用於給燈和電子照明系統提供調光控制的裝置和方法
2023-05-20 19:16:46
專利名稱：用於給燈和電子照明系統提供調光控制的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及用於給各個電燈，或者更通常的電子照明系統提供調光控制的裝置和方法，該照明系統包括由多個單獨的燈形成的系統。本發明特別涉及一個簡單通用的目的和非插入式的調光系統，該系統能對已有燈進行回複式安裝，並且在感覺上是非插入式的，當不使用時調光裝置對燈的正常操作沒有影響。
背景技術：
在各種各樣的不同應用中使用了範圍很廣的不同類型的燈和照明系統。這些燈包括螢光燈、高能放電燈和氣體放電燈。然而，這些燈的普遍缺點是在總體上它們被認為是「不能調光的」，也就是說它們往往有一個固定的功率輸出和確定限度的亮度和強度。一般說來，這些都不是所期望的，因為它們的光經常是太亮和太刺目，並且浪費電能。由於審美和節約能量的原因，因此，在現有的技術中已經做出了各種各樣的努力以提供這樣一些帶有調光控制能力的燈，從而能調整燈的亮度。
用於已有照明系統的現有調光方法包括基於三端雙向可控矽開關元件(triac)的調光器，該調光器用於同三端雙向可控矽開關元件調光器相兼容的白熾燈和氣體放電燈；包括應用於放電燈的能調光的電子鎮流器；且包括用於對由磁性鎮流器驅動的燈進行調光的一系列完全部同的技術。下面將依次討論這些現有技術。
愛迪生型的白熾燈已使用了很長時間。白熾燈沒有內置的調光能力，為了控制白熾燈的光的強度，如圖1(a所示)，已將三端雙向可控矽開關元件調光器用作調光裝置。三端雙向可控矽開關元件調光器傳統上由以兩個反並聯結構連接的可控矽元件(thyristor)和一個觸發電路組成，該觸發電路能控制延遲角以在相關的主電壓半周期內開啟適當的可控矽元件。如圖1(b)所示，通過控制延遲點火角(α)，主電壓的電壓內容能被控制為三端雙向可控矽開關元件調光器的輸出電壓，並被加載到白熾燈和一些同三端雙向可控矽開關元件兼容的小型螢光燈(CFL)。但是，因為流過三端雙向可控矽開關元件調光器的主輸入電流受三端雙向可控矽開關元件調光器的輸出電壓波形的影響，當延遲點火角不是零時，輸入電流將偏離主電壓的正弦曲線波形，導致電力線路諧波。此高電流諧波內容是由三端雙向可控矽開關調光器控制的照明系統的一個固有問題，特別是當延遲角較大時更是如此。
圖1(c)顯示了受三端雙向可控矽開關調光器控制的照明系統中的功率流動表。三端雙向可控矽開關調光器必須既處理實際功率(P)，又必須處理照明裝置或者照明系統的無功功率(Q)。因此，它的電壓-電流(VI)額定值必須大得足夠處理照明系統的全部功率。基於三端雙向可控矽開關調光器的兩個例子已在US4,437,043和US5,757,145中進行了描述。
最近，對放電燈使用能調光的電子鎮流器具有逐漸增加的趨勢，該放電燈如螢光燈和高強度(HID)放電燈。圖2顯示了用於放電燈的能調光的電子鎮流器的示意圖。能調光的電子鎮流器通常在輸入端有4線接頭的配置。兩個接頭是用於AC主電壓的「帶電的」端和「不帶電的」端，另兩個用於DC調光級別控制信號，其通常設定為1V到10V之內。
能調光的電子鎮流器基本上是控制流向燈的電能的功率變換器。傳統的能調光的電子鎮流器是通過增加鎮流器的逆變器的轉換頻率使燈變暗的。限定流向燈的電流的電感的阻抗將會隨著操作頻率增加，因此，燈的功率能通過控制逆變器的頻率而被控制。
因為帶有三端雙向可控矽開關元件調光器，能調光的電子鎮流器通常連接在AC主電壓和照明負載之間。因此，現有的能調光電子鎮流器必須處理照明負載的全部功率(既有實際功率P又有無功功率Q)。因此，鎮流器的功率容量必須高於全部燈的功率和電子損耗之和。
如圖1(c)和圖2所示，功率流動表顯示了現有的調光裝置或者電路需要處理既有實際功率又有無功功率。因此，基於這些方法使用單個調光裝置調暗由一大組燈所形成的照明系統或者燈網絡是不經濟的。三端雙向可控矽開關元件調光器一般限制在幾百瓦，能調光的電子鎮流器經常是為一個或者一對放電燈設計的。
