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摘 要: 高壓鈉燈是城市照明的重要設備, 其供電電源對照明節能的效果和鈉燈工作的可靠性具有十分重要的意義。針對交流調壓電源應用于城市路燈節能照明這一特殊場(chǎng)合, 分析了其帶電流檢測的非互補式控制方式的工作過(guò)程, 并采用CPLD 設計了一種相應的PWM 時(shí)序產(chǎn)生電路, 節能照明電源采用此種斬波時(shí)序電路后可以帶感性、阻性、容性負載, 工作穩定。 0 引 言 近年來(lái), 城市的照明節能工作, 已經(jīng)引起了各地、各級政府的高度關(guān)注, 并對城市照明節能提出更高要求。在早期的降壓節能產(chǎn)品中主要經(jīng)歷了自耦變壓器調壓、補償變壓器調壓、可控硅調壓等幾個(gè)階段, 但因其各自的缺點(diǎn)越來(lái)越不適合城市照明節能更高的要求, 隨著(zhù)IGBT 的出現和廣泛應用, 交流斬波調壓技術(shù)以其功率因數高、諧波少、效率高、動(dòng)態(tài)過(guò)程快、濾波器體積小等優(yōu)點(diǎn)得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注, 也越來(lái)越多的應用于城市節能照明領(lǐng)域。 1 用于城市照明節能的交流斬波調壓電源主電路原理 城市照明交流調壓電源采用/ 交流2交流0 逆變技術(shù), 不受負載特性的限制, 能與任何的負載匹配, 輸入與輸出頻率相同, 頻率響應寬, 不產(chǎn)生高次諧波等 。其主電路拓撲如圖1 所示, 圖中V1 和VD1 , V2 和VD2 構成雙向斬波開(kāi)關(guān), VF1 和VDF1 , VF2 和VDF2 構成雙向續流開(kāi)關(guān), Lif , Cif和Lof , Cof為低通輸入、輸出濾波器。 基本原理直流斬波電路有類(lèi)似之處當在電源正半周, 用V1 進(jìn)行斬波控制, VF1 提供續流通道, 在負半周, 用V2 進(jìn)行斬波控制, VF2 提供續流通道。設斬波器件(V1 或V2 ) 導通時(shí)間為T(mén) on , 開(kāi)關(guān)周期為T(mén) , 則導通比A= T on / T , 改變A可調節輸出電壓, 既輸出電壓為Uo= AUi( Ui 為輸入電壓) 。 2 交流斬波調壓的控制方式 在交流斬波調壓控制中, 主要有互補控制和非互補控制2 種方式�；パa控制, 就是在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內, 斬波IGBT 和續流IGBT 必須有且只有一個(gè)能導通。在電源工作中, 既不允許兩者同時(shí)導通而造成電源短路, 也不允許兩者同時(shí)關(guān)斷而造成負載電流開(kāi)路, 而實(shí)際中IGBT 的開(kāi)通和關(guān)斷總需要延時(shí)一段時(shí)間, 這就有可能會(huì )造成換流過(guò)程中2 個(gè)IGBT 同時(shí)導通。為了避免這種現象, 必須在開(kāi)通和關(guān)斷信號之間加入死區時(shí)間, 避免出現直通的現象。但加入死區間隔后, 又可能造成換相死區時(shí)間內兩個(gè)IGBT 都不導通, 使負載開(kāi)路, 在感性負載情況下, 容易造成瞬時(shí)電壓沖擊, 因此此種斬波方式不適合應用于鈉燈照明這一感性負載場(chǎng)合。 而采用非互補式控制方式可以克服以上缺點(diǎn), 其特點(diǎn)是正反相開(kāi)關(guān)的工作方式可以分別控制, 可以使用于任何的負載。但當負載是感性負載時(shí), 電流將滯后電壓一個(gè)角度, 必然存在電壓與電流方向不一致的時(shí)刻, 此時(shí)刻負載通過(guò)電路向電源反饋無(wú)功電能, 這時(shí)電路輸出電壓不能再按照Uo = AUi 計算, 交流調壓輸出范圍也將較小。 