引　言

　　隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展,，能源問題日益成為所有國(guó)家面臨的重大問題，尋找“干凈”的新型能源和節(jié)能降耗將成為人類社會(huì)發(fā)展的永恒主題,。城市照明用電是電能的消耗大戶,，所以研究城市照明節(jié)電技術(shù)具有重大的意義。

　　在照明用電供電系統(tǒng)中,，特別是路燈供電線路中,，為了避免送電過程中的線路損耗及用電高峰造成的末端電壓過低，導(dǎo)致路燈點(diǎn)不亮的情況出現(xiàn),，往往都是因?yàn)橐暂^高的電壓傳輸,，超出了用電設(shè)備的額定電壓。而且由于照明用電時(shí)間多在夜間電網(wǎng)波谷段,，所以供電電壓往往偏高,，而此時(shí)道路上的交通流量很少，必然導(dǎo)致路燈的光通量增大,，使路面照度升高,。這不僅浪費(fèi)電能，而且嚴(yán)重影響照明燈具的使用壽命,。因此,，照明節(jié)電設(shè)備的工作原理主要是穩(wěn)定或適當(dāng)降低供電電壓。以最常用的250W高壓鈉燈為例,，有資料表明200 V是半夜燈的最佳供電電壓,，此時(shí)電流比額定降低6. 3%，節(jié)電率為16. 1%,，同時(shí)可以延長(zhǎng)1倍的燈具使用壽命,，降低維護(hù)成本。

　　綜合來看,，目前有兩類技術(shù)手段：一類是以交流變壓器為核心的調(diào)壓,、降壓手段，包括多抽頭,、自耦等,，但是存在體積大、笨重,、調(diào)節(jié)精度低或有級(jí)調(diào)節(jié),、可靠性差等缺點(diǎn);另一類以電力電子技術(shù)為核心的靜止調(diào)壓器,，其中利用晶閘管相控調(diào)壓的調(diào)壓器曾廣泛使用，但是因采用相控方式存在功率因數(shù)低,、諧波大,、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、濾波器體積大等缺點(diǎn),。

　　隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展,，交流斬波技術(shù)（也叫矩陣變換器［3］）作為交流調(diào)壓手段已日臻成熟，可廣泛應(yīng)用于照明,、電機(jī)拖動(dòng),、工業(yè)加熱等領(lǐng)域。該技術(shù)具有僅取決于負(fù)載的功率因數(shù),、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快,、線性調(diào)壓范圍寬以及輸入、輸出易于濾波等優(yōu)點(diǎn),。

　　本文通過對(duì)交流斬波技術(shù)的分析,，設(shè)計(jì)了一種體積小、使用簡(jiǎn)便,、高效的單相交流斬波照明節(jié)電器,，并通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。

　　1　交流斬波技術(shù)原理

　　圖1為單相交流斬波主電路原理示意圖,。

　　圖1　單相交流斬波主電路原理圖

　　在理想斬波方式下,，斬波開關(guān)S1、S2和續(xù)流開關(guān)S3,、S4交替工作,，每個(gè)開關(guān)周期分為斬波導(dǎo)通和續(xù)流導(dǎo)通階段。輸出電壓為

　　式中　ui———輸入電源電壓

　　ui=Umsinωt

　　式中　Um———輸入電壓峰值

　　ω———輸入電壓角頻率

　　對(duì)uo作傅立葉分析得

　　式中　ωc———斬波頻率D———占空比

　　從式（3）可以看出,，改變占空比D,，可以改變基波幅值，且呈線性關(guān)系,。同時(shí)輸出電壓uo除基波外只含有斬波器開關(guān)頻率的高次諧波,，容易濾除。當(dāng)開關(guān)頻率足夠高時(shí),，只要引入較小尺寸的輸入,、輸出濾波器，即可將輸入電流,、輸出電壓中的諧波完全濾除,，同時(shí)不改變系統(tǒng)的功率因數(shù)。

　　因此,，采用交流斬波技術(shù)的照明節(jié)電器可以減小裝置體積,，提高功率因數(shù),。

　　引　言

　　隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，能源問題日益成為所有國(guó)家面臨的重大問題,，尋找“干凈”的新型能源和節(jié)能降耗將成為人類社會(huì)發(fā)展的永恒主題,。城市照明用電是電能的消耗大戶，所以研究城市照明節(jié)電技術(shù)具有重大的意義,。

