（电力电子与电力传动专业论文）基于DSP的集中式电子镇流器的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h e s ei s s u e s ，s u c ha se n e r g y - s a v i n ga n dc o n s u m p t i o nr e d u c t i o n ，s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n ds oo n ，h a v eb e c o m eas i g n i f i c a n tp r o je c t w i t hs t r a t e g i cm e a n i n g w i t ht h eg r e e nl i g h t i n ga n de n e r g y - s a v i n gp r o j e c t si nc h i n a ， t h eh i g h e rr e q u i r e m e n t sa r ep u tf o r w a r dt ot h ee l e c t r o n i cb a l l a s t ，w h i c hn o to n l yn e e d e c o n o m y , b u ta l s op u tf o r w a r dt oah i g h e rd e m a n dt ot h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n de n e r g yc o n s e r v a t i o n s oak i n do fc e n t r a l i z e de l e c t r o n i cb a l l a s tb a s e do nd s pi s d e s i g n e di nt h i sp a p e r , w h i c hn o to n l yh a sa d v a n t a g e so fh i g hp o w e rf a c t o r , l e s sg d d p o l l u t i o n ，b u ta l s os a v i n gc o m p o n e n t sa n dc o n v e n i e n c et oc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t f i r s t l y , t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sb e t w e e nt w ok i n d so ft r a d i t i o n a l c o l l e c t i v el i g h t i n ga r ec o m p a r e d ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i sa n dr e s e a r c ht h eb a s i c s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ff l u o r e s c e n ta n de l e c t r o n i cb a l l a s t t h ed e s i g n p r o p o s a lo fp r o j e c t c e n t r a l i z e de l e c t r o n i cb a l l a s tb a s e do nd s p i sc o n f i r m e d b a s e d o nt h ed e s i g np r o p o s a l ，an e wk i n do fc e n t r a l i z e de l e c t r o n i cb a l l a s ti sd e s i g n e di nt h i s p a p e r , w i t hi n p u tv o l t a g e16 0 v - 2 6 5 va n do u t p u tv o l t a g e2 0 0 v , o u tp o w e r 4 5 0 0 w s e c o n d l y , i nt h ed e s i g no fc o n t r o lc i r c u i t ，t h i sp a p e ra v o i d st h ei n c o n v e n i e n c e c a u s e db yt h eu s eo fa n a l o gc h i p st oc o n t r o lt h et r a d i t i o n a le l e c t r o n i cb a l l a s tc i r c u i t ， a n dt h e d i g i t a l