太陽能高壓鈉燈高頻電子鎮(zhèn)流器的研究

    摘要：介紹了一種低電壓供電且以MC68HC908QT2廉價(jià)單片機(jī)控制和可變頻率驅(qū)動(dòng)技術(shù)為核心的太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器。該電子鎮(zhèn)流器有電流電壓控制環(huán)，在雙環(huán)控制下使其輸出恒功率，從而使高壓鈉燈可靠穩(wěn)定地工作。

    關(guān)鍵詞：太陽能；電子鎮(zhèn)流器；高壓鈉燈；聲共振；可變頻率

引言

當(dāng)前國家電力的大額缺口，整個(gè)世界范圍能源的緊張，以及自然環(huán)境的不斷惡化，使我們不得不更多地從高效、有效節(jié)能、綠色環(huán)保等多方面考慮電氣產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，同樣，在尋找可靠的輔助能源的同時(shí)，更要注意其"綠色"的意義。本太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器正是以此為出發(fā)點(diǎn)。高壓放電（HID--High Indensity Discharge)燈通常指汞燈(Mercury Vapor)、高壓鈉燈(High Pressure Sodium Lamp)、金屬鹵化物燈(Metal Halide)等。它們的發(fā)光效率遠(yuǎn)比白熾燈高，按光電轉(zhuǎn)換率上限的值排序，白熾燈、汞燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈分別為25lm/W、60lm/W、120lm/W、140lm/W。汞燈因其光色中的蘭光較重，已逐漸被光色質(zhì)量好，發(fā)光效率更高的高壓鈉燈和金屬鹵化物燈取代，因此，HID燈亦即高壓鈉燈和金屬鹵化物燈的泛稱。高壓鈉燈是繼白熾燈、高壓汞燈之后的第三代代表性節(jié)能新光源，可廣泛用于道路、碼頭、鐵路、機(jī)場、礦山、廠房、車庫、廣場、體育館等大面積室外的照明。

    然而，傳統(tǒng)的電感式高壓鈉燈鎮(zhèn)流器存在許多缺陷：

1）體積大、笨重、消耗大量銅材和硅鋼片；

2）功率因數(shù)偏低、電能利用率低；

3）存在工頻閃爍,發(fā)光效率低，燈光通量隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)而變化。

現(xiàn)今，電子式的高壓鈉燈高頻鎮(zhèn)流器通常由市電供電，電路設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)一般是EMI濾波→整流→APFC→逆變→啟動(dòng)→燈，雖然，它具有體積小、節(jié)能、高光效、無頻閃、長壽命的卓越性能，而越來越受到人們青睞，但是，卻要消耗電網(wǎng)的電能，增加電網(wǎng)的負(fù)荷。而采用太陽能獨(dú)立供電的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的的結(jié)構(gòu)，卻是太陽電池(蓄電池)→逆變→升壓→啟動(dòng)→燈，電子鎮(zhèn)流器體積將進(jìn)一步減小，成本也會(huì)降低，將給其錦上添花，達(dá)到真正意義上的"綠色設(shè)計(jì)"，其白天將太陽能儲(chǔ)存在蓄電池中，晚上可以定時(shí)工作，施工安裝方便，基本無須維護(hù)。

圖2

1 太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的特點(diǎn)和技術(shù)要求

由于高壓鈉燈的結(jié)構(gòu)及其原理與熒光燈并不完全相同，用普通熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器即使去點(diǎn)燃同樣的功率的高壓鈉燈也不適合，所以，高壓鈉燈對鎮(zhèn)流器的要求是很高的，要制作高品質(zhì)的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器還是比較困難的。眾所周知，高壓鈉燈是在高頻電流下點(diǎn)燃的氣體放電燈，會(huì)產(chǎn)生放電管聲共振現(xiàn)象，這是由燈管內(nèi)壓力波的脈動(dòng)從管內(nèi)壁反射回來，若與燈高頻電流的脈動(dòng)成分相位相同，形成駐波，即產(chǎn)生聲共振[2]，其表現(xiàn)為：

