当前位置：文档之家 › HID 灯整流效应

HID 灯整流效应

  • 格式：pdf
  • 大小：476.55 KB
  • 文档页数：5

分布式电源系统中

组合式三相逆变器锁相控制策略研究

Research on the Phase-Locked control method

of three-phase combined inverter in Distributed Power System

南京航空航天大学 王建华，刘磊，张方华，龚春英，马义林

Email: zjnjgcy@nuaa.edu.cn

摘要：本文提出了一种基于锁相技术的组合式三相逆变器控制策略，详细分析了锁相技术的基本工作

原理及锁相控制策略，并给出了锁相环电路的关键参数设计及实验验证。通过仅远程采样某相负载电压进

行信号解调，解决了传统组合式三相逆变器存在着的各相之间相位通讯线长距离通信时易受干扰，导致各

相输出电压相位差较大的问题，并能够实现同规格不同设计逆变器模块之间的组合工作。该控制策略具有

简单可靠，易于模块化实现，抗干扰能力强，三相输出电压对称性好，兼容扩展性能突出优点。三相3.6kVA

原理样机实验及其美制产品组合实验验证了该控制策略的可行性及正确性，证实其具有重要的工程应用价

值。 Abstract：A novel control method for three-phase combined inverter is proposed based on

phase-locked loop (PLL) technology, and fundamental working principles are analyzed in detail.

Key parameters of PLL circuit is presented and verified by experiments. The problem that phase

information communicated in long wire may be disturbed is solved by demodulation of one phase

output voltage at load terminal. Symmetrical three-phase output voltage may be get this proposed

control method is simple, reliable and easy to implement, which is immune to interface with good

symmetrical three-phase voltage output, even with different inverter model combined together.

Experimental results of 3.6kVA three-phase combined inverter prototypes and one single-phase

inverter prototype combined with another product made in U.S.A are presented to verify the

validity and feasibility of proposed control method, which is of important applied value in

engineering

关键词：锁相环，组合式三相逆变器，解调，对称输出电压

Key Words: Phase-locked loop (PLL), three-phase combined inverter, demodulation, Symmetrical output

