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浙江工业大学硕士学位论文 高压钠灯电子镇流器的研究 摘要 由于不可再生能源可预见性的短缺，节能己经成为一个全球话题，绿色照明正引起了 越来越多的关注。作为一种高效、长寿命的新型电光源，高强度气体放电( h i 曲i m e n s i t y d i s c h a r g e ，h i d ) 灯在绿色照明工程中扮演了重要的角色。因此，与之配套的电子镇流器的 开发研制也成为了研究热点。电子镇流器由于其节能、轻便等一系列优点将逐渐替代传统 的电感式镇流器。 在h i d 电光源中，高压钠( h i 曲p r e s s u r es o d i 吣，h p s ) 灯的光效是最高的，除此之 外，高压钠灯还有寿命长、光色好等优点，所以高压钠灯被广泛应用于广场、道路、码头、 铁路、矿山等室外照明系统。因此，本文主要针对h p s 灯研制电子整流器。 本文在绪论部分介绍了h i d 灯发光原理、电子镇流器的研究现状及h p s 灯对电子整 流器的要求后，理论分析了电子整流器相关技术，如p f c 技术、高频逆变技术、声谐振检 测及解决办法等。在此基础上本文在第三章详细介绍了基于l 6 5 7 4 的2 5 0 w 可调光h p s 灯电子整流器的样机设计、研制步骤和过程，理论分析与实验结果证明了该电子整流器的 高性能。最后本文提出了一种基于z i g b e e 技术的无线节能型h p s 电子镇流道路照明系统， 构建了地址算法和命令帧结构，验证了z i g b e e 技术在此无线路灯监控系统中应用的可行 性。 关键词：高压钠( h p s ) 灯，电子镇流器，功率因素校正，z i g b e e 浙江工业大学硕士学位论文 d e s i g no f e l e c t r o n i cb a l l a s t sf o rh i g h p r e s s u r es o d i u ml a m p s a b s t r a c t b e c a u s eo ft h es h o r t a g eo fn o n - r e n e w a b l ee n e r g y ，e n e r g ys a v i n gh a sb e c o m eaw o r l d w i d e t o p i c b e i n gp a no fi t ，伊e e nl i g h t i n gp r 巧e c t sa r ea t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a sah i g h e m c i e n t ，l o n gl i f et i m el i g h t i n gs o u f c e ，h i g hi n t e n s 埘d i s c h a r g e ( h i d ) l a m p sp l a y s a i li m p o n a m t r o l ei ni t t h e r e f o r e 恤d e v e l o p m e n to ft h e “v ec i r c u i to ft h el 锄p ，n 锄e l yb a l l a s th a sb e c o m e a ni m p o r r t a n tr e s e a r c hp o i m b e c a u s eo ft l l ee x c e l l e n c ei ne r l e r g ys a v i n g ，l i g h t 、v e i g h t ，e t c e l e c t r o n i cb a l l a s tw i l l 铲a d u a l l yt a k et l l ep l a c eo ft r a d i t i o n a le l e c 仃o m a g i l e t i cb a l l a s t h i 曲p r e s s u r es o d i 啪( h p s ) l a m p sh a st h eh i 曲e s tl 啪i n o u se 艏c i e n c ya n da l s oh a sl o n g l i f e ，g o o dc o l o rr e n d e r i n gg o o dq u a l i t i e s ，a n ds oh p sl a m p sa r ew i d e l yu s e di nl i g h t i n gs y s t e m s u c ha ss q u a r er o a d ，w h a r r a i l w a 弘m i n ea n ds oo n t h e r e f o r et h i st h e s i si sa r m e da td e v e l o p i n g e l e c t r o n i cb a l l a u s to fh i dl a l l l p s a tt h eb e g i n n i n go ft 1 1 