节能电感镇流器的设计原理

1节能电感镇流器的设计原理复旦大学光源与照明工程系国际铜业协会（中国）2一、前言在绿色照明工程中，镇流器是一个极为重要的光源电器配件。它的发展受到许多方面的关注。是电子镇流器还是电感镇流器？这是各方面人士存在较大分歧的一个问题。我们认为：根据这两类镇流器的原理、技术依据、历史发展和使用统计来看，小功率气体放电光源（40W以下）应该坚持以电子镇流器为主，因为它节能效果明显，一体化程度高；而对于高强度气体放电光源（100W以上）目前还是应该以电感镇流器为主，因为它节能效果与电子镇流器相当，电路可靠度高。3电感镇流器必须是节能型的。即节能型电感镇流器。4各类镇流器的能耗比较灯功率（W）镇流器能耗占灯功率百分比（%）普通型节能型电子型20以下40~5020~30〈103030~40〈15〈104022~25〈12〈1010015~20〈11〈1015015~18〈11〈1025014~18〈10〈1040012~14〈95~101000以上10~11〈85~105•国内大量的电感镇流器仍是传统型老产品，其性能稳定，价格便宜，但功率损耗大。从我国的国情出发，如果把传统电感镇流器更新为节能型的，将会取得可观的节能效果，而且在技术上、经济上皆是可行的。根据预测，如果将目前中国传统电感镇流器年产量100%转为节能电感镇流器，每年可以节电9亿千瓦小时。这相当于节省11.16亿元新建电厂投资，减排100万吨二氧化碳。6二、节能型电感镇流器的技术特性节能电感镇流器与一般传统电感镇流器的区别在于三个基本参数：1.镇流器功耗限定的上限值，2.系统功率因素的最小值3.最大启动电流。7节能要求灯功率（W）镇流器能耗占灯功率百分比（%）普通型节能型20以下40~5020~303030~40〈154022~25〈1210015~20〈1125014~18〈1040012~14〈91000以上10~11〈88•电感镇流器与灯配套工作时系统基波功率因数较低，一般在0.43～0.55之间，如果考虑到高次谐波，则总功率因素则更低。节能电感镇流器将系统功率补偿到0.85以上，有如下参考数据。荧光灯每瓦大约需补偿0.1～0.12μF;高压汞灯每瓦大约需补偿0.1～0.12μF；高压钠灯每瓦大约需补偿0.12～0.13μF:9灯预热电流与灯标称工作电流之比优质品一等品合格品≥30W≤1.6≤1.8≤2.1＜30W≤1.45≤1.55≤2.110能效因数BallastEfficatyFactor－BEF是综合性评价镇流器能源利用效率的指标。镇流器能效因数（BEF）的定义：镇流器能效因数（BEF）流明系数（BF）：WBF率功入输的器流镇示表数系明流＝%量出输的光时燃点套配灯该与器流镇准基量出输光的时燃点套配灯准基与器流镇测被11三、Bm与节能电感镇流器技术特性的关系1.电感镇流器铁心材料的能耗电感镇流器铁心材料的能耗有以下形式：l磁滞损耗l涡流损耗l铜阻损耗l漏磁损耗l介质损耗l延迟损耗12其中磁滞损耗，涡流损耗称为铁耗，是铁心材料的主要损耗。其值为：可以看出，铁损与峰值磁感强度Bm的平方成正比，降低铁芯中的峰值磁感强度Bm对于降低功耗效果十分显著。VBfkfBkmemh22132、Bm与电流波形因子高Bm值可以减小铁心截面，降低成本，但使镇流器工作于饱和区，结果使电流波形出现尖峰，造成电流波形因子变大，这对灯管的损害很大，因为灯管的寿命直接与电流波形因子有关。14降低Bm值，虽然增加了少量铁磁材料，但使镇流器工作于线性区，结果使电流波形基本呈正弦型，电流波形因子接近1.41，这对灯管的寿命益处很大。结论：节能镇流器能有效防止波形失真，提高灯的寿命。