高效數(shù)字化柔性照明裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙仕榮 黃悅?cè)A 王歸新 趙克鳴

(三峽大學(xué)，湖北宜昌 443002)

1 引 言

隨著科技日新月異的進(jìn)步，傳統(tǒng)剛性照明系統(tǒng)作為一種一成不變的照明方式與現(xiàn)代化的節(jié)能要求不相適應(yīng)。應(yīng)運(yùn)而生的照明系統(tǒng)稱為柔性照明控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是基于照度與所吸收的功率之間是非線性關(guān)系這一特點(diǎn)，從而滿足了得到亮度可控的柔性照明系統(tǒng)。柔性照明控制裝置應(yīng)具備以下幾種特點(diǎn):一、作為節(jié)電控制裝置，自身工作效率高;二、能適合于多種不同類型的燈具負(fù)載;三、能保證裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，尤其在如商場、銀行、地鐵、機(jī)場等重要場合不能發(fā)生停電故障。四、保證裝置的成本低，而且重量和體積必須小。

傳統(tǒng)照明裝置控制電路大多是由雙向晶閘管構(gòu)成的相控?cái)夭娐?，其控制方法簡單而且可靠性高?］，但電網(wǎng)中引入了大量的低次諧波。用 Buck或Buck/Boost式PWM高頻交流斬波器可以很好的控制輸出電壓并無諧波引入［2］，但抗負(fù)載沖擊能力有限，效率較低。串聯(lián)補(bǔ)償式的PWM交流調(diào)節(jié)器雖然有效率高和無諧波污染的優(yōu)點(diǎn)，但沖擊電流還是會損壞斬波器。本文介紹了一種主電路由串聯(lián)補(bǔ)償［3］和Buck型交流斬波器構(gòu)成的節(jié)電控制裝置。

2 柔性智能照明節(jié)電控制裝置主電路和工作原理

照明節(jié)電控制裝置由雙向交流BUCK斬波器、LC濾波器和補(bǔ)償變壓器串聯(lián)構(gòu)成，L1是交流斬波器的濾波電感，C1和C2是濾波電容，T是并聯(lián)補(bǔ)償變壓器，S1為旁路切換開關(guān)。P1、P2和D1、D2構(gòu)成雙向斬波開關(guān)，P3、P4和D3、D4構(gòu)成雙向續(xù)流開關(guān)。主電路如圖1所示。

圖1 照明節(jié)電控制裝置主電路圖

在圖1中，U2并聯(lián)變壓器二次側(cè)電壓，也是交流斬波器的輸入電壓，Ucom為斬波器的輸出電壓，Ucom和變壓器的一次側(cè)電壓U1的相位差為180°。設(shè)變壓器的變比為n，D為占空比，可得到變壓器二次側(cè)的電壓U2為:

交流斬波器的輸出和輸入電壓的關(guān)系為:

由圖1可知，

聯(lián)立 (1)、(2)、(3)可得

式 (4)表示:根據(jù)U1改變占空比D，即可以保持負(fù)載電壓Uload維持恒定。當(dāng)以負(fù)載電壓為控制對象時(shí)，控制交流斬波器占空比D可以對輸出電壓進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。針對不同的燈具和照明時(shí)間的要求，可以實(shí)現(xiàn)柔性照明。

3 裝置運(yùn)行效率的分析及提高措施

由于并聯(lián)變壓器和功率變換器只承擔(dān)系統(tǒng)功率的補(bǔ)償量，因而這種結(jié)構(gòu)的照明裝置具有較高的效率。忽略裝置其它部分的損耗，系統(tǒng)的損耗近似等于斬波器的損耗與串聯(lián)變壓器的損耗之和。系統(tǒng)的總效率，可以表示成:

式中，ηc、ηt分別為斬波器和串聯(lián)變壓器的效率，r表示電壓補(bǔ)償范圍;假設(shè)裝置的補(bǔ)償范圍r為［0，0.3］，斬波器和串聯(lián)變壓器的效率ηc、ηt都為95%，根據(jù)公式 (5)計(jì)算的系統(tǒng)效率為97%，但是這樣的系統(tǒng)效率還是低于節(jié)能器的國家標(biāo)準(zhǔn)，而且不采取一些特殊的措施交流斬波器和串聯(lián)變壓器的效率很難達(dá)到95%。因此采取了如下的措施來提高所研發(fā)的節(jié)電控制裝置的效率。

