CN102498753A - 用于例如高压钠灯的放电灯的功率因子校正方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于驱动的方法及用于例如高压钠灯(2)的放电灯(2)的相关命令及控制装置，所述放电灯由交流电供电网络供电。所述方法及所述装置提供使用电子微处理器(7)，所述电子微处理器在输入端接收与被所述灯(7)获取的电流相关的数据，并且在输出端连接至用于对所述灯的交流供电进行高频率开关的功率开关(6)。

Description

用于例如高压钠灯的放电灯的功率因子校正方法及装置
技术领域
本发明总体上涉及公共照明设施以及用于个别地或分组地开启、关闭及调制所述设施的通讯方法的领域，该公共照明设施包括多个灯柱，如街道照明设施。
更具体地，本发明涉及用于驱动放电灯的方法，该放电灯由交流电供电网络供电，该方法通过在开启阶段提供最少可能数目的启动脉冲(通常只有1个)以及调节其稳定状态的发光度来驱动放电灯。
更详细地，本发明涉及用于放电灯(例如高压钠灯)的驱动方法以及相关的命令及控制装置，该灯可装备公共照明设施的灯柱，也可用于工业或市政部门的照明区域或相对广阔的停车场区域。
背景技术
在该特定的技术领域内众所周知，长期以来要求对公共街道照明设施的管理更加有效以及更加经济。满足该要求将有可能将用于此目的的技术方案扩展到应用的其它领域，例如在公共及工业环境中。
更具体地，许多公共机构目前具有迫切的需要以便他们能够在用于街道照明或公共区域照明的电能消耗上寻求重大的节约。
如果要更好的理解本发明的基础问题，首先需要解释与气体放电灯有关的一些概念及观念，例如氙放电灯或高压钠放电灯。
对于用于“人工气候室”中的氙(Xe)放电灯所进行的研究已经揭示了关于灯泡中的电流流动模式的有趣信息，“人工气候室”即在其中通过再生所有可能的气候条件(通常是湿度，酸度，温度及压力)来模拟加速的老化条件。
这种灯泡通常是由石英制成并且填充有多种气体，这些气体一旦在开启阶段达到被称为电离的特定的激发状态，就能够支持电流的流动。在实际中，气体分子，一旦充电(预电离阶段)，其电气状态就发生变化，从绝缘体变成了导体。在导体状态下，其因此能够允许电流的流动以换取发出强光，该强光通常由于热电效应而产生。
因此可能通过合适的电驱动电路从外部控制电流，以便调整稳定状态的发光，按照波长(光谱)以及强度(每平方米的流明-即1ux-或W每平方米，取决于规范中规定的参考变量)。
申请人进行的进一步研究专注于其他类型的气体放电灯，以研究是否有可能应用从氙放电灯上所获得的知识和经验。这样的进一步的研究主要是关于高压钠(HPS)灯，所述高压钠灯目前在发光度(发射的流明)和消耗的电流之间达到了最佳的比例。
由于照明设施所要求的相对的结构简单性，这种灯也广泛用于公共照明设施。当前最普遍的灯实际上包含灯柱，该灯柱具有串联至限流线圈3及合适的触发器4的灯2，该触发器4作为气体预电离阶段的启动器；此布置被连接至通常的230V的AC供电网络，如图1示意性所示。
灯通常额定值为150W，尽管具有高达2000W的设施。
也应当注意HPS钠灯整体上表现与氙灯非常不同。
钠灯与氙灯发出的光谱实际上非常不同，钠灯几乎完全没有紫外成分并且反而具有很强的黄/橙成分，该黄/橙成分也成为了其在通常被安装的街道或广场上所显示出来的外在特征。
申请者进行的研究使得对下列一些特性的研究成为可能，对于各特征都提供了简要的总体评估：
-传统设施所能达到的电效率的范围是从最小60％到最大79％。该计算是通过直接应用“输出功率/输入功率”的比率得到的。所获得的效率的变化是由不同生产商的灯所决定的，每一效率反映了一种值的限流线圈，该值生产商和生产商之间不同；
-该设施的功率因子相当低(0.53-0.65)，并且无论如何都在任何现有的规范(＞＝0.85)之外。如果期望使用功率因子校正电容器，将不得不解决更低的电效率的问题；
-线圈的操作温度允许在环境温度上增加甚至超过60℃；
-已经发现在灯开启之后的瞬间(即当气体尚未达到热平衡)以及在操作之后的几分钟在通过灯的电流中总有一个小的连续分量。这一事实导致了电效率以及电灯平均寿命的可观的下降：在第一种情况中是因为由于不能用于转化成辐射能的热量而存在的恒定的功率损耗，在第二种情况中是因为来自灯的内部电极的材料的恒定迁移导致超前消耗。同样值得注意的是，气体激发总是以高强度的电场的方式进行，这使得有可能将一些原子从构成灯电极的材料中“分离”出来，导致它们实际上被侵蚀，并且，最终被物理地消耗；
-重新开启灯而不允许有冷却时间是不可能的，该冷却时间在某些情况下可能会长达几分钟；
-如果供电电压低于195V的AC是不可能开启灯的，相反，在电压低至约180V的AC时有可能使灯保持开启；
-如果供电电压升至约250V的交流电(AC)，电效率下降很快，并且预计平均值为65％。
本发明的基础技术问题是为例如高压钠灯的放电灯设计命令及控制装置的问题，该灯具有例如允许从电网只获取有效功率的结构及功能特征；在这种方式下，将使所述配电网的效率最大。
