太阳能高压钠灯高频电子镇流器的研究

    摘要：介绍了一种低电压供电且以MC68HC908QT2廉价单片机控制和可变频率驱动技术为核心的太阳能高压钠灯电子镇流器。该电子镇流器有电流电压控制环，在双环控制下使其输出恒功率，从而使高压钠灯可靠稳定地工作。

    关键词：太阳能；电子镇流器；高压钠灯；声共振；可变频率

引言

当前国家电力的大额缺口，整个世界范围能源的紧张，以及自然环境的不断恶化，使我们不得不更多地从高效、有效节能、绿色环保等多方面考虑电气产品的设计，同样，在寻找可靠的辅助能源的同时，更要注意其"绿色"的意义。本太阳能高压钠灯电子镇流器正是以此为出发点。高压放电（HID--High Indensity Discharge)灯通常指汞灯(Mercury Vapor)、高压钠灯(High Pressure Sodium Lamp)、金属卤化物灯(Metal Halide)等。它们的发光效率远比白炽灯高，按光电转换率上限的值排序，白炽灯、汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯分别为25lm/W、60lm/W、120lm/W、140lm/W。汞灯因其光色中的兰光较重，已逐渐被光色质量好，发光效率更高的高压钠灯和金属卤化物灯取代，因此，HID灯亦即高压钠灯和金属卤化物灯的泛称。高压钠灯是继白炽灯、高压汞灯之后的第三代代表性节能新光源，可广泛用于道路、码头、铁路、机场、矿山、厂房、车库、广场、体育馆等大面积室外的照明。

    然而，传统的电感式高压钠灯镇流器存在许多缺陷：

1）体积大、笨重、消耗大量铜材和硅钢片；

2）功率因数偏低、电能利用率低；

3）存在工频闪烁,发光效率低，灯光通量随电网电压波动而变化。

现今，电子式的高压钠灯高频镇流器通常由市电供电，电路设计的结构一般是EMI滤波→整流→APFC→逆变→启动→灯，虽然，它具有体积小、节能、高光效、无频闪、长寿命的卓越性能，而越来越受到人们青睐，但是，却要消耗电网的电能，增加电网的负荷。而采用太阳能独立供电的高压钠灯电子镇流器的的结构，却是太阳电池(蓄电池)→逆变→升压→启动→灯，电子镇流器体积将进一步减小，成本也会降低，将给其锦上添花，达到真正意义上的"绿色设计"，其白天将太阳能储存在蓄电池中，晚上可以定时工作，施工安装方便，基本无须维护。

图2

1 太阳能高压钠灯电子镇流器的特点和技术要求

由于高压钠灯的结构及其原理与荧光灯并不完全相同，用普通荧光灯交流电子镇流器即使去点燃同样的功率的高压钠灯也不适合，所以，高压钠灯对镇流器的要求是很高的，要制作高品质的高压钠灯电子镇流器还是比较困难的。众所周知，高压钠灯是在高频电流下点燃的气体放电灯，会产生放电管声共振现象，这是由灯管内压力波的脉动从管内壁反射回来，若与灯高频电流的脉动成分相位相同，形成驻波，即产生声共振[2]，其表现为：

1）电弧管体内有音频噪声；

2）电弧管内电弧发生闪烁、扭曲、翻滚等现象，同时灯电压不稳定，严重时将会发生熄弧或使灯损坏。

因高压钠灯的电弧管细长呈圆柱形，电弧易稳定，试验表明在8～150kHz率之外基本上可以避免声共振和电弧的不稳定现象。低频方波点灯将会降低灯的光效，频率太高会有射(高)频干扰，并且对灯的引线长度有限制（限制在2m内），所以，可以在适当的高频下，采用可变频率技术，来消除声共振。

根据对高强度气体放电灯高频变换器技术的研究，结合高压钠灯的工作特性，归纳高压钠灯电子镇流器的主要技术要求如下：

1）能提供3～5kV电压（比荧光灯高3～5倍），且脉冲宽度≤2μs，具有足够能量的高频高压来触发启动，完成汤姆逊放电（离子放电）→过渡放电→辉光放电→弧光放电的启动过程；

2）具有较强的非线性负载适应性，特别是触发启动瞬间，高压钠灯电子镇流器相当于输出短路状态，具备恒功率或恒电流控制能力，保证电弧管体内放电电弧稳定，避免光通量闪烁；

