MH灯的电气模型及其电子镇流器控制规律的研究

1、电子学报 ACTA ELECTRONICA SINICA1999年第27卷 第8期 Vo1.27 No.8 1999MH灯的电气模型及其电子镇流器控制规律的研究张卫平张英儒王世举吴兆麟【提要】本文对一种新型电光源MH灯的主要电特性进行了研究,提出了MH 灯的电气模型;提出了适合于MH灯的分段线性化起动控制规律和稳态恒功率控制规律.并用实验验证了文中结论的正确性.关键词:金属卤化物灯,镇流器,分段线性化,控制Study of the Model for MH Lamps and the ControllingApproaches for Its Electronic BallastsZhang

2、Weiping,Zhang Yingru,Wang Shiju(North China Univ.of Technology,Beijing 100041Wu Zhaolin(Zhejiang Univ.,Hangzhou 310027Abstract:The model for MH lamps and the controlling approaches for its electronic ballasts have been studied.The main contributions are as the following;(1 A piece wise-linear model

3、for MH lamps has been proposed;(2A new special controlling rule of the ballast to match the MH lamps properties has been given out.These theories and approaches have been proved by the results of the experiments given in this paper.Key words:Metal halide lamp,Ballast,Piece-wise-linear,Controll一、引言新型

4、电光源金属卤化物(MHmetal halide灯能产生连续的光谱、具有日光的色温及发光效率高等优点,在影视界和照明领域里得到了广泛的应用.由于MH灯是一种气体放电灯,因此需要镇流器来限制电流.近年来,MH灯用电子镇流器引起电力电子学界的关注,并取得了大量的成果.由于MH灯具有特殊的起动特性非线性时变电阻特性,使得MH灯用电子镇流器的控制规律成为一个难题.据已查到的资料报道,目前尚未对该问题进行深入的研究.为此,本文给出了MH灯的电气模型,并在此基础上提出了适用于该负载特性的分段线性化控制规律,很好的解决了这个问题.在稳态时,为了兼顾灯的寿命、色温以及其特性的分散性,提出了双重恒功率控制技术.文

5、中的实验结果表明:采用双重控制且控制策略为分段线性化自适应控制,可以使电子镇流器的输出特性和MH灯的特性良好的匹配,其误差不超过3%.二、MH灯的电特性1MH灯是一种气体放电灯,在起动时,需要在灯的两端施加一个高压,使其内的惰性气体放电.在冷态触发后,填充在灯内的水银、卤化物和稀有金属在13min内蒸发,这个过程称之为起动过程.在用电子镇流器供电时,MH灯的功率因数实测为0.96 1.00,因此近似认为其稳态特性可以用一个纯电阻模拟1.Osram公司生产的2500W MH灯的特性如图1所示. 图1MH灯的特性(2500W Osram三、MH灯的电气模型由图1可知,在起动过程中,MH灯的电压和电

6、流具有非线性时变特性.为了简化问题,分别用三条直线近似其电压和电流的变化规律.MH灯的电气模型如下: 第三段:t>t1,u0=U o,i o=I o,R=U o/I o(3其中,u o,U o,i o,I o分别表示灯的瞬态、稳态电压和电流.上面电气模型为研究MH灯用电子镇流器的控制规律提供了理论基础.四、分段线性化控制规律在研究MH灯用电子镇流器的控制规律时,可用图2所示的简化电路.平均状态方程2为: 图2电子镇流器等效电路式中,D是占空比,U i是直流输入电压,L是电感的电感量.式(4给出了MH灯的电特性必须满足的方程.由图1可知,i o,u o是t的非线性函数,所以这个式子说明,该

7、系统为一个非线性时变系统.假定电子镇流器的输出特性与MH 灯的特性完全匹配,则i o,u o的变化规律可由图1得到或由式(1(3近似表示,D为未知量.所谓控制规律是指占空比D随时间变化的规律.1.起动过程的控制规律把式(1和(2分别代入式(4,并经过数学处理可得到如下方程 其中,K11K23是由式(1、(2和(4取立求出的常数.上式为起动过程的控制规律.由于在上式中D与i o是线性关系,所以很容易用电路实现.2.稳态恒功率控制规律在稳态时,为了兼顾灯的寿命、色温以及其特性的分散性,其稳态控制规律应为带有电压和电流双重反馈的恒功率控制.稳态时MH灯的电特性用式(3表示,把式(3代入式(4,得D(

8、t=U o/U i=I o R/U i(6式中,R是MH灯稳态时的等效电阻.上式是MH灯稳态控制规律.五、实验结果实验结果如表1所示.实验结果表明:(1采用双环恒功率控制且控制策略为文中提出的分段线性化控制规律的电子镇流器,其输出特性兼顾了MH灯的起动要求和稳态要求;(2如果把表1的数据绘成图,与图1给出的MH灯的电压和电流特性曲线基本一致.其最大相对误差不超过2.3%.因此,电子镇流器的输出特性能够与MH灯的电特性相匹配.表1起动特性测量数据*t(s52535404550607590100120U o(V1922.826.632.950768090949595I o(A8.58.58.48.