et h e s i s ，t h el i g h t i n gp r i n c i p l eo fh i dl 锄p s ，t h ec u r r e mr e s e a r c h s t a t u so fe l e c t r o f l i cb a l l a s ta i l dt h er e q u i r e m e n t so fe l e c t r o n i cb a l l a s to fh p sl a m p sa r e i n t r o d u c e d a n dt h e nm et h e s i si n v e s t i g a t e st h ec o r r e l a t i v et e c l l l l o l o g i e so fe l e c t r o n i cb a l l a s t ， s u c h 硒p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) ，h i 曲舶q u e n c yi n v e r t e r ，m e q u e s t i o no fa c o u s t i c r e s o n a n c e sc o n t a i l l i n gd e t e c t i n ga n ds o l u t i o n 、w 哆s a 舭rt h a t ，a2 2 0 v 2 5 0 wd i m m i n ge l e c t r o n i c b a u a s to fh p sl 锄p sb a s e do nt h ei co fl 6 5 7 4i si m r o d u c e dw i t hd e t a i ld e s i g np r o c e s si n c h 印t e r3 t 1 1 et h e o r e t i c a la 1 1 a l y s i sa i l de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r 0 v i d e d t ov e r i 匆i t ss u p e r i o r i t y a tt h ee n do ft h e s i s ，ad e s i g l lo ft l ：岭晰r e l e s sa n de n e r g ys a v i n gh p se l e c t r o n i cb a l l a s t l i g h t i n gs y s t e mo fr o a db a s e do nz i g b e et e c l l o l o g yi sp r o p o s e d ak i n do f a d d r e s sa r i t l l m e t i c a n dt h e 行a m es t r u c t u r eo fc o m m a n da l g o r i 她a r ep u tf o r w a r di nt h i sc h a p t e r ，2 u l df e a s i b i l i t ) ro f t h ea p p l i c a t i o no ft h ez i g b e et e c h n 0 1 0 9 yi nt l l ew i r e l e s sl i g h t i n gm o n i t o r i n gs y s t e mi sv e r i f i e d k e yw o r d s ：h i 曲p r e s s u r es o d i 啪( h p s ) l 锄p s ，e l e c t r o m cb a l l a s t ，p o w e r f a c t o r c o 盯e c t i o n ，z i g b e e i i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 侈掳 日期立晰7 月莎日 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 人授权浙江工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：谬年7f 月莎日 日期：。多年f7 月寥日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第l 章绪论 照明是人类文骧的永恒需求，随着科技进步和人们对生存环境和生活质量要求静不断 提高，人们对照明质量的看法已经从以前的只关心照明电器工作的有效性和安全性转向追 求照明质量、强调照明环境的舒适性。自这不仅意味着人们观念的转变，而且更意味着会 有更高比例的电力被照明用电消耗掉。就我国而言，2 0 0 2 年照明用电已超过1 5 0 0 亿k w h ， 占总发邀量的l o 1 2 溺。随着照鳃用电的不断增加，电力投资要大量的增加，不仅 牵制着国民经济的发展，而且还会造成资源的浪费和环境的污染。因此照明节电具有重要 的意义。