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用於例如高壓鈉燈的放電燈的功率因子校正方法及裝置的製作方法

2023-05-29 04:08:01 1

專利名稱:用於例如高壓鈉燈的放電燈的功率因子校正方法及裝置的製作方法
技術領域:
本發明總體上涉及公共照明設施以及用於個別地或分組地開啟、關閉及調製所述設施的通訊方法的領域,該公共照明設施包括多個燈柱,如街道照明設施。更具體地,本發明涉及用於驅動放電燈的方法,該放電燈由交流電供電網絡供電, 該方法通過在開啟階段提供最少可能數目的啟動脈衝(通常只有1個)以及調節其穩定狀態的發光度來驅動放電燈。更詳細地,本發明涉及用於放電燈(例如高壓鈉燈)的驅動方法以及相關的命令及控制裝置,該燈可裝備公共照明設施的燈柱,也可用於工業或市政部門的照明區域或相對廣闊的停車場區域。
背景技術:
在該特定的技術領域內眾所周知,長期以來要求對公共街道照明設施的管理更加有效以及更加經濟。滿足該要求將有可能將用於此目的的技術方案擴展到應用的其它領域,例如在公共及工業環境中。更具體地,許多公共機構目前具有迫切的需要以便他們能夠在用於街道照明或公共區域照明的電能消耗上尋求重大的節約。如果要更好的理解本發明的基礎問題,首先需要解釋與氣體放電燈有關的一些概念及觀念,例如氙放電燈或高壓鈉放電燈。對於用於「人工氣候室」中的氙(Xe)放電燈所進行的研究已經揭示了關於燈泡中的電流流動模式的有趣信息,「人工氣候室」即在其中通過再生所有可能的氣候條件(通常是溼度,酸度,溫度及壓力)來模擬加速的老化條件。這種燈泡通常是由石英製成並且填充有多種氣體,這些氣體一旦在開啟階段達到被稱為電離的特定的激發狀態,就能夠支持電流的流動。在實際中,氣體分子,一旦充電 (預電離階段),其電氣狀態就發生變化,從絕緣體變成了導體。在導體狀態下,其因此能夠允許電流的流動以換取發出強光,該強光通常由於熱電效應而產生。因此可能通過合適的電驅動電路從外部控制電流,以便調整穩定狀態的發光,按照波長(光譜)以及強度(每平方米的流明-即Iux-或W每平方米,取決於規範中規定的參考變量)。申請人:進行的進一步研究專注於其他類型的氣體放電燈,以研究是否有可能應用從氙放電燈上所獲得的知識和經驗。這樣的進一步的研究主要是關於高壓鈉(HPQ燈,所述高壓鈉燈目前在發光度(發射的流明)和消耗的電流之間達到了最佳的比例。由於照明設施所要求的相對的結構簡單性,這種燈也廣泛用於公共照明設施。當前最普遍的燈實際上包含燈柱,該燈柱具有串聯至限流線圈3及合適的觸發器4的燈2,該觸發器4作為氣體預電離階段的啟動器;此布置被連接至通常的230V的AC供電網絡,如圖 1示意性所示。燈通常額定值為150W,儘管具有高達2000W的設施。
也應當注意HPS鈉燈整體上表現與氙燈非常不同。鈉燈與氙燈發出的光譜實際上非常不同,鈉燈幾乎完全沒有紫外成分並且反而具有很強的黃/橙成分,該黃/橙成分也成為了其在通常被安裝的街道或廣場上所顯示出來的外在特徵。申請者進行的研究使得對下列一些特性的研究成為可能,對於各特徵都提供了簡要的總體評估-傳統設施所能達到的電效率的範圍是從最小60%到最大79%。該計算是通過直接應用「輸出功率/輸入功率」的比率得到的。所獲得的效率的變化是由不同生產商的燈所決定的,每一效率反映了一種值的限流線圈,該值生產商和生產商之間不同;-該設施的功率因子相當低(0.53-0. 65),並且無論如何都在任何現有的規範(> =0.85)之外。如果期望使用功率因子校正電容器,將不得不解決更低的電效率的問題;-線圈的操作溫度允許在環境溫度上增加甚至超過60°C;-已經發現在燈開啟之後的瞬間(即當氣體尚未達到熱平衡)以及在操作之後的幾分鐘在通過燈的電流中總有一個小的連續分量。這一事實導致了電效率以及電燈平均壽命的可觀的下降在第一種情況中是因為由於不能用於轉化成輻射能的熱量而存在的恆定的功率損耗,在第二種情況中是因為來自燈的內部電極的材料的恆定遷移導致超前消耗。 同樣值得注意的是,氣體激發總是以高強度的電場的方式進行,這使得有可能將一些原子從構成燈電極的材料中「分離」出來,導致它們實際上被侵蝕,並且,最終被物理地消耗;-重新開啟燈而不允許有冷卻時間是不可能的,該冷卻時間在某些情況下可能會長達幾分鐘;-如果供電電壓低於195V的AC是不可能開啟燈的,相反,在電壓低至約180V的 AC時有可能使燈保持開啟;-如果供電電壓升至約250V的交流電(AC),電效率下降很快,並且預計平均值為 65%。本發明的基礎技術問題是為例如高壓鈉燈的放電燈設計命令及控制裝置的問題, 該燈具有例如允許從電網只獲取有效功率的結構及功能特徵;在這種方式下,將使所述配電網的效率最大。本發明的另一目的是為放電燈設計命令及控制裝置,該燈具有下述結構及功能特徵例如允許燈在高頻被驅動,該驅動通過控制及調節獲取的電壓及電流並且將任何連續的電流分量完全削減至零以使所述燈的平均壽命最大。本發明的進一步的目的是能夠任意調節光通量,根據燈的老化狀態,因此具體地實現可編程的發光。本發明的另一目的是允許燈在低於目前可能電壓的情況下也能被開啟,消除立即重新開啟的等待時間,且由此實際上允許其在熱的時候能夠被重新開啟(熱重啟)。最後,本發明的目的,尤其是,使放電燈的所述命令及控制裝置的電效率最大化, 並且最小化操作溫度以及結構維度,以降低為達到國際規範規定的發光所需的電能數量。

