太陽能高壓鈉燈高頻電子鎮(zhèn)流器的研究
馬志保，孫佩石，蘇建徽，張國榮
(合肥工業(yè)大學能源研究所，安徽 合肥 230009）
摘要：介紹了一種低電壓供電且以MC68HC908QT2廉價單片機控制和可變頻率驅動技術為核心的太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器。該電子鎮(zhèn)流器有電流電壓控制環(huán)，在雙環(huán)控制下使其輸出恒功率，從而使高壓鈉燈可靠穩(wěn)定地工作。
關鍵詞：太陽能；電子鎮(zhèn)流器；高壓鈉燈；聲共振；可變頻率
　
0 引言
當前國家電力的大額缺口，整個世界范圍能源的緊張，以及自然環(huán)境的不斷惡化，使我們不得不更多地從高效、有效節(jié)能、綠色環(huán)保等多方面考慮電氣產品的設計，同樣，在尋找可靠的輔助能源的同時，更要注意其“綠色”的意義。本太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器正是以此為出發(fā)點。高壓放電（HID——High Indensity Discharge)燈通常指汞燈(Mercury Vapor)、高壓鈉燈(High Pressure Sodium Lamp)、金屬鹵化物燈(Metal Halide)等。它們的發(fā)光效率遠比白熾燈高，按光電轉換率上限的值排序，白熾燈、汞燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈分別為25lm/W、60lm/W、120lm/W、140lm/W。汞燈因其光色中的蘭光較重，已逐漸被光色質量好，發(fā)光效率更高的高壓鈉燈和金屬鹵化物燈取代，因此，HID燈亦即高壓鈉燈和金屬鹵化物燈的泛稱。高壓鈉燈是繼白熾燈、高壓汞燈之后的第三代代表性節(jié)能新光源[2]，可廣泛用于道路、碼頭、鐵路、機場、礦山、廠房、車庫、廣場、體育館等大面積室外的照明。
然而，傳統(tǒng)的電感式高壓鈉燈鎮(zhèn)流器存在許多缺陷：
1）體積大、笨重、消耗大量銅材和硅鋼片；
2）功率因數(shù)偏低、電能利用率低；
3）存在工頻閃爍,發(fā)光效率低，燈光通量隨電網電壓波動而變化。
現(xiàn)今，電子式的高壓鈉燈高頻鎮(zhèn)流器通常由市電供電，電路設計的結構一般是EMI濾波→整流→APFC→逆變→啟動→燈，雖然，它具有體積小、節(jié)能、高光效、無頻閃、長壽命的卓越性能，而越來越受到人們青睞，但是，卻要消耗電網的電能，增加電網的負荷。而采用太陽能獨立供電的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的的結構，卻是太陽電池(蓄電池)→逆變→升壓→啟動→燈，電子鎮(zhèn)流器體積將進一步減小，成本也會降低，將給其錦上添花，達到真正意義上的“綠色設計”，其白天將太陽能儲存在蓄電池中，晚上可以定時工作，施工安裝方便，基本無須維護。
1 太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的特點和技術要求
由于高壓鈉燈的結構及其原理與熒光燈并不完全相同，用普通熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器即使去點燃同樣的功率的高壓鈉燈也不適合，所以，高壓鈉燈對鎮(zhèn)流器的要求是很高的，要制作高品質的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器還是比較困難的。眾所周知，高壓鈉燈是在高頻電流下點燃的氣體放電燈，會產生放電管聲共振現(xiàn)象，這是由燈管內壓力波的脈動從管內壁反射回來，若與燈高頻電流的脈動成分相位相同，形成駐波，即產生聲共振[2]，其表現(xiàn)為：
1）電弧管體內有音頻噪聲；
2）電弧管內電弧發(fā)生閃爍、扭曲、翻滾等現(xiàn)象，同時燈電壓不穩(wěn)定，嚴重時將會發(fā)生熄弧或使燈損壞。
因高壓鈉燈的電弧管細長呈圓柱形，電弧易穩(wěn)定，試驗表明在8～150kHz率之外基本上可以避免聲共振和電弧的不穩(wěn)定現(xiàn)象。低頻方波點燈將會降低燈的光效，頻率太高會有射(高)頻干擾，并且對燈的引線長度有限制（限制在2m內），所以，可以在適當?shù)母哳l下，采用可變頻率技術，來消除聲共振。
根據(jù)對高強度氣體放電燈高頻變換器技術的研究，結合高壓鈉燈的工作特性，歸納高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的主要技術要求如下：
1）能提供3～5kV電壓（比熒光燈高3～5倍），且脈沖寬度≤2μs，具有足夠能量的高頻高壓來觸發(fā)啟動，完成湯姆遜放電（離子放電）→過渡放電→輝光放電→弧光放電的啟動過程；
2）具有較強的非線性負載適應性，特別是觸發(fā)啟動瞬間，高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器相當于輸出短路狀態(tài)，具備恒功率或恒電流控制能力，保證電弧管體內放電電弧穩(wěn)定，避免光通量閃爍；
3）能消除聲共振，避免放電電弧出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，而使燈光抖動或燒毀；
4）高頻逆變電路具有較強的抗電磁干擾能力，其功率因數(shù)高、功率高、可靠性高、成本低、可實現(xiàn)短路、開路、過壓、過流、過熱的保護，能在戶外長期工作，且使用壽命長[1]。
2 太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的設計原理及控制方法
市電供電的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器本質上是AC/DC/AC高頻變換器，而太陽能獨立供電的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器是蓄電池供電，電路結構簡潔，本質上是DC/AC高頻變換器，其電路框圖如圖1所示。白天將太陽能儲存在蓄電池中，晚上可以通過檢測電池板電壓來定時啟動。將蓄電池中低壓直流電壓通過逆變電路變成高頻電壓，再通過高頻升壓變壓器后供給高壓鈉燈。電壓檢測為檢測電池板的電壓，電流檢測是為構成電流環(huán)。啟動電路是為高壓鈉燈提供3～5kV、脈沖寬度≤2μs的瞬間高壓來觸發(fā)高壓鈉燈。由于氣體放電燈具有負阻特性，而在高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器電路控制下變?yōu)檎杼匦裕?