一種高效的柔性智能照明節(jié)電控制裝置

摘要：提出一種以串聯(lián)調(diào)整式PWM交流斬波器構(gòu)成的照明節(jié)電控制裝置，用于集中控制一組照明燈具以達(dá)到節(jié)電的目的。為提高該節(jié)電裝置的效率，進(jìn)一步采用了非互補(bǔ)PWM交流斬波器控制法和器件并聯(lián)技術(shù)。此外，為使該節(jié)電裝置能適應(yīng)各種照明負(fù)載，系統(tǒng)采用變壓器初級(jí)短路的旁路抗沖擊技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所開(kāi)發(fā)的智能節(jié)電裝置效率和可靠性非常高，適合于多種不同類(lèi)型的負(fù)載。
關(guān)鍵詞：斬波器；串聯(lián)補(bǔ)償；器件并聯(lián)

1 引言
    傳統(tǒng)的照明裝置如路燈照明系統(tǒng)是一種剛性照明系統(tǒng)，作為負(fù)載的燈具被動(dòng)地從市網(wǎng)吸收電能。隨著市網(wǎng)電壓波動(dòng)，燈具吸收的功率大幅變化，產(chǎn)生的照度也僅與市網(wǎng)電壓有關(guān)。如果按照人們社會(huì)活動(dòng)和日常生活規(guī)律對(duì)照度的實(shí)際需要來(lái)靈活、主動(dòng)地控制燈具照度，將會(huì)節(jié)省很大一部分電能，這樣的照明系統(tǒng)稱(chēng)為柔性照明控制系統(tǒng)。該裝置應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：①作為節(jié)電控制裝置，自身效率必須很高；②必須能適合于不同類(lèi)型的燈具負(fù)載；③具有較高的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性；④裝置的成本低、重量輕和體積小。
    對(duì)大宗照明負(fù)載而言，較簡(jiǎn)單有效地控制燈具功率的方法是集中控制施加在燈具上的電壓。由雙向晶閘管構(gòu)成的相控?cái)夭娐肪哂锌刂坪?jiǎn)單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但會(huì)在市網(wǎng)中引入大量低次諧波。用純Buck或Buck／Boost式PWM高頻交流斬波器可很好地控制輸出電壓．并無(wú)諧波引入。但抗負(fù)載沖擊能力有限，效率達(dá)不到上述要求。串聯(lián)補(bǔ)償式PWM交流調(diào)節(jié)器雖具有效率高和無(wú)諧波污染的優(yōu)點(diǎn)，但沖擊電流還是會(huì)損壞斬波器。在此介紹了一種主電路由串聯(lián)補(bǔ)償和Buck型交流斬波器構(gòu)成的節(jié)電控制裝置。

2 節(jié)電控制裝置主電路及其工作原理
    圖1為照明節(jié)電控制裝置的主電路。

    該電路由Buck型PWM交流斬波器、LC濾波器、串聯(lián)補(bǔ)償變壓器構(gòu)成。VT1，VT2和VD1，VD2構(gòu)成雙向斬波開(kāi)關(guān)，VT3，VT4和VD3，VD4構(gòu)成雙向續(xù)流開(kāi)關(guān)。L1為交流斬波器的濾波電感，C1為濾波電容，Tr為串聯(lián)補(bǔ)償變壓器，S1為斬波輸出的倒相開(kāi)關(guān)，VT5為雙向晶閘管固態(tài)開(kāi)關(guān)。
    當(dāng)PWM脈沖為高電平時(shí)，雙向斬波開(kāi)關(guān)工作，斬波輸出電壓為交流輸入電壓；當(dāng)PWM脈沖為低電平時(shí)，雙向續(xù)流開(kāi)關(guān)工作，斬波輸出電壓為零。設(shè)輸入交流電壓為：

    式(4)說(shuō)明，控制d可對(duì)uo進(jìn)行調(diào)節(jié)，而采用倒相換接開(kāi)關(guān)后，經(jīng)調(diào)節(jié)的uo可高于或低于ui。當(dāng)期望的uo高于ui時(shí)，倒相換接開(kāi)關(guān)為S1-1，公式取“+”號(hào)；反之，當(dāng)期望的uo低于ui時(shí)，倒相換接開(kāi)關(guān)為S1-2，公式取“-”號(hào)。