發明內容
本發明所基於的觀念在於提供以相對高的電流及開關頻率驅動的燈。
在該觀念的基礎上,通過使用微處理器使該問題得以解決,該微處理器在輸入端能夠測量燈獲取的電流,在輸出端能夠驅動1個或多個功率開關,該功率開關用於對所述燈的電流進行高頻率的開關。因此通過用於驅動放電燈的方法解決了本發明的基礎問題,所述方法包括-提供連接至電子微處理器的交流電供電網絡;-通過所述電子微處理器,在開啟階段向所述燈提供至少一個啟動脈衝,並調節所述燈在穩定狀態的發光度,所述電子微處理器在輸入端接收與所述燈獲取的電流有關的數據,並且在輸出端連接至包括至少一個用於對所述燈的交流供電進行高頻率開關的功率開關的級,所述方法其特徵在於,所述電子微處理器通過調節所述獲取的電流使其在相位上遵循具有基準波形的正弦過程,以及通過在所述燈開啟期間連續地改變所述驅動頻率,來實現對取自供電網絡的功率的控制及調節,所述基準波形適應不斷測量的網絡電壓。本發明也涉及用於例如高壓鈉燈的放電燈的命令及控制裝置,所述放電燈由交流電供電網絡供電,該裝置是這樣的類型用於在開啟階段向所述燈提供啟動脈衝,並且調節所述燈在穩定狀態的發光度,所述裝置包括電子處理器,所述電子處理器在輸入端接收與所述燈獲取的電流有關的數據,並且在輸出端連接至包括至少一個用於對所述燈的交流供電進行高頻率開關的功率開關的級,所述裝置的特徵在於,所述電子微處理器通過PFC模塊通過調節獲取的電流使其在相位上遵循具有基準波形的正弦過程,以及通過在所述燈開啟期間連續地改變所述驅動頻率,來實現對取自供電網絡的功率的控制及調節,所述基準波形適應不斷測量的網絡電壓。根據本發明的所述方法及裝置的具體實施方式
由從屬權利要求所體現。優選地,所述開關頻率可在20kHz至75kHz的範圍內變化。應注意,由於所述網絡供電具有正弦過程,通過具有環路增益的閉合環路實現控制,所述環路增益根據所述網絡電壓的所述過程而變化。優選地,進一步,驅動在以這樣的方式在可變頻率上進行,以通過DSP (數位訊號處理器)類型的微處理器極其簡單地實現控制器,該類型的微處理器能夠控制提供給所述燈的電流,所述燈帶有自動限電器以防止萬一電流過載或者啟動時遇到過度困難(在燈壽命的末期)。根據本發明,所述命令及控制裝置採用輸入功率因子校正(PFC)級或模塊,除了保證從網絡中只獲取有效功率之外,也使得有可能產生穩定的電壓提供給後續的級。此外,本發明的所述裝置能夠完全獨立於現行的網絡電壓(及頻率)傳送燈所要求的相同的功率;這使得有可能在任何地點安裝本發明所述的裝置而不必擔心當地供電網絡的特徵。應該進一步注意,所述燈可能會通過半橋級,單個功率電晶體(單端)級或全橋級的方式啟動,但不管怎樣,所述燈總是在高頻啟動並且具有將開關損耗完全削減至零的共振。燈電流中任何的連續分量被這些電路拓撲中的任何一個完全消除。根據本發明的方法及裝置的特徵及優點將由下述示例性實施方式的描述而變得清晰,其中所述實施方式完全通過非限制性的示例結合附圖給出。


-圖1示出已知類型的鈉燈觸發器的示意圖;-圖2示出根據本發明實現的用於放電燈的命令及控制的裝置的示意性框圖;-圖3示出圖2的裝置的詳細的示意圖;-圖4示出根據本發明的裝置的輸出級及其與HPS燈連接的示意圖;-圖5示出併入根據本發明的裝置中的線路濾波器的詳細的示意圖;-圖6示出圖2的裝置的原型的透視圖;-圖7示出其中的各照明設備或燈柱都裝備了圖2的裝置的公共照明設施的示意圖。
具體實施例方式參照上述各圖,1總體及示意性地表示根據本發明實現的用於例如高壓鈉燈(還簡稱為HPS)的放電燈2的命令及控制裝置。這樣的燈2可用於各種應用領域,例如,其可以裝備公共照明設施的燈柱5,或者也可用作工業或市政部門的照明區域或相對廣闊的停車場區域中的固定照明裝置。用於放電燈2 (例如鈉燈HPS)的命令及控制裝置1安裝在燈及交流電供電網絡8 之間,並且在開啟階段為燈提供最小數量的啟動脈衝(通常僅1個)並調節其穩定狀態的發光度。所述裝置1包括微處理器7,該微處理器7在輸入端測量由燈獲取的電流I,在輸出端驅動反相器級25,該反相器級包括1個或多個功率開關6,該功率開關用於對所述燈的電流進行高頻率的開關。開關6例如可能為MOSFET功率電晶體。對於本發明,申請人進行的實驗性的試驗已經有可能證實,通過減少燈中的電流, 發光度沒有成比例地降低,該試驗反而清楚的展示了甚至當獲取的電流更低時獲得優良照明度的可能性。該事實以這樣的方式導致了合理管理燈能量供給的方案該方案在燈的照明效率及其能量效率上都帶來了重大的提升,這可以理解為顯著降低電能消耗量。優選地,對通過燈的電流的精確控制,尤其是將燈電流減少50 %,有可能實現發射的光通量僅減少30%。根據本發明的命令及控制裝置1也將在下面通過術語「電子鎮流器」來定義,該裝置主要包括下述包括在單個電路板上的功能模塊-帶有線路濾波器的供電模塊13,該模塊具有「綠色模式」功能,該模塊連接至配電網絡(90-265V);-DSP (數位訊號處理)控制微處理器7,該處理器7包括a.用於控制及調節從電網獲得的功率的部分;b.用於控制及調節燈2中的電流的部分;c.用於控制燈2的開啟階段的部分;d.專用於電測量以及數據存儲的部分;e.用於管理光屬性的部分;-功率因子校正(PFC)模塊10,該功率因子校正模塊10與處理器7緊密聯繫;
