高頻電力電子型智能照明節(jié)電器的研制

楊婕瀾

(重慶市巴南區(qū)路燈管理所，重慶 401320)

一、引言

能源問題是當(dāng)前的重大問題，我國政府十分重視，早在2005年6月，溫總理主持召開國務(wù)院常務(wù)會(huì)議，研究建設(shè)節(jié)約型社會(huì)和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)問題，進(jìn)一步肯定了“開發(fā)與節(jié)約并重，把節(jié)約放在首位”的能源發(fā)展戰(zhàn)略。

電力能源是目前能源市場中最大最重要的能源形式，據(jù)統(tǒng)計(jì)目前我國能源利用率僅為30%左右，比發(fā)達(dá)國家低10個(gè)百分點(diǎn)，電力能源的利用率亟待提高。道路照明用電占總用電量很大份額，每年800億的政府機(jī)構(gòu)電力能耗中，公共照明部分約占280多億，其中路燈照明約80億。目前國內(nèi)城市道路照明的燈具約800萬套，高速公路、工礦企業(yè)、機(jī)場、碼頭等非市政照明燈具約100萬套，總數(shù)超過900多萬套，且每年以10%的速度遞增。因此，道路照明節(jié)能已刻不容緩。

本文將重點(diǎn)討論道路照明節(jié)能設(shè)備的研制情況，提出了一種新型的高頻電力電子型智能照明節(jié)電器設(shè)備(下稱節(jié)電器)的技術(shù)方案。它可克服目前各種道路照明節(jié)能設(shè)備所存在的各種問題，具有較好的性能價(jià)格比和穩(wěn)定性可靠性。

二、智能照明節(jié)電器技術(shù)方案

(一)方案選擇

具有無級(jí)連續(xù)調(diào)壓穩(wěn)壓控制功能的節(jié)電器產(chǎn)品已經(jīng)成為智能照明節(jié)電器產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展方向，無級(jí)連續(xù)調(diào)壓穩(wěn)壓的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式有兩個(gè)途徑:

(1)機(jī)械式:對(duì)自偶合變壓器，采用電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電刷方式，變動(dòng)變壓器輸出抽頭位置進(jìn)行連續(xù)調(diào)壓，只要通過單片機(jī)控制電動(dòng)馬達(dá)的累計(jì)步進(jìn)就可實(shí)現(xiàn)控制輸出調(diào)壓;

(2)電子式:采用電力電子器件(如IGBT)交流高頻斬波控制實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓，由于電力電子器件交流高頻斬控實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓時(shí)的器件斬波控制頻率約為20 kHz左右，而斬波所造成的諧波只與斬波頻率有關(guān)，因此可很方便地通過低通濾波器濾除諧波。

由于城市智能照明節(jié)電器的工作環(huán)境基本全在野外，不可避免地要受到灰塵等有害環(huán)境污染影響。對(duì)機(jī)械電刷調(diào)壓方式而言，灰塵的進(jìn)入，必然要影響到電刷面的接觸電阻，造成接觸面的可靠性降低，因此機(jī)械電刷調(diào)壓方式在此環(huán)境下使用是不合適的。而純大功率電力電子器件交流斬控方式調(diào)壓設(shè)備也存在自身成本高、可靠性穩(wěn)定性設(shè)計(jì)困難等不利因素，尤其是野外工作環(huán)境應(yīng)用下，可靠性穩(wěn)定性問題將更加嚴(yán)重。

鑒于此，本文提出了一種將常規(guī)補(bǔ)償變壓器式降壓技術(shù)與交流高頻電力電子斬控調(diào)壓穩(wěn)壓技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)方案，該方案既具有補(bǔ)償變壓器降壓設(shè)備簡單、成熟、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，也具有電力電子式無級(jí)連續(xù)調(diào)壓穩(wěn)壓的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于采用了補(bǔ)償變壓器降壓技術(shù)，使得作為控制部分的電力電子設(shè)備的容量僅為節(jié)電器整體設(shè)備容量的20%左右，這樣，電力電子調(diào)壓控制模塊及節(jié)電器設(shè)備的整體可靠性穩(wěn)定性設(shè)計(jì)也可達(dá)到較好的保障。

