太陽(yáng)能高壓鈉燈高頻電子鎮(zhèn)流器的研究
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摘要:介紹了一種低電壓供電且以MC68HC908QT2廉價(jià)單片機(jī)控制和可變頻率驅(qū)動(dòng)技術(shù)為核心的太陽(yáng)能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器。該電子鎮(zhèn)流器有電流電壓控制環(huán),在雙環(huán)控制下使其輸出恒功率,從而使高壓鈉燈可靠穩(wěn)定地工作。
關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能;電子鎮(zhèn)流器;高壓鈉燈;聲共振;可變頻率
引言
當(dāng)前國(guó)家電力的大額缺口,整個(gè)世界范圍能源的緊張,以及自然環(huán)境的不斷惡化,使我們不得不更多地從高效、有效節(jié)能、綠色環(huán)保等多方面考慮電氣產(chǎn)品的設(shè)計(jì),同樣,在尋找可靠的輔助能源的同時(shí),更要注意其"綠色"的意義。本太陽(yáng)能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器正是以此為出發(fā)點(diǎn)。高壓放電(HID--High Indensity Discharge)燈通常指汞燈(Mercury Vapor)、高壓鈉燈(High Pressure Sodium Lamp)、金屬鹵化物燈(Metal Halide)等。它們的發(fā)光效率遠(yuǎn)比白熾燈高,按光電轉(zhuǎn)換率上限的值排序,白熾燈、汞燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈分別為25lm/W、60lm/W、120lm/W、140lm/W。汞燈因其光色中的蘭光較重,已逐漸被光色質(zhì)量好,發(fā)光效率更高的高壓鈉燈和金屬鹵化物燈取代,因此,HID燈亦即高壓鈉燈和金屬鹵化物燈的泛稱(chēng)。高壓鈉燈是繼白熾燈、高壓汞燈之后的第三代代表性節(jié)能新光源,可廣泛用于道路、碼頭、鐵路、機(jī)場(chǎng)、礦山、廠房、車(chē)庫(kù)、廣場(chǎng)、體育館等大面積室外的照明。
然而,傳統(tǒng)的電感式高壓鈉燈鎮(zhèn)流器存在許多缺陷:
1)體積大、笨重、消耗大量銅材和硅鋼片;
2)功率因數(shù)偏低、電能利用率低;
3)存在工頻閃爍,發(fā)光效率低,燈光通量隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)而變化。
現(xiàn)今,電子式的高壓鈉燈高頻鎮(zhèn)流器通常由市電供電,電路設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)一般是EMI濾波→整流→APFC→逆變→啟動(dòng)→燈,雖然,它具有體積小、節(jié)能、高光效、無(wú)頻閃、長(zhǎng)壽命的卓越性能,而越來(lái)越受到人們青睞,但是,卻要消耗電網(wǎng)的電能,增加電網(wǎng)的負(fù)荷。而采用太陽(yáng)能獨(dú)立供電的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的的結(jié)構(gòu),卻是太陽(yáng)電池(蓄電池)→逆變→升壓→啟動(dòng)→燈,電子鎮(zhèn)流器體積將進(jìn)一步減小,成本也會(huì)降低,將給其錦上添花,達(dá)到真正意義上的"綠色設(shè)計(jì)",其白天將太陽(yáng)能儲(chǔ)存在蓄電池中,晚上可以定時(shí)工作,施工安裝方便,基本無(wú)須維護(hù)。
圖2
1 太陽(yáng)能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的特點(diǎn)和技術(shù)要求
由于高壓鈉燈的結(jié)構(gòu)及其原理與熒光燈并不完全相同,用普通熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器即使去點(diǎn)燃同樣的功率的高壓鈉燈也不適合,所以,高壓鈉燈對(duì)鎮(zhèn)流器的要求是很高的,要制作高品質(zhì)的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器還是比較困難的。眾所周知,高壓鈉燈是在高頻電流下點(diǎn)燃的氣體放電燈,會(huì)產(chǎn)生放電管聲共振現(xiàn)象,這是由燈管內(nèi)壓力波的脈動(dòng)從管內(nèi)壁反射回來(lái),若與燈高頻電流的脈動(dòng)成分相位相同,形成駐波,即產(chǎn)生聲共振[2],其表現(xiàn)為:
