高压钠灯电子镇流器产品技术

高压钠灯电子镇流器产品技术

核心提示：城市照明是我国电力消耗的一个重要方面，高压钠灯是我国当前道路照明中所普遍采用的光源。本文针对高压钠灯的节能现状，研究了两种典型的节能技术：调压式节能和电子镇流器。重点介绍了电子镇流器的工作原理、实用电路和技术瓶颈，并在多个指标上对比分析了电子镇流器的优缺点，概括了影响电子镇流器推广使用的关键因素，给出了解决思路。

摘要：城市照明是我国电力消耗的一个重要方面，高压钠灯是我国当前道路照明中所普遍采用的光源。本文针对高压钠灯的节能现状，研究了两种典型的节能技术：调压式节能和电子镇流器。重点介绍了电子镇流器的工作原理、实用电路和技术瓶颈，并在多个指标上对比分析了电子镇流器的优缺点，概括了影响电子镇流器推广使用的关键因素，给出了解决思路。

关键词：高压钠灯电子镇流器节能绿色照明

1 引言

绿色照明产业在世界的兴起使得电子镇流器倍受青睐。据统计，若将全国高压气体放电灯都换上电子镇流器，全国全年可节电246 亿千瓦时，可解决目前全国1/3的电力缺口。2000 年，美国能源部（DOE）颁布了新的镇流器标准，并要求自2006年4月1日起，所有新建的商业固定设备都必须使用高效的电子镇流器，2010年7月1日以后，大多数可替换设备必须使用电子镇流器。国家发改委高新技术产业司刘锦荣司长2004年11月19日指示：“集中精力运用高新技术进行突破，要在照明节能上为国家做出贡献”.国家发改委在2004年11月25日发布的《节能中长期专项规划》中，将“高强度气体放电灯电子镇流器”技术列为最新的“节能重点领域和重点工程”,与国家重点建设的“绿色照明工程”配套。

许多科研单位、大专院校和厂矿企业为了攻克此项目付出了重大的代价。但时至今日，虽然运用各种电子方式将高压钠灯点亮已不再是什么问题；虽然我国在高压钠灯电子镇流器技术的方面有了近20项的专利发明技术；虽然全国各地有过无数次高压钠灯电子镇流器的产品成果发布会；虽然有许多的省市为高压钠灯电子镇流器进行了大张旗鼓的重点项目的推广，但是，大功率气体放电灯电子镇流器在我国并未完全解决技术性能和可靠性等方面存在的难题，无法进入实用阶段。就连国外的一些专业生产高压钠灯的大企业，如荷兰飞利浦公龙富华高效节能路灯成为国家级“高效照明节电技术最佳实践案例”唯一路灯方案一三一八

司至今，也不轻易推出大功率气体放电灯电子镇流器。国内各家纷纷嚷嚷声称那些“处于国际领先地位”的高压钠灯电子镇流器都如同昙花一现。于是大功率气体放电灯也出现了如同当年荧光灯用交流电子镇流器初期时的现象，人们已不再相信会有质量稳定可靠高压钠灯电子镇流器存在。上海市路灯管理中心总是在积极地鼓励与配合全国在此领域新技术的推广和试用，但无数次试用的失败已令其望而却步，小心行事。

本文扼要系统地介绍路灯节能技术的基础上，重点分析目前两类具有代表性的高压钠灯的节能技术：

调压控制和电子镇流器，并对电子镇流器中存在的技术问题，提出了预期的解决方案。

龙富华节能产业集团是唯一一家能够符合节能经济学规律的项目方案供应商；我们是节能行业的资本论。龙富华高效节能路灯成为2012年国家节能中心“高效照明节电技术最佳实践案例”路灯的唯一案例。在整个方案中采用高光效的光源、数字化的电子整流设备、高效的灯具等作为主要的技术载体，产品均通过国家一级能效认证，能够在传统电感镇流器路灯的基础上实现40%-65%的节能效果，能够精确地实现能效输出值，精确地实现节能效率。

龙富华在路灯节能领域，是国内首家具备节能量资产开发能力的合同能源管理公司。放弃传统的合同能源管理模式，采用节能量资产开发的合同能源管理模式是企业2013年的最佳路径。

龙富华节能产业集团是城市道路照明节能领域的领先者，是致力于我国道路节能照明领域产业竞争力提升的投资机构和管理机构。

龙富华在城市道路节能照明领域：道路节能照明、广场节能照明、机场码头节能照明等方面，在项目开发的技术机制和商业机制上具有稳健性，在城市能耗节约和环境改善方面具有可持续性。