磁性鎮流器比電子鎮流器的歷史要長。它們已被廣泛的使用到螢光燈和高強度放電(HID)燈。不像以高頻率(一般＞40000赫茲)運行的電子鎮流器，磁性鎮流器在主頻率(50赫茲或者60赫茲)運行。
磁性鎮流器比電子鎮流器具有幾個優勢。這些優勢包括極高的可靠性，很長的使用壽命(＞15年一般不需要更換)和抵抗短暫電壓衝擊(例如由於點亮)與不利工作環境(例如高溼和高溫)的健壯性。特別的，磁性鎮流器在HID燈中提供了優越的燈弧穩定性，HID燈有一個眾所周知的問題當以高頻率電子鎮流器操作HID燈時會發生共鳴。這就是為什麼高強度放電燈市場被磁性鎮流器壟斷的原因，其以主頻率運行且在HID燈弧中不觸發共鳴。
大多數的磁性鎮流器的主要限制是它們不能對放電燈進行調光。已經披露的幾種技術努力解決和避免這個問題，且來提供調光磁性鎮流器。
一個現有的建議是分接AC主變壓器以實現主電壓中的幅度改變。理論上，由磁性鎮流器驅動的放電燈，能夠通過人工分接主變壓器以使主電壓減少來進行調光。但是，這是一個機械式的解決方案且不是合適的調光解決方案，特別是當調光過程必須被中心控制或者自動控制時。US6,271,635就描述了使用一個雙線圈變壓器來實現放電燈的2級調光系統。雙線圈提供了兩個單獨的電壓源。使用開關來選擇來自一組線圈的電壓或來自串聯在一起的兩組線圈的全部電壓。這樣的2級調光系統能應用於多個燈，但是調光級別是離散的並且也是不連續的。此書的作者們(「A performance comparison of electronic vs.magneticballast for power gas-discharge UV lamps」，Rad Tech』98，Chicago，第一頁到第九頁，1998年)提出了使用更複雜的變壓器的多級別調光系統。
另一個可能性是使用外部電流控制功率電路來控制電流進入磁性鎮流器-放電燈系統。US6,538,395和US6,121,734公開了使用一個外部電流控制功率電路控制流進由磁性鎮流器驅動的放電燈的輸入電流的幅度。這樣一個方法是通過在主頻率下改變輸入電流的幅度來控制燈功率的。然而，電流控制功率級仍然必須處理照明負載的實際功率和無功功率。
可選的，原則上能使用AC-AC變換器例如循環變換器(圖3)來產生具有對由鎮流器和燈組成的照明負載可控幅度的主頻AC電壓。一個實用的AC-AC電壓變換器(US4,350,935)使用功率變換器把AC正弦曲線電壓調製成帶有正弦曲線包絡的電壓脈衝。但是，AC-AC電壓變換器方法(包括使用循環變換器和US4,350,935中的變換器)並不產生用於照明負載的正弦曲線電壓。結果，將會在這個過程中產生許多電流諧波，導致了在電力線內的諧波汙染問題。此外，圖3描述的功率流動表示圖顯示了這樣的方法也要求AC-AC電壓變換器處理實際功率和無功功率。因此功率變換器的功率額定值必須要高於照明負載的全部功率。
已經披露幾項通過改變磁性鎮流器系統的阻抗來調整磁性鎮流器的技術。US5,389,857披露了使用2-級電感作為磁性鎮流器內的扼流圈。2-級電感器由兩個串聯的電感組成。其利用能旁路兩個電感中的一個的開關，以不連續的方式改變2-級電感器的電感。這個方法的缺點是不能實現連續的調光級別。
US 5,432,406描述了在磁性鎮流器中使用在有限的範圍內能進行連續調光的可飽和電抗器(電感)。通過給電抗器增加額外線圈且把DC電流注入這個額外線圈中，該電抗器的磁芯能夠飽和。因此，該磁性鎮流器中的電感的阻抗能被改變並且燈的電流能被改變。然而，這種方法不能應用為對沒有飽和電抗器的磁性鎮流器進行調整的通用調光方法。
US 5,949,196描述了在放電燈系統中使用用於調光目的的電流排流電容器。可切換電容器與放電燈相跨接。如果要求調光，電容器切換為導通以將一些燈電流從燈轉移進電容器。用這種方法，能以不連續的方式控制燈的電流，並因此控制燈的功率和照明強度。但是，在這種方法中，不能實現連續的調光級別。