-輸出級25,該輸出級具有一個或多個功率開關6,該功率開關6在輸入端連接至微處理器7的一個或多個驅動輸出,並且在輸出端通過注射器模塊11連接至燈2 ;-用於電力線通信(PLC)控制16的數位訊號分析數據機15,所述用於電力線通信(PLC)控制16與所述處理器7合作以允許與遠程管理單元14連接。現在將更加詳細的考察電子鎮流器1的各元件部分的特性。供電模塊13直接連接至供電網絡L,N並且其結構及功能能夠按照諸如「行為準則」及「能源星」的歐洲及美國規範減少待機消耗,該規範目前不是強制性的。模塊13為處理器7、數據機15及功率校正模塊10供電。為此,供電模塊13形成為線路濾波器,並且包含被稱為「綠色模式供電」的LC控制器,但也使用由微處理器7及控制器16的運行狀態確定的特定的操作管理。 DSP微處理器7及PLC控制裝置16的運行狀態分為兩種模式-活動狀態-待機狀態狀態被認為是「活動」,當電子鎮流器1 : 正在向燈2 (具有隨之發生的發光)傳送電流·正在通信,即,與遠程管理單元14交換命令或數據。在所有其他情況下,狀態被認為是「待機」。兩個微處理器7及16的功率消耗都必須保持在低功率消耗條件以下,以降低總的電流消耗。優選地,根據本發明,為了成功地實現所述目的同時保持這裡提出的方案的低功耗標準,已經設計了在待機狀態中的特定的操作方案以滿足低功耗及裝置1在接收命令時的響應的要求。通過使用網絡頻率以及過零點檢測(Z⑶)電路,微處理器7,16在每一個網絡周期被「喚醒」,即,進入其相關的額定消耗的活動狀態。從遠程管理單元14發送命令,強制該裝置進入下述狀態之一 如果沒有遠程命令被發送處理器1,16立即進入休眠以減少功耗。處理的持續時間減少至幾微秒(μ s),使得維持該處理器活動所需的能量最小,並且整個網絡周期的平均功耗保持低於規範所規定的限制; 如果裝置1接收到遠程命令,所述命令被立即執行,並且相關響應通過帶有PLC 裝置16的數據機15被發送至遠程管理單元14 ; 如果接收到的命令為開啟燈命令,待機模式被確定地中斷直到接收到隨後的關閉燈命令。a)從電網獲得的功率的控制及調節。DSP微處理器7為能夠通過之前列出的控制部分進行下述測量的硬體元件1)輸入網絡電壓的測量2)輸入電流的高頻分量的測量3)輸入電流的測量4)中間電壓(兩功率級之間)的測量5)燈電流的測量
6)燈發光的測量7)裝置的內部溫度的測量DSP微處理器因此能夠實現7個測量(通過模擬/數字轉換器,ADC)以及6個控制環路(其中另外一個將僅用做中間計算來簡化控制以便不引發與ADC性能相關的問題)。 為了達到最深的調製(該調製顯然對各個獨立的控制環路的精度有影響),獲取及計算頻率必須比從網絡中獲取的電流快至少10倍選擇170kHz的採樣頻率已經被證明是合適的, 該頻率表示l/170kHz = 5. 88 μ s的最低採樣率。過採樣通常被用於降低測量中的噪聲分量假定100%的過採樣,這意味著必須使用轉換時間小於5. 88 μ s/採樣的ADC。該限制意味著DSP必須在小於確定的最大值的兩倍的時間內完成一次計算循環,包括出現的所有的控制環路。將該值除以控制循環數所得的結果為11.76ys/6 = 1. 96 μ s,這表示完成每一單個的控制環路所需的最大時間。在最壞的情況下,與微處理器7連接的PFC塊10以大約為燈2供電開關頻率的兩倍的開關頻率工作。為了保持良好的性能,選擇帶有ADC轉換器的DSP微處理器被認為是合適的,該 ADC轉換器已經能夠在內部以至少750ns的速率執行轉換。如果採用75MIPS的元件(即, 1/75, 000, 000 = 13ns/指令,假定所述部件為嚴格的RISC結構),可能獲得對每一控制循環該DSP能夠執行的最大指令數,在下述情況下1)總的最大的開關頻率=170kHz2)產生的開關周期=5. 88 μ s3)每一單個環路的執行時間=1μ sX6 = 6μ s4)每一環路的最大指令數=1 μ s/13ns = 76由於所有的控制循環要求該性能,有可能規定好的方案可以通過將該控制器完全集成在DSP微處理器內部來實現,該微處理器具備至少75MIPS的運算能力並且具備至少具有8通道以及750ns/轉換的採樣頻率的ADC。