw o r d s ：f l u o r e s c e n t ； g r e e nl i g h t i n g ； e m i ； c e n t r a l p o w e rs u p p l y ； p o w e rl i n ec a r r i e r 延边大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 人口、资源和环境是当今全球共同关注的三大问题。世界各国都把节约 能源，保护环境放在重要位置。1 9 9 2 年美国环保署( e p a ) 率先提出绿色照 明工程计划( g r e e nl i g h t i n ge n g i n e e r i n gp r o g r a m ) 。所谓绿色照明工程， 就是在保证照明质量的前提下，大力节约照明用电，减少电磁干扰，降低因 发电产生的废气排放和飘浮尘埃，达到保护全球环境的目的“3 。 绿色照明工程的基本内涵是：节能、高效、舒适、安全有益于环保。具 体地说，绿色照明工程通过采用高效节能新光源和电子镇流器、先进的节能 控制器、优化的开并控制器代替落后的开关、在不同的场合选用先进合理的 灯具结构等照明节电技术，达到节约照明用电，减少发电对环境的污染，节约 一次能源，保护生态平衡的目的，是一项以节能为核心的系统工程。“。这一 计划的出台受到世界各国的普遍关注。我国在九五期间制定的绿色照明工程 计划已进入大力推广阶段。 据专家测算，1 9 9 6 2 0 0 4 年，中国绿色照明工程累计节电4 5 0 亿千瓦时， 相当于9 0 0 万千瓦的装机规模，削减大量电网峰荷，相当于减少二氧化碳( 碳 计) 排放1 3 0 0 万吨“1 。从这组数据可以看出照明节能的必要性。在我国，商 业用电逐步增加，按照现代绿色照明设计的原则，应使照明系统具有系统工 程中的综合效益：既要降低能耗指标，满足环保要求；又要创造良好的照明 环境，适应各种商业空间的要求，实现商业目的。 本文便是在上述的背景下展开工作的，在研究和实践过程中，试图将直 流供电理论应用于照明系统中，用来提高供电效率，为照明系统找到“最佳” 的供电方案。 1 2 研究意义 日光灯作为较理想的照明设备，广泛应用于工业，服务行业，交通，市 政，住宅，大型广告牌等场所。日光灯的寿命不仅取决于自身的材质同时也 取决于驱动电路。由于存在5 0 h z 工频闪烁，灯光通常随电网电压波动而变化 延边大学工学硕士学位论文 8 1 1 ，因此合理设计驱动电路使日光灯处于最佳的工作状态才能充分发挥其发 光效率高，价格低廉的优点。使用不当则造成灯管的寿命大大缩短，废弃的 日光灯由于破碎的玻璃片和废弃的水银既造成二次污染，又造成资源浪费。 本文以节省电能、节省材料为目标，从一个新的角度来讨论和研究日光灯照 明及其供电系统，同时还解决了工程实现问题，为目光灯绿色节能照明的大 规模推广提供了可行的新技术。 1 3 照明系统现状及其存在的问题 现有的大面积照明系统采用n 个日光灯，为了提高效率，延长使用寿命 日光灯驱动采用电子镇流器，在n 个日光灯组成的照明系统中存在n 个a p f c 电路工作频率和n 个驱动电路工作频率，虽然这些频率相近但不同步，从而 造成严重的电磁污染，干扰其他电气设备的正常运行，对人体也产生不同程 度的负面影响0 3 。如果采用有源功率因数前置调节器，单只电子镇流器的成 本要增加l o 一1 5 元，所以没有大量被推广。本文提出了基于集中供电方式的 两种照明系统的设计方案，并论证了该方案具有e m i 干扰小。1 、效率高、多 功能、经久耐用且经济实用的特点。 1 4 研究内容 本课题主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 介绍两种集中供电方式即直流4 0 0 v 集中供电方式和交流4 0 0 h z 集中 供电方式的优缺点，通过比较分析后选出直流4 0 0 v 集中供电方式，并给出详 细的设计方案。 ( 2 ) 系统分为主机和分机( 日光灯) 。