特别是2 0 世纪7 0 年代世界性的能源危机的爆发，键使一些科技发达的国家，先 后制定了“绿色照明工程计划( 研e e n “g h t sp r o i e c tp l a n ) 。1 9 9 2 年，美国环保局( e p a ) 在照咀领域首先发起实施“绿色照明( g r e e nl i 曲t s ) ，我国在1 9 9 6 年也正式决定实施“绿 色照明工程【l j ，而高效电光源及镇流器技术被列为重点发展节能技术。自实施“绿色 照明工程”以来，据测算，我国可在“十五和“十一五”期间实现照砺节电3 1 2 亿k w h 和7 2 0 亿k w h 【5 1 。 从1 8 7 9 年爱迪生发明白炽灯开始，电光源就以其稳定，方便，亮度高等优势取代了 传统光源，成为人们生活中必不可少的部分。从白炽灯发展到1 9 3 8 年问世的荧光灯( 只 光灯) ，是照明电光源的一个飞跃。之后又出现了高压汞灯、高低压钠灯、金属卤化灯、 无极感应灯等新型电光源。其中高压汞灯、金属卤化物( m e t a lh a l i d e ) 灯和高压钠( h i 曲 p r e s s u r es o d i 啪，磁s ) 灯属于高强度气体放电甜i 曲i n t e n s 蚵d i s c h a n 玛e ，h i d ) 灯，这类 灯单灯输出光效高，寿命长，结构紧凑，体积小，因此被应用于大面积范围和室外照明， 是目前得到广泛应用的照明光源【2 】。其中具有光效高、寿命长的高压钠灯是h l d 灯的典 型代表，在这些电光源中，高压钠灯被广泛应用于广场、道路、码头、铁路、矿山等室外 照明系统。 根据调研，2 0 0 5 年全圆h i d 灯生产企业5 8 家，比2 0 0 哇年增加6 家，产销量合计 1 2 5 5 8 0 7 万只，比2 0 0 4 年增长3 3 5 9 。依据2 0 0 5 年全国h i d 灯产销量1 2 5 5 8 0 7 万只， 预测“十一五 期间，平均每年将增长1 2 左右，并留有较大的市场变化空间因素，预测 到2 0 1 0 年，全国h i d 灯产销量可实现2 亿只水平【3 j 。见表1 1 l 浙江工业大学硕士学位论文 表1 1“十一五”期闻全豳 l i d 灯产釜预测 预测产销鬟( 万只) 产品名称 2 0 0 5 年2 0 0 6 年2 0 0 7 年2 0 0 8 年2 0 0 9 年 2 0 1 0 年 金卤灯 2 3 9 62 8 0 03 2 0 3 6 5 04 2 0 5 0 0 0 高压钠灯 3 0 4 43 4 0 03 8 0 04 2 5 04 6 0 0 5 0 0 0 高压汞灯 7 1 1 8 7 6 0 08 0 0 08 6 0 09 2 0 0l 0 0 0 0 合计1 2 5 5 81 3 8 0 01 5 0 0 01 6 5 0 01 8 0 0 02 0 0 0 0 丽由于气体放电灯的v 艇工作特性的负阻性，要使气体放电灯稳定工作，往往需要专 门的限流线路才能工作，也就是我们熟知的镇流器。自荧光灯问世后的4 0 年间，人们一 直采用电感式镇流器作为稳流附件。但自1 9 7 8 年飞利浦公司率先研制出电子整流器以 来，电子镇流器的发展已经在理论和实践上取得了很大的进展。电子镇流器也以其体积小、 重量轻、无频闲、低功耗、离功率因数等优点及可调光、智能控制等电感式镇流器无法毙 拟的强大功能逐渐得到人们的接受和认可。在荧光灯领域，电子镇流器基本上取代了电感 式镇流器，但 王d 灯的电子镇流器仍处于研制阶段，未褥到广泛应用，因此电子镇流器具 有广阔的市场前景。且研制适合于h i d 灯的高性能电子整流器可以促进h i d 灯的推广使用， 促进我国“绿色照臻 事业的发展，对节能降耗具有重大现实意义。 但电子镇流器涉及电路拓扑、高频电子变换、零电压开关( z v s ) 和零电流开关( z c s ) 、 lc 串联或并联谐振、谐波滤波与功率因数校正( p f c ) 、电磁干扰抑制( e m 班! m e ) ，信号传 感与信号采集和处理、p w m 控制或频率调制( f m ) 等电力电子技术以及信号传感、采集 和控制、电子元器件、电光源器件及声光学等方方面面。其各项技术指标严格，所以要制 作出一个满足高性能、低价格、小体积、低电磁辐射干扰、使用安全可靠的高频交流电子 镇流器并非易事的。 2 浙江工业大学硕士学能论文 l 。2 常用电光源综述 1 2 1 电光源及镇流器的常用术语 由于本论文是研究高强度气体放电( h i d ) 灯中的高压钠( h p s ) 灯电子镇流器，因 此首先介绍一些电光源及电子镇流器常用术语御口1 ，关于电子镇流器的内容将在下一节中 详述。 辐射通量( r a d i a t i o na m o u n t ) ：发射和接受的电磁辐射总功率，以瓦为单位，它包 括可见光辐射和不可见光辐射两部分。 光通量( l u m i n o u sf 1 t l x ) ：即可见光的输出。由于入眼对不同波长的光的视觉灵敏度 是不同的，因此不能直接用辐射能量来衡量光能的大小，而必须用人日琵对光的相对感觉量 来衡量。光通量是指单位时间内，在可见光波长范围内光源所辐射的光总量，其单位是流 明( 1 m ) 。