　　在照明用電供電系統(tǒng)中，特別是路燈供電線路中,，為了避免送電過程中的線路損耗及用電高峰造成的末端電壓過低,，導(dǎo)致路燈點(diǎn)不亮的情況出現(xiàn)，往往都是因?yàn)橐暂^高的電壓傳輸,，超出了用電設(shè)備的額定電壓,。而且由于照明用電時(shí)間多在夜間電網(wǎng)波谷段，所以供電電壓往往偏高,，而此時(shí)道路上的交通流量很少,，必然導(dǎo)致路燈的光通量增大，使路面照度升高,。這不僅浪費(fèi)電能,，而且嚴(yán)重影響照明燈具的使用壽命。因此,，照明節(jié)電設(shè)備的工作原理主要是穩(wěn)定或適當(dāng)降低供電電壓,。以最常用的250W高壓鈉燈為例，有資料表明200 V是半夜燈的最佳供電電壓,，此時(shí)電流比額定降低6. 3%,，節(jié)電率為16. 1%，同時(shí)可以延長(zhǎng)1倍的燈具使用壽命,，降低維護(hù)成本,。

　　綜合來看，目前有兩類技術(shù)手段：一類是以交流變壓器為核心的調(diào)壓,、降壓手段,，包括多抽頭、自耦等,，但是存在體積大,、笨重、調(diào)節(jié)精度低或有級(jí)調(diào)節(jié),、可靠性差等缺點(diǎn);另一類以電力電子技術(shù)為核心的靜止調(diào)壓器,，其中利用晶閘管相控調(diào)壓的調(diào)壓器曾廣泛使用，但是因采用相控方式存在功率因數(shù)低,、諧波大,、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢,、濾波器體積大等缺點(diǎn)。

　　隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展,，交流斬波技術(shù)（也叫矩陣變換器［3］）作為交流調(diào)壓手段已日臻成熟,，可廣泛應(yīng)用于照明、電機(jī)拖動(dòng),、工業(yè)加熱等領(lǐng)域,。該技術(shù)具有僅取決于負(fù)載的功率因數(shù)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快,、線性調(diào)壓范圍寬以及輸入,、輸出易于濾波等優(yōu)點(diǎn)。

　　本文通過對(duì)交流斬波技術(shù)的分析,，設(shè)計(jì)了一種體積小,、使用簡(jiǎn)便、高效的單相交流斬波照明節(jié)電器,，并通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性,。

　　1　交流斬波技術(shù)原理

　　圖1為單相交流斬波主電路原理示意圖。

　　圖1　單相交流斬波主電路原理圖

　　在理想斬波方式下,，斬波開關(guān)S1,、S2和續(xù)流開關(guān)S3、S4交替工作,，每個(gè)開關(guān)周期分為斬波導(dǎo)通和續(xù)流導(dǎo)通階段,。輸出電壓為

　　式中　ui———輸入電源電壓

　　ui=Umsinωt

　　式中　Um———輸入電壓峰值

　　ω———輸入電壓角頻率

　　對(duì)uo作傅立葉分析得

　　式中　ωc———斬波頻率D———占空比

　　從式（3）可以看出，改變占空比D,，可以改變基波幅值,，且呈線性關(guān)系。同時(shí)輸出電壓uo除基波外只含有斬波器開關(guān)頻率的高次諧波,，容易濾除,。當(dāng)開關(guān)頻率足夠高時(shí)，只要引入較小尺寸的輸入,、輸出濾波器,，即可將輸入電流、輸出電壓中的諧波完全濾除,，同時(shí)不改變系統(tǒng)的功率因數(shù),。

　　因此，采用交流斬波技術(shù)的照明節(jié)電器可以減小裝置體積,，提高功率因數(shù),。

　　2　交流斬波調(diào)壓控制技術(shù)

　　交流斬波調(diào)壓控制方式與開關(guān)器件的工作模式有關(guān)，一般分為互補(bǔ)控制和非互補(bǔ)控制兩種,。其中S1~S4為全控開關(guān),，一般用帶反并聯(lián)二極管的IGBT單元代替,， S1和S2起斬波作用， S3和S4起續(xù)流作用,。

