CN101384127B - 单位功率因数节能调光装置 - Google Patents

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Abstract

一种光电技术领域的单位功率因数节能调光装置，包括：功率变换主电路模块、驱动电路模块、控制信号发生模块，其中，功率变换主电路模块中输入滤波电路吸收调光装置产生的谐波电流，输出滤波电路吸收电压纹波，储能电感根据双向开关的工作状态存储或释放能量，驱动电路模块分别与功率变换主电路模块中的两个双向开关相连；控制信号发生模块与驱动电路模块相连，控制信号发生模块产生高频脉宽可调控制信号，控制信号通过驱动电路模块控制功率变换主电路模块中的第一双向开关和第二双向开关的通断。本发明调光装置通过改变高频控制信号脉冲宽度，输出幅值可调的正弦电压，具有单位功率因数、谐波含量小，调光速度快，节约电能的特点。

Description

单位功率因数节能调光装置
技术领域
本发明涉及一种光电技术领域的装置，具体是一种单位功率因数节能调光装置。
背景技术
为得到变化的光场效果，在一些应用场合需要对灯体进行调光操作。通过改变灯体电压能够调整灯体亮度，产生多变的投射效果。目前，灯体调光装置主要由双向晶闸管、晶闸管触发电路和触发角相位控制电路组成，双向晶闸管串联接入发光电路，通过晶闸管触发电路控制双向晶闸管导通或截止，调节灯体电压。由于灯体亮度与电压成正比，因此通过改变晶闸管触发角能够调节灯体亮度。
经过对现有技术的检索发现，专利申请号为200680015815.0的中国专利，专利公开号为CN101171890，专利名称为《使用双向可控硅调光器进行调光的方法和电路》，该技术涉及一种晶闸管调光装置，由于采用相位控制调光技术，在调光操作的同时会产生大量的谐波电流，对电力系统电能质量和其它电网用户产生不良影响。该调光装置调节速度较慢，无法满足舞台灯光、影视剧场等光度变化快、投射复杂光场效果的要求。由于功率因数低、谐波含量大，该调光装置所产生的无功电流、谐波电流在电力线路中会引起较大的功率损耗，浪费电能。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种单位功率因数节能调光装置，采用高频脉冲宽度调制(PWM)控制技术，该装置能够实现灯体亮度的快速调节，同时该调光装置功率因数能达到1，产生谐波电流含量小、易于滤除，能够减少线路损耗，节约电能。
本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括：功率变换主电路模块、驱动电路模块、控制信号发生模块，其中，
功率变换主电路模块包括：输入滤波电感、输入滤波电容、第一双向开关、第二双向开关、储能电感、输出滤波电容，其中，
输入滤波电感的一端与输入滤波电容一端相连，输入滤波电感的另一端和输入滤波电容的另一端分别作为输入接口的两个端子，输入接口连接交流电源，输入滤波电感、输入滤波电容构成输入滤波电路，输入滤波电路吸收调光装置产生的谐波电流，降低谐波畸变程度，输入滤波电感和输入滤波电容的连接点与第一双向开关一端相连，第一双向开关的另一端与第二双向开关的一端相连，第二双向开关的另一端与输入接口的一个端子相连，储能电感的一端和输出滤波电容的一端相连，输出滤波电容作为输出滤波电路，吸收电压纹波，减小电压波动，储能电感根据双向开关的工作状态存储或释放能量，输出滤波电容的两端为输出接口的两个端子，输出接口连接调光灯体；
驱动电路模块分别与功率变换主电路模块中的两个双向开关相连；
控制信号发生模块与驱动电路模块相连，控制信号发生模块产生高频脉宽可调控制信号，控制信号通过驱动电路模块控制功率变换主电路模块中的第一双向开关和第二双向开关的通断。
所述第一双向开关、第二双向开关，均为由两只带反向并联二极管的IGBT(绝缘栅双极晶体管)共射极连接结构。
所述控制信号发生模块，为数字信号处理器、微控制器、CPLD(复杂的可编程逻辑器)或PWM控制芯片。
所述控制信号发生模块，其产生的脉宽可调控制信号的频率为30K-60KHz。
所述驱动电路模块，为集成驱动芯片或分离元件。