本发明的另一目的是为放电灯设计命令及控制装置，该灯具有下述结构及功能特征：例如允许灯在高频被驱动，该驱动通过控制及调节获取的电压及电流并且将任何连续的电流分量完全削减至零以使所述灯的平均寿命最大。
本发明的进一步的目的是能够任意调节光通量，根据灯的老化状态，因此具体地实现可编程的发光。
本发明的另一目的是允许灯在低于目前可能电压的情况下也能被开启，消除立即重新开启的等待时间，且由此实际上允许其在热的时候能够被重新开启(热重启)。
最后，本发明的目的，尤其是，使放电灯的所述命令及控制装置的电效率最大化，并且最小化操作温度以及结构维度，以降低为达到国际规范规定的发光所需的电能数量。
发明内容
本发明所基于的观念在于提供以相对高的电流及开关频率驱动的灯。
在该观念的基础上，通过使用微处理器使该问题得以解决，该微处理器在输入端能够测量灯获取的电流，在输出端能够驱动1个或多个功率开关，该功率开关用于对所述灯的电流进行高频率的开关。
因此通过用于驱动放电灯的方法解决了本发明的基础问题，所述方法包括：
-提供连接至电子微处理器的交流电供电网络；
-通过所述电子微处理器，在开启阶段向所述灯提供至少一个启动脉冲，并调节所述灯在稳定状态的发光度，所述电子微处理器在输入端接收与所述灯获取的电流有关的数据，并且在输出端连接至包括至少一个用于对所述灯的交流供电进行高频率开关的功率开关的级，所述方法其特征在于，所述电子微处理器通过调节所述获取的电流使其在相位上遵循具有基准波形的正弦过程，以及通过在所述灯开启期间连续地改变所述驱动频率，来实现对取自供电网络的功率的控制及调节，所述基准波形适应不断测量的网络电压。
本发明也涉及用于例如高压钠灯的放电灯的命令及控制装置，所述放电灯由交流电供电网络供电，该装置是这样的类型：用于在开启阶段向所述灯提供启动脉冲，并且调节所述灯在稳定状态的发光度，所述装置包括电子处理器，所述电子处理器在输入端接收与所述灯获取的电流有关的数据，并且在输出端连接至包括至少一个用于对所述灯的交流供电进行高频率开关的功率开关的级，所述装置的特征在于，所述电子微处理器通过PFC模块通过调节获取的电流使其在相位上遵循具有基准波形的正弦过程，以及通过在所述灯开启期间连续地改变所述驱动频率，来实现对取自供电网络的功率的控制及调节，所述基准波形适应不断测量的网络电压。
根据本发明的所述方法及装置的具体实施方式由从属权利要求所体现。
优选地，所述开关频率可在20kHz至75kHz的范围内变化。
应注意，由于所述网络供电具有正弦过程，通过具有环路增益的闭合环路实现控制，所述环路增益根据所述网络电压的所述过程而变化。
优选地，进一步，驱动在以这样的方式在可变频率上进行，以通过DSP(数字信号处理器)类型的微处理器极其简单地实现控制器，该类型的微处理器能够控制提供给所述灯的电流，所述灯带有自动限电器以防止万一电流过载或者启动时遇到过度困难(在灯寿命的末期)。
根据本发明，所述命令及控制装置采用输入功率因子校正(PFC)级或模块，除了保证从网络中只获取有效功率之外，也使得有可能产生稳定的电压提供给后续的级。
此外，本发明的所述装置能够完全独立于现行的网络电压(及频率)传送灯所要求的相同的功率；这使得有可能在任何地点安装本发明所述的装置而不必担心当地供电网络的特征。
应该进一步注意，所述灯可能会通过半桥级，单个功率晶体管(单端)级或全桥级的方式启动，但不管怎样，所述灯总是在高频启动并且具有将开关损耗完全削减至零的共振。灯电流中任何的连续分量被这些电路拓扑中的任何一个完全消除。
根据本发明的方法及装置的特征及优点将由下述示例性实施方式的描述而变得清晰，其中所述实施方式完全通过非限制性的示例结合附图给出。
附图说明
-图1示出已知类型的钠灯触发器的示意图；
-图2示出根据本发明实现的用于放电灯的命令及控制的装置的示意性框图；
-图3示出图2的装置的详细的示意图；
-图4示出根据本发明的装置的输出级及其与HPS灯连接的示意图；
-图5示出并入根据本发明的装置中的线路滤波器的详细的示意图；
-图6示出图2的装置的原型的透视图；
-图7示出其中的各照明设备或灯柱都装备了图2的装置的公共照明设施的示意图。
具体实施方式
参照上述各图，1总体及示意性地表示根据本发明实现的用于例如高压钠灯(还简称为HPS)的放电灯2的命令及控制装置。
这样的灯2可用于各种应用领域，例如，其可以装备公共照明设施的灯柱5，或者也可用作工业或市政部门的照明区域或相对广阔的停车场区域中的固定照明装置。
用于放电灯2(例如钠灯HPS)的命令及控制装置1安装在灯及交流电供电网络8之间，并且在开启阶段为灯提供最小数量的启动脉冲(通常仅1个)并调节其稳定状态的发光度。
所述装置1包括微处理器7，该微处理器7在输入端测量由灯获取的电流I，在输出端驱动反相器级25，该反相器级包括1个或多个功率开关6，该功率开关用于对所述灯的电流进行高频率的开关。
开关6例如可能为MOSFET功率晶体管。
