基于交流斬波技術(shù)的新型城市照明節(jié)電器

引　言

隨著人類社會的不斷發(fā)展,能源問題日益成為所有國家面臨的重大問題,尋找“干凈”的新型能源和節(jié)能降耗將成為人類社會發(fā)展的永恒主題。城市照明用電是電能的消耗大戶,所以研究城市照明節(jié)電技術(shù)具有重大的意義。

在照明用電供電系統(tǒng)中,特別是路燈供電線路中,為了避免送電過程中的線路損耗及用電高峰造成的末端電壓過低,導致路燈點不亮的情況出現(xiàn),往往都是因為以較高的電壓傳輸,超出了用電設(shè)備的額定電壓。而且由于照明用電時間多在夜間電網(wǎng)波谷段,所以供電電壓往往偏高,而此時道路上的交通流量很少,必然導致路燈的光通量增大,使路面照度升高。這不僅浪費電能,而且嚴重影響照明燈具的使用壽命。因此,照明節(jié)電設(shè)備的工作原理主要是穩(wěn)定或適當降低供電電壓。以最常用的250W高壓鈉燈為例,有資料表明200 V是半夜燈的最佳供電電壓,此時電流比額定降低6. 3%,節(jié)電率為16. 1%,同時可以延長1倍的燈具使用壽命,降低維護成本。

綜合來看,目前有兩類技術(shù)手段:一類是以交流變壓器為核心的調(diào)壓、降壓手段,包括多抽頭、自耦等,但是存在體積大、笨重、調(diào)節(jié)精度低或有級調(diào)節(jié)、可靠性差等缺點;另一類以電力電子技術(shù)為核心的靜止調(diào)壓器,其中利用晶閘管相控調(diào)壓的調(diào)壓器曾廣泛使用,但是因采用相控方式存在功率因數(shù)低、諧波大、動態(tài)響應慢、濾波器體積大等缺點。

隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展,交流斬波技術(shù)(也叫矩陣變換器[3])作為交流調(diào)壓手段已日臻成熟,可廣泛應用于照明、電機拖動、工業(yè)加熱等領(lǐng)域。該技術(shù)具有僅取決于負載的功率因數(shù)、動態(tài)響應速度快、線性調(diào)壓范圍寬以及輸入、輸出易于濾波等優(yōu)點。

本文通過對交流斬波技術(shù)的分析,設(shè)計了一種體積小、使用簡便、高效的單相交流斬波照明節(jié)電器,并通過仿真和試驗驗證了該方案的可行性。

1　交流斬波技術(shù)原理

圖1為單相交流斬波主電路原理示意圖。

圖1　單相交流斬波主電路原理圖

在理想斬波方式下,斬波開關(guān)S1、S2和續(xù)流開關(guān)S3、S4交替工作,每個開關(guān)周期分為斬波導通和續(xù)流導通階段。輸出電壓為

式中　ui———輸入電源電壓

ui=Umsinωt

式中　Um———輸入電壓峰值

ω———輸入電壓角頻率

對uo作傅立葉分析得

式中　ωc———斬波頻率D———占空比

從式(3)可以看出,改變占空比D,可以改變基波幅值,且呈線性關(guān)系。同時輸出電壓uo除基波外只含有斬波器開關(guān)頻率的高次諧波,容易濾除。當開關(guān)頻率足夠高時,只要引入較小尺寸的輸入、輸出濾波器,即可將輸入電流、輸出電壓中的諧波完全濾除,同時不改變系統(tǒng)的功率因數(shù)。

因此,采用交流斬波技術(shù)的照明節(jié)電器可以減小裝置體積,提高功率因數(shù)。

2　交流斬波調(diào)壓控制技術(shù)

交流斬波調(diào)壓控制方式與開關(guān)器件的工作模式有關(guān),一般分為互補控制和非互補控制兩種。其中S1~S4為全控開關(guān),一般用帶反并聯(lián)二極管的IGBT單元代替, S1和S2起斬波作用, S3和S4起續(xù)流作用。

2. 1　互補控制方式

互補控制方式是指在一個開關(guān)周期內(nèi),斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)必須有一個而且只能有一個導通,要求驅(qū)動信號嚴格準確。因為電力電子器件開通和關(guān)斷都需要一定時間,不加處理時會在過渡階段導致開關(guān)直通現(xiàn)象,因此實際應用時必須在兩個控制信號之間加控制死區(qū),即在過渡期間兩類開關(guān)同時關(guān)斷。但是由于死區(qū)的存在,感性電路時容易造成大的瞬時電壓沖擊,需要增加一定功率的緩沖電路。這不僅會使波形畸變、效率降低,而且緩沖電路的設(shè)計也是難點。

2. 2　非互補控制方式

非互補控制方式是指按不同規(guī)律分別控制斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)的工作狀態(tài),避免出現(xiàn)互補控制中的直通導致的短路現(xiàn)象,不需要或只需很小的緩沖電路即可。根據(jù)檢測負載電流與否,又分為無電流檢測和有電流檢測兩類。

無電流檢測非互補控制方式可以避免出現(xiàn)直通現(xiàn)象。但是,當輸入電壓和輸出電流不同相時,該控制方式存在失控現(xiàn)象,即輸出電壓不是斬波波形。失控區(qū)的存在使輸出電壓包含較明顯的3次和5次等低次諧波。而在有電流檢測的非互補控制方式的情況下,當電壓和電流不同相時,續(xù)流開關(guān)也做斬波工作,這樣雖然消除了失控現(xiàn)象,但控制較復雜。