(二)節(jié)電器降壓穩(wěn)壓原理

智能照明節(jié)電器(單相)基本組成框圖如圖1。

圖1 智能照明節(jié)電器(單相)組成框圖

智能照明節(jié)電器由以下幾大部分組成:(1)補(bǔ)償變壓器，(2)IGBT高頻斬波交流調(diào)壓模塊，(3)節(jié)電控制器(含輸入/輸出操作界面)，(4)其他輔助電路，(5)機(jī)柜等。

1．補(bǔ)償變壓器

補(bǔ)償變壓器裝置是在照明節(jié)電器主回路中串聯(lián)一套補(bǔ)償變壓器線圈，用它所產(chǎn)生的電勢來與輸入電源電壓迭加，從而改變輸出電壓值(見圖1)。由于補(bǔ)償變壓器不是直接用來供電，而僅是起補(bǔ)償作用(約是總電源電壓的20%)，因此變壓器的功率和體積也可縮小為20%，可節(jié)省大量的銅線、鐵芯等材料。

經(jīng)過補(bǔ)償變壓器工作后，輸出電壓與輸入電壓關(guān)系為:

其中Ut是補(bǔ)償變壓器輸出電壓，它與補(bǔ)償變壓器輸入電壓關(guān)系為:

式(2)中，(N1/N2)為補(bǔ)償變壓器變比，在補(bǔ)償變壓器確定后是一固定常數(shù)。Uc為IGBT高頻斬波調(diào)壓控制輸出電壓，也即補(bǔ)償變壓器輸入電壓。由此可見，我們可以通過控制改變IGBT高頻斬波調(diào)壓控制輸出電壓的大小來調(diào)節(jié)改變輸出電壓的大小。由于Uc的變化范圍為(0，Ui)，因此輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍為(Ui－(N1/N2)·Ui，Ui)。常規(guī)情況下，Ui=220 V，選擇(N1/N2)=1/5，那么，此時(shí)輸出電壓的調(diào)壓范圍為(176，220)。

2．IGBT高頻斬波交流調(diào)壓模塊

(1)高頻IGBT斬波技術(shù)說明

IGBT高頻斬波交流調(diào)壓控制模塊是照明節(jié)電器設(shè)備的關(guān)鍵部件，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)壓、穩(wěn)壓功能，避免由于照明節(jié)電器節(jié)能轉(zhuǎn)換時(shí)電壓變化太快造成的老化燈熄滅而影響道路照明亮燈率問題。

交流PWM控制斬波技術(shù)是一種通過改變PWM脈沖寬度來控制IGBT高頻斬波器件交流斬波范圍而實(shí)現(xiàn)交流連續(xù)調(diào)壓的技術(shù)。近年來，由于IGBT高頻斬波器件自身性能有較大的改善，采用IGBT高頻斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)交流斬波調(diào)壓的技術(shù)和成品也越來越成熟。但在大功率應(yīng)用場合，尤其是在野外特使應(yīng)用場合，IGBT高頻斬波器件發(fā)熱問題和可靠性問題仍然沒有得到徹底的解決。

本照明節(jié)電器技術(shù)方案采用補(bǔ)償變壓器降壓技術(shù)與IGBT高頻斬波交流調(diào)壓技術(shù)相結(jié)合的方案，使得補(bǔ)償變壓器和IGBT高頻斬波交流調(diào)壓部分的功率僅為照明節(jié)電器額定功率的20%左右，這樣可大大降低了設(shè)備成本，提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

(2)高頻IGBT斬波控制原理

單相高頻IGBT PWM控制斬波原理電路如圖2所示。

圖2 智能照明節(jié)電器(單相)原理框圖

其工作原理如下:

①IGBT高頻交流斬控調(diào)壓部分電路采用經(jīng)典的非互補(bǔ)式交流斬控調(diào)壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

ton是PWM調(diào)制后脈沖寬度，T是工作周期，即輸出電壓可以通過控制脈沖寬度改變。

③斬波電路輸出電流不含低次諧波，只含和開關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波(20 kHz高頻斬波信號(hào))，因此可以很方便通過低通濾波器消除。

