高頻電力電子型智能照明節電器的研制

楊婕瀾

(重慶市巴南區路燈管理所，重慶 401320)

一、引言

能源問題是當前的重大問題，我國政府十分重視，早在2005年6月，溫總理主持召開國務院常務會議，研究建設節約型社會和發展循環經濟問題，進一步肯定了“開發與節約并重，把節約放在首位”的能源發展戰略。

電力能源是目前能源市場中最大最重要的能源形式，據統計目前我國能源利用率僅為30%左右，比發達國家低10個百分點，電力能源的利用率亟待提高。道路照明用電占總用電量很大份額，每年800億的政府機構電力能耗中，公共照明部分約占280多億，其中路燈照明約80億。目前國內城市道路照明的燈具約800萬套，高速公路、工礦企業、機場、碼頭等非市政照明燈具約100萬套，總數超過900多萬套，且每年以10%的速度遞增。因此，道路照明節能已刻不容緩。

本文將重點討論道路照明節能設備的研制情況，提出了一種新型的高頻電力電子型智能照明節電器設備(下稱節電器)的技術方案。它可克服目前各種道路照明節能設備所存在的各種問題，具有較好的性能價格比和穩定性可靠性。

二、智能照明節電器技術方案

(一)方案選擇

具有無級連續調壓穩壓控制功能的節電器產品已經成為智能照明節電器產品的技術發展方向，無級連續調壓穩壓的技術實現方式有兩個途徑:

(1)機械式:對自偶合變壓器，采用電動馬達驅動電刷方式，變動變壓器輸出抽頭位置進行連續調壓，只要通過單片機控制電動馬達的累計步進就可實現控制輸出調壓;

(2)電子式:采用電力電子器件(如IGBT)交流高頻斬波控制實現交流調壓，由于電力電子器件交流高頻斬控實現交流調壓時的器件斬波控制頻率約為20 kHz左右，而斬波所造成的諧波只與斬波頻率有關，因此可很方便地通過低通濾波器濾除諧波。

由于城市智能照明節電器的工作環境基本全在野外，不可避免地要受到灰塵等有害環境污染影響。對機械電刷調壓方式而言，灰塵的進入，必然要影響到電刷面的接觸電阻，造成接觸面的可靠性降低，因此機械電刷調壓方式在此環境下使用是不合適的。而純大功率電力電子器件交流斬控方式調壓設備也存在自身成本高、可靠性穩定性設計困難等不利因素，尤其是野外工作環境應用下，可靠性穩定性問題將更加嚴重。

鑒于此，本文提出了一種將常規補償變壓器式降壓技術與交流高頻電力電子斬控調壓穩壓技術相結合的技術方案，該方案既具有補償變壓器降壓設備簡單、成熟、穩定可靠的特點，也具有電力電子式無級連續調壓穩壓的優點。同時，由于采用了補償變壓器降壓技術，使得作為控制部分的電力電子設備的容量僅為節電器整體設備容量的20%左右，這樣，電力電子調壓控制模塊及節電器設備的整體可靠性穩定性設計也可達到較好的保障。

(二)節電器降壓穩壓原理

智能照明節電器(單相)基本組成框圖如圖1。

圖1 智能照明節電器(單相)組成框圖

智能照明節電器由以下幾大部分組成:(1)補償變壓器，(2)IGBT高頻斬波交流調壓模塊，(3)節電控制器(含輸入/輸出操作界面)，(4)其他輔助電路，(5)機柜等。

1．補償變壓器

補償變壓器裝置是在照明節電器主回路中串聯一套補償變壓器線圈，用它所產生的電勢來與輸入電源電壓迭加，從而改變輸出電壓值(見圖1)。由于補償變壓器不是直接用來供電，而僅是起補償作用(約是總電源電壓的20%)，因此變壓器的功率和體積也可縮小為20%，可節省大量的銅線、鐵芯等材料。

經過補償變壓器工作后，輸出電壓與輸入電壓關系為:

其中Ut是補償變壓器輸出電壓，它與補償變壓器輸入電壓關系為:

式(2)中，(N1/N2)為補償變壓器變比，在補償變壓器確定后是一固定常數。Uc為IGBT高頻斬波調壓控制輸出電壓，也即補償變壓器輸入電壓。由此可見，我們可以通過控制改變IGBT高頻斬波調壓控制輸出電壓的大小來調節改變輸出電壓的大小。由于Uc的變化范圍為(0，Ui)，因此輸出電壓的調節范圍為(Ui－(N1/N2)·Ui，Ui)。常規情況下，Ui=220 V，選擇(N1/N2)=1/5，那么，此時輸出電壓的調壓范圍為(176，220)。