15电流波形因子与灯寿命的关系16以电容镇流为例说明：电流谐波总值太大使灯的寿命缩短。173.Bm与功率因子•设线路的供电电压为理想的正弦波，无电压谐波。如果这时电流为非正弦信号，功率因子为：111coscoscosntotalrmsrmsmsrmsIVIVSP18两种不同Bm取值的镇流器功率因子示意图结论：由于节能镇流器的电流波形失真小，功率因子补偿很容易补偿至最大值。194、Bm与电压异常保护对镇流器的技术要求分为正常使用与非正常使用两种：其中非正常使用主要是在电压异常时，即电源电压提高10%（243V）时，电流有规定值。由于节能型电感镇流器与传统型电感镇流器在电压异常时，铁心呈现的饱和程度不一样，故电流的增加值相差很大。节能型电感镇流器更为安全一些。20两类电感镇流器的电压异常时比较结论：在异常情况下，传统镇流器电流增幅极大，容易引起事故，而节能镇流器不存在这个问题。21镇流器寿命比较•镇流器寿命取决于镇流器的温度。•温度与寿命的关系呈对数关系，温度低10度，寿命增加一倍。•节能镇流器的温度比传统镇流器低40度左右，因此它的寿命是传统镇流器的16倍，理论寿命可以达到50年。22节能型电感镇流器铁心材料的形状23设计方法mcmcmmmmmISfNBPSfNBEVIVP881022110221镇镇镇＝引入铁芯的占空系数kc和铜线的占空系数km，得：mcmckjkfBPSS44.4106024镇流器铁芯的设计就是选择一个合适的面积乘积值，使它在额定视在功率时，在规定的温升范围内，使铜损和铁损最小25假设有一只镇流器，其铁耗为PC瓦，线圈内阻的等值电阻为R欧姆，灯电压为U伏工作电流为I，试求在什么情况下，镇流器的效率η最大。RIPRIPUIRIPURIPUIIRUUIRIPUIUdIdRIPUIUIPPUIUIPPPPCCCCCCMCMC22222222020＝所以）＋（＝）＋（＋－＋即令＋＝＋＋＝灯灯26四、双功率镇流器的设计所谓双功率镇流器实际是一种节能型的电感镇流器，它的电感量可以进行变换，从而使灯的功率随之发生变化。如果变化次序是根据照明环境的需要而设定，即在正常情况下，灯按设计要求在额定功率下运行；在一些特殊情况下（例如道路照明的深夜；火车站无火车通过时；亮化工程的非重大节日时等等），灯不能熄灭，但不必照度很大，而且又要兼顾均匀性，这时可以使灯降功率运行。具体方法是变换镇流器的电感量，增大电感量能使灯功率下降。这种镇流器称之为双功率镇流器。27双铁心串联型双功率镇流器电路28双铁心并联型双功率镇流器电路29单铁心串联型双功率镇流器电路30常规镇流器电路31双功率镇流器的功率变换时间方法：1.可以通过简单的时基电路实现2.可以通过智能化集中控制系统实现由于节能效果明显（30%以上），又能有效地延长灯与电器的寿命（两倍以上），所以双功率镇流器是一种市场前景很好的产品。322、双功率镇流器的设计假如满功率时的灯的功率为P灯1，降功率时的功率为P灯2，双功率镇流器的结构为单铁心抽头式，设计可分为四个步骤：l满功率镇流器的设计l根据降功率的幅度作线圈修正l几何尺寸的确定l镇流器自身能耗的计算33满功率镇流器的设计：求镇流器工作电压选择铁芯截面计算线圈匝数计算所需导线直径34根据降功率的幅度作线圈修正：计算降功率时的线圈圈数N需要增加的线圈圈数N2计算所需导线直径为35几何尺寸的确定：计算线圈厚度铁心窗口尺寸铁心迭厚空气隙长度36镇流器自身能耗的计算：由硅钢片的比耗求铁心损耗（主要由涡流损耗与磁滞损耗构成）由公式I2R计算铜耗37双功率镇流器的设计举例设计高压钠灯400W/250W双功率镇流器。已知：型号电源电压(V)功率(W)灯管电压(V)工作电流(A)NG400~22050Hz400110+203．