節(jié)能電感鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)原理 - 電源網(wǎng)

1、1節(jié)能電感鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)原理節(jié)能電感鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)原理 復(fù)旦大學(xué)光源與照明工程系國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì)（中國(guó)）2一、前言一、前言 在綠色照明工程中，鎮(zhèn)流器是一個(gè)極為重要的光源電器配件。它的發(fā)展受到許多方面的關(guān)注。 是電子鎮(zhèn)流器還是電感鎮(zhèn)流器？這是各方面人士存在較大分歧的一個(gè)問(wèn)題。我們認(rèn)為：根據(jù)這兩類鎮(zhèn)流器的原理、技術(shù)依據(jù)、歷史發(fā)展和使用統(tǒng)計(jì)來(lái)看，小功率氣體放電光源（40W以下）應(yīng)該堅(jiān)持以電子鎮(zhèn)流器為主，因?yàn)樗?jié)能效果明顯，一體化程度高；而對(duì)于高強(qiáng)度氣體放電光源（100W以上）目前還是應(yīng)該以電感鎮(zhèn)流器為主，因?yàn)樗?jié)能效果與電子鎮(zhèn)流器相當(dāng)，電路可靠度高。 3 電感鎮(zhèn)流器必須是節(jié)能型的。電感鎮(zhèn)流器必須是節(jié)能型的。

2、即節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器。即節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器。 4各各類類鎮(zhèn)鎮(zhèn)流流器器的的能能耗耗比比較較燈功率（W）鎮(zhèn)流器能耗占燈功率百分比（%）普通型節(jié)能型電子型20以下405020301030304015104022251210100152011101501518111025014181010400121495101000以上101185105 國(guó)內(nèi)大量的電感鎮(zhèn)流器仍是傳統(tǒng)型老產(chǎn)品，其性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜，但功率損耗大。從我國(guó)的國(guó)情出發(fā)，如果把傳統(tǒng)電感鎮(zhèn)流器更新為節(jié)能型的，將會(huì)取得可觀的節(jié)能效果，而且在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上皆是可行的。根據(jù)預(yù)測(cè)，如果將目前中國(guó)傳統(tǒng)電感鎮(zhèn)流器年產(chǎn)量100%轉(zhuǎn)為節(jié)能電感鎮(zhèn)流器，每年可以節(jié)電

3、9億千瓦小時(shí)。這相當(dāng)于節(jié)省11.16億元新建電廠投資，減排100萬(wàn)噸二氧化碳。6二、二、節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器的技術(shù)特性節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器的技術(shù)特性 節(jié)能電感鎮(zhèn)流器與一般傳統(tǒng)電感鎮(zhèn)流器的區(qū)別在于三個(gè)基本參數(shù)：1.1. 鎮(zhèn)流器功耗限定的上限值，鎮(zhèn)流器功耗限定的上限值，2.2. 系統(tǒng)功率因素的最小值系統(tǒng)功率因素的最小值3.3. 最大啟動(dòng)電流。最大啟動(dòng)電流。7節(jié)能要求 燈功率（W）鎮(zhèn)流器能耗占燈功率百分比（%）普通型節(jié)能型20以下405020303030401540222512100152011250141810400121491000以上101188 電感鎮(zhèn)流器與燈配套工作時(shí)系統(tǒng)基波功率因數(shù)較低，一般在0

4、.430.55之間，如果考慮到高次諧波，則總功率因素則更低。 節(jié)能電感鎮(zhèn)流器將系統(tǒng)功率補(bǔ)償?shù)?.85以上，有如下參考數(shù)據(jù)。熒光燈每瓦大約需補(bǔ)償0.10.12F;高壓汞燈每瓦大約需補(bǔ)償0.10. 12F ；高壓鈉燈每瓦大約需補(bǔ)償0.120.13F :9燈預(yù)熱電流與燈標(biāo)稱工作電流之比燈預(yù)熱電流與燈標(biāo)稱工作電流之比 優(yōu)質(zhì)品 一等品 合格品30W1.6 1.8 2.130W 1.45 1. 55 2.110能效因數(shù)Ballast EfficatyFactorBEF 是綜合性評(píng)價(jià)鎮(zhèn)流器能源利用效率的指標(biāo)。鎮(zhèn)流器能效因數(shù)（BEF）的定義：鎮(zhèn)流器能效因數(shù)（BEF）流明系數(shù)（BF）： WBF率功入輸?shù)钠髁麈?zhèn)示