光源的光通量越大，则人眼感觉越明亮。 照度( i n t e n 8 i t yo fi l l u m i n a t i o n ) ：照度是指在单位光照面积上所接受的光通量， 其单位是：勒可斯( l u x ) ，郎流明米2 ( 1 m m 2 ) 。照度是用于衡量物体表面被光源照亮的 程度的。在其他一切条件保持不变的情况下，照度与光通量成正比。 亮度( b r i g h t n e s s ) ：1 m 2 的面光源在其法线方向的光强l c d ( 坎德拉) ，则光源在该 方向的亮度l c d 心。 光效( l u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c y ) ：光效能是用来度量由辐射所引起的视感觉情况， 是电光源所发出的光通量与它所消耗的电功率之比，其单位是：流盟瓦( 1 m w ) 。光效能 是衡量电光源的一个重要指标，它表示电光源将电能转换为光能的效率，提高光效是目前 电光源研究的一个重要方面。 色温( c h r o m a ) ：绝对黑体在菜一温度发出的辐射光与所试光源的辐射光的光色相同 时，此溢度称为该光源的色温，其符号为r ，用绝对温标表示，单位为k 。如，一个光源的光 色与加热到4 5 0 0 k 的绝对黑体所发的光色相同，则其色温为4 5 0 0 k 。光源色温不同，光色也 不同。 显色指数( k a u f m a n ) ：用不同光色的光源照射物体时，物体显现的颜色( 即物体在人 眼产出生的颜色感觉) 是不同的，这种光源还原色彩的能力就是光源的显色性，也就是颜 色逼真的程度。光源的显色性一般以显色指数l h 表示，其数值越高，颜色还原性越好，我们 赝看到的颜色也就约接近囊然原色。 电子镇流器( b a i l a s t ) ：安装在电源与灯之间，将电源的交流电压变换为高频的交流 电，使灯芷常痘动和稳定工作的变换器或电子装置。 浙江工业大学硕士学位论文 线路功率因数( l i n ep o w e rf a c t o r ) ：镇流器和灯组合体的功率因数，它等于线路有 功功率与视在功率之比，符号记为入。对于商业和工业用的电子镇流器，其功率因数应大 于o 9 。 总谐波畸变( t h d n t a lh a l m o n i cd i s t o r t i o 娃) ：各次谐波分量的方均根值与基波有 效值之比，亦称总谐波失真，以n d 表示之。对于电子整流器，总谐波畸变应控制在3 3 以下。 灯电流波峰因数( c u r r e n tc r e s tf a c t o r ) ：灯电流峰值与方均根值之比值，亦称电流 波峰比，用c c f 表示。波峰因数对灯寿命有很重要的影响，对予电子整流器，推荐的波峰因 数不能高于1 7 ，否则会导致灯管早期发黑，寿命降低，。 频闪效应( f r e q u e n c yf i i c k e r ) ：电光源的光通量随其外部或内部电压、电流及其频率 而发生变化出现闪烁的现象。 1 2 2 常用电光源及分类 l 、常用电光源的分类 目前用于照明的电光源有白炽灯、荧光灯、汞灯、钠灯、金卤灯等。按其发光原理可 分为三大类，即辐射光源( 热致发光光源) ，气体放电发光光源和固体发光电光源【8 1 【9 】。 白炽灯，卤钨灯等属于热致发光光源，其显色性好，色温低，制作简单，成本低，适 合于生活屠室照明，但其效率低，一般约l l 左右，能量多是以热能的形式消耗掉了。 发光二极管、等离子体发光器件等属于固体发光电光源，虽然发光效率或光强度高， 但是目前不能做到大功率化( 如上百瓦) ，同时由于成本等因素，当前使之市场化、规模化 很困难，还有待时日。 气体放电发光光源是指在电场( 电压) 作用下，使电流通过气体或蒸汽发光的光源。 这种光源具有发光效率高，使用寿命长等特点，目前应用极为广泛。气体放电光源根据工 作原理的不同可分为两类：弧光放电灯和辉光放电灯。汞灯、荧光灯、钠灯、金属卤化物 灯均属于弧光放电灯，这类灯主要利用弧光放电柱发光，放电时阴极温度较高，所以又称 热阴极灯，它的特点是阴极压降较小，电流密度较大，这类灯通常需要专f _ 】的扇动器件和 工作线路才能正常工作；霓虹灯属于辉光放电灯，这类灯利用正辉光放电柱发光，放电时 骥极温度不高，所以又瑶唾冷阴极灯，它的特点是瞬极压降较大( 约l o o v 左右) ，电流密 度较小，通常需要很高的工作电压。 根据放电管中放电气体的气压不同，气体放电灯又可以分低气压气体放电灯和高气压 4 浙江丁业大学硕士学位论文 气体放电灯，另外还有超高气压灯，如镝灯，钪钠灯等。其中： ( 1 ) 低压气体放电灯。放电时，灯内气压为o 0 1 个标准大气压左右( 约l k p a ) ，如 荧光灯、低压钠灯等。荧光灯是室内照明的主要电光源，具有自炽灯无法比拟的优点：光 效高，寿命长，普通4 0 瓦荧光灯的光效可达6 0 l 州w ，是白炽灯的3 倍，寿命可达l 0 0 0 0 小时，比白炽灯高l o 倍，显色性好，色温范围较宽；低压钠灯的光效可达1 0 0 2 0 0l l n w ， 但它的显色性差。 ( 2 ) 高压气体放电( h i d ) 灯。放电时，灯内气压为1 5 个标准大气压左右。