3.1 采取半波導(dǎo)通非互補(bǔ)驅(qū)動方式降低開關(guān)損耗

交流斬波電路的控制方式主要有互補(bǔ)控制方式、有電流檢測控制方式、無電流檢測控制方式和無電流檢測半波導(dǎo)通非互補(bǔ)控制方式。互補(bǔ)控制方式簡單，但由于在死區(qū)時(shí)間感性負(fù)載沒有續(xù)流回路，易在開關(guān)管上產(chǎn)生電壓尖峰。無電流檢測的非互補(bǔ)控制方式存在失控現(xiàn)象，通常采用電流檢測的非互補(bǔ)控制，這使得控制電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜。本文采用半波導(dǎo)通非互補(bǔ)驅(qū)動方式，使得開關(guān)損耗小，并且不需要緩沖器，進(jìn)一步減小了損耗。

在該控制方式下，4個IGBT的脈沖波形如圖2所示。當(dāng)輸入電壓處于正半周期時(shí)，P2和P4保持導(dǎo)通，P1和P3交替導(dǎo)通;當(dāng)輸入電壓處于負(fù)半周時(shí)，P1和P3保持導(dǎo)通，P2和 P4交替導(dǎo)通。這種方式下，總的開關(guān)動作次數(shù)減少了一半，因此開關(guān)損耗也降低了一半。

在一個開關(guān)周期中，交流斬波器有三種工作模式:有源模式、死區(qū)模式和續(xù)流模式，如圖3所示。從圖3可以看出在三種工作模式下雙向電流通路總是存在，不會產(chǎn)生di/dt過電壓，因此不需要緩沖電路，降低了緩沖電路所引入的損耗。

3.2 選用通態(tài)壓降較低的開關(guān)器件多管并聯(lián)以降低開關(guān)管的通態(tài)損耗

忽略驅(qū)動信號的損耗，IGBT的損耗主要取決于它的飽和壓降和傳導(dǎo)的電流。對一個Buck型的交流斬波器來說，開關(guān)損耗可以近似為:

式中，Vsat是IGBT的飽和電壓，Voc、Pc是斬波器輸出電壓和輸出功率的有效值，多數(shù)IGBT的飽和壓降在2.0V左右，對于一個輸出電壓為220V的斬波器，這意味著有2%的通態(tài)損耗。本文選用了一種飽和壓降為1.5V的IGBT作為功率開關(guān)，并采用多管并聯(lián)來降低開關(guān)損耗。

圖2 半波導(dǎo)通非互補(bǔ)驅(qū)動

圖3 交流斬波器的工作模式

3.3 并聯(lián)變壓器選用環(huán)形變壓器，主要功率切換開關(guān)采用固態(tài)開關(guān)

位于交流斬波器前端的并聯(lián)變壓器的效率和斬波器的效率一樣重要，影響變壓器效率的主要因素是磁滯損耗和渦流損耗，環(huán)形變壓器的漏磁和勵磁電流比柱狀變壓器小得多。在兼顧速度和損耗的因數(shù)下，功率切換開關(guān)選用由雙向可控硅構(gòu)成的固態(tài)開關(guān)，相比之下機(jī)械式的切換開關(guān)，由于長時(shí)間的頻繁切換，觸點(diǎn)易炭化，接觸電阻變大，導(dǎo)通損耗也將增大。

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(dá)到了國家節(jié)能器的標(biāo)準(zhǔn)。

4 旁路切換模式和過流保護(hù)的設(shè)計(jì)

4.1 旁路切換模式的設(shè)計(jì)的必要性

隨著國家節(jié)能減排政策的貫徹和實(shí)施，大量的電子鎮(zhèn)流器類型的負(fù)載接入低壓配電網(wǎng)，有些負(fù)載還加入了功率因數(shù)矯正的電路，有些在整流之后用并聯(lián)電網(wǎng)的方式進(jìn)行濾波，還有些負(fù)載在啟動時(shí)呈現(xiàn)負(fù)阻性。另外傳統(tǒng)的照明負(fù)載還未完全退出配電網(wǎng)，這使得整個照明系統(tǒng)的整體的特性各種各樣，但這些負(fù)載的共同特點(diǎn)是上電的瞬間對輸入端的電流沖擊很大，可達(dá)其額定值的幾倍甚至十幾倍，容易使交流斬波器因過流而損壞。對于用戶而言，大多數(shù)照明負(fù)載的接入或退出都是隨機(jī)的，沖擊電流也隨時(shí)存在。當(dāng)負(fù)載回路可能發(fā)生局部短路情況，沖擊電流將會更大，交流斬波器需要立即退出運(yùn)行，但又不能終止節(jié)能器下游負(fù)載的運(yùn)行，因此需要進(jìn)行旁路切換的設(shè)計(jì)，來保證照明節(jié)電裝置的穩(wěn)定工作。