在螢光燈(低壓放電燈)市場，電子鎮流器正逐漸取代傳統的不能調光的磁性鎮流器。以高頻(一般高於20000赫茲)運行的電子鎮流器能消除螢光燈的閃爍效應，且比以主頻(50赫茲或60赫茲)運行的磁性鎮流器具有較高的功效。因此，當同由磁性鎮流器驅動的燈相比較時，若輸出相同的光，由電子鎮流器驅動的螢光燈會消耗了更少的能量。然而，電子鎮流器的一個主要弱點是使用壽命相對較短。磁性鎮流器能正常的運行多於10年而不用更換，而電子鎮流器卻很少有這樣長的使用壽命。如果磁性鎮流器能被調光，則它們很長的使用壽命、高可靠性和節約能量的合併特徵就能使得這樣的「能調光的磁性鎮流器」成為針對低壓放電燈如螢光燈的吸引人的解決方案。
在高壓燈如高強度放電燈(HID)市場，與電子鎮流器相比磁性鎮流器仍被考慮作為更可靠的選擇。原因這樣的，當HID燈高於1000赫茲的頻率運行時，就會受到共鳴的損害。共鳴是由於能壓在燈管兒內的各種變化會觸發各種各樣的諧振形式而引起的。為了避免共鳴，HID燈通常以低頻(少於1000赫茲)或者非常高的頻率(＞350千赫茲-700千赫茲)運行。儘管已提出一些建議把電子鎮流器用於HID燈，當燈的衰老效應變得很顯著時，燈的特性隨時間變化，因此燈的穩定性就不能得到保證。儘管正在逐步努力發展電子鎮流器以應用於HID燈，磁性鎮流器仍然壟斷著HID燈市場，因為磁性鎮流器的非常高的燈弧穩定性、高鎮流可靠性和低損耗。特別是應用於戶外照明時(例如街燈)，其穩固性和高可靠性抵制了照明作為考慮的重要標準。
發明內容
根據本發明，提供了一種給這種類型的電燈提供調光控制的裝置，該種類型的燈由設置在AC主電源和燈之間鎮流器驅動，該裝置包括串聯在主電源和鎮流器之間的用於插入輔助電壓的裝置，所述輔助電壓位於所述主電源的相位之外，因此電源電壓是加載於鎮流器的電壓和輔助電壓的矢量和，因此加載於鎮流器的電壓的幅度比主電源的電壓的幅度要小，且該裝置進一步包括用於控制輔助電壓的裝置，控制輔助電壓是用於改變加載於燈的電壓，其中輔助電壓的相位被保持在與流經所述裝置的電流的相位差90或者270度，並且其中輔助電壓的幅度用來改變加載於燈的電壓。後者的特徵是有利的，因為它確保了調光控制裝置僅僅處理無功功率，並且它也確保了在調光控制裝置中使實際功率損耗最小。
在一個優選實施例中，該裝置包括半橋逆變器，該半橋逆變器包括兩個切換開關，該切換開關被以高頻切換以產生作為輸出的脈寬調製(PWM)波形。優選的，所述半橋逆變器的脈寬調製輸出被過濾以提供高正弦曲線特徵的輔助電壓。在這個實施例中，裝置被設置為選取期望的用於半橋逆變器的DC連接電壓，其目的是為了控制輔助電壓的幅度。該裝置特別被設置為使所述DC連接電壓保持在所述期望值，且使所述輔助電壓的相位保持在與流經所述裝置的電流的相位差90或者270度。例如，可以使用閉環控制方案來使所述DC連接電壓保持在所述期望值，且使所述輔助電壓的相位保持在與所述電流的相位差90或者270度。
優選的提供切換開關裝置，因此如果不要求調光控制且主電源的電壓直接加載於鎮流器，因此可旁路該裝置。
從另一個方面看，本發明提供了一個電子照明系統，該照明系統包括至少一個燈，這些燈經過鎮流器與AC主電源相聯繫，所述照明系統進一步包括給所述至少一個燈提供調光控制的裝置，所述調光控制裝置包括串聯在主電源和鎮流器之間的用於插入輔助電壓的裝置，所述輔助電壓位於所述主電源的相位之外，因此電源電壓是用於鎮流器的電壓和輔助電壓的矢量和，因此加載於鎮流器的電壓的幅度比主電源的電壓的幅度要小，並進一步包括用於控制輔助電壓的裝置，控制輔助電壓是用於改變用於燈的電壓，其中輔助電壓被保持在與流經所述調光控制裝置的電流的相位差90或者270度，並且其中使用輔助電壓的幅度來改變加載於燈的電壓。
從更進一步的方面看，本發明也提供了一種方法，該方法用於給由鎮流器驅動的電燈提供調光控制，包括在AC電源和所述鎮流器之間插入一個輔助電壓，所述輔助電壓位於所述AC電源電壓的相位外，因此電源電壓是加載於鎮流器的電壓和輔助電壓的矢量和，其中輔助電壓被保持在與加載於鎮流器的電流的相位差90或者270度。
