1、 本文由 tiger132010 贡献pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。http:/高压钠灯节能技术与电子镇流器实用性研究严登俊，王玉爽河海大学电气工程学院，南京（210098）Email: 摘 要： 城市路灯照明是我国电力消耗的一个重要方面， 高压钠灯是我国当前路灯照明中所 普遍采用的灯具。本文针对高压钠灯的节能现状，研究了两种典型的路灯节能技术：调压式 节能和电子镇流器。重点介绍了电子镇流器的工作原理、实用电路、和技术瓶颈，并在多个 指标上对比分析了电子镇流器的优缺点， 概括了影响电子镇流器推广使用的关键因素， 给出 了解决思路。
2、关键词：高压钠灯，电子镇流器，节能，绿色照明1. 引言绿色照明产业在世界的兴起使得电子镇流器倍受青睐。 据统计， 若将全国高压气体放电 灯都换上电子镇流器，全国全年可节电 246 亿千瓦时，可解决目前全国 1/3 的电力缺口5。 2000 年，美国能源部 (DOE) 颁布了新的镇流器标准，并要求自 2006 年 4 月 1 日起，所有 新建的商业固定设备都必须使用高效的电子镇流器，2010 年 7 月 1 日以后，大多数可替换 设备必须使用电子镇流器。 国家发改委高新技术产业司刘锦荣司长 2004 年 11 月 19 日指示： “集中精力运用高新技术进行突破，要在照明节能上为国家做出贡献” 。
3、国家发改委在 2004 年 11 月 25 日发布的节能中长期专项规划中，将“高强度气体放电灯电子镇流器”技术列 为最新的“节能重点领域和重点工程” ，与国家重点建设的“绿色照明工程”配套5。 1996 年广州科瑞电子公司曾出资 1000 万元在全国进行项目招标5，这在全国轰动一 时。许多科研单位、大专院校和厂矿企业为了攻克此项目付出了重大的代价。但时至今日， 虽然运用各种电子方式将高压钠灯点亮已不再是什么问题； 虽然我国在高压钠灯电子镇流器 技术的方面有了近 20 项的专利发明技术5 ; 虽然全国各地有过无数次高压钠灯电子镇流 器的产品成果发布会； 虽然有许多的省市为高压钠灯电子镇流器进行了
4、大张旗鼓的重点项目 的推广， 但是， 高压大功率气体放电灯电子镇流器在我国并未完全解决技术性能和可靠性等 方面存在的难题，无法进入实用阶段。就连国外的一些专业生产高压钠灯的大企业，如荷兰 飞利浦公司至今。 也不轻易推出高压大功率气体放电灯电子镇流器。 国内各家纷纷嚷嚷声称 那些 “ 处于国际领先地位 ” 的高压钠灯电子镇流器都如同昙花一现。 于是在高压大功率气 体放电灯也出现了如同当年荧光灯用交流电子镇流器初期时的现象， 人们已不再相信会有质 量稳定可靠高压钠灯电子镇流器存在。 上海市路灯所总是在积极的鼓励与配合全国在此领域 新技术的推广和试用，但无数次试用的失败已令其望而却步，小心行事 本文
5、扼要系统地介绍路灯节能技术的基础上， 重点分析目前两类具有代表性的高压钠灯 的节能技术：调压控制，和电子镇流器，并对电子镇流器中存在的技术问题，提出了预期的 解决方案。2. 调压式节能最简单而且实用的路灯节能方式是： 智能光源稳压一分时调光技术。 将稳压调光装置安 装在路灯配电回路的起端，在前半夜提供路灯的电压为全压，接近午夜时分，开始降低路灯 的供电电压，在后半夜车稀人少时，进一步降低电压。它的节电原理有二，其一是在 220V-1-http:/至 160V 之间分时调节高压钠灯的供电电压；其二是由于后半夜电网用户少，负荷低，电网 电压高于 220V，而过压将额外消耗部分电能，采用该装置则避免
6、了这部分的浪费。根据工 程实践，它的节电效果在 20左右。采用这种装置，不仅节约了电能，不影响照度均匀度， 而且能够避免光源过压运行，延长了路灯寿命。 最经典的调压节能方式是可控硅调压。双向可控硅是一种实用的半导体器件,它有体积 小,重量轻,效率高,寿命长,动作快以及使用方便等优点。目前,交流调压器多采用双向可控硅 调压。 下面介绍的是一种用双向可控硅为主要器件来实现自动分时调压的主电路。 该装置可 同时连接、控制五盏路灯。如图 1 所示。工作情况如见表 1。图 1 分时调压主电路表 1 输出电压 电路电流 钠灯电压 钠灯电阻 阻抗角 ? 移相角 220V 1.78A 67.9V 38.2?