voltage

0引言

三相逆变器广泛应用于大功率或三相

四线制负载供电场合，其电路拓扑主要有基

于H桥拓扑衍生而来的三相全桥式、三相半

桥式、三相四桥臂式和组合式等结构[1]。但

前三种逆变器拓扑，三相集成在一起，且需

要统一的控制器实现三相电压输出，很难满

足分布式供电系统负载终端供电三相对称

性及单相/三相供电的要求。由于目前越来

越多采用分布式架构的航空航天供电系统

及风力发电系统等新能源发电系统中，负载

终端相对分散，物理空间距离较远。因此，组合式三相逆变器在分布式电源系统中得

到越来越多的应用[1-3]。

然而组合式三相逆变器本身仍存在固

有瓶颈：三相输出电压对称性直接受制于逆

变器之间相位信息通讯的准确性，导致当三

相各模块物理空间距离较远时，相位通信线

易受干扰，导致输出电压相位差较大，限制

了组合式三相逆变器的应用前景。针对相位

偏移问题，借鉴并网逆变及并联逆变系统中

锁相的概念，学术界及工业界从逐步将其引

入到三相逆变系统中来。文献[4]给出相位偏

移问题的数字锁相解决方案，锁相保证了逆

变器输出A相电压与同步信号同步,而在控制器中使B、C两相分别严格滞后A 相120

°，240°即可。该方案解决了相位偏移的

问题，但仍需引入主控制器，不能完成各相

完全解耦控制。文献[5]给出了模拟锁相解决

方案，实现各相独立控制，但三相共用一路

三角载波及时钟信号，仍不能真正意义上实

现完全解耦控制。

本文提出一种新的适用于组合式三相

逆变器锁相控制策略，通过远程采样某相负

载电压，通过高压信号线传递相位信号，在

其他相模块进行信号解调，获得其相位同步

信号，实现完全解耦控制下的三相对称电压

输出。本文第Ⅰ部分分析了目前组合式三相

逆变器相位通信的实质，指出相位通信线传

递的是基准方波同步信号与时钟信号，并提

出远程采样A相负载电压锁相控制策略。第

Ⅱ部分给出锁相控制策略原理分析与关键

参数设计方法。第Ⅲ部分给出了三相原理样

机实验结果，验证了前文提出了锁相控制策

略，进而完成了单相模块与美制AI2交流电

源两相组合实验，证实其具有实现同规格不

同设计逆变器模块之间的兼容工作能力，具

有较强的工程应用价值。

1理论分析

组合式三相逆变器由三个独立逆变器

模块组成，各模块完成直流输入电压Vin到

交流输出电压vo的转换，且vo跟踪基准正

弦电压vref。模块化设计保证了各模块主电

路参数和控制电路参数的一致性；各模块解

耦独立控制的优化可以保证各相输出电压

幅值的调节精度。那么若保证三相基准电压

对称，即幅值相等、频率相同、相位互差

120。，则可以确保三相输出电压对称。

在组合式三相逆变应用场合，为保证三

相基准电压对称，必须加入相位通信线，确

保基准相位互差120。。传统的组合式三相

逆变器采用同一时钟信号，避免不同晶振微

弱偏差的积累；同时设定初始相位互差

120。，且由某相基准方波信号同步另外两相，确保每周期误差不会累计到下一周期。

由于时钟信号及基准方波信号为边沿触发

有效的弱电信号，长距离传输不可避免受到

干扰，极易导致三相输出相位偏差较大。

从上文分析可知，相位通信线传递的同

步信号实质上包括共同的时钟信号及基准

方波信号。如何分离出共同的同步信号，且

确保不受外界干扰成为解决三相输出电压

对称性的关键问题。

从本质上来讲，功率变换电路与信号处

理电路类似，前者处理功率信号，后者处理

信息信号，均可视为某一特定波形信号发生

器。功率变换电路所处理的功率信号波形不

仅包含能量信息，同时也包含有信息信号。

逆变器完成直交能量转换的同时，亦完成从

时钟信号→基准方波信号→基准正弦波信

号→逆变桥桥臂中点方波信号→正弦输出

电压的信号调制过程，获得与时钟信号同步

的正弦输出电压。从信号处理及对偶原理角

度，同时存在有信号解调逆过程：正弦输出

电压→基准方波信号→时钟信号，可以获得

与正弦输出电压同步的时钟信号。因此利用

输出某相正弦输出电压，或负载端某相电

压，甚至同规格不同设计逆变器输出电压均

可获得基准方波信号及时钟信号作为相位