在主机中设计一台大功率a p f c 方 式的a c - d c 主变换器给1 0 0 个日光灯电子镇流器供电，因此减少了9 9 种a p f c 工作频率，从而减少t h d 及e m i ，提高功率因数达到了节能环保的目的。 ( 3 ) 主机和分机具有通信能力，采用电力线载波通信方式，主机控制分机 以顺序方式启动每个分机，因此降低了主机中主电源的设计容量。 ( 4 ) 主机具有多种功能可进行分区控制、调节亮度、定时开关或根据环境 亮度开关等。 ( 5 ) 在分机设计中采用简单的专用电子镇流器芯片实现合理的匹配，提高 发光效率，延长灯管的使用寿命，并具有通信、调光、定时开关等功能。 延边大学工学硕士学位论文 1 5 内容安排 论文的余下部分安排如下： 第二章对本论文所需要的相关支撑理论进行概括性的论述； 第三章中提出和研究了基于直流母线的集中式镇流技术，用一个总的 整流滤波装置代替n 个单体式镇流器中的n 个整流滤波电路。用直流母 线集中式供电方式代替传统的交流输入电源线供电方式；同时提出和研 究了基于4 0 0 h z 母线的可控的镇流器集中式驱动技术，该系统采用一个 总的变频装置把电网的5 0 f l z 转换成4 0 0 h z 的近似正弦波形，再用专门的 l c 滤波器变成4 0 0 h z 的正弦波，通过母线供给n 个缩小的电感镇流器单 元。 第四章中提出和研究了电力线载波通信实现集中式监控的技术。通过 市电电网作为通信媒介实现对日光灯照明系统的集中式的检测和控制技 术。系统采用了专用的电力线载波通信芯片l m l 8 9 3 。 第五章给出了系统的软件设计。 最后对论文所提出和研究的各项新技术进行了总结和展望。 延边大学工学硕士学位论文 2 1 日光灯综述 第2 章相关理论和技术 2 1 1 日光灯的构造 日光灯( 又称荧光灯) 是一种低气压的汞蒸气弧光放电灯“。1 9 3 6 年荧 光灯的研制使放电光源的发展得到了一次飞跃。目光灯的光效高、亮度柔和、 寿命长和很容易做成彩色灯等优点使其在照明领域里占有十分重要的地位。 日光灯是一种能量转换器件，当接入电路后，它将电能转换为紫外线， 再由紫外线转换为光能。日光灯把电能转变为人眼看不见的波长为2 5 3 7 毫 微米的紫外线。放电时也伴随有1 8 5 毫微米紫外线和少量可见光产生：第二 步，紫外线照射管内壁的荧光粉，荧光粉再把紫外线转换为所需要的可见光。 因此，日光灯的发光包含气体的放电辐射和荧光粉的固体发光两个基本物理 过程。 灯管两端各有一个涂有电子粉的灯丝作为电极，灯管内壁均匀涂敷着薄 层荧光粉，管中除注入适量汞外，还需充入适当压力的惰性气体，再通过排 气、老炼、校验等一系列的制造工艺而成为荧光灯。目前在照明方面广泛采 用的荧光灯是阴极预热式，属于低气压汞蒸气长管放电灯类型，因此在结构 上玻璃管的长度要比它的直径大得多。 2 1 2 b 光灯的分类 按功率可以分为以下三类： ( 1 ) 标准型 在标准点灯条件下( 环境温度2 0 2 5 g 、湿度6 5 以下) ，为获得应有的 发光效率，将管壁温度设计在最佳值( 约4 0 c ) ，管壁负荷为3 0 0 w m 2 。 ( 2 ) 高功率型 为了提高单位长度的光通输出，增加灯的电流，管壁负荷设计为5 0 0 w m 2 。 ( 3 ) 超高功率型 为进一步提高光通输出，管壁负荷设计为9 0 0 w m 2 。 延边大学工学硕士学位论文 2 1 3 日光灯的工作电路 日光灯最常用的工作电路是开关启动电路，如图2 1 所示。当电源接通时， 2 2 0 v 电压不能使灯启动，但能使启辉器发生辉光放电。辉光放电时产生热量 加热了双金属片，使双金属片向外弯曲并和固定的电极接触。于是，电流便 流过启辉器、镇流器加热电极灯丝，使其达到热发射的温度。当双属片一旦 闭合，辉光放电就停止，双金属片开始冷却。冷却到一定温度后，两电极又 重新断开，双金属片恢复原状。两电极闭合的一段时间也就是灯丝的预热时 间，这一段时间的长短要适当( 约0 5 2 s ) ，太长会缩短灯丝的寿命，太短 又会因预热时间不够使电子发射物质损耗增大。