可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报1（2014）234250W高压钠灯常规镇流器与电子镇流器的对比研究Ahmed A.Mansour， Osama A.阿拉法电子研究所，DokKi，开罗，埃及2014年12月19日在线发布摘要与点火器结合的大体积电磁镇流器传统上用于为高压钠灯（HPS）供电。最近，电子镇流器被引入，以更有效地执行相同的任务，甚至具有调光和智能节能等附加功能。本文介绍了一个250 W的HPS灯的工作特性的比较研究时，由传统的镇流器与电子镇流器。在这两种情况下，通过对两种商业设置进行直接测量来获得操作特性，其中唯一的区别是压载类型。比较研究涵盖升温期和稳态或标称功率运行。这项比较研究给出了坚实的数字证据的优越性能的电子镇流器超过传统的。© 2014电子研究所（ERI）。制作和主办：Elsevier B.V.All rights reserved.关键词：高压钠灯;电磁镇流器;电子镇流器;比较研究1. 介绍自20世纪70年代初以来，高压钠灯由于其高发光效率（约140 lm/W）、经由其金白色外观的良好显色性和长灯寿命（24，000 - 32，000 h; Sincero等人， 2005年）。 在高压放电灯中，灯表现出负阻抗特性，并且在气体击穿时其阻抗从非常大的值移动到非常小的值，因此辅助装置是必要的，以产生用于启动的高击穿电压，然后一旦放电电弧良好地建立，通过吸收线路和灯之间的差分电压来稳定灯电流。缩写：HPS，高压钠灯; HPM，高压金属卤化物灯; CB，常规镇流器; EB，电子镇流器; PFC，功率因数校正; ZVS，零电压开关;ZCS，零电流开关; THD，总谐波失真。*通讯作者。电子邮件地址：mansour@eri.sci.eg（A. A. Mansour），arafa@eri.sci.eg（O. A.Arafa）。电子研究所（ERI）负责同行评审。http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2014.12.0062314-7172/© 2014电子研究所（ERI）。制作和主办：Elsevier B.V.All rights reserved.A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234235高强度放电灯的主要应用通常在街道照明、体育场、高速公路、工业照明和机场照明中找到。近年来，全球经济危机激发了人们对节能的关注，并出现了保护自然资源的强烈许多新技术已经应用到传统的电气设备，以提高其效率。照明也不例外;人们已经进行了深入的研究，以取代笨重和低效率的传统电磁镇流器与重量轻，高效率的电子镇流器。对于小功率荧光灯，电子镇流器产业和市场一直在快速增长。但高强度气体放电灯（HPS和HPM）用电子镇流器的使用增长缓慢。这部分是由于一些技术问题，主要是由于有争议的成本效益权衡。在Martín等人案中，（2010），进行了光谱比较研究，以研究HPS灯在由50 Hz和高频（40 -63 kHz）电源供电时的行为。当这些灯稳定时，它们工作的电压为88 V（50 Hz）和60对于高频率。这些电压由点火镇流器的电子条件决定最重要的观察结果是，钠在50 Hz下的蒸汽压大约是其在高频下的两倍，但温度是相同的这意味着可以通过高频操作实现更长的灯寿命已经表明，在高频操作下，HPS灯充当恒定的纯电阻负载（Branas等人， 1998），其与27-75kHz范围内的功率电平和工作频率无关（Ben-Yaakov和Gulko，1997），并且由于老化，这种电阻可以沿着灯的寿命加倍（Branas等人， 1998），因此，有功功率控制是必要的，以保持灯功率在其寿命期间恒定。与老化相关的另一个特征是足够的点火电压水平可能随着灯的老化而增加，因此仔细的设计应该提供足够的点火电压以避免在有用的灯寿命期间的点火故障（Cardesin等人，2003年）。自1980年早期引入以来（Dorleijn和Vanderheijden，1980），HID灯的电子镇流器已经以各种各样的拓扑结构和设计引入，每种都有自己的优点和缺点。