对于本发明，申请人进行的实验性的试验已经有可能证实，通过减少灯中的电流，发光度没有成比例地降低，该试验反而清楚的展示了甚至当获取的电流更低时获得优良照明度的可能性。
该事实以这样的方式导致了合理管理灯能量供给的方案：该方案在灯的照明效率及其能量效率上都带来了重大的提升，这可以理解为显著降低电能消耗量。
优选地，对通过灯的电流的精确控制，尤其是将灯电流减少50％，有可能实现发射的光通量仅减少30％。
根据本发明的命令及控制装置1也将在下面通过术语“电子镇流器”来定义，该装置主要包括下述包括在单个电路板上的功能模块：
-带有线路滤波器的供电模块13，该模块具有“绿色模式”功能，该模块连接至配电网络(90-265V)；
-DSP(数字信号处理)控制微处理器7，该处理器7包括：
a.用于控制及调节从电网获得的功率的部分；
b.用于控制及调节灯2中的电流的部分；
c.用于控制灯2的开启阶段的部分；
d.专用于电测量以及数据存储的部分；
e.用于管理光属性的部分；
-功率因子校正(PFC)模块10，该功率因子校正模块10与处理器7紧密联系；
-输出级25，该输出级具有一个或多个功率开关6，该功率开关6在输入端连接至微处理器7的一个或多个驱动输出，并且在输出端通过注射器模块11连接至灯2；
-用于电力线通信(PLC)控制16的数字信号分析调制解调器15，所述用于电力线通信(PLC)控制16与所述处理器7合作以允许与远程管理单元14连接。
现在将更加详细的考察电子镇流器1的各元件部分的特性。
供电模块13直接连接至供电网络L，N并且其结构及功能能够按照诸如“行为准则”及“能源星”的欧洲及美国规范减少待机消耗，该规范目前不是强制性的。模块13为处理器7、调制解调器15及功率校正模块10供电。
为此，供电模块13形成为线路滤波器，并且包含被称为“绿色模式供电”的LC控制器，但也使用由微处理器7及控制器16的运行状态确定的特定的操作管理。
DSP微处理器7及PLC控制装置16的运行状态分为两种模式：
-活动状态
-待机状态
状态被认为是“活动”，当电子镇流器1：
●正在向灯2(具有随之发生的发光)传送电流
●正在通信，即，与远程管理单元14交换命令或数据。
在所有其他情况下，状态被认为是“待机”。
两个微处理器7及16的功率消耗都必须保持在低功率消耗条件以下，以降低总的电流消耗。
优选地，根据本发明，为了成功地实现所述目的同时保持这里提出的方案的低功耗标准，已经设计了在待机状态中的特定的操作方案以满足低功耗及装置1在接收命令时的响应的要求。
通过使用网络频率以及过零点检测(ZCD)电路，微处理器7，16在每一个网络周期被“唤醒”，即，进入其相关的额定消耗的活动状态。
从远程管理单元14发送命令，强制该装置进入下述状态之一：
●如果没有远程命令被发送：处理器1，16立即进入休眠以减少功耗。处理的持续时间减少至几微秒(μs)，使得维持该处理器活动所需的能量最小，并且整个网络周期的平均功耗保持低于规范所规定的限制；
●如果装置1接收到远程命令，所述命令被立即执行，并且相关响应通过带有PLC装置16的调制解调器15被发送至远程管理单元14；
●如果接收到的命令为开启灯命令，待机模式被确定地中断直到接收到随后的关闭灯命令。
a)从电网获得的功率的控制及调节。
DSP微处理器7为能够通过之前列出的控制部分进行下述测量的硬件元件：
1)输入网络电压的测量
2)输入电流的高频分量的测量
3)输入电流的测量
4)中间电压(两功率级之间)的测量
5)灯电流的测量
6)灯发光的测量
7)装置的内部温度的测量
DSP微处理器因此能够实现7个测量(通过模拟/数字转换器，ADC)以及6个控制环路(其中另外一个将仅用做中间计算来简化控制以便不引发与ADC性能相关的问题)。为了达到最深的调制(该调制显然对各个独立的控制环路的精度有影响)，获取及计算频率必须比从网络中获取的电流快至少10倍：选择170kHz的采样频率已经被证明是合适的，该频率表示1/170kHz＝5.88μs的最低采样率。
过采样通常被用于降低测量中的噪声分量：假定100％的过采样，这意味着必须使用转换时间小于5.88μs/采样的ADC。该限制意味着DSP必须在小于确定的最大值的两倍的时间内完成一次计算循环，包括出现的所有的控制环路。
将该值除以控制循环数所得的结果为：11.76μs/6＝1.96μs，这表示完成每一单个的控制环路所需的最大时间。
在最坏的情况下，与微处理器7连接的PFC块10以大约为灯2供电开关频率的两倍的开关频率工作。
为了保持良好的性能，选择带有ADC转换器的DSP微处理器被认为是合适的，该ADC转换器已经能够在内部以至少750ns的速率执行转换。如果采用75MIPS的元件(即，1/75,000,000＝13ns/指令，假定所述部件为严格的RISC结构)，可能获得对每一控制循环该DSP能够执行的最大指令数，在下述情况下：
1)总的最大的开关频率＝170kHz
2)产生的开关周期＝5.88μs
3)每一单个环路的执行时间＝1μs×6＝6μs