1)電弧管體內(nèi)有音頻噪聲;
2)電弧管內(nèi)電弧發(fā)生閃爍、扭曲、翻滾等現(xiàn)象,同時(shí)燈電壓不穩(wěn)定,嚴(yán)重時(shí)將會(huì)發(fā)生熄弧或使燈損壞。
因高壓鈉燈的電弧管細(xì)長(zhǎng)呈圓柱形,電弧易穩(wěn)定,試驗(yàn)表明在8~150kHz率之外基本上可以避免聲共振和電弧的不穩(wěn)定現(xiàn)象。低頻方波點(diǎn)燈將會(huì)降低燈的光效,頻率太高會(huì)有射(高)頻干擾,并且對(duì)燈的引線長(zhǎng)度有限制(限制在2m內(nèi)),所以,可以在適當(dāng)?shù)母哳l下,采用可變頻率技術(shù),來(lái)消除聲共振。
根據(jù)對(duì)高強(qiáng)度氣體放電燈高頻變換器技術(shù)的研究,結(jié)合高壓鈉燈的工作特性,歸納高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的主要技術(shù)要求如下:
1)能提供3~5kV電壓(比熒光燈高3~5倍),且脈沖寬度≤2μs,具有足夠能量的高頻高壓來(lái)觸發(fā)啟動(dòng),完成湯姆遜放電(離子放電)→過(guò)渡放電→輝光放電→弧光放電的啟動(dòng)過(guò)程;
2)具有較強(qiáng)的非線性負(fù)載適應(yīng)性,特別是觸發(fā)啟動(dòng)瞬間,高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器相當(dāng)于輸出短路狀態(tài),具備恒功率或恒電流控制能力,保證電弧管體內(nèi)放電電弧穩(wěn)定,避免光通量閃爍;
3)能消除聲共振,避免放電電弧出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象,而使燈光抖動(dòng)或燒毀;
4)高頻逆變電路具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力,其功率因數(shù)高、功率高、可靠性高、成本低、可實(shí)現(xiàn)短路、開(kāi)路、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱的保護(hù),能在戶(hù)外長(zhǎng)期工作,且使用壽命長(zhǎng)。
2 太陽(yáng)能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)原理及控制方法
市電供電的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器本質(zhì)上是AC/DC/AC高頻變換器,而太陽(yáng)能獨(dú)立供電的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器是蓄電池供電,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,本質(zhì)上是DC/AC高頻變換器,其電路框圖如圖1所示。白天將太陽(yáng)能儲(chǔ)存在蓄電池中,晚上可以通過(guò)檢測(cè)電池板電壓來(lái)定時(shí)啟動(dòng)。將蓄電池中低壓直流電壓通過(guò)逆變電路變成高頻電壓,再通過(guò)高頻升壓變壓器后供給高壓鈉燈。電壓檢測(cè)為檢測(cè)電池板的電壓,電流檢測(cè)是為構(gòu)成電流環(huán)。啟動(dòng)電路是為高壓鈉燈提供3~5kV、脈沖寬度≤2μs的瞬間高壓來(lái)觸發(fā)高壓鈉燈。由于氣體放電燈具有負(fù)阻特性,而在高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器電路控制下變?yōu)檎杼匦裕哳l電流狀態(tài)下相對(duì)工頻提高約15%的電光轉(zhuǎn)換率[2],其中控制保護(hù)電路是電子鎮(zhèn)流器的核心,綜合考慮降低成本等因素,決定采用半橋逆變電路。輔助電源部分是為部分芯片提供工作電源用。通過(guò)采樣蓄電池的電壓達(dá)到對(duì)系統(tǒng)過(guò)壓和欠壓,過(guò)熱的保護(hù)。
2.1 逆變電路及啟動(dòng)電路
