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正弦波调光器的工作原理

2019-09-23 09:53:57      点击:

一、关键词名词解释

(1)可控硅(SCR):正式名称是反向阻断三端晶闸管,简称晶闸管(thyristor)

(2)绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT):新一代半导体电力开关器件,是一种复合器件,其输入部控制部分为MOSTER,输出级为双极结型三极晶体管。

(3)IGBT正弦波调光器:采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)做大功率器件,将输入有正负弦谐振波的交流电和电压变成输出无谐振波的交流电和电压称为连贯性正弦波的调光器.

二、可控硅调光器的工作原理

在论述正弦波调光器的工作原理之前,首先回顾一下可控硅调光器的工作原理。如下图所示:

                 图1 可控硅调光器的主回路原理图

ui 输入电源电压,在我国为220V。uo调光器输出电压,外接灯泡。S1,S2 两个可控硅或一个双向可控硅。控制电路在交流电压过零点后延迟一个相位角去触发可控硅S1导通,直到下一个过零点可控硅被反相截止,下一个相位角再触发可控硅S2导通,直到再下一个过零点又被反相截止,这样周而复始地工作。

输入和输出波形如下:

               图2  输入电压电流随时间变化的波形

                                                                            

注:为使波形图整齐,纵坐标采用%,最大100%,最小 -100%。横坐标采用°/周期,最大360°/周期。原因是这些波形适合一个宽广的电压和频率范围。如果给定一个固定电压和频率,其适用范围将很小。

                       图3  可控硅调光器的输出波形

    这种输出电压波形在触发点处有一个很陡的前沿,电压突然从零跳变到输入值。如果用它去控制电阻性负载或电感性负载没有什么问题,如果用它去控制具有电容性负载的灯源时,由于电容器二端电压不能实变,于是会产生峰值很高的浪涌电流,这种浪涌电流会产生电磁干扰,破坏电网质量,甚至会损坏电气设备,一般通过串联电感性扼流线圈来降低它的上升时间,减少电磁干扰。因此可控硅调光器引入LC滤波环节。L2 输出滤波电感,C2输出滤波电容(其实这个电容主要指分布电容和负载电容)。其作用是使被斩波后的波形的前沿变为圆角。

                  图4 可控硅调光器增加了滤波环节后的输出波形

三.采用IGBT代替SCR

自从可控硅(晶闸管)发明以来,功率半导体器件从SCR(普通晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、TRIS(双向晶闸管)、BJT(双极型晶体管)又称为GTR(电力晶体管)、MOSFET(金属氧化物硅场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)发展到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压IGBT)、IGCT(集成门极换流晶闸管)。在中、高压功率应用中,要求将最为成熟的晶体管和晶闸管技术与高性价比的门极关断特性有机地结合起来。迄今为止,IGBT与IGCT是符合这种要求的最佳器件。IGCT适合用于低频率,大电流的场合。

只有IGBT才是中高频率,中功率应用的“正弦波调光器”功率器件的最佳选择。因而方达公司选择IGBT开发“正弦波调光器”。

在调光器的主回路不变的情况下,采用IGBT代替SCR。

                 图5  IGBT代替SCR后调光器的主回路示意图

在这种电路中若IGBT和SCR一样工作在相控方式,就会和SCR一样解决不了正弦波形被斩割和产生高次谐波干扰这二大问题,而且由于相控工作方式的工作电流不是在整个正弦波周期内流过控制器件的,因而电能的利用效率较低。输出波形如下

              图6  IGBT调光器工作在相控方式的输出波形

人们偏爱正弦波是因为正弦波形不包含谐波,没有谐波的危害,可以减少损耗并能提高效率。更进一步,电机﹑变压器和其它电气设备设计时都假定了供电电源是正弦的,从而简化了设计。所以想到充分利用IGBT的大电流下,整个周波可控的特点,采用PWM工作方式。使PWM调制波(载波)工作频率高达50KHz(载波频率越高,谐波含量越小,所需要的滤波电感及电容越小,输出电流和电压越逼近正弦波),用富立叶级数展开分析可知,电源电流中不包含低次谐波,只含有和开关频率50KHz有关的高次谐波。谐波电流随次数依次递减,加之滤波电感的存在,谐波电流随次数的减小是很迅速的,由于没有低次谐波,谐波总量是很小的,这有效地保证了输出波形的完美性。方达公司的“IGBT正弦波调光器”的输出电压和电流都为工频正弦波,并且与输入波形完全一样,在高速存储示波器上观测,输出与输入波形完全重合。波形畸变率和谐波所占比率都不足1%。滤波环节前的输出波形如下。

             图7  IGBT调制后的电压电流随时间变化的波形(示意图)

LC滤波后的电压电流随时间变化的波形(幅度较小),为了对比图中给出了输入电压电流随时间变化的波形(幅度较大)。输出电压电流波形在0~输入电压电流波形中间调幅变化。

图8 输出电压电流随时间变化的波形(幅度较小)

输入电压电流随时间变化的波形(幅度较大)

由于大功率高速IGBT及其驱动保护线路成本较高,采用一个整流桥和一个IGBT取代双向的两个IGBT。

图9   纯正弦波调光器的主IGBT回路示意图

为了使IGBT工作更安全,输入增加了LC滤波,用以抑制输入的电压和电流尖峰干扰。

           图10  增加输入滤波纯正弦波调光器的主IGBT回路示意图

为了IGBT换流安全而引入并联快速二极管及保护电容。

       图11  引入并联快速二极管及保护电容纯正弦波调光器的主IGBT回路示意图

为了使它的工作范围宽广(可以应用于阻性,容性,感性),引入了换流环节。以使主IGBT VF!关断时,负载及输出电感中的电流有返回的通路。

             图12  FDL纯正弦波调光器的主回路原理图

输出部分为LC,它本身为一个振荡器,为此引入RC输出滤波器,有效地防止了LC谐波振荡问题,使方达“IGBT正弦波调光器”可以安全稳定地运行。

             图13  FDL纯正弦波调光器的完整主回路原理图

四.我们把上面的FDL纯正弦波调光器的完整主回路原理图和可控硅调光器的主回路原理图对比可见,FDL纯正弦波调光器远比可控硅调光器复杂。加之IGBT又远比SCR贵,再加上复杂的驱动和保护,FDL纯正弦波调光器的成本比同容量的可控硅调光器要高得多。

不过,从下面几个方面综合考虑,购买FDL纯正弦波调光器还是值得的。

1. 输出谐波分量几乎可以忽略(噪声和电噪音污染很低)

——对其它仪器和设备干扰甚小

——无灯丝噪音

    2.没有负载特性限制(适用于任何负载)

    3.对电网电压和频率不敏感(在可控硅调光器不能使用的畸变严重的偏远地区的电网电和小柴油发电机的发电及小容量的直流逆变电,FDL纯正弦波调光器表现出色)

4.节省供配电系统和灯具布线成本高达40%。当国家严格谐波标准后,对电网污染严重的可控硅斩波方式用电比对电网无污染的正弦波方式用电电费高出100%完全可能。更为严重的是随着“绿色照明工程”的推进,以及绿色环保的呼声越来越高,可控硅调光器随时都有可能被迫退出市场,到那时再换成纯正弦波调光器将造成巨大的浪费(淘汰可控硅调光器换成纯正弦波调光器的重复投资不算,仅仅为适用于可控硅调光器供配电系统和灯具布线而增大了的40%容量就是巨大的浪费)。