c o n t r o lt e c h n o l o g yi s a d o p t e d b a s e do nt h ec o n t r o lc o r e o f t m s 3 2 0 c 2 812c h i po ft ic o m p a n y , t h ea n a l y s i si sp e r f o r m e dt ot h ed e s i g no ft h e p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc o n t r o lc i r c u i ta n dh a l f - b r i d g ei n v e r t e rc o n t r o lc i r c u i to f c e n t r a l i z e de l e c t r o n i cb a l l a s t i na d d i t i o n ，t h i st h e s i sb u i l d st h em a i nc i r c u i t sm o d e lo fe l e c t r o n i cb a l l a s tw i t h m a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e b a s e do nt h i s ，as i m u l i n km o d e lo ft h ei n v e r t e rc i r c u i t i ss e tu p t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i se l e c t r o n i cb a l l a s ti sn o to n l yr e d u c e d t h ep o l l u t i o nt op o w e rs y s t e mu n d e rd i f f e r e n tl o a d s ，b u ta l s ot h ep o w e rf a c t o ri sh i g h f i n a l l y ，t h i st o p i cs i m p l yi n t r o d u c e st h ec e n t r a l i z e dc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yo f f l u o r e s c e n tl a m p p o w e rl i n ec a r r i e r ，p r e p a r i n gf o rt h ef o l l o w i n gw o r k t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ee l e c t r o n i cb a l l a s ti nd i f f e r e n tw a y s ，e s p e c i a l l yi t sn o v e l c o n t r o lm e t h o di s s i g n i f i c a n ti nt h e o r ya sw e l la si np r a c t i c e ，a n dt h e r ei sg o o d p r o s p e c to fa p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cb a l l a s t ，c e n t r a l i z e dc o n t r o l l i n g ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n i i i 学位论文独创性声明 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 为获得直昌太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。 学位论文作者签名( 手写) ：詹芯纽签字日期： 扩年，2 月叫e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、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。本人授权直昌太堂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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 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：序c 怎笋导师签名：饿净 f 签字日期： o 扩年，三月纠日签字日期：d 舻年f2 月2 今日 第1 章绪论 第1 章绪论 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。