專利名稱：可調光照明系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于提供(1)高電力質量和(2)用于單個電燈或更一般地說，包括由多個單個燈形成的系統(tǒng)的電氣照明系統(tǒng)的調光(dimming)控制的裝置和方法。本發(fā)明尤其涉及簡單通用和非侵入式調光系統(tǒng)，能更新現(xiàn)有燈以及在當不使用時，調光裝置對燈的正常操作沒有影響的意義上，其是非侵入的。該裝置和調光方法將來自電力系統(tǒng)的高電力質量(具有相當于單一輸入功率因數(shù)的性能)維持在任何調光功率電平。
背景技術：
各種不同類型的燈和照明系統(tǒng)用在各種應用中。這些包括白熾燈、熒光燈、高壓放電燈和低壓放電燈。為審美和省電原因，在現(xiàn)有技術中，已經(jīng)做出各種嘗試來提供具有調光控制的燈，以便能調整燈的亮度。
由于HID燈的多方面的優(yōu)點，諸如長壽命和高發(fā)光效能，對廣泛用在公共照明系統(tǒng)中的高強度放電(HID)燈來說，調光功能尤其有用。與白熾燈不同，高強度放電燈通常要求長的預熱時間以便達到滿亮度。在切斷后，在再次重啟它們前，它們需要冷卻周期?！霸冱c火”特性是使調光成為簡單地關閉燈的有吸引力的替代方案，因為調光不要求關燈，因此避免在再點火后的燈的相當長的預熱時間。盡管現(xiàn)有技術中進行了各種嘗試來開發(fā)用于各個燈的可調光電子鎮(zhèn)流器，但傳統(tǒng)的磁性鎮(zhèn)流器仍然是用于高瓦數(shù)放電燈和大規(guī)模照明系統(tǒng)，諸如街燈系統(tǒng)的最可靠的、耐用、成本效能合算，和優(yōu)勢的選擇。
調光還具有其他優(yōu)點，諸如降低峰值功率需求，增加用于多用途空間的靈活性、燈流量狀況的更安全驅動，以及避免光污染。本發(fā)明涉及調光技術，能調節(jié)由多個燈形成的照明系統(tǒng)?，F(xiàn)有的不可調光照明體系結構能轉換成具有實際節(jié)能的可調光的照明體系。不需要較大地改變照明電氣網(wǎng)絡。最重要的是，該技術將保持提供“環(huán)境清潔的”功率轉換的原理，不將諧波污染引入功率系統(tǒng)中。
現(xiàn)有技術用于現(xiàn)有照明系統(tǒng)的現(xiàn)有調光方法包括用于與三端雙向可控硅開關(triac)調光器兼容的白熾燈和氣體放電燈的基于三端雙向可控硅開關的調光器、用于氣體燈的可調光電子鎮(zhèn)流器，以及用于調節(jié)由磁性鎮(zhèn)流器驅動的燈的完全不同的技術的范圍。將依次論述這些現(xiàn)有技術。
基于三端雙向可控硅開關的調光器已經(jīng)廣泛用作用于愛迪生型白熾燈和一些三端雙向可控硅開關可調熒光燈的調光設備[1]。電路連接在圖1(a)中所示。三端雙向可控硅開關調光器由三端雙向可控硅開關和觸發(fā)電路組成，該觸發(fā)電路控制在電源電壓的周期上，接通三端雙向可控硅開關的相位角。如圖1(b)所示，通過控制延遲角(α)，能控制輸出均方根電壓，以及由此燈的功率。ac電壓的控制導致調整燈的亮度的能力。
然而，通過三端雙向可控硅開關調光器的電源輸入電流的波形由延遲角而定。當延遲角為非零時，輸入電流將偏離電源電壓的正弦波形狀。當增大延遲角度時，減小三端雙向可控硅開關的導電時間。因此，輸入電流將由高諧波分量組成，由此生成將不期望的諧波生成到電力系統(tǒng)中。另外，由于輸入功率因數(shù)是位移因素和失真因素的乘積[2]，但當延遲角大時，輸入功率因數(shù)變小。這是因為位移因素等于延遲角的余弦(如果延遲角大，該位移因素將變小)，以及失真因素隨電流諧波含量增加而減小。該低輸入功率因數(shù)的最終效果是在ac電源和照明系統(tǒng)間存在無功功率流。該無功功率能在電力系統(tǒng)上產(chǎn)生嚴重缺陷。功率因數(shù)越小，變換器的額定值越大，以及輸電的導體的大小必須更大。換句話說，發(fā)電和輸電的成本將更大。那是供電公司總是施壓消費者來增加功率因數(shù)的原因[3]。
近年來，存在將可調電子鎮(zhèn)流器用作放電燈，諸如熒光燈和高強度放電(HID)燈的日益增長的趨勢。可調電子鎮(zhèn)流器通常具有在輸入端具有4線連接配置。兩個連接用于ac電源的“火線”和“零線”，另兩個用于調光電平控制信號，其通常是在1V-10V內的dc信號?？烧{電子鎮(zhèn)流器的一般結構如圖2(a)所示。其由有功或無功功率因數(shù)校正電路、高頻dc/ac轉換器和諧振回路電路組成。功率因數(shù)校正電路和dc/ac轉換器通過高壓的dc鏈路互連。dc/ac轉換器用來通過諧振回路電路驅動燈。通常以稍微高于諧振回路電路的諧振頻率的頻率開關。使用諧振回路來提供高壓以便點亮燈和穩(wěn)定燈電流。通過控制dc鏈路電壓和/或dc/ac轉換器的開關頻率，實現(xiàn)調光功能。能使輸入功率因數(shù)在任何功率電平保持高。如圖2(b)所示，輸入電流iac的波形是正弦波以及與ac電源同相。
在圖2(c)中示例說明用于熒光燈的電子鎮(zhèn)流器的典型電路，其中，通過整流器整流ac電源，通過升壓dc/dc轉換器，實現(xiàn)功率因數(shù)校正電路，通過半橋反相電路，實現(xiàn)dc/ac轉換器，以及通過Lr和Cr，形成諧振回路電路。以稍微高于ac電源電壓的峰值的電平，調節(jié)dc鏈路電壓。如果通過增加S1和S2的開關頻率，調節(jié)燈，那么增加Lr的電抗，以致降低輸送到燈的功率。
