高壓納燈與電子整流器論文(超好)

1、 本文由tiger132010貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 高壓鈉燈節(jié)能技術(shù)與電子鎮(zhèn)流器實(shí)用性研究 嚴(yán)登俊，王玉爽 河海大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京（210098） 摘 要： 城市路燈照明是我國(guó)電力消耗的一個(gè)重要方面， 高壓鈉燈是我國(guó)當(dāng)前路燈照明中所 普遍采用的燈具。本文針對(duì)高壓鈉燈的節(jié)能現(xiàn)狀，研究了兩種典型的路燈節(jié)能技術(shù)：調(diào)壓式 節(jié)能和電子鎮(zhèn)流器。重點(diǎn)介紹了電子鎮(zhèn)流器的工作原理、實(shí)用電路、和技術(shù)瓶頸，并在多個(gè) 指標(biāo)上對(duì)比分析了電子鎮(zhèn)流器的優(yōu)缺點(diǎn)， 概括了影響電子鎮(zhèn)流器推廣使用的關(guān)鍵因素， 給出 了解決思路。 關(guān)鍵詞：高壓鈉燈，電子鎮(zhèn)流器

2、，節(jié)能，綠色照明 1. 引言 綠色照明產(chǎn)業(yè)在世界的興起使得電子鎮(zhèn)流器倍受青睞。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 若將全國(guó)高壓氣體放電 燈都換上電子鎮(zhèn)流器，全國(guó)全年可節(jié)電 246 億千瓦時(shí)，可解決目前全國(guó) 1/3 的電力缺口5。 2000 年，美國(guó)能源部 (DOE) 頒布了新的鎮(zhèn)流器標(biāo)準(zhǔn)，并要求自 2006 年 4 月 1 日起，所有 新建的商業(yè)固定設(shè)備都必須使用高效的電子鎮(zhèn)流器，2010 年 7 月 1 日以后，大多數(shù)可替換 設(shè)備必須使用電子鎮(zhèn)流器。 國(guó)家發(fā)改委高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)司劉錦榮司長(zhǎng) 2004 年 11 月 19 日指示： “集中精力運(yùn)用高新技術(shù)進(jìn)行突破，要在照明節(jié)能上為國(guó)家做出貢獻(xiàn)”。國(guó)家發(fā)改委在 2004 年

3、 11 月 25 日發(fā)布的節(jié)能中長(zhǎng)期專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃中，將“高強(qiáng)度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器”技術(shù)列 為最新的“節(jié)能重點(diǎn)領(lǐng)域和重點(diǎn)工程”，與國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)的“綠色照明工程”配套5。 1996 年廣州科瑞電子公司曾出資 1000 萬(wàn)元在全國(guó)進(jìn)行項(xiàng)目招標(biāo)5，這在全國(guó)轟動(dòng)一 時(shí)。許多科研單位、大專(zhuān)院校和廠(chǎng)礦企業(yè)為了攻克此項(xiàng)目付出了重大的代價(jià)。但時(shí)至今日， 雖然運(yùn)用各種電子方式將高壓鈉燈點(diǎn)亮已不再是什么問(wèn)題； 雖然我國(guó)在高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器 技術(shù)的方面有了近 20 項(xiàng)的專(zhuān)利發(fā)明技術(shù)5 ; 雖然全國(guó)各地有過(guò)無(wú)數(shù)次高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流 器的產(chǎn)品成果發(fā)布會(huì)； 雖然有許多的省市為高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行了大張旗鼓的重點(diǎn)項(xiàng)目 的推廣，

