CN201197217Y

CN201197217Y - 全息数控大功率冷阴极紫外线灯变频电子镇流器

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Publication number: CN201197217Y
Application number: CNU2007201952375U
Authority: CN
Inventors: 吴登青
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2017-11-09

Abstract

全息数控大功率冷阴极紫外线灯变频电子镇流器适用于用紫外线冷光源固化UV涂料的工业领域。其技术方案是：用多个变形BUST构成功率调节电路，与浮地桥式逆变输出电路串联；并辅之输入缓开/速关和输出叠加引弧电路；机内采用单片机系统在采样功率电路输入输出电流、电压等全部信息基础上，优化数控UV灯的引弧启动、输出交流变频方波、功率调节和高效可靠工作的全过程。解决了目前国内大功率(1kw以上)UV灯采用工频镇流器所固有的：效率低、不易启动、不能调节、冷/热光能的比例较低的问题。也弥补了一些进口电子镇流器非独立、开机有较大的冲击电流而易坏的缺陷。既可直接替代昂贵的进口电子镇流器；更可广泛应用于光纤着色、印刷、装潢等行业。

Description

全息数控大功率冷阴极紫外线灯变频电子镇流器

技术领域

本实用新型适用于用紫外线冷光源能量固化UV涂料(UV油漆、UV树脂、UV油墨、UV光油)的工业领域。如光纤的着色、高速印刷纸面UV油墨的速干、造纸、制革、汽修、装潢用墙板和地板砖表面UV涂料的固化，和一切需要UV灯产生高能量冷光源的应用领域。

由此制造的产品属于电力电子技术与信息智能紧密结合的高新技术领域。

背景技术

目前，国内大功率(1kw以上)UV灯镇流器普遍用L_C_UV或采用工频变压器升压后再用C_UV串联工作方式。不仅由于L，C串联主回路，消耗了部分电能，不易启动、损耗大，不能调节。而且，有效电能转换成光能后，冷/热光能的比例较低，使得单位输入功率产生有效紫外光的光效更低。另外，由于这种镇流方式功率含有较大的热光能量，在很多场合，直接影响了产品的质量。

在要求较高的场合，大功率UV电子镇流器全部依赖进口。成套设备均在百万元以上。作为其核心部件UV电源更是密封严防，并将控制程序分置于成套设备的主控计算机内。离开主机的UV电源无法开启与工作。此外，国外产品还存在弊端，如：同样输出功率，输入电流较大，机内发热较严重；开机有较大的冲击电流，常导致内部元件的损坏。目前，这类产品无{国标}、{行标}可参照。

发明内容

本实用新型的目的是提供一类具有：效率高、光率高、冷/热光能比例高、易启动、功率调节范围宽、连续稳定运行、体积小、重量轻、性能/价格比高的大功率(1kw-10kw)UV光源电子镇流器。

实现上述目的的技术方案是：

全息数控大功率冷阴极紫外线灯变频电子镇流器，参见说明书附图，它由整流桥(U1)、缓开/速关电路、功率变换电路、输出引弧电路(U6)、测控电路组成；其中整流桥(U1)输入端接三相交流电，整流桥块的输出端并联缓开/速关电路输入端与公用地端(GND)，缓开/速关电路的输出端(VCC)与地(GND)并联功率变换电路；所述的功率变换电路是由浮地全桥逆变输出电路与功率调节电路串接而成，并联于(VCC)与地(GND)；所述的测控电路，由单片机系统主板(U3)通过对应通信端口(WR)连接隔离驱动块(U4)、对外通信端口(SS)连接远控板(U5)，连接工作电源总线(DY)，连接相应驱动功率管的驱动总线(BJF)和连接检测元件及继电器(K1、K2)的测控总线(ZK)组成。