用于熒光燈(低壓放電燈)的電子鎮(zhèn)流器已經(jīng)被廣泛使用以及已經(jīng)表明它們的使用具有總的經(jīng)濟利益[4]。以高頻(通常高于20kHz)操作電子鎮(zhèn)流器能消除熒光燈的閃爍效果和實現(xiàn)比電源頻率(50Hz或60Hz)操作的磁性鎮(zhèn)流器更高的效率。因此，由電子鎮(zhèn)流器驅動的熒光燈當與由磁性鎮(zhèn)流器驅動的燈相比時，對相同的光輸出，消耗更少能量。然而，電子鎮(zhèn)流器的一個主要缺點是相對短的壽命(對高質量產(chǎn)品，通常小于3至5年)。磁性鎮(zhèn)流器通常能操作10年以上，而不用替換，以及很少有具有這種長壽命的電子鎮(zhèn)流器。同時，電感鐵芯材料和繞組材料是可回收的，而電子鎮(zhèn)流器具有更有毒和不可回收的材料。
在HID燈市場中，使用電子鎮(zhèn)流器的情形是不同的。電子鎮(zhèn)流器僅用在少數(shù)主流HID應用中。它們局限于小規(guī)模系統(tǒng)和消費者產(chǎn)品，諸如投影儀、電影照明和汽車頭燈[5]。一個主要原因是HID燈當以高頻操作時，會經(jīng)受共鳴。共鳴是由于燈管中的功率壓力變化，會觸發(fā)各種形式的共振，如在木管樂器中。原理上，通過經(jīng)低頻(＜1kHz)或非常高的頻率(＞350kHz-700kHz)操作燈來避免[5，6]。然而，燈特性隨時間變化，由此當燈的老化影響變得至關重要時，不能保證燈的穩(wěn)定性。與白熾燈不同，HID燈要求長的預熱時間以便達到滿亮度。在切斷后，在再次重啟它們前，它們需要冷卻周期。“再點火”特性使調光成為簡單地關閉燈的有吸引力的替代方案，以便避免花費相當長的時間等待燈預熱。調光還具有其他優(yōu)點，諸如節(jié)能、感官目的、增加多用途空間的靈活性、燈流量狀況的更安全驅動[2]，以及降低室外照明系統(tǒng)中的光污染。因此，盡管日益努力開發(fā)電子鎮(zhèn)流器，傳統(tǒng)的磁性鎮(zhèn)流器仍然是主要選擇，尤其在室外應用中。與電子鎮(zhèn)流器不同，磁性鎮(zhèn)流器具有極其高的可靠性和長壽命，以及相對于瞬時電壓浪涌(例如由于閃電)和不利工作環(huán)境(例如高濕度和大的溫度變化)的強壯性。特別地，它們在HID燈中提供良好的燈弧穩(wěn)定性能。過去，磁性鎮(zhèn)流器的主要局限是它們在實現(xiàn)調光控制方面缺少靈活性。
除技術問題外，將調光設備用于由一大組燈或燈網(wǎng)絡組成的照明系統(tǒng)中的每一單個燈也是不經(jīng)濟的。通過用可調設備代替所有可調控制設備，將不可調光照明系統(tǒng)轉換成可調照明系統(tǒng)，配置是尤其關心的。如圖3所示，布線和電子安裝將很復雜，因為有必要重新設計用于電力線和控制信號的電子網(wǎng)絡。在具有多區(qū)的系統(tǒng)中，這種情形甚至更復雜。因此，將單個可調電子鎮(zhèn)流器安裝在例如道路照明系統(tǒng)的所有燈柱中將包含高安裝成本以及鑒于相對極端天氣情形，電子鎮(zhèn)流器的相對弱的抗擾性，對道路照明管理公司來說，也將是維護夢魘。
因此，如果能使磁性鎮(zhèn)流器可調，它們的長壽命、高可靠性和節(jié)電的組合特征將使這種“可調磁性鎮(zhèn)流器”成為用于室內和室外應用的有吸收力的解決方案。此外，具有能通過磁性鎮(zhèn)流器調節(jié)多個燈的技術也是有用的。圖4(a)表示具有磁性鎮(zhèn)流器的不可調燈系統(tǒng)結構，其中，將鎮(zhèn)流器的輸入通過開關設備直接連接到交流電源。使用開關設備來接通燈以及受各種裝置控制，例如手動控制、自動定時器控制以及光傳感器。已經(jīng)報告過用于具有磁性鎮(zhèn)流器的迄今的幾種調光方法。最終目的是控制燈電流，由此控制燈功率，以便能改變燈的亮度。策略主要作用在鎮(zhèn)流器的輸出端或燈側。如圖4(b)所述，能將它們分成幾種方法。
方法I-控制到燈的電源電壓或電流降低提供給鎮(zhèn)流器的電壓是調光的直接方法。如圖4(b)所示，當降低電源電壓VL時，電源電流iL、燈電流iLamp，以及由此燈功率將減小。通過各種電壓變換裝置，諸如低頻變壓器或高頻開關轉換器，能實現(xiàn)該方法。
修改鎮(zhèn)流器輸入上的電壓條件的最常見方法的一個是提供裝置，由此可以改變系統(tǒng)中的電源變壓器的電壓比。當電壓率由匝比(turns-ratio)而定時，斷定如果能改變匝比，那么將電壓比將改變相同量[5]。已經(jīng)采用各種方法，用于實現(xiàn)變壓比的該所需變化，最簡單的一種方法包括在變壓器的一側上使用多抽頭繞組(tappedwinding)，以便能改變有效匝比。另一種方法是使用能連續(xù)地改變匝比的變壓器。在[7]中，使用雙繞組自耦變壓器來提供用于實現(xiàn)雙電平調光系統(tǒng)的兩個電壓電平。在[8]中，提出了使用更復雜變壓器的多電平調光系統(tǒng)。所有這些方法包含使用機械裝置，諸如用于改變匝比的接觸器和用于連續(xù)地調整匝比的電動機。
另一方法是使用高頻開關轉換器。通過ac-dc轉換器，將ac電源電壓轉換成dc電壓，以及通過dc-ac轉換器，將dc電壓轉換成ac電壓[2]。因此，整個系統(tǒng)能以VL，靈活地提供高質量可變電壓和可變頻率輸出。然而，當處理來自ac電源的輸入能兩次時，整個效率低。例如，如果ac-dc和dc-ac轉換器的效率為0.95，整個效率為0.95*0.95＝0.90。
除使用ac-dc-ac轉換方法外，能使用ac-ac轉換器，諸如循環(huán)換流器來以電源頻率提供可調電壓。在[9]中，使用功率轉換器來將ac正弦電壓切成具有正弦包絡的電壓脈沖。在[10，11]中使用類似的方法。然而，在該過程中，將生成大量電流諧波，導致電力系統(tǒng)中的諧波污染問題。對激勵電壓靈敏的燈，諸如HID燈是不適當?shù)?。會導致不期望的共鳴和閃爍效果。
另一方法[12，13]是使用外部電流控制功率電路來以電源(mains)頻率控制輸入電流的大小。代替變換該電壓大小，該方法調整從ac電源取出的輸入電流。當從ac電源取出的有效功率與ac電源電壓和電流的乘積成比例時，由此能控制輸送到燈的整個功率。
