隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展,新興的大型商業(yè)建筑和公共建筑如雨后春筍大量涌現(xiàn).這些建筑中需用大量高效、節(jié)能、安全、舒適、美觀的照明燈具,特別是各種熒光燈具.熒光燈具的鎮(zhèn)流器及燈管選型,是照明設(shè)計中需要重點考慮的問題,因為它直接關(guān)系到功率因數(shù)及綠色照明工程指標(biāo)是否能夠滿足要求.

市場上可供選擇的鎮(zhèn)流器有電感鎮(zhèn)流器和電子鎮(zhèn)流器,目前一部分國產(chǎn)電子鎮(zhèn)流器質(zhì)量不夠穩(wěn)定,且劣質(zhì)產(chǎn)品占一定的比例,而進口電子鎮(zhèn)流器價格又偏高,因而影響到了用戶對電子鎮(zhèn)流器的消費熱情.盡管傳統(tǒng)型電感鎮(zhèn)流器存在著熱損耗大、cosΦ值低等主要缺點,但由于它同時具有壽命長、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點,所以目前仍是很多數(shù)用戶的首選.

如果已確定選用傳統(tǒng)型電感鎮(zhèn)流器,那么就應(yīng)首先考慮cosΦ值與單只熒光燈管功率之間的關(guān)系.一般來說,燈管功率越大則其有效長度也越大,燈管壓降的數(shù)值也越大,其功率因數(shù)也越高(cosΦ≈燈管壓降/電源電壓),而燈管工作電流并沒有明顯增加.所以在條件允許的情況下,盡可能選擇功率大的熒光燈管,以便得到相對高些的cosΦ值.

本文作者近來在某大型商場照明系統(tǒng)試運行中,遇到照明線路短時間內(nèi)過載跳閘、總導(dǎo)線過熱等問題.在該商場照明設(shè)計中,開關(guān)容量與導(dǎo)線截面均按cosΦ≥0．5的保守系數(shù)選取.這一過載情況的出現(xiàn),是因為建設(shè)單位追求經(jīng)濟、美觀、安裝方便,在照明系統(tǒng)中大量采用傳統(tǒng)型電感鎮(zhèn)流器和18W熒光燈管的組合燈具,其cosΦ值遠<0．5.每臺燈具組合形式及測試參數(shù)如圖1所示.

由圖1(a)可知,這種組合后的燈具功率因數(shù)很低,只有0．282.為提高燈具功率因數(shù)cosΦ,在每臺燈具入口處并聯(lián)補償電容C,如圖1(a)中虛線所示.其向量圖及參數(shù)如圖2所示.

此時燈具電流等于電容電流與補償前燈具電流向量和.其中考慮到補償前后有功功率不變,即IO與IZ實部應(yīng)相等.
因為■■=ωCUAC×10■,根據(jù)圖2得補償電容C的表達式:
C=■■×10■/ωUAC=■μf
其中:Φ——補償前功率因數(shù)角;
Φ0——設(shè)計參數(shù);
ω——2πf.

由于熒光燈管工作電流IZ,工作電壓UR在產(chǎn)品樣本中已經(jīng)給出,而Φ0是設(shè)計參數(shù),cosΦ≈UR/UAC.所以補償電容C值可直接由表達式算出.(燈管工作電流,也可近似表達為IZ≈燈管功率/燈管電壓).

功率因數(shù)過低的負(fù)載,會導(dǎo)致電力設(shè)備容量的浪費、線損增加.按綠色照明工程標(biāo)準(zhǔn),照明燈具功率因數(shù)應(yīng)≥0．9.就上例而言,要達到cosΦ0≈0．9的設(shè)計要求,Φ0＝cos-10.9=25.84°,則需加補償電容.用Φ0＝25．84°代入電容C表達式(其他數(shù)值不變),可得補償電容C＝12μf.

對于40W熒光燈管,其工作電壓為UR≈110V,cosΦ≈110V/220V＝0．5(Φ≈60°),工作電流IZ≈40W/110V＝0．37A.若要求補償至cosΦ0≈0．9(Φ0＝25．84°).將有關(guān)參數(shù)代入電容C表達式,可得補償電容為4μf.按照圖一形式由三只40W燈管組成的燈具,則附加補償電容亦為C＝12μf.

經(jīng)電容補償后效果很好,電源電流大幅度下降.滿足了cosΦ0≈0．9的要求.

傳統(tǒng)型電感鎮(zhèn)流器不僅熱損耗大,還消耗大量的有色金屬材料,為了提高cosΦ值,需配置補償電容,不僅增加了投資,而且還增加了鎮(zhèn)流器的體積和重量.還應(yīng)指出的是,電感鎮(zhèn)流器與熒光燈管組成的燈具,其電流波形還存在較嚴(yán)重的畸變,波形如圖3所示.因此在實際應(yīng)用中波形的畸變給中性線帶來很大的諧波電流,尤其在大型商場集中供電的情況下,甚至危及到供電系統(tǒng)的安全運行.從發(fā)展的觀點看,電子鎮(zhèn)流器體積小、重量輕、熱損耗小、cosΦ值高,有著廣泛的應(yīng)用前景.

