基于交流斩波技术的照明节电器设计

 引　言

随着人类社会的不断发展,能源问题日益成为所有国家面临的重大问题,寻找"干净"的新型能源和节能降耗将成为人类社会发展的永恒主题。城市照明用电是电能的消耗大户,所以研究城市照明节电技术具有重大的意义。
在照明用电供电系统中,特别是路灯供电线路中,为了避免送电过程中的线路损耗及用电高峰造成的末端电压过低,导致路灯点不亮的情况出现,往往都是因为以较高的电压传输,超出了用电设备的额定电压。而且由于照明用电时间多在夜间电网波谷段,所以供电电压往往偏高,而此时道路上的交通流量很少,必然导致路灯的光通量增大,使路面照度升高。这不仅浪费电能,而且严重影响照明灯具的使用寿命。因此,照明节电设备的工作原理主要是稳定或适当降低供电电压。以最常用的250W高压钠灯为例,有资料表明200 V是半夜灯的最佳供电电压,此时电流比额定降低6. 3%,节电率为16. 1%,同时可以延长1倍的灯具使用寿命,降低维护成本。

综合来看,目前有两类技术手段:一类是以交流变压器为核心的调压、降压手段,包括多抽头、自耦等,但是存在体积大、笨重、调节精度低或有级调节、可靠性差等缺点;另一类以电力电子技术为核心的静止调压器,其中利用晶闸管相控调压的调压器曾广泛使用,但是因采用相控方式存在功率因数低、谐波大、动态响应慢、滤波器体积大等缺点。

随着电力电子技术和微电子技术的发展,交流斩波技术(也叫矩阵变换器[3])作为交流调压手段已日臻成熟,可广泛应用于照明、电机拖动、工业加热等领域。该技术具有仅取决于负载的功率因数、动态响应速度快、线性调压范围宽以及输入、输出易于滤波等优点。

本文通过对交流斩波技术的分析,设计了一种体积小、使用简便、高效的单相交流斩波照明节电器,并通过仿真和试验验证了该方案的可行性。

1　交流斩波技术原理

图1为单相交流斩波主电路原理示意图。

图1　单相交流斩波主电路原理图

在理想斩波方式下,斩波开关S1、S2和续流开关S3、S4交替工作,每个开关周期分为斩波导通和续流导通阶段。输出电压为

式中　ui———输入电源电压
ui=Umsinωt
式中　Um———输入电压峰值
ω———输入电压角频率
对uo作傅立叶分析得

式中　ωc———斩波频率D———占空比

从式(3)可以看出,改变占空比D,可以改变基波幅值,且呈线性关系。同时输出电压uo除基波外只含有斩波器开关频率的高次谐波,容易滤除。当开关频率足够高时,只要引入较小尺寸的输入、输出滤波器,即可将输入电流、输出电压中的谐波完全滤除,同时不改变系统的功率因数。

因此,采用交流斩波技术的照明节电器可以减小装置体积,提高功率因数。

2　交流斩波调压控制技术

交流斩波调压控制方式与开关器件的工作模式有关,一般分为互补控制和非互补控制两种。其中S1~S4为全控开关,一般用带反并联二极管的IGBT单元代替, S1和S2起斩波作用, S3和S4起续流作用。

2. 1　互补控制方式

互补控制方式是指在一个开关周期内,斩波开关和续流开关必须有一个而且只能有一个导通,要求驱动信号严格准确。因为电力电子器件开通和关断都需要一定时间,不加处理时会在过渡阶段导致开关直通现象,因此实际应用时必须在两个控制信号之间加控制死区,即在过渡期间两类开关同时关断。但是由于死区的存在,感性电路时容易造成大的瞬时电压冲击,需要增加一定功率的缓冲电路。这不仅会使波形畸变、效率降低,而且缓冲电路的设计也是难点。

2. 2　非互补控制方式

非互补控制方式是指按不同规律分别控制斩波开关和续流开关的工作状态,避免出现互补控制中的直通导致的短路现象,不需要或只需很小的缓冲电路即可。根据检测负载电流与否,又分为无电流检测和有电流检测两类。
无电流检测非互补控制方式可以避免出现直通现象。但是,当输入电压和输出电流不同相时,该控制方式存在失控现象,即输出电压不是斩波波形。失控区的存在使输出电压包含较明显的3次和5次等低次谐波。而在有电流检测的非互补控制方式的情况下,当电压和电流不同相时,续流开关也做斩波工作,这样虽然消除了失控现象,但控制较复杂。

