摘要：提出一種以串聯(lián)調(diào)整式PWM交流斬波器構(gòu)成的照明節(jié)電控制裝置，用于集中控制一組照明燈具以達到節(jié)電的目的。為提高該節(jié)電裝置的效率，進一步采用了非互補PWM交流斬波器控制法和器件并聯(lián)技術(shù)。此外，為使該節(jié)電裝置能適應各種照明負載，系統(tǒng)采用變壓器初級短路的旁路抗沖擊技術(shù)。實驗結(jié)果證明，所開發(fā)的智能節(jié)電裝置效率和可靠性非常高，適合于多種不同類型的負載。
關鍵詞：斬波器；串聯(lián)補償；器件并聯(lián)
1 引言
傳統(tǒng)的照明裝置如路燈照明系統(tǒng)是一種剛性照明系統(tǒng)，作為負載的燈具被動地從市網(wǎng)吸收電能。隨著市網(wǎng)電壓波動，燈具吸收的功率大幅變化，產(chǎn)生的照度也僅與市網(wǎng)電壓有關。如果按照人們社會活動和日常生活規(guī)律對照度的實際需要來靈活、主動地控制燈具照度，將會節(jié)省很大一部分電能，這樣的照明系統(tǒng)稱為柔性照明控制系統(tǒng)。該裝置應滿足以下要求：①作為節(jié)電控制裝置，自身效率必須很高；②必須能適合于不同類型的燈具負載；③具有較高的運行穩(wěn)定性和可靠性；④裝置的成本低、重量輕和體積小。
對大宗照明負載而言，較簡單有效地控制燈具功率的方法是集中控制施加在燈具上的電壓。由雙向晶閘管構(gòu)成的相控斬波電路具有控制簡單、可靠性高的優(yōu)點，但會在市網(wǎng)中引入大量低次諧波。用純Buck或Buck／Boost式PWM高頻交流斬波器可很好地控制輸出電壓．并無諧波引入。但抗負載沖擊能力有限，效率達不到上述要求。串聯(lián)補償式PWM交流調(diào)節(jié)器雖具有效率高和無諧波污染的優(yōu)點，但沖擊電流還是會損壞斬波器。在此介紹了一種主電路由串聯(lián)補償和Buck型交流斬波器構(gòu)成的節(jié)電控制裝置。
2 節(jié)電控制裝置主電路及其工作原理
圖1為照明節(jié)電控制裝置的主電路。
該電路由Buck型PWM交流斬波器、LC濾波器、串聯(lián)補償變壓器構(gòu)成。VT1，VT2和VD1，VD2構(gòu)成雙向斬波開關，VT3，VT4和VD3，VD4構(gòu)成雙向續(xù)流開關。L1為交流斬波器的濾波電感，C1為濾波電容，Tr為串聯(lián)補償變壓器，S1為斬波輸出的倒相開關，VT5為雙向晶閘管固態(tài)開關。
當PWM脈沖為高電平時，雙向斬波開關工作，斬波輸出電壓為交流輸入電壓；當PWM脈沖為低電平時，雙向續(xù)流開關工作，斬波輸出電壓為零。設輸入交流電壓為：
式(4)說明，控制d可對uo進行調(diào)節(jié)，而采用倒相換接開關后，經(jīng)調(diào)節(jié)的uo可高于或低于ui。當期望的uo高于ui時，倒相換接開關為S1-1，公式取“+”號；反之，當期望的uo低于ui時，倒相換接開關為S1-2，公式取“-”號。
3 系統(tǒng)運行效率的分析及提高措施
眾所周知，串聯(lián)調(diào)整式結(jié)構(gòu)具有較高的系統(tǒng)運行效率，因為串聯(lián)變壓器和功率變換器僅傳輸較小的系統(tǒng)功率補償量。忽略其他損耗，系統(tǒng)的損耗近似等于斬波器的損耗和串聯(lián)變壓器的損耗。系統(tǒng)的總效率主要取決于交流斬波器和串聯(lián)變壓器，可表示為：
η=1／[1+r(1-ηcηt)] (5)
式中：r為電壓補償范圍；ηc，ηt分別為斬波器和串聯(lián)變壓器的效率。
假設r=0．3，ηc=ηt=95％，根據(jù)式(5)計算的η高達97．2％，但仍低于節(jié)能器的國家標準，而且若不采取一些特殊的措施，ηc很難達到95％。因此這里采取如下一系列措施來進一步提高所研發(fā)的節(jié)電控制裝置的效率。
(1)采用非互補驅(qū)動方式
對于一個Buck型交流斬波器，功率開關可以采用互補驅(qū)動和非互補驅(qū)動兩種方式。采用互補驅(qū)動方式驅(qū)動電路簡單，但全部開關器件都參與PWM開關過程，因此開關損耗較高，并且在死區(qū)時間需要用緩沖器來抑制電壓尖峰，因此增加了額外的功率損耗。雖然非互補模式比互補模式的驅(qū)動電路更復雜，但開關損耗小，且無需緩沖器。圖2示出非互補模式。
在輸入工頻電壓的正半周，對VT1，VT3進行PWM控制，而VT2，VT4全開通；反之，在輸入工頻電壓的負半周，對VT2，VT4進行PWM控制，而VT1，VT3全開通。該方式下，總的開關動作次數(shù)減少了一半，因此開關損耗也降低了一半。在一個開關周期中，交流斬波器包括3種工作模式：有源模式、死區(qū)模式和續(xù)流模式。這3種模式下雙向電流通路總是存在，不會產(chǎn)生di／dt過電壓，因此無需緩沖電路，降低了緩沖電路所引入的損耗。
(2)選用通態(tài)壓降較低的開關器件多管并聯(lián)
開關器件的通態(tài)損耗直接取決于其飽和壓降及傳導電流。當負載電流較大時，通態(tài)功率損耗在總損耗中占有很大一部分。對一個Buck型交流斬波器而言，通態(tài)損耗可近似為：