方法II-鎮(zhèn)流器-燈阻抗通路的控制代替直接變換交流電源電壓，圖4(c)示例說明將該裝置與燈系統(tǒng)串聯(lián)連接的另一調光方法。所連的裝置是理論上不耗散任何有效功率的可變電阻。當燈系統(tǒng)的整個阻抗可調整時，VL和輸入電流的大小變得可調整。
如[14]中所述，由兩個串聯(lián)電感器組成的兩級電感器用于鎮(zhèn)流器中的扼流圈(choke)。通過能旁通兩個電感器的一個的開關，能以離散方式修改整個電感。
在[15]中，在能在有限范圍內連續(xù)地調整燈的鎮(zhèn)流器中，使用飽和電抗器。通過將額外繞組添加到電抗器，以及將直流電流注入該額外繞組，能飽和該電抗器鐵芯，以致能改變鎮(zhèn)流器中的電感器的阻抗。最終效果是調整流向燈的電流。[16]中的變量將具有電流的可變電抗應用于由多抽頭自耦變壓器提供的控制繞組，以便能實現(xiàn)等效串行阻抗的不同組合。
代替使用有源元件，另一方法[17，18]基于與燈通路串聯(lián)連接的電壓源。在[17]中，dc/ac轉換器與燈系統(tǒng)串聯(lián)連接。轉換器的dc端與另一ac/dc轉換器連接，其由ac電源供電。兩個轉換器必須處理有功功率和無功功率。換句話說，在兩個轉換器間存在循環(huán)能。在[18]中使用類似的想法，實施是基于使用變壓器耦合。不必說，該循環(huán)能將能量損失引入該系統(tǒng)中。除降低效率外，也必須處理熱問題。
方法III-控制燈終端阻抗如圖4(d)所示，第三方法是使用能轉移來自鎮(zhèn)流器的電流的裝置。整體效果是降低燈電流iLamp。在[19]中，在燈兩端連接可開關電容器。如果要求調光，接通電容器，以致來自鎮(zhèn)流器的那部分電流將遠離燈轉移到電容器中。用這種方式，能以離散方式控制燈電流，由此控制燈功率。
與上述方法相比，方法I和II適合于調整多個燈，特別是現(xiàn)有安裝。方法III要求改進或安裝每一單個燈上的調光裝置。盡管所有上述方法能通過磁性鎮(zhèn)流器調整燈，但它們具有各自的限制1)要求昂貴和成組機械結構[7，8]，2)將不期望的諧波污染引入功率系統(tǒng)[9]-[13]，3)不適合調整多個燈[14，15，19]，4)控制負載的總有功和無功功率[7-13]，5)僅提供離散調光[7，8]，[14]-[16]，[19]，6)實踐上難以中央或自動控制[7，8，14，15，17]7)當調整燈時，降低整個照明系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)[14，15，16]，以及8)控制耗散循環(huán)能[17，18]。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于提供用于電子燈或一般電子照明系統(tǒng)，包括由多個單個燈形成的系統(tǒng)的改進功率質量和調光控制的裝置。該裝置通過控制照明系統(tǒng)可變的電壓，而不是控制系統(tǒng)的有功功率，實現(xiàn)調光功能和實際節(jié)能。事實上，僅控制整個系統(tǒng)的無功功率。調光器的額定功率將遠小于照明系統(tǒng)的整個額定功率。優(yōu)選實施例的結構如圖5(a)所示。安裝該裝置與圖4(c)的方法II類似，該裝置與照明系統(tǒng)串聯(lián)連接。代替電抗，該裝置是無功功率控制器(RPC)，將輔助電壓插入ac電源電壓Vac和鎮(zhèn)流器輸入VL間。圖5(a)表示RPC、RPC_1的連接，連接在ac電源和照明系統(tǒng)間。輔助電壓保持在90或270度，與流過所述裝置的電流iL異相，并且其中，輔助電壓的大小用于改變施加到該燈的電壓。
在一個優(yōu)選實施例中，裝置中的RPC是dc-ac轉換器，由圖6(a)中的半橋轉換器電路或圖6(b)中的全橋轉換器電路構成。任一結構的dc端連接到dc源。該dc源可以是外部受控dc電壓源或電容器。橋式電路的ac端通過電感器L，與圖5(a)中的節(jié)點“A”和“B”相連。
通過控制由圖5(a)中的無功功率控制器RPC_1生成或吸收的無功功率量，改變提供給燈的電壓的大小，由此改變電流的大小。然而，通過使用RPC_1來調整輸送到燈的無功功率，將降低圖5(a)中的整個系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)。如圖5(b)所示，由此在ac電源兩端連接第二無功功率控制器RPC_2。其功能充當功率因數(shù)改進電路。RPC_2吸收來自具有圖5(a)中的RPC_1的整個照明系統(tǒng)的無功功率或向其生成無功功率，以便能提高系統(tǒng)的整體功率因數(shù)。理想地，從整個吸收或生成的整體無功功率為0，以便使整個系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)保持單一。因為兩個無功功率控制器RPC_1和RPC_2主要僅控制無功功率，理論上，在電路操作中不包含有功功率(除實際上，在功率電子設備中，將存在一些傳導和開關損耗，以及在電感器中存在銅和磁芯損耗外)。因此，基于無功功率控制所提出的調光方法具有實現(xiàn)高能量效率的能力。重要的是注意所提出的RPC結構以不同于傳統(tǒng)的兩級ac-dc連接器和dc-ac轉換器結構[17]的方式操作。盡管前一結構僅控制無功功率，后一結構控制實際以及無功功率。在兩個轉換器間沒有循環(huán)能。能使dc鏈路電容器(即用作電壓源的兩個電容器(圖6a)或單一電容器(圖6b)的值)比在[17]中所需的更小，因為由兩個轉換器控制的能量小于[17]中的。因此，所提出的結構具有比傳統(tǒng)的二級ac-dc-ac功率轉換器系統(tǒng)更小的伏特-安培額定值，以及更高的能量效率。