通信线传递的同步信号。由于采样负载端电

压为较强的功率信号，抗干扰能力较强，能

够解决弱电信号长距离传输时易受干扰的

问题。

2锁相控制策略

为实现正弦输出电压→基准方波信号

→时钟信号的信号解调过程，需要引入锁相

环（Phase Locked Loop，PLL）技术。简单

地说，PLL电路是用于产生与输入信号相位

同步的新的信号的信号电路[6-10]。具体可利

用锁相环内部鉴相器（Phase Detector, PD）

比较输出信号与输入信号相位差，其输出电

压经环路滤波器（Loop Filter, LF）低通滤波

后，控制压控振荡器（Voltage Controlled

Oscillator，VCO）输出信号频率逐步接近输

入信号频率，当两者一致，即实现锁相。

为获得基准方波信号N倍频的时钟信号，可在锁相环电路中插入一级分频电路，

具体如下图1所示，其中fin为采样A相负

载电压获得的低压方波信号，fout/N为基准

方波信号，fout为时钟信号。

ABCDoutf

outfN锁相环电路

(PD)鉴相器环路滤波器关键 (VCO)压控振荡器

1N分频器 inf输入信号

outfN反馈信号 outf输出信号直流电平信号相位差

频率发生电路

图 1锁相环电路框图

Fig.1 Block of Phase-locked Loop (PLL) Circuit 注意到图1所示PLL电路为一相位负

反馈电路，实现相位补偿的环路滤波器成为

设计的关键。那么首先要求出包含鉴相器、

VCO、分频器在内的开环传递函数，为设计

稳定的环路滤波器作准备。 iθ鉴相器环路滤波器压控振荡器

分频器 inf输入信号

outfN反馈信号

1NoθdvcvvθdK()FsvK

()ddiovKθθ=−()cdvFsV=vvcKvsθ=

voNθθ=

(a)PLL小信号模型框图

90−090180

0环路增益幅频曲线

Hz频率/20/dBdec−

cf2vpcKKfNπ⋅=⋅/dB

幅值/o相位

环路增益相频曲线

(b)开环传函波特图

图 2 PLL开环传递函数

Fig.2 Open loop transfer function of PLL 鉴相器是将输入信号的相位θi与分频

器输出信号θo进行比较，并输出电压vd。

若鉴相器的增益为Kd,则有vd=Kd(θi-θo)。

设环路滤波器传递函数为F(s),则其输出电

压vc= F(s) vd。由于VCO输出振荡频率与其

输入电压vc成正比，则有fv=Kvvc。注意到

鉴相器对相位进行比较而不是对频率进行

比较，而且相位是频率对时间的积分，可表示为dvv/dt=fv=Kvvc (t)，进一步进行拉普拉

斯变换，可得sθv(s)= Kv vc (s),即θv(s)= Kv

vc (s)/s。对于分频器来说，与频率对应的相

位为1/N,则有θo=θv/N。那么开环传递函数

为Kd KvN/s，整体上为积分特性产生90。相

位滞后,如图2所示。因此，插入一个简单的

滞后滤波器F(s)=1/(sτ+1)之后，就可以使

幅频曲线在频率段超过1/ωτ=的部分趋于-40dB/dec，获得满意的阻尼值，且在频率

转折处增加45。的相位滞后。具体可以采用

无源RC低通滤波器实现相位补偿(其中RCτ=),来获得合适的截止频率及相位裕度，获得较好的动静态性能。

注意到该环路滤波器中并不包含积分

器，F(0)=1,使得整个环路DC增益有限，因

而静态相位误差无法消除，需要进行相位补

偿。同时，由于信号的调制解调过程包含从

某相时钟信号→某相基准方波信号→某相

合集下载

HID汽车前照灯配套电子镇流器中逆变电路设计与分析

HID汽车前照灯配套电子镇流器中逆变电路设计与分析

HID 汽车前照灯配套电子镇流器中逆变电路设计与分

析

1 引 言

目前，HID 汽车以其光效高，显色性好，寿命长等优点得到了广泛关注。

与之配套的电子镇流器也成为当前电源研究中的一个热点。由于大部分汽车

HID 灯是交流灯，因此电子镇流器必须提供交流电流和交流电压。大多数两