灯丝经过预热，发射出大量 电子，使灯的启动电压大大降低( 通常可降低到未预热时启动电压的l 2 1 3 ) 。同时，在启辉器两电极断开的瞬间，灯丝的加热电流突然被切断，在 镇流器的两端产生一个很大的自感电动势。这个电动势与电源电压叠加后作 用到灯上，使灯开始放电，这样灯就点燃。灯点亮以后，加在启辉器上的电 压( 即灯两端的电压) 约i o o v ，而启辉器的熄灭电压在1 3 0 v 以上，所以这时 启辉器 图2 一1 日光灯启动电路 f i g 2 - 1f l u o r e s c e n ts t a t t u pc i r c u i t 最简单的工作电路是瞬时启动电路。在这种电路中，将足够高的电压加 到放电灯和镇流器串联的电路上，使灯内气体电离并且不经过辉光放电阶段 和短暂停留而直接到达额定电流。在开路电压加上的一到二周期内放电电流 和光输出立即达到正常工作数值。很显然，这种工作方式对阴极的损伤较大。 随着一体化紧凑型荧光灯的开发，采用电子镇流器的趋向已日益明显。 电子镇流器的主要部分是一个开关管变换器，它能将直流变换成高频交流。 变换器有自激的恒流推挽式以及他激的半桥式。典型的电子镇流器除包含开 延边大学工学硕士学位论文 关管变换器外，还包括噪声和浪涌电流抑制电路、高功率因数整流和平滑电 路、漏磁变压器、阴极加热功率控制电路等。 2 1 4 日光灯的高频工作特性 目光灯一般工作于5 0 6 0 h z 。当日光灯工作的频率，从5 0 h z 增加到约 1 5 k h z 时，发现灯的光效n 也逐渐增加，然后n 基本不变( 见图2 2 ) 。在比 5 0k h z 更高的频率下，r l 先是减小，而到5 0 0 k h z 时再增加。表2 1 给出了 4 0 w 灯在不同频率下，灯的特性变化。 f 3 4 w t 1 2 。t l，了i 嚣：寸 0 4l 一 0 3 l 一 口2 l _ 9 l l 一4 2 w t l 2 罂e 7 一一磊 8 。l 一 4 】y p 8 l 一- ，一 基e 二 ， 8 5 l - a 4 l 8 3 - 8 2 l - b 】| l 矗7 “ 乇 j 矗一 图2 - 2 功率恒定时灯的n 随f 的变化 f i g 2 - 2f u n c t i o nn a sf w i t hi n v a r i a b l ep o w e r 由图2 2 和表2 1 可以看到，目光灯高频工作时，灯的特性有以下几点 明显的变化： 表2 一l4 0 w 灯在不同频率下的特性情况 t a b l e2 - 1c h a r a c t e ro f4 0 wf l u o r e s c e n tu n d e rd i f f e r e n tf r e q u e n c y ，( k h z )k ( v ) ( a )只( w ) a1 y 1 29 3 50 4 3 03 9 9 0 9 9 2 0 3 8 2 40 3 8 7 4 2 59 4 30 4 3 04 0 30 9 9 40 3 8 2 30 3 8 7 1 5 09 4 80 4 3 04 0 4o 9 9 10 3 8 2 00 3 8 6 6 7 09 4 70 4 3 04 0 60 9 9 7o 3 8 1 70 3 8 6 2 1 0 0 9 4 70 4 3 04 0 40 9 9 2 0 3 8 1 6 0 3 8 6 2 2 0 09 4 20 4 3 0 4 0 40 9 9 7 0 3 8 1 60 3 8 5 4 2 5 09 4 50 4 3 04 0 30 9 9 20 3 8 1 20 3 8 5 3 3 0 09 3 70 4 3 04 0 20 9 9 80 3 8 1 00 3 8 5 6 4 0 09 3 70 4 3 04 0 ，41 0 00 3 8 0 90 3 8 5 2 6 1 h z1 0 1 60 4 3 03 9 40 9 0 20 3 8 0 7 0 3 8 3 9 ( 1 ) 高频时，灯的畸变因子n 的值增加，灯的功率只也增加。这一点是 延边大学工学硕士学位论文 容易理解的，当，升高时，灯的特性逐渐变成电阻性的。