太陽能高壓鈉燈高頻電子鎮流器的研究

名稱:太陽能高壓鈉燈高頻電子鎮流器的研究
摘要：介紹了一種低電壓供電且以 MC68HC908QT2廉價單片機控制和可變頻率驅動技術為核心的太陽能高壓鈉燈電子鎮流器。該電子鎮流器有電流電壓控制環，在雙環控制下使其輸出恆功率，從而使高壓鈉燈可靠穩定地工作。
關鍵詞：太陽能；電子鎮流器；高壓鈉燈；聲共振；可變頻率
引言
當前國家電力的大額缺口，整個世界範圍能源的緊張，以及自然環境的不斷惡化，使我們不得不更多地從高效、有效節能、綠色環保等多方面考慮電氣產品的設計，同樣，在尋找可靠的輔助能源的同時，更要注意其"綠色"的意義。本太陽能高壓鈉燈電子鎮流器正是以此為出發點。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。它們的發光效率遠比白熾燈高，按光電轉換率上限的值排序，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，已逐漸被光色質量好，發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、高壓汞燈之後的第三代代表性節能新光源，可廣泛用於道路、碼頭、鐵路、機嘗礦山、廠房、車庫、廣嘗體育館等大面積室外的照明。
然而，傳統的電感式高壓鈉燈鎮流器存在許多缺陷：
1）體積大、笨重、消耗大量銅材和硅鋼片；
2）功率因數偏低、電能利用率低；
3）存在工頻閃爍，發光效率低，燈光通量隨電網電壓波動而變化。
現今，電子式的高壓鈉燈高頻鎮流器通常由市電供電，電路設計的結構一般是EMI濾波→整流→APFC→逆變→啟動→燈，雖然，它具有體積孝節能、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，卻要消耗電網的電能，增加電網的負荷。而採用太陽能獨立供電的高壓鈉燈電子鎮流器的的結構，卻是太陽電池(蓄電池)→逆變→升壓→啟動→燈，電子鎮流器體積將進一步減小，成本也會降低，將給其錦上添花，達到真正意義上的"綠色設計"，其白天將太陽能儲存在蓄電池中，晚上可以定時工作，施工安裝方便，基本無須維護。
圖2
1太陽能高壓鈉燈電子鎮流器的特點和技術要求
由於高壓鈉燈的結構及其原理與熒光燈並不完全相同，用普通熒光燈交流電子鎮流器即使去點燃同樣的功率的高壓鈉燈也不適合，所以，高壓鈉燈對鎮流器的要求是很高的，要製作高品質的高壓鈉燈電子鎮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燃的氣體放電燈，會產生放電管聲共振現象，這是由燈管內壓力波的脈動從管內壁反射回來，若與燈高頻電流的脈動成分相位相同，形成駐波，即產生聲共振[2]，其表現為：1）電弧管體內有音頻雜訊；2）電弧管內電弧發生閃爍、扭曲、翻滾等現象，同時燈電壓不穩定，嚴重時將會發生熄弧或使燈損壞。
因高壓鈉燈的電弧管細長呈圓柱形，電弧易穩定，試驗表明在8～150kHz率之外基本上可以避免聲共振和電弧的不穩定現象。低頻方波點燈將會降低燈的光效，頻率太高會有射(高)頻干擾，並且對燈的引線長度有限制（限制在2m內），所以，可以在適當的高頻下，採用可變頻率技術，來消除聲共振。
根據對高強度氣體放電燈高頻變換器技術的研究，結合高壓鈉燈的工作特性，歸納高壓鈉燈電子鎮流器的主要技術要求如下：
1）能提供3～5kV電壓（比熒光燈高3～5倍），且脈衝寬度≤2μs，具有足夠能量的高頻高壓來觸發啟動，完成湯姆遜放電（離子放電）→過渡放電→輝光放電→弧光放電的啟動過程；
2）具有較強的非線性負載適應性，特別是觸發啟動瞬間，高壓鈉燈電子鎮流器相當於輸出短路狀態，具備恆功率或恆電流控制能力，保證電弧管體內放電電弧穩定，避免光通量閃爍；
3）能消除聲共振，避免放電電弧出現不穩定的現象，而使燈光抖動或燒毀；
4）高頻逆變電路具有較強的抗電磁干擾能力，其功率因數高、功率高、可靠性高、成本低、可實現短路、開路、過壓、過流、過熱的保護，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流器的設計原理及控制方法