DSP微處理器7與模塊10密切合作,並且根據PFC(功率因子校正)模式,控制及調節從公共配電網絡獲取的功率,該PFC模式通過模塊10內部存在的如圖3所示連接的橋電路12、LPFC線圈電感、半導體功率裝置(如MOSFET功率電晶體M及二極體D)而成為可能。DSP微處理器7以下述方式執行調節從網絡中獲取的電流的功能所述電流在相位上遵循具有網絡電壓波形的正弦過程,且這就是由模塊10所執行的PFC(功率因子校正) 功能。在傳統的系統中,即基於專門用於該功能的控制器的系統中,由於沒有其他可用於此功能,該電流的過程忠實地「遵循」電壓的過程。在DSP裝置7中,基準波形不是從輸入網絡的電壓獲取的,而是由完美的(列表的)的正弦曲線構成,該正弦曲線在幅度上調整至不斷測量的所述網絡電壓。為了達到完全符合法規要求(例如有關反射網絡諧波的標準EN61000-3-2)的調節,採用正弦曲線基準波形代替網絡電壓波形有可能使得總的諧波失真最小化,這是由於內在產生的失真沒有與由輸入產生的失真疊加在一起即,網絡電壓從來不會是完美的正弦曲線,但是,相反地,通常故意允許由於設施和/或其瞬時特性而產生的相當程度的失真。因此輸入失真被測量,而轉換器通過加入其自身的貢獻只會使所述輸入失真更加嚴重。 除了各PFC模塊10將被設計以使得引入的失真最小化之外,使用純正弦曲線基準能夠得到更好的最終實際結果。PFC模式中的模塊10執行的另一極其重要的特徵是通過將環路增益值限定為控制理論結合採樣定理所允許的最大值在傳統的控制器中,這要求固定的最大環路增益,來達到儘可能大的環路增益,以使得在跟蹤所述基準波形時引入最小的可能誤差。在DSP裝置7中,環路增益會根據基準正弦曲線的相位角,相對於其起始點而變化。基於通常在傳統控制器中發生的情況,環路增益的最大可能值是通過穩定性的約束來確定的,該約束在整個基準正弦曲線過程中都有效。在實際中,如果只分析該正弦曲線從 0°變化到90°的部分,可以注意到,環路增益的絕對值在正弦曲線的第一部分應該儘可能大,在該部分正弦曲線的斜率最陡。然而,可以注意到在正弦曲線的中心部分,由於輸入本身允許隨後的越來越受限制的變化,增益也可能會減小,直至達到頂點(90°的角)。在此第二部分,使用DSP裝置7使可能藉助於由該正弦曲線所描述的瞬時角度來修改環路增益, 從而以該方式獲得採用傳統方法所不可能獲得的結果。所有這些在實際上相當於具備了控制環路,該控制環路並不唯一而是根據正弦曲線的角度而變化,在效果上對應於兩個或多個同步的控制環路並且有可能在線開關這些控制環路而不會對整體功能有任何損害反而能夠增強其特性。這只能通過數字方式成為可能,該數字方式已經被確定採用來調節燈供電,這通過傳統方法是完全不可能的。已經被採用的DSP微處理器7,有可能「在線修改」裝置1的與一些變量的狀態相關的運行條件。更具體地,假定模塊10的MOSFET M以「硬開關」模式開關,被所述功率MOSFET M 消耗的開關能量與每一開關周期中普遍存在的所述MOSFET的寄生輸出電容的電壓的平方成正比。在MOSFET M關斷之前其上存在的電壓實際上在電容器組C上可用。如果開關損耗要達到最小,該電壓必須最小;然而,另一方面,該電壓必須始終大於峰值輸入網絡電壓再加上合適的裕量,以允許PFC的LPFC線圈在「連續流動電流」情況下的工作。根據本發明,通過要求輸出電壓Vout或組電壓不被固定在一個合適的值,而是可以時時地置於一個與輸入電壓有關的值,上述兩個要求被同時滿足。僅通過示例的方式如果輸入網絡具有230V的均方根(RMS)值的AC,其峰值將為 230X1. 4142 = 325V。基於LPFC線圈值,如果要從中得到優良的性能,可以看出輸出電壓(組電壓)必須比輸入電壓高至少40V。如果假設組電壓必須至少為365V,通過將開關損耗調整到與因子365X365 = 133225成正比,將會獲得第一比例因子。另一方面,如果假設在另一時刻測得的網絡電壓等於210V,組電壓將有可能固定在210VX1. 4142+40V = 337V。因此開關損耗必須與該因子337X337 = 113659成正比。上述兩個不同的比例因子適宜確定取決於所述峰值輸入電壓的組電壓基準,使得損耗始終且在任何情況下均為最小,因此滿足使轉換效率最大化的目的。
不同的組電壓對隨後的燈供電級不會造成問題,因為在該過程內有燈電流控制器,該控制器因此不取決於該組電壓。值得注意,燈供電是由電流調節的事實使得可能大大減少組電壓的環路增益,以便使得由於輸出紋波的採樣導致的諧波輸入分量最小化。即,PFC電壓控制器級10的尺寸被確定成使得其增益小於基於當前參數計算出的值,以使得在輸入返回的第二諧波分量的幅度(這考慮到事實根據採樣定理該第二分量將帶來第三諧波分量)最小化。該方案降低了輸出電壓的精度,因此導致了更大的紋波,但有可能改善該級的總的動態特性。估計網絡電流及電壓的諧波分量的可能性被包含在對PFC模塊10所獲取的電流的調節過程之內,使得有可能計算視在功率及有效功率,視在功率與有效功率的比率即為功率因子。由於代碼大小的原因以及由於超過第9諧波分量的諧波分量很小,因此決定在第9分量上停止諧波分析。