現在以舉例的方式並結合附圖來描述本發明的一些實施例，其中圖1(a)-(c)解釋了現有技術的基於三端雙向可控矽開關元件的調光器的操作；圖2是解釋常規的能調光的電子鎮流器的方框圖；圖3是解釋根據現有技術的用於磁性鎮流器系統的調光控制的AC-AC變換器的應用的方框圖；圖4(a)-(c)顯示了根據本發明實施例的裝置且特別包括(a)一個方框表，(b)一個解釋了一組pf負載且顯示了功率流動的示意圖和(c)一個等效電路；圖5(a)和(b)是矢量圖表，(a)是由磁性鎮流器驅動的放電燈系統的沒有使用本發明的調光控制裝置的矢量表，(b)是使用了本發明的調光控制的矢量表；圖6是示意性圖表，顯示了根據本發明實施例的一個調光控制裝置的功率電子電路；圖7解釋了應用在本發明實施例中的一個閉環控制系統；圖8是解釋了試驗性結構的方框表；圖9(a)-(f)顯示了試驗性結果；圖10(a)和(b)顯示了在一個試驗例中，負載對電壓的(a)實際功率消耗的測量；圖11(a)和(b)顯示了(a)在另一個試驗例中，負載對電壓的實際功率消耗的測量，和(b)在調光控制裝置中全部功率損耗的測量；圖12顯示了使用全橋逆變器以產生輔助電壓的一個可選實施例；和圖13顯示了其中對於輔助電壓使用一個單獨電源的可選實施例。
具體實施例方式
本發明，至少以其優選的形式，提供了高能效和非插入式的調光方法和裝置，其用於或者由磁性鎮流器或者由一些電子鎮流器供能的電子照明系統，如螢光燈和HID燈。該方法和該裝置能把已有的「不能調光」的磁性鎮流器-燈系統轉換成具有真正節約能量能力的能調光的燈系統。該建議的調光方法通過控制鎮流器-燈系統可用的電壓而不用處理照明系統的實際功率來實現了能真正節約能量的調光功能。支持本發明的基本原理是一個新的集成電壓矢量控制和無功功率控制的原理。
從以下的細節描述中將會了解到，通過控制流向照明系統的無功功率，所提出的調光裝置對主電壓插入了能控制的電壓矢量。因此能夠控制合成的對於鎮流器-燈系統可用的電壓。在優選實施例中，該調光方法和裝置通過僅僅處理無功功率而實現了最低的功率損耗。因此，所提出的調光裝置的功率額定值比照明系統的全部功率額定值要低很多。這就使所提出的調光裝置能調暗一個高功率的照明系統或者一組照明裝置。本發明的另一個優勢是它的非插入性特徵。即使所提出調光裝置不運行，鎮流器-燈系統仍然正常具有全部功率的功能(即不調光的條件下)。
該建議方法和裝置能用來調暗單獨的放電燈或者一個HID燈網絡如路燈。它既能應用於室內又能應用於室外。
圖4(a)顯示了本發明的一個實施例中的集成電壓矢量控制和無功功率控制原理的基本原理。為了調暗照明系統，改變可用於照明負載的AC電壓，而不需要處理照明負載的實際功率。Vs是AC主電壓矢量；Va是通過調光裝置插入的輔助電壓矢量；VL是用於負載的合成電壓矢量。Ia是調光裝置的電流矢量且同輔助電壓保持垂直(即它與Va相位差90度或者270度)。IL是負載電流且等於Ia。
本發明實施例的功率流動圖表如圖4(b)所示。通過經由使用無功功率控制電路而插入輔助電壓矢量Va，合成電壓VL能被控制，合成電壓矢量是電源電壓矢量Vs和輔助電壓矢量Va的矢量差。因為Va是通過處理無功功率Q而產生的，調光裝置理論上並不處理照明負載的任何實際功率P。在調光裝置內僅有的實際損耗是調光裝置內的傳導損耗和電力線路中的切換損耗。如在許多試驗例的測量中所顯示的那樣，調光裝置的全部損耗小於在調光過程中節約的燈的功率的10％。例如，如果放電燈的燈的功率為150W而要調到80W，燈的功率減少70W，那麼調光裝置將消耗少於7W。結果，在這個例子中實際完成了63W的能量節約。
圖4(c)顯示了本發明的一個實施例的等效電路。基於電網理論，Vx是輸電網絡的傳輸端處的受控AC電壓源。這個Vx等於由濾波電感器LF過濾之前的AC電壓(由逆變器電橋產生)。輔助電壓Va(Vx的濾波形式)在網絡的接收端。Vx的幅度和相移δ是能夠控制的。
加載於電路的實際功率P和無功功率Q時能被表示為