2 调压式节能最简单而且实用的路灯节能方式是：智能光源稳压分时调光技术。将稳压调光装置安装在路灯配电回路的起端，在前半夜提供路灯的电压为全压，接近午夜时分，开始降低路灯的供电电压，在后半夜车稀人少时，进一步降低电压。它的节电原理有二，其一是在220V至198V之间分时调节高压钠灯的供电电压；其二是由于后半夜电网用户少，负荷低，电网电压高于220V,而过压将额外消耗部分电能，采用该装置则避免了这部分的浪费。根据工程实践，它的节电效果在20%左右。采用这种装置，不仅节约了电能，不影响照度均匀度，而且能够避免光源过压运行，延长了光源电器的寿命。

最经典的调压节能方式是可控硅调压。双向可控硅是一种实用的半导体器件，它有体积龙富华高效节能路灯成为国家级“高效照明节电技术最佳实践案例”唯一路灯方案一三一八

龙富华高效节能路灯成为国家级“高效照明节电技术最佳实践案例”唯一路灯方案一三一八小，重量轻，效率高，寿命长，动作快以及使用方便等优点。目 前，交流调压器多采用双向可控硅调压。下面介绍的是一种用双向可控硅为主要器件来实现自动分时调压的主电路。该装置可同时连接、控制五盏路灯。如图一所示。工作情况如表1.

另有一种思路类似的可变功率镇流器，利用气体放电灯在工作电流适当减少时，仍能正常运行的原理，通过后半夜增加镇流器电抗，从而降低光源电流，减少路灯系统电耗中占主要比例的光源的电耗，达到路灯系统整体节能的目的。一般采用电子开关用来控制路灯降功率投入。其工作过程如下：

1）正常情况下，逻辑控制单元控制电子开关闭合（短路），外部电压直接通过电子开关加到路灯电路上，使路灯工作在额定功率状态。

2）降功率控制情况下，逻辑控制单元控制电子开关打开（开路），控制外部电压只能通过降功率电感加到路灯电路上。此时，路灯电路感性负载增加，路灯工作电流降低，

从而使

路灯功率下降，耗能降低，达到节能的效果。

3）当电网电压偏低或光源状况不佳，降功率运行将可能出现闪烁时，即使在降功率运行时间段，控制电路也将自动控制电子开关在闭合状态，避免路灯熄灭。

3 电子镇流器电子镇流器的节电效果明显，文献报道一般是30%~40%,而且功率因数很高，一般都达到0.97以上。目前，HID电子镇流器的技术瓶颈是性能稳定性，即使用寿命问题。电子镇流器是将工频（50HZ/60HZ）交流电变换为高频率的交流电，并能使一个或几个HID

灯正常启动和稳定工作的变换器。

3.1 基本原理：用电子元器件组成高频变换电路。先将照明交流电源整流变成直流电，再由“逆变器”变为高频交流电，由振荡电路产生20~50KHZ的高频电压去启动和点亮HID灯，

经调整可正确与灯匹配，满足不同功率灯管的启动电压、灯电压和灯电流，达到正常工作。图二是一个经典的高压钠灯电子镇流器电路图。

其中，EMI模块和APFC模块已完全成熟，已经在600W的高功率高压钠灯得到了成功

应用。目前，影响高压钠灯电子镇流器可靠性与使用寿命是驱动电路，因为它们被直接暴露在高压（3~5kV）和高温（75℃左右）环境下。所以，在高压钠灯的电子镇流器设计环节中，

驱动电路、点灯启动电路与保护电路，是整个装置的核心，它直接影响到装置的可靠性与使用寿命。模块化的设计理念，有助于减小重复劳动，保证装置的性能。下面介绍一款简单的

适用于小功率的高压钠灯电子镇流器电路，如图三，基于IR2155的常见驱动电路拓扑图。龙富华高效节能路灯成为国家级“高效照明节电技术最佳实践案例”唯一路灯方案一三一八

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点火电路，即启动电路，是高压钠灯电子镇流器的第二个关键。高压钠灯点火电压为3kV~5kV,一般采用两种方式产生高压：（1）LC 谐振，（2）升压变压器。图四是将点火电路和驱动控制合二为一的半桥逆变型高压钠灯驱动电路。

3.2 电子镇流器特点和传统的电感型高压钠灯镇流器相比，HID 电子镇流器有以下优点：

（1）节电省钱比同规格电感镇流器节电25~30%,原因如下：

高频工作，提高灯发光效率。实验表明：光效随工作频率（50HZ~50KHZ ）提高而增加，同光照度下电子镇流器输入功率降低；自身功耗低，约为灯功率的5%（较电感镇流器降低15%