5、表數(shù)系明流 % 量出輸?shù)墓鈺r(shí)燃點(diǎn)套配燈該與器流鎮(zhèn)準(zhǔn)基量出輸光的時(shí)燃點(diǎn)套配燈準(zhǔn)基與器流鎮(zhèn)測(cè)被 11三、三、BmBm與節(jié)能電感鎮(zhèn)流器技術(shù)特性的關(guān)系與節(jié)能電感鎮(zhèn)流器技術(shù)特性的關(guān)系 1.1. 電感鎮(zhèn)流器鐵心材料的能耗電感鎮(zhèn)流器鐵心材料的能耗電感鎮(zhèn)流器鐵心材料的能耗有以下形式：l 磁滯損耗l 渦流損耗l 銅阻損耗l 漏磁損耗l 介質(zhì)損耗l 延遲損耗12其中磁滯損耗，渦流損耗稱為鐵耗，是鐵心材料的主要損耗。其值為：可以看出，鐵損與峰值磁感強(qiáng)度BmBm的平方成正比，降低鐵芯中的峰值磁感強(qiáng)度BmBm對(duì)于降低功耗效果十分顯著。 VBfkfBkmemh22132 2、BmBm與電流波形因子與電流波形因子 高BmB

6、m值可以減小鐵心截面，降低成本，但使鎮(zhèn)流器工作于飽和區(qū)，結(jié)果使電流波形出現(xiàn)尖峰，造成電流波形因子變大，這對(duì)燈管的損害很大，因?yàn)闊艄艿膲勖苯优c電流波形因子有關(guān)。 14 降低BmBm值，雖然增加了少量鐵磁材料，但使鎮(zhèn)流器工作于線性區(qū)，結(jié)果使電流波形基本呈正弦型，電流波形因子接近1.41，這對(duì)燈管的壽命益處很大。15電流波形因子與燈壽命的關(guān)系電流波形因子與燈壽命的關(guān)系 16以電容鎮(zhèn)流為例說(shuō)明：以電容鎮(zhèn)流為例說(shuō)明：電流諧電流諧波總值太大使燈的壽命縮短。波總值太大使燈的壽命縮短。173.3.BmBm與功率因子與功率因子 設(shè)線路的供電電壓為理想的正弦波，無(wú)電壓諧波。如果這時(shí)電流為非正弦信號(hào)，功率因子為：

7、 111coscoscosntotalrmsrmsmsrmsIVIVSP18兩種不同兩種不同BmBm取值的鎮(zhèn)流器功率因子示意圖取值的鎮(zhèn)流器功率因子示意圖 194 4、BmBm與電壓異常保護(hù)與電壓異常保護(hù) 對(duì)鎮(zhèn)流器的技術(shù)要求分為正常使用與非正常使用兩種：其中非正常使用主要是在電壓異常時(shí)，即電源電壓提高10%（243V）時(shí)，電流有規(guī)定值。由于節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器與傳統(tǒng)型電感鎮(zhèn)流器在電壓異常時(shí)，鐵心呈現(xiàn)的飽和程度不一樣，故電流的增加值相差很大。節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器更為安全一些。 20兩類電感鎮(zhèn)流器的電壓異常時(shí)比較 21鎮(zhèn)流器壽命比較鎮(zhèn)流器壽命比較 鎮(zhèn)流器壽命取決于鎮(zhèn)流器的溫度。 溫度與壽命的關(guān)系呈對(duì)數(shù)關(guān)系，

8、溫度低10度，壽命增加一倍。 節(jié)能鎮(zhèn)流器的溫度比傳統(tǒng)鎮(zhèn)流器低40度左右，因此它的壽命是傳統(tǒng)鎮(zhèn)流器的16倍，理論壽命可以達(dá)到50年。22節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器鐵心材料的形狀節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器鐵心材料的形狀 23設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法mcmcmmmmmISfNBPSfNBEVIVP881022110221鎮(zhèn)鎮(zhèn)鎮(zhèn)引入鐵芯的占空系數(shù)kc和銅線的占空系數(shù)km，得： mcmckjkfBPSS44. 4106024 鎮(zhèn)流器鐵芯的設(shè)計(jì)就是選擇一個(gè)鎮(zhèn)流器鐵芯的設(shè)計(jì)就是選擇一個(gè)合適的面積乘積值，使它在額定合適的面積乘積值，使它在額定視在功率時(shí)，在規(guī)定的溫升范圍視在功率時(shí)，在規(guī)定的溫升范圍內(nèi)，使銅損和鐵損最小內(nèi)，使銅損和鐵損最小