典型地，电子镇流器采用两级功率转换，其中第一级可以是降压转换器以负责功率因数校正，并且第二级可以是包含灯的谐振回路，并且通过全桥逆变器馈电以负责以高频向灯馈电，如Cardesin等人所述。（2003年）的报告。全桥逆变器级本身已经提出了许多变体;其中一个智能变体是Branas等人（2000）中的串并联谐振逆变器，它可以满足许多操作要求，如无需额外成本的软点火，最大限度地减少灯供电的伏安和自适应功率控制，以限制灯功率因老化而减少。然而，也引入了单级拓扑结构;它们主要解决成本降低问题，并且也已经提出了不同的配置（Martin等人，2003;FlorianGiezendanner等人，2014年）。在Martin等人（2003年）的研究中，它将升压转换器与谐振逆变器结合在一起，并且不需要额外的点火电路。这种设计可以提供PFC功能，因此这种拓扑的主要优点是高可靠性，这是因为将两个典型级合并在一个级中，从而减少了元件数量，并且由于在波形的某些点（ZVS，ZCS）切换MOSFET，逆变器损耗非常低。 在Florian Giezendanner et al. （2014）基于单级交流斩波器拓扑结构的高压钠灯电子镇流器被提议作为行业标准低频方波镇流器的更便宜和更简单的替代品在Jeong等人（2001）的研究中，单级拓扑结构被提供为半桥逆变器，其操作串联谐振回路以用于点燃和连续灯操作，而忽略了PFC问题。 在Branas et al. （1998）提出将其作为半桥并联谐振转换器。在所有单级拓扑中，用于改变输出功率的控制参数是开关频率;因此它们基本上是变频方法，其中频率越高，传递到灯的功率越低在两级拓扑结构中，占空比和开关频率控制的组合被用来实现优异的性能。还报道了一些其他技术，如AC斩波器（Sincero等人，2005），以利用更少的元件计数和设计紧凑性的优点，同时实现输入电流的高功率因数和低总谐波失真。然而，鉴于埃及当前的能源危机，本研究的目的不是评估不同电子镇流器设计之间的性能优势，而是比较250 W HPS灯在由商业中等价格电子镇流器供电时的操作特性与其相应特性，当其通过商业CB供电时，商业CB是大多数埃及公共照明系统中的主导情况。为此，我们研究了三种不同的喂养系统：236A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234• 该灯通过一个没有功率因数校正电容器的CB以50 Hz的频率供电• 该灯通过带功率因数校正电容器的CB以50 Hz供电• 灯由任意选择的中等价格的商业EB馈电。本文的组织如下：第2节介绍了第一个系统，第3节介绍了第二个系统，第三个系统是在第4节和第5节CB和EB操作配置文件之间的比较研究结论见第6节，随后是参考文献列表。Fig. 1. CB的瞬时波形图二. 灯电压V灯A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）2342372. 无PFC的使用常规镇流器的HPS 250 W灯的操作在下一组图中呈现。 一比九 图图1示出了CB电压、灯电压和灯电流的瞬时波形。传统的镇流器系统汲取正弦电流。灯电压表现为轻微失真的方波，镇流器电压表现为严重失真的正弦电压。这表明，在低频操作时，灯具有相当非线性但电阻性的性质，因为电流和电压波形共享相同的极性并且它们的零交叉重合。图图2示出了从启动到预热时段直到其达到其稳态操作的灯行为。图2和3显示，在供应r.m.s.在大约222 V的电压下，灯在接近10分钟后达到其稳态操作。灯(all单位为均方根。价值观）。图三. 灯电流I灯。见图4。 灯阻抗Z灯。电子研究所。238A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234图4显示，在气体击穿后，灯立即获得5▲的确定正电阻，并呈指数增长，直到达到31▲的稳态值。图5示出了CB系统以68 W的功率水平启动250 W HPS灯，而在供应端处的输入功率为116 W，净功率损耗为48 W。灯在这种情况下，电源端的输入功率为280 W，净功率损耗为36 W。功率损耗的降低主要归因于灯的电流大小及其CB绕组的I2R损耗的降低，因此图5所示的功率损耗曲线在某种程度上跟踪图5的灯的电流曲线。 3图五. CB系统的功率曲线。见图6。CB系统的无功功率。