本发明工作时，控制功率变换主电路模块中第一双向开关和第二双向开关的工作状态，在开关周期内对储能电感进行充、放电操作，经过输出滤波电容后得到幅度可调、与输入电压同相位的正弦波调光电压。输出电压幅值与第一双向开关控制信号脉冲宽度成正比，通过改变脉冲宽度调节灯光亮度。双向开关控制信号频率可调，为减少噪声干扰一般大于20KHz，本发明采用开关频率为30K-60KHz。调光装置所产生谐波电流频率为开关频率的整数倍，低次谐波含量较少。由于谐波频率较高，所用滤波器体积较小，易于滤除。该调光装置谐波含量少、单位功率因数，能够达到国家对于工业用户的电能质量要求，同时减少无功、谐波电流产生电能损耗，节约电能。
调光装置输出电压与两个双向开关的工作情况有关，第一双向开关和第二双向开关处于互补交替导通状态：第一双向开关导通时，第二双向开关关断，电源为灯体供电，储能电感充电，电流上升；第一双向开关关断时，第二双向开关导通，储能电感通过第二双向开关为灯体供电，电感电流下降。灯体两端电压与第一双向开关控制信号脉冲宽度成正比，通过改变脉冲宽度进行光度调节。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明中，正弦波电压调光，单位功率因数，调节速度快。该调光装置产生总谐波电流畸变小于5％，谐波电流频率为开关频率的整数倍，滤波器体积小、易于滤除。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明调光装置中功率变换主电路模块的电路图；
图3是本发明调光装置中控制信号发生模块的电路图；
图4是本发明调光装置中驱动电路模块的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：功率变换主电路模块、驱动电路模块、控制信号发生模块，其中，
功率变换主电路模块包括：输入滤波电感L1、输入滤波电容C6、第一双向开关S1、第二双向开关S2、储能电感L2、输出滤波电容C7，其中，
输入滤波电感L1的一端与输入滤波电容C6一端相连，输入滤波电感L1的另一端和输入滤波电容C6的另一端分别作为输入接口的两个端子A、B，输入接口连接交流电源，输入滤波电感L1、输入滤波电容C6构成输入滤波电路，输入滤波电路吸收调光装置产生的谐波电流，降低谐波畸变程度，输入滤波电感L1和输入滤波电容C6的连接点与第一双向开关S1一端相连，第一双向开关S1的另一端与第二双向开关S2的一端相连，第二双向开关S2的另一端与输入接口的一个端子B相连，储能电感L2的一端和输出滤波电容C7的一端相连，输出滤波电容C7作为输出滤波电路，吸收电压纹波，减小电压波动，储能电感L2根据双向开关的工作状态存储或释放能量，输出滤波电容C7的两端为输出接口的两个端子C、D，输出接口连接调光灯体；其中，输入滤波电感L1为200微亨，输入滤波电容C6为3微法，储能电感L2为1毫亨，输出滤波电容C7为10微法。
驱动电路模块分别与功率变换主电路模块中的两个双向开关相连；
控制信号发生模块与驱动电路模块相连，控制信号发生模块产生高频脉宽可调控制信号，并用控制信号通过驱动电路模块控制功率变换主电路模块中的第一双向开关和第二双向开关的通断。
如图2所示，所述第一双向开关S1、第二双向开关S2，均为由两只带反向并联二极管的IGBT共射极连接结构，IGBT采用IRGB4061。
如图3所示，所述控制信号发生模块，其采用微处理器U1产生调光装置高频控制信号，高频控制信号的频率为30千赫兹-60千赫兹，微处理器U1的型号为dsPIC30F4011，微处理器U1的外部电路如下：
电容C2、电容C3、晶振Y1组成振荡电路，电容C2、C3一端并连接地，一端并接在晶振Y1的两端，并分别与微处理器U1的接口O???SC2、OSC1相连，其中，电容C2、电容C3分别为30皮法、30皮法，晶振为7.37兆赫兹；
电容C1、电阻R3、电阻R4、按键K3组成按键复位电路，电容C1和按键K3的一端并接后接地，按键K3的另一端与电阻R4相连，电阻R3的一端接+5V，电阻R3的另一端以及电阻R4、电容C1的一端并接后与微处理器U1的接口MCLR相连，当按下按键K3时，微处理器U1复位。其中，电容C1为100皮法、电阻R3为22千欧、电阻R4为100欧；
