一種高效的柔性智能照明節(jié)電控制裝置

在輸入工頻電壓的正半周，對VT1，VT3進(jìn)行PWM控制，而VT2，VT4全開通；反之，在輸入工頻電壓的負(fù)半周，對VT2，VT4進(jìn)行PWM控制，而VT1，VT3全開通。該方式下，總的開關(guān)動作次數(shù)減少了一半，因此開關(guān)損耗也降低了一半。在一個(gè)開關(guān)周期中，交流斬波器包括3種工作模式：有源模式、死區(qū)模式和續(xù)流模式。這3種模式下雙向電流通路總是存在，不會產(chǎn)生di／dt過電壓，因此無需緩沖電路，降低了緩沖電路所引入的損耗。
(2)選用通態(tài)壓降較低的開關(guān)器件多管并聯(lián)
開關(guān)器件的通態(tài)損耗直接取決于其飽和壓降及傳導(dǎo)電流。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，通態(tài)功率損耗在總損耗中占有很大一部分。對一個(gè)Buck型交流斬波器而言，通態(tài)損耗可近似為：
Pson=(2UsatPc／Uoc)×100％ (6)
式中：Usat為IGBT的飽和電壓；Uoc，Pc為斬波器輸出電壓和輸出功率的有效值。
多數(shù)IGBT的飽和壓降約為2 V，對于輸出電壓為220 V的斬波器，即有2％的通態(tài)損耗。在此選用一種飽和壓降為1．5 V的IGBT作為功率開關(guān)，并采用兩管或多管并聯(lián)來降低開關(guān)損耗。
(3)采用非晶態(tài)磁芯濾波電感，倒相換接開關(guān)采用機(jī)電開關(guān)
濾波電感串聯(lián)在交流斬波器中，其效率與斬波器的效率一樣重要。影響濾波電感效率的主要因素是磁滯損耗和渦流損耗，非晶態(tài)磁芯電感的磁滯損耗和渦流損耗比鐵心電感小得多，原則上倒相換接開關(guān)采用快速的半導(dǎo)體開關(guān)為宜，但其通態(tài)壓降也會引起功率損耗，機(jī)械開關(guān)通態(tài)損耗可以忽略，但不可控。大功率繼電器可控并且其觸點(diǎn)沒有損耗，因此用作倒相開關(guān)。
采取上述技術(shù)措施后，斬波器的效率得到很大提高，配合高效的變壓器，系統(tǒng)的整體效率達(dá)到了國家節(jié)能器的標(biāo)準(zhǔn)。

4 負(fù)載適應(yīng)性和系統(tǒng)可靠性
實(shí)際的照明系統(tǒng)負(fù)載種類繁多，有些是純阻性的，但有些負(fù)載加裝了功率因數(shù)補(bǔ)償電容，有些是輸入級為整流器的電子鎮(zhèn)流器燈具負(fù)載。這些負(fù)載的共同特點(diǎn)是上電電流沖擊很大，因?yàn)檎髌骱蠼佑胁⒙?lián)補(bǔ)償電容和濾波電容，這樣的一種開關(guān)沖擊電流可達(dá)到其額定值的幾百倍至上千倍，很容易造成交流斬波器因過流而損壞，而且大多數(shù)照明負(fù)載的開關(guān)是隨機(jī)的，即沖擊電流時(shí)時(shí)存在。此外，負(fù)載回路可能發(fā)生局部短路情況，因此要對交流斬波器實(shí)施保護(hù)，但又不能終止節(jié)能器下游負(fù)載的運(yùn)行。
在串聯(lián)調(diào)整式系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)中，主功率通道上只有串聯(lián)變壓器的次級繞組，具有很強(qiáng)的抗沖擊能力，若在節(jié)電裝置運(yùn)行過程中遇到上述電流沖擊性負(fù)載的接入，系統(tǒng)瞬間封鎖保護(hù)交流斬波器，但主功率通道仍繼續(xù)向負(fù)載供電。在這種情況下，變壓器相當(dāng)于一個(gè)電流互感器，負(fù)載沖擊電流反射到串聯(lián)變壓器的初級繞組上。為保護(hù)交流斬波器，設(shè)計(jì)了快速的過流檢測電路產(chǎn)生過流封鎖信號，當(dāng)負(fù)載電流產(chǎn)生沖擊時(shí)，高速電流檢測單元在負(fù)載電流上升到功率開關(guān)器件的最大承受電流前發(fā)出封鎖信號，封鎖VT1，VT2，同時(shí)打開VT3，VT4和VT5，以避免串聯(lián)變壓器的初級繞組開路。負(fù)載沖擊電流反射到串聯(lián)變壓器的初級電流將從VT3，VT4，VT5中流過，從而保護(hù)了續(xù)流開關(guān)。因此避免了電流變壓器開路繞組上的高電感電壓。晶閘管固態(tài)開關(guān)的過電流能力較高，它能抵抗較大的沖擊電流而不至于被損壞。此時(shí)交流斬波器被封鎖了，固態(tài)開關(guān)將變壓器的初級短路，負(fù)載電流仍然通過次級繞組連續(xù)流動，這種工作模式稱為初級短路的旁路模式。沖擊電流過去后，再向VT5發(fā)出關(guān)斷信號，VT5關(guān)斷后，交流斬波器返回?cái)夭顟B(tài)，繼續(xù)對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)做這樣的處理后，可以適合于各種沖擊性負(fù)載，其開和關(guān)不受限制。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，節(jié)電控制裝置能夠通過初級短路的旁路模式而不用中斷負(fù)載的電源。同樣當(dāng)交流斬波器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)也切換到串聯(lián)變壓器初級短路的旁路方式。
系統(tǒng)進(jìn)行上述處理后，無論是容性負(fù)載合閘沖擊還是非線性負(fù)載沖擊，均可保證交流斬波器的安全，一旦沖擊過后，交流斬波器再投入運(yùn)行。不難想象，該節(jié)電裝置還可直接應(yīng)用于其他負(fù)載場合，應(yīng)用范圍很廣。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為驗(yàn)證所提措施的有效性，制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，參數(shù)為：額定功率40 kVA(三相)；ui為(380+15％)V(三相)；uo為266～437 V(三相)；串聯(lián)變壓器容量為11 kVA(三相)，初級為380 V(16．5 Ax3)，次級為104 V(60 A×3)；斬波開關(guān)IGBT為IKW75T60N，雙管并聯(lián)；濾波器輸入電容為15μF，LC濾波為0．5 mH，20μF；雙向固態(tài)開關(guān)為KS100A1200V，倒相換接開關(guān)為繼電器觸點(diǎn)容量為30A／380V。

圖3a為采取措施前后不同功率下的系統(tǒng)效率；圖3b為負(fù)載沖擊電流到來時(shí)從斬波調(diào)整模式切換到旁路模式系統(tǒng)的輸出電壓、電流波形?？梢姡?dāng)存在負(fù)載沖擊電流時(shí)，輸出電壓無間斷。

6 結(jié)論
所采取的技術(shù)措施有效地提高了串聯(lián)補(bǔ)償式節(jié)能控制器的運(yùn)行效率，并使裝置適用于各種負(fù)載，系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性得到提高，相應(yīng)技術(shù)可推廣到其他應(yīng)用領(lǐng)域。