大功率HID灯镇流装置试验平台的研究与设计

论文摘要

随着经济的发展，能源节约与环境保护日益受到人们的关注，在照明领域，“绿色照明计划”在全球范围内被广泛推广，已经取得良好效果。高气压强度放电（High-Intensity-Discharge，以后简称HID）灯，由于具有光效高，寿命长，汞含量小等特点，具备良好的节能与环保特性，使其在家庭与商业照明领域受到了越来越多的关注。然而HID灯具有负增量阻抗特性，不能直接与电网相连，需要特殊的灯电源——镇流装置（简称为镇流器）才能使其稳定工作。为了提高HID灯的光源性能，设计性能更为优越的灯电源是有效的方法之一。HID灯用镇流器的高频化，功率密度的提升是目前研究的重点，但HID灯在高频工作时也诱发了新的问题，如声共振现象。为了研究在高频功率信号驱动时HID灯所表现出的电气特性，光源特质，灯在高频工作时所产生的现象及现象的影响，需要设计一套HID灯的实验及观测平台。主要工作包括以下几个方面：（1）利用气体放电理论对HID灯的工作原理进行深入分析，设计出一套合理的灯控制策略。（2）结合控制策略，采用谐振逆变技术，成功设计出了1000W的HID灯用高频电子镇流器。（3）为了便于对灯运行时的灯电压、电流以及灯的弧光状态进行实时观测，我们设计了灯工作特性的观测装置，即电气参数测量装置及弧光成像装置。在大功率高频电子镇流器的设计中，采用了Pspice仿真的设计方法，并用实验结果表明仿真设计方法的正确性与可行性。实验数据显示了镇流器性能的优越性，在大功率高频电子镇流器的分析、设计方面具有良好的参考价值。本文所设计的电气参数测量装置由电流、电压采样网络和数据采集组成，采样网络具有通频带宽、采样精度高、采样速率快和电气隔离性能好等优点。弧光成像装置采用红外成像技术和对目标无损害的非接触、被动遥测方式，配合电气参数测量装置，利用计算机强大的数据运算能力，对HID灯电流、电压等电气参数及弧光状态进行实时观测、记录，通过对比与分析，使我们可以清晰地了解HID灯在不同工作状况下的电气特性与物理特性。本课题的所设计出的大功率HID灯镇流装置试验平台，电气特性良好，能很好的为HID灯特性研究服务，并能为HID灯用高频电子镇流器的设计提供有效的帮助。该论文的研究工作受到了北京市自然科学基金资助，项目名称：带有非线性-时变负载高频开关谐振变换器稳定性的研究，项目编号：4052011。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 概述
• 1.1 电光源
• 1.1.1 电光源的发展
• 1.1.2 电光源的基本参数
• 1.1.3 电光源的分类和应用
• 1.2 高强度气体放电灯
• 1.2.1 HID灯的结构
• 1.2.2 HID灯的发光特性
• 1.2.3 HID灯的声共振现象
• 1.2.4 HID灯的建模方法
• 1.3 HID灯用电子镇流器
• 1.3.1 HID灯用镇流器发展现状
• 1.3.2 谐振变换器的比较与选择
• 1.4 课题的意义及系统设计方案
• 2 HID灯的理想控制策略研究
• 2.1 HID灯特性的研究
• 2.1.1 等离子放电理论
• 2.1.2 HID灯的发光机理
• 2.1.3 HID灯的状态过渡
• 2.1.4 HID灯的触发特点
• 2.1.5 HID灯的高频特性分析
• 2.2 HID灯的控制模型分析
• 2.2.1 HID灯的分时段控制
• 2.2.2 未触发区模型
• 2.2.3 起动区模型
• 2.2.4 稳态区模型
• 2.3 HID灯的控制策略分析
• 2.3.1 研究现状及存在问题
• 2.3.2 未触发区的控制策略
• 2.3.3 起动区的控制策略
• 2.3.4 稳态区的控制策略
• 2.4 控制策略的实现
• 2.4.1 控制器的设计
• 2.4.2 控制电路的工作时序
• 3 大功率高频电子镇流器的分析与设计
• 3.1 高频电子镇流器的发展现状
• 3.2 HID灯声共振的克服
• 3.3 镇流器系统设计
• 3.3.1 镇流器的结构
• 3.3.2 主电路设计
• 3.3.3 控制电路设计
• 3.3.4 隔离驱动电路设计
• 3.3.5 电感器设计
• 3.4 仿真及试验结果
• 3.4.1 仿真设计的实验验证
• 3.4.2 MH灯验证结果
• 3.5 电路原理图及设计样板
• 4 观测装置的设计
• 4.1 观测装置的结构
• 4.2 电气参数测量装置的设计
• 4.2.1 设计的核心和原则
• 4.2.2 电气参数测量装置的组成
• 4.2.3 电压采样互感器的设计
• 4.2.4 电流采样互感器的设计
• 4.2.5 滤波及放大电路设计
• 4.2.6 精密整流
• 4.2.7 AD转换及采样保持
• 4.2.8 采样网络对主电路影响的分析
• 4.2.9 电气参数测量装置试验结果
• 4.3 弧光成像装置
• 4.3.1 设计意义
• 4.3.2 弧光成像装置的特点
• 4.3.3 弧光成像原理
• 4.3.4 弧光成像装置的硬件组成
• 4.3.5 弧光成像装置的软件功能介绍
• 4.4 弧光成像装置实验结果
• 4.5 设计原理图及试验电路
• 结论
• 参考文献
• 附录A 镇流器系统设计仿真程序
• 在学研究成果
• 致谢