可调电阻R5连接微处理器U1的RB8(10脚)作为亮度调节旋钮，控制灯体亮度，可调电阻R5的阻值为10千欧；
微处理器U1的RE0(38脚)、RE1(37脚)输出脉冲宽度控制信号。
所述微控制器U1，其产生带死区时间的脉冲控制信号，加入死区工作状态，以防止第一双向开关S1、第二双向开关S2同时导通，保护双向开关组正常工作。
所述第二双向开关S2，其两端并联一个缓冲电容C8，缓冲电容C8吸收死区时间出现的电压尖峰，缓冲电容C8为0.01微法。
如图4所示，所述驱动电路模块，包括：电阻R6-R13，二极管D1、D3、D4、D6、ZD1、ZD2，直流隔离模块DC1、DC2，三极管T1、T2，电容C4、C5，驱动光耦U2、U3，其中，
电阻R12、R13一端分别连接PWM1H、PWM1L，PWM1H、PWM1L分别与图3中微控制器U1的RE1、RE0引脚连接，另一端分别连接三极管T1、T2的基极，电阻R12、R13限制三极管T1、T2基极的电流，二极管D3、D6阴极分别连接PWM1H、PWM1L，阳极分别连接三极管T1、T2的基极，二极管D3、D6能提高三极管关断速度，电阻R8、R9一端连接+5V，另一端分别连接U2、U3第2脚，R8、R9限制光耦一次侧电流，三极管T1、T2的集电极分别连接驱动光耦U2、U3第3脚，三极管T1、T2的发射极接地，三极管T1、T2导通时，驱动光耦一次侧导通，控制对应双向开关导通；反之，三极管T1、T2关断时，控制对应双向开关关断，直流电源隔离模块DC1、DC2第1脚分别+15V，第2脚分别接地，第3脚分别接驱动光耦U2、U3的第5脚，第4脚分别接驱动光耦U2、U3的第8脚，直流电源隔离模块DC1、DC2产生隔离直流电源为驱动光耦二次侧供电，电容C4、C5一端分别接驱动光耦U2、U3第8脚，另一端分别接U2、U3第5脚，电容C4、C5为去耦电容，滤除高频交流分量，二极管ZD1、ZD2阴极分别接U2、U3第6脚，ZD1、ZD2为稳压二极管，当电压波动时，防止IGBT门极与射极之间的电压过高，起到保护作用，电阻R6、R7一端分别接U2、U3第6脚，另一端分别接G1H、G2H，电阻R6、R7限制驱动光耦二次侧电流，二极管D1、D4阴极分别连接U2、U3第6脚，阳极分别连接G1H、G2H，二极管D1、D4能提高IGBT的关断速度，电阻R10、R11一端分别接G1H，G2H，另一端分别接U2、U3第5脚，电阻R10、R11与IGBT内部寄生电容形成放电回路，起到提高开关速度，防止误导通的作用；其中，G1H、E1H、G2L、E2L分别与图2中G1H、E1H、G2L、E2L连接，控制电路通过驱动电路控制双向开关状态。
上述电路元件中，电阻R12、R13，其电阻值为1千欧；电阻R8、R9，其电阻值为510欧；电容C4、C5，其电容值为0.1微法；电阻R10、R11，其电阻值为10千欧；电阻R6、R7，其电阻值为25欧。
所述二极管D3、D6，其型号为UF4007。
所述三极管T1、T2，其型号为9013。
所述直流电源隔离模块DC1、DC2，其型号为B1212LS。
所述驱动光耦U2、U3，其型号为TLP250。
所述二极管ZD1、ZD2，其型号为IN4747。
所述二极管D1、D4，其型号为UF4007。
本实施例中，正弦波电压调光，单位功率因数，调节速度快，本实施例装置产生总谐波电流畸变小于5％，谐波电流频率为开关频率的整数倍，滤波器体积小、易于滤除。

Claims (2)

1.一种单位功率因数节能调光装置，其特征在于，包括：功率变换主电路模块、驱动电路模块、控制信号发生模块，其中，
功率变换主电路模块包括：输入滤波电感、输入滤波电容、第一双向开关、第二双向开关、储能电感、输出滤波电容，其中，
输入滤波电感的一端与输入滤波电容一端相连，输入滤波电感的另一端和输入滤波电容的另一端分别作为输入接口的两个端子，输入接口连接交流电源，输入滤波电感、输入滤波电容构成输入滤波电路，输入滤波电路吸收调光装置产生的谐波电流，降低谐波畸变程度，输入滤波电感和输入滤波电容的连接点与第一双向开关一端相连，第一双向开关的另一端与第二双向开关的一端相连，第二双向开关的另一端与输入接口的一个端子相连，储能电感的一端和输出滤波电容的一端相连，输出滤波电容作为输出滤波电路，吸收电压纹波，减小电压波动，储能电感根据双向开关的工作状态存储或释放能量，输出滤波电容的两端为输出接口的两个端子，输出接口连接调光灯体；