換句話說，與現(xiàn)有技術設備，諸如在[17]和[18]中所述相比，本發(fā)明的優(yōu)點是在本發(fā)明中，RPC產(chǎn)生基本上與流過RPC的電流異相90°或270°的電壓。由此，RPC對燈鎮(zhèn)流器或AC電源來說，似乎基本上“純”電感或基本上“純”電容。由于“純”，意指與其電抗阻抗相比，RPC的有效電阻可忽略，以致能將RPC看作純電容器或純電感器，而沒有顯著的串聯(lián)電阻。本領域的技術人員將意識到電容器和電感器不耗散能量(除用于輔助效應，諸如電容器中的介電損耗或電感器中的滯后損耗外)。
相反，現(xiàn)有技術設備，諸如[17]和[18]中所述，具有復阻抗，包括無功阻抗和有效實阻抗。如本領域的技術人員將意識到，實阻抗等于電阻器。由此將在電阻實阻抗上耗散有效電子功率。
當兩個RPC均是dc/ac功率轉換器時，通過將RPC_1和RPC_2的dc端連接在一起，在優(yōu)選實施例中，能簡化電路復雜度和控制方法。然而，對兩個RPC來說，可能看起來是一些接地問題。兩個RPC可以不直接一起以及可以要求隔離變壓器以便將RPC與串聯(lián)或并行支路隔離。在本專利中，將論述半橋分路變換器電路結構。不使用隔離變壓器，在該建議中，通過相同dc鏈路(圖11)，開發(fā)了串聯(lián)和并聯(lián)RPC。


圖1(a)-(b)示例說明現(xiàn)有技術的基于三端雙向可控硅開關調光器的操作，圖2(a)-(c)表示用于放電燈的電子鎮(zhèn)流器的一般結構，圖3示例說明將可調電子鎮(zhèn)流器用于單個燈的照明系統(tǒng)的體系結構，圖4(a)-(d)描述用于具有磁性鎮(zhèn)流器的燈的各種現(xiàn)有技術調光方法，圖5(a)-(b)表示調光裝置的各種結構，圖6(a)-(c)示例說明無功功率控制器的示意圖，圖7(a)-(b)表示當照明系統(tǒng)是電感性時，系統(tǒng)的相圖和功率三角形，圖8(a)-(b)表示當照明系統(tǒng)是電容性時，系統(tǒng)的相圖和功率三角形，圖9示例說明用于提高輸入功率因數(shù)的RPC的結構，圖10(a)-(g)表示具有高功率因數(shù)的調光控制裝置的可能實現(xiàn)，圖11表示RPC_1和RPC_2共享相同dc電源的優(yōu)選實施例，圖12(a)-(d)表示以Vinv和Vp_inv的不同組合，整個系統(tǒng)的等效電路，以及圖13表示使用AC/AC轉換器的實施例。
具體實施例方式
A.RPC的等效電路在圖6(c)中示例說明表示RPC的操作的等效電路，其中，由具有與ac電源相同頻率的正弦電壓源Vinv，模擬半橋[(圖6(a)，或全橋[圖6(b)])轉換器。將轉換器的dc端連接到外部受控dc電壓源或電容器。節(jié)點“A”和“B”通過電感器L連接到假想ac源Va。Va的基頻與行頻相同。以遠高于ac電源的頻率的頻率，開關兩個橋接電路中的開關，[圖6(a中的S1和S2]以及[圖6(b)中的S1至S4]。通過ac電源的頻率，調制驅動開關的門信號。能使用用于驅動開關的許多脈寬調制(PWM)方案。例子包括正弦PWM、具有可選諧波消除的PWM方案、均勻采樣PWM等等[2]。在圖6中的“C”和“D”兩端的轉換器輸出的頻譜主要由行頻、開關頻率以及兩個頻率的內部和交叉調制。當電感器L用來過濾出出現(xiàn)在節(jié)點“A”和“B”上的不期望高頻分量時，通過僅考慮行頻，能表示Va和RPC間的有功和無功能量流。因此，使用圖6(c)中的Vinv來模擬轉換器是適合的。
B.RPC的操作原理圖6(c)中所示的行頻模型用來說明RPC的操作原理。能將流過RPC的功率P和無功功率Q表示為[3]P=VaVinv2πfLsinδ---(1)]]>Q=va(vavinvcosδ)2πfL---(2)]]>其中，f是電源頻率，以及δ是Va和Vinv間的相位差。
基于方程式(1)，RPC具有三個可能的操作模式模式I-如果δ＞0，P＞0，反相器吸收能量，以及電容器電壓Vc增加。
模式II-如果δ＜0，P＜0，反相器釋放能量，以及Vc減小。
模式III-如果δ＝0，P＝0以及Vc保持不變。通過Vinv和Va的大小，確定Q。如果Va＞Vinv，Q＞0。RPC充當無功功率吸收器。相反，如果Va＜Vinv，Q＜0。RPC充當無功功率發(fā)生器。
理想地，RPC在模式III中操作以及充當無功功率吸收器或無功功率發(fā)生器。實際上，δ稍微大于零，因為使用吸收能來補償RPC中的實際能量損耗。如圖6(b)中所示，Vinv的值確定Q，Va，以及由此輸送到燈的功率的值。由RPC中的直流源而定，能應用不同控制方法。
1.外部受控電壓源如果dc源是外部受控dc電壓源，通過調整橋接電路的調制指數(shù)M和/或dc源電壓Vdc的大小，能控制Q的量。當通過電感器衰減高頻脈動時，將僅考慮基本分量(即行頻)。如[2]中所示，vinv12Mvdc---(3)]]>其中，Vinv是rms值。
由此，能使用M和Vdc來改變Vinv。
2.直流電容器如果dc端是電容器，Vinv的控制基于改變M和/或δ。改變M的值與方程式(3)類似，vinv=12Mvc---(4)]]>改變電容器電壓Vc，由此改變Vinv的另一方法是通過調整δ，使RPC_1進入模式I或模式II。在此之后，RPC_1反轉回模式III。最終功能是以所需電平調整Vc，以便在RPC中將沒有功率的凈流。通過使用使Vinv與Va同步的鎖相環(huán)和調整δ和/或M值的誤差放大器，能實現(xiàn)該功能。
C.燈的調光通過控制燈系統(tǒng)兩端的電壓，實現(xiàn)燈的調光。圖7(a)-7(b)表示當燈系統(tǒng)是電感性時的系統(tǒng)的相圖和功率圖。圖8(a)-(b)表示當燈系統(tǒng)是電容性時的系統(tǒng)的各個圖。
1.電感燈系統(tǒng)圖7描述以兩個功率電平的調光操作。當燈系統(tǒng)的輸入功率為P1時，燈系統(tǒng)的電源電壓為VL_1以及電源電流為iL_1。iL_1滯后VL_1相位差Φ1。當RPC與燈系統(tǒng)串聯(lián)連接時，流過它的電流也等于iL_1。如圖5(a)所示，RPC的所需電壓矢量Va_1垂直于iL_1，以致RPC將不從ac電源獲得任何實功率。iL_1滯后Va_1。這意味著RPC吸收無功功率。如圖7(b)所示，無功功率由兩個分量組成，包括由燈系統(tǒng)Q1吸收的無功功率，以及由RPC Qa-1吸收的無功功率。
