高效数字化柔性照明装置的控制系统设计

赵仕荣 黄悦华 王归新 赵克鸣

(三峡大学，湖北宜昌 443002)

1 引 言

随着科技日新月异的进步，传统刚性照明系统作为一种一成不变的照明方式与现代化的节能要求不相适应。应运而生的照明系统称为柔性照明控制系统。这种系统是基于照度与所吸收的功率之间是非线性关系这一特点，从而满足了得到亮度可控的柔性照明系统。柔性照明控制装置应具备以下几种特点:一、作为节电控制装置，自身工作效率高;二、能适合于多种不同类型的灯具负载;三、能保证装置运行的稳定性和可靠性，尤其在如商场、银行、地铁、机场等重要场合不能发生停电故障。四、保证装置的成本低，而且重量和体积必须小。

传统照明装置控制电路大多是由双向晶闸管构成的相控斩波电路，其控制方法简单而且可靠性高［1］，但电网中引入了大量的低次谐波。用 Buck或Buck/Boost式PWM高频交流斩波器可以很好的控制输出电压并无谐波引入［2］，但抗负载冲击能力有限，效率较低。串联补偿式的PWM交流调节器虽然有效率高和无谐波污染的优点，但冲击电流还是会损坏斩波器。本文介绍了一种主电路由串联补偿［3］和Buck型交流斩波器构成的节电控制装置。

2 柔性智能照明节电控制装置主电路和工作原理

照明节电控制装置由双向交流BUCK斩波器、LC滤波器和补偿变压器串联构成，L1是交流斩波器的滤波电感，C1和C2是滤波电容，T是并联补偿变压器，S1为旁路切换开关。P1、P2和D1、D2构成双向斩波开关，P3、P4和D3、D4构成双向续流开关。主电路如图1所示。

图1 照明节电控制装置主电路图

在图1中，U2并联变压器二次侧电压，也是交流斩波器的输入电压，Ucom为斩波器的输出电压，Ucom和变压器的一次侧电压U1的相位差为180°。设变压器的变比为n，D为占空比，可得到变压器二次侧的电压U2为:

交流斩波器的输出和输入电压的关系为:

由图1可知，

联立 (1)、(2)、(3)可得

式 (4)表示:根据U1改变占空比D，即可以保持负载电压Uload维持恒定。当以负载电压为控制对象时，控制交流斩波器占空比D可以对输出电压进行连续调节。针对不同的灯具和照明时间的要求，可以实现柔性照明。

3 装置运行效率的分析及提高措施

由于并联变压器和功率变换器只承担系统功率的补偿量，因而这种结构的照明装置具有较高的效率。忽略装置其它部分的损耗，系统的损耗近似等于斩波器的损耗与串联变压器的损耗之和。系统的总效率，可以表示成:

式中，ηc、ηt分别为斩波器和串联变压器的效率，r表示电压补偿范围;假设装置的补偿范围r为［0，0.3］，斩波器和串联变压器的效率ηc、ηt都为95%，根据公式 (5)计算的系统效率为97%，但是这样的系统效率还是低于节能器的国家标准，而且不采取一些特殊的措施交流斩波器和串联变压器的效率很难达到95%。因此采取了如下的措施来提高所研发的节电控制装置的效率。

3.1 采取半波导通非互补驱动方式降低开关损耗

交流斩波电路的控制方式主要有互补控制方式、有电流检测控制方式、无电流检测控制方式和无电流检测半波导通非互补控制方式。互补控制方式简单，但由于在死区时间感性负载没有续流回路，易在开关管上产生电压尖峰。无电流检测的非互补控制方式存在失控现象，通常采用电流检测的非互补控制，这使得控制电路的设计复杂。本文采用半波导通非互补驱动方式，使得开关损耗小，并且不需要缓冲器，进一步减小了损耗。

在该控制方式下，4个IGBT的脉冲波形如图2所示。当输入电压处于正半周期时，P2和P4保持导通，P1和P3交替导通;当输入电压处于负半周时，P1和P3保持导通，P2和 P4交替导通。这种方式下，总的开关动作次数减少了一半，因此开关损耗也降低了一半。

在一个开关周期中，交流斩波器有三种工作模式:有源模式、死区模式和续流模式，如图3所示。从图3可以看出在三种工作模式下双向电流通路总是存在，不会产生di/dt过电压，因此不需要缓冲电路，降低了缓冲电路所引入的损耗。

3.2 选用通态压降较低的开关器件多管并联以降低开关管的通态损耗

忽略驱动信号的损耗，IGBT的损耗主要取决于它的饱和压降和传导的电流。对一个Buck型的交流斩波器来说，开关损耗可以近似为:

式中，Vsat是IGBT的饱和电压，Voc、Pc是斩波器输出电压和输出功率的有效值，多数IGBT的饱和压降在2.0V左右，对于一个输出电压为220V的斩波器，这意味着有2%的通态损耗。本文选用了一种饱和压降为1.5V的IGBT作为功率开关，并采用多管并联来降低开关损耗。