7、70.70 00分时调压主电路工作表（单盏钠灯 250W） 200V 190V 1.48A 63.9V 44.8? 67.90 72.30 180V 1.31A 61.8V 47.2? 170V 1.2A 59.0V 49.2? 160V 1.1A 56.0V 50.1? 65.70 82.001.58A 65.5V 39.0?另有一种思路类似的可变功率镇流器，利用气体放电灯在工作电流适当减少时，仍能 正常运行的原理，通过后半夜增加镇流器电抗，从而降低光源电流，减少路灯系统电耗中占 主要比例的光源的电耗， 达到路灯系统整体节能的目的。 一般采用电子开关用来控制路灯降 功率投入。其工作过程如下：
8、1）正常情况下，逻辑控制单元控制电子开关闭合（短路） ，外 部电压直接通过电子开关加到路灯电路上，使路灯工作在额定功率状态。 2）降功率控制 情况下，逻辑控制单元控制电子开关打开（开路） ，控制外部电压只能通过降功率电感加到 路灯电路上。此时，路灯电路感性负载增加，路灯工作电流降低，从而使路灯功率下降，耗 能降低，达到节能的效果。3）当电网电压偏低或光源状况不佳，降功率运行将可能出线闪 烁时，即使在降功率运行时间段，控制电路也将自动控制电子开关在闭合状态，避免路灯熄 灭。3. 电子镇流器调压式电子镇流器的优点是：原理简单、性能稳定，但节电效果只能打到 10左右。-2-http:/电子镇流器的节
9、电效果明显，文献报道一般是 3040，而事实上一线工程人员普遍认 为超过 50，而且功率因数很高，一般都达到 0.97 以上。目前，HID 电子镇流器的技术瓶 颈是性能稳定性，即使用寿命问题。电子镇流器是将工频(50HZ/60HZ)交流电变换为较高频 率的交流电，并能使一个或几个 HID 灯正常启动和稳定工作的变换器（国外称安定器） 。3.1 基本原理用电子元器件组成高频变换电路。先将照明交流电源整流变成直流电，再由“逆变器” 变为高频交流电，由振荡电路产生 2050KHZ 的高频电压去启动和点亮 HID 灯，经调整可 正确与灯匹配，满足不同功率灯管的启动电压、灯电压和灯电流，达到正常工作。图
10、 2 是常 见的电子镇流器电路框图。图 2 电子整流器整体结构图图 2 是一个经典的高压钠灯电子镇流器电路图。其中，EMI 模块和 APFC 模块已完全成 熟，已经在 600W 的高功率高压钠灯得到了成功应用。目前，影响高压钠灯电子镇流器可靠 性与使用寿命是驱动电路，因为它们被直接暴露在高压（34kV）2和高温（75左右）环 境下。所以，在高压钠灯的电子镇流器设计环节中，驱动电路、点灯启动电路、与保护电路， 是整个装置的核心，它直接影响到装置的可靠性与使用寿命。模块化的设计理念，有助于减 小重复劳动， 保证装置的性能。 下面介绍一款简单的适用于小功率的高压钠灯电子镇流器电 路，如图 3，基于
11、IR2155 的常见驱动电路拓扑图 。2图 3 基于 IR2155 的电路拓扑图点火电路，即启动电路，是高压钠灯电子镇流器的第二个关键。高压钠灯点火电压为-3-http:/3kV5kV，一般采用两种方式产生高压： （1）LC 谐振， （2）升压变压器。图四是将点火电 路和驱动控制合二为一的半桥逆变型高压钠灯驱动电路4。图 4 半桥逆变型高压钠灯点火和驱动电路3.2 电子镇流器特和传统的电感型高压钠灯镇流器相比，HID 电子镇流器有以下优点: (1)节电省钱比同规格电感镇流器节电 2530%,原因如下: 高频工作,提高灯发光效率。实验表明：光效随工作频率（50HZ50KHZ）提高而 增加，同光照
12、度下电子镇流器输入功率降低； 自身功耗低，约为灯功率的 5%（较电感镇流器降低 15%） ；多管驱动和高功率的电 子镇流器节电效果更显著； 线路功率因数提高（由电感镇流器的 0.5 提高到 0.9 以上）2,电网利用率相应提高, 实现间接节能; 发光效率高,产生热能小,空调房等用电量相应减少； 功率因数高，输入电流减少，电力配线安装要求及成本降低； 不需启辉器，省去更换时间和费用； （2）无频闪，发光柔和，有益保护视力； （3）启动快，不出现反复起辉、闪烁现象；有预热启动功能，大大延长灯管寿命； （4）工作宁静，无噪声，提高照明环境质量； （5）可用市电和直流电源供电，低压（150V）下能启动