随着荧光灯气体放电灯的发明， 新一轮的光源革命发生了，荧光灯以其远高于白炽灯的光效和寿命已逐渐取代 白炽灯而被应用于各种场合。同时，荧光灯的出现也引起了人们对与之配套的 电子镇流器的广泛关注。为此，本章将对荧光灯及电子镇流器的基本结构和工 作原理作详细介绍。 1 1 荧光灯概述 1 1 1 荧光灯的结构组成 家庭及工业照明用荧光灯( 俗称日光灯) ，是一种低压汞蒸汽放电灯，其大部 分光是由放电产生的紫外线激发管壁上的荧光粉涂层而发射出来的。荧光灯主 要有直管形和环形两种，本文所研究的荧光灯均为直管形荧光灯1 1 。图1 1 所示 的直管形荧光灯结构示意图。荧光灯的核心部分是管形玻璃管和灯丝。 灯 灯丝座 引线 图1 1 直管形荧光灯结构示意图 其中，钠、钙玻璃管的内壁上涂有荧光粉。管内填充有惰性气体( 如氩) 和低气压汞蒸汽。在灯两端各有一个电极，电极通常由钨螺旋做成，上面涂有 热电子发射材料，人们将这种涂有电子发射材料的灯丝称为阴极。灯丝两端与 第1 章绪论 被称为导丝的支架相连接，导丝又与两个引出电极相连。导丝和喇叭管等组成 芯柱，其作用是保证电导线与玻璃壳进行气密性封接。 1 1 2 荧光灯的发光机理与工作电路 在荧光灯开始工作时，需首先给灯管两端提供一个足够高的启动电压( 一 般为5 0 0 一- 1 2 0 0 v ) ，使灯管内的低压汞蒸汽激发、电离，荧光灯导通引燃。管 内汞蒸汽被电子激发电离时会产生波长为2 5 3 7 n m 的紫外线，被荧光灯灯管内壁 上的荧光粉所吸收，转换成光色柔和的可见光辐射出来【2 1 。 启辉器 ( 享 f c li - - ,t- il 厂、y ，y 一、厂、 v 一 图1 2 荧光灯启动电路 荧光灯最常用的工作电路是开关启动电路，如图1 2 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。当双金属片一旦闭合，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1 1 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 2 第1 章绪论 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丌发，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逆变器，它能将直流变换成高频 交流。逆变器有自激的恒流推挽式以及他激的半桥式等。典型的电子镇流器除 包含逆变器外，还包括r f i 、e m i 滤波电路、高功率因数校正和整流电路、启动 电路等。 1 1 3 荧光灯的负阻特性 与其它一些气体放电灯一样，荧光灯具有负阻抗特性。典型的荧光灯电压一 电流特性曲线如图1 3 所示，阻抗曲线如图1 4 所示。 i jl 卜 名 + _ 矿叫 f l 电压 ( 或阻抗) o 时间 图1 3 典型的荧光灯v i 特性 图1 4 荧光灯电压( 或阻抗) 曲线 当施加于荧光灯两端的电压低于触发启动电压( v ：) 时，灯呈高阻关断状 态，灯中没有电流通过，一旦外加电压达到了灯的点火电压值，灯则导通，并 且其两端电压急剧下降，然后略有升高，最后进入稳定工作状态。在这一过程 中，阻抗曲线和电压曲线是一致的。在稳定工作状态下，当荧光灯的工作电流 上升时，灯管压降下降，呈现负阻特性。如果由低阻抗的电压源供电，任何小 的灯管电流上升将导致管压降下降，从而引起灯管电流继续上升，最终引起灯 管损坏。因此必须外接具有限流作用的镇流器，使灯电流稳定在额定值，并且 使灯两端的导通电压降( v o n ) 也基本保持不变【3 1 。荧光灯在稳态条件下，可以 等效为两个背靠背的稳压二极管与一个恒定不变的电阻相串联，在交流电压下， 3 第1 章绪论 不论正负半周都可以导通工作。荧光灯的触发启动电压和正常工作时灯两端的 电压降与灯管长度、灯管直径、灯管内填充气体的种类、气压与温度以及电极 种类( 是冷阴极还是热阴极) 等因素有关。荧光灯点火启动电压范围一般为5 0 0 v 1 2 0 0 v ，灯点燃后稳定工作时的灯端的电压降一般为4 0 v - - - l1 0 v 。 1 1 4 荧光灯的高频工作特性 日光灯一般工作于5 0 - 6 0 h z 。当日光灯工作的频率f 从5 0 h z 增加到约1 5 k h z 时，发现灯的光效1 1 也逐渐增加，然后t 1 基本不变( 见图1 5 ) 。在比5 0 k h z 更高的频 率下，t 1 先是减小，而到5 0 0 k h z 时再增加。表1 1 给出了4 0 w 灯在不同频率下灯 的特性变化。 图1 5 在功率恒定时灯的效率玎随频率f 的改变 表1 14 0 w 灯在不同频率下的特性情况 由图1 5 和表1 1 可以看到，日光灯高频工作时，灯的特性有以下几点明显 的变化： 4 第1 章绪论 ( 1 ) 高频时，灯的畸变因子q 的值增加，灯的功率只也增加。