4、 但是， 高壓大功率氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器在我國(guó)并未完全解決技術(shù)性能和可靠性等 方面存在的難題，無(wú)法進(jìn)入實(shí)用階段。就連國(guó)外的一些專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)高壓鈉燈的大企業(yè)，如荷蘭 飛利浦公司至今。 也不輕易推出高壓大功率氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器。 國(guó)內(nèi)各家紛紛嚷嚷聲稱(chēng) 那些 “ 處于國(guó)際領(lǐng)先地位 ” 的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器都如同曇花一現(xiàn)。 于是在高壓大功率氣 體放電燈也出現(xiàn)了如同當(dāng)年熒光燈用交流電子鎮(zhèn)流器初期時(shí)的現(xiàn)象， 人們已不再相信會(huì)有質(zhì) 量穩(wěn)定可靠高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器存在。 上海市路燈所總是在積極的鼓勵(lì)與配合全國(guó)在此領(lǐng)域 新技術(shù)的推廣和試用，但無(wú)數(shù)次試用的失敗已令其望而卻步，小心行事 本文扼要系統(tǒng)地介紹路燈節(jié)能技術(shù)的

5、基礎(chǔ)上， 重點(diǎn)分析目前兩類(lèi)具有代表性的高壓鈉燈 的節(jié)能技術(shù)：調(diào)壓控制，和電子鎮(zhèn)流器，并對(duì)電子鎮(zhèn)流器中存在的技術(shù)問(wèn)題，提出了預(yù)期的 解決方案。 2. 調(diào)壓式節(jié)能 最簡(jiǎn)單而且實(shí)用的路燈節(jié)能方式是： 智能光源穩(wěn)壓一分時(shí)調(diào)光技術(shù)。 將穩(wěn)壓調(diào)光裝置安 裝在路燈配電回路的起端，在前半夜提供路燈的電壓為全壓，接近午夜時(shí)分，開(kāi)始降低路燈 的供電電壓，在后半夜車(chē)稀人少時(shí)，進(jìn)一步降低電壓。它的節(jié)電原理有二，其一是在 220V -1- 至 160V 之間分時(shí)調(diào)節(jié)高壓鈉燈的供電電壓；其二是由于后半夜電網(wǎng)用戶(hù)少，負(fù)荷低，電網(wǎng) 電壓高于 220V，而過(guò)壓將額外消耗部分電能，采用該裝置則避免了這部分的浪費(fèi)。根據(jù)工 程實(shí)踐，

6、它的節(jié)電效果在 20左右。采用這種裝置，不僅節(jié)約了電能，不影響照度均勻度， 而且能夠避免光源過(guò)壓運(yùn)行，延長(zhǎng)了路燈壽命。 最經(jīng)典的調(diào)壓節(jié)能方式是可控硅調(diào)壓。雙向可控硅是一種實(shí)用的半導(dǎo)體器件,它有體積 小,重量輕,效率高,壽命長(zhǎng),動(dòng)作快以及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。目前,交流調(diào)壓器多采用雙向可控硅 調(diào)壓。 下面介紹的是一種用雙向可控硅為主要器件來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分時(shí)調(diào)壓的主電路。 該裝置可 同時(shí)連接、控制五盞路燈。如圖 1 所示。工作情況如見(jiàn)表 1。 圖 1 分時(shí)調(diào)壓主電路 表1 輸出電壓 電路電流 鈉燈電壓 鈉燈電阻 阻抗角 ? 移相角 220V 1.78A 67.9V 38.2? 70.70 00 分時(shí)調(diào)壓主電

7、路工作表（單盞鈉燈 250W） 200V 190V 1.48A 63.9V 44.8? 67.90 72.30 180V 1.31A 61.8V 47.2? 170V 1.2A 59.0V 49.2? 160V 1.1A 56.0V 50.1? 65.70 82.00 1.58A 65.5V 39.0? 另有一種思路類(lèi)似的可變功率鎮(zhèn)流器，利用氣體放電燈在工作電流適當(dāng)減少時(shí)，仍能 正常運(yùn)行的原理，通過(guò)后半夜增加鎮(zhèn)流器電抗，從而降低光源電流，減少路燈系統(tǒng)電耗中占 主要比例的光源的電耗， 達(dá)到路燈系統(tǒng)整體節(jié)能的目的。 一般采用電子開(kāi)關(guān)用來(lái)控制路燈降 功率投入。其工作過(guò)程如下：1）正常情況下，邏輯控制