上述的电子镇流器，所述缓开/速关电路由继电器(k1、k2)、限流电阻(R1)、滤波储能电容(CE1、CE2)和内部控制电源(U2)组成，其中继电器(k1)的静触点接整流器(U1)的输入端，限流电阻(R1)与继电器(k1)的触点并联，继电器(k1)和(k2)的动触点相连为主电源正端(VDD)，滤波储能电容(CE1、CE2)串联后和内部控制电源的输入端并联主电源正端(VDD)与地(GND)之间，继电器(k2)的静触点连接功率变换电路的正电源端(VDD)，继电器(k1、k2)的励磁线圈连接测控总线(ZK)的对应芯线，加电时首先是检测控制电路正常工作，延缓2-4秒钟给功率变换电路加强电，若检测到不正常现象或非程序关机，立即断开功率变换电路的强电，测控电路延迟3-5秒停止工作。

上述的电子镇流器，所述的浮地全桥逆变输出电路由4个功率管(Q1、Q2、Q3、Q4)和引弧电路(U6)组成，其中，功率管(Q1、Q2)的集电极连接到继电器(k2)静触点(VCC)，功率管(Q1)的发射极连接的功率管(Q3)的集电极，构成一个输出端，功率管(Q2)的发射极连接功率管(Q4)的集电极，构成另一个输出端，这两个输出端对应接到引弧电路(U6)的输入端，引弧电路(U6)的两输出端接负载(RL)，功率管(Q3、Q4)的发射极连接成浮地(VSS)，再接于斩波功率调节电路的储能电感(LF)的中心轴头，在控制信号驱动下，功率管(Q1、Q4)与功率管(Q2、Q3)交替通断，形成120_1200Hz可调交流中频方波，并经引弧电路(U6)连接到负载(RL)的两端。

上述的电子镇流器，所述的引弧电路(U6)由公知的L_C谐振方式产生正、负1600V，0.01ms脉冲，正脉冲叠加到输出正方波的前沿，负脉冲叠加到输出负方波的前沿，待负载(RL)由辉光放电过渡到弧光放电后，引弧结束。

上述的电子镇流器，所述的功率调节电路由两组变形的斩波电路组成，其中，功率管(QZ1)集电极经无源缓冲电路(UZ1)接到储能电感线圈(LF)一端，二极管(DZ1)的阳极也连接到储能电感(LF)的这一端，储能电感(LF)的中心抽头连接浮地全桥逆变输出电路的浮地端(VSS)形成一组变形的斩波电路；同理，功率管(QZ2)、无源缓冲电路(UZ2)、二极管(DZ2)、和储能电感(LF)的另一半类似接法形成另一变形的斩波电路，两组斩波电路相应的对外端子(VCC、VSS、GND)互联，根据功率的大小可增减斩波电路电路组数，至少需一组斩波电路；调节加在功率管(QZ)栅极的占空比，可改变浮地(VSS)相对地(GND)电位的高低，以调节加在负载(RL)端电压幅值的大小实现功率调节；储能电感(LF)的磁芯为铁氧体，驱动斩波电路的信号频率为16-22kHz，占空比的调节范围为0-100％。

上述的电子镇流器，所述的测控电路包括：用霍尔元件(HL)串在电感(LF)中心抽头检测主回路直流电流，用电流互感器(HG)串接在交流输出回路的测量方波的幅值，测量主电源电压(VDD)，测量浮地(VSS)对地(GND)的电压，用热电偶(RT)测量机内温度，这5路模拟量用测控总线(ZK)分别连接单片机相应的端口，转换成5路10位精度的数字信号，加上单片机内部的时序参数，能实时地计算出本镇流器的安全高效运行所需工况的全部信息，利用计算的输出功率有效值与设定功率的差值，调整单片机相应端口的设置值，改变斩波电路驱动信号的占空比，实现对负载(RL)功率的调节。