P=VaVxLFsin---(1)]]>Q=Vx2LF-VaVxLFcos---(2)]]>在這裡ω＝2πf，f是主頻率，δ是電壓矢量Va和Vx之間的角度。
從等式(1)和(2)可以看到電壓矢量如何產生和無功功率控制原理如何使調光電路中功率損耗最低化。等式(1)顯示了通過保持δ為零，Sinδ是零，那麼P也就等於零。因此，調光電路將不消耗功率流動的實際功率。等式(2)顯示了無功功率Q和輔助電壓矢量Va能通過控制Vx的幅度而被調整。Vx的幅度能通過調節閉環控制方案中的逆變器電橋的DC連接電壓Vdc而被控制，這將在下面做進一步解釋。
優選的，如下面所描述的，在本發明的實施例中使用帶有半橋配置的電壓源逆變器，其DC側由兩個電容器提供。逆變器的電容器電壓通過使用閉環控制電路調整DC電壓設置而能被控制。閉環控制電路在此變換過程中將臨時改變δ。如果δ是正值，電容器電壓將會增加，反之亦然。在電容器電壓調整到穩定狀態的條件下δ的角度保持為零。這就實現了無功功率和電壓控制的功能。
圖5(a)顯示了磁性鎮流器驅動的沒有任何調光功能的放電燈系統的一個典型的矢量圖表(矢量被假定為以主頻沿著逆時針方向旋轉)。在這種情況下，Vs簡單的等於VL。因為由大的電感或者扼流圈和燈弧組成的磁性鎮流器能被表示為電阻，因此該電路具有很高的電感。因此，負載電流IL落後於電源電壓Vs一個相位角φ。圖5(b)顯示了裝有本發明實施例的調光裝置的矢量圖表。調光裝置對於系統插入了電壓矢量(沒有消耗許多能量)。可用於照明系統的合成負載電壓能被平滑的改變(改變較小)。結果，燈的功率通過電壓矢量原理能被控制。比較圖5(a)(沒有調光裝置)和圖5(b)(帶有調光裝置)，輔助電壓矢量Va對於主電壓矢量Vs的插入能減少合成電壓VL的幅度。因此，磁性鎮流器驅動的照明系統將有更少的電流IL且燈的功率能被減少。
Ia和負載電流IL在圖5(b)中是一樣的。從圖5(b)的考慮可以看到原則上通過改變輔助電壓的幅度和/或者相位能改變加載於負載的電壓幅度。然而，更優越的是保持輔助電壓矢量，以使其垂直於電流矢量，從而使調光裝置具有最低的功率損耗，因此輸入調光裝置的電流矢量(Ia＝IL)應該優選的使其保持在與調光裝置產生的輔助電壓矢量(Va)相位差90或者270度。因為矢量Ia和Va彼此互相垂直，調光裝置理論上沒有消耗實際功率。實際上，調光裝置由於調光裝置中的傳導損耗、切換損耗和電磁損耗的原因將消耗非常少的功率。但是，調光裝置的全部功率損耗僅僅是全部節約的燈的功率的一小部分(少於10％)。
圖6示意性的顯示了根據本發明實施例的一個調光裝置的功率電子電路。該裝置包括旁路開關Sm(例如機電開關，如繼電器或者接觸器)，當調光電路不工作期間旁路開關Sm「通常是閉合的(N.C.)」。在這個不工作的運行模式下(當繼電器是關閉時)，Ia旁路調光電路且Va為零。因此，所提出的調光裝置對於被調光的電子照明系統是非插入式的。當調光裝置工作時，Sm是開路且Ia將流進調光電路。
本實施例的調光裝置的電路由具有一對圖騰柱功率電子開關S1和S2的半逆變器電橋組成。兩個電容器(C1和C2)用作DC連接大容量電容器和能量貯存電容器。通過兩個自由迴轉二極體D1和D2和S1和S2的切換作用，當調光裝置工作時，在兩個串聯的電容器C1和C2中建立了DC電壓。C1和C2兩端的DC電壓給半逆變器電橋提供DC電壓源。在正弦曲線的脈寬調製(PWM)方案中，半逆變器電橋中的兩個功率電子開關S1和S2是高頻切換的，從而產生帶有高質量正弦曲線內容的PWM電壓波形。PWM電壓波形然後經過包括電感器L和電容器C的低通濾波器濾波，以使PWM電壓波形中的高頻電壓諧波被過濾掉。那麼受過濾的電壓就是高質量正弦曲線電壓，其是由調光裝置產生的輔助電壓Va。
應該注意，如圖12所示，也能使用全橋逆變器來取代半橋逆變器。然而，半橋逆變器使用了一半數量的全橋逆變器的功率電子器件，因此是一個費用更低廉的解決方案。對於低功率應用來說(少於2千瓦)半橋逆變器是足夠的。但是對於高功率應用，全橋逆變器是更合適的。
