随着经济的迅速发展,新兴的大型商业建筑和公共建筑如雨后春笋大量涌现.这些建筑中需用大量高效、节能、安全、舒适、美观的照明灯具,特别是各种荧光灯具.荧光灯具的镇流器及灯管选型,是照明设计中需要重点考虑的问题,因为它直接关系到功率因数及绿色照明工程指标是否能够满足要求.
市场上可供选择的镇流器有电感镇流器和电子镇流器,目前一部分国产电子镇流器质量不够稳定,且劣质产品占一定的比例,而进口电子镇流器价格又偏高,因而影响到了用户对电子镇流器的消费热情.尽管传统型电感镇流器存在着热损耗大、cosΦ值低等主要缺点,但由于它同时具有寿命长、性能稳定、价格低廉等优点,所以目前仍是很多数用户的首选.
如果已确定选用传统型电感镇流器,那么就应首先考虑cosΦ值与单只荧光灯管功率之间的关系.一般来说,灯管功率越大则其有效长度也越大,灯管压降的数值也越大,其功率因数也越高(cosΦ≈灯管压降/电源电压),而灯管工作电流并没有明显增加.所以在条件允许的情况下,尽可能选择功率大的荧光灯管,以便得到相对高些的cosΦ值.
本文作者近来在某大型商场照明系统试运行中,遇到照明线路短时间内过载跳闸、总导线过热等问题.在该商场照明设计中,开关容量与导线截面均按cosΦ≥0．5的保守系数选取.这一过载情况的出现,是因为建设单位追求经济、美观、安装方便,在照明系统中大量采用传统型电感镇流器和18W荧光灯管的组合灯具,其cosΦ值远<0．5.每台灯具组合形式及测试参数如图1所示.
由图1(a)可知,这种组合后的灯具功率因数很低,只有0．282.为提高灯具功率因数cosΦ,在每台灯具入口处并联补偿电容C,如图1(a)中虚线所示.其向量图及参数如图2所示.
此时灯具电流等于电容电流与补偿前灯具电流向量和.其中考虑到补偿前后有功功率不变,即IO与IZ实部应相等.
因为■■=ωCUAC×10■,根据图2得补偿电容C的表达式:
C=■■×10■/ωUAC=■μf
其中:Φ——补偿前功率因数角;
Φ0——设计参数;
ω——2πf.
由于荧光灯管工作电流IZ,工作电压UR在产品样本中已经给出,而Φ0是设计参数,cosΦ≈UR/UAC.所以补偿电容C值可直接由表达式算出.(灯管工作电流,也可近似表达为IZ≈灯管功率/灯管电压).
功率因数过低的负载,会导致电力设备容量的浪费、线损增加.按绿色照明工程标准,照明灯具功率因数应≥0．9.就上例而言,要达到cosΦ0≈0．9的设计要求,Φ0＝cos-10.9=25.84°,则需加补偿电容.用Φ0＝25．84°代入电容C表达式(其他数值不变),可得补偿电容C＝12μf.
对于40W荧光灯管,其工作电压为UR≈110V,cosΦ≈110V/220V＝0．5(Φ≈60°),工作电流IZ≈40W/110V＝0．37A.若要求补偿至cosΦ0≈0．9(Φ0＝25．84°).将有关参数代入电容C表达式,可得补偿电容为4μf.按照图一形式由三只40W灯管组成的灯具,则附加补偿电容亦为C＝12μf.
经电容补偿后效果很好,电源电流大幅度下降.满足了cosΦ0≈0．9的要求.
传统型电感镇流器不仅热损耗大,还消耗大量的有色金属材料,为了提高cosΦ值,需配置补偿电容,不仅增加了投资,而且还增加了镇流器的体积和重量.还应指出的是,电感镇流器与荧光灯管组成的灯具,其电流波形还存在较严重的畸变,波形如图3所示.因此在实际应用中波形的畸变给中性线带来很大的谐波电流,尤其在大型商场集中供电的情况下,甚至危及到供电系统的安全运行.从发展的观点看,电子镇流器体积小、重量轻、热损耗小、cosΦ值高,有着广泛的应用前景.
电子镇流器有三种基本类型:简单型电子镇流器、具有“无源功率因数校正电路”的电子镇流器、具有“有源功率因数校正电路”的电子镇流器.简单型电子镇流器工作时,电源电流半周期内导通角小,且电流峰值大.其功率因数为0．5~0．6,电流谐波含量为117．5%(设基波为100%).如果集中使用,过高的谐波会导致中性线过电流而引起接触不良甚至断路,导致中性点电位漂移.因此存在家用电器和电子镇流器因过电压而大面积损坏的危险.具有“无源功率因数校正电路”的电子镇流器工作时,电源电流半周期内导通角≥120°,其功率因数≥0．9,电流谐波总含量≤28%.而具有“有源功率因数校正电路”的电子镇流器工作时,电源电流为与交流电源电压同步的正弦波,电流总谐波含量≤10%,功率因数≥0．99.当电源电压在大范围内(如100~270V)变化时,该型电子镇流器能保证荧光灯管工作状态不变;同时,该型电子镇流器因其内部整流电压稳定且波纹很小,非常有利于荧光灯管使用寿命的延长.可见该型电子整流器基本上满足了绿色照明工程指标的要求.只要在设计和生产过程中,精选电子元器件,加强该型电子镇流器电路的保护环节,可保证镇流器的使用寿命;加强高频抑制环节,可进一步满足绿色照明工程指标要求.
目前,由于国内电子镇流器市场上,以简单型电子镇流器为主流产品,因此对电子镇流器的形象有着一定的不利影响.
为便于对电子镇流器的讨论,将电子镇流器的结构以及不同类型电子镇流器的电流、电压波形作如下简要描述.
