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荧光灯镇流器

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  • 发布时间:2013/9/30 11:55:32
  • 作者:银河电气

概述

  1879年爱迪生发明灯泡,从1938年,可以通过低压放电产生白光的荧光灯问世,这种荧光灯由灯管、电感镇流器和启辉器构成。
  20世纪70年代末荷兰菲利普率先发明了电子镇流器,我国复旦大学于1982年研制成功电子镇流器。
  电子镇流器用于替代荧光灯中的电感镇流器和启辉器,电子镇流器问世后,因效率高、体积小、重量轻、无噪音、无频闪等优点迅速普及,时至今日,电感镇流器基本上已经退出历史的舞台。

荧光灯镇流器标准

  GB 19510.4-2009 灯的控制装置 第4部分:荧光灯用交流电子镇流器的特殊要求
  GB 19510.9-2004 灯的控制装置 第9部分 荧光灯用镇流器的特殊要求
  GB 2313 1993 管形荧光灯镇流器一般要求和安全要求
  GB 14044-2008 管形荧光灯用镇流器 性能要求
  GB/T17263-2002普通照明用自镇流荧光灯 性能要求

电感镇流器荧光灯工作原理

  为了更好的理解电子镇流器的原理和优点,有必要回顾一下电感式镇流器和启辉器的原理和作用。早期的荧光灯由灯管、启辉器和电感式镇流器构成:

1灯管

  利用荧光粉把低气压汞蒸气放电过程中产生的紫外线转变成可见光的电光源。一般制成管形。荧光灯的发光效率高,发光面积大,光线柔和,使用寿命长,可以使光色近似日光色或其他各种光色,是一种良好的室内照明光源。

荧光灯发光原理图

图1、荧光灯发光原理

  如图1,荧光灯由灯丝、灯管、灯头构成,灯管壁内填充惰性气体和汞、管壁上涂有荧光粉。灯丝上涂有一层发射电子的物质,称为阴极。灯丝通过灯头通电加热,灯丝阴极产生电子,电子激发汞原子产生紫外线,紫外线穿过涂覆在管壁上的荧光粉,产生可见光。

2启辉器

  启辉器也称启动器或跳泡,如图2,启辉器包括充有氖气的玻璃泡、静触片、动触片、电容。电容两极分别连接动、静触片,作用是吸收辉光放电而产生的谐波,还可使动静触片分离不产生火花,保护触点。

启辉器

图2、启辉器构成原理

3电感镇流器

  电感镇流器实际上就是一个含铁芯的电感器,在启辉器分断瞬间产生感应电动势,在荧光灯正常工作时起限流和降压作用。

4启动过程与工作原理

电感镇流器荧光灯

图3、荧光灯启动及工作原理

  通电瞬间,启辉器金属片未闭合,灯管内汞也还未被激发,灯管处于高阻状态,AC220V电压全部施加在启辉器的金属片两端,启辉器内的惰性气体被电离,产生辉光放电,辉光放电产生热量,导致双金属片变形闭合。
启辉器内的双金属片闭合后,灯管内的灯丝通过电流,灯丝发热,灯丝阴极产生电子。
  启辉器内的双金属片闭合后,两端不再有电压,惰性气体停止辉光放电,停止产生热量,双金属片温度降低(注意,温度升高主要原因是辉光放电,双金属片闭合后有电流通过,也会产生热量,但是,该热量不足以维持温度),触点分离。
  启辉器双金属片触电分离后,电感镇流器因突然断电而产生很高的反电势,该反电势与电源叠加后施加在灯管两端, 灯丝阴极产生的电子在高压作用下,由低电势端向高电势端快速运动。在加速运动的过程中,碰撞管内惰性气体,使之迅速电离。惰性气体电离生热,热量使水银产生蒸气,随之水银蒸气也被电离,并发出强烈的紫外线。在紫外线穿过涂覆在灯管管壁上的荧光粉,发出可见光。不同的荧光粉可发出不同颜色的可见光。
若电感镇流器产生的反电势不能成功点亮荧光灯,上述过程将重复发生,直至灯管点亮或灯丝损坏。
  荧光灯发光后,工作电压约110V,启辉器与荧光灯并联,电压相等,110V的电压不足以电离内部惰性气体,不会再次闭合。电感镇流器流过稳定的电压,两端电压约110V,在电路中起限流/降压作用。

电子镇流器构成及原理

  电子镇流器在荧光灯中用于取代电感镇流器和启辉器。《GB 19510.4-2009 灯的控制装置 第4部分:荧光灯用交流电子镇流器的特殊要求》对交流电子镇流器定义如下:
  由电网电源供电的、并包含有稳压器件的交流-交流逆变器,其通常在高频下启动并使用一支或几支荧光灯工作。