驱动电路模块分别与功率变换主电路模块中的两个双向开关相连；
控制信号发生模块与驱动电路模块相连，控制信号发生模块产生高频脉宽可调控制信号，控制信号通过驱动电路模块控制功率变换主电路模块中的第一双向开关和第二双向开关的通断；
所述第一双向开关、第二双向开关，均为由两只带反向并联二极管的IGBT共射极连接结构；
所述驱动电路模块，为集成驱动芯片或分离元件；
所述控制信号发生模块，其产生的脉宽可调控制信号的频率30K-60KHz；
所述控制信号发生模块，其采用微处理器U1产生调光装置高频控制信号，微处理器U1的型号为dsPIC30F4011，微处理器U1的外部电路如下：
电容C2、电容C3、晶振Y1组成振荡电路，电容C2、C3一端并连接地，一端并接在晶振Y1的两端，并分别与微处理器U1的引脚OSC2、OSC1相连；
电容C1、电阻R3、电阻R4、按键K3组成按键复位电路，电容C 1和按键K3的一端并接后接地，按键K3的另一端与电阻R4相连，电阻R3的一端接+5V，电阻R3的另一端以及电阻R4、电容C1的一端并接后与微处理器U1的引脚MCLR相连，当按下按键K3时，微处理器U1复位；
可调电阻R5连接微处理器U1的引脚RB8作为亮度调节旋钮，控制灯体亮度；
微处理器U1的引脚RE0、RE1输出脉冲宽度控制信号；
所述微处理器U1，其产生带死区时间的脉冲控制信号，加入死区工作状态，避免第一双向开关、第二双向开关同时导通；
所述驱动电路模块，包括：电阻R6-R13，二极管D1、D3、D4、D6、ZD1、ZD2，直流隔离模块DC1、DC2，三极管T1、T2，电容C4、C5，驱动光耦U2、U3，其中，电阻R12、R13一端分别连接PWM1H、PWM1L，PWM1H、PWM1L分别与控制信号发生模块中微处理器U1的RE1、RE0引脚连接，另一端分别连接三极管T1、T2的基极，电阻R12、R13限制三极管T1、T2基极的电流，二极管D3、D6阴极分别连接PWM1H、PWM1L，阳极分别连接三极管T1、T2的基极，二极管D3、D6能提高三极管关断速度，电阻R8、R9一端连接+5V，另一端分别连接U2、U3第2脚，R8、R9限制光耦一次侧电流，三极管T1、T2的集电极分别连接驱动光耦U2、U3第3脚，三极管T 1、T2的发射极接地，三极管T1、T2导通时，驱动光耦一次侧导通，控制对应双向开关导通；反之，三极管T 1、T2关断时，控制对应双向开关关断，直流电源隔离模块DC 1、DC2第1脚分别+15V，第2脚分别接地，第3脚分别接驱动光耦U2、U3的第5脚，第4脚分别接驱动光耦U2、U3的第8脚，直流电源隔离模块DC 1、DC2产生隔离直流电源为驱动光耦二次侧供电，电容C4、C5一端分别接驱动光耦U2、U3第8脚，另一端分别接U2、U3第5脚，电容C4、C5为去耦电容，滤除高频交流分量，二极管ZD1、ZD2阴极分别接U2、U3第6脚，ZD1、ZD2为稳压二极管，当电压波动时，防止IGBT门极与射极之间的电压过高，起到保护作用，电阻R6、R7一端分别接U2、U3第6脚，另一端分别接节点G1H、G2H，电阻R6、R7限制驱动光耦二次侧电流，二极管D1、D4阴极分别连接U2、U3第6脚，阳极分别连接G1H、G2H，二极管D1、D4能提高IGBT的关断速度，电阻R10、R11一端分别接G1H，G2H，另一端分别接U2、U3第5脚，电阻R10、R11与IGBT内部寄生电容形成放电回路，起到提高开关速度，防止误导通的作用；
所述二极管D3、D6，其型号为UF4007；
所述三极管T1、T2，其型号为9013；
所述直流电源隔离模块DC1、DC2，其型号为B1212LS；
所述驱动光耦U2、U3，其型号为TLP250；
所述二极管ZD1、ZD2，其型号为IN4747；
所述二极管D1、D4，其型号为UF4007。
2.根据权利要求1所述的单位功率因数节能调光装置，其特征是，所述控制信号发生模块，为数字信号处理器、微控制器、CPLD或PWM控制芯片。
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