1）電弧管體內(nèi)有音頻噪聲；

2）電弧管內(nèi)電弧發(fā)生閃爍、扭曲、翻滾等現(xiàn)象，同時(shí)燈電壓不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)發(fā)生熄弧或使燈損壞。

因高壓鈉燈的電弧管細(xì)長呈圓柱形，電弧易穩(wěn)定，試驗(yàn)表明在8～150kHz率之外基本上可以避免聲共振和電弧的不穩(wěn)定現(xiàn)象。低頻方波點(diǎn)燈將會(huì)降低燈的光效，頻率太高會(huì)有射(高)頻干擾，并且對燈的引線長度有限制（限制在2m內(nèi)），所以，可以在適當(dāng)?shù)母哳l下，采用可變頻率技術(shù)，來消除聲共振。

根據(jù)對高強(qiáng)度氣體放電燈高頻變換器技術(shù)的研究，結(jié)合高壓鈉燈的工作特性，歸納高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的主要技術(shù)要求如下：

1）能提供3～5kV電壓（比熒光燈高3～5倍），且脈沖寬度≤2μs，具有足夠能量的高頻高壓來觸發(fā)啟動(dòng)，完成湯姆遜放電（離子放電）→過渡放電→輝光放電→弧光放電的啟動(dòng)過程；

2）具有較強(qiáng)的非線性負(fù)載適應(yīng)性，特別是觸發(fā)啟動(dòng)瞬間，高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器相當(dāng)于輸出短路狀態(tài)，具備恒功率或恒電流控制能力，保證電弧管體內(nèi)放電電弧穩(wěn)定，避免光通量閃爍；

3）能消除聲共振，避免放電電弧出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，而使燈光抖動(dòng)或燒毀；

4）高頻逆變電路具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，其功率因數(shù)高、功率高、可靠性高、成本低、可實(shí)現(xiàn)短路、開路、過壓、過流、過熱的保護(hù)，能在戶外長期工作，且使用壽命長。

2 太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)原理及控制方法

市電供電的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器本質(zhì)上是AC/DC/AC高頻變換器，而太陽能獨(dú)立供電的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器是蓄電池供電，電路結(jié)構(gòu)簡潔，本質(zhì)上是DC/AC高頻變換器，其電路框圖如圖1所示。白天將太陽能儲(chǔ)存在蓄電池中，晚上可以通過檢測電池板電壓來定時(shí)啟動(dòng)。將蓄電池中低壓直流電壓通過逆變電路變成高頻電壓，再通過高頻升壓變壓器后供給高壓鈉燈。電壓檢測為檢測電池板的電壓，電流檢測是為構(gòu)成電流環(huán)。啟動(dòng)電路是為高壓鈉燈提供3～5kV、脈沖寬度≤2μs的瞬間高壓來觸發(fā)高壓鈉燈。由于氣體放電燈具有負(fù)阻特性，而在高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器電路控制下變?yōu)檎杼匦?，高頻電流狀態(tài)下相對工頻提高約15％的電光轉(zhuǎn)換率[2]，其中控制保護(hù)電路是電子鎮(zhèn)流器的核心，綜合考慮降低成本等因素，決定采用半橋逆變電路。輔助電源部分是為部分芯片提供工作電源用。通過采樣蓄電池的電壓達(dá)到對系統(tǒng)過壓和欠壓，過熱的保護(hù)。

