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基于交流斩波技术的新型城市照明节电器

来源:    作者:    发布时间:2015-04-15 09:08:11    浏览量:

引 言

随着人类社会的不断发展,能源问题日益成为所有国家面临的重大问题,寻找“干净”的新型能源和节能降耗将成为人类社会发展的永恒主题。城市照明用电是电能的消耗大户,所以研究城市照明节电技术具有重大的意义。

在照明用电供电系统中,特别是路灯供电线路中,为了避免送电过程中的线路损耗及用电高峰造成的末端电压过低,导致路灯点不亮的情况出现,往往都是因为以较高的电压传一体电感器输,超出了用电设备的额定电压。而且由于照明用电时间多在夜间电网波谷段,所以供电电压往往偏高,而此时道路上的交通流量很少,必然导致路灯的光通一体成型电感量增大,使路面照度升高。这不仅浪费电能,而且严重影响照明灯具的使用寿命。因此,照明节电设备的工作原理主要是稳定或适当降低供电电压。以最常用的250W高压钠灯为例,有资料表明200 V是半夜灯的最佳供电电压,此时电流比额定降低6. 3%,节电率为16. 1%,同时可以延长1倍的灯具使用寿命,降低维护成本。

综合来看,目前有两类技术手段:一类是以交流变压器为核心的调压、降压手段,包括多抽头、自耦等,但是存在体积大、笨重、调节精度低或有级调节、可靠性差等缺点;另一类以电力电子技术为核心的静止调压器,其中利用晶闸管相控调压的调压器曾广泛使用,但是因采用相控方式存在功率因数低、谐波大、动态响应慢、滤波器体积大等缺点。

随着电力电子技术和微电子技术的发展,交流斩波技术(也叫矩阵变换器[3])作为交流调压手段已日臻成熟,可广泛应用于照明、电机拖动、工业加热等领域。该技术具有仅取决于负载的功率因数、动态响应速度快、线性调压范围宽以及输入、输出易于滤波等优点。

本文通过对交流斩波技术的分析,设计了一种体积小、使用简便、高效的单相交流斩波照明节电器,并通过仿真和试验验证了该方案的可行性。

1 交流斩波技术原理

图1为单相交流斩波主电路原理示意图。

单相交流斩波主电路原理图

图1 单相交流斩波主电路原理图

在理想斩波方式下,斩波开关S1、S2和续流开关S3、S4交替工作,每个开关周期分为斩波导通和续流导通阶段。输出电压为


式中 ui———输入电源电压

ui=Umsinωt

式中 Um——&滤波电感器mdash;输入电压峰值

ω———输入电压角频率

对uo作傅立叶分析得


式中 ωc———斩波频率D———占空比

从式(3)可以看出,改变占空比D,可以改变基波幅值,且呈线性关系。同时输出电压uo除基波外只含有斩波器开关频率的高次谐波,容易滤除。当开关频率足够高时,只要引入较小尺寸的输入、输出滤波器,即可将输入电流、输出电压中的谐波完全滤除,同时不改变系统的功率因数。

因此,采用交流斩波技术的照明节电器可以减小装置体积,提高功率因数。

2 交流斩波调压控制技术

交流斩波调压控制方式与开关器件的工作模式有关,一般分为互补控制和非互补控制两种。其中S1~S4为全控开关,一般用带反并联二极管的IGBT单元代替, S1和S2起斩波作用, S3和S4起续流作用。

2. 1 互补控制方式

互补控制方式是指在一个开关周期内,斩波开关和续流开关必须有一个而且只能有一个导通,要求驱动信号严格准确。因为电力电子器件开通和关断都需要一定时间,不加处理时会在过渡阶段导致开关直通现象,因此实际应用时必须在两个控制信号之间加控制死区,即在过渡期间两类开关同时关断。但是由于死区的存在,感性电路时容易模压电感器造成大的瞬时电压冲击,需要增加一定功率的缓冲电路。这不仅会使波形畸变、效率降低,而且缓冲电路的设计也是难点。

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