④PWM交流斬波控制信號(hào)由ARM主智能控制器發(fā)出，經(jīng)CPLD時(shí)序分配后驅(qū)動(dòng)放大加到相關(guān)的IGBT高頻斬波器件控制端，控制IGBT高頻斬波器件進(jìn)行斬波工作，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的降壓功能。

(3)節(jié)電控制器

節(jié)電控制器是照明節(jié)電器設(shè)備的核心部件，設(shè)計(jì)時(shí)將它作為一個(gè)整體，安裝在照明節(jié)電器機(jī)柜的前面上部。其組成如圖3所示。

圖3 節(jié)電控制器原理圖

節(jié)電控制器包括:32位ARM中央處理器，本地液晶顯示/鍵盤輸入模塊，電流/電壓信號(hào)輸入采樣處理，開關(guān)量輸入/輸出信號(hào)控制處理，IGBT高頻斬波斬波調(diào)壓控制，RS232/485通訊處理及各種智能保護(hù)處理等。節(jié)電控制器按表式一體化設(shè)計(jì)思路進(jìn)行，嵌入式操作系統(tǒng)管理。完成節(jié)電控制管理、操作界面(LCD顯示鍵盤輸入)管理、電流電壓采樣、開關(guān)量I/O控制、IGBT高頻斬波斬波調(diào)壓控制管理等功能。

三、仿真及試驗(yàn)結(jié)果分析

雖然高頻電力電子器件和技術(shù)目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，但I(xiàn)GBT高頻斬控項(xiàng)目的研制工作對(duì)我們來說仍然是一項(xiàng)比較新的工作。在工作電路結(jié)構(gòu)選擇上，我們力主選擇成熟的、經(jīng)典的拓?fù)潆娐?，確保電路結(jié)構(gòu)上的成熟性和穩(wěn)定性。因此，在高頻IGBT斬控調(diào)壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇上，我們就選擇了十分成熟的非互補(bǔ)式交流斬控調(diào)壓結(jié)構(gòu)電路。

而在節(jié)電器的核心內(nèi)容，即針對(duì)結(jié)合補(bǔ)償變壓器降壓控制和高頻電力電子斬控調(diào)壓技術(shù)后的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如何進(jìn)行相關(guān)PWM斬波控制上，我們首先進(jìn)行理論分析，從理論上解決可能存在的問題。然后利用Matlab仿真工具，進(jìn)行必要的仿真分析研究。仿真分析通過后，再進(jìn)行電路試驗(yàn)研究。

通過理論和仿真分析研究，我們找到了“補(bǔ)償變壓器降壓+高頻電力電子斬控調(diào)壓”模式下的PWM斬波控制邏輯關(guān)系，通過CPLD電路組合產(chǎn)生各IGBT管子所需要的控制波形，解決了本項(xiàng)目研制的關(guān)鍵問題。下面是相關(guān)的仿真及試驗(yàn)研究結(jié)果。

(一)仿真分析結(jié)果

1．IGBT管控制波形

2．各IGBT管斬波波形

3．補(bǔ)償變壓器及輸出波形

(二)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果

1．?dāng)夭刂艻GBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)

2．續(xù)流IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)

3．IGBT回路未經(jīng)濾波的斬波電壓波形

基本波形

局部放大波形

4．負(fù)載輸出波形

四、結(jié)束語

本文提出了一種電力電子型智能照明節(jié)電器技術(shù)方案，并對(duì)方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。試驗(yàn)和現(xiàn)場試運(yùn)行結(jié)果都表明，此節(jié)電器方案，既具有電力電子型設(shè)備連續(xù)調(diào)壓穩(wěn)壓的特點(diǎn)，同時(shí)也具有補(bǔ)償變壓器調(diào)壓設(shè)備高可靠性穩(wěn)定性的性能，相對(duì)于高頻調(diào)壓方式具有很大的成本優(yōu)勢和設(shè)備可靠性優(yōu)勢，不失為一種較好的道路照明降壓產(chǎn)品技術(shù)方案。

［1］ 王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)［M］．4版．西安:西安交通大學(xué)出版社，2001．

［2］ 林濤，李德銀．一種帶電流檢測的非互補(bǔ)式PWM產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(9):208－210．