图2 半波导通非互补驱动

图3 交流斩波器的工作模式

3.3 并联变压器选用环形变压器，主要功率切换开关采用固态开关

位于交流斩波器前端的并联变压器的效率和斩波器的效率一样重要，影响变压器效率的主要因素是磁滞损耗和涡流损耗，环形变压器的漏磁和励磁电流比柱状变压器小得多。在兼顾速度和损耗的因数下，功率切换开关选用由双向可控硅构成的固态开关，相比之下机械式的切换开关，由于长时间的频繁切换，触点易炭化，接触电阻变大，导通损耗也将增大。

采取上述技术措施后，斩波器的效率得到很大提高，配合高效的变压器，系统的整体效率达到了国家节能器的标准。

4 旁路切换模式和过流保护的设计

4.1 旁路切换模式的设计的必要性

随着国家节能减排政策的贯彻和实施，大量的电子镇流器类型的负载接入低压配电网，有些负载还加入了功率因数矫正的电路，有些在整流之后用并联电网的方式进行滤波，还有些负载在启动时呈现负阻性。另外传统的照明负载还未完全退出配电网，这使得整个照明系统的整体的特性各种各样，但这些负载的共同特点是上电的瞬间对输入端的电流冲击很大，可达其额定值的几倍甚至十几倍，容易使交流斩波器因过流而损坏。对于用户而言，大多数照明负载的接入或退出都是随机的，冲击电流也随时存在。当负载回路可能发生局部短路情况，冲击电流将会更大，交流斩波器需要立即退出运行，但又不能终止节能器下游负载的运行，因此需要进行旁路切换的设计，来保证照明节电装置的稳定工作。

4.2 过流保护的设计

为了保护交流斩波器，设计了快速的过流检测电路产生过流封锁信号，当发生负载电流产生冲击时，高速电流检测单元在负载电流上升到功率开关器件的最大承受电流之前发出封锁信号，封锁交流斩波器的斩波开关P1、P2，同时打开续流开关P3、P4和双向固态开关S1，使交流斩波器快速退出运行状态。电感上的电流通过P3、P4和S1形成通路，避免了在斩波管P1、P2产生出高压。晶闸管固态开关的过电流能力较高，它能在几个周波内抵抗10倍额定电流的冲击而不至于被损坏。相应的脉冲分配电路如图4所示。此时交流斩波器被封锁了，并联变压器的副边处于开路状态，负载电S1流动，整个系统工作在旁路模式。冲击电流过去后，先将S1关断，交流斩波器返回到斩波状态，继续对输出电压进行调节。系统做这样的处理后，可以适合于各种冲击性负载，它们的开和关不受限制。当系统发生故障后，节电控制装置能够通过旁路模式而不用中断负载的电源。同样当交流斩波器出现故障时，系统也切换到串联变压器旁路方式。

图4 过电流保护PWM脉冲分配逻辑

有了这样的快速保护逻辑保护电路后，无论是非阻性负载合闸冲击还是其它非线性负载冲击，都可以及时地断开交流斩波器，一旦保护自动解除后，交流斩波器再投入运行。除此之外，本节电装置还可以直接应用于其它对照明类负载要求严格的场合，应用范围很广。

5 实验结果

实验系统额定输出功率:60kVA，额定输出电压三相380V，串联变压器为三相独立的环形变压器，变比为220/110，三相双向交流斩波器每相由四只型号为KT75T60的 IGBT构成。表1为系统效率的检测计算值，测试计算方法为分别测取输出的有功功率和输入的有功功率之比。如表1所示。

表1 为改进前后输出效率的比较

照明节电装置工作在额定功率的附近，效率较高，改进之后的效率明显高于之前的效率，且达到国家标准规定的节能标准。图5为突然接入40KVA负载时的输出电流和电压的波形图。从图中可以看出，装置的瞬态响应特性良好，输出的电压维持在恒定值。

图6为负载冲击电流到来时从斩波调整模式切换到旁路模式系统的输出电压和输出电流波形，从图中可以看出，当有负载冲击电流的时候，输出电压没有间断。

图5 输出负载阶跃

图6 输出负载阶跃

6 结论

柔性照明控制装置所采取串联调整的方式对输出电压进行调节，结构简单。在分析影响装置效率的因数之后，对交流斩波器的调制策略和使用多管并联的技术降低开关损耗，另外对串联的变压器的磁路设计优化，使整个系统的效率得以提升，符合国家的节能标准。另外，利用旁路设计和过流保护明显避免了大电流对交流斩波器的冲击，并且使得装置适用于各种负载，运行时稳定可靠。

［1］王春杰.基于交流斩波的新型照明节电器研究.低压电器，2009年24期:57～60.

［2］B.-H.kwon，B.-D Min，J.-H，Kim.Novel topologies of AC choppers.IEE Proc.-Electr.Power App.l，Vol.143，No.4，pp.323～330，July 1996.

［3］H.J Ryoo，J.S Kim，G.H Rim，D.S Kim.Series compensated step-down AC voltage regulator using AC chopper with transformer［C］.Proceedings of the Sixth InternationalConference on ElectricalMachines and Systems，2003:427～430.