當工作時，調光電路通過斷開通常被閉合的旁路開關Sm而開始運行。通過使用閉環控制方案而能調節照明負載的調光級別。通過對半橋逆變器的DC連接電壓(Vdc)設定基準級別能確定控制調光級別。例如，如果該Vdc基準被設定為零，則由調光電路產生的Va的幅度將會是零。如果該Vdc基準被設定為某個值，那麼該Vdc將會是逆變器的DC連接電壓，並且將會影響輔助電壓Va的幅度。
由半橋逆變器產生的PWM電壓將會有+0.5倍Vdc和-0.5倍Vdc的峰峰值幅度。在閉環控制電路中，在主電壓Vs和輔助電壓矢量Va之間的相位角將以下面方法被控制(1)實際DC連接電壓Vdc將根據它的基準設置進行調節，和(2)Ia(＝IL)將與Va的相位差90或者270度。條件(1)決定Va的幅度。條件(2)確保調光電路僅僅處理照明系統的無功功率(Q)。在這種方法中，調光電路的功率額定值能夠比照明系統的功率額定值小很多。結果，低損耗的調光電路能夠發展用於「不能調光」的照明系統進行調光。
圖7顯示了用於調光裝置的電壓矢量和無功功率控制電路的方框表。參考圖6所討論的，如果調光電路不工作，通常閉合的(N.C.)機電開關(典型的是繼電器或者接觸器)用作為旁路開關。一旦調光電路工作，N.C.開關將會連接到如圖7所示的電路中。一個傳感器(典型的是信號變壓器)用來讀出主電壓，以使能夠得到Vs相位。另一個傳感器是DC電壓傳感器(典型的是分壓器)，具用於探測調光電路中的逆變器電橋的DC連接電壓Vdc。調光控制以DC電壓(Vdc)基準形式被控制。使用比較器以取得Vdc基準和Vdc反饋信號之間的誤差信號。將誤差信號饋送至誤差補償器或者一般的饋送至比例積分(PI)控制器，其產生移相信號。以移相信號和主電壓的相位基準作為輸入，使用鎖相環以產生對於功率開關S1和S2的脈寬調製(PWM)選通信號，因此輔助電壓矢量Va將關於主電壓矢量Vs有適當的相位移動，以保持DC連接電壓Vdc處於Vdc基準級別。通過保持Vdc處於要求的基準級別，在調光電路中就沒有純實際功率消耗。因此，該控制方案具有自動化特徵，即輔助電壓矢量Va垂直於調光電路的輸入電流Ia。換句話說，所提出的控制方案確保了調光電路通過僅僅處理無功功率而產生所要求的輔助電壓矢量。因此根據照明負載的無功功率而不是照明負載的全部功率就能夠設計該調光電路的功率額定值。
已經利用一個試驗模型測試了該建議的調光方法和裝置，並且已經能成功的將幾個由磁性鎮流器驅動的放電燈調暗。圖8顯示了試驗配置的方框表。對於一列放電燈，調光裝置對於磁性鎮流器放電燈系統的連接如圖6所示。
實行測試以確認新的調光原理。通過增加為Vdc設置的基準，為了產生輔助電壓Va，DC連接電壓被調整到不同的級別。主電壓是220V、50赫茲。測量主電壓Vs、輔助電壓Va、可用於照明負載的合成電壓(VLoad)、和負載電流IL(與Ia相同)。也測量由照明負載消耗的全部輸入功率(PLoad)和新的調光裝置中的全部功率損耗。
圖9(a)-(e)顯示了150W由磁性鎮流器驅動的高壓鈉放電燈的測量過程。該系統由新的調光裝置進行調光。
圖9(a)顯示了在旁路中繼開關正常閉合時且調光電路不工作時測得的Vs、Ia、Va和VLoad(VL)。燈以全功率運行且可以看到VLoad等於Vs且Va是零，因為Sm是閉合的。
圖9(b)顯示了當旁路中繼開關斷開時和調光電路以非常小(幾乎為零)的調光設置工作時的測量過程。可以觀察到Va僅僅只有7V且Vs幾乎等於VLoad。燈幾乎以全功率運行。
圖9(c)顯示了當鈉放電燈調光到全部功率的大約75％的測量過程。此時輔助電壓大約為20V且目前VLoad為198V。同圖9(a)和圖9(b)的負載電流Ia相比較，圖9(c)中的負載電流Ia減少了，確認了燈的功率的減少並確認了所提出的調光原理。從圖9(c)要注意以下也是很重要的Va和Ia彼此的相位差90度，確認了調光電路基本上僅僅處理無功功率。對於燈的功率調低到全部燈的功率的50％和30％的測驗結果分別記錄在圖9(d)和圖9(e)中。
