高频电力电子型智能照明节电器的研制

杨婕澜

(重庆市巴南区路灯管理所，重庆 401320)

一、引言

能源问题是当前的重大问题，我国政府十分重视，早在2005年6月，温总理主持召开国务院常务会议，研究建设节约型社会和发展循环经济问题，进一步肯定了“开发与节约并重，把节约放在首位”的能源发展战略。

电力能源是目前能源市场中最大最重要的能源形式，据统计目前我国能源利用率仅为30%左右，比发达国家低10个百分点，电力能源的利用率亟待提高。道路照明用电占总用电量很大份额，每年800亿的政府机构电力能耗中，公共照明部分约占280多亿，其中路灯照明约80亿。目前国内城市道路照明的灯具约800万套，高速公路、工矿企业、机场、码头等非市政照明灯具约100万套，总数超过900多万套，且每年以10%的速度递增。因此，道路照明节能已刻不容缓。

本文将重点讨论道路照明节能设备的研制情况，提出了一种新型的高频电力电子型智能照明节电器设备(下称节电器)的技术方案。它可克服目前各种道路照明节能设备所存在的各种问题，具有较好的性能价格比和稳定性可靠性。

二、智能照明节电器技术方案

(一)方案选择

具有无级连续调压稳压控制功能的节电器产品已经成为智能照明节电器产品的技术发展方向，无级连续调压稳压的技术实现方式有两个途径:

(1)机械式:对自偶合变压器，采用电动马达驱动电刷方式，变动变压器输出抽头位置进行连续调压，只要通过单片机控制电动马达的累计步进就可实现控制输出调压;

(2)电子式:采用电力电子器件(如IGBT)交流高频斩波控制实现交流调压，由于电力电子器件交流高频斩控实现交流调压时的器件斩波控制频率约为20 kHz左右，而斩波所造成的谐波只与斩波频率有关，因此可很方便地通过低通滤波器滤除谐波。

由于城市智能照明节电器的工作环境基本全在野外，不可避免地要受到灰尘等有害环境污染影响。对机械电刷调压方式而言，灰尘的进入，必然要影响到电刷面的接触电阻，造成接触面的可靠性降低，因此机械电刷调压方式在此环境下使用是不合适的。而纯大功率电力电子器件交流斩控方式调压设备也存在自身成本高、可靠性稳定性设计困难等不利因素，尤其是野外工作环境应用下，可靠性稳定性问题将更加严重。

鉴于此，本文提出了一种将常规补偿变压器式降压技术与交流高频电力电子斩控调压稳压技术相结合的技术方案，该方案既具有补偿变压器降压设备简单、成熟、稳定可靠的特点，也具有电力电子式无级连续调压稳压的优点。同时，由于采用了补偿变压器降压技术，使得作为控制部分的电力电子设备的容量仅为节电器整体设备容量的20%左右，这样，电力电子调压控制模块及节电器设备的整体可靠性稳定性设计也可达到较好的保障。

(二)节电器降压稳压原理

智能照明节电器(单相)基本组成框图如图1。

图1 智能照明节电器(单相)组成框图

智能照明节电器由以下几大部分组成:(1)补偿变压器，(2)IGBT高频斩波交流调压模块，(3)节电控制器(含输入/输出操作界面)，(4)其他辅助电路，(5)机柜等。

1．补偿变压器

补偿变压器装置是在照明节电器主回路中串联一套补偿变压器线圈，用它所产生的电势来与输入电源电压迭加，从而改变输出电压值(见图1)。由于补偿变压器不是直接用来供电，而仅是起补偿作用(约是总电源电压的20%)，因此变压器的功率和体积也可缩小为20%，可节省大量的铜线、铁芯等材料。

经过补偿变压器工作后，输出电压与输入电压关系为:

其中Ut是补偿变压器输出电压，它与补偿变压器输入电压关系为:

式(2)中，(N1/N2)为补偿变压器变比，在补偿变压器确定后是一固定常数。Uc为IGBT高频斩波调压控制输出电压，也即补偿变压器输入电压。由此可见，我们可以通过控制改变IGBT高频斩波调压控制输出电压的大小来调节改变输出电压的大小。由于Uc的变化范围为(0，Ui)，因此输出电压的调节范围为(Ui－(N1/N2)·Ui，Ui)。常规情况下，Ui=220 V，选择(N1/N2)=1/5，那么，此时输出电压的调压范围为(176，220)。