　　2. 1　互補(bǔ)控制方式

　　互補(bǔ)控制方式是指在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi),，斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)必須有一個(gè)而且只能有一個(gè)導(dǎo)通，要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)嚴(yán)格準(zhǔn)確,。因?yàn)殡娏﹄娮悠骷_通和關(guān)斷都需要一定時(shí)間,，不加處理時(shí)會(huì)在過渡階段導(dǎo)致開關(guān)直通現(xiàn)象，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須在兩個(gè)控制信號(hào)之間加控制死區(qū),，即在過渡期間兩類開關(guān)同時(shí)關(guān)斷,。但是由于死區(qū)的存在，感性電路時(shí)容易造成大的瞬時(shí)電壓沖擊,，需要增加一定功率的緩沖電路。這不僅會(huì)使波形畸變,、效率降低,，而且緩沖電路的設(shè)計(jì)也是難點(diǎn)。

　　2. 2　非互補(bǔ)控制方式

　　非互補(bǔ)控制方式是指按不同規(guī)律分別控制斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)的工作狀態(tài),，避免出現(xiàn)互補(bǔ)控制中的直通導(dǎo)致的短路現(xiàn)象,，不需要或只需很小的緩沖電路即可。根據(jù)檢測(cè)負(fù)載電流與否,，又分為無電流檢測(cè)和有電流檢測(cè)兩類,。

　　無電流檢測(cè)非互補(bǔ)控制方式可以避免出現(xiàn)直通現(xiàn)象。但是,，當(dāng)輸入電壓和輸出電流不同相時(shí),，該控制方式存在失控現(xiàn)象，即輸出電壓不是斬波波形,。失控區(qū)的存在使輸出電壓包含較明顯的3次和5次等低次諧波,。而在有電流檢測(cè)的非互補(bǔ)控制方式的情況下，當(dāng)電壓和電流不同相時(shí),，續(xù)流開關(guān)也做斬波工作,，這樣雖然消除了失控現(xiàn)象，但控制較復(fù)雜,。

　　3　新型交流斬波照明節(jié)電器

　　本文設(shè)計(jì)了一種新型交流斬波照明節(jié)電器,，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2（a）所示，斬波開關(guān)只使用一個(gè)開關(guān)管跨接在橋式二極管整流兩端,。該交流斬波方案采用非互補(bǔ)的控制方式,，其控制波形圖如圖2（b）所示。其中ui表示輸入電壓,，io表示輸出電流,。S0和S1,、S2分別代表3個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該控制方式只有一個(gè)開關(guān)管工作于斬波狀態(tài),，成本降低,，開關(guān)損耗減小，同時(shí)控制簡(jiǎn)單,，易于實(shí)現(xiàn),，可靠性高。

　　圖2　三開關(guān)管交流斬波

　　可以根據(jù)輸入電壓和輸出電流的相位關(guān)系,，將一個(gè)工作周期分為4個(gè)區(qū)間,。各區(qū)間的開關(guān)管工作狀態(tài)如表1所示。

　　表1　開關(guān)管工作狀態(tài)

　　注： 1表示開關(guān)管導(dǎo)通,， 0表示關(guān)斷,，uG表示斬波工作狀態(tài)。

　　以上狀態(tài)也可用以下邏輯表達(dá)式表達(dá)：

　　3. 1　邏輯電路控制方式

　　按如圖3所示的邏輯電路來實(shí)現(xiàn),。

　　圖 3邏輯電路原理圖

　　開關(guān)信號(hào)S0,、S1和S2分別控制對(duì)應(yīng)的3個(gè)開關(guān)管;mod是工作模式開關(guān)，高電平時(shí)正常工作,，低電平時(shí)禁止工作;i和u為檢測(cè)電流和電壓相位,，用于邏輯判斷。