9、38.16.96.76.196.196.196.18*实验中所使用电子电源为575W额定输出功率.输入电压为220V,50Hz,电子电源采用了文中给出的控制技术作者简介张卫平1957年出生,博士,北方工业大学副教授,跨世纪的学术带头人,著有现代电子电路原理与设计,发表论文36篇,主要从事微电子学和电力电子学的教学与研究.广电部八五攻关课题,北方工业大学科研基金资助课题.作者单位:张卫平张英儒王世举(北方工业大学,北京 100041吴兆麟(浙江大学,杭州 310027参考文献1OSRAM,Lighting Program Photo OPtic's,92/932蔡宣三,龚绍文编著.高频功

10、率电子学.北京:科学出版社,1993年第一版1998年2月收到,1998年7月修改定稿. MH灯的电气模型及其电子镇流器控制规律的研究作者:张卫平, 张英儒, 王世举, 吴兆麟, Zhang Weiping, Zhang Yingru, Wang Shiju, Wu Zhaolin作者单位:张卫平,张英儒,王世举,Zhang Weiping,Zhang Yingru,Wang Shiju(北方工业大学,北京,100041, 吴兆麟,Wu Zhaolin(浙江大学,杭州,310027刊名: 电子学报英文刊名:ACTA ELECTRONICA SINICA年,卷(期:1999,27(8被引用次数:

11、10次参考文献(2条1.OSRAM Lighting Program Photo OPtic's2.蔡宣三.龚绍文高频功率电子学 1993相似文献(10条1.期刊论文范红梅.陈一民.任榜法.胡逢康中功率钪钠型金属卤化物灯用镇流器的研究-照明工程学报2002,13(2本文介绍了在电源电压220V/50Hz下与中功率(175-250-400W钪钠型金属卤化物灯相匹配的新型镇流器系统-飞利浦BKN电感镇流器配SN90触发器系统.文章对该系统在启动时间、电性能及可靠性方面与传统的CWA镇流器系统进行了比较,分析了两种系统在快速启动及热启动后的光电特性.实验结果表明,BKN电感镇流器配SN90触

12、发器系统不仅得到与CWA系统相当的启动性能与工作性能,更好的低温点灯率,而且有着CWA系统无可比拟的优点,由此带来绿色照明的能源节约、原材料节约及灯具的一体化轻巧设计.2.会议论文刘惠芳金属卤化物灯及其配用镇流器的节能1997该文分析了金属卤化物灯配用自耦型镇流器(又称超前顶峰式镇流器后的等效电路,分析计算表明等效电路是属PLC串联(电压谐振电路,因此功率因数相当高,甚至可达到1或超前。从而与常规镇流器加触发器电路相比,干线的有功损耗可减低四分之一,并可减少干线的一次投资。文中还列出了灯工作时的实测参数,其结果与分析计算相一致。3.会议论文王月丽对于单端金属卤化物灯用LC顶峰超前式镇流器性能要

13、求中主要参数的测试方法2008金卤灯因其独特的优点,在目前乃至较远的将来,仍旧是推广高效节能绿色照明的主力产品.美标钪钠系列的(非脉动启动金卤灯,按设计要求应配备LC顶峰超前式镇流器.本文介绍了该种镇流器的特点、优点以及各项特性指标考核的目的,意义和检测方法。4.学位论文万文才金卤灯使用不同镇流器时的特性研究2005本文比较研究了直流电子镇流器、低频方波镇流器和电感镇流器燃点70W小功率金卤灯过程中对灯特性的影响,为镇流器和金卤灯的匹配提供依据。首先比较了三种镇流器的启动特性。比较金卤灯使用三种镇流器的击穿时间,分析镇流器的脉冲电压及脉冲宽度对击穿时间的影响。论文还对三种镇流器正常点灯过程中灯

14、光电特性进行了测量,比较了不同镇流器对金卤灯的管压、电流、功率、光谱、色度等参数的影响。重点研究了三种镇流方式下灯的发光效率,从光谱能量分布的角度分析发光效率不同的原因直流电子镇流器工作方式下在视见函数峰值附近的光谱能量分布百分比要高于其它两种镇流器,因此直流电子镇流器点灯时功率虽然相比其它两种镇流器要低,但光效却较高。最后比较了三种镇流器在点灯时的电极温度。用发射光谱法测量了金卤灯的电极温度,要点是测定金卤灯高温电极在三个不同波长处的辐射,运用普朗克公式计算得到电极温度。这种方法解决了因电弧辐射的干扰而造成的困难。另外分析比较了金卤灯在竖直燃点时,电泳、对流对电极温度的影响。通过三种镇流器点