4)每一环路的最大指令数＝1μs/13ns＝76
由于所有的控制循环要求该性能，有可能规定好的方案可以通过将该控制器完全集成在DSP微处理器内部来实现，该微处理器具备至少75MIPS的运算能力并且具备至少具有8通道以及750ns/转换的采样频率的ADC。
DSP微处理器7与模块10密切合作，并且根据PFC(功率因子校正)模式，控制及调节从公共配电网络获取的功率，该PFC模式通过模块10内部存在的如图3所示连接的桥电路12、LPFC线圈电感、半导体功率装置(如MOSFET功率晶体管M及二极管D)而成为可能。
DSP微处理器7以下述方式执行调节从网络中获取的电流的功能：所述电流在相位上遵循具有网络电压波形的正弦过程，且这就是由模块10所执行的PFC(功率因子校正)功能。
在传统的系统中，即基于专门用于该功能的控制器的系统中，由于没有其他可用于此功能，该电流的过程忠实地“遵循”电压的过程。在DSP装置7中，基准波形不是从输入网络的电压获取的，而是由完美的(列表的)的正弦曲线构成，该正弦曲线在幅度上调整至不断测量的所述网络电压。
为了达到完全符合法规要求(例如有关反射网络谐波的标准EN61000-3-2)的调节，采用正弦曲线基准波形代替网络电压波形有可能使得总的谐波失真最小化，这是由于内在产生的失真没有与由输入产生的失真叠加在一起：即，网络电压从来不会是完美的正弦曲线，但是，相反地，通常故意允许由于设施和/或其瞬时特性而产生的相当程度的失真。因此输入失真被测量，而转换器通过加入其自身的贡献只会使所述输入失真更加严重。除了各PFC模块10将被设计以使得引入的失真最小化之外，使用纯正弦曲线基准能够得到更好的最终实际结果。
PFC模式中的模块10执行的另一极其重要的特征是通过将环路增益值限定为控制理论结合采样定理所允许的最大值：在传统的控制器中，这要求固定的最大环路增益，来达到尽可能大的环路增益，以使得在跟踪所述基准波形时引入最小的可能误差。
在DSP装置7中，环路增益会根据基准正弦曲线的相位角，相对于其起始点而变化。基于通常在传统控制器中发生的情况，环路增益的最大可能值是通过稳定性的约束来确定的，该约束在整个基准正弦曲线过程中都有效。在实际中，如果只分析该正弦曲线从0°变化到90°的部分，可以注意到，环路增益的绝对值在正弦曲线的第一部分应该尽可能大，在该部分正弦曲线的斜率最陡。然而，可以注意到在正弦曲线的中心部分，由于输入本身允许随后的越来越受限制的变化，增益也可能会减小，直至达到顶点(90°的角)。在此第二部分，使用DSP装置7使可能借助于由该正弦曲线所描述的瞬时角度来修改环路增益，从而以该方式获得采用传统方法所不可能获得的结果。
所有这些在实际上相当于具备了控制环路，该控制环路并不唯一而是根据正弦曲线的角度而变化，在效果上对应于两个或多个同步的控制环路并且有可能在线开关这些控制环路而不会对整体功能有任何损害反而能够增强其特性。这只能通过数字方式成为可能，该数字方式已经被确定采用来调节灯供电，这通过传统方法是完全不可能的。
已经被采用的DSP微处理器7，有可能“在线修改”装置1的与一些变量的状态相关的运行条件。
更具体地，假定模块10的MOSFET M以“硬开关”模式开关，被所述功率MOSFET M消耗的开关能量与每一开关周期中普遍存在的所述MOSFET的寄生输出电容的电压的平方成正比。
在MOSFET M关断之前其上存在的电压实际上在电容器组C上可用。如果开关损耗要达到最小，该电压必须最小；然而，另一方面，该电压必须始终大于峰值输入网络电压再加上合适的裕量，以允许PFC的LPFC线圈在“连续流动电流”情况下的工作。
根据本发明，通过要求输出电压Vout或组电压不被固定在一个合适的值，而是可以时时地置于一个与输入电压有关的值，上述两个要求被同时满足。
仅通过示例的方式：如果输入网络具有230V的均方根(RMS)值的AC，其峰值将为230×1.4142＝325V。
基于LPFC线圈值，如果要从中得到优良的性能，可以看出输出电压(组电压)必须比输入电压高至少40V。
如果假设组电压必须至少为365V，通过将开关损耗调整到与因子365×365＝133225成正比，将会获得第一比例因子。
另一方面，如果假设在另一时刻测得的网络电压等于210V，组电压将有可能固定在210V×1.4142+40V＝337V。因此开关损耗必须与该因子337×337＝113659成正比。
上述两个不同的比例因子适宜确定取决于所述峰值输入电压的组电压基准，使得损耗始终且在任何情况下均为最小，因此满足使转换效率最大化的目的。
不同的组电压对随后的灯供电级不会造成问题，因为在该过程内有灯电流控制器，该控制器因此不取决于该组电压。
值得注意，灯供电是由电流调节的事实使得可能大大减少组电压的环路增益，以便使得由于输出纹波的采样导致的谐波输入分量最小化。
即，PFC电压控制器级10的尺寸被确定成使得其增益小于基于当前参数计算出的值，以使得在输入返回的第二谐波分量的幅度(这考虑到事实：根据采样定理该第二分量将带来第三谐波分量)最小化。该方案降低了输出电压的精度，因此导致了更大的纹波，但有可能改善该级的总的动态特性。