市電供電的高壓鈉燈電子鎮流器本質上是AC/DC/AC高頻變換器，而太陽能獨立供電的高壓鈉燈電子鎮流器是蓄電池供電，電路結構簡潔，本質上是DC/AC高頻變換器，其電路框圖如圖1所示。白天將太陽能儲存在蓄電池中，晚上可以通過檢測電池板電壓來定時啟動。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，電流檢測是為構成電流環。啟動電路是為高壓鈉燈提供3～5kV、脈衝寬度≤2μs的瞬間高壓來觸發高壓鈉燈。由於氣體放電燈具有負阻特性，而在高壓鈉燈電子鎮流器電路控制下變為正阻特性，高頻電流狀態下相對工頻提高約15％的電光轉換率[2]，其中控制保護電路是電子鎮流器的核心，綜合考慮降低成本等因素，決定採用半橋逆變電路。輔助電源部分是為部分晶元提供工作電源用。通過採樣蓄電池的電壓達到對系統過壓和欠壓，過熱的保護。
2.1逆變電路及啟動電路
逆變電路及啟動電路是該電子鎮流器的重要部分，如圖2所示。其原理是：當檢測到太陽能板電壓低於一個定值時即視為晚間，此時控制保護電路驅動V2，同時產生啟動信號觸發晶閘管（SCR），使C10通過N4迅速放電，從而使N3同名端處產生3～5kV的瞬間高壓來啟動高壓鈉燈(N3=20N4)；隨後控制保護電路輸出一對互差180°的PWM波（有1.5μs的死區）驅動半橋，使其輸出高頻PWM波，再經由高頻升壓變壓器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迴路產生諧振，並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。採樣D處電壓實為燈電流在N6上感生的電壓，以此對高壓鈉燈電流進行*，構成電流環，由於蓄電池相當於一個恆壓源，所以，對電壓的控制也可使高壓鈉燈工作在恆功率狀態，保證電弧管內放電電弧穩定，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）並封鎖啟動信號，如果啟動失敗則再通過R16、C10充電等待控制器約3min的延時結束（實為待燈冷卻下來，因為，高壓鈉燈在熱狀態下啟動要幾十kV甚至幾百kV的高壓）進行再次觸發。
2.3控制保護電路分析
控制保護電路如圖3所示，是該電子鎮流器的核心部分。其原理是：單片機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行控制；燈檢測是判斷燈是否損壞，如損壞則關閉半橋，無輸出電壓，系統處於低的功耗狀態，也保護了維護人員；可變頻率驅動電路在消除高壓鈉燈電子鎮流器中的聲頻共振現象時得到了很好的應用，是一種簡單實用的新型技術，其驅動時的燈電壓電流示意波形如圖4所示。在半橋驅動電路中，通過單片機輸出一個低頻信號，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，這將導致一個低頻信號瞬間疊加在高頻開關頻率上，從而改變電子鎮流器中串聯諧振LC電路的工作電壓，此時隨著低頻信號的波動，燈端電流的幅值也是按照調製信號的低頻周期不斷地變化，因為，頻率不是固定在一點上，所以，就不會在固定的頻率上形成駐波而產生聲共振，另外，該頻率的變化是瞬間的，對功率並沒有什麼影響，並且能夠實現高壓鈉燈的恆功率運行。
3高壓鈉燈電子鎮流器試驗研究
根據以上的設計思路，進行了400W太陽能高壓鈉燈電子鎮流器試驗研究。採用24V的蓄電池組供電，將24V升到穩定的400V直流電壓供給高壓鈉燈。其啟動電壓為4.1kV，如圖5所示。其正常工作時燈兩端的電壓為105V，電流4.4A，如圖6所示（通道1為電流，通道2為電壓）。
4結語
對400W太陽能高壓鈉燈電子鎮流器的設計研究，採用了可變頻率驅動對高壓鈉燈聲共振現象進行有效的抑制，以及對其進行恆功率控制，從而使高壓鈉燈能夠穩定可靠地工作，達到了相關技術要求。不足之處是體積較大，如將部分元件改用貼片式，則可以進一步減小體積。