15、灯过程中灯的特性综合比较,从保护电极、延长灯的寿命、以及节能角度,直流电子镇流器是三种镇流器中看来可能比较有利的,但还有待克服一些困难。电极温度测试的结果表明,需要设计出符合直流工作的金卤灯及电极也是非常重要的。5.会议论文叶汉民金属卤化物灯用镇流器的设计计算本文介绍一种印刷机用晒版光源的金卤灯镇流器的设计计算方法.该方法简单可靠,特别适用于维护,改制等方面.用此方法设计的镇流器体积小,用料少.6.期刊论文吴小康.陈基锋.吕征宇.WU Xiao-kang.CHEN Ji-feng.LU Zheng-yu大功率金属卤化物灯电子镇流器的设计-电力电子技术2009,43(8大功率金属卤化物(Meta

16、l Halide,简称MH灯的"声共振"和功率调节是电了镇流器设计中两个重要问题.选择了一种适用于大功率MH灯的三级电路拓扑,采用低频方波驱动,可有效避免"声共振",减小开关损耗,使系统获得较高的整机效率.构建了基于DSP的数控平台,有利于实现较复杂的控制.采用功率和电流双闭环控制系统,能有效调节灯的功率和电流.实验结果表明系统稳定性好,控制性能优越.7.期刊论文万文才.朱绍龙.Wan Wencai.Zhu Shaolong金属卤化物灯电极温度研究-照明工程学报2005,16(2本文介绍了一种测金属卤化物灯电极温度的方法,测定高温电极在三个不同波长处的辐

17、射强度来得到电极温度.这种方法解决了因电弧辐射的干扰而造成的困难.用这个方法测量并比较了金属卤化物灯在竖直燃点时,不同镇流器工作条件时的电极温度.8.学位论文孙哲锋HID灯用高频谐振变换系统稳定性的研究高频声共振的研究2008本文主要针对在高频下金属卤化物灯(MH声共振的起因、非稳态现象和模型进行研究,其中包括声共振现象、整流效应现象、中高频稳态模型和声共振模型。为了探讨声共振现象,本研究针对70WMH灯在开环的条件下使用高频方波电流驱动的方式,工作频率范围介于1kHz至30kHz,且频率和灯电流均可独立可调;并设计了一套电气参数测量装置,观测弧光状态和温度,并实时监测灯管电压和电流的变化。在

18、对高频模型和声共振模型进行探讨时,用到了经验类模型和曲线拟合类模型方法。此外,对非稳态现象的研究为抑制声共振和设计电子镇流器电路提供理论指导和参考。根据各项实验和讨论分析后,针对70WMH灯可以得出下面结论:(1声共振现象是由金属卤化物灯在高频下自身引起的,即可排除电子镇流器系统或谐振网络对其主要影响;(2高频方波驱动MH灯频率在10KHz下稳定,高于10KHz稳定区域减小,某些频段声共振现象明显,甚至出现闪烁、弧熄;(3高频方波的滞后时间只有保持在2.4微秒以下时,才有可能对声共振的发生起到抑制作用;(4在MH灯高频稳定工作的状态下,越接近灯的额定功率时,电弧的状态越稳定;另一方面,随着频率

19、增加,对MH灯调光的范围减小,而且调光可能会导致MH发生声共振严重甚至熄灭;(5初步建立了分段线性化的高频稳态模型,发现MH灯在中高频下是一个动态电阻,并通过了仿真验证。最后探讨了声共振模型,并利用此模型解释了声共振现象。该论文的研究工作受到了国家自然科学基金委员会资助,项目为:HID灯用高频谐振变换系统稳定性的研究,编号为:60672009。9.会议论文万文才.朱绍龙金属卤化物灯电极温度研究2006本文介绍了一种测金属卤化物灯电极温度的方法,测定高温电极在三个不同波长处的辐射强度来得到电极温度.这种方法解决了因电弧辐射的干扰而造成的困难.用这个方法测量并比较了金属卤化物灯在竖直燃点时,不同镇流器工作条件时的电极温度.10.会议论文闫晓光金属卤化物灯的高频工作及频率控制当金属卤化物灯(以下简称金卤灯在10100kHz的正弦波上工作时,所产生的音频共振会引起电弧的不稳定.这是因为能使灯稳定工作的频率范围很窄,而且还会受工作条件的影响而发生变化.因此,要想使灯在某一固定的高频上稳定工作是很困难的.本文介绍一种用于金卤灯的镇流器.当灯电压由于电弧不稳而大幅度波动时,转换器的工作频率就会在fmax和fmin之间来回移动,寻