因此視在功率將由根據各諧波分量之和計算的輸入電壓和電流的乘積與僅與基波相關的電壓和電流的乘積之間的比率來確定以該方式計算出的比率表示功率因子並且可用於每一網絡周期。這種計算視在功率及有效輸入功率的方法在數學上是嚴格且精確的,因此有可能計算出通過電子鎮流器1的功率的記錄,以使得電子鎮流器1能夠隨時間對消耗數據「計數」,在沒有增加專門用於此功能的部件時,其按照傳統方法難以實現。b)燈內電流的控制及調節。放電燈傳統上是通過來自網絡電壓的交流電以限流的方式供電,因此具有較低的工作頻率,該限流通過串聯的外部線圈(電抗器)實現,該線圈也具有在一定範圍內穩定電流的目的。在這種方式下,燈的等效電模型描述起來尤其複雜,其涉及強電容特性以及「二極體效應」,該「二極體效應」隨燈的老化而增強。在其壽命末期,以該方式供電的燈的實際上變成了一個等效二極體,因此當直接極化時形成短路。此外,鑑於此種電路的電路結構,如果網絡遭遇劇烈的電壓變化則難以保持燈內電流的穩定。這也是由於燈製造商將其各自的燈的工作範圍限定在網絡電壓變化的幾個百分點之內。與現有技術中所提出的常規方法不同,在本發明的電子鎮流器1中,傳送至燈的電流是處在高頻,額定在20kHz至75kHz之間。如此,燈的電模型顯著改變了,實際上變成了純電阻並且完全失去了在低頻模型中所顯示出的所有的電容特性及「二極體效應」特性。在該純「電阻式」的模型中,電流控制簡單的多,並且進一步有可能 將電流調節至很低的水平; 流明/W比率變得更有利; 燈壽命的結束僅由其等效阻抗的過度降低來決定。在燈中使用該驅動電流的模式,燈的電壓變成了完全不重要的變量並且甚至可以簡單地忽略。因此了解燈的電壓僅是用於自動識別所連接的燈的功率的一項信息,而不用於驅動或控制的目的。電流限制顯示可能在其額定值的10%以下的範圍、非常不同的情況,並且比按傳統產生的具有更大的裕量用於控制。然而,應該指出在比約2kHz更高的頻率上,會發生被稱為「聲共振」的現象,且該現象被認為是該類型設備的高頻工作的一個限制因素。聲共振,如果不能被控制及適當地消除,是非常危險的現象,其可能導致多種不良後果,諸如 由於電流中斷而導致燈的意外關閉; 由於機械能量過度損耗而導致的燈泡爆炸。在HPS燈中聲共振現象僅限於個別頻率(在窄頻帶上)且因此容易被消除,然而對於MHID金屬碘化物燈,該聲共振現象幾乎一直出現在其鎮流器的整個相關頻譜上。現有技術已經提出了一些用於檢測聲共振現象及遏制其影響的方法,所有這些方法都是基於控制燈電流的。儘管在一些方面具有優勢,但這些方法不適用於本發明中的電子鎮流器1。此前通常並不知道聲共振只發生在特定頻率,然而,自從開始認識到這一點,就有可能能夠將這些頻率從其頻譜中抑制,一旦這些頻率被準確地識別並標識,這就能夠發生。該方法也適用於HPS燈,相反地,但該方法不可用於驅動MHID金屬碘化物燈。有利地,根據本發明,決定採用完全不同的方法並且改變持續地貫穿燈開啟階段的驅動頻率以使壓力不是總在臨界頻率內,而是將能量分配在更寬的頻帶上,在該頻帶中以該方式產生的各分量的相位用來徹底消除聲共振現象。該方法對本領域技術人員來說可能顯得令人不安,由於頻率調製(該頻率調製會是本發明實現的方法的實質結果)也相應地引起燈電流幅度的調製,從而引起發光度的變化。仍然根據本發明,決定引入在中心頻率內的頻率調製,該中心頻率由期望從燈獲得的光等級來決定。本質上,由電子鎮流器1所影響的頻率調製嚴格地處於人眼所能夠覺察到的閃爍的頻帶之外的頻帶中。基於申請人所進行的研究,已經確定了兩個基本的調製值-頻率最大偏離保持在IkHz;-調製深度限制在10%。為了抵消幅度調製的效果,通過利用燈的分鐘級的熱常數,有必要引入比之前的頻率低得多的頻率(幾Hz級)的進一步的調製,該調製具有燈電流的額定值的的值。S卩,在幾Hz頻率上燈電流額定級別的的調製被引入。第一調製是純正弦的,第二調製是方波。然而,由於燈電流的閉合環路控制的效應,該第二調製將具有有限的指數效應,且這在任何情況下都能使人眼感覺到完全恆定且均勻的光。用該方式描述的調製可應用於控制頻帶的所有頻率,額定在20kHz至75kHz之間。在HPS燈中,儘管這樣的調製不是嚴格必須的,然而其效果可以在燈泡的光通量的均勻性上清楚可見,如可以以非光化屏幕觀察所揭示的。C)啟動及重啟電燈放電燈通過熱電效應產生光,即通過加熱充滿氣態物質的燈泡中的氣體產生光,該氣體決定了所發出的光的特性。然而,氣體是絕緣材料且電流不能通過,除非其處於預電離的狀態,預電離的狀態是通過高壓電放電所達到的狀態。相反地,在本發明的電子鎮流器中實施的啟動,總是保持電流在控制之下通過燈,以以這樣的方式還優化其真正的啟動階段在這種方式下只有在確實必要時才產生高電壓脈衝。該用於驅動的方法是對燈中流動的電流進行連續測量的閉合環路的方法。圖4示出處理器7及注射模塊11之間的相關連接。當電流值高於預定閾值時,燈被認為是已經啟動,並且通過上述方法保持通過燈的電流。當HPS燈不管為何被關閉時,電子鎮流器1能夠以與此前傳送的相同等級的發光度立即將其重新開啟(熱擊重啟)。