摘要：  本文提出了一种用于高压钠灯调光的交流调压方案。采用PWM控制的AC-AC降压变换器实现对使用电感镇流器的高压钠灯输出功率和照度的调节。变换器具有快速响应，单级变换以及不产生低次谐波等优点。同时，应用单片机提供场景控制，可以获得节约电能和改善照明环境的双重效果。1kVA样机的实例结果表明，所提出的方案在节能和照明质量控制方面具有良好的表现。

关键字：  交流调压，电感镇流器，场景控制，节能交流调压，电感镇流器，场景控制，节能

l 引言
随着我国“绿色照明”工程的开展，公共照明设备的节能变得越来越重要。目前我国公共照明的节能方式主要有两种：一种是使用高效节能型的供电装置和灯具；另一种是在现有照明系统基础上增装节能控制设备。前一种方式适用于新建的照明系统。而对于现有照明系统的来说，较为经济和实用的方式是增装节能设备[1]。
现有的室外公共照明光源以高压钠灯为主，这些灯80％左右都使用电感镇流器，由于电感镇流器不具备调压、变功率的功能，由此造成的光污染和能源浪费十分严重。针对这种现状，近年来出现了一些用于高压钠灯电感镇流器的调光设备，其中应用较多的是可控硅斩波技术和自耦变压器调控技术。但这两种方案在实际应用中存在很多问题，效果并不理想。可控硅斩波技术会使输出电压波形严重畸变产生大量低次谐波；自耦变压器调控技术只能有级调压，不能实现电压闭环控制且体积庞大。
针对以上问题本文提出了一种采用PWM控制交流调压器的高压钠灯调光控制器。该调压器可以通过控制电压来实现对功率的无级调节达到节能的目的。同时具有反应速度快，不产生低次谐波，不影响系统功率因数等优点[2]。应用单片机控制能够根据具体的照明环境制定合理的功率和照度策略达到节能和提高照明质量的目的。1kVA样机实验表明，该方案具有较好的节能效果。
2 电路结构与工作模式
图1为本文提出的交流降压斩波器的主电路拓扑。其中，Li，Ci组成输入滤波器；L，C组成输出滤波器；带有续流二极管的开关器件T1A和T1B，T2A和T2B按照共射极接法分别构成主回路开关和续流开关[3]。接有电感镇流器的高压钠灯可以等效成阻感负载，图2给出了模拟高压钠灯工作的电路控制逻辑及输出电压波形。图中ug1A，ug1B，ug2A，ug2B分别为开关管T1A，T1B，T2A，T2B的驱动信号；ur为未加滤波器的输出电压波形，uo为滤波以后的输出电压波形。
如果不考虑输入滤波器对基波电压的影响，由图2可知ur可以看作是以斩波频率为频率的方波信号与输入电压的乘积。设输入电压us(t)的表达式为
us(t)=Usmcos(ωt)                                 (1)
其中，Usm为输入电压幅值，ω为输入电压角频率。当斩波频率为ωs，占空比为D时，利用傅立叶级数展开，得到斩波信号函数F(t)为
                  (2)
由式(1)和式(2)可得出输出电压ur(t)的表达式为