估计网络电流及电压的谐波分量的可能性被包含在对PFC模块10所获取的电流的调节过程之内，使得有可能计算视在功率及有效功率，视在功率与有效功率的比率即为功率因子。由于代码大小的原因以及由于超过第9谐波分量的谐波分量很小，因此决定在第9分量上停止谐波分析。
因此视在功率将由根据各谐波分量之和计算的输入电压和电流的乘积与仅与基波相关的电压和电流的乘积之间的比率来确定：以该方式计算出的比率表示功率因子并且可用于每一网络周期。这种计算视在功率及有效输入功率的方法在数学上是严格且精确的，因此有可能计算出通过电子镇流器1的功率的记录，以使得电子镇流器1能够随时间对消耗数据“计数”，在没有增加专门用于此功能的部件时，其按照传统方法难以实现。
b)灯内电流的控制及调节。
放电灯传统上是通过来自网络电压的交流电以限流的方式供电，因此具有较低的工作频率，该限流通过串联的外部线圈(电抗器)实现，该线圈也具有在一定范围内稳定电流的目的。
在这种方式下，灯的等效电模型描述起来尤其复杂，其涉及强电容特性以及“二极管效应”，该“二极管效应”随灯的老化而增强。在其寿命末期，以该方式供电的灯的实际上变成了一个等效二极管，因此当直接极化时形成短路。
此外，鉴于此种电路的电路结构，如果网络遭遇剧烈的电压变化则难以保持灯内电流的稳定。这也是由于灯制造商将其各自的灯的工作范围限定在网络电压变化的几个百分点之内。
与现有技术中所提出的常规方法不同，在本发明的电子镇流器1中，传送至灯的电流是处在高频，额定在20kHz至75kHz之间。
如此，灯的电模型显著改变了，实际上变成了纯电阻并且完全失去了在低频模型中所显示出的所有的电容特性及“二极管效应”特性。在该纯“电阻式”的模型中，电流控制简单的多，并且进一步有可能：
●将电流调节至很低的水平；
●流明/W比率变得更有利；
●灯寿命的结束仅由其等效阻抗的过度降低来决定。
在灯中使用该驱动电流的模式，灯的电压变成了完全不重要的变量并且甚至可以简单地忽略。因此了解灯的电压仅是用于自动识别所连接的灯的功率的一项信息，而不用于驱动或控制的目的。
电流限制显示可能在其额定值的10％以下的范围、非常不同的情况，并且比按传统产生的具有更大的裕量用于控制。
然而，应该指出在比约2kHz更高的频率上，会发生被称为“声共振”的现象，且该现象被认为是该类型设备的高频工作的一个限制因素。
声共振，如果不能被控制及适当地消除，是非常危险的现象，其可能导致多种不良后果，诸如：
●由于电流中断而导致灯的意外关闭；
●由于机械能量过度损耗而导致的灯泡爆炸。
在HPS灯中声共振现象仅限于个别频率(在窄频带上)且因此容易被消除，然而对于MHID金属碘化物灯，该声共振现象几乎一直出现在其镇流器的整个相关频谱上。
现有技术已经提出了一些用于检测声共振现象及遏制其影响的方法，所有这些方法都是基于控制灯电流的。
尽管在一些方面具有优势，但这些方法不适用于本发明中的电子镇流器1。
此前通常并不知道声共振只发生在特定频率，然而，自从开始认识到这一点，就有可能能够将这些频率从其频谱中抑制，一旦这些频率被准确地识别并标识，这就能够发生。
该方法也适用于HPS灯，相反地，但该方法不可用于驱动MHID金属碘化物灯。
有利地，根据本发明，决定采用完全不同的方法并且改变持续地贯穿灯开启阶段的驱动频率以使压力不是总在临界频率内，而是将能量分配在更宽的频带上，在该频带中以该方式产生的各分量的相位用来彻底消除声共振现象。
该方法对本领域技术人员来说可能显得令人不安，由于频率调制(该频率调制会是本发明实现的方法的实质结果)也相应地引起灯电流幅度的调制，从而引起发光度的变化。
仍然根据本发明，决定引入在中心频率内的频率调制，该中心频率由期望从灯获得的光等级来决定。
本质上，由电子镇流器1所影响的频率调制严格地处于人眼所能够觉察到的闪烁的频带之外的频带中。
基于申请人所进行的研究，已经确定了两个基本的调制值：
-频率最大偏离保持在1kHz；
-调制深度限制在10％。
为了抵消幅度调制的效果，通过利用灯的分钟级的热常数，有必要引入比之前的频率低得多的频率(几Hz级)的进一步的调制，该调制具有灯电流的额定值的1％的值。
即，在几Hz频率上灯电流额定级别的1％的调制被引入。
第一调制是纯正弦的，第二调制是方波。然而，由于灯电流的闭合环路控制的效应，该第二调制将具有有限的指数效应，且这在任何情况下都能使人眼感觉到完全恒定且均匀的光。
用该方式描述的调制可应用于控制频带的所有频率，额定在20kHz至75kHz之间。
在HPS灯中，尽管这样的调制不是严格必须的，然而其效果可以在灯泡的光通量的均匀性上清楚可见，如可以以非光化屏幕观察所揭示的。
c)启动及重启电灯
放电灯通过热电效应产生光，即通过加热充满气态物质的灯泡中的气体产生光，该气体决定了所发出的光的特性。然而，气体是绝缘材料且电流不能通过，除非其处于预电离的状态，预电离的状态是通过高压电放电所达到的状态。相反地，在本发明的电子镇流器中实施的启动，总是保持电流在控制之下通过灯，以以这样的方式还优化其真正的启动阶段：在这种方式下只有在确实必要时才产生高电压脉冲。