8、單元控制電子開(kāi)關(guān)閉合（短路） ，外 部電壓直接通過(guò)電子開(kāi)關(guān)加到路燈電路上，使路燈工作在額定功率狀態(tài)。 2）降功率控制 情況下，邏輯控制單元控制電子開(kāi)關(guān)打開(kāi)（開(kāi)路） ，控制外部電壓只能通過(guò)降功率電感加到 路燈電路上。此時(shí)，路燈電路感性負(fù)載增加，路燈工作電流降低，從而使路燈功率下降，耗 能降低，達(dá)到節(jié)能的效果。3）當(dāng)電網(wǎng)電壓偏低或光源狀況不佳，降功率運(yùn)行將可能出線(xiàn)閃 爍時(shí)，即使在降功率運(yùn)行時(shí)間段，控制電路也將自動(dòng)控制電子開(kāi)關(guān)在閉合狀態(tài)，避免路燈熄 滅。 3. 電子鎮(zhèn)流器 調(diào)壓式電子鎮(zhèn)流器的優(yōu)點(diǎn)是：原理簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，但節(jié)電效果只能打到 10左右。 -2- 電子鎮(zhèn)流器的節(jié)電效果明顯，文獻(xiàn)報(bào)道一般是

9、3040，而事實(shí)上一線(xiàn)工程人員普遍認(rèn) 為超過(guò) 50，而且功率因數(shù)很高，一般都達(dá)到 0.97 以上。目前，HID 電子鎮(zhèn)流器的技術(shù)瓶 頸是性能穩(wěn)定性，即使用壽命問(wèn)題。電子鎮(zhèn)流器是將工頻(50HZ/60HZ)交流電變換為較高頻 率的交流電，并能使一個(gè)或幾個(gè) HID 燈正常啟動(dòng)和穩(wěn)定工作的變換器（國(guó)外稱(chēng)安定器） 。 3.1 基本原理 用電子元器件組成高頻變換電路。先將照明交流電源整流變成直流電，再由“逆變器” 變?yōu)楦哳l交流電，由振蕩電路產(chǎn)生 2050KHZ 的高頻電壓去啟動(dòng)和點(diǎn)亮 HID 燈，經(jīng)調(diào)整可 正確與燈匹配，滿(mǎn)足不同功率燈管的啟動(dòng)電壓、燈電壓和燈電流，達(dá)到正常工作。圖 2 是常 見(jiàn)的電子鎮(zhèn)流

10、器電路框圖。 圖 2 電子整流器整體結(jié)構(gòu)圖 圖 2 是一個(gè)經(jīng)典的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器電路圖。其中，EMI模塊和APFC模塊已完全成 熟，已經(jīng)在 600W的高功率高壓鈉燈得到了成功應(yīng)用。目前，影響高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器可靠 性與使用壽命是驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)樗鼈儽恢苯颖┞对诟邏海?4kV）2和高溫（75左右）環(huán) 境下。所以，在高壓鈉燈的電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，驅(qū)動(dòng)電路、點(diǎn)燈啟動(dòng)電路、與保護(hù)電路， 是整個(gè)裝置的核心，它直接影響到裝置的可靠性與使用壽命。模塊化的設(shè)計(jì)理念，有助于減 小重復(fù)勞動(dòng)， 保證裝置的性能。 下面介紹一款簡(jiǎn)單的適用于小功率的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器電 路，如圖 3，基于IR2155 的常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)電路拓