13、，允许电压波动范围宽（10 15%） ；（6）采用调频、脉宽调制（PWM） 、光接收等技术，容易实现对荧光灯调光和光控智 能开关； （7）具异常状态（灯开路、短路、过载等）保护功能，延长镇流器寿命； （8）体积小、重量轻，安装使用方便；表 2 项 光照质量 启动 环境温度 目 电子镇流器与电感镇流器性能比较（40W） 电 感 镇 流 器 工作频率 50HZ，有严重频闪 电感线圈镇流，噪声大 有害视觉 -5+50 电 子 镇 流 器 工作频率20KHZ，无频闪 电子器件镇流，无噪声 光照质量改善，保护视力 -10+50-4-http:/ 工作 条件 工作温度 电 能 消 耗 低压或低温时，不能一
14、次启动， 多次启动易损坏灯阴极，缩短灯 后期维护 管寿命 启辉器寿命短，需经常更换 频繁维修，易损坏灯具 线路电流（A） 有功损耗（W） 最高达+120，影响室内温度 自身温升大，易发生火灾 0.43 49 电网电压 低于 180V 不能正常启动 低至 150V 仍能正常启动、工作， 但光通量降低 ?+50左右 有过热控制、保护措施 0.2 42（节电 14%） 电网有 3%无功损耗 ?无功节电 45%以上 具预热功能，一次启动，可延长 灯管寿命 无需更换启辉器 具异常状态保护功能，延长镇流 器 寿命无功损耗（W） 电网有 50%无功损耗4. 存在问题与对策高压钠灯电子镇流器在实际生产和使用中
15、容易出现故障,给用户带来很大的损失,也给售 后服务造成很大的负担。从表面现象看,出现故障时主要表现为功率开关管损坏,驱动集成电 路损坏,高压触发电路失效,镇流器整体温升较高等。 通过实验分析发现,造成故障的原因很多, 归纳起来可以分为设计方面的因素和实施设计的工艺过程的因素1。 镇流器整机的设计要根据参数要求确定电路选定元器件,结构上也要作出与电路相适应 的设计,同时整体的热设计也要作相应的考虑。由设计可靠性的概念可知,要使系统可靠,在设 计时对各个组成部分都要有相当的冗余。一般说来,冗余度大则可靠性高。但冗余度和经济 性是有矛盾的,冗余度大势必造成投入和成本的增加。因此,要适度冗余。 高压钠
16、灯启动时需要 3kV4kV的触发电压2,灯管启动后负载特性由原来的开路状态转 变为低阻状态,触发高压停止。但实际上灯管启动后触发高压不一定能够立即停止,对输出极 开关管的供电端及前级推动集成电路的供电端产生影响,致使这两个器件供电端对地击穿短 路,损坏推动集成电路和开关功率管,导致镇流器功能失效。这种现象往往在开启时发生。另 外,输出极开关管工作时也会产生电压浪涌,这时开关管承受的电压至少两倍于供电电压甚至 更多,会损坏输出级开关管,出现源-漏级之间击穿短路。 前级推动集成电路的供电是由输出级 供电端耦合降压供给的,电压浪涌使输出级产生变化,使得集成电路的供电端电压瞬间急剧增 加,造成集成电路
17、击穿短路。虽然在推动级集成电路供电输入端都设有稳压装置,但这种稳压 都比较简单,跟不上浪涌电压的速度。 因此,在瞬间高速浪涌电压到来时,还未来得及稳压,电路 已被击穿。 解决上述问题的途径有两个1：一、采用新的器件，如耐压高、成本低的 MOS 管，市场 已耐压高达 6kV 的 IGBT，IGCT 或 MCT 也可解决击穿问题，但昂贵的价格使得它们都不适用 于电子镇流器。二、创新的设计思路。高压钠灯正常工作是灯端电压只有 50V70V，如果 能将点火电路，即 3kV4kV 的触发电压产生电路，与正常的驱动电路隔离开，则有望解决 稳定性问题。正如当年的 APFC 技术为日光灯电子镇流器带来广阔天地
18、一样，解决高压钠灯 电子镇流器必须使用新的设计思路或新的器件。 最后，对于高压钠灯电子镇流器来说，必须依从其标称参数而设计电路。如果靠硬性多 元结合进行设计，可靠性很难得到保证。有些企业的盗版行为，如找一些做得较好的产品抄-5-http:/板，你用谁的电容我也用，你用什么晶体管我也跟着走，结果做出的产品可靠性很差，往往 寿命只有一到两月。 这里需要指出的是， 尽管选用的元件和抄来产品上的元件是同一个型号， 甚至是同一个厂出品，但有一些具体指标却相差甚远。如：磁性材料温度特性，频率特性， 初始磁导率，有效磁导率等参数，虽然型号一样，材质一样，同一批次的离散性和不同批次 的相差很远，不能拿来就用。