高压 汞灯、金属卤化物灯和高压钠灯属于高压气体放电灯，即高强度气体放电灯。高压气体放 电灯与白炽灯相比，其发光光效大大提高，可节约大量电能。 2 、h i d 灯的特点 在h i d 灯的三类电光源中，高压汞灯由于光效相对较低、显色性较差且寿命较短， 已经逐步被淘汰，丽高压钠灯和金属卤化物灯则具备了光效离、显色性好、发光集中等优 点，己经成为继囱炽灯、荧光灯之后的第三代电光源典型代表。表1 2 是几种高强度气体 放电灯的性能比较【l0 1 。在这些电光源中，虽然其光色稍逊，俚其光效是所有能发出接近囊 光的人工光源中最高的，近年来又开发出高显色高压钠灯，显色指数8 0 左右。而且其还有 寿命长( 长达2 4 9 小时) ，光穿透性强等优点，己逐濒被广泛应用于广场、道路、码头、 铁路、矿山等室外大面积照明系统。本文主要研究高压钠灯电子镇流器。 表1 - 2 高强度气体放电灯性能比较 灯类型高压汞灯高压钠灯金属卤化物灯 主要填充气体汞蒸汽钠蒸汽、汞蒸汽、碘化钠、碘化铊、碘化铟 氤 功率范围 1 0 矾k i o k w3 5 k l5 0 0 w2 5 w lo k w 显色指数 2 0 3 03 06 0 9 0 光效( 流明，瓦) 4 0 v 6 07 0 1 2 5 6 0 1 2 0 光色淡簸一绿色黄金白色白色 平均寿命( 小时) 5 k8 k 2 4 k5 0 0 2 0 k 主要应用场合厂房照明、室内夕 照道路、机场、码头及广场、商场、体育场照明、建筑 明工矿企业照明物泛光及投光照嚼 5 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 3h i d 灯发光原理和启动过程 在逯常情况下，气体是良好的绝缘体，不能传导电流。但是在一定的条件下，如强 电场、光辐射、离子轰击或高温加热下，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。 l 、气体放电原理f 1 】f l o 】 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，并遴过各种相互作用把能量传递给其它粒子，这些得 至l 能量的粒子可能被激发，形戒激发态粒子，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，利用这一原理制造而成的 光源称为气体放电光源，俗称气体放电灯。 气体放电灯的发光原理是基本相磊的，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。它们的放电灯扁动过程也是基本相近的，都是通过点火产生弧光 并使之稳定的过程。图1 1 是气体放电灯的伏安特性曲线，反映了是气体放电灯的启动过 程，鼗线的各段工作过程分析如下： u o 暗电流放电区 辉光放电区 弧光放电区 ed _ 占 一 毽厂 i f 着火点 | e f 异 粪 燕 差一 常 辉 光光 k 一 图1 ，1气体放电灯的伏安特性曲线 0 c 段：对h 工d 灯施加电压后，灯中填充的气体从初始的非导电状态激励到导电状态， 放电电流很小，范围在1 0 喇一1 0 q 2 a 之间。在放电的这一阶段中，放电的进行和维持仍依 赖于外致电离源的存在，撤去外致电离源，放电不能自行维持，将会停止，因此这一阶段 是非自持放电，整个过程是人眼不可见的。 6 浙江工业大学硕士学位论文 其中o a 段属于起始段，由于场致电离，管内电离形成的电子和离子在外加电压形成 的极间电场中漂移，形成微弱的电流；随着电场强度进一步增强，由于场致电离产生的带 电粒子全部到达阳极，电流饱和，即饱和段a b ；继续增大电极间电压，此时电流迅速增 加而电压不变，放电进入汤森德放电阶段，即b c 段。这一阶段，由于极间电压已较大， 电子在电场中获得的能量已达到可以使中性气体原子产生碰撞电离，由于这种碰撞电离， 气体中的自由电子数成倍增加。 c d 段：在此区域电压非常小的上升将导致电流的急剧增长，将产生“电流击穿”，此 时放电变为自持的了，不需要外致电离源。此时，放电的发光很微弱，故称为自持暗放电。 电流击穿后，若进一步增加放电电流直至某一点时( d 点) ，电极间的气体会发生电压击 穿，这一电压称为气体的击穿电压，击穿过程也叫放电点火过程，气体的击穿电压也叫着 火( 点火) 电压或启动电压。 d e 段：到d 点后，电压急剧下降至一个相对低的水平，电流则迅速增大，放电进入 亚辉光放电阶段。原因是由于电流的增加导致灯管的导通，导通后其内阻由原来的无穷大 降低到很小，灯管内阻的减小带来管压降的减小，并且远远大于电流增大造成的管压降的 升高，所以总的管压降下降很多。 e f 段：当继续增大电流，放电进入正常辉光放电阶段。此段电流增加，电压基本不 变。原因是在这个范围内，阴极并没有全部用于电子发射，而用于发射的面积正比于电流。 所以电流的增加只增加阴极的发射面积，而不改变其管压降。 f g 段：随着电流的进一步增加，阴极的电流密度就必须增加，因此管压降上升，放 电进入了异常辉光放电阶段。， g h 段：继续增大电流，当阴极温度升高到能产生显著的热电子发射时，阴极位降又 开始减小，阳极位降上升，于是管压降再次大幅度下降，最后达到某一弧光放电值，产生 强烈的弧光，放电进入了弧光放电阶段，这是h i d 灯的正常工作区，灯负载处于恒功率状 态。 