一种高效的柔性智能照明节电控制装置

摘要：提出一种以串联调整式PWM交流斩波器构成的照明节电控制装置，用于集中控制一组照明灯具以达到节电的目的。为提高该节电装置的效率，进一步采用了非互补PWM交流斩波器控制法和器件并联技术。此外，为使该节电装置能适应各种照明负载，系统采用变压器初级短路的旁路抗冲击技术。实验结果证明，所开发的智能节电装置效率和可靠性非常高，适合于多种不同类型的负载。
关键词：斩波器；串联补偿；器件并联

1 引言
传统的照明装置如路灯照明系统是一种刚性照明系统，作为负载的灯具被动地从市网吸收电能。随着市网电压波动，灯具吸收的功率大幅变化，产生的照度也仅与市网电压有关。如果按照人们社会活动和日常生活规律对照度的实际需要来灵活、主动地控制灯具照度，将会节省很大一部分电能，这样的照明系统称为柔性照明控制系统。该装置应满足以下要求：①作为节电控制装置，自身效率必须很高；②必须能适合于不同类型的灯具负载；③具有较高的运行稳定性和可靠性；④装置的成本低、重量轻和体积小。
对大宗照明负载而言，较简单有效地控制灯具功率的方法是集中控制施加在灯具上的电压。由双向晶闸管构成的相控斩波电路具有控制简单、可靠性高的优点，但会在市网中引入大量低次谐波。用纯Buck或Buck／Boost式PWM高频交流斩波器可很好地控制输出电压．并无谐波引入。但抗负载冲击能力有限，效率达不到上述要求。串联补偿式PWM交流调节器虽具有效率高和无谐波污染的优点，但冲击电流还是会损坏斩波器。在此介绍了一种主电路由串联补偿和Buck型交流斩波器构成的节电控制装置。

2 节电控制装置主电路及其工作原理
图1为照明节电控制装置的主电路。

该电路由Buck型PWM交流斩波器、LC滤波器、串联补偿变压器构成。VT1，VT2和VD1，VD2构成双向斩波开关，VT3，VT4和VD3，VD4构成双向续流开关。L1为交流斩波器的滤波电感，C1为滤波电容，Tr为串联补偿变压器，S1为斩波输出的倒相开关，VT5为双向晶闸管固态开关。
当PWM脉冲为高电平时，双向斩波开关工作，斩波输出电压为交流输入电压；当PWM脉冲为低电平时，双向续流开关工作，斩波输出电压为零。设输入交流电压为：

式(4)说明，控制d可对uo进行调节，而采用倒相换接开关后，经调节的uo可高于或低于ui。当期望的uo高于ui时，倒相换接开关为S1-1，公式取“+”号；反之，当期望的uo低于ui时，倒相换接开关为S1-2，公式取“-”号。

3 系统运行效率的分析及提高措施
众所周知，串联调整式结构具有较高的系统运行效率，因为串联变压器和功率变换器仅传输较小的系统功率补偿量。忽略其他损耗，系统的损耗近似等于斩波器的损耗和串联变压器的损耗。系统的总效率主要取决于交流斩波器和串联变压器，可表示为：
η=1／[1+r(1-ηcηt)] (5)
式中：r为电压补偿范围；ηc，ηt分别为斩波器和串联变压器的效率。
假设r=0．3，ηc=ηt=95％，根据式(5)计算的η高达97．2％，但仍低于节能器的国家标准，而且若不采取一些特殊的措施，ηc很难达到95％。因此这里采取如下一系列措施来进一步提高所研发的节电控制装置的效率。