11、撲圖 。 2 圖 3 基于 IR2155 的電路拓?fù)鋱D 點(diǎn)火電路，即啟動(dòng)電路，是高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的第二個(gè)關(guān)鍵。高壓鈉燈點(diǎn)火電壓為 -3- 3kV5kV，一般采用兩種方式產(chǎn)生高壓： （1）LC諧振， （2）升壓變壓器。圖四是將點(diǎn)火電 路和驅(qū)動(dòng)控制合二為一的半橋逆變型高壓鈉燈驅(qū)動(dòng)電路4。 圖 4 半橋逆變型高壓鈉燈點(diǎn)火和驅(qū)動(dòng)電路 3.2 電子鎮(zhèn)流器特 和傳統(tǒng)的電感型高壓鈉燈鎮(zhèn)流器相比，HID 電子鎮(zhèn)流器有以下優(yōu)點(diǎn): (1)節(jié)電省錢(qián) 比同規(guī)格電感鎮(zhèn)流器節(jié)電 2530%,原因如下: 高頻工作,提高燈發(fā)光效率。實(shí)驗(yàn)表明：光效隨工作頻率（50HZ50KHZ）提高而 增加，同光照度下電子鎮(zhèn)流器輸入功率降低

12、； 自身功耗低，約為燈功率的 5%（較電感鎮(zhèn)流器降低 15%） ；多管驅(qū)動(dòng)和高功率的電 子鎮(zhèn)流器節(jié)電效果更顯著； 線(xiàn)路功率因數(shù)提高（由電感鎮(zhèn)流器的 0.5 提高到 0.9 以上）2,電網(wǎng)利用率相應(yīng)提高, 實(shí)現(xiàn)間接節(jié)能; 發(fā)光效率高,產(chǎn)生熱能小,空調(diào)房等用電量相應(yīng)減少； 功率因數(shù)高，輸入電流減少，電力配線(xiàn)安裝要求及成本降低； 不需啟輝器，省去更換時(shí)間和費(fèi)用； （2）無(wú)頻閃，發(fā)光柔和，有益保護(hù)視力； （3）啟動(dòng)快，不出現(xiàn)反復(fù)起輝、閃爍現(xiàn)象；有預(yù)熱啟動(dòng)功能，大大延長(zhǎng)燈管壽命； （4）工作寧?kù)o，無(wú)噪聲，提高照明環(huán)境質(zhì)量； （5）可用市電和直流電源供電，低壓（150V）下能啟動(dòng)，允許電壓波動(dòng)范圍寬（&#

13、177;10 15%） ； （6）采用調(diào)頻、脈寬調(diào)制（PWM） 、光接收等技術(shù)，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光燈調(diào)光和光控智 能開(kāi)關(guān)； （7）具異常狀態(tài)（燈開(kāi)路、短路、過(guò)載等）保護(hù)功能，延長(zhǎng)鎮(zhèn)流器壽命； （8）體積小、重量輕，安裝使用方便； 表2 項(xiàng) 光照質(zhì)量 啟動(dòng) 環(huán)境溫度 目 電子鎮(zhèn)流器與電感鎮(zhèn)流器性能比較（40W） 電 感 鎮(zhèn) 流 器 工作頻率 50HZ，有嚴(yán)重頻閃 電感線(xiàn)圈鎮(zhèn)流，噪聲大 有害視覺(jué) -5+50 電 子 鎮(zhèn) 流 器 工作頻率20KHZ，無(wú)頻閃 電子器件鎮(zhèn)流，無(wú)噪聲 光照質(zhì)量改善，保護(hù)視力 -10+50 -4-低壓或低溫時(shí)，不能一次啟動(dòng)， 多次啟動(dòng)易損壞燈陰極，縮短燈 后期維護(hù) 管壽命 啟輝