A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234239见图7。CB系统的视在功率。见图8。CB系统的功率因数。图6显示了在HPS灯和电源两端测量的无功功率。值得注意的是，由于CB线圈电感高，HPS灯电阻低（5▲），CB系统电路在启动时消耗825 VAR的高无功功率。经过加热期后，灯电阻增加到31 ▲，如图4所示。增加的总电路阻抗和减小的总阻抗角导致总无功功率减小到约617.7 VAR。对于灯本身，尽管灯充当纯电阻，但是由于其在该低频下的非线性电阻特性，其在灯电阻的分布中的相同变化之后汲取无功谐波功率，这导致灯两端的谐波电压含量增加。240A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234见图9。CB系统的效率。见图10。 CB系统的THD。图7显示了电源和HPS灯两端的稳态视在功率。很明显，在没有PFC电容的情况下，视在功率非常高，达到678.3 VA，灯端视在功率也约为287 VA。图 8显示了电源点的功率因数以及灯点的PF。电源处的PF从大约0.15开始，到大约0.413结束灯的功率因数开始时非常接近于1，但在稳定状态下下降到0.853，这是由于灯的非线性电阻不断增加，如前一段所述，非线性电阻图9示出了CB和灯的系统的效率曲线，其中启动效率为58%，稳态效率为87.31%。图10显示电源总谐波失真（THD）为1.75%，电源电流的THDiA. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234241见图11。THD灯电压和电流。此外，图11显示了THDV灯 = 53.7%在灯的终端。这再次与前面段落中给出的关于由灯的非线性电阻的增加的幅度产生的谐波电压的解释一致3. 带PFC的功率因数校正电容CPF= 35 µF，250V连接在负载点（即CB和250 W HPS灯的串联组合），图图12示出了从电源汲取的总无功功率减少到见图12。无功功率Q（VAR）。242A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234图十三.视在功率（VA）。见图14。功率因数。130.7稳定状态下的VAR。正如预期的那样，CPF不会改变灯本身的固有非线性特性，因此灯的无功功率曲线保持不变，并与图1中的曲线相似。六、图图13和图14示出了在稳定状态下从电源汲取的总视在功率分别降低到323.7 VA并且电源功率因数分别提高到0.915。同样，CPF不影响灯的PF曲线功率因数校正电容器的显著缺点是供电电流的总谐波失真明显增加如图所示，I sup的THD达到30%。 15事实上，这样表述的观察结果在某种程度上是误导性的;实际发生的是，在没有电容的CB情况下记录的相当大比例的电源电流（它滞后电源电压90度）对THD比的分母有贡献，因此导致低THD。增加一个功率因数校正电容器消除了由功率因数校正电容器汲取的反相电流分量的滞后分量A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234243图15.总谐波失真。图16. EB瞬时波形。(90 度领先的电源电压），从而降低了电源电流的幅度，并最大限度地减少了总谐波失真比的分母，而在灯电流中的谐波失真所表示的分母，如图所示。 10保持不变。因此，先前低估了电源电流中的灯谐波失真的影响的单独CB的高无功电流的掩蔽效应被减小到最小，使得灯谐波失真完全暴露并且在装配有CPF时反映在组件的THD中。244A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234图17. 灯电压V灯图18. 灯和电源电流使用电子束。4. 电子镇流器本节介绍EB行为应当理解，除了使灯作为纯的和相对线性的电阻的特性之外，在高频激励模式下，仅随着放电电弧温度而变化，在下面的一组附图中示出的定时和一些操作值 归因于嵌入在EB的微控制器中的有源和预编程的控制算法，而不是归因于灯本身的固有特性 图图16示出了工作频率58.8 kHz时的瞬时输出电压和电流波形。施加到灯上的电压及其电流都是对称的并且在时间相位上。从而确保灯代表在高工作频率下具有高线性度的纯电阻负载图 17显示了从EB操作时的灯电压。