電子鎮(zhèn)流器有三種基本類型:簡單型電子鎮(zhèn)流器、具有“無源功率因數(shù)校正電路”的電子鎮(zhèn)流器、具有“有源功率因數(shù)校正電路”的電子鎮(zhèn)流器.簡單型電子鎮(zhèn)流器工作時,電源電流半周期內(nèi)導(dǎo)通角小,且電流峰值大.其功率因數(shù)為0．5~0．6,電流諧波含量為117．5%(設(shè)基波為100%).如果集中使用,過高的諧波會導(dǎo)致中性線過電流而引起接觸不良甚至斷路,導(dǎo)致中性點電位漂移.因此存在家用電器和電子鎮(zhèn)流器因過電壓而大面積損壞的危險.具有“無源功率因數(shù)校正電路”的電子鎮(zhèn)流器工作時,電源電流半周期內(nèi)導(dǎo)通角≥120°,其功率因數(shù)≥0．9,電流諧波總含量≤28%.而具有“有源功率因數(shù)校正電路”的電子鎮(zhèn)流器工作時,電源電流為與交流電源電壓同步的正弦波,電流總諧波含量≤10%,功率因數(shù)≥0．99.當(dāng)電源電壓在大范圍內(nèi)(如100~270V)變化時,該型電子鎮(zhèn)流器能保證熒光燈管工作狀態(tài)不變;同時,該型電子鎮(zhèn)流器因其內(nèi)部整流電壓穩(wěn)定且波紋很小,非常有利于熒光燈管使用壽命的延長.可見該型電子整流器基本上滿足了綠色照明工程指標(biāo)的要求.只要在設(shè)計和生產(chǎn)過程中,精選電子元器件,加強該型電子鎮(zhèn)流器電路的保護環(huán)節(jié),可保證鎮(zhèn)流器的使用壽命;加強高頻抑制環(huán)節(jié),可進一步滿足綠色照明工程指標(biāo)要求.

目前,由于國內(nèi)電子鎮(zhèn)流器市場上,以簡單型電子鎮(zhèn)流器為主流產(chǎn)品,因此對電子鎮(zhèn)流器的形象有著一定的不利影響.

為便于對電子鎮(zhèn)流器的討論,將電子鎮(zhèn)流器的結(jié)構(gòu)以及不同類型電子鎮(zhèn)流器的電流、電壓波形作如下簡要描述.

電子鎮(zhèn)流器由圖4所示的三部分組成:①AC—DC變換器(將交流電壓UAC變換成直流電壓UDC);②高頻逆變器(將直流電壓UDC逆變成30~50kHZ的高頻電壓Uf);③再將Uf通過附加電路輸出給熒光燈管.其中LH為帶磁芯的高頻電感線圈,CH為啟動電容.當(dāng)通電時,LH與CH產(chǎn)生串聯(lián)諧振,CH上高壓將熒光燈管點燃之后,LH起限流作用.

由于圖四中環(huán)節(jié)①AC—DC變換器原理不同,就形成了上述三種不同類型的電子鎮(zhèn)流器.

為了說明方便,圖四中環(huán)節(jié)②、③在以下電路中簡稱為“負(fù)荷”.

1、簡單型電子鎮(zhèn)流器

簡單型電子鎮(zhèn)流器AC—DC變換電路及其電流、電壓波形如圖5(a)、(b)所示.由圖5可見,只有當(dāng)交流電源電壓UAC的瞬時值超過濾波電容C0上全波整流電壓UDC時,才會出現(xiàn)電源電流IAC,其波形如(b)所示.IAC的特點是,尖峰值高、導(dǎo)通角小.

2 具有“無源功率因數(shù)校正電路”的電子鎮(zhèn)流器

該類型的電子鎮(zhèn)流器AC—DC變換器電路及其電流、電壓波形如圖6(a)、(b)所示.由(a)可知當(dāng)交流電源電壓UAC達到峰值Um時,電容C1、C2上充電電壓UDC達到交流電源電壓UAC峰值Um,即(b)中B點.C1、C2上電壓分別為1/2Um(C1＝C2).當(dāng)UAC從峰值下降時,由于二極管D1的反向偏置,C1、C2不能放電,交流電源電壓UAC繼續(xù)向負(fù)荷提供電流.直到UAC下降到1/2Um時,即(b)中C點交流電源電流IAC才停止,此時C1、C2才開始各自通過二極管D2、D3向負(fù)荷提供電流.直到下半個周期再當(dāng)|UAC|>C1、C2上殘存電壓時,即(b)中的A點,UAC又開始向C1、C2充電并向負(fù)荷提供電流.以后又重復(fù)上述過程.由(b)可見交流電源UAC在半周期內(nèi)向整流電路提供電流的角度(在半周期內(nèi)從A點到C點)≥120°,因此改善了交流電流IAC的波形,如(b)中所示.同時從(b)中可以看出,該類型的電子鎮(zhèn)流器直流電壓UDC的紋波比簡單型電子鎮(zhèn)流器UDC大,且其UDC的平均值較簡單型電子鎮(zhèn)流器UDC小.