從圖9(a)-(e)清晰的論證出，(i)電壓矢量Va隨著增加幅度而能夠減少用於照明負載的合成電壓VLoad，且(ii)Va和Ia的相位保持在差90度。圖9(f)顯示了照明負載(包括既有磁性鎮流器又有鈉放電燈)的目前實際功率消耗(P)的測量過程。其實際上確認和論證了用於調光目的的集成電壓矢量控制和無功功率控制原理。
也以新的調光裝置對一個菲利浦顏色控制(CDM-T 150W/830)150W滷化金屬燈進行了測試。菲利浦150W滷化金屬燈由菲利浦(BSN150L 407I TS)磁性鎮流器驅動。圖10(a)顯示了照明負載在一個調光範圍內的實際功率消耗的測量過程。在圖10(b)中記錄和繪出了在同一調光範圍內新的調光裝置消耗的實際功率損耗。當燈的功率從150W減少到大約92W(即節約功率58W)，該調光裝置消耗僅僅少於6W。這產生了52W的實際功率節約。換句話說，該調光裝置消耗的僅僅是節約的燈的功率的大約10％。
基於150W鈉放電燈和150W滷化金屬燈的結果確認了至少在優選實施例中，本發明是對通常「不能調光」的照明系統進行調光的高能效方法。該調光裝置對兩組由兩個傳統磁性鎮流器驅動的2X36WT8螢光燈也已進行了成功的測試，測試過程從全部燈的功率的100％調暗到大約40％。圖11(a)和圖11(b)顯示了在一個2X 36W T8燈系統中(一個燈是菲利浦TLD 36W/33冷白燈(Cool White)，另一個燈是TLD 36W/54日光燈(Day Light))的全部燈的功率的測量過程，其由菲利浦磁性鎮流器提供電能，且2X36W燈系統由該建議的調光器進行調光。對於全部負載，燈系統消耗了大約70W。在調光範圍從全部功率的100％到40％(30W)之內，調光器中的全部損耗少於2W。
在上面所描述的實施例中，沒有要求使用單獨的電源用於產生輔助電壓。但是，如果期望的話，輔助電源能如圖13所示被使用。如果輔助電源是AC電壓，那麼可以使用AC-AC的功率變換器來產生Vx。如果輔助電源是DC電壓，那麼可以使用DC-AC功率變換器(例如半橋功率逆變器或者全橋功率逆變器)來產生Vx。
本發明也能應用於放電燈的某些電子鎮流器，只要鎮流器是通過減少鎮流器的AC輸入電壓而能進行調光的一種類型。
權利要求
1.一種給由設置在AC電源和燈之間的鎮流器驅動的這種類型的電燈提供調光控制的裝置，該裝置包括串聯在AC電源和鎮流器之間的用於插入輔助電壓的裝置，所述輔助電壓位於所述AC電源的相位之外，因此電源電壓是加載於鎮流器的電壓和輔助電壓的矢量和，由此加載於鎮流器的電壓的幅度比AC電源的電壓的幅度要小，且該裝置進一步包括控制輔助電壓的裝置，控制輔助電壓是用於改變加載於燈的電壓，其中輔助電壓的相位被保持在與流經所述裝置的電流的相位差90或者270度，並且其中使用輔助電壓的幅度變化來改變加載於燈的電壓。
2.如權利要求1所述的裝置，其中用於插入輔助電壓的所述裝置包括用於產生所述輔助電壓的功率變換器。
3.如權利要求2所述的裝置，其中所述功率變換器包括半橋逆變器，所述半橋逆變器包括兩個切換開關，所述切換開關被以高頻切換以產生作為輸出的脈寬調製(PWM)波形。
4.如權利要求3所述的裝置，其中所述半橋逆變器的PWM輸出被過濾以提供所述的輔助電壓。
5.如權利要求3所述的裝置，其中為了控制輔助電壓的幅度，該裝置被設置為選取期望的用於半橋逆變器的DC連接電壓。
6.如權利要求5所述的裝置，其中該裝置被設置為保持所述DC連接電壓處於所述期望值。
7.如權利要求6所述的裝置，其中使用閉環控制方案來使所述DC連接電壓保持處於所述期望值，且使所述輔助電壓的相位保持在與所述電流的相位差90或者270度。
8.如權利要求2所述的裝置，其中所述功率變換器是全橋變換器。
9.如權利要求1所述的裝置，其中所述裝置進一步包括切換開關裝置，如果不要求調光控制且將AC電源的電壓直接加載到鎮流器上，則可由此旁路所述裝置。
