應(yīng)用交流斬波技術(shù)的日光燈照明系統(tǒng)節(jié)能方案

 能源問題是制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問題，在電能需求日益增長(zhǎng)的今天，電氣節(jié)能顯得尤為重要。據(jù)有關(guān)資料顯示，我國(guó)照明用電約占總發(fā)電量的12%左右。目前，照明節(jié)能大體分為兩個(gè)方向，即新型節(jié)能燈具的研發(fā)推廣和現(xiàn)有燈具控制技術(shù)的提高。由于不可能在短時(shí)間內(nèi)大范圍更新現(xiàn)有照明系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)施，所以在新舊設(shè)施交替期內(nèi)，開發(fā)節(jié)能控制設(shè)備更加符合當(dāng)前需求。對(duì)于大多數(shù)低壓配電系統(tǒng)，為保證高峰負(fù)荷時(shí)供電末端的電壓合格，會(huì)有意提高首端電壓，偏高的電壓不但會(huì)增加首端用戶的電能損耗，而且會(huì)降低首端相關(guān)設(shè)備的效率，同時(shí)也會(huì)使其功率因數(shù)以及使用壽命下降。另外，據(jù)文獻(xiàn)1，對(duì)于日光燈系統(tǒng)，適度的降低其工作電壓，不但可以既保證照度標(biāo)準(zhǔn)和照明質(zhì)量，還可以提高功率因數(shù)，節(jié)約電能，大幅度延長(zhǎng)燈管的使用壽命。由此可見，通過(guò)適當(dāng)控制日光燈照明系統(tǒng)輸入端電壓具有較大的節(jié)能空間。系統(tǒng)工作原理在低壓配電系統(tǒng)中串入補(bǔ)償變壓器T，使變壓器二次側(cè)輸出電壓的相位與系統(tǒng)電壓的相位相差，由于兩電壓向量方向相反，疊加后即可達(dá)到降低電網(wǎng)電壓的目的。補(bǔ)償變壓器一次側(cè)電壓是通過(guò)對(duì)裝置輸出端電壓進(jìn)行斬波后再濾波得到。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1所示：圖1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與將電力電子器件直接串入電網(wǎng)方式相比，利用補(bǔ)償變壓器結(jié)構(gòu)有利于增加同等器件對(duì)電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)能力，并且變壓器還能起到一定的隔離作用。由于電力電子器件沒有直接串入供電支路，系統(tǒng)允許通過(guò)的電網(wǎng)電流更大，裝置的穩(wěn)定性也得到提高。諧波分析（略）交流斬波示意圖如圖2所示，S1為斬波開關(guān)，S2為續(xù)流開關(guān)，二者的工作時(shí)序互補(bǔ)。圖2 交流斬波示意圖控制方式為了提高輸出電壓的穩(wěn)定度，防止輸出電壓振蕩，設(shè)計(jì)中采用反饋電壓PI調(diào)節(jié)方式。通過(guò)電壓互感器將輸出端電壓引回，與給定電壓值作比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)與載波三角波進(jìn)行比較后控制四個(gè)IGBT工作。控制回路如圖3所示：圖3 控制回路結(jié)構(gòu)圖在驅(qū)動(dòng)信號(hào)處理方面，一般有互補(bǔ)控制和非互補(bǔ)控制兩種：1、互補(bǔ)信號(hào)驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)信號(hào)驅(qū)動(dòng)方式是指斬波開關(guān)S1和續(xù)流開關(guān)S2時(shí)序互補(bǔ)，即每一時(shí)刻，二者有且只有一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)。但由于實(shí)際全控型器件都有一定的開通和關(guān)斷時(shí)間，為避免直通現(xiàn)象發(fā)生，實(shí)際中必須加入一定的死區(qū)時(shí)間，考慮一定的裕量，加入死區(qū)時(shí)間后，往往會(huì)造成某一時(shí)間內(nèi)負(fù)載開路的現(xiàn)象。該信號(hào)驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但對(duì)于類似日光燈類的感性負(fù)載，容易造成瞬時(shí)電壓沖擊，這時(shí)就不得不加入緩沖吸收電路。圖4 互補(bǔ)信號(hào)驅(qū)動(dòng)2、非互補(bǔ)信號(hào)驅(qū)動(dòng)對(duì)于日光燈類感性負(fù)載，設(shè)其基波阻抗角為，如圖5所示，在時(shí)區(qū)2、4中，電壓和電流同相位，此時(shí)與純阻性負(fù)載類似；而在時(shí)區(qū)1、3中，電壓和電流相位相反，負(fù)載通過(guò)裝置向電源反饋能量，在這兩個(gè)時(shí)區(qū)內(nèi)，IGBT失去控制，因而也稱為失控區(qū)。由于失控區(qū)的存在，斬波后輸出電壓所含諧波不僅包含 次諧波，還包含3次和5次諧波，他們的幅值與基波阻抗角有關(guān)。如果同時(shí)檢測(cè)輸出電壓和輸出電流的相位，則可通過(guò)判斷電壓和電流的狀態(tài)來(lái)控制開關(guān)器件的工作方式，從而達(dá)到消除失控區(qū)的目的。圖5 感性負(fù)載電流電壓波形圖5中，u、i分別是補(bǔ)償變壓器一次側(cè)兩端的電壓和經(jīng)過(guò)一次側(cè)線圈的電流，以1區(qū)為例，此時(shí)u>0，i<0，在圖1中應(yīng)使V2和V4接受脈沖信號(hào)，以保證電流回路通暢，同時(shí)保持V1維持關(guān)斷，V3維持導(dǎo)通，這樣便消除了失控現(xiàn)象，但其缺點(diǎn)是增加了控制的復(fù)雜程度。仿真分析及仿真結(jié)果（略）結(jié)論利用STC5410AD單片機(jī)為控制芯片，補(bǔ)償變壓器采用容量為22kVA的工頻C型鐵芯變壓器，構(gòu)成自動(dòng)分級(jí)調(diào)壓裝置，對(duì)電壓向量疊加部分進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)分析日光燈負(fù)載的電壓、功率、照度參數(shù)之間的關(guān)系，驗(yàn)證了日光燈系統(tǒng)降壓節(jié)能的可行性。由理論分析及仿真結(jié)果，電壓串聯(lián)補(bǔ)償式交流斬波調(diào)壓技術(shù)具有調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，無(wú)電壓突變，諧波污染小等特點(diǎn)，適合于日光燈照明系統(tǒng)的降壓節(jié)能環(huán)境，符合節(jié)約電能，減小諧波污染的趨勢(shì)。