这一点是容易 理解的，当f 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，畸变因子必接近于l 。 ( 2 ) 在2 5 k h z 的高频下，灯的光效e l 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l i , 6 0 h z 时增加1 。据认为，这是 由于j 下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。 1 1 5 荧光灯的分类 按功率可以分为以下三类： ( 1 ) 标准型 在标准条件下( 环境温度2 0 2 5 、湿度6 5 以下) ，为获得应有的 发光效率，将管壁温度设计为最佳值( 约4 0 ) ，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 。 1 2 电子镇流器概述 作为驱动荧光灯的电子镇流器电路，需要适应它所驱动的荧光灯管的特性， 即做到驱动电路与负载电路之间相匹配。如前所述，荧光灯管一旦启辉发光后， 在正常工作状态下，它可以等效为一个电阻，即灯管电压与电流的比值。不过， 这个电阻并非一个恒定的电阻，而是变化的，因为当灯电流增加时，灯管两端 的电压会下降，即随灯管电流的增加，灯管的等效电阻将下降，所以对于这样 一个负载，驱动它的电路应当具有较高的输出阻抗，即具有恒流特性，以便限 制灯管的电流，使之不至因外电压的波动引起灯管电流过大而损坏。可见，电 5 第1 章绪论 子镇流器电路应当具有镇流作用。 综上所述，电子镇流器的作用首先要提供一个足够高的启动电压使灯管启 辉。其次，灯点亮后，应当提供一个合适的并受到限制的灯电流。为了提高灯 管的发光效率并避免灯管在低频工作状态灭弧的缺点，电子镇流器应当工作在 高频状态，其频率在2 0 , - - 一5 0 k h z 。 1 2 1 镇流器的作用 镇流器在同光灯中担负着三个任务： ( 1 ) 预热灯丝 安装日光灯时，镇流器的接入是与灯管串联的，当接通电源的几秒钟内， 由于镇流器的作用，使流过灯丝的预热电流限制在所需的数值，既防止了因预 热电流过高而烧断灯丝又保证了阴极具有热电发射能力。 ( 2 ) 产生脉冲高电势 对电感镇流器，启辉器的两个电极断开的瞬间，在灯管两极问产生一个脉冲 高电势，使灯管点燃放电。 ( 3 ) 稳定电流 灯管启动之后，保持稳定放电，使灯管上的工作电压和通过灯管的电流为 额定值。 1 2 2 电子镇流器原理 电子镇流器是一个将工频交流电转换成高频交流电的变换器，其基本工作 原理如图1 6 所示。 焉莎1 鎏鎏鲨r 1 整流器r 1 竺竺兰广 兰兰兰i 图1 6 电子镇流器方框原理图 工频电源经过射频干扰( r f i ) 滤波器、全波整流和无源( 或有源) 功率因数校正 6 第1 章绪论 器( p p f c 或a p f c ) 后，变为直流电源。通过d c a c 变换器，输出2 0 一1 0 0 k h z 的高 频交流电源，加到与灯连接的l c 串联谐振电路加热灯丝，同时在电容器上产生 谐振高压，加在灯管两端，但使灯管“放电变成“导通”状态，再进入发光 状态，此时高频电感起限制电流增大的作用，保证灯管获得正常工作所需的灯 电压和灯电流，为了提高可靠性，常增设各种保护电路，如异常保护、浪涌电 压、电流保护和温度保护等。当然这一变换本身必须是高效、成本低而且安全； 对电源网络、放电灯均不产生不良影响：镇流器本身应有足够的稳定性和可靠 性，并且价格低，寿命长。为了满足这些要求，一个功能齐全又有实用价值的 电子镇流器应当包含如图1 6 所示的几个组成部分1 4 j 。 在图1 6 q h ，输入的a c 电压在整流之前，首先经过e m i 滤波器滤波。e m i 滤 波器一般由电感和电容元件组成，是用来抑制因辐射和传导所引起的电磁干扰， 要求由外界来的电磁干扰不影响电子镇流器的工作，同时来自镇流器内部的高 频干扰信号也不要通过传导方式和辐射方式对同一环境中其它无线电设备造成 干扰以便达到电磁兼容。 对于高品质的电子镇流器，在其全桥整流器与大容量的d c 滤波器之间，往 往要设置一级功率因数校正( p f c ) 升压型变换电路。其作用就是获得低电流谐 波畸变，实现高功率因数。d c a c 逆变器的功能是将直流电压变换为高频电压。 高频变换部分的核心是功率开关元件。逆变电路的开关频率一般为2 0 5 0 k h z ， 输出波形取决于电路结构的选择。高频电子镇流器的输出级电路通常采用l c 串 联谐振网络，灯的启动必须通过l c 电路发生串联谐振，利用启动电容两端产生 的高压脉冲将灯引燃。在灯启动之后，电感元件对灯起限流作用。 为使电子镇流器安全可靠的工作，有时还需要附加辅助电路，即异常保护 电路。有的从镇流器输出到逆变电路引入反馈网络，通过控制电路以保证与高 频产生器同步化。目前比较流行的异常保护电路是将电子镇流器输出信号采样， 一旦出现灯开路或者灯不能启动等异常状态，则通过控制电路使振荡器停振， 关断高频变换器输出，从而实现保护功能。