级式的电子镇流器均采用逆变电路作为输出级。

为了抑制 HID 灯，特别是短弧金属卤化物灯的声共振问题，经常采用低频

交流方波供电[1-3]的策略，但为了快速点灯以及维弧，在点灯的开始阶段，

逆变电路的工作模式与过渡和稳定阶段的工作模式都还存在着很大的不同。

总结如下：①在启动阶段，选择某一对角开关开通，以保证可靠启动。②在

预热和维弧阶段，通常只需一个周期，即可保证辉光向弧光的稳定过渡。一

个周期的长度与灯启动时刻的状态，即冷灯启动。还是热灯启动有关，也与

灯的老化程度有关。一般来说，冷灯启动时，预热的周期短，而灯熄灭后，

短时等待再启动情况下的周期长;老化严重的灯预热周期长。为了避免电极的

不对称烧损。控制程序必须保证每个半波中的电流即时间积分相等。③在过

渡期间和稳态期间，逆变频率约为 400Hz，占空比为 50%。

为产生较好的方波电流以及兼容预热期间的长周期，通常采用的是全桥逆

变电路拓扑。在全桥电路中，必须仔细考虑两个上部开关管的驱动方案。对

此，①从成本和体积角度来考虑，如果采用 3 个独立的电源来作控制电源方

案。显然不合理。②如果采用集成自举芯片，如：IR2110 或 BA2030 等，则

因自举电容需要预充电。其电容量不能太小，还需要兼顾多个频率段的要

求，会增加系统体积;此外，工作前，还要先为自举电容充电，以满足启动时

氙气灯和高压钠灯

氙气灯和高压钠灯

一、氙气灯的概念

氙气灯是一种含有氙气的新型大灯，又称高强度放电式气体灯，英文简称 HID

（ Intensity Discharge Lamp ） 。它的原理是在 UV-cut 抗紫外线水晶石英玻璃管内，以多种化学气体充填，其中大部份为氙气（ Xenon ）与碘化物等惰性气体，然后再透过增压器（ Ballast ）将车上 12 伏特的直流电压瞬间增压至 23000 伏特的电流，经过高压震幅激发石英管内的氙气电子游离，在两电极之间产生光源，这就是所谓的气体放电。而由氙气所产生的白色超强电弧光，可提高光线色温值，类似白昼的太阳光芒， HID 工作时所需的电流量仅为 3.5A ，亮度是传统卤素灯泡的三倍，使用寿命比传统卤素灯泡长 10 倍。

二、氙气灯（ HID）的发光原理

汽车氙气灯与传统卤素灯不同，这是一种高压放电灯，它的发光原理是利用正负电刺激氙气与稀有金属化学反应发光，因此灯管内有一颗小小的玻璃球，这其中就是灌满了氙气及少许稀有金属，只要用电流去刺激它们进行化学反应，两者就会发出高达 4000K-12000K 温度的光芒。它采用一个特制的镇流器，利用汽车电池 12V 电压产生 23000V 以上的触发电压使灯启动。启动时 0.8 秒的亮度是额定亮度的 20% ，达到卤素灯的亮度，并使大灯 4 秒以内达到额定亮度的 80% 以上。在灯稳定后镇流器向灯提供约 80V 供电电压，保持灯以恒定功率运转。

三、氙气灯（ HID）的性能特点

1、亮度高： 一般的 55W 卤素灯只能产生 1000 流明的光，而 35W 氙气灯能产生

3200 流明的强光，亮度提升 300% ，拥有超长及超广的视野，为你带来前所未有的驾车舒适感；让夜晚不再黑暗，视野更清晰，可大大减少行车事故率。

2、寿命长： 氙气灯是利用电子激发气体发光，并无钨丝存在，因此寿命较长，约为 3000

小时，大幅度超越汽车夜间行驶的总时数，而卤素灯只有 250 小时。

基于APFC电路的HID灯电子镇流器设计

基于APFC电路的HID灯电子镇流器设计

基于APFC电路的HID灯电子镇流器设计

摘要电子镇流器是一种电源变换装置,由于HID灯负载对电子镇流器的特殊要求而增加其设计的复杂性。讨论HID灯电子镇流器中APFC电路的设计。

关键词HID灯;电子镇流器;APFC电路

高气压放电光源由于气体放电电流密度大、发光亮度高,习惯上被称为高强度气体放电(High Intensity Discharge)灯,简称HID灯,广泛应用于广场、码头、车间、道路等室外照明环境中,在当今照明系统中占有重要的地位。在低压放电灯电子镇流器的基础上研制适用于HID灯的高性能电子镇流器对HID灯的推广具有重大的现实意义,可以达到进一步节能和提高照明效果的目的。