3　新型交流斩波照明节电器

本文设计了一种新型交流斩波照明节电器,其拓扑结构图如图2(a)所示,斩波开关只使用一个开关管跨接在桥式二极管整流两端。该交流斩波方案采用非互补的控制方式,其控制波形图如图2(b)所示。其中ui表示输入电压,io表示输出电流。S0和S1、S2分别代表3个开关管的驱动信号。该控制方式只有一个开关管工作于斩波状态,成本降低,开关损耗减小,同时控制简单,易于实现,可靠性高。

图2　三开关管交流斩波

可以根据输入电压和输出电流的相位关系,将一个工作周期分为4个区间。各区间的开关管工作状态如表1所示。
表1　开关管工作状态

注: 1表示开关管导通, 0表示关断,uG表示斩波工作状态。

以上状态也可用以下逻辑表达式表达:


3. 1　逻辑电路控制方式

按如图3所示的逻辑电路来实现。

图 3逻辑电路原理图

开关信号S0、S1和S2分别控制对应的3个开关管;mod是工作模式开关,高电平时正常工作,低电平时禁止工作;i和u为检测电流和电压相位,用于逻辑判断。

3. 2　仿真分析

根据上述控制原理,用MATLAB中的Simu-link工具箱建立仿真模型。电源电压为交流图3　逻辑电路原理图220 V、50Hz,负载L为0. 5 H,R为200Ω,开关频率为5 kHz,占空比D为0. 6,输出电压uo的波形以及不同占空比下的输出电压总谐波畸变率THDU分别如图4和图5所示。当输出侧加滤波电感0. 83 mH、滤波电容12μF时,不同占空比下的输出电压总谐波畸变率THDU如图6所示。

图4　纯电阻负载输出电压uo波形图(横坐标每小格代表50 Hz)

图5　纯电阻负载占空比D与THDU关系图

图6　带输出滤波器时占空比D与THDU关系图

从图4至图6可以看出,总谐波畸变率THDU与占空比有关。并且随着占空比D的增大,谐波明显减小,加上输出滤波后,THDU更小。对于照明节电器而言,理想节电方式的工作电压约为200 V,以220 V供电电压±20 %的波动上限计算,占空比D最低工作在0. 83。因此,该控制方式实际运行时产生的谐波影响较小。

3. 3　试验数据与分析

依据上述基本原理搭建的电路具体参数如下:电源电压220 V、50 Hz,隔离变压器300 VA,电阻性负载200Ω,串联0. 5 H电感,开关频率5 kHz。图7为输出电压uo波形,图8为占空比与输出电压总谐波畸变率THDU的关系,图9为加上输出滤波电感0. 83 mH、滤波电容12μF时,占空比与输出电压总谐波畸变率THDU的关系。以上曲线表明,随着占空比D的增大,输出电压总谐波畸变率THDU逐渐减小,与仿真结果一致。

图7　纯电阻负载输出电压uo波形(横坐标每小格为5 ms,纵坐标每小格为50 V)

图8　电阻负载占空比D与THDU关系图

图9　带输出滤波器时占空比D与THDU关系图

并且加上输出滤波时,总谐波畸变率THDU更小,可以满足实际需要。

3. 4　照明节电器的特点

依据上述原理制成的照明节电器可以应用于白炽灯、荧光灯、气体放电灯(包括高压汞灯、高压钠灯及金属卤化物等)等照明灯具上,因此应用十分广泛,并且具有以下工作特点:

(1)安装方便,无需更改原有的照明配电线路。

(2)全固态器件,无触点、抽头等,免维护,同时省却变压器,因此体积小,效率高。

(3)以微处理器为控制核心,可以使节电器工作于预先设定好的节电运行模式,也可以与远程通信技术相结合,实现远程控制,使用简便。

(4)保护电路可以实时监控节电器的实际运行状态。若出现严重异常现象,可提供报警并将装置旁路,不影响照明正常供电,只是不提供节电运行模式而已。

(5)采用该工作原理也可做成三相电路,用于大功率场合,也可以使用补偿式结构提高装置工作效率。