本实用新型的有益效果是：节能降耗。其与L_C镇流方式比较，明显提高了光效，特别是冷/热光能比；更有功率连续可调，延长了灯管寿命。待机功率小，时间短，提高了工效。为改进生产工艺、提高产品质量和降低生产成本提供了可靠的技术保证。

附图说明

附图是本实用新型的电路的主要部件拓扑结构和控制电路的方框图。

图中各标记如下：；三相整流桥U1、机内控制电源U2、单片机及外围电路主控电路U3、隔离驱动电路U4、人机界面与上位计算机通信电路U5、引弧电路U6、冷阴极紫外线灯管RL(本机的负载)、。电流互感器HG、霍尔电流传感器HL、缓开继电器K1、缓开继电器兼速关继电器K2、滤波电容CE1、CE2、均压电阻RY1、RY2、IGBT大功率管Q1、Q2、Q3、Q3、QZ1、QZ2、续流二极管DZ1、DZ2、无源消谐缓冲电路UZ1、UZ2、储能电感LF、反压能量释放二极管DY、消谐电容CY、CF、温控继电器RT、功率检测与调节总线ZK、功率管驱动总线BJF、电源总线DY、人机界面或对外通信总线SS，单片机系统与隔离驱动电路连接总线WR。

所述的总线是绘制电路时简化连线的一种表示方法，通常一端以多芯接插件与线路板连接，这些芯线的另一端对应连接各分散的部件或其它线路板，在附图中这些总线的明细用途如下：

功率检测与调节总线ZK为16芯线束，4根用于通过霍尔电流传感器测量输入电流，3根用于测量输出电压，2根用于温度的传感，3根控制缓开/速关继电器，2根用于控制引弧继电器的通/断，2根用于控制功率管QZ1、QZ2。

驱动总线BJF为9芯线束、7根用于驱动浮地桥式逆变输出电路，控制Q1，Q2，Q3和Q4的通断，2根用于检测输出电流的幅值。

电源总线DY为4芯线束、它们分别是+15V，-15V，+5V和GND1人机界面或对外通信总线SS为9芯线束，显示功率1根，设定功率3根，就绪线1根，报警线1根，复位线1根，+5V1根和共用零线1根。

单片机系统与隔离驱动电路连接总线WR为4芯线束，是两块线路板的通信信号线。

具体实施方式

图中显示，全息数控大功率冷阴极紫外线灯变频电子镇流器是利用电网三相交流电由U1整流，经R1加到U2的输入端，由U2采用公知的技术逆变，隔离变压和整流稳压成：逆变与变压后，输出+15V，-15V，+5V和gnd给机内控制检测驱动元件提供工作电源；随后主控单片机开始工作，检查设置正确后，接通K1，K2给主回路加电；若遇突然停电或非程序停机时，单片机检测到功率器件不能正常地工作的较低电压后，首先断开k2接点，使控制电路按照设定的程序，释放功率转换单元内部的残存能量。这样既保护了功率器件的免受无序能量损坏，又能使CE1、CE2有足够能量维持内部控制电源的稳定输出，使控制电路中的单片机还能正常工作3-5秒，以便有序地关停各端口。所谓缓开/速关是指：加电时首先是控制电路正常工作，延缓几秒钟给功率变换电路加强电；检测到不正常现象后，立即断开功率变换电路的强电，控制电路延迟3-5秒停止工作。