）；多管驱动和高功率的电子镇流器节电效果更显著；线路功率因数提高（由电感镇流

器的0.5提高到0.9以上），电网利用率相应提高，实现间接节能；发光效率高，产生热能小等用电量相应减少；功率因数高，输入电流减少，电力配线安装要求及成本降低；不需启辉器，省去更换时间和费用；（2）无频闪，发光柔和，有益保护视力；（3）启动快，不出现反复起辉、闪烁现象；有预热启动功能，大大延长灯管寿命；（4）工作宁静，无噪声，提高照明环境质量；（5）可用市电和直流电源供电，低压（150V）下能启动，允许电压波动范围宽（±10~15%）；（6）采用调频、脉宽调制（PWM）、光接收等技术，容易实现对荧光灯调光和光控智能开关；（7）具异常状态（灯开路、短路、过载等）保护功能，延长镇流器寿命；（8）体积小、重量轻，安装使用方便；

4 存在问题与对策高压钠灯电子镇流器在实际生产和使用中容易出现故障，给用户带来很大的损失，也给售后服务造成很大的负担。从表面现象看，出现故障时主要表现为功率开关管损坏，驱动集成电路损坏，高压触发电路失效，镇流器整体温升较高等。通过实验分析发现，造成故障的原因很多，归纳起来可以分为设计方面的因素和实施设计的工艺过程的因素。镇流器整机的设计要根据参数要求确定电路选定元器件，结构上也要作出与电路相适应的设计，同时整体的热设计也要作相应的考虑。由设计可靠性的概念可知，要使系统可靠，在设计时对各个组成部分都要有相当的冗余。一般说来，冗余度大则可靠性高。

但冗余度和经济性是有矛盾的，冗余度大势必造成投入和成本的增加。因此，要适度冗余。

高压钠灯启动时需要3kV~5kV的触发电压，灯管启动后负载特性由原来的开路状态转变为低阻状态，触发高压停止。但实际上灯管启动后触发高压不一定能够立即停止，对输出极开关管的供电端及前级推动集成电路的供电端产生影响，致使这两个器件供电端对地击穿短路，损坏推动集成电路和开关功率管，导致镇流器功能失效。这种现象往往在开启时发生。另外，输出极开关管工作时也会产生电压浪涌，这时开关管承受的电压至少两倍于供电电压龙富华高效节能路灯成为国家级“高效照明节电技术最佳实践案例”唯一路灯方案一三一八

甚至更多，会损坏输出级开关管，出现源-漏级之间击穿短路。前级推动集成电路的供电是由输出级供电端耦合降压供给的，电压浪涌使输出级产生变化，使得集成电路的供电端电压瞬间急剧增加，造成集成电路击穿短路。虽然在推动级集成电路供电输入端都设有稳压装置，但这种稳压都比较简单，跟不上浪涌电压的速度。因此，在瞬间高速浪涌电压到来时，还未来得及稳压，电路已被击穿。

解决上述问题的途径有两个：一、采用新的器件，如耐压高、成本低的MOS管，市场已耐压高达6kV的IGBT,IGCT或MCT也可解决击穿问题，但昂贵的价格使得它们都不适用于电子镇流器。二、创新的设计思路。高压钠灯正常工作是灯端电压只有50V~70V,如果能将点火电路，即3kV~5kV的触发电压产生电路，与正常的驱动电路隔离开，则有望解决稳定性问题。正如当年的APFC技术为日光灯电子镇流器带来广阔天地一样，解决高压钠灯电子镇流器必须使用新的设计思路或新的器件。

最后，对于高压钠灯电子镇流器来说，必须依从其标称参数而设计电路。如果靠硬性多元结合进行设计，可靠性很难得到保证。有些企业的盗版行为，如找一些做得较好的产品抄板，你用谁的电容我也用，你用什么晶体管我也跟着走，结果做出的产品可靠性很差，往往寿命只有一到两月。这里需要指出的是，尽管选用的元件和抄来产品上的元件是同一个型号，甚至是同一个厂出品，但有一些具体指标却相差甚远。如：磁性材料温度特性，频率特性，初始磁导率，有效磁导率等参数，虽然型号一样，材质一样，同一批次的离散性和不同批次的相差很远，不能拿来就用。要做好电子镇流器，就必须在元件参数设计上下一番功夫，只有设计出符合自己产品的重要参数标准，才能生产出性能稳定的高质量电子镇流器。