这时灯的电压和电 流波形都接近正弦波，畸变因子a ，接近于l 。 ( 2 ) 在2 5 k h z 的高频下，灯的光效比5 0 ( 6 0 ) h z 时明显提高。这是由于电 极在作为阳极的半周内振荡的消失，减小了电极位降损耗，而不是由于正柱 区效率的提高。 ( 3 ) 在2 5 k h z 时，日光灯的色坐标x 和y 的值比6 0 h z 时增加1 。据认为， 这是由于正柱区内汞线辐射光谱的变化。在更高的频率下，色坐标值逐渐减 少，接近6 0 h z 时的值。 2 i 5 日光灯的负阻特性 在金属导体中，电流是由给定数目的电子传导的。按照欧姆定律，如果 将导体两端的电压提高倍，：电流也就增加一倍。这是因为导体中的电子数 虽未增多，但由于电场强度的提高，电子速度成为原先的2 倍。在气体放电 灯中，情况有所不同。在通常的放电条件下，大部分的气体原子都处于基态， 只有很少一部分于激发态。然而，由于激发态原子的电离几率比基态原子大 得多，因此通过逐次电离产生的电子数可与基态原子直接电离产生的电子数 相比拟，有时甚至超出。随着放电电流i l 增加，逐次电离所起作用越来越重 要。由于逐次电离是一种二次过程，它发生的次数正比于电流的平方。而由 基态原子直接产生电离的次数与电流成正比。 v v3 v l v2 o i31 1 i2i 图2 - 3日光灯与电阻串联时的伏一安特性 f i g 2 - 3v - ac u r v ew h i c hf l u o r e s c e n tc o n n e c t e dt or e s i s t o ri ns e r i e s 因此，灯中总的电离次数正比于i l “，l 8 两条导线的互感为： 延边大学工学硕士学位论文 m = o - - 2 - ( i n 兰一1 ) ( 3 3 1 2 z rd 式中，1 为导线长度( m ) d 为两导线间距离( m ) 在正弦交流回路中，根据电流的参考方向及耦合电感的同名端可以确定 互感电压为负。且耦合电感的并联方式属于异侧并联。 电路图及方程：耦合电感的异侧并联是两个异名端连接在同一节点上， 如图3 - 3 ( a ) 所示。 ( b ) 图3 - 3 耦合电感的异侧并联 f i g 3 - 3p a r a l l e lc o n n e c t i o no fc o u p l i n gi n d u c t a n c ei ns e p a r a t es i d e 在正弦稳态情况f ，按图示的参考方向有 船j k , g - j m 毽 西kj l 2 鸳一j m 督 因为7 ，j + ，所以上两式可写成拯弘厶争弘麟 ru = j 脚m i + j r o ( 1 + m ) l l lu = j c o m i + j 珊( 厶+ m ) 1 2 由上式得到去耦等效电路如图3 - 3 ( b ) 所示。注意去耦等效之后原电路中的 节点a 的对应点为图3 - 3 ( b ) 中的a 点而非a a 。 等效( 去耦等效) 电感：= i l 干1 l 云2 - 面m 2 由图3 3 ( b ) 电路可求出等效阻抗为 z = ，m + ： 车； 躺= ，描= ，国c s - 。， 。 j 国( 厶+ 彳) + j 脚( 厶+ ，) 。厶+ 上2 + 2 吖。 延边大学工学硕士学位论文 以2 5 m m 2 铜芯绝缘导线明敷，明线间距为1 0 0 m m 2 ，长度1 千米为例 将式( 3 - 1 ) ，式( 3 - 2 ) 代入式( 3 3 ) 可得阻抗如表3 3 所示 表3 - 3 室内明敷铜芯绝缘导线的阻抗( f 2 k m ) t a b l e 3 - 3i m p e d a n c eo fc o p p e rc o r ei n s u l a t e dl e a di no b v i o u sl a y i n g 阻抗( q k m ) 导线截面m i l l 2 明线间距l o o m m 2 2 50 3 2 7 40 3 1 2 60 3 0 0 1 00 2 8 0 1 60 2 6 5 2 5o 2 5 1 3 50 2 4 1 由此可得4 0 0 h z 交流方式的导线的单位长度电阻为 r = 、0 0 0 7 2 + 0 0 0 0 3 2 7 2 = 0 0 0 7 0 0 7 6 3 4 ，导线总电阻r 总= 4 0 3 5 = 1 1 4 2 8 5 7 ，所 以可得导线允许的最大长度为l = re r = i 1 4 2 8 5 7 0 0 0 7 0 0 7 6 3 4 - - 1 6 3 m 。 