逆變電路及啟動(dòng)電路是該電子鎮(zhèn)流器的重要部分,如圖2所示。其原理是:當(dāng)檢測(cè)到太陽(yáng)能板電壓低于一個(gè)定值時(shí)即視為晚間,此時(shí)控制保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)V2,同時(shí)產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)觸發(fā)晶閘管(SCR),使C10通過(guò)N4迅速放電,從而使N3同名端處產(chǎn)生3~5kV的瞬間高壓來(lái)啟動(dòng)高壓鈉燈(N3=20×N4);隨后控制保護(hù)電路輸出一對(duì)互差180°的PWM波(有1.5μs的死區(qū))驅(qū)動(dòng)半橋,使其輸出高頻PWM波,再經(jīng)由高頻升壓變壓器T1的N1耦合到N2,使高頻PWM波在T1的N2、C11、T2的N3、高壓鈉燈、L3的N7回路產(chǎn)生諧振,并形成高頻正弦波電壓電流,使高壓鈉燈工作在高光效的弧光放電狀態(tài)。采樣D處電壓實(shí)為燈電流在N6上感生的電壓,以此對(duì)高壓鈉燈電流進(jìn)行監(jiān)控,構(gòu)成電流環(huán),由于蓄電池相當(dāng)于一個(gè)恒壓源,所以,對(duì)電壓的控制也可使高壓鈉燈工作在恒功率狀態(tài),保證電弧管內(nèi)放電電弧穩(wěn)定,避免光通量閃爍。E處電壓為判斷高壓鈉燈正常工作(也是燈檢測(cè)信號(hào))并封鎖啟動(dòng)信號(hào),如果啟動(dòng)失敗則再通過(guò)R16、C10充電等待控制器約3min的延時(shí)結(jié)束(實(shí)為待燈冷卻下來(lái),因?yàn)?,高壓鈉燈在熱狀態(tài)下啟動(dòng)要幾十kV甚至幾百kV的高壓)進(jìn)行再次觸發(fā)。
2.3 控制保護(hù)電路分析
控制保護(hù)電路如圖3所示,是該電子鎮(zhèn)流器的核心部分。其原理是:?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板輸出電壓值,來(lái)判定是否晚間,也通過(guò)檢測(cè)蓄電池電壓來(lái)判定其是否過(guò)放或過(guò)充,如過(guò)放則封鎖V2和V3,如過(guò)充則斷開(kāi)電池板停止向蓄電池充電;同樣通過(guò)對(duì)燈電流的檢測(cè)來(lái)對(duì)燈的輸出功率進(jìn)行控制;燈檢測(cè)是判斷燈是否損壞,如損壞則關(guān)閉半橋,無(wú)輸出電壓,系統(tǒng)處于低的功耗狀態(tài),也保護(hù)了維護(hù)人員;可變頻率驅(qū)動(dòng)電路在消除高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中的聲頻共振現(xiàn)象時(shí)得到了很好的應(yīng)用,是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的新型技術(shù),其驅(qū)動(dòng)時(shí)的燈電壓電流示意波形如圖4所示。在半橋驅(qū)動(dòng)電路中,通過(guò)單片機(jī)輸出一個(gè)低頻信號(hào),約2kHz,使功率器件以其占空比的變化改變PWM電路的輸出平均電壓,這將導(dǎo)致一個(gè)低頻信號(hào)瞬間疊加在高頻開(kāi)關(guān)頻率上,從而改變電子鎮(zhèn)流器中串聯(lián)諧振LC電路的工作電壓,此時(shí)隨著低頻信號(hào)的波動(dòng),燈端電流的幅值也是按照調(diào)制信號(hào)的低頻周期不斷地變化,因?yàn)?,頻率不是固定在一點(diǎn)上,所以,就不會(huì)在固定的頻率上形成駐波而產(chǎn)生聲共振,另外,該頻率的變化是瞬間的,對(duì)功率并沒(méi)有什么影響,并且能夠?qū)崿F(xiàn)高壓鈉燈的恒功率運(yùn)行。
3 高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器試驗(yàn)研究
根據(jù)以上的設(shè)計(jì)思路,進(jìn)行了400W太陽(yáng)能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器試驗(yàn)研究。采用24V的蓄電池組供電,將24V升到穩(wěn)定的400V直流電壓供給高壓鈉燈。其啟動(dòng)電壓為4.1kV,如圖5所示。其正常工作時(shí)燈兩端的電壓為105V,電流4.4A,如圖6所示(通道1為電流,通道2為電壓)。
4 結(jié)語(yǔ)
對(duì)400W太陽(yáng)能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)研究,采用了可變頻率驅(qū)動(dòng)對(duì)高壓鈉燈聲共振現(xiàn)象進(jìn)行有效的抑制,以及對(duì)其進(jìn)行恒功率控制,從而使高壓鈉燈能夠穩(wěn)定可靠地工作,達(dá)到了相關(guān)技術(shù)要求。不足之處是體積較大,如將部分元件改用貼片式,則可以進(jìn)一步減小體積。