在电子镇流器中，还可以增加一些 附加电路，如保护电路、调光电路等，这样无形中增加了电子镇流器的功能， 扩大了它的应用范围。 1 2 3 电子镇流器的设计指标 由于荧光灯是一种特殊的非线性负载，对其有许多特殊要求，有很多需要 考虑的问题，国内外对荧光灯电子镇流器已有许多标准，在这里列出设计时应 7 第1 章绪论 特别注意的一些指标。 1 功率因数( p o w e rf a c t o r ，p f ) ； 2 输入电流总谐波失真( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) ； 3 电子镇流器的电磁兼容问题； 4 瞬态电压保护； 5 电网调节能力； 6 开路电压； 7 频闪问题； 8 灯的触发策略； 9 电流峰值因数c f ； 1 0 功耗与温升； 1 1 应力参数； 1 2 工作频率的选择。 1 2 4 电子镇流器与灯管的匹配 电子镇流器与荧光灯匹配是个既重要又很复杂的问题【5 。7 j 。只有匹配好才能 工作在最佳状态，才能保证荧光灯很高的光效，才能长期可靠的工作。但影响 电子镇流器与荧光灯匹配的因素很多，不少的因素还都是非线性的。诸多的因 素，如电源电压波动、工作频率漂移、温度变化、灯管电流变化等等都将影响 二者的匹配。总体来说，当电子镇流器与荧光灯配套工作时，为保证荧光灯能 正常点燃，且能够工作稳定，其必须具备以下功能： ( 1 ) 提供足够高的启动电压，使灯点火成功。如果是预热型阴极荧光灯，则 灯管启动时必须先在灯丝上施加一定时间的预热电流，然后在灯管两端施加所 需启动电压【8 】。如果没有预热或预热时间不够，冷态高压启动将会损伤电极，使 灯管两端发黑，缩短其使用寿命。 ( 2 ) 在点火成功之后，给灯提供一个大小合适而且稳定的工作电流。灯电流 若高于其额定工作电流，会影响灯的使用寿命；若低于额定工作电流，则会影 响灯的光效。电子镇流器的输出功率，及施加于灯两端的电压与提供给灯的实 际电流必须与所配的灯参数相匹配。 ( 3 ) 必须将电流谐波含量控制在标准规定范围之内，以防止对电网造成严重 8 第l 章绪论 污染，并获得高功率因数。如果功率因数过低和谐波畸变系数太大，将会增大 电子镇流器中各种元器件的温升与损耗，电路的可靠性进一步下降，形成镇流 器的恶性循环。而且，由于电子镇流器工作在较高频率下，所以必须将其电子 干扰( e m i ) 和射频干扰( r f i ) 降低到可以接受的程度【9 1 。 ( 4 ) 灯电流波峰系数不能大于1 7 。波峰比较大，则意味着电流峰值较大，这 将会导致阴极发射物质过分蒸发和发射能力下降，从而加剧离子流的溅射破坏 作用，形成恶性循环，大大减少荧光灯的寿命。 ( 5 ) 必须具有较高的安全性与可靠性【m 。2 1 。如果电子镇流器的安全性与可靠 性没有最基本的保证，就将失去其实用价值。 1 3 荧光灯照明系统的研究现状 现有的荧光灯照明系统是采用一个灯管配一个电子镇流器的模式，在n 个 荧光灯组成的照明系统中存在n 个a p f c 电路和n 个驱动电路，这些频率虽然相近 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【l3 1 。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d n l o 1 5 元，所以没有大量被推广。本文提出的集中式电子镇 流器可有效地解决以上问题，并且具有e m i 干扰小、效率高、经济性好、可实现 智能化管理。 1 4 选题的意义 近年来我国的电力工业有较大的发展，我国每年照明用电约为2 0 0 0 亿千瓦 时，略高于发电总量的1 0 。1 9 9 7 年1 0 月1 日我国“绿色照明工程 正式启动， 如果绿色照明推广成功，那么每年就能节约用电3 0 0 亿千瓦时，能为国家节约较 多的资金。因而，研制和大力推广应用节能型镇流器具较大的经济效益和社会 效益【1 4 , 1 5 】。由于传统高频荧光灯照明系统是一个荧光灯管一个电子镇流器，功率 因数的补偿及谐波的消除分散到各个灯管，势必导致功率因数的补偿及谐波的 消除效率不高，消耗大量的元器件，为此，本文对集中式电子镇流器进行了较 为深入的研究。 集中式电子镇流器的突出优点是： 9 第1 章绪论 ( 1 ) 把原来对分散功率因数校正集中到一个电路上来，从而达到更有效地 提高功率因数的目的； 。 ( 2 ) 可集中对非线性负载产生的谐波进行集中治理，提高谐波治理的效率； ( 3 ) 便于集中对荧光灯照明系统进行管理，以提高管理效率； ( 4 ) 节省元器件，节约成本。 本课题便是在上述背景下展开工作的，在研究和实践过程中，将集中镇流 供电理论应用于照明系统中，用来提高供电效率、节约能源，为照明系统找到“最 佳”的供电方案。 1 5 本文主要工作 本文以节省电能、节省材料为目标，从新的角度来讨论和研究集中式电子 镇流器，为荧光灯绿色节能照明的大规模推广提供了可行的新技术。具体来说， 本文完成的工作包括： 论文第一章介绍了荧光灯电子镇流器的基本结构与工作原理，以及荧光灯 负载的特性，并介绍了电子镇流器的几个关键问题。 