2．IGBT高頻斬波交流調壓模塊

(1)高頻IGBT斬波技術說明

IGBT高頻斬波交流調壓控制模塊是照明節電器設備的關鍵部件，可實現連續調壓、穩壓功能，避免由于照明節電器節能轉換時電壓變化太快造成的老化燈熄滅而影響道路照明亮燈率問題。

交流PWM控制斬波技術是一種通過改變PWM脈沖寬度來控制IGBT高頻斬波器件交流斬波范圍而實現交流連續調壓的技術。近年來，由于IGBT高頻斬波器件自身性能有較大的改善，采用IGBT高頻斬波技術實現交流斬波調壓的技術和成品也越來越成熟。但在大功率應用場合，尤其是在野外特使應用場合，IGBT高頻斬波器件發熱問題和可靠性問題仍然沒有得到徹底的解決。

本照明節電器技術方案采用補償變壓器降壓技術與IGBT高頻斬波交流調壓技術相結合的方案，使得補償變壓器和IGBT高頻斬波交流調壓部分的功率僅為照明節電器額定功率的20%左右，這樣可大大降低了設備成本，提高了設備的可靠性和穩定性。

(2)高頻IGBT斬波控制原理

單相高頻IGBT PWM控制斬波原理電路如圖2所示。

圖2 智能照明節電器(單相)原理框圖

其工作原理如下:

①IGBT高頻交流斬控調壓部分電路采用經典的非互補式交流斬控調壓電路拓撲結構。

ton是PWM調制后脈沖寬度，T是工作周期，即輸出電壓可以通過控制脈沖寬度改變。

③斬波電路輸出電流不含低次諧波，只含和開關周期T有關的高次諧波(20 kHz高頻斬波信號)，因此可以很方便通過低通濾波器消除。

④PWM交流斬波控制信號由ARM主智能控制器發出，經CPLD時序分配后驅動放大加到相關的IGBT高頻斬波器件控制端，控制IGBT高頻斬波器件進行斬波工作，實現預定的降壓功能。

(3)節電控制器

節電控制器是照明節電器設備的核心部件，設計時將它作為一個整體，安裝在照明節電器機柜的前面上部。其組成如圖3所示。

圖3 節電控制器原理圖

節電控制器包括:32位ARM中央處理器，本地液晶顯示/鍵盤輸入模塊，電流/電壓信號輸入采樣處理，開關量輸入/輸出信號控制處理，IGBT高頻斬波斬波調壓控制，RS232/485通訊處理及各種智能保護處理等。節電控制器按表式一體化設計思路進行，嵌入式操作系統管理。完成節電控制管理、操作界面(LCD顯示鍵盤輸入)管理、電流電壓采樣、開關量I/O控制、IGBT高頻斬波斬波調壓控制管理等功能。

三、仿真及試驗結果分析

雖然高頻電力電子器件和技術目前已經相當成熟，但IGBT高頻斬控項目的研制工作對我們來說仍然是一項比較新的工作。在工作電路結構選擇上，我們力主選擇成熟的、經典的拓撲電路，確保電路結構上的成熟性和穩定性。因此，在高頻IGBT斬控調壓電路拓撲結構選擇上，我們就選擇了十分成熟的非互補式交流斬控調壓結構電路。

而在節電器的核心內容，即針對結合補償變壓器降壓控制和高頻電力電子斬控調壓技術后的電路拓撲結構，如何進行相關PWM斬波控制上，我們首先進行理論分析，從理論上解決可能存在的問題。然后利用Matlab仿真工具，進行必要的仿真分析研究。仿真分析通過后，再進行電路試驗研究。

通過理論和仿真分析研究，我們找到了“補償變壓器降壓+高頻電力電子斬控調壓”模式下的PWM斬波控制邏輯關系，通過CPLD電路組合產生各IGBT管子所需要的控制波形，解決了本項目研制的關鍵問題。下面是相關的仿真及試驗研究結果。

(一)仿真分析結果

1．IGBT管控制波形

2．各IGBT管斬波波形

3．補償變壓器及輸出波形

(二)實驗研究結果

1．斬波控制IGBT驅動信號

2．續流IGBT驅動信號

3．IGBT回路未經濾波的斬波電壓波形

基本波形

局部放大波形

4．負載輸出波形

四、結束語

本文提出了一種電力電子型智能照明節電器技術方案，并對方案進行了詳細的分析研究。試驗和現場試運行結果都表明，此節電器方案，既具有電力電子型設備連續調壓穩壓的特點，同時也具有補償變壓器調壓設備高可靠性穩定性的性能，相對于高頻調壓方式具有很大的成本優勢和設備可靠性優勢，不失為一種較好的道路照明降壓產品技術方案。

［1］ 王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g［M］．4版．西安:西安交通大學出版社，2001．

［2］ 林濤，李德銀．一種帶電流檢測的非互補式PWM產生電路設計［J］．現代電子技術，2010(9):208－210．