3、具有“有源功率因數(shù)校正電路”的電子鎮(zhèn)流器

該電子鎮(zhèn)流器AC—DC變換電路及電流、電壓波形如圖7(a)、(b)所示.
該電子鎮(zhèn)流器AC—DC變換電路的特點是,整流橋輸出端沒有大容量濾波電容,只有0．1~0．4μf左右高頻濾波電容Cf,因此,Cf上電壓為交流電源電壓UAC的全波整流波形.

圖7(a)中LU為升壓電感,T0為晶體管開關(guān).正常工作時,功率因數(shù)校正器“芯片”輸出脈沖序列VG驅(qū)動T0,在LU中形成序列三角波電流IL,如(b)中所示.VG的正脈沖使每個三角波的上升邊電流經(jīng)導(dǎo)通的T0向LU貯存磁能;當(dāng)T0關(guān)斷時,LU中磁能以電流形式經(jīng)二極管D1向電容C0充電,并形成三角波IL的下降邊.電容C0上充電電壓UDC即為AC—DC變換電路的輸出直流電壓.由該電壓向負(fù)荷供電.

作用在功率因數(shù)校正器“芯片”上的信號有四個,如(a)中所示:(1)IL三角波下降邊至零時的零電流檢測信號UL;(2)IL三角波上升邊電流峰值檢測信號VI(R3號上電壓);(3)UAC全波整流波形信號V1(R2號上電壓);(4)直流電壓UDC的反饋信號V2(R5號上電壓).另外,還有“芯片”輸出控制信號VG脈沖序列.在鎮(zhèn)流器工作過程中,UDC的反饋信號V2與“芯片”內(nèi)部參考電壓VREF產(chǎn)生差值信號,該差值信號與UAC的全波整流波形信號V1相乘,得到波形與V1相似的且與UAC同步的信號V3[波形見圖(b)].V3的幅值受V2控制:當(dāng)輸出直流電壓UDC增大時,使V3幅值減小;當(dāng)UDC減小時,使V3幅值增大.信號V3在“芯片”內(nèi)部用作升壓電感LU中序列三角波電流IL的“峰值包絡(luò)線”給定信號,即“峰值包絡(luò)線”的波形與幅值給定[如圖(b)所示].

當(dāng)UL每次等于或接近零時,“芯片”便開始輸出正脈沖VG的上升沿及其高電平,使T0導(dǎo)通,產(chǎn)生序列三角波電流IL的上升邊;每當(dāng)VI達到V3瞬時值時,“芯片”將VG翻轉(zhuǎn)為低電平,使T0關(guān)斷,產(chǎn)生序列三角波電流IL的下降邊.如(b)所示.可見,V3起到了IL的“峰值包絡(luò)線”給定信號作用.

實際運行中IL序列三角波的頻率很高,且電流連續(xù),三角波的周期為幾微秒到十幾微秒.整流橋輸出電流IR的波形如(b)所示,為IL“峰值包絡(luò)線”的平均值.所以IR整流前的交流電源電流IAC為正弦波且與交流電源電壓UAC同相位,其功率因數(shù)可超過0．99.該電子鎮(zhèn)流器輸出電壓UDC高于UAC的峰值,因此LU稱為升壓電感.UDC的設(shè)計參數(shù)一般為400V,當(dāng)UAC或負(fù)荷發(fā)生變化時,由于V2的反饋作用,能保證UDC為恒定值.允許UAC在100~270V范圍變化.

具有有源功率因數(shù)校正電路的電子鎮(zhèn)流器的校正電路有幾種基本類型,圖7所示“升壓型”為其中一種,多為300W以下電子鎮(zhèn)流器所采用.

具有“有源功率因數(shù)校正電路”的電子鎮(zhèn)流器,其各項性能指標(biāo)基本滿足綠色照明工程指標(biāo)要求.通過加強過流、過壓保護環(huán)節(jié),鎮(zhèn)流器的壽命會得到保證;加強高頻抑制環(huán)節(jié),減小高頻對電源的污染,可進一步滿足綠色照明要求.還由于電子鎮(zhèn)流器體積小、重量輕、熱損耗小,以及一個AC—DC變換電路可帶動多個高頻逆變器,使多只熒光燈管同時或分別投入工作,可降低鎮(zhèn)流器的成本并進一步減小體積和重量.因此,電子鎮(zhèn)流器有著廣泛的應(yīng)用前景.