3 3 直流4 0 0 v 照明系统设计 以上讨论的两种供电方式，可以根据具体情况选择其中之一设计照明系 统。直流4 0 0 v 供电方式，由于输送的公用电能是直流4 0 0 v ，因此输送线上 无交流压降。输送电压由2 2 0 v 提高到4 0 0 v 可以降低输送电流，减少线路的 欧姆损耗，提高了电网的电能输送能力。本文以直流4 0 0 v 供电方式为例， 针对国内一些场所的照明灯具控制现状，设计一种基于电力线载波通信的照 明用电控制系统。 3 3 1 总体方案设计 根据照明需求，将照明灯具分为不同的组，以每组1 0 0 个灯管为例。主 控制器存储每个灯具的地址信息，并设置相应的定时开关时间，主控制器根 据设定的信息，通过电力线将相应的控制指令发送给分机，从而实现照明灯 具的自动开关控制。在某些特殊情况下，不能按照设置的定时时间开关灯， 可选择强制开关灯，并且强制开关灯的优先级别高于定时开关灯。 延边大学工学硕士学位论文 系统的总体设计方案如图3 - 1 所示( 以一组为例) 。主机部分主要由高 频主电源、稳压电路、工作模式选择开关、显示部分、环境亮度检测和电力 线载波通信组成；分机部分由电源电路、电子镇流器控制电路、电力线载波 通信电路等组成。 3 3 2 主机硬件设计 3 3 2 1 高频主电源高频主电源是实现集中供电模式的关键，电路应具 有功率因数高、电磁干扰少、输出功率大、稳定性高的特点。本论文高频主 电源驱动1 0 0 个3 6 w 灯管，考虑一定的裕量，因此设计容量为4 0 0 0 w 1 7 , 1 8 】。 普通的整流滤波电路的输入电压和输入电流的关系如图3 5 所示。因为 交流输入经整流、大电容滤波后，仅在交流电压正弦波顶附近滤波电容被充 电，使得输入电流呈现尖脉冲波形，电流波形中含有较大的高次谐波，因此 降低了功率因数，e m i 干扰大。由于功率只在靠近线路电压的峰值处取得， 因此电流尖峰是完全非正弦的。这种尖峰状电流的基波成分很低，而谐波含 量很高，3 次谐波往往可达基波的6 0 以上，9 ，1 5 等三倍谐波含量也很高， 由于其相位相同，在中线上相互叠加，当电流过大时，会使中线过载而烧毁。 这种装置的大量使用，将给电网带来严重的谐波污染，影响整个电力系统的 电气环境及用电设备的安全经济运行。 v i o 图3 - 5 普通的整流滤波电路输入电压和输入电流的关系 f i g 3 - 5v - ir e l a t i o n s h i po fc o m m o nr e c t i f yf i l t e rc i r c u i t 利用l 6 5 6 1 芯片设计的高频主电源如图3 - 6 所示。l 6 5 6 1 是s t 公司生产 的有源功率因数校正专用芯片，能方便的构成宽电压输人( a c 8 5 v 一2 6 5 v ) ，低 谐波含量的p f c 电源，能直接驱动i g b t 管，且集成了各种保护功能 1 9 , 2 0 j 。由 于集成度很高，减少了构成系统所需的元器件，降低了损耗，提高了效率。 延边大学工学硕士学位论文 图3 - 6 高频主电源原理图 f i g 3 - 6p r i n c i p l eo fh i g hf r e q u e n c ym a i np o w e rs u p p l y ( 1 ) 主电路设计 熔断器：由系统最大输入电流i m a x = p m a x u m i n = 5 5 a ，故可选用5 5 a 1 0 0 0 v 的熔断器。 整流桥：整流桥由两个参数决定即系统的最大输入电流和系统最大输 入电压，据此整流桥选5 0 a 1 0 0 0 v 二极管模块。