10.一種包括至少一個通過鎮流器與AC電源相連接的燈的電子照明系統，所述系統進一步包括用於給所述至少一個燈提供調光控制的裝置，所述調光控制裝置包括串聯在AC電源和鎮流器之間用於插入輔助電壓的裝置，所述輔助電壓位於所述AC電源的相位之外，因此電源電壓是加載於鎮流器的電壓和輔助電壓的矢量和，因此加載於鎮流器的電壓的幅度比AC電源的電壓的幅度要小，且該系統進一步包括用於控制輔助電壓的裝置，控制輔助電壓是用於改變加載於燈的電壓，其中輔助電壓被保持在與流經所述調光控制裝置的電流的相位差90或者270度，並且其中使用輔助電壓的幅度來改變加載於燈的電壓。
11.如權利要求10所述的系統，其中所述調光控制裝置包括用於產生所述輔助電壓的功率變換器。
12.如權利要求11所述的系統，其中所述功率變換器包括半橋逆變器，所述半橋逆變器包括兩個切換開關，該切換開關被以高頻切換以產生作為輸出的脈寬調製(PWM)波形。
13.如權利要求12所述的系統，其中所述半橋逆變器的PWM輸出被過濾以產生所述輔助電壓。
14.如權利要求12所述的系統，其中為了控制輔助電壓的幅度，該裝置被設置為選取用於半橋逆變器的期望的DC連接電壓。
15.如權利要求14所述的電子照明系統，其中該裝置被設置為使所述DC連接電壓保持處於所述期望的值。
16.如權利要求15所述的系統，其中使用閉環控制方案使所述DC連接電壓保持處於所述期望值，並且使所述輔助電壓的相位保持在與所述電流的相位差90或者270度。
17.如權利要求11所述的系統，其中所述功率變換器包括全橋逆變器。
18.如權利要求10所述的電子照明系統，該系統進一步包括切換開關裝置，如果不要求調光控制且AC電源的電壓直接加載於鎮流器，則可由此旁路所述調光控制裝置。
19.如權利要求10所述的系統，其中所述鎮流器是磁性鎮流器。
20.如權利要求10所述的系統，其中所述鎮流器是能通過減少輸入到該鎮流器的AC輸入電壓來使燈可被調光的這種類型的電子鎮流器。
21.如權利要求10所述的系統，該系統包括多個燈。
22.一種給由鎮流器驅動的電燈提供調光控制的方法，包括在AC電源和所述鎮流器之間插入輔助電壓，所述輔助電壓位於所述AC電源的電壓的相位外，因此電源電壓是加載於鎮流器的電壓和輔助電壓的矢量和，其中所述輔助電壓被保持在與加載於鎮流器的電流的相位差90或者270度。
23.如權利要求22所述的方法，其中所述輔助電壓由功率變換器產生。
24.如權利要求23所述的方法，其中所述功率變換器包括半橋逆變器，所述半橋逆變器包括兩個切換開關，所述切換開關被以高頻切換以產生作為輸出的脈寬調製(PWM)波形。
25.如權利要求24所述的方法，進一步包括過濾所述半橋逆變器的輸出以產生所述輔助電壓。
26.如權利要求24所述的方法，其中所述輔助電壓的幅度通過設定半橋逆變器的DC連接電壓而被控制。
27.如權利要求26所述的方法，其中提供控制裝置使DC連接電壓的幅度保持處於期望值。
28.如權利要求23所述的方法，其中所述功率變換器是全橋變換器。
全文摘要
本發明公開了一種節約能量的調光方法和裝置，所述裝置和方法能用來把寬範圍的已有「不能調光」的電子照明產品和系統轉換成「能調光的」照明產品和系統。不能調光的電子照明系統的例子如(1)或者經由磁性鎮流器或者經由一些電子鎮流器提供能量的高壓和低壓放電燈，(2)白熾燈和(3)一組電子照明系統。基於新的電壓矢量控制和無功功率控制原理的集成方法，能夠平滑的改變加載於照明系統的電壓而不用處理照明系統的實際功率。結果，所提出的調光裝置和方法能作為通用目的的給寬範圍的「不能調光的」電子照明系統進行調光的節約能量的調光方法。通過經由能效切換模式無功功率控制電路插入輔助電壓，合成電壓能被控制和改變，其作為能改變和能控制的電壓源用於給許多電子照明系統進行調光，該電子照明系統如由已有的磁性鎮流器驅動的氣體放電燈系統和白熾燈系統。
文檔編號H05B41/392GK1895009SQ200480000989
公開日2007年1月10日 申請日期2004年8月26日 優先權日2003年8月27日
發明者鍾樹鴻, 何藝文, 許樹源 申請人:研能雙樹有限公司