9、 25假設(shè)有一只鎮(zhèn)流器，其鐵耗為PC瓦，線圈內(nèi)阻的等值電阻為R歐姆，燈電壓為U伏工作電流為I，試求在什么情況下，鎮(zhèn)流器的效率最大。RIPRIPUIRIPURIPUIIRUUIRIPUIUdIdRIPUIUIPPUIUIPPPPCCCCCCMCMC22222222020所以）（）（即令燈燈26四、雙功率鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)四、雙功率鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì) 所謂雙功率鎮(zhèn)流器實(shí)際是一種節(jié)能型的電感鎮(zhèn)流器，它的電感量可以進(jìn)行變換，從而使燈的功率隨之發(fā)生變化。如果變化次序是根據(jù)照明環(huán)境的需要而設(shè)定，即在正常情況下，燈按設(shè)計(jì)要求在額定功率下運(yùn)行；在一些特殊情況下（例如道路照明的深夜；火車站無(wú)火車通過(guò)時(shí)；亮化工程的非重大節(jié)日

10、時(shí)等等），燈不能熄滅，但不必照度很大，而且又要兼顧均勻性，這時(shí)可以使燈降功率運(yùn)行。具體方法是變換鎮(zhèn)流器的電感量，增大電感量能使燈功率下降。這種鎮(zhèn)流器稱之為雙功率鎮(zhèn)流器。27雙鐵心串聯(lián)型雙功率鎮(zhèn)流器電路雙鐵心串聯(lián)型雙功率鎮(zhèn)流器電路 28雙鐵心并聯(lián)型雙功率鎮(zhèn)流器電路雙鐵心并聯(lián)型雙功率鎮(zhèn)流器電路 29單鐵心串聯(lián)型雙功率鎮(zhèn)流器電路單鐵心串聯(lián)型雙功率鎮(zhèn)流器電路 30常規(guī)鎮(zhèn)流器電路常規(guī)鎮(zhèn)流器電路 31雙功率鎮(zhèn)流器的功率變換時(shí)間方法：1. 可以通過(guò)簡(jiǎn)單的時(shí)基電路實(shí)現(xiàn)2. 可以通過(guò)智能化集中控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 由于節(jié)能效果明顯（由于節(jié)能效果明顯（30%以上），又能以上），又能有效地延長(zhǎng)燈與電器的壽命（兩倍以有效地延

11、長(zhǎng)燈與電器的壽命（兩倍以上），所以雙功率鎮(zhèn)流器是一種市場(chǎng)前上），所以雙功率鎮(zhèn)流器是一種市場(chǎng)前景很好的產(chǎn)品。景很好的產(chǎn)品。 322 2、雙功率鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)、雙功率鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì) 假如滿功率時(shí)的燈的功率為P燈1，降功率時(shí)的功率為P燈2，雙功率鎮(zhèn)流器的結(jié)構(gòu)為單鐵心抽頭式，設(shè)計(jì)可分為四個(gè)步驟：l 滿功率鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)l 根據(jù)降功率的幅度作線圈修正l 幾何尺寸的確定l 鎮(zhèn)流器自身能耗的計(jì)算33滿功率鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)滿功率鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì) ：v 求鎮(zhèn)流器工作電壓 v 選擇鐵芯截面 v 計(jì)算線圈匝數(shù) v 計(jì)算所需導(dǎo)線直徑 34根據(jù)降功率的幅度作線圈修正：根據(jù)降功率的幅度作線圈修正：v計(jì)算降功率時(shí)的線圈圈數(shù)N v需要增加

12、的線圈圈數(shù)N2 v計(jì)算所需導(dǎo)線直徑為 35幾何尺寸的確定幾何尺寸的確定 ：v計(jì)算線圈厚度 v鐵心窗口尺寸 v鐵心迭厚 v空氣隙長(zhǎng)度 36鎮(zhèn)流器自身能耗的計(jì)算：v由硅鋼片的比耗求鐵心損耗（主要由渦流損耗與磁滯損耗構(gòu)成）v由公式I2R計(jì)算銅耗 37雙功率鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)舉例 設(shè)計(jì)高壓鈉燈400W/250W雙功率鎮(zhèn)流器。已知：型號(hào) 電源電壓(V) 功率(W) 燈管電壓(V) 工作電流(A)NG400 220 50Hz 400 110+20 300NG250 220 50Hz 250 110+20 18038滿功率鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì) :v求鎮(zhèn)流器工作電壓：v選擇鐵芯截面：v計(jì)算線圈匝數(shù)：v線徑D： VVVV17