如果將燈系統(tǒng)調整到功率電平P2，電源電壓變?yōu)閂L_2以及電源電流為iL_2。iL_2滯后VL_2相位差Φ2。VL_2的大小小于VL_1。RPC電壓的矢量應當垂直于iL_2以及其大小應當高于Va-1。因此，為實現(xiàn)調光功能，必須增加dc端電壓的大小。通常，由燈系統(tǒng)吸收的無功功率減小(即Q2＜Q1)。由RPC吸收的無功功率從Qa-1改變到Qa-2。
2.電容燈系統(tǒng)圖8描述以兩個功率電平的調光操作。當燈系統(tǒng)的輸入功率為P1時，燈系統(tǒng)的電源電壓為VL_1以及電源電流為iL_1。iL_1超前VL_1相位差Φ1。如圖8(a)所示，RPC的所需電壓矢量Va_1仍然垂直于iL_1。iL_1超前Va_1。這意指RPC生成無功功率。如圖8(b)所示，無功功率由兩個分量組成，包括由燈系統(tǒng)Q1生成的無功功率，以及由RPC Qa-1生成的無功功率。
如果將燈系統(tǒng)調整到功率電平P2，電源電壓變?yōu)閂L_2以及電源電流為iL_2。iL_2超前VL_2相位差Φ2。VL_2的大小小于VL_1。RPC電壓的矢量應當垂直于iL_2以及其大小應當高于Va-1。因此，為實現(xiàn)調光功能，必須增加dc端電壓的大小。通常，由燈系統(tǒng)產(chǎn)生的無功功率減小(即Q2＜Q1)。由RPC吸收的無功功率從Qa-1改變到Qa-2。
D.高功率因數(shù)結構如圖7和圖8所述，除由燈系統(tǒng)吸收或生成的無功功率外，RPC將吸收或生成來自ac電源的另外的無功功率。該操作將引起整個照明系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)的降低。當燈功率從P1調整到P2時，功率因數(shù)從cosθ1減小到cosθ2。盡管在ac電源輸入兩端連接電容器能提高功率因數(shù)，所需電容器值是與燈功率相關的。通過在ac電源兩端連接另一控制器RPC_2，如圖5(b)所示，在任何燈功率上，使功率因數(shù)保持單一。
對電感燈系統(tǒng)，需要由RPC_2生成的所需電感功率QP[圖7(b)]在任何功率電平等于由燈系統(tǒng)和RPC_1吸收的無功功率的和。如果燈系統(tǒng)的輸入功率為P1，QP_1＝Qa_1+Q1(5)如果燈系統(tǒng)的輸入功率為P2，QP_2＝Qa_2+Q2(6)圖7(b)示例說明QP-1和QP-2的矢量。因此，QP是與負載相關的。
對電容性燈系統(tǒng)，需要由RPC_2吸收的所需電感功率QP[圖8(b)]在任何功率電平等于由燈系統(tǒng)和RPC_1生成的無功功率的和。方程式(5)和(6)仍然有效。圖8(b)示例說明QP-1和QP-2的矢量。同樣地，QP是與負載相關的。
在電感性和電容性燈系統(tǒng)中，QP由方程式(2)而定。如圖9所示，橋轉換器電壓VP_inv確定QP的值。方程式(1)和(2)表示ac電源和RPC_2間的功率和無功流。即，PP=vacvP_inv2πfLPsinδP---(7)]]>QP=vac(vac-vP_invcosδP)2πfLP---(8)]]>其中，δP是Vac和VP_inv間的相位差。
同樣地，RPC_2具有三個可能的操作模式
模式I-如果δP＞0，PP＞0，反相器吸收能量，以及電容器電壓VP_C增加。
模式II-如果δP＜0，PP＜0，反相器釋放能量，以及VP_C減小。
模式III-如果δP＝0，PP＝0，以及VP_C保持不變。
由VP_inv和Vac的大小，確定QP。如果Vac＞VP_inv，QP＞0。RPC_2充當無功功率吸收器。相反地，如果Vac＜VP_inv，QP＜0。RPC_2充當無功功率生成器。
QP的控制基于監(jiān)測ac電源電壓和整個輸入電流間的相移。與RPC_1類似，電壓VP_inv確定QP，以及通過調整RPC_2和/或δP的調制率來控制。例如，如果燈系統(tǒng)是電感性的，RPC_1將操作為無功功率吸收器，以及RPC_2將操作為無功功率發(fā)生器。如果輸入電流滯后電源電壓，控制電路將增加RPC_2的dc鏈路電壓(即該電容器或用作DC電壓源的電容器的電壓)，以便RPC_2將生成更多無功功率，由此將減小電源電壓和輸入電流間的相位差。如果輸入電流超前電源電壓，控制電路將減小RPC_2的dc鏈路電壓，以致RPC_2將生成更少無功功率，由此將降低電源電壓和輸入電流間的相位差。如圖7和圖8所示，分別用于功率電平P1和P2的整個輸入電流iL-1’和iL-2’將與ac電源同相，由此功率因數(shù)是單一的。
E.RPC_1和RPC_2共用相同dc源圖10表示通過高功率因數(shù)的調光控制裝置的可能實現(xiàn)。圖10(a)表示能將兩個半橋轉換器用于RPC_1和RPC_2的一種可能性。在該方法中，要求四個dc電容器和四個半導體開關。圖10(b)表示能將兩個全橋轉換器用于RPC_1和RPC_2的另一可能方法。在這種情況下，要求兩個電容器和八個開關。其他可能性是將半橋接和全橋轉換器用于RPC_1和RPC_2的組合。圖10(c)表示RPC_1使用半橋轉換器以及RPC_2使用全橋轉換器的可能性。圖10(d)表示RPC_1使用全橋轉換器以及RPC_2使用半橋轉換器的可能性。
如果組合RPC_1和RPC_2的dc鏈路源，能減少電容器的數(shù)量。然而，如果直接連接圖8中所示的兩個控制器，可以形成火線和零線間的短路通路。為避免短路問題，能使用變壓器隔離RPC_1和RPC_2。圖10(e)-(g)表示使用變壓器來隔離RPC_1和/或RPC_2的不同組合。這將引入變壓器上的另外的功率損耗。