该用于驱动的方法是对灯中流动的电流进行连续测量的闭合环路的方法。图4示出处理器7及注射模块11之间的相关连接。当电流值高于预定阈值时，灯被认为是已经启动，并且通过上述方法保持通过灯的电流。
当HPS灯不管为何被关闭时，电子镇流器1能够以与此前传送的相同等级的发光度立即将其重新开启(热击重启)。
该可能性只可能对HPS灯实现，因为对于MHID金属碘化物灯，重启电压很大程度上取决于电极的温度以及大体上灯泡的温度。
如果MHID灯要热重启，高于30kV的启动电压，即比在正常的冷启动情况下所使用的启动电压高10倍，显然以合理的成本是不可能达到的。
在HPS灯以及MHID灯的重启行为之间因此必须有所区别。
对于HPS灯有两种可能性：
-在高于额定值80％的发光下关闭；
-在低于上述限制的发光下关闭。
在第一种情况下，灯在＞＝80％其额定发光值的发光级被点亮、被关闭及在热的时候被重新开启。
如果要得到该结果，有必要估计灯在其被关闭以及随后被重新开启的这段时间内的灯泡温度的下降。如果该时间间隔小于根据经验确定的预定值，则必须以持续且一致的初始电流才能再次开启灯，即与关闭之前的电流(如150瓦特的80％)具有相同量级的初始电流，这意味着必须提供120瓦特以在120瓦特上重新开启灯。否则，灯可能会由于类似于声共振的现象表现得出乎意料并且会继续意外地熄灭，但是这只会在很低的频率并且以几秒钟的时间常数发生。
另一方面，如果经过了足够长的一段时间(该时间使得灯泡基本冷却)，可能可以在低电流级上实现重新启动灯，就如同开启关闭着的灯的情况。
然而，在第二种情况下，随后的过程如下：灯在＜80％的发光级点亮、关闭及当变热的时候重新启动。
重新启动可能与冷启动所遵循的过程相同，因为之前结合第一种情况描述的现象不会发生。一旦再次开启，灯就保持其状态。
如上所述，由于重新启动气体所需要的额外的电压，MHID金属碘化物灯在热的时候不能被重新开启。为了确定灯在何时能够再次启动，必须估计灯泡温度的下降。
已经实验性地发现至少三分钟的时间间隔足以使电灯回到尝试重启的最低条件。电子镇流器1通过遵循安装时所执行的配置检测其自身的运行状况来计算上述时间间隔。
灯的启动是可能会由于不确定的原因而失败的过程，或者是因为所述灯可能没有物理地连接到输出端，或者是因为所述灯已经到了寿命的末期其工作不能被延长了。产生对于启动有效的高电压脉冲无论如何都是可能对镇流器1的电子元件施加额外压力的操作，尤其是在环境湿度升高的条件下。
在灯故障或老化的情况下，重复地产生无意义的启动循环对于镇流器的平均使用寿命来说可能是个风险因素。为了降低该风险，一旦达到没有任何结果的尝试的最大限度，启动过程就被基本修改。然而，为了回到正常的运行条件，让灯能够按照标准过程启动就足够了：该情况通常发生在当以新灯代替老化的灯的时候。
d)电测量及存储
与不执行任何测量的传统的驱动装置相比，电子镇流器1能够将电测量结果记录在内部文档中，例如内置在处理器7中的电可擦可编程只读存储器EEPROM，该电测量结果随后能够通过调制解调器15被远程连接下载用于可选的后续处理或者用于远程单元14对存储数据的远程处理。
与消耗功率的记录不同，所有测量的电参数都在特定的、规律的连续的时间点上被“拍照”。除了测量的电变量，两个与灯操作相关的计数器也被记录：第一个计数器计数被所述灯传送的光的秒数，而不管发光级；另一个计数器记录通过所述灯的能量，计算电流随时间的理想积分。
上述两个计数器可用来远程地估计实际的灯“疲劳”或者其真正的使用年限以制定其定期的更换。
e)光属性的管理
通过使用电子镇流器1可获得的能量节约可以通过可用的光属性功能进一步增加。具体地，有53个可用的光属性，该光属性使得能够在一整年的时间里以一周的粒度进行编程的操作。在给定的特性中，24小时的周期可被任意分为最多8个不同的部分，最小粒度为7分钟30秒：镇流器1的固件能够循环地检验光等级，该光等级必须根据相应的时间来传送。
现在将更详细查看内置在电子镇流器1的电路板中的调制解调器15的结构及功能，该调制解调器能够将任何装置连接至具有电力线通信功能的集线器。
该数据处理结构基于：调制解调器15能够通过MAC(媒体访问控制)地址准确地寻址，并且基础网络为VPN(虚拟专用网络)网络，在该网络中各节点都能被注册和鉴权。
为本发明的目的，与照明装置有关的各电子镇流器1都应该被认为是注册及鉴权了的节点。
远程管理单元14或集线器装备有多个连接层，尤其是通用移动通信系统UMTS或通用分组无线业务GPRS无线协议的相关层，上述无线协议使得该集线器本身可能变成IP节点，例如具有静态地址或由动态主机配置协议DHCP协议确定的地址，且因此不管其所在的地理位置在哪其都能被访问。
通信线路的各单个的部分通过PLC装置16来进行管理，该PLC装置用于将命令及数据发送给外围单元或者从外围单元接收命令及数据。以该方式构建的网络能够远程控制各单个的电子镇流器1的运行。