13、612. 111012. 122012. 112. 12222燈鎮(zhèn))( 1 .1611022040057. 021cmVVPKSS燈燈匝）鎮(zhèn)(4091 .161200017610451045441SBVNm)(0 . 1300. 313. 113. 12111mmJID39根據(jù)降功率的幅度作線圈修正根據(jù)降功率的幅度作線圈修正: : v計(jì)算降功率時(shí)的線圈圈數(shù)N: v需要增加的線圈圈數(shù)N2: N2=NN1=517-409=106 v計(jì)算所需導(dǎo)線直徑為 :匝）燈燈(517250400409211pPNN)(88. 038 . 113. 113. 12222mmJID40幾何尺寸的確定：幾何尺寸的確定

14、： v計(jì)算線圈厚度：v鐵心窗口寬度為：v鐵心窗口高度為:v鐵心迭厚：v空氣隙長(zhǎng)度： mmHDNNC5 .138003. 00 . 1517203. 022121mmmmCC5 .14)( 1mmmmHh5 .40)(5 . 021cmaSb2 . 73 . 21 .1603. 103. 1mmBINm09. 01200013. 1409313. 141鎮(zhèn)流器自身能耗的計(jì)算鎮(zhèn)流器自身能耗的計(jì)算: :鐵耗：銅耗：總損耗為31.7W WGrVPFe7 . 74 . 555. 7) 3 . 245. 10 . 8(1 .160WRIPCu247 . 232242五、LC鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì) 利用LC鎮(zhèn)流器特有

15、的鎮(zhèn)流特性，能夠設(shè)計(jì)出節(jié)能型、適合高管壓氣體放電光源的鎮(zhèn)流器。這里介紹了這種鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)原理及方法步驟。43LC鎮(zhèn)流器的特性 優(yōu)點(diǎn)：(1)穩(wěn)流特性好(2)功率因數(shù)比一般的電感鎮(zhèn)流器高。 (3)電路處于準(zhǔn)諧振狀態(tài)時(shí)，可以輸出較高的工作電壓，適合于燈管電壓較高的光源。44穩(wěn)流特性 nnPPmmLCtnnVtVtVVtVV3sin4sin4)(sin)(sin燈nnPPPCnLnntnVCLtVCLtVi3)1(cos41cos41)cos(2) 1(121)9 . 0() 1(11)9 . 0() 1(cos2322222223222222222PLPnPVVPLPnPVVPLVVInnPnnP燈

16、)1(121)9.0(9.09.02322222PLPnPVVVIVWnnPPP燈燈45LC鎮(zhèn)流電路的穩(wěn)流特性較好，當(dāng)電源電壓增加10%時(shí)，W燈110/W燈比值可以計(jì)算，以400瓦高壓汞燈為例：采用電阻鎮(zhèn)流時(shí)：W燈110/W燈=1.25采用電感鎮(zhèn)流時(shí)：W燈110/W燈=1.17采用LC鎮(zhèn)流時(shí)： W燈110/W燈=1.1246短路電流控制 短路電流： 兩者之比： 如果400瓦高壓汞燈，采用LC鎮(zhèn)流可以從上式計(jì)算短路電流(取P2=2)：) 1(2PLVIS2322222)121 ()9 . 0(VPnPVVIInnPSPAIPnPVVIPnnPS57. 3)121 ()9 . 0(11322224

17、7功率因數(shù)校正功率因數(shù)校正 LC鎮(zhèn)流電路的矢量圖如圖 ，從圖可以看出，LC鎮(zhèn)流電路的功率因數(shù)比普通的電感鎮(zhèn)流高的多。從圖中也可以看出LC鎮(zhèn)流電路為什么能用于高燈管電壓的光源。 48利用漏磁變壓器的漏磁電感進(jìn)行工作。圖18這種LC電路可以利用C很方便地校正電路的功率因數(shù)。線路電流由三部分組成，初級(jí)線圈的電流(滯后)，燈管的電流(超前)和次級(jí)線圈的反射電流。 線路電流所包含的三部分中，兩部分超前，一部分落后。只要初級(jí)線圈的電感和電路中C設(shè)計(jì)適當(dāng)，電路的功率因數(shù)可得到校正。 49重復(fù)著火的能力 燈燈燈燈VLPLCVLCWLCVVmb22111221111sin22在LC鎮(zhèn)流中，重復(fù)電離電壓Vb與L有關(guān)。為了使重復(fù)電離增高，必須增大電感量L。因此LC鎮(zhèn)流的重復(fù)電離的能力不如電感鎮(zhèn)流。如400W高壓汞燈，鎮(zhèn)流器L=45,則： VVLWVb2091352440014. 32燈50LC鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)原理 已知電源電壓V，燈電壓VP，燈電流iP，計(jì)算L、C值 ：v確定P值 ：)1(121)9.0(9.09.02322222PLPnPVVVIVWnnPPP燈燈51v計(jì)