14、器壽命短，需經(jīng)常更換 頻繁維修，易損壞燈具 線(xiàn)路電流（A） 有功損耗（W） 最高達(dá)+120，影響室內(nèi)溫度 自身溫升大，易發(fā)生火災(zāi) 0.43 49 電網(wǎng)電壓 低于 180V 不能正常啟動(dòng) 低至 150V 仍能正常啟動(dòng)、工作， 但光通量降低 ?+50左右 有過(guò)熱控制、保護(hù)措施 0.2 42（節(jié)電 14%） 電網(wǎng)有 3%無(wú)功損耗 ?無(wú)功節(jié)電 45%以上 具預(yù)熱功能，一次啟動(dòng)，可延長(zhǎng) 燈管壽命 無(wú)需更換啟輝器 具異常狀態(tài)保護(hù)功能，延長(zhǎng)鎮(zhèn)流 器 壽命 無(wú)功損耗（W） 電網(wǎng)有 50%無(wú)功損耗 4. 存在問(wèn)題與對(duì)策 高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器在實(shí)際生產(chǎn)和使用中容易出現(xiàn)故障,給用戶(hù)帶來(lái)很大的損失,也給售 后服務(wù)造成很

15、大的負(fù)擔(dān)。從表面現(xiàn)象看,出現(xiàn)故障時(shí)主要表現(xiàn)為功率開(kāi)關(guān)管損壞,驅(qū)動(dòng)集成電 路損壞,高壓觸發(fā)電路失效,鎮(zhèn)流器整體溫升較高等。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),造成故障的原因很多, 歸納起來(lái)可以分為設(shè)計(jì)方面的因素和實(shí)施設(shè)計(jì)的工藝過(guò)程的因素1。 鎮(zhèn)流器整機(jī)的設(shè)計(jì)要根據(jù)參數(shù)要求確定電路選定元器件,結(jié)構(gòu)上也要作出與電路相適應(yīng) 的設(shè)計(jì),同時(shí)整體的熱設(shè)計(jì)也要作相應(yīng)的考慮。由設(shè)計(jì)可靠性的概念可知,要使系統(tǒng)可靠,在設(shè) 計(jì)時(shí)對(duì)各個(gè)組成部分都要有相當(dāng)?shù)娜哂?。一般說(shuō)來(lái),冗余度大則可靠性高。但冗余度和經(jīng)濟(jì) 性是有矛盾的,冗余度大勢(shì)必造成投入和成本的增加。因此,要適度冗余。 高壓鈉燈啟動(dòng)時(shí)需要3kV4kV的觸發(fā)電壓2,燈管啟動(dòng)后負(fù)載特性

16、由原來(lái)的開(kāi)路狀態(tài)轉(zhuǎn) 變?yōu)榈妥锠顟B(tài),觸發(fā)高壓停止。但實(shí)際上燈管啟動(dòng)后觸發(fā)高壓不一定能夠立即停止,對(duì)輸出極 開(kāi)關(guān)管的供電端及前級(jí)推動(dòng)集成電路的供電端產(chǎn)生影響,致使這兩個(gè)器件供電端對(duì)地?fù)舸┒?路,損壞推動(dòng)集成電路和開(kāi)關(guān)功率管,導(dǎo)致鎮(zhèn)流器功能失效。這種現(xiàn)象往往在開(kāi)啟時(shí)發(fā)生。另 外,輸出極開(kāi)關(guān)管工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電壓浪涌,這時(shí)開(kāi)關(guān)管承受的電壓至少兩倍于供電電壓甚至 更多,會(huì)損壞輸出級(jí)開(kāi)關(guān)管,出現(xiàn)源-漏級(jí)之間擊穿短路。 前級(jí)推動(dòng)集成電路的供電是由輸出級(jí) 供電端耦合降壓供給的,電壓浪涌使輸出級(jí)產(chǎn)生變化,使得集成電路的供電端電壓瞬間急劇增 加,造成集成電路擊穿短路。雖然在推動(dòng)級(jí)集成電路供電輸入端都設(shè)有穩(wěn)壓裝置,但