1电子镇流器的基本构成及原理

  电子镇流器的典型的基本构成包括整流单元、逆变单元和谐振单元。其工作原理如图4。

电子镇流器荧光灯启动及运行原理图

图4 电子镇流器荧光灯启动及工作原理

  220V/50Hz交流电经过整流部分变为直流电,直流电经过逆变单元变为20kHz~50kHz的交流电,电感L和电容C构成谐振单元谐振单元的谐振频率与逆变单元产生的交流电频率相同。
  电容C与灯管并联,灯管可以等效为一个电阻R。在通电瞬间,灯管发光前,其阻值很大,R和C并联后相当于只有电容C。于是,L、C产生谐振,在电容C两端产生高压,高压电通过灯丝形成回路,灯丝发热,灯丝阴极产生电子,电子在高压作用下由低电势端向高电势端快速运动。在加速运动的过程中,碰撞管内惰性气体,使之迅速电离。惰性气体电离生热,热量使水银产生蒸气,随之水银蒸气也被电离,并发出强烈的紫外线。在紫外线穿过涂覆在灯管管壁上的荧光粉,发出可见光。
  灯管发光后,灯管的等效电阻R变小,R和C并联相当于只有电阻R,于是,LC串联谐振电路变为LR串联电路,谐振停止,L起限流/降压作用,灯管稳定发光。

2电子镇流器的辅助电路

  图4所示电子镇流器仅仅为实现荧光灯工作所必须的基本电路。实际的电子镇流器一般还包括有源滤波器和保护电路。

a、有源滤波器电路

  增加有源滤波器是因为:电子镇流器的输入整流电路产生较大的谐波电流,未加谐波抑制的荧光灯大量使用将会对电网造成严重的谐波污染。
  有源滤波器(active power filter),也称APF,是采用现代电力电子技术和数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。APF可针对测量到的各次谐波的幅值和相位,产生与其幅值相等、相位相反的谐波电流与之抵消,同时,也可产生幅值和相位可控的基波电流补偿基波无功电流。有源滤波器即可抑制谐波,也可对基波进行无功补偿,理论上可使功率因数达到1。

b、保护电路

  设计良好的电子镇流器,其保护回路设计必须相当的周到,含盖下列各种特殊状况,才能提供长期使用保证的品质。
  开路/短路保护回路(Open/Short Circuit Protection)
  雷击/突波保护(Inrush Current Protection)
  过高压保护(Over High Voltage Protection)
  过低压保护(Over Low Voltage Protection)
  灯管末期保护(End of Lamp Life Protection)
  灯管漏气保护(Lamp Leakage Protection)
  静电高压保护(Static Prevernion)
  自动恢复点灯(Auto Reset)

电子镇流器荧光灯的优点

电子镇流器实物图

图5 电子镇流器实物图

1节能

  高频的灯管本身也比传统的灯管节能约10%。
  灯管稳定工作时,电子镇流器L的作用于电感镇流器类似。值得注意的是,由于电子镇流器的工作频率很高,需要的电感值大幅度降低,因此,电子镇流器的电感L线圈匝数少,铜损小,不含铁芯,铁损小。

2无频闪

  高频供电无频闪,发光更稳定。有利于提高视觉分辨率,提高功效;降低连续作业的视觉疲劳,有利于保护视力。

3启动更可靠

  起动更可靠。预热灯管后一次起点成功,避免了多次起点。

4噪音低

  电子镇流器的电感无铁芯,噪音可达35db以下,人们感觉不到噪音。

5功率因数高

  电感镇流器功率因数低,大约0.4~0.6左右,致使大量无功功率增大了照明线路电流和变压器容量,从而大大增加线路和变压器损耗,也加大了电能损失,降低照明质量,同时对电网的运行带来威胁。
  采用电子镇流器的荧光灯一般功率因数较高。值得注意的是,这不是电子镇流器固有的特点,而是因为电子镇流器需要进行谐波抑制,一般采用有源滤波器同时实现谐波抑制和无功补偿。若电感镇流器采用相同的技术进行补偿,同样可以达到很高的功率因数。相反,若电子镇流器未进行必要的无功补偿和谐波抑制,由于谐波的存在,功率因数不可能很高,并且谐波污染远比电感镇流器大。

6稳定的输入功率和输出光通量

  逆变器可以通过电子电路调节,在输入不稳定的情况下,仍能达到稳定的输出电压,相当于一台稳压器,使灯管维持稳定的光通量。由于输出光通量稳定,输入功率也保持相对稳定。

7寿命长

  高品质产品的恒功率以及起动可靠等因素可使灯管寿命延长。

8可以调光

  电子镇流器可以通过电子电路调节输出电压,对于需要调光的场所,如:原使用白炽灯或卤钨灯调光的场所,代之以高效荧光灯配可调光电子镇流器,可实现在2%—100%的大范围调光。
需要注意的是,只有设计优良的电子镇流器才能发挥以上各种优点。

荧光灯用电子镇流器测试

  荧光灯用电子镇流器主要测试项目有:功率、功率因数、输入电流、效率、谐波电流、输出峰值电压、容性泄露电流测试及启动特性测试、灯丝开路测试等。试验电路原理图如下:

电子镇流器试验原理图

 图6 电子镇流器试验原理图

  图中V1、A1、V2、A2、V3、A3分别测量连接处的电压、电流、功率、功率因数、谐波等参数,可用三个DT数字变送器实现,DT数字变送器连接WP4000变频功率分析仪即可实现所有参数测试。

参考资料及扩展阅读

  外部链接:电子镇流器-百度百科
  站内链接:WP4000变频功率分析仪用于荧光灯测试

 

  作者:AnyWay中国

  湖南银河电气有限公司(http://www.vfe.cc/


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