集线器及各电子镇流器1之间的通信通过一系列命令的方式进行，所述命令的操作功能仅通过解释性的、非限制性的示例的方式简要描述。
Figure BPA00001515819200171
Figure BPA00001515819200181
本发明的电子镇流器1能够远程管理该镇流器自身的运行以及安装该镇流器的照明装置周围的区域。
电子镇流器1包含扩展端口，该扩展端口能够与诸如传感器盒的外部装置连接，该传感器盒是能够容纳各种类型传感器的装置，所述传感器例如：
1、污染测量，该测量使用若干传感器以获得各种类型的响应；
2、温度测量；
3、湿度测量；
4、背景噪声测量(噪声污染)；
5、存在传感器(热灵敏度)；
6、无线上网wi-fi，因为各照明装置都具有能量，镇流器1能够管理该类型的装置；
7、全球定位系统GPS；
8、网络摄像头，该摄像头具有位于传感器盒内部的闪存上拍摄的照片的归档；
9、用于高速数据交换的USB端口；
10、接收由位于各个灯柱上的光伏板产生的能量，将其按下述方式进行转化：使用电力线将其传送至集线器，及将其从集线器传送至反相器，该反相器将其输入至网络。
在结构上装备有其自身的运算单元的该传感器盒，通过扩展端口与电子镇流器1通信，以与位于所述镇流器1的电路板上的已经可用的数据处理基础架构协作，且达到对用于监测各种环境条件的镇流器安装点周围的区域的覆盖。
该传感器盒中可用的信息项与镇流器1进行交换，并且通过镇流器1及调制解调器连接15被传送至集线器，该集线器将存储并处理接收到的信息，用于信令即时行动报告，通常为告警信号，或者用于任何选择性要求的后续的处理，例如由司法机关所要求的、仍然位于传感器盒中且与该特定的灯下所发生的事件相关的照片或数字图像。
将传感器盒与电子镇流器1关联的想法也使得灯杆或灯柱的物理或地理位置与逻辑标识(ID)关联，该逻辑标识在远程管理单元14的数据库中能准确地将其识别出来。
镇流器1的电路板上的处理器1及16的固件必须为此而编程。现在将更详细叙述其能够如何实现。
Figure BPA00001515819200191
各微处理器7被制造具有全球唯一的“序列号”(MAC地址)，与当前在计算机中所使用的网卡的方式完全相同。所述号直接扩散进硅中，且因此随后任何原因都不能将其改变。因此世界上不可能存在两块具有相同MAC地址的芯片。因此制定的接口协议能够读取该代码并且完全准确地识别该装置。每次电压被施加到具有集线器的线路上时，该集线器就扫描整个线路以确定能够与之通信的装置的数目及性质，关联内部动态表格中多个被识别的ID。该表格是动态的以允许某些装置能够按照期望或要求离线或上线。每次集线器都要执行几项任务，重复线路扫描以更新表格。该操作的持续时间取决于所连接的装置的数目以及该集线器在该特定时刻(吞吐量)所必须处理的工作负载：可能是在几微秒或几分钟的时间内完成。若集线器由于噪声、距离或任何其他原因而不能识别线路上存在的所有的装置，那么其也有可能从该设备内存在的各装置请求该功能。各装置将因此能够保持其内部的“联系”的动态表格，利用该动态表格有可能进行双向通信。该设备的完全覆盖可以通过所述线路上的至少两个不同装置的同时存在的同一联系来建立：按照该方式，该设备的长度或广度在保持装置全覆盖的同时可以不受限。
Figure BPA00001515819200201
照明装置的地理/逻辑关联不能仅通过此布置而自动确定，因为无论如何都有必要在各特定且固定的照明装置以及安装在所述照明装置上的装置1的特定ID之间创建关联。这包括下述步骤：
Figure BPA00001515819200202
存储指定设备中的镇流器1与该镇流器自身的ID之间的关联。电力线上的导波通信可以方便地用于该目的以从镇流器自身无差错地获取ID；
将地理信息(即32个字符的字符串)传送至DSP微处理器7的EEPROM；
Figure BPA00001515819200204
允许将已安装的关联离线下载至数据库中，集线器将访问该数据库以确定照明装置在该地区中的准确位置；
Figure BPA00001515819200205
允许远程读取计数器与客户端之间的关联，并通过集线器管理这些逻辑/地理关联。
Figure BPA00001515819200206
使用该方法，设备的物理结构变的无关，因为有可能到达任何一个灯而无论其在该设备中的位置在哪，因为被记录的是其相对地理位置。
下述各行归纳了与根据本发明驱动带有镇流器装置1的高压钠(HPS)灯2有关的主要特性及测量结果。
PFC输入级：
Vin(网络输入电压)＝90-265V AC，50/60Hz；
Vout max(中间组电压)＝405V DC
Pout(额定)＝150W
Pout pknr(峰值，非重复的)＝210W
然而，必须提供过电流限制。
Pout pk(重复的)＝186W
开关频率＝170kHz