圖11表示共用相同dc源的RPC_1和RPC_2以及不需要變壓器的實施例。如圖11中所包圍，RPC_1由S1、S2和兩個電容器形成，而RPC_2由S3、S4和兩個電容器形成。通過研究調光裝置中的RPC_1和RPC_2的整體操作，能說明其操作。圖12(a)-(d)表示以Vinv和VP_inv的不同組合的整個系統(tǒng)的等效電路。由于Vinv和VP_inv能為正或負，得出四種可能的結合。S1、S2，L和兩個電容器形成RPC_1，而S3，S4，LP和兩個電容器形成RPC_2。當接通S1和S3時，形成圖12(a)中所示的電路。當接通S2和S3時，形成圖12(b)中所示的電路。當接通S1和S4時，形成圖12(c)中所示的電路。最后，當接通S2和S4時，形成圖12(d)中所示的電路。
另一方面，如上所述，通過控制由S1和S2形成的轉換器的調制指數(shù)，以及Vinv和Va間的相移，能改變VL。另一方面，通過控制Vac和VP_inv間的相移以及RPC_2的調制指數(shù)，能提高功率因數(shù)。兩個轉換器不處理整個系統(tǒng)中的任何有功功率。
調整Vac和VP_inv間的相移以及由開關S3和S4形成的反相器的調制指數(shù)，能控制由RPC_2生成或吸收的無功功率量。當dc源共用于RPC_1和RPC_2時，通過改變由開關S1和S2形成的反相器的調制指數(shù)，能執(zhí)行燈的調光。
在另外的實施例中，可以使用AC電壓源(代替DC電壓源)和AC/AC電壓轉換器(代替DC/AC電壓轉換器)來產(chǎn)生RPC_1和RPC_2兩端的輔助AC電壓，如圖13所示。
AC電源的頻率通常改變。例如，額定50HzAC電源可以在49Hz和51Hz間改變。因此，在許多實施例中，期望包括鎖頻裝置，諸如鎖頻環(huán)或鎖相環(huán)(PLL)。
理想地，流過RPC_1和/或RPC_2的電壓和電流將正好異相90°，以便RPC_1和/或RPC_2充當理想電感器或理想電容器。事實上，在RPC_1和/或RPC_2中仍然有一些損耗。一些損耗將來自開關損耗，例如來自半橋或全橋電路。同時，對磁性鎮(zhèn)流器和AC電源，控制電路將要求電功率起作用，以及該電子功率將出現(xiàn)，作為小的實電阻。由此，盡管優(yōu)選對于純阻抗，電壓和電流正好異相90°，當電壓和電流在90°時異相1°，5°或10°時，本發(fā)明可以實施。
可以使用上述全橋接或半橋接技術，以及其他類型的功率轉換器來生成輔助電壓。期望在大多數(shù)實施例中，功率半導體設備將用作開關，例如假定半橋或全橋。適當?shù)墓β拾雽w設備的例子是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，盡管本領域的技術人員將理解到，可以使用其他類型的設備。
本發(fā)明可以應用于電子燈鎮(zhèn)流器以及磁性燈鎮(zhèn)流器。本領域的技術人員將意識到一些電子鎮(zhèn)流器包括功率調整，例如允許由在110V至240V的范圍中的AC電源操作燈。本發(fā)明當結合包括功率調整電子鎮(zhèn)流器使用，本發(fā)明可能不太有效，因為，如果RPC增加AC電源的有效阻抗，那么電子鎮(zhèn)流器將降低它們的等效阻抗到一定程度來抵消RPC的阻抗增加。
本發(fā)明可以與氣體放電燈，諸如高壓鈉燈、低壓鈉燈、熒光燈和高強度放電燈，諸如金屬鹵化物燈一起使用。
本發(fā)明尤其涉及簡單通用目的和非侵入調光系統(tǒng)，能被更新成現(xiàn)有的燈以及在當不使用該調光系統(tǒng)時，對燈的正常操作沒有影響的意義上為非侵入的。如圖9所示，旁路開關可以連接在RPC_1兩端以及如果RPC_1操作時，為斷開。如果RPC_1未使用，旁路開關將閉合，以及無中斷地由交流電源供電照明系統(tǒng)。
所引用的參考文獻[1]J.Janczak，et al，“Triac Dimmable Integrated CompactFluorescent Lamp，“Journal of the Illuminating Engineering Society，pp.144-151，Winter 1998. N.Mohan，T.Undeland，and W.Robbins，Power Electronics-Converters，Applications，and Design，John Wiley and Sons，Inc.，2003. B.M.Weedy，Electric Power Systems，John Wiley and Sons，Inc.，1988. Global Electronic Ballast Markets Technologies，Applications，Trends and Competitive Environment，Darnell Group Inc.，December2000. R.Simpson，Lighting Control-Technology and Applications，F(xiàn)ocal Press，2003. W.Yan，Y.Ho，and S.Hui，“Stability study and controlmethods for small wattage high-intensity-discharge(HID)lamps，”IEEE Transactions on Industrial Applications，vol.37，no.5，pp.1522-1530，Sept.2001. E.Daniel，“Dimming system and method for magneticallyballasted gaseous discharge lamps，”US patent 6,271,635，Aug.7，2001. E.Persson and D.Kuusito，“A performance comparison ofelectronic vs.magnetic ballast for power