该灯在100V内达到约102V的稳态电压。400秒。A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234245图19.灯阻抗行为。图20. EB系统功耗。图图18示出了在点火时，灯电流从4.4A开始。稳态电流在475 s内达到2.5 A此外，相应的电源电流从0.57A开始，然后在120 s内达到1.26 A，即。在灯达到稳态操作之前HPS灯点火成功后，如图19所示，灯阻抗从5.1▲开始，在预热期间增加，直到达到稳定值42▲，这些值代表高频激励和相应电弧温度下的灯特性图图20示出了灯开始汲取等于100 W的功率直到其在120 s内达到其额定功率时的功率消耗。由于灯的高启动电流，EB损失从23 W开始，如图所示。 18（电子开关的增加的接通损耗促成了该损耗）。随着灯电流减小，相应的EB功率损耗减小，并达到17 W的稳定值。246A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234图21.使用EB的功率因数。图22. EB系统的无功功率Q如图所示，使用电子束系统可将供电点的功率因数提高到0.988。 21岁 此外，由于通过使用高频激励来改善灯的线性度，灯的功率因数被改善到0.996。图22显示，稳态时，供电点的总无功功率为44 VAR，灯端子的总无功功率为23 VAR。图23示出了在稳定状态下，供电点和灯处的总视在功率分别为278 VA和260 VA。A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234247图23. EB系统的视在功率。图24. EB系统的效率。图图24示出驱动250 W HPS灯的EB系统的效率。稳态效率略高于94%。5. 电子镇流器与传统镇流器本节专门比较两个馈电系统在点火后直至稳定状态时的灯操作参数。我们将在情况1中通过CB对灯馈电，在情况2中通过EB对灯馈电248A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234图25. CB和EB图26. 电源灯电流比较。图图25示出了250 W HPS灯电压在情况1中以19 V开始，而在情况2中以23 V开始。稳态灯电压在情况1中达到94 V，而在情况2中达到105 V 这与Martín等人所提到的情况完全矛盾。（2010）关于由高频源馈送时的灯电压。此外，注意到，由于EB促进的有功功率控制，情况2中的预热时间段比情况1的预热时间段短得多（约50%），EB以优化灯性能的方式利用灯特性。图26示出了情况2提供了分别为0.57 A和1.26 A的最低启动和稳态电源电流，灯的预热周期也短于情况1。虽然通过添加功率因数校正电容器，情况1中的电源电流显著降低（起始：1.54 A对3.75 A，稳态：A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234249图27. 灯阻抗CB和EB。图28. CB和EB电源端子处的电源。1.4 A对3.4 A），EB仍然优于这个组件，即使CPF被假定为一个完美的性能无老化的组件。图27显示，在两种情况下，灯点火后的灯阻抗开始接近5.1▲，并且在EB操作下变化更快。稳态值在情况1中为31Ω，在情况2中为42 Ω至于在供电端的有功功率，图28示出了在预热周期中情况2提供了比情况1更好的性能，其中它可以将更多的有功功率传递到灯，从而缩短该周期。在稳态操作中，它使用更少的总输入瓦数提供相同的灯性能。PFC电容的二次效应以附加输入功率的形式示出，与没有电容的情况相比。250A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234图29.电源端子处的视在功率。图30. 功率损耗比较。图图29示出了情况2在为组件馈电所需的总伏安方面优于情况1。在CB组件中保留有缺陷的电容器或运行没有CPF的CB的成本对于公用电网来说在未利用的安装伏安方面似乎是令人望而却步的图图30示出了情况2中的功率损耗比情况1中的功率损耗小得多（损耗降低超过50%）。图31示出了两种情况下灯端子处的PF。