為了消除這種電壓失控的現象, 本電路采用有電壓、電流相位檢測的PWM 斬波控制方案, 即通過(guò)輸出電流和電壓的狀態(tài)來(lái)決定控制信號的時(shí)序。則4 個(gè)IGBT 時(shí)序與電流、電壓的關(guān)系如圖2 所示。 圖中當電壓大于零, 電流小于零時(shí), 斬波IGBTV1關(guān)斷, V2 , VF1導通, 如果續流IGBT VF2關(guān)斷時(shí), 負載電流沿V2 和VD2 流向電源, Uo= Ui (Ui 為輸入電壓) ; 如果VF2 導通時(shí), 電流沿VF2和VDF2續流, Uo= 0。 當電壓小于零, 電流大于零時(shí), 斬波IGBT V2 關(guān)斷, V1 , VF2 導通, 如果續流IGBT VF1 關(guān)斷, 負載電流沿V1 和VD1 流向電源, U0 = Uin , 如果VF1 導通時(shí), 電流沿VF1和VDF1續流, Uo= 0。 因此從以上分析可知當電壓和電流方向不一致時(shí)仍能滿(mǎn)足前面的調壓公式Uo = AUi 于是消除了調壓失控現象。 3 IGBT 驅動(dòng)脈沖時(shí)序設計 交流調壓電源采用帶電流相位檢測的PWM 斬波方式, 即通過(guò)輸出電流和電壓的狀態(tài)來(lái)決定4 個(gè)IGBT控制信號的時(shí)序。本電源的主控制系統采用的是ARM 控制器 , 因此電源的PWM 斬波信號可以由ARM 芯片產(chǎn)生, 時(shí)序分配電路用CPLD 實(shí)現, 從而可以使電路結構簡(jiǎn)化, 電路板元件和引線(xiàn)減小, 消除組合邏輯電路存在的競爭冒險, 時(shí)序分配框圖如圖3 所示。 電源輸出電壓U 和輸出電流I 經(jīng)過(guò)電壓、電流過(guò)零檢測電路處理變?yōu)楦叩妥兓拿}沖送CPLD 后與ARM 控制板發(fā)出的PWM 脈沖進(jìn)行邏輯運算形成四路時(shí)序相互配合的IGBT 脈沖信號, 4 路脈沖再經(jīng)過(guò)IGBT 驅動(dòng)與隔離電路后加到IGBT 的柵極, 控制IG2BT 的開(kāi)通與關(guān)斷。斬波脈沖的占空比受ARM 控制,可以通過(guò)按鍵手動(dòng)設置。 4 CPLD 所實(shí)現的邏輯電路和電路時(shí)序仿真 在本電源中4 路互相配合的帶電流檢測的非互補式驅動(dòng)信號由CPLD 產(chǎn)生, CPLD 所實(shí)現的功能電路可以通過(guò)CPLD 的開(kāi)發(fā)軟件Max + Plus ? 根據4 路IGBT 驅動(dòng)脈沖與輸出電壓、電流的相位關(guān)系編寫(xiě)電路圖文件來(lái)實(shí)現如圖4 所示。 給輸入信號加上激勵信號后的波形如下圖5 所示(U, I 是電壓和電流信號且I 滯后U 一個(gè)角度, G 為PWM 脈沖f = 20 kHz) 從輸出信號V1 , V2 , VF1 , VF2 之間的時(shí)序關(guān)系, 可以看出此電路滿(mǎn)足電壓、電流相位檢測的非互補控制方式的要求。 5 結 語(yǔ) 帶電流檢測的非互補式斬波控制方式由電壓、電流的極性決定, 實(shí)現形式較為復雜, 但優(yōu)點(diǎn)是電源的4 個(gè)IGBT 在工作工程中不會(huì )發(fā)生共通共斷問(wèn)題, 不易失控, 換流過(guò)程有續流回路, 適合于大功率感性負載應用場(chǎng)合。本城市照明節能電源采用此種斬波方式后, 通過(guò)帶阻性負載、感性負載、容性負載調試運行正常, 調壓范圍滿(mǎn)足照明節能的實(shí)際要求, 工作穩定。配合我所道路照明遠程監控技術(shù), 可以很方便組成城市智能照明節電控制系統, 實(shí)現城市照明能源的有效控制管理, 避免照明能源浪費, 節約照明能源。 |