论文第二章首先通过比较传统集中供电的两种镇流方式，即直流4 0 0 v 集中 供电方案和交流2 0 k h z 集中供电方案，确定了基于d s p 控制的集中式电子镇流 器。并对一输入电压为1 6 0 v 2 6 5 v ，输出电压为a c 2 0 0 v ，输出功率为4 5 0 0 w 的集中式电子镇流器的主电路进行了设计。 论文第三章介绍了电子镇流器控制电路的设计，其中包括有源功率因数校 正电路以及半桥逆变电路的控制系统设计。最后并提出了基于d s p 的控制系统设 计以及给出它的主要硬件电路图。 论文第四章主要工作是在m a t l a b 下搭建了电子镇流器主电路模型，在此 基础上进行了逆变电路的建模与仿真工作并给出仿真结果及其分析。 论文第五章设计以t m s 3 2 0 c 2 8 1 2 为数字控制核心的系统的软件程序，在此 基础上，介绍了p w m 产生程序以及a d 采样程序。 论文第六章提出并介绍了电力线载波通信实现集中式监控的方法，通过市 电电网作为通信媒介实现对荧光灯的集中式的检测和控制技术。 第七章对论文所提出和研究的各项新技术进行了总结和展望。 1 0 第2 章集中式电子镇流器的主电路设计 第2 章集中式电子镇流器的主电路设计 本章在介绍目前常用的两种集中供电方案的基础上，经分析比较两者的优 缺点，确定了基于d s p 控制的集中式电子镇流器的总体设计方案。在本章中，将 对一输入电压为1 6 0 v 2 6 5 v ，输出功率为4 5 0 0 w ，输出电压为a c 2 0 0 v 的集中式 电子镇流器的主电路进行设计。 2 1 集中镇流方案的比较与选择 2 1 1 直流4 0 0 v 供电方式 1 系统框图 直流4 0 0 v 供电方式系统框图如图2 1 所示。 图2 1 直流4 0 0 v 供电方式框图 输入的交流电源先进入整流滤波电路输出直流电，再通过直流母线连到各 个d c a c 电子镇流器单元，最后输出交流电驱动日光灯。并且可以通过控制器 第2 章集中式电子镇流器的主电路设计 对整个系统进行启动、停止、自动亮度控制，自动开关，分区控制等。这种方 法的优点：利用一个高效率的a p f c 电路对交流2 2 0 v 电压进行整流后获得约4 0 0 v 直流电压，因此在n 个日光灯组成的照明系统中只存在1 + a t r e 电路工作频率， 大大减少了电磁干扰【1 6 】。由于母线上传输的是直流电流，因此线路上只存在电 阻损耗，克服了线路电感上的压降，可长距离传送电能。在通信电路中很容易 分离出直流和通信用高频信号。 缺点是：每盏灯都配有d c a c 变换器和启动电路。 2 线路损耗计算 由于线路上只存在电阻损耗，所以选用导线的型号、规格应与设计要求相 符。导线的额定电压应大于或等于线路的工作电压，导线截面应能保证正常供 电，能满足机械强度的要求，线路术端电压损失不超过允许值，导线的绝缘符 合线路敷设方式和安装环境条件要求。以长度为l 的导线为例，根据电阻的计算 公式： r = p 兰 s ( 2 1 ) 式中r - 导线的电阻( f 2 ) ； p 一导线的电阻率，单位为欧米( q m ) ； l 一导线的长度，单位为米( m ) ； s 一导线的截面积，单位为平方米( m 2 ) 。 在实际应用时，为了方便，截面积s 的单位常用平方毫米( m m 2 ) ，电阻率 的单位便是欧平方毫米每米( o * m m 2 i n ) ，则由式( 2 1 ) 计算得出电阻值如表 2 1 所示。 表2 1 单位长度的铜导线的电阻( 2 5 c ) 1 2 第2 章集中式电子镇流器的主电路设计 由灯管两端的最低启动电压为8 0 v 左右，考虑一倍裕量，则启动电压可达 1 6 0 v ，在直流4 0 0 v 供电方式中，可计算得电路末端电压损失最大值为2 4 0 v 。以 2 5 m m 2 铜芯绝缘线在环境温度2 5 。c 明敷时的允许载流量为例，查表2 2 可得，导 线总的电阻为r 总= 2 4 0 3 5 = 6 8 5 7 1 。由表2 10 0 2 5 m m 2 铜芯绝缘线单位长度的电阻 可得，导线的最大长度l = r 总r = 6 8 5 7 i 0 0 0 0 7 , 9 8 0 m 。 表2 2 铜芯绝缘线明敷时的允许载流量a 2 1 2 交流2 0 k h z 供电方案 1 、系统框图 图2 2 交流2 0 k h z 集中供电系统 1 3 第2 章集中式电子镇流器的主电路设计 交流2 0 k h z 供电方案系统框图如图2 2 所示。2 0 k h z 母线的电子镇流器系统 采用个工作频率为5 0 h z 的交流电变换为2 0 k h z 交流电，然后采用l c 滤波器进 行滤波，再使用体积大大缩小的电抗器去驱动点亮目光灯。 这种方法的优点是：用一台高效率的a p f c 电路对交流2 2 0 v 电压进行整流后 获得约4 0 0 v 直流电压，然后通过d c a c 变换器变换成2 0 k h z 方波，为了减少干 扰进行滤波后再送到每盏灯，因此在n 个日光灯组成的照明系统中只存在1 个 a p f c 电路工作频率，减少了n 1 个a p f c 工作频率。