很明显，情况2提供了优越的性能，其中灯由于灯的固有纯电阻特性而接近于单位功率因数工作，在高频激励下电阻线性度在情况1中，灯以0.853的功率因数工作，尽管它充当电阻性负载，但其非线性特性导致谐波电压，该谐波电压增加了谐波无功功率，因此降低了有效灯功率因数。A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234251图31. 灯端子处的PF。图32. EB和CB系统电源端子处的PF。两种镇流器的供电端功率因数如图所示。 32岁 很明显，没有和有CPF的情况1提供了比情况2更差的性能。无PFC的CB具有0.139的启动功率因数，并在稳态时提高到0.413。但是，通过添加PFC电容器，启动时的功率因数略微提高到0.343，稳态时提高到0.915EB是HPS灯的最佳操作系统，因为在电源点处的功率因数在启动时非常高，等于0.959，并且随着系统接近稳定状态而迅速提高到0.988252A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234图33.为EB和CB系统提供THD电流。图34. 效率图33示出了两种情况下由组件汲取的电流的THD之间的比较。显然，在稳态操作模式下，在由12.5%的THD开始的短瞬态间隔（约120 s）之后，情况2具有7.16%的THD这在第3节中已经解释过了。从第2节和第3节可以看出，消除PFC电容的成本过高。最后图 34表明，情况2的效率远远好于情况1（94.1%对87.3%）。它还表明，PFC电容器可能有非常轻微的影响，对灯系统本身的整体效率，但是，它提高了整个照明网络的效率，因为它大大降低了传输网络的损耗。A. A. 曼苏尔岛A. Arafa/电气系统和信息技术杂志1（2014）234253表1CB和EB操作条件。CB无PFCCB带PFCEBV灯（V）94.197.5104.8I灯（A）3.13.12.5I电源（A）3.11.41. 3PF灯0.8530.8510.996PF电源0.4130.9150.988P灯（W）244.7259.3258.4P电源（W）280.3296.2274.7磷损失（W）35.636.916.3Q灯（VAR）149.9159.923.1Q电源（VAR）617.7130.743.8S灯（VA）286.98304.64259.47S电源（VA）678.3323.7278.2效率（%）87.3187.5594.076. 结论表1总结了本研究不同部分探索的结果它的结论是，即使提供了功率因数校正电容器，由电子镇流器馈电的HPS灯组成的照明系统的性能在几乎所有操作方面都优于由相同的灯组成的系统，当通过传统的电磁镇流器馈电时。主要原因是系统的功率因数、效率、总谐波失真和预热时间都有了实质性的改善。由于灯功率的自适应控制，当使用电子镇流器时，完全消除了当HPS灯由常规镇流器馈电时可观察到的与灯老化相关联文献中报道的性能下降包括由于其工作电阻增加而导致的灯功率降低以及由于击穿电压随老化而增加而导致的点火故障的可能性。另一个关键的问题，已经在这项研究中进行了测试和验证的是电子镇流器的能力，以保持灯的功率，并确保点火成功跨越更宽的调节范围的电源电压，一个功能，可以是非常决定性的镇流器类型选择的照明网络遭受宽电压调节带。最后，所使用的常规镇流器组件的参数为：• 功率因数校正电容CPF= 35µF，250 V• CB参数：（L= 154 mh，R= 2.04▲）确认作者感谢埃及开罗Dokki电子研究所资助这项研究。引用Ben-Yaakov，S.，Gulko，M.，一九九七年。高压钠灯电子镇流器的设计与性能。 IEEE Trans. 印第安纳电子学。44（August（4）），486-491.布拉纳斯角，F.J.阿兹康多，Bracho，S.，1998. 用于HPS灯的电子镇流器，通过改变开关频率进行调光控制。HPS和荧光灯的软启动方法。在：IEEE第24届年会论文集，工业电子学会，卷。2，IECON'98，pp. 953-958布拉纳斯角，F.J.阿兹康多，Bracho，S.，2000. 对驱动高功率HPS灯的LC s Cp谐振逆变器的设计和控制的贡献。IEEETrans. 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