若灯电流一直继续增大，灯功率超过额定值，灯电压将跨过谷点( h ) 随灯电流的增 大而逐步升高。此时灯负载功耗将显著增大，由于过热而使灯负载的工作寿命大大缩短， 这是镇流器设计者应该避免的问题。 2 、h p s 灯启动对电子镇流器的要求 ( 1 ) 冷启动。h p s 灯只有工作电极，而没有辅助电极，弧光管直径很小，充入氙气作 为启动气体，需要足够高的脉冲电压使氙气击穿电离，且能够提供足够的能量使辉光放电 7 浙江工业大学硕士学位论文 尽快转化为弧光放电，因此需要施加高压脉冲电压。但这种瞬间高压冷启动易损伤灯丝( 溅 射) ，缩短了灯的寿命。因此可以采用预热启动。 ( 2 ) 热启动。从上述工作过程可知，若 l 至蚤灯出现故障或有意中断工作而灯弧尚未冷 却时进行热点火，则需要比冷态情况下高得多的点火电压。因为灯熄灭后，灯管内部温度 和蒸气压力仍然很高，在原来的电压下，电子不能积累足够的能量使原子电离，所以不能 形成放电。因此实际应用中往往等h i d 灯重新冷却后再点火。 l 。3h p s 灯电子镇流器概述 1 3 1 电子镇流器的优越性 高压钠灯( h p s ) 正常工作时处在弧光放电区域( 即g h 段) ，在这一区域我们发现： 放电电流增大时，管压降反而减小。这就是说，此时放电表现出一种负阻特性，其伏安特 性也因而称为负伏安特性。这种负伏安特性如图1 3 所示。 u o 图l ，3 高压钠灯的负陬特性 因此，高压钠灯不能童接应用于电压源上，否则微小的电压波动将导致电流过大烧毁 或者熄弧。为使高压钠灯稳定工作，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，这种装置被称为镇流器。因此镇流器的基本功能是防止电流失控，使灯在正 常的电特性下工作。 l 、电感式镇流器 长期以来，电感式镇流器以其可靠性较高，使用寿命较长的优点在镇流器市场中一直 受到人们的青睐。但这种镇流器在工频下要起到有效的限流效果需要较大的元件标称值， 同时体积较大，隧之丽来的损耗也大，且存在工频嗓音。 此外图l 一4 是高压钠灯电感式镇流器工作波形，由从图a ) 可以看出，输入电压和电 浙江工业大学硕士学位论文 流之问存在明显的相移的畸变，因此功率因数低：图b ) 中灯电流过零既灯熄灭时，灯电 压最大即重复点火，这就是所谓的再点火现象。再点火将缩短灯的寿命，同时灯电流过零 时间过长会出现频闪，甚至使灯完全熄灭。 a ) 输入电压和电流b ) 灯管电压和电流 图1 4 高压钠灯电感式镇流器工作波形 2 、电子式镇流器 电子镇流器相对于电感式，其优势是非常显著的【l l j 【1 2 】： ( 1 ) 电子镇流器能耗低，工作效率高。各种气体放电灯电感镇流器功耗一般约为灯功 率的2 0 ，而电子镇流器功耗可降低至7 以下。采用电子镇流器后，节电效果明显。在电 子镇流器自身损耗相同的情况下，灯功率愈大，节能效果愈显著。 ( 2 ) 电子镇流器可以增加光输出，提高灯光效。在输入功率不变的情况下，眦d 灯的 光效随着频率的提高而提高。使为达到同样的光输出，采用高频电子镇流器灯功率可以减 小。 ( 3 ) 电子镇流器具有高功率因数。传统的电子镇流器的输入功率因数一般仅为0 5 0 6 ，而采用了功率因数校正措施的电子镇流器很容易达到o 9 5 以上，甚至达到o 9 9 ，有 效的提高了电源利用率，减少对电网的谐波污染，改善供电质量。 ( 4 ) 电子镇流器具有良好的恒功率特性。h i d 灯的灯管电压会随着灯管的不断老化 而逐渐增大，而传统电感镇流器具有恒流特性，这就导致了灯管在使用寿命期间功率不断 增大，加速了灯管老化。而电子镇流器采用对h i d 灯的输出功率进行检测和反馈，维持 输出功率不变，就可以很好地控制灯管功率，有效地延长了灯管寿命。 ( 5 ) 电子镇流器易启动h i d 灯。在交流市电供电电压低或电压波动范围较大时，采 9 浙江工业大学硕士学位论文 用电子镇流器也能很容易将灯启动。 ( 6 ) 电子镇流器电路有异常工作状态保护控制功能。在灯负载出现异常工作状态，如 灯丝断开，灯不启动、灯管不在位等时，电子镇流器都会得到保护而不致损坏，从而延长 了其使用寿命。 ( 7 ) 电子镇流器可实现调光和智能控制。电子镇流器在采用调频、脉宽调制及光控等 技术的前提下，容易实现可调光和智能化照明系统。 另外，电子镇流器还具有体积小、重量轻、无频闪、无嗓音，易于白控和群控的优点。 1 3 2h p s 灯对电子镇流器的要求 根据h p s 灯的特点，在使用中应使灯管的工作性能与电子镇流器性能相匹配，以使 灯能工作在最佳状态，对电子镇流器提出了以下几项具体要求【l 】【1 1 】： ( 1 ) 能输出足够大的功率。目前国产荧光灯交流电子镇流器大多在4 0 w 以下，最大 输出功率不超过8 0 w 。而h p s 灯功率往往达到数酉瓦，有的h p s 灯达1 0 0 0 w ，这就对 镇流器中的功率开关晶体管提是非常高的要求。电子镇流器很好地控制灯的输出，使输擞 在灯允许的功率范围内，不仅能发挥h p s 灯的优点，而且不影响灯的寿命。 ( 2 ) 能提供足够高的触发启动电压。l p s 灯的触发启动电压往往达3 4 k v ，但是要 求这一高压必须匹配h p s 灯的启动特性，使h p s 灯可靠的扁动，并且要求在启动过程中 不褥对灯和电子镇流器中的器件造成损害。 ( 3 ) 能消除“声谐振现象。h p s 灯在高频电源供电的情况下，会出现放电电弧不 稳定的现象，轻则是灯光抖动，重则烧毁灯管。电弧不稳往往引起熄弧，随电压升高电流 急剧增大，最终会使得灯和镇流器都损坏。 ( 4 ) 能连续长时间点燃，在恶劣的环境条件下可以正常运行。像h p s 灯主要用作室 外的照明，环境恶劣，且往往要连续点燃1 0 小时左右。因此要求h p s 灯电子镇流器必须 能耐高瀣、耐低温、防风沙、防雨淋，同时还要求供电突然中断又立即恢复时熊正常工作。 ( 5 ) 在h p s 灯出现故障或烧毁时，镇流器不应损坏。为此，要求镇流器具有完善的 傈护功能。 ( 6 ) 鉴于h p s 灯功率比较大，要求电子镇流器对输入电流谐波、射频干扰和电磁辐 射具有足够高的抑制能力。 电子镇流器己列入国际电工委员会( i e c ) c b 公报和中国电工产品认证委员会( c c e e ) 认证范豳；其认证依据为疆c 9 2 8 9 2 9 9 0 制订的国家标准，1 5 1 4 3 9 4 管形荧光灯用 l o 浙江工业大学硕士学位论文 交流电子镇流器般要求和安全要求，玎1 5 1 4 4 9 4 管形荧光灯用交流电子镇流器的 性能要求。 高性能的电子镇流器要求保证使用安全、可靠，其特点、要求包括： ( 1 ) 高功率因数( 国标“l 1 级要求 o 8 5 ) ； ( 2 ) 低谐波含量( 1 h d l5 ) ； ( 3 ) 灯电流波峰系数低( c c f 0 。9 8 ) 、降低谐波含量 ( t h d 1 5 ) 、灯电流波峰系数( c c f 1 7 ) ，实现绿色电网。同时采用预热软启动、软 开关、电磁兼容饵醚c ) 等新技术，使性能、可靠性进一步提高。 3 、近几年随着电力电子技术的发展和新型电力电子器件的采用，特别是电子镇流器 新型功率开关器件和高性艉专用集成控制芯片出现，加上广泛采用表面贴装器件( s 麓d ) 技术，大大提高了电子镇流器性价比和可靠性。 4 、利用晷际通用电力电子仿真软件对 薹l d 灯用电子镇流器进行仿真研究，仿真模型 的建立对于电子镇流器的优化设计和研究推广都有着重要的意义。h i d 的模型建立是与 电、光、气体、声、热等褶关的学科，众多学者采取了各种方法进行了研究。有些研究结 浙江工业大学硕士学能论文 采对高频适用，有些对低频状态适用，这是撒d 研究的技术难点。 5 、在h i d 电子镇流器内部控制芯片中增加微处理器，可以实现h i d 电予镇流器的 智能化，使其具有通信、功率控制、调光、寿命预算、故障检测等功能。其中通信方法可 以包括电力线载波、无线、红外及各类现场总线等。 到嗣前为止，采用交流电子镇流器价格还是高于普通电感式电子镇流器，虽然采用交 流电子镇流器可比普通电感式节电2 0 2 5 ，交流电子镇流器较高的价格会因此而得 到补偿，但如何在保证电子镇流器嵩性能、高可靠性基础上降低其造价，提高其性价比和 市场竞争力，也是目前厂商致力解决的问题。 目前国内也有许多厂家开发h l d 电子镇流器，由于起步较晚，但尚处于起步阶段， 与国外发达国家相比，存在较大差距。目前要做出一个既满足电磁辐射干扰、输入功率因 数、波峰因数、工作可靠性等技术指标要求，又使其体积小、造价低的电子镇流器并菲易 事。 1 4 本文主要研究内容 本文绪论部分介绍了h i d 灯发光原理、电子镇流器的研究现状及h p s 灯对电子整流 器的要求后，第二章详细介绍了电子整流器相关技术，如p f c 技术、高频逆变技术、声 谐振的产生、检测及解决办法等。 第三章分析了基于l 6 5 7 4 的2 5 0 w 可调光h p s 灯电子整流器的设计、研制步骤和过 程。主要包括：设计合理的功率因数校正电路，提高电子镇流器输入端功率因数并减少电 流谐波含量；设计出合理的半桥逆变电路，避免“声谐振”现象的患现，减少功率损耗， 提高整个装置的功率密度；设计可靠的启动电路，启动电路不仅要产生高达数千伏的启动 脉冲电压，而且所产生的高压不徭对电子镇流器其它部分的器件造成伤害。理论分析与实 验结果证明了该电子整流器的高性能。 第豳章提出了一种基于z 遮b e e 技术的无线节熊型h p s 电子整流道路照明系统，验证 并实现z i g b e e 技术在此无线照明路灯监控系统中的应用。 第五章对本文的工像进行了总结，并展望了未来的工作。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章电子镇流器的相关技术研究 高压钠灯电子镇流器起源于荧光灯电予镇流器，所以在总体结构上与荧光灯电子镇流 器类似，但是具体的电路拓扑和控制方法要复杂得多。高压钠灯电子镇流器的原理框图如 图2 1 所示【阚。 图2 1 辩p s 灯电子镇流器原理方框图 由图可知，高压钠灯电子镇流器电路本质上是a c 国c 缓c 高频变换器，将2 2 0 v 垮0 h z 工频交流电压经整流、滤波、功率因数校正后变成稳定的直流电压，为了防止高压钠灯极 化，必须将直流电压逆变成高频电疆，供给高压钠灯。