其两端电压电流波形如图3 7 所示。 图3 7 整流桥输入电压和电流波形 f i g 3 - 7i n p u tv o l t a g ea n dc u r r e n tw a v eb yr e c t i f i e r 变压器t 的电感：设系统输入电压为u i 。s i n ( 。t ) ，系统输入功率为 p i a s i n 2 ( 6 0 t ) ( 式中，p i 。= 2 p o i 1 ) ，系统输出电压为u o ( 忽略输出电压的脉动) ，电 感量为l ，则系统的输入电流为2 p o s i n ( w t ) nu i 。，控制电路所生成的参考电流 为4 p o s i n ( w t ) r iu i 。，所以 i g b t 管的导通时间t 0 。为： = 警铅丽l = 瓦4 p o l ( 3 _ s ) i g b t 管关断时间t 0 h 为： 切= 警丽l ：! 墨塑呈! 型2 玎( u o 一s i n ( r o t ) ) i g b t 管的开关频率为：，= 2 瓦1 玎 4 p o l u 2 i 。( u o u i 。s i n f m t ) ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 由式3 - 7 可知，i g b t 管开关频率的最大值厶。= 竿鲁，最小值为 o 厶 = 彘塑产。根据灿鼢杌皱鼢确啪啦小吼联 频率将增加，导致损耗增加；当电感l 过大时，一方面电感自身的体积增大， 另一方面将导致低次谐波含量增加。今选电感量为5 0 0 t th ，衄 i g b t 管频率 在1 6 k h z 2 2 0 k h z 之间。 原、副边匝比：电感原、副边匝比不宜过大，即七u o - 了u , _ ( m a x ) u g 式中，u 。为系统输出电压，u i 为b o o s t 输a n n n 峰n ，u g 为芯片所认同的高电 平的最小值，在此取k = 9 。 输出电容c ：根据经验，输出电容的选取为o 3 - 0 4 u f w ，而其两端电压 为系统输出电压，故可选用4 5 0v 1 0 0 u f 的电解电容。 二极管d ：二极管d 应为快恢复二极管，流过二极管的平均电流为 l 。：鲁= 1 1 7 5 4 ，最大峰值电流为i e 。( ) = 4 2 1 m = 1 6a ，考虑一定的裕量， u 0 可选用叩5 0 g b 5 0 a 6 0 0 v 的二极管。 延边大学工学硕士学位论文 i g b t 管：i g b t 管的最大阻断电压由输出电压u o 加上适当的裕量来决定， 而其最大允许电流为系统的输入电流，可选取m g 5 0 j 2 y s 9 5 0 a 6 0 0 v 作为开关 管。 ( 2 ) 控制电路设计 i n v 引脚：该引脚为电压误差放大器的反相输人端和输出电压过压保护 输人端。相关的电阻分压网络参数可由下式决定： r 2 + r 1 0 ：u 0 f 3 8 1 月1 02 5 r ，= j , t 。 o v p( 3 9 ) 。4 0 1 2 a 式中，u 。为系统输出电压：u o v p 为系统允许的最大过电压。这时取r 2 为1 m 0 。r i o 为6 3 k 。 c o m p 引脚：该引脚同时为电压误差放大器的输出端和芯片内部乘法 器的一个输入端。反馈补偿网络接在该引脚与引脚i n v 之间，根据经验，补 1 n 偿电容可选c 6 2 丢蠹。 m u l t 引脚：该引脚为芯片内部乘法器的另一输入端。分压电阻 r 3 ，r 1 1 由式3 1 0 选取。 ! 生l 一：u m v l r p k m a xf 3 1 0 1 玛+ 置l4 2 u n m ( m a x ) 式中u m u l t p k m a x 为u m u l t 的最大峰值，u n m ( m a x ) 蔓3 系统输入电压的最大有 效值。 c s 引脚：c s 引脚为芯片内部p w m 比较器的反相输人端，该引脚通过 电阻r 6 来检测m o s 管电流。