一種高效的柔性智能照明節電控制裝置

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(kāi)通；反之，在輸入工頻電壓的負半周，對VT2，VT4進(jìn)行PWM控制，而VT1，VT3全開(kāi)通。該方式下，總的開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數減少了一半，因此開(kāi)關(guān)損耗也降低了一半。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，交流斬波器包括3種工作模式：有源模式、死區模式和續流模式。這3種模式下雙向電流通路總是存在，不會(huì )產(chǎn)生di／dt過(guò)電壓，因此無(wú)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(kāi)關(guān)器件多管并聯(lián)
開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)損耗直接取決于其飽和壓降及傳導電流。當負載電流較大時(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(kāi)關(guān)，并采用兩管或多管并聯(lián)來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗。
(3)采用非晶態(tài)磁芯濾波電感，倒相換接開(kāi)關(guān)采用機電開(kāi)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(kāi)關(guān)采用快速的半導體開(kāi)關(guān)為宜，但其通態(tài)壓降也會(huì )引起功率損耗，機械開(kāi)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(méi)有損耗，因此用作倒相開(kāi)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，系統的整體效率達到了國家節能器的標準。

4 負載適應性和系統可靠性
實(shí)際的照明系統負載種類(lèi)繁多，有些是純阻性的，但有些負載加裝了功率因數補償電容，有些是輸入級為整流器的電子鎮流器燈具負載。這些負載的共同特點(diǎn)是上電電流沖擊很大，因為整流器后接有并聯(lián)補償電容和濾波電容，這樣的一種開(kāi)關(guān)沖擊電流可達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(guò)流而損壞，而且大多數照明負載的開(kāi)關(guān)是隨機的，即沖擊電流時(shí)時(shí)存在。此外，負載回路可能發(fā)生局部短路情況，因此要對交流斬波器實(shí)施保護，但又不能終止節能器下游負載的運行。
在串聯(lián)調整式系統主電路結構中，主功率通道上只有串聯(lián)變壓器的次級繞組，具有很強的抗沖擊能力，若在節電裝置運行過(guò)程中遇到上述電流沖擊性負載的接入，系統瞬間封鎖保護交流斬波器，但主功率通道仍繼續向負載供電。在這種情況下，變壓器相當于一個(gè)電流互感器，負載沖擊電流反射到串聯(lián)變壓器的初級繞組上。為保護交流斬波器，設計了快速的過(guò)流檢測電路產(chǎn)生過(guò)流封鎖信號，當負載電流產(chǎn)生沖擊時(shí)，高速電流檢測單元在負載電流上升到功率開(kāi)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(kāi)VT3，VT4和VT5，以避免串聯(lián)變壓器的初級繞組開(kāi)路。負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(guò)，從而保護了續流開(kāi)關(guān)。因此避免了電流變壓器開(kāi)路繞組上的高電感電壓。晶閘管固態(tài)開(kāi)關(guān)的過(guò)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(kāi)關(guān)將變壓器的初級短路，負載電流仍然通過(guò)次級繞組連續流動(dòng)，這種工作模式稱(chēng)為初級短路的旁路模式。沖擊電流過(guò)去后，再向VT5發(fā)出關(guān)斷信號，VT5關(guān)斷后，交流斬波器返回斬波狀態(tài)，繼續對輸出電壓進(jìn)行調節。系統做這樣的處理后，可以適合于各種沖擊性負載，其開(kāi)和關(guān)不受限制。當系統發(fā)生故障后，節電控制裝置能夠通過(guò)初級短路的旁路模式而不用中斷負載的電源。同樣當交流斬波器出現故障時(shí)，系統也切換到串聯(lián)變壓器初級短路的旁路方式。
系統進(jìn)行上述處理后，無(wú)論是容性負載合閘沖擊還是非線(xiàn)性負載沖擊，均可保證交流斬波器的安全，一旦沖擊過(guò)后，交流斬波器再投入運行。不難想象，該節電裝置還可直接應用于其他負載場(chǎng)合，應用范圍很廣。

5 實(shí)驗結果
為驗證所提措施的有效性，制作實(shí)驗樣機，參數為：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(kāi)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(kāi)關(guān)為KS100A1200V，倒相換接開(kāi)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效率；圖3b為負載沖擊電流到來(lái)時(shí)從斬波調整模式切換到旁路模式系統的輸出電壓、電流波形?？梢?jiàn)，當存在負載沖擊電流時(shí)，輸出電壓無(wú)間斷。

6 結論
所采取的技術(shù)措施有效地提高了串聯(lián)補償式節能控制器的運行效率，并使裝置適用于各種負載，系統的運行可靠性得到提高，相應技術(shù)可推廣到其他應用領(lǐng)域。