19、要做好电子镇流器，就必须在元件参数设计上下一番功夫，只 有设计出符合自己产品的重要参数标准，才能生产出性能稳定的高质量电子镇流器。5. 结语伴随经济发展的是环保污染的日益恶化，无锡太湖蓝藻问题所反映的事实是：小化工、 小炼油并不是环境污染的唯一来源， 控制单位 GDP 的能源消耗是解决污染的有效途径之一。美国在 G8 峰会上与日欧就排放问题达成的妥协， 也对我国的能源问题提出了挑战。 国务院、 国家发改委等多个部门已将节能措施作为返税的重要考核指标之一。 路灯， 作为电力部门的 一个能源消耗大户， 其节能技术已得到各级电力部门的重视。 研究改进电子镇流器的稳定性， 提高其节能指标，是一个技术价
20、值与经济价值并重的课题。参考文献1 谷刚.高压钠灯电子镇流器的可靠性探讨.中国照明电器 CHINA LIGHT &LIGHTING.2003 年第 12 期 2 王卫,张伟强,高国安(WANG Wei,ZHANG Weiqiang,GAO Guoan).基于 IR2155 的高压钠灯电子镇流器设计 (Design of Electronic Ballast for High Pressure Sodium Lamp Based on IR2155).电子器件(Chinese Journal of Electron Devices)第 25 卷第 3 期.2002 年 9 月 Vol. 25,N
21、o.3,Sep.2002 3 蔡潞羚,徐学基.Cai Lu ling, Xu Xueji. 高压钠灯若干问题探讨 Analysis of Several Problems about HPS Lamps.照明工程学报 ZHAOMING GONG CHENG XU EBAO.1999 年 6 月第 10 卷 第 2 期 Jun1 1999 Vol.110,No12 4 高明裕,张颖奇,张早阳.高强度气体放电(HID) 灯电子镇流器研究.中国照明电器1997（11） 5 张伟. 高压钠灯电子镇流器如何走出象牙之塔. 道路照明. 2005(1): 38-39Study on Technology a
22、nd Practicability of Electronic Ballast for the High Intensity Discharge LampsDengjun Yan，Yushuang WangDepartment of Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing（210098） Abstract Street lamp, for city lighting, is one of the most electrical energy consumers. In China, the most popular street la
23、mps is high intensity discharge lamp. The paper focused on two main energy saving technologies for high intensity discharge lamp, i.e. voltage adjustable energy saving and electronic ballast energy saving. Some aspects for electronic ballast are stressed, such as: working principle, electrical circu
24、it, and choke point on technology. The characteristic of electronic ballast, advantage and disadvantage, is analyzed also. Ideas are given for solving some obstacles that embarrassed the HID electronic ballast spread. Keywords: High Intensity Discharge lamps, Electronic ballast, Energy Saving, Green Lighting 作者简介: 严登俊，1969 年，博士、教授，长期从事电力系统、电工理论、电子设备的研究 与开发。-6-1
