一種高效的柔性智能照明節電控制裝置

摘要：提出一種以串聯(lián)調整式PWM交流斬波器構成的照明節電控制裝置，用于集中控制一組照明燈具以達到節電的目的。為提高該節電裝置的效率，進(jìn)一步采用了非互補PWM交流斬波器控制法和器件并聯(lián)技術(shù)。此外，為使該節電裝置能適應各種照明負載，系統采用變壓器初級短路的旁路抗沖擊技術(shù)。實(shí)驗結果證明，所開(kāi)發(fā)的智能節電裝置效率和可靠性非常高，適合于多種不同類(lèi)型的負載。
關(guān)鍵詞：斬波器；串聯(lián)補償；器件并聯(lián)

1 引言
傳統的照明裝置如路燈照明系統是一種剛性照明系統，作為負載的燈具被動(dòng)地從市網(wǎng)吸收電能。隨著(zhù)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)和日常生活規律對照度的實(shí)際需要來(lái)靈活、主動(dòng)地控制燈具照度，將會(huì )節省很大一部分電能，這樣的照明系統稱(chēng)為柔性照明控制系統。該裝置應滿(mǎn)足以下要求：①作為節電控制裝置，自身效率必須很高；②必須能適合于不同類(lèi)型的燈具負載；③具有較高的運行穩定性和可靠性；④裝置的成本低、重量輕和體積小。
對大宗照明負載而言，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。由雙向晶閘管構成的相控斬波電路具有控制簡(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。但抗負載沖擊能力有限，效率達不到上述要求。串聯(lián)補償式PWM交流調節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)補償和Buck型交流斬波器構成的節電控制裝置。

2 節電控制裝置主電路及其工作原理
圖1為照明節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)補償變壓器構成。VT1，VT2和VD1，VD2構成雙向斬波開(kāi)關(guān)，VT3，VT4和VD3，VD4構成雙向續流開(kāi)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)補償變壓器，S1為斬波輸出的倒相開(kāi)關(guān)，VT5為雙向晶閘管固態(tài)開(kāi)關(guān)。
當PWM脈沖為高電平時(shí)，雙向斬波開(kāi)關(guān)工作，斬波輸出電壓為交流輸入電壓；當PWM脈沖為低電平時(shí)，雙向續流開(kāi)關(guān)工作，斬波輸出電壓為零。設輸入交流電壓為：

式(4)說(shuō)明，控制d可對uo進(jìn)行調節，而采用倒相換接開(kāi)關(guān)后，經(jīng)調節的uo可高于或低于ui。當期望的uo高于ui時(shí)，倒相換接開(kāi)關(guān)為S1-1，公式取“+”號；反之，當期望的uo低于ui時(shí)，倒相換接開(kāi)關(guān)為S1-2，公式取“-”號。

3 系統運行效率的分析及提高措施
眾所周知，串聯(lián)調整式結構具有較高的系統運行效率，因為串聯(lián)變壓器和功率變換器僅傳輸較小的系統功率補償量。忽略其他損耗，系統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為電壓補償范圍；ηc，ηt分別為斬波器和串聯(lián)變壓器的效率。
假設r=0．3，ηc=ηt=95％，根據式(5)計算的η高達97．2％，但仍低于節能器的國家標準，而且若不采取一些特殊的措施，ηc很難達到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)的節電控制裝置的效率。