一種高效的柔性智能照明節(jié)電控制裝置

摘要：提出一種以串聯(lián)調(diào)整式PWM交流斬波器構(gòu)成的照明節(jié)電控制裝置，用于集中控制一組照明燈具以達(dá)到節(jié)電的目的。為提高該節(jié)電裝置的效率，進(jìn)一步采用了非互補(bǔ)PWM交流斬波器控制法和器件并聯(lián)技術(shù)。此外，為使該節(jié)電裝置能適應(yīng)各種照明負(fù)載，系統(tǒng)采用變壓器初級(jí)短路的旁路抗沖擊技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所開發(fā)的智能節(jié)電裝置效率和可靠性非常高，適合于多種不同類型的負(fù)載。
關(guān)鍵詞：斬波器；串聯(lián)補(bǔ)償；器件并聯(lián)

1 引言
傳統(tǒng)的照明裝置如路燈照明系統(tǒng)是一種剛性照明系統(tǒng)，作為負(fù)載的燈具被動(dòng)地從市網(wǎng)吸收電能。隨著市網(wǎng)電壓波動(dòng)，燈具吸收的功率大幅變化，產(chǎn)生的照度也僅與市網(wǎng)電壓有關(guān)。如果按照人們社會(huì)活動(dòng)和日常生活規(guī)律對(duì)照度的實(shí)際需要來(lái)靈活、主動(dòng)地控制燈具照度，將會(huì)節(jié)省很大一部分電能，這樣的照明系統(tǒng)稱為柔性照明控制系統(tǒng)。該裝置應(yīng)滿足以下要求：①作為節(jié)電控制裝置，自身效率必須很高；②必須能適合于不同類型的燈具負(fù)載；③具有較高的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性；④裝置的成本低、重量輕和體積小。
對(duì)大宗照明負(fù)載而言，較簡(jiǎn)單有效地控制燈具功率的方法是集中控制施加在燈具上的電壓。由雙向晶閘管構(gòu)成的相控?cái)夭娐肪哂锌刂坪?jiǎn)單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但會(huì)在市網(wǎng)中引入大量低次諧波。用純Buck或Buck／Boost式PWM高頻交流斬波器可很好地控制輸出電壓．并無(wú)諧波引入。但抗負(fù)載沖擊能力有限，效率達(dá)不到上述要求。串聯(lián)補(bǔ)償式PWM交流調(diào)節(jié)器雖具有效率高和無(wú)諧波污染的優(yōu)點(diǎn)，但沖擊電流還是會(huì)損壞斬波器。在此介紹了一種主電路由串聯(lián)補(bǔ)償和Buck型交流斬波器構(gòu)成的節(jié)電控制裝置。

2 節(jié)電控制裝置主電路及其工作原理
圖1為照明節(jié)電控制裝置的主電路。

該電路由Buck型PWM交流斬波器、LC濾波器、串聯(lián)補(bǔ)償變壓器構(gòu)成。VT1，VT2和VD1，VD2構(gòu)成雙向斬波開關(guān)，VT3，VT4和VD3，VD4構(gòu)成雙向續(xù)流開關(guān)。L1為交流斬波器的濾波電感，C1為濾波電容，Tr為串聯(lián)補(bǔ)償變壓器，S1為斬波輸出的倒相開關(guān)，VT5為雙向晶閘管固態(tài)開關(guān)。
當(dāng)PWM脈沖為高電平時(shí)，雙向斬波開關(guān)工作，斬波輸出電壓為交流輸入電壓；當(dāng)PWM脈沖為低電平時(shí)，雙向續(xù)流開關(guān)工作，斬波輸出電壓為零。設(shè)輸入交流電壓為：

式(4)說(shuō)明，控制d可對(duì)uo進(jìn)行調(diào)節(jié)，而采用倒相換接開關(guān)后，經(jīng)調(diào)節(jié)的uo可高于或低于ui。當(dāng)期望的uo高于ui時(shí)，倒相換接開關(guān)為S1-1，公式取“+”號(hào)；反之，當(dāng)期望的uo低于ui時(shí)，倒相換接開關(guān)為S1-2，公式取“-”號(hào)。

3 系統(tǒng)運(yùn)行效率的分析及提高措施
眾所周知，串聯(lián)調(diào)整式結(jié)構(gòu)具有較高的系統(tǒng)運(yùn)行效率，因?yàn)榇?lián)變壓器和功率變換器僅傳輸較小的系統(tǒng)功率補(bǔ)償量。忽略其他損耗，系統(tǒng)的損耗近似等于斬波器的損耗和串聯(lián)變壓器的損耗。系統(tǒng)的總效率主要取決于交流斬波器和串聯(lián)變壓器，可表示為：
η=1／[1+r(1-ηcηt)] (5)
式中：r為電壓補(bǔ)償范圍；ηc，ηt分別為斬波器和串聯(lián)變壓器的效率。
假設(shè)r=0．3，ηc=ηt=95％，根據(jù)式(5)計(jì)算的η高達(dá)97．2％，但仍低于節(jié)能器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而且若不采取一些特殊的措施，ηc很難達(dá)到95％。因此這里采取如下一系列措施來(lái)進(jìn)一步提高所研發(fā)的節(jié)電控制裝置的效率。