从中我们可以看出看似篙单的电子 镇流器涉及电路拓扑、电磁干扰抑制( e m i e m c ) 、功率因数校正( p f c ) 、逆变、lc 串联 或并联谐振等相关技术。 2 。薹电子镇流器的电路拓扑 在h p s 灯电子镇流器领域的研究中，新的拓扑结构和控制方法不断出现。对于不同 的设计方案，结构上也会有所变化，目前在研究 糟s 灯电子镇流器领域主要有如下三种 典型拓扑结构1 7 】【1 9 】： 第一种结构是沿袭传统电感镇流器的工作模式的三级式电子镇流器。该镇流器的结构 框图如图2 2 所示。这种拓扑结构的主要思想是使电子镇流器工作在低频状态，用低频恒 流源来直接驱动h i d 灯，灯能够稳定工作，无需电感镇流器。e b s 公司的j a n e sm e l t s 于 1 9 9 4 年在p e s c 会议上发表了采用低频恒流源的h i d 灯电子镇流器【1 8 】。 一藿) 浙江工业大学硕士学位论文 图2 2 三级式电子镇流器框图 m p 三级式电子镇流器的工作特点是：前一级( a c d c 级) 交流市电经过整流、功率因 数矫正，使电子镇流器的功率因数得到提高，并褥到直流母线电压；采用适当的控制策略， 使中间级( d c d c 级) 的电路成为一种功率可调的恒流源；后一级( d c a c 级) 中的方 波逆变器工终在低频方式下，一般是1 0 0 碡0 艇眨左右，匿酶是避免瓣l d 灯工作在直流状 态下影响灯的寿命。这种工作方式的电子镇流器因为工作在低频可以有效的避免声谐振现 象( 声谐振会造成电弧不稳定，严重影响照骧效采) 。但是这种方式的缺点也缀明显，它需 要三级功率变换器，造成整个电子镇流器的效率不是很高，而且成本不低，控制比较复杂。 第二种h 国灯的电子镶流器掘羚可以称为两级式电子镇流器，这种电子镇流器的结 构如图2 3 所示。 图2 3 二级式电子镇流器框图 m p 这种两级式电子镇流器结构第一级( a c d c 级) 仍旧采用了功率因数校正技术( 常用 b o o s t 型a p f c 电路) ，第二级( d c a c 级) 为桥式逆变电路，可以是半桥也可以是全桥， 可以输浅赢频也可以输出低频，灯的启动可以为谐振启动也可以用脉冲变压器启动。这种 两级式电子镇流器使电子整流器功率因数高，t h d 及各次谐波指标均能满足要求，性能得 到了提嵩，是电子镇流器研究的热点。但该电路的主要缺点是所需元件比较多，成本高。 第三种电子镇流器的拓扑是单级式电予镇流器。为了减少电子镇流器的元件数量，降 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 低成本，将传统的a c 。d c 和d c a c 两级结构的电子镇流器整合为a c a c 单级结构的电 子镇流器。此种具有有源功率因数校正功能的单极式功率变换器是今后电子镇流器的研究 发展方向。 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。对 单级电子镇流器来说，由于p f c 电路与负载电路相关联，在设计时必须综合考虑，从而 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。目前国内外对单级电子镇流器的研究主要集中在荧光灯领域【2 0 1 ，国外已 经将萁成功地应用到了小功率荧光灯电子镇流器中。在高强度气体放魄灯方面，还处于研 究的初级阶段。 2 2电子镇流器功率因数校正( p f c ) 技术 电子镇流器需要把电网的交流电整流成直流电，若采用篙单的带电容滤波二极管不控 整流电路，虽然成本低，却使输入端的电源电流谐波含量过离。如果少量使用，其危害并 不大，健若是千家万户密集使用，所产生的谐波电流会对电力系统造成严重污染，影响到 整个电力系统的电气环境，包括电力系统本身和广大用户。在人们追求绿色能源的今天， “谐波污染”问题已弓| 起了入稍广泛的关注，解决这一问题的有效办法就是对用电设备进 行功率因数校正功率因数校正( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，p f c ) 技术。同样在电予镇流器技 术中，功率因数校正己成为提高电子镇流器性能，实现绿色照臻的关键技术。 总之功率因数校正技术的基本思想就是使整流电路的输入电流尽量的正弦化，提高电 网的功率因数，并减少电网的谐波含量。 2 2 1 功率因数与总谐波畸变 功率因数( p o 、e rf a c t o 囊p f ) 的定义是指输入有功功率和视在功率的比值，用名表示， 在非线性电路中，根据定义【2 1 】 ， p = 一= s y 二王1 删譬! 墅堕一j l 脚艘i 里l 一 ! ! 型竺! 竺i 吒百一了二i 一瓶啊= 瓦 式中：i l 嘲s 一一基波电流有效值( a ) ； i n r m s ( n 2 ) 一n 次电流谐波有效值； b 强s 平均值控裁 图2 - 6两种模式p f c 电流控制方式 2 3电子镇流器的高频逆变和启动方式 2 。3 。l 逆变电路 电予镇流器的逆变电路，是电子镇流器电路中最基本同时也是很关