2．IGBT高频斩波交流调压模块

(1)高频IGBT斩波技术说明

IGBT高频斩波交流调压控制模块是照明节电器设备的关键部件，可实现连续调压、稳压功能，避免由于照明节电器节能转换时电压变化太快造成的老化灯熄灭而影响道路照明亮灯率问题。

交流PWM控制斩波技术是一种通过改变PWM脉冲宽度来控制IGBT高频斩波器件交流斩波范围而实现交流连续调压的技术。近年来，由于IGBT高频斩波器件自身性能有较大的改善，采用IGBT高频斩波技术实现交流斩波调压的技术和成品也越来越成熟。但在大功率应用场合，尤其是在野外特使应用场合，IGBT高频斩波器件发热问题和可靠性问题仍然没有得到彻底的解决。

本照明节电器技术方案采用补偿变压器降压技术与IGBT高频斩波交流调压技术相结合的方案，使得补偿变压器和IGBT高频斩波交流调压部分的功率仅为照明节电器额定功率的20%左右，这样可大大降低了设备成本，提高了设备的可靠性和稳定性。

(2)高频IGBT斩波控制原理

单相高频IGBT PWM控制斩波原理电路如图2所示。

图2 智能照明节电器(单相)原理框图

其工作原理如下:

①IGBT高频交流斩控调压部分电路采用经典的非互补式交流斩控调压电路拓扑结构。

ton是PWM调制后脉冲宽度，T是工作周期，即输出电压可以通过控制脉冲宽度改变。

③斩波电路输出电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波(20 kHz高频斩波信号)，因此可以很方便通过低通滤波器消除。

④PWM交流斩波控制信号由ARM主智能控制器发出，经CPLD时序分配后驱动放大加到相关的IGBT高频斩波器件控制端，控制IGBT高频斩波器件进行斩波工作，实现预定的降压功能。

(3)节电控制器

节电控制器是照明节电器设备的核心部件，设计时将它作为一个整体，安装在照明节电器机柜的前面上部。其组成如图3所示。

图3 节电控制器原理图

节电控制器包括:32位ARM中央处理器，本地液晶显示/键盘输入模块，电流/电压信号输入采样处理，开关量输入/输出信号控制处理，IGBT高频斩波斩波调压控制，RS232/485通讯处理及各种智能保护处理等。节电控制器按表式一体化设计思路进行，嵌入式操作系统管理。完成节电控制管理、操作界面(LCD显示键盘输入)管理、电流电压采样、开关量I/O控制、IGBT高频斩波斩波调压控制管理等功能。

三、仿真及试验结果分析

虽然高频电力电子器件和技术目前已经相当成熟，但IGBT高频斩控项目的研制工作对我们来说仍然是一项比较新的工作。在工作电路结构选择上，我们力主选择成熟的、经典的拓扑电路，确保电路结构上的成熟性和稳定性。因此，在高频IGBT斩控调压电路拓扑结构选择上，我们就选择了十分成熟的非互补式交流斩控调压结构电路。

而在节电器的核心内容，即针对结合补偿变压器降压控制和高频电力电子斩控调压技术后的电路拓扑结构，如何进行相关PWM斩波控制上，我们首先进行理论分析，从理论上解决可能存在的问题。然后利用Matlab仿真工具，进行必要的仿真分析研究。仿真分析通过后，再进行电路试验研究。

通过理论和仿真分析研究，我们找到了“补偿变压器降压+高频电力电子斩控调压”模式下的PWM斩波控制逻辑关系，通过CPLD电路组合产生各IGBT管子所需要的控制波形，解决了本项目研制的关键问题。下面是相关的仿真及试验研究结果。

(一)仿真分析结果

1．IGBT管控制波形

2．各IGBT管斩波波形

3．补偿变压器及输出波形

(二)实验研究结果

1．斩波控制IGBT驱动信号

2．续流IGBT驱动信号

3．IGBT回路未经滤波的斩波电压波形

基本波形

局部放大波形

4．负载输出波形

四、结束语

本文提出了一种电力电子型智能照明节电器技术方案，并对方案进行了详细的分析研究。试验和现场试运行结果都表明，此节电器方案，既具有电力电子型设备连续调压稳压的特点，同时也具有补偿变压器调压设备高可靠性稳定性的性能，相对于高频调压方式具有很大的成本优势和设备可靠性优势，不失为一种较好的道路照明降压产品技术方案。

［1］ 王兆安，黄俊．电力电子技术［M］．4版．西安:西安交通大学出版社，2001．

［2］ 林涛，李德银．一种带电流检测的非互补式PWM产生电路设计［J］．现代电子技术，2010(9):208－210．