Pson=(2UsatPc／Uoc)×100％ (6)
式中：Usat為IGBT的飽和電壓；Uoc，Pc為斬波器輸出電壓和輸出功率的有效值。
多數(shù)IGBT的飽和壓降約為2 V，對于輸出電壓為220 V的斬波器，即有2％的通態(tài)損耗。在此選用一種飽和壓降為1．5 V的IGBT作為功率開關，并采用兩管或多管并聯(lián)來降低開關損耗。
(3)采用非晶態(tài)磁芯濾波電感，倒相換接開關采用機電開關
濾波電感串聯(lián)在交流斬波器中，其效率與斬波器的效率一樣重要。影響濾波電感效率的主要因素是磁滯損耗和渦流損耗，非晶態(tài)磁芯電感的磁滯損耗和渦流損耗比鐵心電感小得多，原則上倒相換接開關采用快速的半導體開關為宜，但其通態(tài)壓降也會引起功率損耗，機械開關通態(tài)損耗可以忽略，但不可控。大功率繼電器可控并且其觸點沒有損耗，因此用作倒相開關。
采取上述技術(shù)措施后，斬波器的效率得到很大提高，配合高效的變壓器，系統(tǒng)的整體效率達到了國家節(jié)能器的標準。
4 負載適應性和系統(tǒng)可靠性
實際的照明系統(tǒng)負載種類繁多，有些是純阻性的，但有些負載加裝了功率因數(shù)補償電容，有些是輸入級為整流器的電子鎮(zhèn)流器燈具負載。這些負載的共同特點是上電電流沖擊很大，因為整流器后接有并聯(lián)補償電容和濾波電容，這樣的一種開關沖擊電流可達到其額定值的幾百倍至上千倍，很容易造成交流斬波器因過流而損壞，而且大多數(shù)照明負載的開關是隨機的，即沖擊電流時時存在。此外，負載回路可能發(fā)生局部短路情況，因此要對交流斬波器實施保護，但又不能終止節(jié)能器下游負載的運行。
在串聯(lián)調(diào)整式系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)中，主功率通道上只有串聯(lián)變壓器的次級繞組，具有很強的抗沖擊能力，若在節(jié)電裝置運行過程中遇到上述電流沖擊性負載的接入，系統(tǒng)瞬間封鎖保護交流斬波器，但主功率通道仍繼續(xù)向負載供電。在這種情況下，變壓器相當于一個電流互感器，負載沖擊電流反射到串聯(lián)變壓器的初級繞組上。為保護交流斬波器，設計了快速的過流檢測電路產(chǎn)生過流封鎖信號，當負載電流產(chǎn)生沖擊時，高速電流檢測單元在負載電流上升到功率開關器件的最大承受電流前發(fā)出封鎖信號，封鎖VT1，VT2，同時打開VT3，VT4和VT5，以避免串聯(lián)變壓器的初級繞組開路。負載沖擊電流反射到串聯(lián)變壓器的初級電流將從VT3，VT4，VT5中流過，從而保護了續(xù)流開關。因此避免了電流變壓器開路繞組上的高電感電壓。晶閘管固態(tài)開關的過電流能力較高，它能抵抗較大的沖擊電流而不至于被損壞。此時交流斬波器被封鎖了，固態(tài)開關將變壓器的初級短路，負載電流仍然通過次級繞組連續(xù)流動，這種工作模式稱為初級短路的旁路模式。沖擊電流過去后，再向VT5發(fā)出關斷信號，VT5關斷后，交流斬波器返回斬波狀態(tài)，繼續(xù)對輸出電壓進行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)做這樣的處理后，可以適合于各種沖擊性負載，其開和關不受限制。當系統(tǒng)發(fā)生故障后，節(jié)電控制裝置能夠通過初級短路的旁路模式而不用中斷負載的電源。同樣當交流斬波器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)也切換到串聯(lián)變壓器初級短路的旁路方式。
系統(tǒng)進行上述處理后，無論是容性負載合閘沖擊還是非線性負載沖擊，均可保證交流斬波器的安全，一旦沖擊過后，交流斬波器再投入運行。不難想象，該節(jié)電裝置還可直接應用于其他負載場合，應用范圍很廣。
5 實驗結(jié)果
為驗證所提措施的有效性，制作實驗樣機，參數(shù)為：額定功率40 kVA(三相)；ui為(380+15％)V(三相)；uo為266～437 V(三相)；串聯(lián)變壓器容量為11 kVA(三相)，初級為380 V(16．5 Ax3)，次級為104 V(60 A×3)；斬波開關IGBT為IKW75T60N，雙管并聯(lián)；濾波器輸入電容為15μF，LC濾波為0．5 mH，20μF；雙向固態(tài)開關為KS100A1200V，倒相換接開關為繼電器觸點容量為30A／380V。
圖3a為采取措施前后不同功率下的系統(tǒng)效率；圖3b為負載沖擊電流到來時從斬波調(diào)整模式切換到旁路模式系統(tǒng)的輸出電壓、電流波形?？梢?，當存在負載沖擊電流時，輸出電壓無間斷。
6 結(jié)論
所采取的技術(shù)措施有效地提高了串聯(lián)補償式節(jié)能控制器的運行效率，并使裝置適用于各種負載，系統(tǒng)的運行可靠性得到提高，相應技術(shù)可推廣到其他應用領域。
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