4.2 過流保護(hù)的設(shè)計(jì)

為了保護(hù)交流斬波器，設(shè)計(jì)了快速的過流檢測電路產(chǎn)生過流封鎖信號，當(dāng)發(fā)生負(fù)載電流產(chǎn)生沖擊時(shí)，高速電流檢測單元在負(fù)載電流上升到功率開關(guān)器件的最大承受電流之前發(fā)出封鎖信號，封鎖交流斬波器的斬波開關(guān)P1、P2，同時(shí)打開續(xù)流開關(guān)P3、P4和雙向固態(tài)開關(guān)S1，使交流斬波器快速退出運(yùn)行狀態(tài)。電感上的電流通過P3、P4和S1形成通路，避免了在斬波管P1、P2產(chǎn)生出高壓。晶閘管固態(tài)開關(guān)的過電流能力較高，它能在幾個周波內(nèi)抵抗10倍額定電流的沖擊而不至于被損壞。相應(yīng)的脈沖分配電路如圖4所示。此時(shí)交流斬波器被封鎖了，并聯(lián)變壓器的副邊處于開路狀態(tài)，負(fù)載電S1流動，整個系統(tǒng)工作在旁路模式。沖擊電流過去后，先將S1關(guān)斷，交流斬波器返回到斬波狀態(tài)，繼續(xù)對輸出電壓進(jìn)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(fù)載，它們的開和關(guān)不受限制。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，節(jié)電控制裝置能夠通過旁路模式而不用中斷負(fù)載的電源。同樣當(dāng)交流斬波器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)也切換到串聯(lián)變壓器旁路方式。

圖4 過電流保護(hù)PWM脈沖分配邏輯

有了這樣的快速保護(hù)邏輯保護(hù)電路后，無論是非阻性負(fù)載合閘沖擊還是其它非線性負(fù)載沖擊，都可以及時(shí)地?cái)嚅_交流斬波器，一旦保護(hù)自動解除后，交流斬波器再投入運(yùn)行。除此之外，本節(jié)電裝置還可以直接應(yīng)用于其它對照明類負(fù)載要求嚴(yán)格的場合，應(yīng)用范圍很廣。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)額定輸出功率:60kVA，額定輸出電壓三相380V，串聯(lián)變壓器為三相獨(dú)立的環(huán)形變壓器，變比為220/110，三相雙向交流斬波器每相由四只型號為KT75T60的 IGBT構(gòu)成。表1為系統(tǒng)效率的檢測計(jì)算值，測試計(jì)算方法為分別測取輸出的有功功率和輸入的有功功率之比。如表1所示。

表1 為改進(jìn)前后輸出效率的比較

照明節(jié)電裝置工作在額定功率的附近，效率較高，改進(jìn)之后的效率明顯高于之前的效率，且達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。圖5為突然接入40KVA負(fù)載時(shí)的輸出電流和電壓的波形圖。從圖中可以看出，裝置的瞬態(tài)響應(yīng)特性良好，輸出的電壓維持在恒定值。

圖6為負(fù)載沖擊電流到來時(shí)從斬波調(diào)整模式切換到旁路模式系統(tǒng)的輸出電壓和輸出電流波形，從圖中可以看出，當(dāng)有負(fù)載沖擊電流的時(shí)候，輸出電壓沒有間斷。

圖5 輸出負(fù)載階躍

圖6 輸出負(fù)載階躍

6 結(jié)論

柔性照明控制裝置所采取串聯(lián)調(diào)整的方式對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單。在分析影響裝置效率的因數(shù)之后，對交流斬波器的調(diào)制策略和使用多管并聯(lián)的技術(shù)降低開關(guān)損耗，另外對串聯(lián)的變壓器的磁路設(shè)計(jì)優(yōu)化，使整個系統(tǒng)的效率得以提升，符合國家的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。另外，利用旁路設(shè)計(jì)和過流保護(hù)明顯避免了大電流對交流斬波器的沖擊，并且使得裝置適用于各種負(fù)載，運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定可靠。

［1］王春杰.基于交流斬波的新型照明節(jié)電器研究.低壓電器，2009年24期:57～60.

［2］B.-H.kwon，B.-D Min，J.-H，Kim.Novel topologies of AC choppers.IEE Proc.-Electr.Power App.l，Vol.143，No.4，pp.323～330，July 1996.

［3］H.J Ryoo，J.S Kim，G.H Rim，D.S Kim.Series compensated step-down AC voltage regulator using AC chopper with transformer［C］.Proceedings of the Sixth InternationalConference on ElectricalMachines and Systems，2003:427～430.