3　新型交流斬波照明節(jié)電器

本文設(shè)計了一種新型交流斬波照明節(jié)電器,其拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖2(a)所示,斬波開關(guān)只使用一個開關(guān)管跨接在橋式二極管整流兩端。該交流斬波方案采用非互補的控制方式,其控制波形圖如圖2(b)所示。其中ui表示輸入電壓,io表示輸出電流。S0和S1、S2分別代表3個開關(guān)管的驅(qū)動信號。該控制方式只有一個開關(guān)管工作于斬波狀態(tài),成本降低,開關(guān)損耗減小,同時控制簡單,易于實現(xiàn),可靠性高。

圖2　三開關(guān)管交流斬波

可以根據(jù)輸入電壓和輸出電流的相位關(guān)系,將一個工作周期分為4個區(qū)間。各區(qū)間的開關(guān)管工作狀態(tài)如表1所示。

表1　開關(guān)管工作狀態(tài)

注: 1表示開關(guān)管導通, 0表示關(guān)斷,uG表示斬波工作狀態(tài)。

以上狀態(tài)也可用以下邏輯表達式表達:

3. 1　邏輯電路控制方式

按如圖3所示的邏輯電路來實現(xiàn)。

圖 3邏輯電路原理圖

開關(guān)信號S0、S1和S2分別控制對應的3個開關(guān)管;mod是工作模式開關(guān),高電平時正常工作,低電平時禁止工作;i和u為檢測電流和電壓相位,用于邏輯判斷。

3. 2　仿真分析

根據(jù)上述控制原理,用MATLAB中的Simu-link工具箱建立仿真模型。電源電壓為交流圖3　邏輯電路原理圖220 V、50Hz,負載L為0. 5 H,R為200Ω,開關(guān)頻率為5 kHz,占空比D為0. 6,輸出電壓uo的波形以及不同占空比下的輸出電壓總諧波畸變率THDU分別如圖4和圖5所示。當輸出側(cè)加濾波電感0. 83 mH、濾波電容12μF時,不同占空比下的輸出電壓總諧波畸變率THDU如圖6所示。

圖4　純電阻負載輸出電壓uo波形圖(橫坐標每小格代表50 Hz)

圖5　純電阻負載占空比D與THDU關(guān)系圖

圖6　帶輸出濾波器時占空比D與THDU關(guān)系圖

從圖4至圖6可以看出,總諧波畸變率THDU與占空比有關(guān)。并且隨著占空比D的增大,諧波明顯減小,加上輸出濾波后,THDU更小。對于照明節(jié)電器而言,理想節(jié)電方式的工作電壓約為200 V,以220 V供電電壓±20 %的波動上限計算,占空比D最低工作在0. 83。因此,該控制方式實際運行時產(chǎn)生的諧波影響較小。

3. 3　試驗數(shù)據(jù)與分析

依據(jù)上述基本原理搭建的電路具體參數(shù)如下:電源電壓220 V、50 Hz,隔離變壓器300 VA,電阻性負載200Ω,串聯(lián)0. 5 H電感,開關(guān)頻率5 kHz。圖7為輸出電壓uo波形,圖8為占空比與輸出電壓總諧波畸變率THDU的關(guān)系,圖9為加上輸出濾波電感0. 83 mH、濾波電容12μF時,占空比與輸出電壓總諧波畸變率THDU的關(guān)系。以上曲線表明,隨著占空比D的增大,輸出電壓總諧波畸變率THDU逐漸減小,與仿真結(jié)果一致。

圖7　純電阻負載輸出電壓uo波形(橫坐標每小格為5 ms,縱坐標每小格為50 V)

圖8　電阻負載占空比D與THDU關(guān)系圖

圖9　帶輸出濾波器時占空比D與THDU關(guān)系圖

并且加上輸出濾波時,總諧波畸變率THDU更小,可以滿足實際需要。

3. 4　照明節(jié)電器的特點

依據(jù)上述原理制成的照明節(jié)電器可以應用于白熾燈、熒光燈、氣體放電燈(包括高壓汞燈、高壓鈉燈及金屬鹵化物等)等照明燈具上,因此應用十分廣泛,并且具有以下工作特點:

(1)安裝方便,無需更改原有的照明配電線路。

(2)全固態(tài)器件,無觸點、抽頭等,免維護,同時省卻變壓器,因此體積小,效率高。

(3)以微處理器為控制核心,可以使節(jié)電器工作于預先設(shè)定好的節(jié)電運行模式,也可以與遠程通信技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)遠程控制,使用簡便。

(4)保護電路可以實時監(jiān)控節(jié)電器的實際運行狀態(tài)。若出現(xiàn)嚴重異常現(xiàn)象,可提供報警并將裝置旁路,不影響照明正常供電,只是不提供節(jié)電運行模式而已。

(5)采用該工作原理也可做成三相電路,用于大功率場合,也可以使用補償式結(jié)構(gòu)提高裝置工作效率。

4　結(jié)　語

本文設(shè)計了一種基于交流斬波技術(shù)的照明節(jié)電器。該節(jié)電器采用三開關(guān)管拓撲結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單、損耗小、控制方便、可靠性高。以該技術(shù)為核心的照明節(jié)電設(shè)備代表今后的發(fā)展方向,在照明燈具的節(jié)電方面具有廣闊的應用前景。