主回路由Q1，Q2，Q3和Q4组成的浮地全桥逆变电路，与由QZ，DZ，UZ，DF和，LF(1/2)构成的斩波电路串联而成。由于输出功率较大，采用全桥逆变输出电路。桥式电路的Q1&Q4和Q2&Q3交替通断产生交流方波电压经U6的输入端加到UV灯两端。有资料表明气体放电灯的光效和供电频率成正比。本设计采用中频交流方波，频率在120_1200Hz，采用中频既可以提高UV灯的光效，特别是紫外线的光效，也使得电磁辐射较小，不干扰其它电子设备。其中QZ，DZ，UZ和LF视功率的大小可以由一组或多组并联，附图有两组并联。给QZ的栅极加以频率(16-22kHz)，脉宽可调的驱动信号，驱动脉宽越宽，浮地VSS相对于GND压降越低，加在全桥上下的电压就越高，输出功率将越大。DZ，UZ，LF，DY起能量回馈和缓冲作用。由于UV灯起弧需要很高电压，U6的作用产生高压1600-2000V，0.01ms窄脉冲，叠加到方波电压的前沿。当UV灯引燃、由辉光放电过渡到稳定弧光放电后。引弧电路停止产生高压窄脉冲；大功率冷阴极UV灯管，使用寿命较短，失效短路是常见现象，加电流互感器HG，检测过流信号，及时关机保障本机的安全。

由于大功率UV的启动曲线是不规则的U型曲线，同功率的灯管和同一根灯管的新旧程度不同、生产厂家不同，其启动曲线也有明显的差异。如果所加电压偏高于启动特性电压，易引起短路，造成元件损坏或缩短灯管的使用寿命；反之，会断弧。采样主回路的输入电流和电压，输出回路电压和电流及相关全部信息是UV灯平稳调节、可靠运行的前提。要处理这些信息增设含有单片机系统的检测控制驱动单元3是必然的选择。为此主控电路U3采用现成单片机系统(UP-EC3000)，用HL测量其电流信号Id；通过检测桥式逆变电路上、下电压差，减去固定IGBT管压降的偏差，得出UV灯的工作电压Vd。Id和Vd分别经过单片机的A/D口，转为数字信号，单片机根据当前采集的Vd和Id数值和历史纪录，进行必要的推理和运算，可知UV管的工况，预知启动曲线走向，发出修正指令，调整脉宽。使UV管按最佳方式启动。同理，Vd×Id＝Pd是UV灯的有效功率，根据Pd与设定功率Pg的偏差，调整脉宽，就可以调整UV的输出功率。由于单片机抗干扰能力很弱，而本机内，具有高频、高压、大电流、窄脉冲、磁脉冲等很强的干扰源，为此单片机的输出信号必须经光电隔离驱动(公知技术)功率管；输入信号也必须经光电转换、或磁电转换。根据以上的技术制作出成功实施的实例主要技术参数如下：

额定功率 6kw

功率调解范围 2_6kw

供电电压三相 AC380V±5％

供电输入功率： ≤7kw

效率 92％

冷却方式强迫风冷

控制电压 0_5v

信号电压 0_5v

体积 430×300×200(mm)

重量 14.5kg

功率因数 0.92

工作方式连续

环境温度 -5℃—+45℃

相对湿度 ≤65％无粉尘、无有害气体。

特点：机内采用单片机控制UV灯复杂的启动、变频、调解和平稳工作的全过程。

节能：其与L_C节电30％以上

降耗：延长灯管寿命约20_60％

提高所加工产品的质量，一般可提高一档次，提高工效，减少待机时间约50％，综合经济效益：车间成本约降低20％，企业增效约10％以上。

Claims

1.全息数控大功率冷阴极紫外线灯变频电子镇流器，其特征在于：它由整流桥(U1)、缓开/速关电路、功率变换电路、输出引弧电路(U6)、测控电路组成；其中整流桥(U1)输入端接三相交流电，整流桥块的输出端并联缓开/速关电路输入端与公用地端(GND)，缓开/速关电路的输出端(VCC)与地(GND)并联功率变换电路；所述的功率变换电路是由浮地全桥逆变输出电路与功率调节电路串接而成，并联于(VCC)与地(GND)；所述的测控电路，由单片机系统主板(U3)通过对应通信端口(WR)连接隔离驱动块(U4)、对外通信端口(SS)连接远控板(U5)，连接工作电源总线(DY)，连接相应驱动功率管的驱动总线(BJF)和连接检测元件及继电器(K1、K2)的测控总线(ZK)组成。