00NG250~22050Hz250110+201．8038满功率镇流器的设计:求镇流器工作电压：选择铁芯截面：计算线圈匝数：线径D：VVVV17612.111012.122012.112.12222灯镇－＝)(1.1611022040057.021cmVVPKSS灯灯＝匝）＝镇(4091.161200017610451045441SBVNm)(0.1300.313.113.12111mmJID＝39根据降功率的幅度作线圈修正:计算降功率时的线圈圈数N:需要增加的线圈圈数N2:N2=N—N1=517-409=106计算所需导线直径为:匝）＝灯灯(517250400409211pPNN)(88.038.113.113.12222mmJID＝40几何尺寸的确定：计算线圈厚度：铁心窗口宽度为：铁心窗口高度为:铁心迭厚：空气隙长度：mmHDNNC5.138003.00.1517203.02'2121mmmmCC5.14)(1'mmmmHh5.40)(5.021cmaSb2.73.21.1603.103.1mmBINm09.01200013.1409313.141镇流器自身能耗的计算:铁耗：铜耗：总损耗为31.7WWGrVPFe7.74.555.7)3.245.10.8(1.160WRIPCu247.232242五、LC镇流器的设计利用LC镇流器特有的镇流特性，能够设计出节能型、适合高管压气体放电光源的镇流器。这里介绍了这种镇流器的设计原理及方法步骤。43LC镇流器的特性优点：(1)稳流特性好(2)功率因数比一般的电感镇流器高。(3)电路处于准谐振状态时，可以输出较高的工作电压，适合于灯管电压较高的光源。44稳流特性nnPPmmLCtnnVtVtVVtVV3sin4sin4)(sin)(sin灯nnPPPCnLnntnVCLtVCLtVi3)1(cos41cos41)cos(2)1(121)9.0()1(11)9.0()1(cos2322222223222222222PLPnPVVPLPnPVVPLVVInnPnnP灯)1(121)9.0(9.09.02322222PLPnPVVVIVWnnPPP灯灯45LC镇流电路的稳流特性较好，当电源电压增加10%时，W灯110/W灯比值可以计算，以400瓦高压汞灯为例：采用电阻镇流时：W灯110/W灯=1.25采用电感镇流时：W灯110/W灯=1.17采用LC镇流时：W灯110/W灯=1.1246短路电流控制短路电流：两者之比：如果400瓦高压汞灯，采用LC镇流可以从上式计算短路电流(取P2=2)：)1(2PLVIS2322222)121()9.0(VPnPVVIInnPSPAIPnPVVIPnnPS57.3)121()9.0(113222247功率因数校正LC镇流电路的矢量图如图，从图可以看出，LC镇流电路的功率因数比普通的电感镇流高的多。从图中也可以看出LC镇流电路为什么能用于高灯管电压的光源。48利用漏磁变压器的漏磁电感进行工作。图18这种LC电路可以利用C很方便地校正电路的功率因数。线路电流由三部分组成，初级线圈的电流(滞后)，灯管的电流(超前)和次级线圈的反射电流。线路电流所包含的三部分中，两部分超前，一部分落后。只要初级线圈的电感和电路中C设计适当，电路的功率因数可得到校正。49重复着火的能力灯灯灯灯VLPLCVLCWLCVVmb22111221111sin22在LC镇流中，重复电离电压Vb与ωL有关。为了使重复电离增高，必须增大电感量L。因此LC镇流的重复电离的能力不如电感镇流。如400W高压汞灯，镇流器ωL=45Ω,则：VVLWVb2091352440014.32灯50LC镇流器的设计原理已知电源电压V，灯电压VP，灯电流