　　3. 2　仿真分析

　　根據(jù)上述控制原理,，用MATLAB中的Simu-link工具箱建立仿真模型,。電源電壓為交流圖3　邏輯電路原理圖220 V、50Hz,，負(fù)載L為0. 5 H,，R為200Ω，開關(guān)頻率為5 kHz,，占空比D為0. 6,，輸出電壓uo的波形以及不同占空比下的輸出電壓總諧波畸變率THDU分別如圖4和圖5所示。當(dāng)輸出側(cè)加濾波電感0. 83 mH,、濾波電容12μF時(shí),，不同占空比下的輸出電壓總諧波畸變率THDU如圖6所示。

　　圖4　純電阻負(fù)載輸出電壓uo波形圖（橫坐標(biāo)每小格代表50 Hz）

　　圖5　純電阻負(fù)載占空比D與THDU關(guān)系圖

　　圖6　帶輸出濾波器時(shí)占空比D與THDU關(guān)系圖

　　從圖4至圖6可以看出,，總諧波畸變率THDU與占空比有關(guān),。并且隨著占空比D的增大，諧波明顯減小,，加上輸出濾波后,，THDU更小。對(duì)于照明節(jié)電器而言，理想節(jié)電方式的工作電壓約為200 V,，以220 V供電電壓±20 %的波動(dòng)上限計(jì)算,，占空比D最低工作在0. 83。因此,，該控制方式實(shí)際運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的諧波影響較小,。

　　3. 3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

　　依據(jù)上述基本原理搭建的電路具體參數(shù)如下：電源電壓220 V、50 Hz,，隔離變壓器300 VA,，電阻性負(fù)載200Ω，串聯(lián)0. 5 H電感,，開關(guān)頻率5 kHz,。圖7為輸出電壓uo波形，圖8為占空比與輸出電壓總諧波畸變率THDU的關(guān)系,，圖9為加上輸出濾波電感0. 83 mH,、濾波電容12μF時(shí)，占空比與輸出電壓總諧波畸變率THDU的關(guān)系,。以上曲線表明,，隨著占空比D的增大，輸出電壓總諧波畸變率THDU逐漸減小,，與仿真結(jié)果一致。

　　圖7　純電阻負(fù)載輸出電壓uo波形（橫坐標(biāo)每小格為5 ms,，縱坐標(biāo)每小格為50 V）

　　圖8　電阻負(fù)載占空比D與THDU關(guān)系圖

　　圖9　帶輸出濾波器時(shí)占空比D與THDU關(guān)系圖

　　并且加上輸出濾波時(shí),，總諧波畸變率THDU更小，可以滿足實(shí)際需要,。

　　3. 4　照明節(jié)電器的特點(diǎn)

　　依據(jù)上述原理制成的照明節(jié)電器可以應(yīng)用于白熾燈,、熒光燈、氣體放電燈（包括高壓汞燈,、高壓鈉燈及金屬鹵化物等）等照明燈具上,，因此應(yīng)用十分廣泛，并且具有以下工作特點(diǎn)：

　?。?）安裝方便,，無需更改原有的照明配電線路。

　?。?）全固態(tài)器件,，無觸點(diǎn)、抽頭等,，免維護(hù),，同時(shí)省卻變壓器，因此體積小,，效率高,。

　?。?）以微處理器為控制核心，可以使節(jié)電器工作于預(yù)先設(shè)定好的節(jié)電運(yùn)行模式,，也可以與遠(yuǎn)程通信技術(shù)相結(jié)合,，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，使用簡(jiǎn)便,。

　?。?）保護(hù)電路可以實(shí)時(shí)監(jiān)控節(jié)電器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。若出現(xiàn)嚴(yán)重異?，F(xiàn)象,，可提供報(bào)警并將裝置旁路，不影響照明正常供電,，只是不提供節(jié)電運(yùn)行模式而已,。

　　（5）采用該工作原理也可做成三相電路,，用于大功率場(chǎng)合,，也可以使用補(bǔ)償式結(jié)構(gòu)提高裝置工作效率。

　　4　結(jié)　語

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于交流斬波技術(shù)的照明節(jié)電器,。該節(jié)電器采用三開關(guān)管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗小,、控制方便,、可靠性高。以該技術(shù)為核心的照明節(jié)電設(shè)備代表今后的發(fā)展方向,，在照明燈具的節(jié)電方面具有廣闊的應(yīng)用前景,。