节能电感镇流器的设计原理

1、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,5,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

2、与一般传统电感镇流器的区别在于三个基本参数： 镇流器功耗限定的上限值， 系统功率因素的最小值 最大启动电流。,7,节能要求,8,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0.430.55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0.10.12F; 高压汞灯每瓦大约需补偿0.10. 12F ； 高压钠灯每瓦大约需补偿0.120.13F :,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 2.1,10,能效因数 Ballast EfficatyFactorBEF,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）：,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

3、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。,13,2、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。,17,3.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：,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。,19,4、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

4、。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,引入铁芯的占空系数kc和铜线的占空系数km，得：,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，镇流器的效率最大。,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

5、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： 可以通过简单的时基电路实现 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。,32,2、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

6、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 220 50Hz 400 110+20 300 NG250 220 50Hz 250 110+20 180,38,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：,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=NN1=517-409=106 计算所需导线直径为 :,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：,41,镇流器自身能耗的计算: 铁耗：铜耗：总损耗为31.7W,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

7、、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。,43,LC镇流器的特性,优点： 稳流特性好 功率因数比一般的电感镇流器高。 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,45,LC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=1.12,46,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)：,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,在LC镇流中，重复电离电压Vb与L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L=45,则：,50,LC镇流器的设计原理,已知电源电压V，灯电压VP，灯电流iP，计算L、C值 ： 确定P值 ：,51,计算L值,52,计算C值,根据P2=1/(2LC)，求未知量C 计算功率因子：,校正：由于LC镇流器的二次启动电压Vb值不是一个精确的值，在一定的范围内随灯管不同而不同，在整个寿命期间也会发生变化，因此，合理地选取此值很重要。 L、C值确定后，必须根据实验进行验证，校正。,53,联系人： 刘跃群 复旦大学电光源研究所 02165642771赵旻莉 国际铜业协会（中国） 01068042450-19,54,谢谢大家,

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