电子镇流器由图4所示的三部分组成:①AC—DC变换器(将交流电压UAC变换成直流电压UDC);②高频逆变器(将直流电压UDC逆变成30~50kHZ的高频电压Uf);③再将Uf通过附加电路输出给荧光灯管.其中LH为带磁芯的高频电感线圈,CH为启动电容.当通电时,LH与CH产生串联谐振,CH上高压将荧光灯管点燃之后,LH起限流作用.
由于图四中环节①AC—DC变换器原理不同,就形成了上述三种不同类型的电子镇流器.
为了说明方便,图四中环节②、③在以下电路中简称为“负荷”.
1、简单型电子镇流器
简单型电子镇流器AC—DC变换电路及其电流、电压波形如图5(a)、(b)所示.由图5可见,只有当交流电源电压UAC的瞬时值超过滤波电容C0上全波整流电压UDC时,才会出现电源电流IAC,其波形如(b)所示.IAC的特点是,尖峰值高、导通角小.
2 具有“无源功率因数校正电路”的电子镇流器
该类型的电子镇流器AC—DC变换器电路及其电流、电压波形如图6(a)、(b)所示.由(a)可知当交流电源电压UAC达到峰值Um时,电容C1、C2上充电电压UDC达到交流电源电压UAC峰值Um,即(b)中B点.C1、C2上电压分别为1/2Um(C1＝C2).当UAC从峰值下降时,由于二极管D1的反向偏置,C1、C2不能放电,交流电源电压UAC继续向负荷提供电流.直到UAC下降到1/2Um时,即(b)中C点交流电源电流IAC才停止,此时C1、C2才开始各自通过二极管D2、D3向负荷提供电流.直到下半个周期再当|UAC|>C1、C2上残存电压时,即(b)中的A点,UAC又开始向C1、C2充电并向负荷提供电流.以后又重复上述过程.由(b)可见交流电源UAC在半周期内向整流电路提供电流的角度(在半周期内从A点到C点)≥120°,因此改善了交流电流IAC的波形,如(b)中所示.同时从(b)中可以看出,该类型的电子镇流器直流电压UDC的纹波比简单型电子镇流器UDC大,且其UDC的平均值较简单型电子镇流器UDC小.
3、具有“有源功率因数校正电路”的电子镇流器
该电子镇流器AC—DC变换电路及电流、电压波形如图7(a)、(b)所示.
该电子镇流器AC—DC变换电路的特点是,整流桥输出端没有大容量滤波电容,只有0．1~0．4μf左右高频滤波电容Cf,因此,Cf上电压为交流电源电压UAC的全波整流波形.
图7(a)中LU为升压电感,T0为晶体管开关.正常工作时,功率因数校正器“芯片”输出脉冲序列VG驱动T0,在LU中形成序列三角波电流IL,如(b)中所示.VG的正脉冲使每个三角波的上升边电流经导通的T0向LU贮存磁能;当T0关断时,LU中磁能以电流形式经二极管D1向电容C0充电,并形成三角波IL的下降边.电容C0上充电电压UDC即为AC—DC变换电路的输出直流电压.由该电压向负荷供电.
作用在功率因数校正器“芯片”上的信号有四个,如(a)中所示:(1)IL三角波下降边至零时的零电流检测信号UL;(2)IL三角波上升边电流峰值检测信号VI(R3号上电压);(3)UAC全波整流波形信号V1(R2号上电压);(4)直流电压UDC的反馈信号V2(R5号上电压).另外,还有“芯片”输出控制信号VG脉冲序列.在镇流器工作过程中,UDC的反馈信号V2与“芯片”内部参考电压VREF产生差值信号,该差值信号与UAC的全波整流波形信号V1相乘,得到波形与V1相似的且与UAC同步的信号V3[波形见图(b)].V3的幅值受V2控制:当输出直流电压UDC增大时,使V3幅值减小;当UDC减小时,使V3幅值增大.信号V3在“芯片”内部用作升压电感LU中序列三角波电流IL的“峰值包络线”给定信号,即“峰值包络线”的波形与幅值给定[如图(b)所示].
当UL每次等于或接近零时,“芯片”便开始输出正脉冲VG的上升沿及其高电平,使T0导通,产生序列三角波电流IL的上升边;每当VI达到V3瞬时值时,“芯片”将VG翻转为低电平,使T0关断,产生序列三角波电流IL的下降边.如(b)所示.可见,V3起到了IL的“峰值包络线”给定信号作用.
实际运行中IL序列三角波的频率很高,且电流连续,三角波的周期为几微秒到十几微秒.整流桥输出电流IR的波形如(b)所示,为IL“峰值包络线”的平均值.所以IR整流前的交流电源电流IAC为正弦波且与交流电源电压UAC同相位,其功率因数可超过0．99.该电子镇流器输出电压UDC高于UAC的峰值,因此LU称为升压电感.UDC的设计参数一般为400V,当UAC或负荷发生变化时,由于V2的反馈作用,能保证UDC为恒定值.允许UAC在100~270V范围变化.
具有有源功率因数校正电路的电子镇流器的校正电路有几种基本类型,图7所示“升压型”为其中一种,多为300W以下电子镇流器所采用.
具有“有源功率因数校正电路”的电子镇流器,其各项性能指标基本满足绿色照明工程指标要求.通过加强过流、过压保护环节,镇流器的寿命会得到保证;加强高频抑制环节,减小高频对电源的污染,可进一步满足绿色照明要求.还由于电子镇流器体积小、重量轻、热损耗小,以及一个AC—DC变换电路可带动多个高频逆变器,使多只荧光灯管同时或分别投入工作,可降低镇流器的成本并进一步减小体积和重量.因此,电子镇流器有着广泛的应用前景.