該可能性只可能對HPS燈實現,因為對於MHID金屬碘化物燈,重啟電壓很大程度上取決於電極的溫度以及大體上燈泡的溫度。如果MHID燈要熱重啟,高於30kV的啟動電壓,S卩比在正常的冷啟動情況下所使用的啟動電壓高10倍,顯然以合理的成本是不可能達到的。在HPS燈以及MHID燈的重啟行為之間因此必須有所區別。對於HPS燈有兩種可能性-在高於額定值80%的發光下關閉;-在低於上述限制的發光下關閉。在第一種情況下,燈在>=80%其額定發光值的發光級被點亮、被關閉及在熱的時候被重新開啟。如果要得到該結果,有必要估計燈在其被關閉以及隨後被重新開啟的這段時間內的燈泡溫度的下降。如果該時間間隔小於根據經驗確定的預定值,則必須以持續且一致的初始電流才能再次開啟燈,即與關閉之前的電流(如150瓦特的80% )具有相同量級的初始電流,這意味著必須提供120瓦特以在120瓦特上重新開啟燈。否則,燈可能會由於類似於聲共振的現象表現得出乎意料並且會繼續意外地熄滅,但是這只會在很低的頻率並且以幾秒鐘的時間常數發生。另一方面,如果經過了足夠長的一段時間(該時間使得燈泡基本冷卻),可能可以在低電流級上實現重新啟動燈,就如同開啟關閉著的燈的情況。然而,在第二種情況下,隨後的過程如下燈在< 80%的發光級點亮、關閉及當變熱的時候重新啟動。重新啟動可能與冷啟動所遵循的過程相同,因為之前結合第一種情況描述的現象不會發生。一旦再次開啟,燈就保持其狀態。如上所述,由於重新啟動氣體所需要的額外的電壓,MHID金屬碘化物燈在熱的時候不能被重新開啟。為了確定燈在何時能夠再次啟動,必須估計燈泡溫度的下降。已經實驗性地發現至少三分鐘的時間間隔足以使電燈回到嘗試重啟的最低條件。 電子鎮流器1通過遵循安裝時所執行的配置檢測其自身的運行狀況來計算上述時間間隔。燈的啟動是可能會由於不確定的原因而失敗的過程,或者是因為所述燈可能沒有物理地連接到輸出端,或者是因為所述燈已經到了壽命的末期其工作不能被延長了。產生對於啟動有效的高電壓脈衝無論如何都是可能對鎮流器1的電子元件施加額外壓力的操作,尤其是在環境溼度升高的條件下。
在燈故障或老化的情況下,重複地產生無意義的啟動循環對於鎮流器的平均使用壽命來說可能是個風險因素。為了降低該風險,一旦達到沒有任何結果的嘗試的最大限度, 啟動過程就被基本修改。然而,為了回到正常的運行條件,讓燈能夠按照標準過程啟動就足夠了 該情況通常發生在當以新燈代替老化的燈的時候。d)電測量及存儲與不執行任何測量的傳統的驅動裝置相比,電子鎮流器1能夠將電測量結果記錄在內部文檔中,例如內置在處理器7中的電可擦可編程只讀存儲器EEPR0M,該電測量結果隨後能夠通過數據機15被遠程連接下載用於可選的後續處理或者用於遠程單元14對存儲數據的遠程處理。與消耗功率的記錄不同,所有測量的電參數都在特定的、規律的連續的時間點上被「拍照」。除了測量的電變量,兩個與燈操作相關的計數器也被記錄第一個計數器計數被所述燈傳送的光的秒數,而不管發光級;另一個計數器記錄通過所述燈的能量,計算電流隨時間的理想積分。上述兩個計數器可用來遠程地估計實際的燈「疲勞」或者其真正的使用年限以制定其定期的更換。e)光屬性的管理通過使用電子鎮流器1可獲得的能量節約可以通過可用的光屬性功能進一步增加。具體地,有53個可用的光屬性,該光屬性使得能夠在一整年的時間裡以一周的粒度進行編程的操作。在給定的特性中二4小時的周期可被任意分為最多8個不同的部分,最小粒度為7分鐘30秒鎮流器1的固件能夠循環地檢驗光等級,該光等級必須根據相應的時間來傳送。現在將更詳細查看內置在電子鎮流器1的電路板中的數據機15的結構及功能,該數據機能夠將任何裝置連接至具有電力線通信功能的集線器。該數據處理結構基於數據機15能夠通過MAC (媒體訪問控制)地址準確地尋址,並且基礎網絡為VPN(虛擬專用網絡)網絡,在該網絡中各節點都能被註冊和鑑權。為本發明的目的,與照明裝置有關的各電子鎮流器1都應該被認為是註冊及鑑權了的節點。遠程管理單元14或集線器裝備有多個連接層,尤其是通用移動通信系統UMTS或通用分組無線業務GPRS無線協議的相關層,上述無線協議使得該集線器本身可能變成IP 節點,例如具有靜態地址或由動態主機配置協議DHCP協議確定的地址,且因此不管其所在的地理位置在哪其都能被訪問。通信線路的各單個的部分通過PLC裝置16來進行管理,該PLC裝置用於將命令及數據發送給外圍單元或者從外圍單元接收命令及數據。以該方式構建的網絡能夠遠程控制各單個的電子鎮流器1的運行。集線器及各電子鎮流器1之間的通信通過一系列命令的方式進行,所述命令的操
作功能僅通過解釋性的、非限制性的示例的方式簡要描述。
RESET UNIT
裝置的遠程復位
GET_FULL_STATUS GETSTATUS GET—LIGHT—LEVEL GET—MEASUREMENT GET—LAMP—LIFE GET—PROFILE GET_DATA_LOGGED_FILE GET—CONFIGURATION GET—TIME