根据芯片资料，可选择电阻r 6 的阻值为o 1 q w 。 z c d 引脚：z c d 引脚为电感电流过零检测端，该引脚通过一限流电阻 接于b o o s t 电感的副边绕组。r 2 的选取应保证流人z c d 引脚的电流不超过 3 m a ，这时取r 2 为6 8 k 。 g n d 引脚：该引脚为芯片地，芯片所有信号都以该引脚为参考，该引 脚直接与主电路地相连。 g d 引脚：g d 引脚为m o s 管的驱动信号输出引脚。为避免m o s 管驱 动信号震荡，一般在g d 引脚与i g b t 管的栅极之间连接一个十几欧姆到几 十欧姆电阻，该电阻的大小由实际电路决定，这里取为1 0 q 。 延边大学工学硕士学位论文 v c e 引脚：v e e 引脚为芯片电源。该引脚同时连接于启动电路和电源电 路。稳压管d 3 选用1 5 v 稳压管；二极管d 3 应选用快恢复二极管，如h e r l 0 7 ； 电阻r 1 选用4 4 0 k 电阻：电容c 1 可用1 0 4 的瓷片电容。 高频主电源中，经整流桥未经电容滤波的电压波形( 高频主电源原理图中 a 点) 如图3 - 8 中波形a 所示，经过电容滤波且经过p f c 变换后的波形( 高频 主电源原理图中b 点) 如图3 - 8 中波形b 所示。可见，经过p f c 变换后的波 形更接近正弦波。 图3 - 8p f c 变换前后电压波形比较 f i g 3 - 8c o m p a r eo fv o l t a g ew a v eb yp f c 3 3 2 2 功能开关设定功能开关的电路原理如图3 - 9 所示。通过开关 n 1 - n 7 来控制工作模式，当检测到某一控制信号为低电平时，表明该设置有 效，并将其信号送入到p i c l 6 c 6 4 ，然后编码做相应的操作。 延边大学工学硕士学位论文 s 1 功能开关 图3 - 9 功能开关设定电路 f i g 3 - 9f u n c t i o ns w i t c h i n gs e t t i n gc i r c u i t 3 3 _ 2 _ 3 显示部分电路本系统的显示部分用四位数码管实现，平时用来 显示系统时间，而当主机检测分机时显示有故障的灯管号，以便准确地确定 要更换的灯管的具体地理位置。原理图如图3 1 0 所示。 图3 - 1 0 显示电路 f i g 3 - 1 0d i s p l a yc i r c u i t 通过p i c l 6 c 6 4 的r d l 脚使片选端c s 输入低电平有效，同时，当中断 延边大学工学硕士学位论文 状态位与对应的中断允许位有效时，中端请求输出端i r q 的输出为低电平有 效，d s l 2 8 8 7 开始工作，此时数码管开始显示系统时间。当地址锁存端a l e 高电平有效时，若r d = o ，则d s l 2 8 8 7 通过双向数据地址复用总线a d o a d 7 往总线输出数据。若w r = o ，则d s l 2 8 8 7 通过p i c l 6 c 6 4 的输入口开始输入 数据从而改变当前的时间设罩。当p i c l 6 c 6 4 检测到有通信信号输入时，则 中端请求信号屏蔽掉，实时时钟开始停止工作，显示有故障的灯管号。 3 3 2 4 环境亮度检测电路 利用环境亮度在需要的时候自动开启灯管，当环境亮度达到设置亮度后， 自动关闭”。其原理如图3 一t l 所示。 本实验用光电三极管器件实现控制，其优点是不仅能实现光电转换，而 且同时还具有放大功能。在光照下产生的光电流从基极进入三极管放大，故 采用光电三极管输出的光电流可达光电二极管的b 倍，该电路的光控器件采 用光电三极管的电路比使用光电二极管的同类电路简化许多。 去p i c l 6 0 6 4 r 2 1 1 0 k 0 1 一 h o t 0s e n s o r 图3 - 1 1 环境亮度检测电路 f i g 3 - 11 c i r c u m s t a n c eb r i g h t n e s sc h e c kc i r c u i t 其工作原理是：将环境亮度值设为o - 5 v 之间的任一数值。