为了减小在限流元件中的能量损耗,HID灯一般采用不消耗有功功率的电抗性元件。由于HID灯自身的负阻特性,决定了其必须和限流元件——镇流器相串联才能稳定工作。

1APFC电路的原理

APFC电路置于桥式整流电路与滤波电解电容之间,实际上是一种DC-DC变换器。APFC电路主要有升压(Boost)、降压、升压——降压和回扫四种类型。由于Boost型APFC电路在一定的输出功率下可以减小输出电流,从而可以减小输出滤波电容的容值和体积,故在电子镇流器中被广泛采用。

Boost型APFC电路的基本原理如图1所示,主要由APFC控制芯片、功率开关管VT1、升压电感器L1、升压二极管VD5、输出滤波电容C1及反馈环路所组成,其核心是APFC控制芯片。APFC电路的工作原理是基于升压电感L1的电流与电压之间的物理关系。

图1Boost型APFC电路原理图

当开关管VT1导通时,升压二极管VD5截止,滤波电容C1通过负载放电。当VT1由导通跃变为关断时,L1产生的突变电势使VD5正向偏置而导通,L1中的储能经VD5释放,对C1充电。由于VT1和VD5交替导通,使整流电路输出电流经L1连续流动。这就意味着整流二极管在交流电源电压的半个周期内,导通角趋于180°。APFC电路一般都采用双环反馈控制方法。内环反馈的作用是将全波整流输出直流脉动电压(实质上就是交流输入电压)通过R1、R2组成的电阻分压器采样输入到APFC控制芯片,以保证L1的电流时刻跟踪输入电压按正弦规律变化。通过L1的三角形高频电流的峰值包迹波正比于输入交流电压,所以L1的平均电流呈正弦波形,这就意味着电源输入电流也呈正弦波形。外环反馈用作APFC电路输出直流电压的反馈控制。直流输出电压被检测后输入到APFC控制芯片,芯片输出PWM驱动信号调节功率开关的占空比,以使输出电压稳定。

HID灯与LED灯的对比分析

HID灯与LED灯的对比分析

HID灯与LED灯的对比分析

HID灯是指高压气体放电灯的总称，即英文缩写HID（High intensity

Discharge ），它通过灯管中的弧光放电，再结合灯管中填充的惰性气体或金属蒸气产生很强的光线。而LED灯是应用二极管发光的原理开发的灯具产品。

一、两种产品基本介绍及特性对比

1、HID灯

目前高压钠灯、（荧光）高压汞灯、氙气灯、金卤灯都属于HID灯。他们都有着相似的特性，氙气灯与金卤灯是在前面两种灯的基础上近期发展起来的，所以在此以金卤灯作为HID灯的代表与LED灯进行比较。

金卤灯是交流电源工作的，在汞和稀有金属的卤化物混合蒸气中产生电弧放电发光的放电灯，金卤灯是在高压汞灯基础上添加各种金属卤化物制成的第三代光源。金卤灯具有高光效(65～140lm/w)，长寿命(5000～20000h)，显色性好(Ra65～95)结构紧凑、性能稳定等特点。它兼有荧光灯、高压汞灯、高压钠灯的优点、克服了这些灯的缺陷，汇集了气体放电光源的主要优点。尤其是光效高、寿命长、光色好三大优点，因此金卤灯发展很快，用途越来越广。市场上的金卤灯同其它气体放电灯一样，灯内的填充物中有汞及金属卤化物，这些物质有的是有毒物质，处理不慎会造成对生产环境污染，有损工人的身体健康，电弧管排气时，有微量的汞蒸气排出,若处理不当，会直接排入大气，当使用的灯破损时，皆会对环境造成污染。但它是一种最接近日光色的节能新光源，广泛应用于体育场馆、展览中心、大型商场、工业厂房、街道广场、车站、码头等场所的照明。

2、LED灯

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。普通的LED灯只能发出单色光，对于照明而言，人们更需要的是白色光源，1998年发白光的LED才开发成功。LED光源具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点，但价格较现有照明器材贵，特别是大功率LED照明灯还需要进一步加大科研开发力度。