2.1 逆變電路及啟動(dòng)電路

逆變電路及啟動(dòng)電路是該電子鎮(zhèn)流器的重要部分，如圖2所示。其原理是：當(dāng)檢測到太陽能板電壓低于一個(gè)定值時(shí)即視為晚間，此時(shí)控制保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)V2，同時(shí)產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)觸發(fā)晶閘管（SCR），使C10通過N4迅速放電，從而使N3同名端處產(chǎn)生3～5kV的瞬間高壓來啟動(dòng)高壓鈉燈(N3=20×N4)；隨后控制保護(hù)電路輸出一對互差180°的PWM波（有1.5μs的死區(qū)）驅(qū)動(dòng)半橋，使其輸出高頻PWM波，再經(jīng)由高頻升壓變壓器T1的N1耦合到N2，使高頻PWM波在T1的N2、C11、T2的N3、高壓鈉燈、L3的N7回路產(chǎn)生諧振，并形成高頻正弦波電壓電流，使高壓鈉燈工作在高光效的弧光放電狀態(tài)。采樣D處電壓實(shí)為燈電流在N6上感生的電壓，以此對高壓鈉燈電流進(jìn)行監(jiān)控，構(gòu)成電流環(huán)，由于蓄電池相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，所以，對電壓的控制也可使高壓鈉燈工作在恒功率狀態(tài)，保證電弧管內(nèi)放電電弧穩(wěn)定，避免光通量閃爍。E處電壓為判斷高壓鈉燈正常工作（也是燈檢測信號(hào)）并封鎖啟動(dòng)信號(hào)，如果啟動(dòng)失敗則再通過R16、C10充電等待控制器約3min的延時(shí)結(jié)束（實(shí)為待燈冷卻下來，因?yàn)?，高壓鈉燈在熱狀態(tài)下啟動(dòng)要幾十kV甚至幾百kV的高壓）進(jìn)行再次觸發(fā)。

    2.3 控制保護(hù)電路分析

控制保護(hù)電路如圖3所示，是該電子鎮(zhèn)流器的核心部分。其原理是：單片機(jī)通過檢測太陽能電池板輸出電壓值，來判定是否晚間，也通過檢測蓄電池電壓來判定其是否過放或過充，如過放則封鎖V2和V3，如過充則斷開電池板停止向蓄電池充電；同樣通過對燈電流的檢測來對燈的輸出功率進(jìn)行控制；燈檢測是判斷燈是否損壞，如損壞則關(guān)閉半橋，無輸出電壓，系統(tǒng)處于低的功耗狀態(tài)，也保護(hù)了維護(hù)人員；可變頻率驅(qū)動(dòng)電路在消除高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中的聲頻共振現(xiàn)象時(shí)得到了很好的應(yīng)用，是一種簡單實(shí)用的新型技術(shù)，其驅(qū)動(dòng)時(shí)的燈電壓電流示意波形如圖4所示。在半橋驅(qū)動(dòng)電路中，通過單片機(jī)輸出一個(gè)低頻信號(hào)，約2kHz，使功率器件以其占空比的變化改變PWM電路的輸出平均電壓，這將導(dǎo)致一個(gè)低頻信號(hào)瞬間疊加在高頻開關(guān)頻率上，從而改變電子鎮(zhèn)流器中串聯(lián)諧振LC電路的工作電壓，此時(shí)隨著低頻信號(hào)的波動(dòng)，燈端電流的幅值也是按照調(diào)制信號(hào)的低頻周期不斷地變化，因?yàn)?，頻率不是固定在一點(diǎn)上，所以，就不會(huì)在固定的頻率上形成駐波而產(chǎn)生聲共振，另外，該頻率的變化是瞬間的，對功率并沒有什么影響，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高壓鈉燈的恒功率運(yùn)行。

3 高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器試驗(yàn)研究

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行了400W太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器試驗(yàn)研究。采用24V的蓄電池組供電，將24V升到穩(wěn)定的400V直流電壓供給高壓鈉燈。其啟動(dòng)電壓為4.1kV，如圖5所示。其正常工作時(shí)燈兩端的電壓為105V，電流4.4A，如圖6所示（通道1為電流，通道2為電壓）。

4 結(jié)語

對400W太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)研究，采用了可變頻率驅(qū)動(dòng)對高壓鈉燈聲共振現(xiàn)象進(jìn)行有效的抑制，以及對其進(jìn)行恒功率控制，從而使高壓鈉燈能夠穩(wěn)定可靠地工作，達(dá)到了相關(guān)技術(shù)要求。不足之處是體積較大，如將部分元件改用貼片式，則可以進(jìn)一步減小體積。