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

在照明用電供電系統中,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,往往都是因為以較高的電壓傳輸,超出了用電設備的額定電壓。而且由于照明用電時間多在夜間電網波谷段,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,照明節電設備的工作原理主要是穩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,目前有兩類技術手段:一類是以交流變壓器為核心的調壓、降壓手段,包括多抽頭、自耦等,但是存在體積大、笨重、調節精度低或有級調節、可靠性差等缺點;另一類以電力電子技術為核心的靜止調壓器,其中利用晶閘管相控調壓的調壓器曾廣泛使用,但是因采用相控方式存在功率因數低、諧波大、動態響應慢、濾波器體積大等缺點。

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

本文通過對交流斬波技術的分析,設計了一種體積小、使用簡便、高效的單相交流斬波照明節電器,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S1、S2和續流開關S3、S4交替工作,每個開關周期分為斬波導通和續流導通階段。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,且呈線性關系。同時輸出電壓uo除基波外只含有斬波器開關頻率的高次諧波,容易濾除。當開關頻率足夠高時,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,同時不改變系統的功率因數。

因此,采用交流斬波技術的照明節電器可以減小裝置體積,提高功率因數。

2交流斬波調壓控制技術

交流斬波調壓控制方式與開關器件的工作模式有關,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,一般用帶反并聯二極管的IGBT單元代替, S1和S2起斬波作用, S3和S4起續流作用。

2. 1互補控制方式

互補控制方式是指在一個開關周期內,斬波開關和續流開關必須有一個而且只能有一個導通,要求驅動信號嚴格準確。因為電力電子器件開通和關斷都需要一定時間,不加處理時會在過渡階段導致開關直通現象,因此實際應用時必須在兩個控制信號之間加控制死區,即在過渡期間兩類開關同時關斷。但是由于死區的存在,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律分別控制斬波開關和續流開關的工作狀態,避免出現互補控制中的直通導致的短路現象,不需要或只需很小的緩沖電路即可。根據檢測負載電流與否,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直通現象。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象,即輸出電壓不是斬波波形。失控區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,續流開關也做斬波工作,這樣雖然消除了失控現象,但控制較復雜。

3新型交流斬波照明節電器

本文設計了一種新型交流斬波照明節電器,其拓撲結構圖如圖2(a)所示,斬波開關只使用一個開關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個開關管的驅動信號。該控制方式只有一個開關管工作于斬波狀態,成本降低,開關損耗減小,同時控制簡單,易于實現,可靠性高。

圖2三開關管交流斬波

可以根據輸入電壓和輸出電流的相位關系,將一個工作周期分為4個區間。各區間的開關管工作狀態如表1所示。

表1開關管工作狀態

注: 1表示開關管導通, 0表示關斷,uG表示斬波工作狀態。

以上狀態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。

圖 3邏輯電路原理圖

開關信號S0、S1和S2分別控制對應的3個開關管;mod是工作模式開關,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關系圖

圖6帶輸出濾波器時占空比D與THDU關系圖

從圖4至圖6可以看出,總諧波畸變率THDU與占空比有關。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。對于照明節電器而言,理想節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生的諧波影響較小。

3. 3試驗數據與分析

依據上述基本原理搭建的電路具體參數如下:電源電壓220 V、50 Hz,隔離變壓器300 VA,電阻性負載200Ω,串聯0. 5 H電感,開關頻率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關系圖

圖9帶輸出濾波器時占空比D與THDU關系圖

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照明節電器的特點

依據上述原理制成的照明節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,可以使節電器工作于預先設定好的節電運行模式,也可以與遠程通信技術相結合,實現遠程控制,使用簡便。

(4)保護電路可以實時監控節電器的實際運行狀態。若出現嚴重異常現象,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構提高裝置工作效率。

4結語

本文設計了一種基于交流斬波技術的照明節電器。該節電器采用三開關管拓撲結構,結構簡單、損耗小、控制方便、可靠性高。以該技術為核心的照明節電設備代表今后的發展方向,在照明燈具的節電方面具有廣闊的應用前景。