3）能消除声共振，避免放电电弧出现不稳定的现象，而使灯光抖动或烧毁；

4）高频逆变电路具有较强的抗电磁干扰能力，其功率因数高、功率高、可靠性高、成本低、可实现短路、开路、过压、过流、过热的保护，能在户外长期工作，且使用寿命长。

2 太阳能高压钠灯电子镇流器的设计原理及控制方法

市电供电的高压钠灯电子镇流器本质上是AC/DC/AC高频变换器，而太阳能独立供电的高压钠灯电子镇流器是蓄电池供电，电路结构简洁，本质上是DC/AC高频变换器，其电路框图如图1所示。白天将太阳能储存在蓄电池中，晚上可以通过检测电池板电压来定时启动。将蓄电池中低压直流电压通过逆变电路变成高频电压，再通过高频升压变压器后供给高压钠灯。电压检测为检测电池板的电压，电流检测是为构成电流环。启动电路是为高压钠灯提供3～5kV、脉冲宽度≤2μs的瞬间高压来触发高压钠灯。由于气体放电灯具有负阻特性，而在高压钠灯电子镇流器电路控制下变为正阻特性，高频电流状态下相对工频提高约15％的电光转换率[2]，其中控制保护电路是电子镇流器的核心，综合考虑降低成本等因素，决定采用半桥逆变电路。辅助电源部分是为部分芯片提供工作电源用。通过采样蓄电池的电压达到对系统过压和欠压，过热的保护。

2.1 逆变电路及启动电路

逆变电路及启动电路是该电子镇流器的重要部分，如图2所示。其原理是：当检测到太阳能板电压低于一个定值时即视为晚间，此时控制保护电路驱动V2，同时产生启动信号触发晶闸管（SCR），使C10通过N4迅速放电，从而使N3同名端处产生3～5kV的瞬间高压来启动高压钠灯(N3=20×N4)；随后控制保护电路输出一对互差180°的PWM波（有1.5μs的死区）驱动半桥，使其输出高频PWM波，再经由高频升压变压器T1的N1耦合到N2，使高频PWM波在T1的N2、C11、T2的N3、高压钠灯、L3的N7回路产生谐振，并形成高频正弦波电压电流，使高压钠灯工作在高光效的弧光放电状态。采样D处电压实为灯电流在N6上感生的电压，以此对高压钠灯电流进行监控，构成电流环，由于蓄电池相当于一个恒压源，所以，对电压的控制也可使高压钠灯工作在恒功率状态，保证电弧管内放电电弧稳定，避免光通量闪烁。E处电压为判断高压钠灯正常工作（也是灯检测信号）并封锁启动信号，如果启动失败则再通过R16、C10充电等待控制器约3min的延时结束（实为待灯冷却下来，因为，高压钠灯在热状态下启动要几十kV甚至几百kV的高压）进行再次触发。

    2.3 控制保护电路分析

控制保护电路如图3所示，是该电子镇流器的核心部分。其原理是：单片机通过检测太阳能电池板输出电压值，来判定是否晚间，也通过检测蓄电池电压来判定其是否过放或过充，如过放则封锁V2和V3，如过充则断开电池板停止向蓄电池充电；同样通过对灯电流的检测来对灯的输出功率进行控制；灯检测是判断灯是否损坏，如损坏则关闭半桥，无输出电压，系统处于低的功耗状态，也保护了维护人员；可变频率驱动电路在消除高压钠灯电子镇流器中的声频共振现象时得到了很好的应用，是一种简单实用的新型技术，其驱动时的灯电压电流示意波形如图4所示。在半桥驱动电路中，通过单片机输出一个低频信号，约2kHz，使功率器件以其占空比的变化改变PWM电路的输出平均电压，这将导致一个低频信号瞬间叠加在高频开关频率上，从而改变电子镇流器中串联谐振LC电路的工作电压，此时随着低频信号的波动，灯端电流的幅值也是按照调制信号的低频周期不断地变化，因为，频率不是固定在一点上，所以，就不会在固定的频率上形成驻波而产生声共振，另外，该频率的变化是瞬间的，对功率并没有什么影响，并且能够实现高压钠灯的恒功率运行。

3 高压钠灯电子镇流器试验研究

根据以上的设计思路，进行了400W太阳能高压钠灯电子镇流器试验研究。采用24V的蓄电池组供电，将24V升到稳定的400V直流电压供给高压钠灯。其启动电压为4.1kV，如图5所示。其正常工作时灯两端的电压为105V，电流4.4A，如图6所示（通道1为电流，通道2为电压）。

4 结语

对400W太阳能高压钠灯电子镇流器的设计研究，采用了可变频率驱动对高压钠灯声共振现象进行有效的抑制，以及对其进行恒功率控制，从而使高压钠灯能够稳定可靠地工作，达到了相关技术要求。不足之处是体积较大，如将部分元件改用贴片式，则可以进一步减小体积。