2.根据权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于：所述的缓开/速关电路由继电器(k1、k2)、限流电阻(R1)、滤波储能电容(CE1、CE2)和内部控制电源(U2)组成，其中继电器(k1)的静触点接整流器(U1)的输入端，限流电阻(R1)与继电器(k1)的触点并联，继电器(k1)和(k2)的动触点相连为主电源正端(VDD)，滤波储能电容(CE1、CE2)串联后和内部控制电源的输入端并联主电源正端(VDD)与地(GND)之间，继电器(k2)的静触点连接功率变换电路的正电源端(VDD)，继电器(k1、k2)的励磁线圈连接测控总线(ZK)的对应芯线，加电时首先是检测控制电路正常工作，延缓2-4秒钟给功率变换电路加强电，若检测到不正常现象或非程序关机，立即断开功率变换电路的强电，测控电路延迟3-5秒停止工作。

3.根据权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于：所述的浮地全桥逆变输出电路由4个功率管(Q1、Q2、Q3、Q4)和引弧电路(U6)组成，其中，功率管(Q1、Q2)的集电极连接到继电器(k2)静触点(VCC)，功率管(Q1)的发射极连接的功率管(Q3)的集电极，构成一个输出端，功率管(Q2)的发射极连接功率管(Q4)的集电极，构成另一个输出端，这两个输出端对应接到引弧电路(U6)的输入端，引弧电路(U6)的两输出端接负载(RL)，功率管(Q3、Q4)的发射极连接成浮地(VSS)，再接于斩波功率调节电路的储能电感(LF)的中心轴头，在控制信号驱动下，功率管(Q1、Q4)与功率管(Q2、Q3)交替通断，形成120_1200Hz可调交流中频方波，并经引弧电路(U6)连接到负载(RL)的两端。

4.根据权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于：所述的引弧电路(U6)由公知的L_C谐振方式产生正、负1600V，0.01ms脉冲，正脉冲叠加到输出正方波的前沿，负脉冲叠加到输出负方波的前沿，待负载(RL)由辉光放电过渡到弧光放电后，引弧结束。

5.根据权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于：所述的功率调节电路由两组变形的斩波电路组成，其中，功率管(QZ1)集电极经无源缓冲电路(UZ1)接到储能电感线圈(LF)一端，二极管(DZ1)的阳极也连接到储能电感(LF)的这一端，储能电感(LF)的中心抽头连接浮地全桥逆变输出电路的浮地端(VSS)形成一组变形的斩波电路；同理，功率管(QZ2)、无源缓冲电路(UZ2)、二极管(DZ2)、和储能电感(LF)的另一半类似接法形成另一变形的斩波电路，两组斩波电路相应的对外端子(VCC、VSS、GND)互联，根据功率的大小可增减斩波电路组数，至少需一组斩波电路；调节加在功率管(QZ)栅极的占空比，可改变浮地(VSS)相对地(GND)电位的高低，以调节加在负载(RL)端电压幅值的大小实现功率调节；储能电感(LF)的磁芯为铁氧体，驱动斩波电路的信号频率为16-22kHz，占空比的调节范围为0-100％。

6.根据权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于:所述的测控电路包括：用霍尔元件(HL)串在电感(LF)中心抽头检测主回路直流电流，用电流互感器(HG)串接在交流输出回路的测量方波的幅值，测量主电源电压(VDD)，测量浮地(VSS)对地(GND)的电压，用热电偶(RT)测量机内温度，这5路模拟量用测控总线(ZK)分别连接单片机相应的端口，转换成5路10位精度的数字信号，加上单片机内部的时序参数，能实时地计算出本镇流器的安全高效运行所需工况的全部信息，利用计算的输出功率有效值与设定功率的差值，调整单片机相应端口的设置值，改变斩波电路驱动信号的占空比，实现对负载(RL)功率的调节。