17、這種穩(wěn)壓 都比較簡(jiǎn)單,跟不上浪涌電壓的速度。 因此,在瞬間高速浪涌電壓到來(lái)時(shí),還未來(lái)得及穩(wěn)壓,電路 已被擊穿。 解決上述問(wèn)題的途徑有兩個(gè)1：一、采用新的器件，如耐壓高、成本低的MOS管，市場(chǎng) 已耐壓高達(dá) 6kV的IGBT，IGCT或MCT也可解決擊穿問(wèn)題，但昂貴的價(jià)格使得它們都不適用 于電子鎮(zhèn)流器。二、創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路。高壓鈉燈正常工作是燈端電壓只有 50V70V，如果 能將點(diǎn)火電路，即 3kV4kV的觸發(fā)電壓產(chǎn)生電路，與正常的驅(qū)動(dòng)電路隔離開(kāi)，則有望解決 穩(wěn)定性問(wèn)題。正如當(dāng)年的APFC技術(shù)為日光燈電子鎮(zhèn)流器帶來(lái)廣闊天地一樣，解決高壓鈉燈 電子鎮(zhèn)流器必須使用新的設(shè)計(jì)思路或新的器件。 最后，對(duì)于高壓

18、鈉燈電子鎮(zhèn)流器來(lái)說(shuō)，必須依從其標(biāo)稱(chēng)參數(shù)而設(shè)計(jì)電路。如果靠硬性多 元結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，可靠性很難得到保證。有些企業(yè)的盜版行為，如找一些做得較好的產(chǎn)品抄 -5- 板，你用誰(shuí)的電容我也用，你用什么晶體管我也跟著走，結(jié)果做出的產(chǎn)品可靠性很差，往往 壽命只有一到兩月。 這里需要指出的是， 盡管選用的元件和抄來(lái)產(chǎn)品上的元件是同一個(gè)型號(hào)， 甚至是同一個(gè)廠(chǎng)出品，但有一些具體指標(biāo)卻相差甚遠(yuǎn)。如：磁性材料溫度特性，頻率特性， 初始磁導(dǎo)率，有效磁導(dǎo)率等參數(shù)，雖然型號(hào)一樣，材質(zhì)一樣，同一批次的離散性和不同批次 的相差很遠(yuǎn)，不能拿來(lái)就用。要做好電子鎮(zhèn)流器，就必須在元件參數(shù)設(shè)計(jì)上下一番功夫，只 有設(shè)計(jì)出符合自己產(chǎn)品的重要參數(shù)

19、標(biāo)準(zhǔn)，才能生產(chǎn)出性能穩(wěn)定的高質(zhì)量電子鎮(zhèn)流器。 5. 結(jié)語(yǔ) 伴隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展的是環(huán)保污染的日益惡化，無(wú)錫太湖藍(lán)藻問(wèn)題所反映的事實(shí)是：小化工、 小煉油并不是環(huán)境污染的唯一來(lái)源， 控制單位 GDP 的能源消耗是解決污染的有效途徑之一。 美國(guó)在 G8 峰會(huì)上與日歐就排放問(wèn)題達(dá)成的妥協(xié)， 也對(duì)我國(guó)的能源問(wèn)題提出了挑戰(zhàn)。 國(guó)務(wù)院、 國(guó)家發(fā)改委等多個(gè)部門(mén)已將節(jié)能措施作為返稅的重要考核指標(biāo)之一。 路燈， 作為電力部門(mén)的 一個(gè)能源消耗大戶(hù)， 其節(jié)能技術(shù)已得到各級(jí)電力部門(mén)的重視。 研究改進(jìn)電子鎮(zhèn)流器的穩(wěn)定性， 提高其節(jié)能指標(biāo)，是一個(gè)技術(shù)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值并重的課題。 參考文獻(xiàn) Study on Technology and Practicability of Electronic Ballast for the High Intensity Discharge Lamps Dengjun Yan，Yushuang Wang Department of Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing（210098） Abstract Street lamp, for city lighting, is one of the most electrical energy consumers. In China, the most popular street