GET_ACTIVE_PROGILE GET—FW_CODE SET_LAMP—ON SETLAMPOFF SET LIGHT LEVEL
讀取鎮流器的內部狀態讀取燈狀態讀取電流光等級讀取一個或多個測量結果讀取燈壽命及能量計數器讀取屬性下載測量結果文檔讀取配置讀取內部定時器讀取電流光屬性下載固件開啟


參參
參參 參
參參 參參 參參 參
參本發明的電子鎮流器1能夠遠程管理該鎮流器自身的運行以及安裝該鎮流器的照明裝置周圍的區域。電子鎮流器1包含擴展埠,該擴展埠能夠與諸如傳感器盒的外部裝置連接, 該傳感器盒是能夠容納各種類型傳感器的裝置,所述傳感器例如1、汙染測量,該測量使用若干傳感器以獲得各種類型的響應;
關閉
編程光等級
SET CLEAR LIFE COUNTER將壽命及能量加法器計數器設為0
SETPROFILE SET_TIME
SETCONFIGRATION SET_EXEC_PROFILE SET FW CODE
存儲光屬性編程時間表配置
執行光屬性裝載固件
2、溫度測量;3、溼度測量;4、背景噪聲測量(噪聲汙染);5、存在傳感器(熱靈敏度);6、無線上網wi-fi,因為各照明裝置都具有能量,鎮流器1能夠管理該類型的裝置;7、全球定位系統GPS;8、網絡攝像頭,該攝像頭具有位於傳感器盒內部的快閃記憶體上拍攝的照片的歸檔;9、用於高速數據交換的USB埠 ;10、接收由位於各個燈柱上的光伏板產生的能量,將其按下述方式進行轉化使用電力線將其傳送至集線器,及將其從集線器傳送至反相器,該反相器將其輸入至網絡。在結構上裝備有其自身的運算單元的該傳感器盒,通過擴展埠與電子鎮流器1 通信,以與位於所述鎮流器1的電路板上的已經可用的數據處理基礎架構協作,且達到對用於監測各種環境條件的鎮流器安裝點周圍的區域的覆蓋。該傳感器盒中可用的信息項與鎮流器1進行交換,並且通過鎮流器1及數據機連接15被傳送至集線器,該集線器將存儲並處理接收到的信息,用於信令即時行動報告,通常為告警信號,或者用於任何選擇性要求的後續的處理,例如由司法機關所要求的、 仍然位於傳感器盒中且與該特定的燈下所發生的事件相關的照片或數字圖像。將傳感器盒與電子鎮流器1關聯的想法也使得燈杆或燈柱的物理或地理位置與邏輯標識(ID)關聯,該邏輯標識在遠程管理單元14的資料庫中能準確地將其識別出來。鎮流器1的電路板上的處理器1及16的固件必須為此而編程。現在將更詳細敘述其能夠如何實現。>各微處理器7被製造具有全球唯一的「序列號」(MAC地址),與當前在計算機中所使用的網卡的方式完全相同。所述號直接擴散進矽中,且因此隨後任何原因都不能將其改變。因此世界上不可能存在兩塊具有相同MAC地址的晶片。因此制定的接口協議能夠讀取該代碼並且完全準確地識別該裝置。每次電壓被施加到具有集線器的線路上時,該集線器就掃描整個線路以確定能夠與之通信的裝置的數目及性質,關聯內部動態表格中多個被識別的ID。該表格是動態的以允許某些裝置能夠按照期望或要求離線或上線。每次集線器都要執行幾項任務,重複線路掃描以更新表格。該操作的持續時間取決於所連接的裝置的數目以及該集線器在該特定時刻(吞吐量)所必須處理的工作負載可能是在幾微秒或幾分鐘的時間內完成。若集線器由於噪聲、距離或任何其他原因而不能識別線路上存在的所有的裝置,那麼其也有可能從該設備內存在的各裝置請求該功能。各裝置將因此能夠保持其內部的「聯繫」的動態表格,利用該動態表格有可能進行雙向通信。該設備的完全覆蓋可以通過所述線路上的至少兩個不同裝置的同時存在的同一聯繫來建立按照該方式,該設備的長度或廣度在保持裝置全覆蓋的同時可以不受限。>照明裝置的地理/邏輯關聯不能僅通過此布置而自動確定,因為無論如何都有必要在各特定且固定的照明裝置以及安裝在所述照明裝置上的裝置1的特定ID之間創建關聯。這包括下述步驟使用該方法,設備的物理結構變的無關,因為有可能到達任何一個燈而無論其在該設備中的位置在哪,因為被記錄的是其相對地理位置。下述各行歸納了與根據本發明驅動帶有鎮流器裝置1的高壓鈉(HPQ燈2有關的主要特性及測量結果。PFC 輸入級Vin (網絡輸入電壓)=90-265V AC,50/60Hz ;Vout max(中間組電壓)=405V DCPout (額定)=150WPout pknr (峰值,非重複的)=210W然而,必須提供過電流限制。Pout pk (重複的)=186W開關頻率=170kHz該開關頻率值可以增加至210kHz以實現進一步減小磁性元件的尺寸;然而開關頻率的增加可能帶來更大的電及電磁噪聲的問題。效率=93.4%通過引入其他元件(包括磁性元件),效率可以進一步提高模擬結果顯示可能有 1 %的提高,但該方案也伴隨著更高的成本。電流環路的交叉頻率=27kHz電流環路的臨界頻率應儘可能高以減小磁性元件的尺寸、體積及重量並減小高頻電流紋波及最終降低電噪聲。然而,該值的上限由開關頻率決定;如上所述,該臨界頻率越高,DSP上的要求越大。電壓環路的交叉頻率=36Hz如果總的諧波失真分量不被降低,則電壓環路的臨界頻率不能太高。該值的過度增加可能會伴隨著總的裝置效率方面的問題。燈驅動級Vinmin (最小組電壓)=360V DC不考慮與配電網絡消耗的電能相關的管理條例,該級在沒有PFC時也是可工作的,但是在具有上述值時能獲得最佳結果。效率=93.4%該值是燈在額定條件下啟動時測量到的在輸入電壓的最低限其下降約1.8%。 模擬結果會建議嘗試更低的開關頻率以獲得更好的結果。最小開關頻率=20KHz最大開關頻率=75KHz