gas-discharge UV lamps，”RadTech’98，Chicago，1998，pp.1-9. J.S.Spira，et al，“Gas discharge lamp control，”US patent4,350,935，Sept.21，1982. L.Lindauer，et al，“Power regulator，”US patent 5,714,847，F(xiàn)eb.3，1998. J.Hesler，et al，“Power regulator employing a sinusoidalreference，”US parent 6,407,515，Jun.18，2002. B.Szabados，“Apparatus for dimming a fluorescent lamp witha magnetic ballast，”US patent 6,121,734，Sept.19，2000. B.Szabados，“Apparatus for dimming a fluorescent lamp witha magnetic ballast，”US patent 6,538,395，Mar.25，2003. L.Abbott，et al，“Magnetic ballast for fluorescent lamps，”USpatent 5,389,857，F(xiàn)eb.14，1995. D.Brook，“Wide range load current regulation in saturablereactor ballast，”US patent 5,432,406，Jul.11，1995. R.Scoggins，et al，“Power regulation of electrical loads toprovide reduction in power consumption，”US patent 6,486,641，Nov.26，2002. E.Olcina，“Static energy regulator for lighting networks withcontrol of the quantity of the intensity and/or voltage，harmonic contentand reactive energy supplied to the load，”US patent 5,450,311，Sept.1995. Scoggin，et al，“Power regulation of electrical loads to providereduction in power consumption，”US patent 6,486,641，Nov.2002. R.Lesea，et al，“Method and system for switchable light levelsin operating gas discharge lamps with an inexpensive single ballast，”USpatent 5,949,196，Jul.11，1999.
權利要求
1.一種無功功率控制器，用于調光AC電源照明系統(tǒng)，該無功功率控制器包括第一和第二端子，用于連接到AC電源照明系統(tǒng)；電壓形成裝置，用于以第一和第二端子間的電源頻率，形成AC電壓；信號接收裝置，用于接收調光電平控制信號；以及控制裝置，用于基于調光電平控制信號，控制由電壓形成裝置形成的電壓。
2.如權利要求1所述的無功功率控制器，其中，控制裝置用來使電壓形成裝置形成與從第一端子流向第二端子的電流異相的AC電壓。
3.如權利要求2所述的無功功率控制器，其中，控制裝置用來使電壓形成裝置形成與從第一端子流向第二端子的電流異相基本上90°或基本上270°的AC電壓。
4.如權利要求3所述的無功功率控制器，其中，控制裝置用來使電壓形成裝置形成在與從第一端子流向第二端子的電流異相80°至100°范圍中或在260°至280°范圍中的AC電壓。
5.如權利要求4所述的無功功率控制器，其中，相位在85°至95°的范圍中，或在265°至275°的范圍中。
6.如權利要求4所述的無功功率控制器，其中，相位在89°至91°的范圍中，或在269°至271°的范圍中。
7.如權利要求2或3所述的無功功率控制器，其中，控制裝置包括鎖頻裝置。
8.如權利要求2至7的任何一個所述的無功功率控制器，其中，控制裝置包括鎖相環(huán)(PLL)。
9.如權利要求1至8的任何一個所述的無功功率控制器，包括用于從DC電壓源接收DC電壓的裝置，其中，電壓形成裝置用來將DC電壓轉換成AC電壓。
10.如權利要求1至8的任何一個所述的無功功率控制器，包括DC電壓源，其中，電壓形成裝置用于將來自DC電壓源的DC電壓轉換成AC電壓。
11.如權利要求10所述的無功功率控制器，其中，控制裝置用來基于調光電平控制信號，控制DC電壓源的電壓，由此控制由電壓形成裝置形成的電壓。
12.如權利要求10所述的無功功率控制器，其中，DC電壓源包括電容器裝置。
13.如權利要求10所述的無功功率控制器，其中，DC電壓源包括兩個串聯(lián)連接的電容器裝置。
14.如權利要求12或權利要求13所述的無功功率控制器，當從屬于權利要求2時，其中，控制裝置用來基于調光電平控制信號，相對于從第一端子流向第二端子的電流，控制AC電壓的相位，由此存儲或釋放電容器裝置中的能量，由此改變電容器裝置的電壓，并由此控制由電壓形成裝置形成的電壓。
15.如權利要求9至14的任何一個所述的無功功率控制器，其中，電壓形成裝置包括開關裝置，以通過將DC電壓源交替地連接到具有正極性然后反極性的第一和第二端子時，將DC電壓轉換成AC電壓。
16.如權利要求15所述的無功功率控制器，其中，開關裝置包括半橋轉換器。
17.如權利要求15所述的無功功率控制器，其中，開關裝置包括全橋轉換器。