当环境亮度 高时三极管饱和，其上的压降为5 v 左右；当环境亮度降低时，三极管上的 压降降低，当低于设定值时，l m 3 3 9 输出低电平，通知单片机启动控制电路。 3 3 2 5 分区检测电路利用电力线的并联可以很容易实现分区控制。本 次设计以5 0 个灯管为一组，分为两个区进行控制。当某一区由于过流等原因 熔断器断开时，位于主控制室相应的发光二极管点亮报警，提示工作人员对 相应的工作区进行检修。原理图如图3 1 2 所示。 延边大学工学硕士学位论文 3 3 3 分机硬件设计 f u s e l f 2 剩 图3 - 1 2 分区检测电路 f i g 3 - 1 2p a r t i t i o ne x a m i n ec i r c u i t ( 1 ) 分机电源电路 l 从母线传输过来的直流4 0 0 v 电压，经过小容量的开关电源转换成为分 机需要的1 5 v 电源电压。如图3 1 3 所示。 直流4 0 0 v 1 0 0 ：1 5 ：1 5 ：5 1 5 v 啪吣t ：。l 主 c 5 0 2 7o a 6 l o r 2 7 淼江旦? ； c c 2 2 1 0 u f j 皿 1 洲w 图3 - 1 3 分机电源电路 f i g 3 - 1 3s l a v ep o w e rc i r c u i t ( 2 ) 灯管启动电路 以一个灯管的启动为例，其控制原理如图3 - 1 4 所示。 黑。、m 瞄 延边大学工学硕士学位论文 图3 1 4 灯管启动电路 f i g 3 - 1 4f l u o r e s c e n ts t a r t u pc i r c u i t 当单片机p 3 口置高电平，三极管q 4 导通，促使三极管q 3 的发射极1 5 v 电压加到i r 2 5 2 0 的1 脚，然后在i r 2 5 2 0 的6 脚输出驱动m o s f e t 管导通， 这样4 0 0 v 电压加在灯管两端，经过l c 谐振电路，触发灯管导通”“。若p o 脚检测到高电平，则表明灯管被触发成功，否则重新触发，触发三次仍未成 功，则显示灯管为故障状态。 ( 3 ) 日光灯管参数计算 p h i l i p s3 6 w 日光灯的预热时间为1 s ，预热电流的有效值为o 6 a ，触发电 压的峰值范围为6 0 0 v - 8 0 0 v ，额定功率时灯管的等效电阻为3 1 2 q ，灯管两端 有效值电压为1 0 3v ，电流的有效值为o 3 3 a 。日光灯驱动电路模型如图3 1 5 所示。 图3 1 5 日光灯驱动电路模型 f i g 3 - 1 5f l u o r e s c e n td r i v ec i r c u i tm o d e l 图中c o 为高频电子镇流器的输出电容，r l 为电感l 的等效电阻，r l p 为日光灯管的灯丝电阻，r 为日光灯管正常工作时等效电阻，c 为谐振电容。 延边大学工学硕士学位论文 镇流器输出v 是峰值为2 0 0v 占空比为5 0 的交流高频方波。 镇流器输出电流i 可按下列正弦波来描述 j = 4 5 i s _ f n 等f ( 3 一i i ) 式中i 。为电流的有效值。 镇流器输出电压v 近似为方波，即 。：丁+ v e ( 行丁：i 肝丁+ i t ) 1 l 。v e丁+ 寺f n t + 丁) ( 3 1 2 ) 式中v 。为电压有效值，t 为市电周期。 镇流器在个周期内输出的功率p l 等于电压v 与电流i 瞬时值的乘积在 一个周期内的平均值。把方波形的电压v 进行傅里叶展开得到： y ：坐( s i n 塾+ 三s i n 3 望t + ! s i n 5 塾t + ) ( 3 1 3 ) 牙t3t5t 那么：置= 彳1r y 锄 2 亍1 ( m4 y ；, 2 t z - t 也i 黟n 等t d t j +鳖i鹏一27et3 zt 啦i 册等t d t 南 。 丁 +亭r聍s一27c,f21si，z一27(5ztt 姗丁b = 2 , , 2k