等效串聯負載=45-57 Ω最大啟動電壓=4. 6kV啟動頻率=25-75kHzHPS燈一般不能在供電電壓低於90-92%額定值時啟動然而,由於實現的特定的驅動模式使其變為可能。根據本發明的驅動方法及裝置的重大優點主要在於有可能實現公共照明設備在電能消耗上的可觀的節約。更進一步,根據本發明的電子鎮流器可以被安裝在現有的照明裝置或燈柱中,從而能夠對所述照明裝置進行智能管理或者將其轉變成本地觀察點。大量製造本發明的裝置的步驟必須包括分析所採用的、與裝置成本及期望的性能有關的容限的性能。為此而考慮的一些因素如下所示。在滿負載及最小供電電壓時,即低於理論上最差可能工作條件的情況下,PFC級不能允許高於95%的效率值。仍然在滿負載時,燈供電級不能允許高於96%的效率值。因此,根據本發明的裝置1將允許在滿負載時的電效率為0. 95X0. 96 = 0. 912。鑑於現有設備的效率在0. 73至0. 79之間,根據本發明的方法及裝置提供了效率的提高,該效率從最小0. 91-0. 79 = 0. 12變化到最大0. 91-0. 73 = 0. 18。該結果可以與在特定方便的時刻(例如夜間)通過降低光通量所獲得的結果相結
I=I O這是因為,功能變化對於現有設備來說實際上是不可能的,減少大約50%的燈電流會導致光通量減少大約30%,這意味著實際的電能節省可能比過去合理評估的還要更加可觀。除了降低發光管理負荷之外,還有降低以該方式驅動的電燈的損耗而造成的額外間接的節省,這可能因此也對於設施的維護成本具有影響。
權利要求
1.一種用於驅動放電燈的方法,所述方法包括-提供連接至電子微處理器(7)的交流電供電網絡;-通過所述電子微處理器(7),在開啟階段向所述燈提供至少一個啟動脈衝,並調節所述燈( 在穩定狀態的發光度,所述電子微處理器(7)在輸入端接收與所述燈獲取的電流有關的數據,並且在輸出端連接至級(25),所述級0 包括至少一個用於對所述燈的交流供電進行高頻率開關的功率開關(6),所述方法其特徵在於,所述電子微處理器(7)通過調節所述獲取的電流使其在相位上遵循具有基準波形的正弦過程,以及通過在所述燈開啟期間連續地改變所述驅動頻率,來實現對取自供電網絡的功率的控制及調節,所述基準波形適應不斷測量的網絡電壓。
2.如權利要求1所述的驅動方法,其特徵在於,通過具有環路增益的閉合環路實現調節,所述環路增益根據所述基準波形的所述正弦過程的相位角並相對於其起始點而變化。
3.一種用於放電燈O)的命令及控制裝置(1),所述放電燈例如為高壓鈉燈O),所述放電燈由交流電供電網絡供電,該裝置是這樣的類型用於在開啟階段向所述燈(2)提供啟動脈衝並且調節所述燈( 在穩定狀態的發光度,所述裝置包括電子處理器(7),所述電子處理器(7)在輸入端接收與所述燈獲取的電流有關的數據,並且在輸出端連接至級 (25),所述級05)包括至少一個用於對所述燈的交流供電進行高頻率開關的功率開關,所述裝置的特徵在於,所述電子微處理器(7)通過功率因子校正PFC模塊(10)通過調節所述獲取的電流使其在相位上遵循具有基準波形的正弦過程,以及通過在所述燈開啟期間連續地改變所述驅動頻率,來實現對取自供電網絡的功率的控制及調節,所述基準波形適應不斷測量的網絡電壓。
4.如權利要求3所述的命令及控制裝置(1),其特徵在於,通過具有環路增益的閉合環路實現所述調節,所述環路增益根據所述基準波形的所述正弦過程的相位角並相對於其起始點而變化。
5.如權利要求3所述的命令及控制裝置(1),其特徵在於,供給所述燈的電流的強度在額定消耗值的10% -100%的範圍內可變。
6.如權利要求3所述的命令及控制裝置(1),其特徵在於,所述裝置內置於街道的燈柱或公共照明設施中。
全文摘要
本發明涉及用於驅動的方法及用於例如高壓鈉燈(2)的放電燈(2)的相關命令及控制裝置,所述放電燈由交流電供電網絡供電。所述方法及所述裝置提供使用電子微處理器(7),所述電子微處理器在輸入端接收與被所述燈(7)獲取的電流相關的數據,並且在輸出端連接至用於對所述燈的交流供電進行高頻率開關的功率開關(6)。
文檔編號H05B41/292GK102498753SQ201080038858
公開日2012年6月13日 申請日期2010年7月2日 優先權日2009年7月2日
發明者路易吉·德西代拉託 申請人:朱塞佩·丹尼埃爾·巴尼亞雷利, 路易吉·德西代拉託, 馬爾切洛·拉尼奧利尼

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