18.如權利要求15至17的任何一個所述的無功功率控制器，其中，開關裝置包括功率半導體開關設備。
19.如權利要求18所述的無功功率控制器，其中，開關裝置包括絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)。
20.如權利要求15至19的任何一個所述的無功功率控制器，其中，電壓形成裝置包括電感器裝置，用于衰減由開關裝置形成的高頻電流脈動。
21.如權利要求15至20的任何一個所述的無功功率控制器，其中，控制裝置用來基于調光電平控制信號，控制開關裝置的調制指數(shù)，由此控制由電壓形成裝置形成的電壓。
22.如在前任何一個權利要求所述的無功功率控制器，其中，信號接收裝置用來接收DC電壓，作為調光電平控制信號。
23.一種串并聯(lián)無功功率控制器，用于調光AC電源照明系統(tǒng)，該串并聯(lián)無功功率控制器包括根據(jù)權利要求1至22的任何一個所述的第一無功功率控制器，用于串聯(lián)連接到AC電源照明系統(tǒng)，以便無功地控制提供給AC電源照明系統(tǒng)的功率；根據(jù)權利要求1至22的任何一個所述的第二無功功率控制器，用于并聯(lián)連接在第一無功功率控制器和AC電源照明系統(tǒng)兩端，以便提高第一無功功率控制器和AC電源照明系統(tǒng)的功率因數(shù)，其中，電連接第一和第二無功功率控制器以便共用公共DC電壓源。
24.如權利要求23所述的串并聯(lián)無功功率控制器，其中，直接連接第一和第二無功功率控制器以便共用公共DC電壓源。
25.如權利要求23所述的串并聯(lián)無功功率控制器，包括變壓器裝置，連接第一和第二無功功率控制器以便共用公共DC電壓源。
26.一種可調AC電源照明系統(tǒng)，包括用于接收輸入AC電源的裝置；一個或多個燈鎮(zhèn)流器，以及根據(jù)權利要求1至22的任何一個所述的第一無功功率控制器，其中，經(jīng)輸入電源和一個或多個磁性燈鎮(zhèn)流器間的其第一和第二端子，串聯(lián)連接第一無功功率控制器。
27.如權利要求26所述的可調AC電源照明系統(tǒng)，其中，一個或多個燈鎮(zhèn)流器包括一個或多個磁性燈鎮(zhèn)流器。
28.如權利要求26所述的可調AC電源照明系統(tǒng)，其中，一個或多個燈鎮(zhèn)流器包括一個或多個電子燈鎮(zhèn)流器。
29.如權利要求26至28的任何一個所述的可調AC電源照明系統(tǒng)，包括如權利要求1至22的任何一個所述的第二無功功率控制器，其中，經(jīng)在輸入電源兩端的其第一和第二端子，并聯(lián)連接第二無功功率控制器。
30.如權利要求29所述的可調AC電源照明系統(tǒng)，其中，電連接第一無功功率控制器和第二無功功率控制器，以便共用公共DC電壓源。
31.如權利要求26至30的任何一個所述的可調AC電源照明系統(tǒng)，其中，用于接收輸入AC電源的裝置包括開關設備。
32.如權利要求26至31的任何一個所述的可調AC電源照明系統(tǒng)，包括分別連接到一個或多個燈鎮(zhèn)流器的一個或多個燈。
33.如權利要求32所述的可調電源照明系統(tǒng)，其中，一個或多個燈包括氣體放電燈。
34.如權利要求26至33的任何一個所述的可調電源照明系統(tǒng)，包括在第一無功功率控制器兩端的旁路開關裝置。
35.一種如前所述和/或參考圖5至12的任何一個的無功功率控制器。
36.一種如前所述和/或參考圖5至12的任何一個的可調AC電源照明系統(tǒng)。
37.公開了一種無功功率控制器(RPC)，用于調光使用鎮(zhèn)流器，例如磁性鎮(zhèn)流器的AC電源照明系統(tǒng)。在一個實施例中，使用DC/AC轉換器來將來自DC電壓源的DC電壓轉換成與流過RPC的電流異相的AC電壓。例如，如果AC電壓與該電流異相90°或270°，那么對AC電源照明系統(tǒng)來說，RPC將有效地出現(xiàn)為電容器或電感器，由此增加電源對磁性鎮(zhèn)流器的有效阻抗。RPC以電源頻率產(chǎn)生可控AC電壓，以便可調負載的凈電壓以便調光該負載。凈電壓是AC電源電壓和由RPC產(chǎn)生的AC電壓的矢量和?？梢允褂玫诙PC來提高AC電源照明系統(tǒng)的功率因數(shù)。第二RPC生成或吸收整個系統(tǒng)的所需無功功率，以致AC電源照明系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)變得基本上單一。在有利的實施例中，連接第一和第二RPC以便共用公共DC電壓源。
全文摘要
公開了一種無功功率控制器(RPC)，用于調光使用鎮(zhèn)流器，例如磁性鎮(zhèn)流器的AC電源照明系統(tǒng)。在一個實施例中，使用DC/AC轉換器來將來自DC電壓源的DC電壓轉換成與流過RPC的電流異相的AC電壓。例如，如果AC電壓與電流異相90°或270°，那么對AC電源照明系統(tǒng)來說，RPC將有效地出現(xiàn)為電容器或電感器，由此增加電源對磁性鎮(zhèn)流器的有效阻抗。RPC以電源頻率產(chǎn)生可控AC電壓，以便可調負載的凈電壓以便調光該負載。凈電壓是AC電源電壓和由RPC產(chǎn)生的AC電壓的矢量和。可以使用第二RPC來提高AC電源照明系統(tǒng)的功率因數(shù)。第二RPC生成或吸收整個系統(tǒng)的所需無功功率，以致AC電源照明系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)變得基本上單一。在有利的實施例中，連接第一和第二RPC以便共用公共DC電壓源。
文檔編號H05B41/39GK101044800SQ200580033502
公開日2007年9月26日 申請日期2005年9月28日 優(yōu)先權日2004年10月1日
發(fā)明者鐘樹鴻, 何藝文 申請人:研能雙樹有限公司