该开关频率值可以增加至210kHz以实现进一步减小磁性元件的尺寸；然而开关频率的增加可能带来更大的电及电磁噪声的问题。
效率＝93.4％
通过引入其他元件(包括磁性元件)，效率可以进一步提高：模拟结果显示可能有1％的提高，但该方案也伴随着更高的成本。
电流环路的交叉频率＝27kHz
电流环路的临界频率应尽可能高以减小磁性元件的尺寸、体积及重量并减小高频电流纹波及最终降低电噪声。然而，该值的上限由开关频率决定；如上所述，该临界频率越高，DSP上的要求越大。
电压环路的交叉频率＝36Hz
如果总的谐波失真分量不被降低，则电压环路的临界频率不能太高。该值的过度增加可能会伴随着总的装置效率方面的问题。
灯驱动级：
Vinmin(最小组电压)＝360V DC
不考虑与配电网络消耗的电能相关的管理条例，该级在没有PFC时也是可工作的，但是在具有上述值时能获得最佳结果。
效率＝93.4％
该值是灯在额定条件下启动时测量到的：在输入电压的最低限其下降约1.8％。模拟结果会建议尝试更低的开关频率以获得更好的结果。
最小开关频率＝20KHz
最大开关频率＝75KHz
等效串联负载＝45-57Ω
最大启动电压＝4.6kV
启动频率＝25-75kHz
HPS灯一般不能在供电电压低于90-92％额定值时启动：然而，由于实现的特定的驱动模式使其变为可能。
根据本发明的驱动方法及装置的重大优点主要在于有可能实现公共照明设备在电能消耗上的可观的节约。
更进一步，根据本发明的电子镇流器可以被安装在现有的照明装置或灯柱中，从而能够对所述照明装置进行智能管理或者将其转变成本地观察点。
大量制造本发明的装置的步骤必须包括分析所采用的、与装置成本及期望的性能有关的容限的性能。
为此而考虑的一些因素如下所示。
在满负载及最小供电电压时，即低于理论上最差可能工作条件的情况下，PFC级不能允许高于95％的效率值。
仍然在满负载时，灯供电级不能允许高于96％的效率值。
因此，根据本发明的装置1将允许在满负载时的电效率为0.95×0.96＝0.912。
鉴于现有设备的效率在0.73至0.79之间，根据本发明的方法及装置提供了效率的提高，该效率从最小0.91-0.79＝0.12变化到最大0.91-0.73＝0.18。
该结果可以与在特定方便的时刻(例如夜间)通过降低光通量所获得的结果相结合。
这是因为，功能变化对于现有设备来说实际上是不可能的，减少大约50％的灯电流会导致光通量减少大约30％，这意味着实际的电能节省可能比过去合理评估的还要更加可观。
除了降低发光管理负荷之外，还有降低以该方式驱动的电灯的损耗而造成的额外间接的节省，这可能因此也对于设施的维护成本具有影响。

Claims (6)

1.一种用于驱动放电灯的方法，所述方法包括：
-提供连接至电子微处理器(7)的交流电供电网络；
-通过所述电子微处理器(7)，在开启阶段向所述灯提供至少一个启动脉冲，并调节所述灯(2)在稳定状态的发光度，所述电子微处理器(7)在输入端接收与所述灯获取的电流有关的数据，并且在输出端连接至级(25)，所述级(25)包括至少一个用于对所述灯的交流供电进行高频率开关的功率开关(6)，所述方法其特征在于，所述电子微处理器(7)通过调节所述获取的电流使其在相位上遵循具有基准波形的正弦过程，以及通过在所述灯开启期间连续地改变所述驱动频率，来实现对取自供电网络的功率的控制及调节，所述基准波形适应不断测量的网络电压。
2.如权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，通过具有环路增益的闭合环路实现调节，所述环路增益根据所述基准波形的所述正弦过程的相位角并相对于其起始点而变化。
3.一种用于放电灯(2)的命令及控制装置(1)，所述放电灯例如为高压钠灯(2)，所述放电灯由交流电供电网络供电，该装置是这样的类型：用于在开启阶段向所述灯(2)提供启动脉冲并且调节所述灯(2)在稳定状态的发光度，所述装置包括电子处理器(7)，所述电子处理器(7)在输入端接收与所述灯获取的电流有关的数据，并且在输出端连接至级(25)，所述级(25)包括至少一个用于对所述灯的交流供电进行高频率开关的功率开关，所述装置的特征在于，所述电子微处理器(7)通过功率因子校正PFC模块(10)通过调节所述获取的电流使其在相位上遵循具有基准波形的正弦过程，以及通过在所述灯开启期间连续地改变所述驱动频率，来实现对取自供电网络的功率的控制及调节，所述基准波形适应不断测量的网络电压。
4.如权利要求3所述的命令及控制装置(1)，其特征在于，通过具有环路增益的闭合环路实现所述调节，所述环路增益根据所述基准波形的所述正弦过程的相位角并相对于其起始点而变化。
5.如权利要求3所述的命令及控制装置(1)，其特征在于，供给所述灯的电流的强度在额定消耗值的10％-100％的范围内可变。
6.如权利要求3所述的命令及控制装置(1)，其特征在于，所述装置内置于街道的灯柱或公共照明设施中。
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