    (3)
从式(3)可以得出ur(t)中基波电压幅值Urf和谐波电压幅值Urh表达式为
Urf = DUsm
                      (4)
从式(3)，(4)可以得出，输出电压的基波幅值与斩波信号的占空比D成正比，调节PWM波的占空比即可实现对输出电压的调节。电压谐波的角频率为(nωs+ω)。当斩波频率足够高时，电压谐波的频率将远高于基波频率，有利于滤波器的设计。经过低通滤波器滤波之后，高压钠灯电感镇流器的输入端将得到畸变率较小的正弦降压信号，达到了调压的目的。
3 负载电压控制策略
为了实现电压调节的精确性和快速性，并实现场景控制，调压器采用单片机控制，MCU选用的是ATmega64L。这款芯片具有内部PWM输出，内置10位A/D转换器，2K的E2 PROM和四个定时器，可以实现输出电压的降压、稳压和场景控制。调光器的系统结构框图如图3所示。
3.1 降压及稳压控制策略
由式(3)，(4)可知该调压器可以实现输出电压的无级降压。降压和稳压控制策略如图4所示。当进行降压稳压控制时，单片机在半个周期开始时启动内部的连续A/D采样，系统通过负载电压检测电路对调光控制器的输出电压uo（即电感镇流器的输入电压）进行采样，并通过A/D采样端口将采样电压输入到单片机内部。在单片机内部设有电压采样累加器Uo'，对采样电压值的平方和进行累加，同时设有采样个数寄存器Nt对采样个数进行累加，直到本半周期结束停止采样。Uo'的表达式可写成
                                      (5)
此时，根据采样值累加器Uo'和采样个数寄存器Nt的值可以计算出，半个周期内电压采样值的有效值Uorm为
                                       (6)
计算得到的结果将累加到采样电压有效值累加器Uo中，并在有效值累加个数寄存器Ns中加一。下半个周期，A/D连续采样再次启动，重复上述的采样、计算和统计过程，直到有效值累加个数寄存器Ns达到设定值N时，计算出N个采样周期的输出电压有效值的平均值Uo，Uo的表达式为：
                                 (7)
然后对Uo和闭环电压设定值UP进行比较和作差，确定PWM占空比控制寄存器的调整方向和调整幅度，然后改变PWM输出占空比，完成一次反馈控制。重复上述控制过程，可实现负载输入电压的降压稳压控制，达到调光的目的。
3.2 定时节能策略
高压钠灯的节能主要体现在输出功率的控制上。以道路照明为例，在午夜车流量很小时，不具备调光功能的路灯只能全功率工作，造成电能的浪费。采用单排点灯或隔灯点亮的方法节能又会造成照度不均，增加交通隐患。因此，采用本文的交流调压器按照环境需要实时配给合理的功率和照度，可以获得节能和提高照明质量的双重效果。
实现照明场景控制可以使用曲线拟合的方法绘制功率和参考照度与电压之间的关系曲线，再利用计算机算出参数对照表存入单片机的E2 PROM。使用时利用查表的方法进行控制量转换，即可实现按参考照度或功率进行控制[4]。
图5是一只250W高压钠灯的功率、照度与输入电压关系曲线。其中，参考照度值由照度仪欣宝科仪LXl330A在灯头正下方50cm处测得。根据实验所得数据运用Matlab进行曲线拟合，得到参考照度与输入电压的关系式为
U = 122.8855+0.3840W
U = 139.5126-0.0613E-0.0001E2                   (8)
式中，U为电感镇流器输入电压；W为灯功率，E为参考照度。可见，当给定灯功率或参考照度时，可以按照式(8)计算出每个功率或参考照度对应的电压值，将其存储在单片机的E2 PROM中，执行控制策略时按照所需的参数读取相应的电压值作为闭环控制设定值即可实现功率或照度控制。
同时，为确保调光定时策略的长期准确，控制器还增加了串行时钟DS1302进行时间控制。该时钟芯片装有独立的3.3V后备电池电源，可以确保在掉电或单片机复位后系统时钟不受影响。控制器可以在开灯、单片机复位和程序空闲时进行时间查询，以确保定时策略的准确性[4]。
4 实验结果
为了验证所提出的方案的可行性，在1kVA样机上对高压钠灯调光控制器进行了实验分析。主电路的参数设置如下：开关器件选用IR公司的IGBT，型号为G4PF50WD；开关频率为16kHz；输入滤波电容为3μF；输入滤波电感为135μF；输出滤波电容为12μF；输出滤波电感为2mH；负载为250W亚明牌高压钠灯和250W的OSRAM电感镇流器。实验结果如图6所示。图6(a)为系统工作时IGBT的控制逻辑信号，可见信号时序与理论分析一致。图6(b)为滤波前后输出电压的波形，滤波后输出电压近似为正弦波。图6(c)为输出电压、电流波形。图6(d)为输出电流谐波含量，总THD≤25％。
再用250W高压钠灯进行节能和控制策略实验。调压器输入端功率与负载端功率对照表如表1所示。
表 1  降压实验输入输出功率对照表
电压/V 220 210  200 190
输入功率/W 273 251 215 177
输出功率/W 267 246 209 172

由表中数据可知，消耗在控制板上的功率平均为5.5W，那么以该灯作为路灯模拟某城市夜间照明策略，如图7所示。
根据上图可以计算出该灯一天内的节能量。W原=267×12=3.204kwh；W现=273×2+251×4+215×2+177×4=2.688kwh；ΔW=W原-W现=0.516kwh。经计算节能率为16%。
5 结语
本文提出了一种用于高压钠灯调光的交流调压器。可以通过对电压的控制实现对电光源的输出功率及相对照度的控制，实现了电感镇流器供电系统的调光功能。文中对该调压器的工作原理、降压稳压实现和场景控制的策略进行了详细阐述。1kVA样机的实验结果表明，调光控制器可有效调节镇流器输入电压，且输出谐波含量小，本身能耗低。降压策略实验验证了该方案在节能和优化照明质量方面具有良好表现，节能率达16％。

参考文献
[1] 辛军．道路照明节能技术探讨．照明与节能，2005(3)：43—44．
[2] 俞红祥，林敏，纪延超．新型谐波消除交流电压调节器的研究．电力系统自动化，2005(9)：76—80．
[3] Giri V，Brian K J，and Ashok S．An AC-AC Power Converter for Custom Power Applications．IEEE Trans on Power Delivery，1996，11(3)：1666—1671．
[4] 戚佳金，刘晓胜等．基于动态调光的隧道照明监控系统研究．电气应用，2006，(12)：123—127．
[5] Nabil A．Ahmed，K．Amei and M．Sakui．A New Configuration of Single-Phase Symmetrical PWM AC Chopper Voltage Controller，IEEE Trans．Ind．Electron．1999，46(5)：942—952.