应用交流斩波技术的日光灯照明系统节能方案

 能源问题是制约经济发展的重要问题，在电能需求日益增长的今天，电气节能显得尤为重要。据有关资料显示，我国照明用电约占总发电量的12%左右。目前，照明节能大体分为两个方向，即新型节能灯具的研发推广和现有灯具控制技术的提高。由于不可能在短时间内大范围更新现有照明系统的相关设施，所以在新旧设施交替期内，开发节能控制设备更加符合当前需求。对于大多数低压配电系统，为保证高峰负荷时供电末端的电压合格，会有意提高首端电压，偏高的电压不但会增加首端用户的电能损耗，而且会降低首端相关设备的效率，同时也会使其功率因数以及使用寿命下降。另外，据文献1，对于日光灯系统，适度的降低其工作电压，不但可以既保证照度标准和照明质量，还可以提高功率因数，节约电能，大幅度延长灯管的使用寿命。由此可见，通过适当控制日光灯照明系统输入端电压具有较大的节能空间。系统工作原理在低压配电系统中串入补偿变压器T，使变压器二次侧输出电压的相位与系统电压的相位相差，由于两电压向量方向相反，叠加后即可达到降低电网电压的目的。补偿变压器一次侧电压是通过对装置输出端电压进行斩波后再滤波得到。电路拓扑结构图1所示：图1 电路拓扑结构与将电力电子器件直接串入电网方式相比，利用补偿变压器结构有利于增加同等器件对电网电压的调节能力，并且变压器还能起到一定的隔离作用。由于电力电子器件没有直接串入供电支路，系统允许通过的电网电流更大，装置的稳定性也得到提高。谐波分析（略）交流斩波示意图如图2所示，S1为斩波开关，S2为续流开关，二者的工作时序互补。图2 交流斩波示意图控制方式为了提高输出电压的稳定度，防止输出电压振荡，设计中采用反馈电压PI调节方式。通过电压互感器将输出端电压引回，与给定电压值作比较，经PI调节后得到调制信号，该信号与载波三角波进行比较后控制四个IGBT工作。控制回路如图3所示：图3 控制回路结构图在驱动信号处理方面，一般有互补控制和非互补控制两种：1、互补信号驱动互补信号驱动方式是指斩波开关S1和续流开关S2时序互补，即每一时刻，二者有且只有一个处于导通状态。但由于实际全控型器件都有一定的开通和关断时间，为避免直通现象发生，实际中必须加入一定的死区时间，考虑一定的裕量，加入死区时间后，往往会造成某一时间内负载开路的现象。该信号驱动方式的优点是控制实现简单，但对于类似日光灯类的感性负载，容易造成瞬时电压冲击，这时就不得不加入缓冲吸收电路。图4 互补信号驱动2、非互补信号驱动对于日光灯类感性负载，设其基波阻抗角为，如图5所示，在时区2、4中，电压和电流同相位，此时与纯阻性负载类似；而在时区1、3中，电压和电流相位相反，负载通过装置向电源反馈能量，在这两个时区内，IGBT失去控制，因而也称为失控区。由于失控区的存在，斩波后输出电压所含谐波不仅包含 次谐波，还包含3次和5次谐波，他们的幅值与基波阻抗角有关。如果同时检测输出电压和输出电流的相位，则可通过判断电压和电流的状态来控制开关器件的工作方式，从而达到消除失控区的目的。图5 感性负载电流电压波形图5中，u、i分别是补偿变压器一次侧两端的电压和经过一次侧线圈的电流，以1区为例，此时u>0，i<0，在图1中应使V2和V4接受脉冲信号，以保证电流回路通畅，同时保持V1维持关断，V3维持导通，这样便消除了失控现象，但其缺点是增加了控制的复杂程度。仿真分析及仿真结果（略）结论利用STC5410AD单片机为控制芯片，补偿变压器采用容量为22kVA的工频C型铁芯变压器，构成自动分级调压装置，对电压向量叠加部分进行验证。通过分析日光灯负载的电压、功率、照度参数之间的关系，验证了日光灯系统降压节能的可行性。由理论分析及仿真结果，电压串联补偿式交流斩波调压技术具有调节能力强，无电压突变，谐波污染小等特点，适合于日光灯照明系统的降压节能环境，符合节约电能，减小谐波污染的趋势。