环形HID灯镇流器的设计与应用.doc

环形HID灯镇流器的设计与应用The design and use of circular HID lamp ballast（盐城师范学院实验中心， 江苏 盐城 224002）摘 要 介绍了新型环形HID灯电感镇流器的设计思想，计算公式和样品测试结果。Summary Introduce the design philosophy, computational formula and test result of new type circular HID lamp ballast.关 键 词 环形镇流器 设计 计算 测试3一、课题的产生随着我国城市建设事业的迅速发展，城市的路灯总数几乎以每年百分之二十的平均速度递增。截止2004年全国城市路灯总数已超过1000万盏，随着路灯总数的递增，电网的负荷也在逐年的增加。因此，路灯的节电问题早已引起政府相关部门的关注。由于节电意识加强，作为路灯光源均以发光效率高、使用寿命长的HID灯（高强度气体发光光源，如高压钠灯，金卤灯）为主，使我国的路灯技术进步的水平上了一个新台阶，但在与HID灯配套的镇流器由于沿袭了传统电感镇流器的设计理论，使得体积大，重量大，更重要的是其自身功耗高，部分镇流器的自身功耗占灯泡额定功率的百分之三十以上，使得电网上大量的宝贵的电能白白的浪费在镇流器的自身功耗上，显然与新型光源不相适应，有必要进行改型设计工作。分析传统的电感镇流器的自身功耗、体积大、重量重的原因不难发现，传统的电感镇流器通常采用E形硅钢片，叠制成铁芯并于其上套以绕制成的漆包线圈制作而成，由于E形硅钢片工作时在铁片的平面上磁力线排布不均，尤其是内转角处密度最高，而周边的四个转角处磁力线密度较小。加之E形硅钢片受到本身机械性能的限制，磁通密度不可能提高，因此，为了减少E形硅钢片的涡流损耗，往往将硅钢片片厚度做得很薄，每片的硅钢片之间加以绝缘，这样使铁芯的占空比上升，设计时需要增大铁芯面积来补偿，使得每匝漆包线的周长相应增加，无疑除增加硅钢片和漆包线的材料损耗外，镇流器体积和质量均增加，此外还增大镇流器的自身的铜损和铁损，即增加了自身的损耗。传统E形铁芯镇流器是由于其自身结构的原理导致其体积大，重量重，线圈内阻高和工作效率低。而在当今的城乡道路照明中，绝大多数采用的是发光效率较高的高压钠灯和金卤灯，与其相配套的镇流器的工作效率的高低，运行的可靠性，寿命及其综合经济指标具有及其重要的作用。针对传统的E形结构镇流器的特点，改形后的镇流器如何缩短磁路，减小铁芯体积，减少线圈长度，紧密结构，缩小空间，减小镇流器自身损耗，提高效率，改善散热能力是我们的设计指导思想。镇流器总的损耗与铁芯截面积的形状、大小，窗口尺寸、磁通密度、硅钢片的厚度，电源频率等诸多因素有关。即损耗是铁芯截面积，片宽，窗口面积，窗口宽度及最大磁通密度的函数，通过计算和试验可求得在损耗最小时的一系列数据，这样就从降低镇流器损耗的角度来确定镇流器铁芯的尺寸形状，使其铁损降至最小，而且当电压变化时不会出现铁芯饱和现象。镇流器的铁损还与镇流器铁芯的体积成正比。当值和铁芯截面积取定之后，应尽可能的将铁芯体积设计得最小，体积越小，铁损相应也越小。铁芯的体积可近似看成是铁芯截面积与磁路长度L的乘积。设计理论和实践都证明，如果窗口面积允许做成圆形，即可做成环形铁芯镇流器。当环形铁芯的内外径达到比例满足一定条件时即可做到有最少的镇流器损耗和最低的温升，达到安全可靠节能的目的。二、 关于HID灯环形镇流器的实用设计公式现以400W金卤灯为例，从金卤灯主要技术参数中可查得：路灯的工作电流为3.15A，灯管电压为133V，工作于220V/50Hz电源上，求环形镇流器铁芯的截面积，线圈匝数和漆包线的直径及平均气隙。1 镇流器的端电压Vz 式中V为电源电压，一般为220V，但考虑到HID灯多数置于户外的公共设施上，在夜间连续工作，而后半夜往往出现电网电压偏高的情况，故计算时取230V 故2 铁芯截面积：3 每伏匝数：4 线圈匝数：5 磁路气隙：6 漆包线直径：三、环行电感镇流器的气隙设计由于环形镇流器铁芯磁路结构的特殊性，现对其气隙设计进行重点介绍。环形电感镇流器的气隙设计与其他铁芯镇流器（例如E行，CD型等等）有较大的区别。它的形状直接影响到磁感应强度的分布，不良的气隙形状将引起较大的漏磁损耗，不但达不到节能的目的，而且可能因发热烧毁镇流器。目前常规电感镇流器的气隙皆是距离相等的平等气隙，以实施扼流的功能，这是可能的。因为磁感应强度的方向垂直于气隙走向，只要气隙间距处处相等，磁力线的分布基本是均匀的，工程磁学的一些计算公式均能适用（这些公式的一个基本假设是磁路中的磁感应强度是均匀分布的）。但在环形电感镇流器中，如果气隙间距处处相等，即所谓的平等走向，往往使温升升高而引起烧毁。观其现象是周长较短的内圈升比周长较长的外圈温升高，究其原因是平行气隙的不合理所造成的。因为这时磁力线的分布因磁阻分布的不均匀而引起不均匀，过度集中的内圈，较大的漏磁损耗使铁芯发烫而损坏。针对上述现象，势必提供新的气隙设计方式，以求得磁感应强度的均匀分布，使绕组内外温升一致，从而减小镇流器铁损，减小温升，提高镇流器及其配套设施的整体性能，延长镇流器的使用寿命。环形镇流器的气隙设计是采用以下方案实现的：用小于气隙间距的刀具将环状镇流器的截面开气隙，气隙平面垂直于环形平面，气隙的形状为喇叭口，内大外小，内外口角控制在0度至10度。（图1）图1四、环形镇流器的测试数据与应用1 按上述原理和公式设计制作的环形高压钠灯镇流器的自身损耗经有关部门测试其结果如表1所示。（表1） 高压钠灯用节能型环形电感镇流器型号配用高压钠灯额定功率（W）测量自身功率损耗（W）NG50RJ507NG70RJ709NG100 RJ10012NG150 RJ15015NG250 RJ25018NG400 RJ40027注：NG250RJ型号含义（NG-高压钠灯用电感式镇流器，250-配用灯功率，R-节能型，J-环形铁芯）2 将环形镇流器与普通镇流器功率损耗进行对比如表2所示。（表2） 高压钠灯型号镇流器功率损耗占灯功率的百分比（%）*节能型电感镇流器的自身功率损耗（W）传统型节能型NG502025178.5NG7015201110.4NG10015201112.2N6NG25012181025.0NG4001218935.0从表1，表2所示的关于环形高压钠镇流器的功率损耗的测试和对比结果可知，环形镇流器的自身功率明显地小于普通镇流器，且额定功率越大时，效果越显著。由于环形镇流器自身功耗小，因而产生的热量也少，再加上环形镇流器所具有的结构紧凑，温升低，噪声小，重量轻是一种值得推广的新型节能产品