3 系統(tǒng)運(yùn)行效率的分析及提高措施
    眾所周知，串聯(lián)調(diào)整式結(jié)構(gòu)具有較高的系統(tǒng)運(yùn)行效率，因?yàn)榇?lián)變壓器和功率變換器僅傳輸較小的系統(tǒng)功率補(bǔ)償量。忽略其他損耗，系統(tǒng)的損耗近似等于斬波器的損耗和串聯(lián)變壓器的損耗。系統(tǒng)的總效率主要取決于交流斬波器和串聯(lián)變壓器，可表示為：
    η=1／[1+r(1-ηcηt)]           (5)
    式中：r為電壓補(bǔ)償范圍；ηc，ηt分別為斬波器和串聯(lián)變壓器的效率。
    假設(shè)r=0．3，ηc=ηt=95％，根據(jù)式(5)計(jì)算的η高達(dá)97．2％，但仍低于節(jié)能器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而且若不采取一些特殊的措施，ηc很難達(dá)到95％。因此這里采取如下一系列措施來(lái)進(jìn)一步提高所研發(fā)的節(jié)電控制裝置的效率。
    (1)采用非互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)方式
    對(duì)于一個(gè)Buck型交流斬波器，功率開(kāi)關(guān)可以采用互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)和非互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)兩種方式。采用互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，但全部開(kāi)關(guān)器件都參與PWM開(kāi)關(guān)過(guò)程，因此開(kāi)關(guān)損耗較高，并且在死區(qū)時(shí)間需要用緩沖器來(lái)抑制電壓尖峰，因此增加了額外的功率損耗。雖然非互補(bǔ)模式比互補(bǔ)模式的驅(qū)動(dòng)電路更復(fù)雜，但開(kāi)關(guān)損耗小，且無(wú)需緩沖器。圖2示出非互補(bǔ)模式。

    在輸入工頻電壓的正半周，對(duì)VT1，VT3進(jìn)行PWM控制，而VT2，VT4全開(kāi)通；反之，在輸入工頻電壓的負(fù)半周，對(duì)VT2，VT4進(jìn)行PWM控制，而VT1，VT3全開(kāi)通。該方式下，總的開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)減少了一半，因此開(kāi)關(guān)損耗也降低了一半。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，交流斬波器包括3種工作模式：有源模式、死區(qū)模式和續(xù)流模式。這3種模式下雙向電流通路總是存在，不會(huì)產(chǎn)生di／dt過(guò)電壓，因此無(wú)需緩沖電路，降低了緩沖電路所引入的損耗。
    (2)選用通態(tài)壓降較低的開(kāi)關(guān)器件多管并聯(lián)
    開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)損耗直接取決于其飽和壓降及傳導(dǎo)電流。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，通態(tài)功率損耗在總損耗中占有很大一部分。對(duì)一個(gè)Buck型交流斬波器而言，通態(tài)損耗可近似為：
    Pson=(2UsatPc／Uoc)×100％           (6)
    式中：Usat為IGBT的飽和電壓；Uoc，Pc為斬波器輸出電壓和輸出功率的有效值。
    多數(shù)IGBT的飽和壓降約為2 V，對(duì)于輸出電壓為220 V的斬波器，即有2％的通態(tài)損耗。在此選用一種飽和壓降為1．5 V的IGBT作為功率開(kāi)關(guān)，并采用兩管或多管并聯(lián)來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗。
    (3)采用非晶態(tài)磁芯濾波電感，倒相換接開(kāi)關(guān)采用機(jī)電開(kāi)關(guān)
    濾波電感串聯(lián)在交流斬波器中，其效率與斬波器的效率一樣重要。影響濾波電感效率的主要因素是磁滯損耗和渦流損耗，非晶態(tài)磁芯電感的磁滯損耗和渦流損耗比鐵心電感小得多，原則上倒相換接開(kāi)關(guān)采用快速的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)為宜，但其通態(tài)壓降也會(huì)引起功率損耗，機(jī)械開(kāi)關(guān)通態(tài)損耗可以忽略，但不可控。大功率繼電器可控并且其觸點(diǎn)沒(méi)有損耗，因此用作倒相開(kāi)關(guān)。
    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(guó)家節(jié)能器的標(biāo)準(zhǔn)。