由于母线上传输的是2 0 k h z 的近似为正弦波的交流电流，因此每盏日光灯的驱动线路非常简单，体积减小， 便于安装。 缺点是：因线路上传送的电能是高频的交流电，因此存在电阻和电感损耗， 线路压降增大，不利于长距离传送电能。 2 、线路损耗计算 因线路上存在电阻和电感损耗，线路压降增大。在交流回路中存在电感， 电感包括自感和互感两部分。自感是由于电路中因自身电流变化而出现感应电 动势的现象，自感总是j 下值。互感是因一个电路中的电流变化在邻近另一个电 路中出现感应电动势的现象，互感有正负。自感、互感与导线形状、大小及媒 质分布有关。互感还与导线问相互位置有关。直流导线的自感为 三：_ 2 0 l ( 1 n 型一0 7 5 ) ( 2 2 ) 么万口 式中，a 为导线半径( m ) l 为导线长度( m ) ，l a 两条导线的互感为： m ：掣( 1 n 型一1 ) ( 2 3 ) z 刀口 式中，l 为导线长度( m ) ； d 为两导线间距离( m ) 。 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 ( 2 。1 ) ，式( 2 2 ) 代入式( 2 3 ) 可得阻抗如表2 3 所示。 1 4 第2 章集中式电子镇流器的主电路设计 表2 3 室内明敷铜芯绝缘导线的阻抗( q 砌) 导线截面m m 2 阻抗( q k m ) 明线f 硼i l o om m 2 2 5 4 6 1 0 1 6 2 5 3 5 0 3 2 7 o 3 1 2 0 3 0 0 0 2 8 0 0 2 6 5 0 2 5 l 0 2 4 l 基于以上讨论的两种供电方式，在短距离的楼宇输送电系统中，交流集中 供电方式的要求可以达到，因此本课题根据具体情况选择交流集中供电方式， 在后面章节中将对此进行详细介绍。 2 2 集中式电子镇流器总体结构 基于d s p 的集中镇流式荧光灯照明系统整体结构图2 3 所示。 r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 ： 集中镇流电路 ： 图2 3 基于d s p 的集中式电子镇流器总体结构 1 5 第2 章集中式电子镇流器的主电路设计 主电路是由集中镇流电路，输入滤波电路，电压电流检测电路，输出滤波 电路以及谐振电路等组成，其中集中镇流模块包括三个部分，即整流电路，功 率因数校正部分( p f c ) ，半桥逆变器。控制电路由数字信号处理器t m s 3 2 0 c 2 8 1 2 构成，其由t i 所推出的整合性d s p 软件工具c o d ec o m p o s e r 可以方便的对控制程 序进行编写、执行和查错1 1 7 l 引。输入端和输出端的电流电压检测电路为双环控制 系统，即一个是电压环，另一个是电流环。 集中式电子镇流器工作过程如下：市电单相电压( 2 2 0 v ) 经整流滤波后供给功 率因数校讵电路( p f c ) ，p f c 部分再对输入进行功率因数校正，使得该系统的输 入功率因数为0 9 8 左右，同时避免对电网产生污染，输入的市电经p f c 环节变换 得到4 0 0 v 直流输出电压，为后面的逆变电路提供能量。逆变桥在驱动信号作用 下将整流滤波后的直流电变成一定电压、一定频率的交流电，经隔离滤波后集 中供给灯负载。逆变输出电压经过采样后送给d s p 处理，d s p 对取样信号进行相 应的控制算法处理，输出修正后的s p w m 控制信号使输出电压稳定在期望值上。 下面分别就该系统的主要功能电路进行介绍。 2 3 主电路设计及参数计算 2 3 1e m i 滤波电路 在2 2 0 v 交流电源和整流电路之间接入e m i 滤波器可以有效的解决镇流器 中的传导干扰。常用的滤波器有：电感输入式滤波器、电容输入式滤波器和电 阻输入式滤波器。电感滤波、电容滤波、倒l 型l c 滤波是滤波器的基本形式， 将几种基本滤波电路进行组合使用往往能在镇流器中达到很好的滤波效果。几 种常用组合式滤波器的构成如图2 4 所示。 ( a ) c 型滤波器( b ) t 型滤波器 1 6 第2 章集中式电子镇流器的主电路没计 ( c ) 万型滤波器 ( d ) 实用滤波器 图2 4 常用滤波电路 图中2 4 ( a ) c l 、c 2 能较好的滤除不对称噪声。图2 4 ( b ) 为常用的噪声滤波， 能较好的滤除差模干扰。电容c 1 对差模干扰有旁路作用，l 1 、l 2 呈现高阻抗， c 1 为低阻抗，当l 1 、l 2 使用共模电感时，对于对称和非对称噪声都有较好的 过滤作用。图2 4 ( c ) 所示为常用的兀型滤波器，它对差模干扰有抑制作用。本课 题采用的e m i 滤波器电路如图2 4 ( d ) 所示是实用的线滤波器，在图d 中，e m i 滤波器是一个五端器件，有两个输入端、两个输出端和一个接地端。电路中包 括共模扼流圈( 亦称共模电感，由电感l l 、l 2 组成) 、滤波电容c 1 , - - - , c 3 。l 1 和 l 2 对差模信号和电源电流不起阻抗作用，但对共模信号呈现高阻抗，使之不易 通过。