5 结语伴随经济发展的是环保污染的日益恶化，无锡太湖蓝藻问题所反映的事实是：小化工、小炼油并不是环境污染的唯一来源，控制单位GDP的能源消耗是解决污染的有效途径之一。美国在G8峰会上与日欧就排放问题达成的妥协，也对我国的能源问题提出了挑战。国务院、国家发改委等多个部门已将节能措施作为返税的重要考核指标之一。路灯，作为电力部门的一个能源消耗大户，其节能技术已得到各级电力部门的重视。研究改进电子镇流器的稳定性，提高其节能指标，是一个技术价值与经济价值并重的课题。

灯具的分类（2）

对称配光型（非对称配光型）symmetrical (asymmetrical) luminaire

具有对称（非对称）光强分布的灯具。对称性由相对一个轴或一个平面确定。

直接型灯具direct luminaire

能向灯具下部发射90%～100%直接光通量的灯具。

半直接型灯具semi-direct luminaire

能向灯具下部发射60%-90%直接光通量的灯具。

漫射型灯具diffused luminaire

能向灯具下部发射40%～60%光通量的灯具。

半间接型灯具semi-indirect luminaire

能向灯具下部发射10%～40%直接光通量的灯具。

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间接型灯具indirect luminaire

能向灯具下部发射10%以下的直接光通量的灯具。

广照型灯具wide angle luminaire

使池在比较大的立体角内分布的灯具。

中照型灯具middle angle luminaire

使光在中等立体角内分布的灯具。

深照型灯具narrow angle luminaire

使光在较小立体角内分布的灯具。

普通灯具ordinary luminaire

无特殊的防尘或防潮等要求的灯具。

防护型灯具protected luminaire

有专门防护构造外壳、以防止尘埃、水气和水进入灯罩内的灯具。表示防护等级的代号通常由特征字母IP 和两个特征数字组成。

防尘灯具dust-proof luminaire

不能完全防止灰尘进入，但进入量不妨碍设备正常使用的灯具。

尘密型灯具dust-tight luminaire

无尘埃进入的灯具。

防水灯具water-proof’ luminaire

在构造上具有防止水浸入功能的灯具。如防滴水、防溅水、防喷水、防雨水等。

水密型灯具underwater luminaire

一定条件下能防止水进入的灯具。

水下灯具underwater luminaire

一定压力下能在水中长期使用的灯具。

防爆灯具luminaire for explosive atmosphere

用于爆炸危险场所，具有符合防爆使用规则的防爆外罩的灯具。

隔爆型灯具flame-proof luminaire

能承受灯具内部爆炸性气体混合物的爆炸压力，并能阻止内部的爆炸向灯具外罩周围爆炸性混合物传播的灯具。

增安型灯具increased safety luminaire

在正常运行条件下，不能产生火花或可能点燃爆炸性混合物的高温的灯具结构上，采取措施提高安全度，以避免在正常条件下或认可的不正常的条件出现上述现象的灯具。

可调试灯具adjustable luminaire

利用适当装置使灯具的主要部件可转动或移动的灯具。

可移工灯具portable luminaie

在接上电源后，可轻易地由一处称至另一处的灯具。

悬吊式灯具pendant luminaire

用吊绳、吊链、吊管等悬吊在顶棚上或墙支架上的灯具。

升降悬吊式灯具rise and fall pendant luminaire

利用滑轮、平衡锤等可以调节吊高的悬吊式灯具。

嵌入式灯具recessed luminaire

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安全或部分地嵌入安装表面内的灯具。

吸顶灯具ceiling luminaire, surface mounted luminaire

直接安装在顶棚表面上的灯具。

下射式灯具downlight

通常暗装在顶棚内使光集中于小光束角内的灯具。

壁灯wall luminaire

直接固定在墙上或柱子上的灯具。

落地灯floor lamp

装在高支柱上并立于地面上的可移式灯具。

台灯table lamp

放在桌子上或其它连接电源的便携式灯具。

手提灯hand lamp

带手柄的并用软线连接电源的便携式灯具。

投光灯projector

利用反射器和折射器在限定的立体角内获得高光强的灯具。

探照灯searchlight

通常具有直径大于0.2m的出光口并产生近似平行光束的高光强投光灯。

泛光灯floodlight

光束发散角（光束宽度）大于10°的投光灯，通常可转动并指向任意方向。

聚光灯，射灯spotlight

通常具有直径小于0.2m的出光口并形成一般不大于0.34rad（20°）发散角的集中光束的投光灯。

应急灯emergency luminaire

应急照明用的灯具的总称。

疏散标志灯escape sign luminaire

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