4 負(fù)載適應(yīng)性和系統(tǒng)可靠性
    實(shí)際的照明系統(tǒng)負(fù)載種類(lèi)繁多，有些是純阻性的，但有些負(fù)載加裝了功率因數(shù)補(bǔ)償電容，有些是輸入級(jí)為整流器的電子鎮(zhèn)流器燈具負(fù)載。這些負(fù)載的共同特點(diǎn)是上電電流沖擊很大，因?yàn)檎髌骱蠼佑胁⒙?lián)補(bǔ)償電容和濾波電容，這樣的一種開(kāi)關(guān)沖擊電流可達(dá)到其額定值的幾百倍至上千倍，很容易造成交流斬波器因過(guò)流而損壞，而且大多數(shù)照明負(fù)載的開(kāi)關(guān)是隨機(jī)的，即沖擊電流時(shí)時(shí)存在。此外，負(fù)載回路可能發(fā)生局部短路情況，因此要對(duì)交流斬波器實(shí)施保護(hù)，但又不能終止節(jié)能器下游負(fù)載的運(yùn)行。
    在串聯(lián)調(diào)整式系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)中，主功率通道上只有串聯(lián)變壓器的次級(jí)繞組，具有很強(qiáng)的抗沖擊能力，若在節(jié)電裝置運(yùn)行過(guò)程中遇到上述電流沖擊性負(fù)載的接入，系統(tǒng)瞬間封鎖保護(hù)交流斬波器，但主功率通道仍繼續(xù)向負(fù)載供電。在這種情況下，變壓器相當(dāng)于一個(gè)電流互感器，負(fù)載沖擊電流反射到串聯(lián)變壓器的初級(jí)繞組上。為保護(hù)交流斬波器，設(shè)計(jì)了快速的過(guò)流檢測(cè)電路產(chǎn)生過(guò)流封鎖信號(hào)，當(dāng)負(fù)載電流產(chǎn)生沖擊時(shí)，高速電流檢測(cè)單元在負(fù)載電流上升到功率開(kāi)關(guān)器件的最大承受電流前發(fā)出封鎖信號(hào)，封鎖VT1，VT2，同時(shí)打開(kāi)VT3，VT4和VT5，以避免串聯(lián)變壓器的初級(jí)繞組開(kāi)路。負(fù)載沖擊電流反射到串聯(lián)變壓器的初級(jí)電流將從VT3，VT4，VT5中流過(guò)，從而保護(hù)了續(xù)流開(kāi)關(guān)。因此避免了電流變壓器開(kāi)路繞組上的高電感電壓。晶閘管固態(tài)開(kāi)關(guān)的過(guò)電流能力較高，它能抵抗較大的沖擊電流而不至于被損壞。此時(shí)交流斬波器被封鎖了，固態(tài)開(kāi)關(guān)將變壓器的初級(jí)短路，負(fù)載電流仍然通過(guò)次級(jí)繞組連續(xù)流動(dòng)，這種工作模式稱(chēng)為初級(jí)短路的旁路模式。沖擊電流過(guò)去后，再向VT5發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，VT5關(guān)斷后，交流斬波器返回?cái)夭顟B(tài)，繼續(xù)對(duì)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，其開(kāi)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(guò)初級(jí)短路的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)變壓器初級(jí)短路的旁路方式。
    系統(tǒng)進(jìn)行上述處理后，無(wú)論是容性負(fù)載合閘沖擊還是非線(xiàn)性負(fù)載沖擊，均可保證交流斬波器的安全，一旦沖擊過(guò)后，交流斬波器再投入運(yùn)行。不難想象，該節(jié)電裝置還可直接應(yīng)用于其他負(fù)載場(chǎng)合，應(yīng)用范圍很廣。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    為驗(yàn)證所提措施的有效性，制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，參數(shù)為：額定功率40 kVA(三相)；ui為(380+15％)V(三相)；uo為266～437 V(三相)；串聯(lián)變壓器容量為11 kVA(三相)，初級(jí)為380 V(16．5 Ax3)，次級(jí)為104 V(60 A×3)；斬波開(kāi)關(guān)IGBT為IKW75T60N，雙管并聯(lián)；濾波器輸入電容為15μF，LC濾波為0．5 mH，20μF；雙向固態(tài)開(kāi)關(guān)為KS100A1200V，倒相換接開(kāi)關(guān)為繼電器觸點(diǎn)容量為30A／380V。

    圖3a為采取措施前后不同功率下的系統(tǒng)效率；圖3b為負(fù)載沖擊電流到來(lái)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、電流波形?？梢?jiàn)，當(dāng)存在負(fù)載沖擊電流時(shí)，輸出電壓無(wú)間斷。

6 結(jié)論
    所采取的技術(shù)措施有效地提高了串聯(lián)補(bǔ)償式節(jié)能控制器的運(yùn)行效率，并使裝置適用于各種負(fù)載，系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性得到提高，相應(yīng)技術(shù)可推廣到其他應(yīng)用領(lǐng)域。