这样就保证了对电源电流的衰减甚微，而同时又抑制了共模干扰信号。 通常l l 和l 2 对称地绕在同一个磁芯上，这样在正常工作电流范围内，由于磁 性材料产生的磁性互相补偿，从而能避免磁通饱和。但对于共模干扰，两个线 圈产生的磁场是相互加强的，对外呈现出的总电感量迅速增大，大大地抑制共 模干扰。l 1 、l 2 的电感量与e m i 滤波器的额定电流i 有关，其关系如表2 4 所 示。c 1 、c 2 的容量范围大致是0 1 一0 4 7 胪，主要用来滤除差模干扰。c 2 、 c 3 跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效地抑制共模干扰，其容量范 围为2 2 0 0 p f 一0 1 胪。 表2 4l l 、l 2 电感量与额定电流i 的关系 2 3 2 整流电路分析与设计 镇流器一般由四个二极管组成的桥式整流电路或者由两个二级管组成的全 波整流电路将交流电转变为直流电经滤波后供给后面的逆变电路作为电源。荧 光灯交流电子镇流器大都采用桥式整流电路，未采取功率因数校正措施的电子 1 7 第2 章集中式电子镇流器的主电路设计 镇流器大多都是采用电解电容作为滤波器将全桥整流电路输出的脉动直流电压 变成波纹较小的平滑直流电压，作为高频逆变器的供电电源。 i a c2iv d lo v d 3 卜 v a c = c 1 2kv d 42、v d 2 图2 5 桥式整流电容滤波电路 如图2 5 所示，在单相交流电压的正半周，整流二极管v d l 、v d 2 导通， 电流流过v d l 、负载和v d 2 ，回到交流电源的负端。当v d l 、v d 2j e 向导通时， v d 3 、v d 4 因加反向电压而截止。在交流电& 的负半周，v d l 、v d 2 截止，v d 3 、 v d 4 导通电流流经v d 3 、负载和v d 4 ，回到交流电源的负端。由此可见，负载 在一个周期内都有电流流过，而且始终是一个方向。 厂厂 石2 石入西 八f 八；一 一目卜 一 国j 导通角 l ，u 图2 6 输入输出波形 图2 6 给出了用示波器测出的输入交流电压吃、滤波电容c 1 两端的电压。 和输入电流l 的波形。若不加滤波电容c 1 ，桥式整流器输出脉动直流电压，频 率是交流输入电压的2 倍，并保持正弦半波波形加了c 1 之后，通过c 1 周期性 的充电和放电，则可以获得纹波比较小的直流电压。但同时由于大容量滤波电 1 8 第2 章集中式电子镇流器的主电路设计 容c l 的存在，交流输入电流乞波形出现严重畸变，不再是正弦波形，而呈幅值 很大的尖峰脉冲。这种电流波形的高次谐波含量很高，致使线路功率因数降低 到0 5 o 6 ，解决这个问题的技术措施就是采用功率因数校正电路，即p f c 电路。 由于没有采用降压变压器桥式整流电路二极管所承受的反向电压比全波整 流所承受的电压要低，所以桥式整流在荧光灯电子镇流器中的应用仍然比较广 泛，所以在本设计中采用桥式整流电路。由电路图可知，v d l v d 4 组成桥式整 流器，在桥式整流器中，每支二极管所承受的反向峰值电压为2 圪，。当交流电 源电压v o c = 2 2 0 v 时4 2 v o c = 2 2 0 v 2 3 1 0 v 。考虑到在用电低谷期，电网电压往 往高达2 7 0 v ，此情况下的峰值电压为2 7 0 , f 2 3 8 2 v ，所以二极管的耐压应当不 低少4 0 0 v 。 设电子镇流器的效率为r = 8 5 ，a c 输入电流为： 歹沪j l ：旦：2 4 0 6 a ” k 。r 2 2 0 8 5 整流桥输出电魏厶= 岳= 等_ 1 1 2 5 a 在整流二极管的选取上一般要求其静态电流容量至少是计算值2 倍。因此， 可以选用m d q 3 0 型的整流桥，其电流容量为3 0 a ，最高反向电压工作电压为 1 0 0 0 v ，最大正向压降为1 5 v ，如果二极管的正向导通压降较小，就可以减少损 耗，提高效率。 2 3 。3 功率因数校正电路分析与设计 由图2 5 的介绍可知，经整流桥输出的直流电压通过大容量滤波电容后，交 流输入电流i a c 波形出现严重畸变，不再是正弦波形，而呈幅值很大的尖峰脉冲。 这种电流波形的高次谐波含量很高，致使线路功率因数降低到0 5 0 6 ，解决这 个问题的技术措施就是采用功率因数校正电路，即p f c 电路。 功率因数的定义是指有功功率和视在功率的比值。线性电路功率因数可用 c o s 矽表示，痧为正弦电流与正弦电压的相位差。但是由于整流电路中二极管的 非线性，导致输入电流为严重的非正弦波形，仅仅用e o s # 已不能表示整流电路 的功率因数。在电力电子电路中，用p f 表示功率因数 1 9 第2 章集中式电子镇流器的主电路设计 阡：! ：掣：告c o s 矽= y c o s 矽 ( 2 4 ) s y m im s lm s l 一 其中：，。为输入基波电流有效值；，。，为输入电流有效值；7 = 手l 表示输 r t n 置 入电流失真系数。c o s