CN206042487U - 一种高压白钠灯的量测调控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电能量测领域，具体涉及一种高压白钠灯的量测调控装置，包括电子镇流器、量测单元、控制单元和数据传输单元；该电子镇流器用于驱动高压白钠灯工作；该量测单元用于量测输入到电子镇流器或高压白钠灯的电参数信息；该控制单元用于量测高压白钠灯的电压信息和电流信息；该数据传输单元用于将电参数信息传输到外部的集中器中。本实用新型通过设计一种高压白钠灯的量测调控装置，在优化高压白钠灯的电子镇流器的基础上，增加量测调控装置，量测高压白钠灯的实时电能参数，并将参数传输到外部的服务器中，实现实时监控；通过控制单元对高压白钠灯的电流电压检测及控制，提高高压白钠灯的可靠性和安全性。

Description

一种高压白钠灯的量测调控装置

技术领域

本实用新型涉及电能量测领域，具体涉及一种高压白钠灯的量测调控装置。

背景技术

高压白钠灯是高压钠灯的替代型产品，是集高压钠灯的高光效和陶瓷金卤灯的高显色性为一体的第四代照明光源，具有极高的光效和紧凑的外观，高压白钠灯采用卤化钠取代高压钠灯中的钠汞齐，从而提高了显色性，高压白钠灯性能特征是：显色性好(显色指数80以上，高压钠灯约25)，光效高(130Lm/w，高压钠灯-120，LED-75)，发出舒适动感的暖白光，色温接近2860K，比LED偏冷的纯白光有更好透雾性，照射面积大、均匀，更适合道路照明，寿命长达3万小时，比高压钠灯和金卤灯长两倍，产品环保节能(不含铅、汞等污染元素，40W白钠灯取代250W高压钠灯)，节电45％以上，同时照明改造时方便投资小，直接更换高压钠灯灯泡和镇流器，无需更换原来的灯具和灯杆。

如图1所示，图1是高压白钠灯的启动特性，包括中导通阶段、点火阶段、稳弧阶段、赋能阶段、变功率阶段、稳态阶段所需要的驱动条件及对应的等效电学参数、持续时间等。

从照明系统的性能角度出发，评估电子镇流器质量优劣的最重要指标就是“灯—镇流器”接口性能，然而，现有技术中，高压白钠灯没有匹配的镇流器，只能与现有高压钠灯镇流器匹配使用，作为驱动电源，不能很好发挥高压白钠灯性能，同时，也缺少监控高压白钠灯的手段，不适应现在智能城市的环境。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种高压白钠灯的量测调控装置，解决高压白钠灯没有匹配的镇流器的问题，以及缺少监控高压白钠灯的手段的问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高压白钠灯的量测调控装置，用于量测及调控高压白钠灯的工作状态，该量测调控装置包括：

电子镇流器，该电子镇流器的一端与电源连接，其另一端与高压白钠灯连接，该电子镇流器驱动高压白钠灯工作；

量测单元，该量测单元量测输入到电子镇流器或高压白钠灯的电参数信息；

控制单元，该控制单元分别与电子镇流器和高压白钠灯连接，该控制单元量测高压白钠灯的电压信息和电流信息，且根据电压信息和电流信息并通过电子镇流器调控输入到高压白钠灯的电压和电流；或者该控制单元根据外部的控制信号并通过电子镇流器调控输入到高压白钠灯的电压和电流；

数据传输单元，该数据传输单元分别与量测单元和控制单元连接，该数据传输单元将电参数信息传输到外部的集中器中，且外部的集中器将相关的控制信号通过数据传输单元传输到控制单元中。

其中，较佳方案是：该量测单元包括设置在电源和电子镇流器之间的电流互感器，该量测单元通过电流互感器量测输入到电子镇流器的电流。

其中，较佳方案是：该量测单元包括设置在电源和电子镇流器之间的电压互感器，该量测单元通过电压互感器量测输入到电子镇流器的电压。

其中，较佳方案是：该电参数信息包括电压、电流、功率、电能、功率因素、谐波。

其中，较佳方案是：该数据传输单元为无线通信模块或PLC通信模块。

其中，较佳方案是：该相近的高压白钠灯的无线通信模块相互通信连接，该无线通信模块通过相互传输的方式，将电参数信息间接地传输到外部的集中器中；或者将外部的控制信号从集中器间接的传输到对应的无线通信模块中。

其中，较佳方案是：该电子镇流器至少包括依次连接的整流电路、PFC电路、低频换向模块和启动电路，该整流电路与电源连接，该启动电路与高压白钠灯连接；其中，

该整流电路将电源的交流电转换为直流电并输出；

该PFC电路校正功率因数；

该低频换向模块低频换向；

该启动电路提供高压白钠灯启动时的尖峰脉冲电，以及启动完成后停止工作。

其中，较佳方案是：该低频换向模块包括BULK电路和全桥逆变器电路，该BULK电路分别与PFC电路和全桥逆变器电路连接，该全桥逆变器电路与启动电路连接；其中，

该BULK电路将PFC电路输出的高压直流转换为低压直流，并实现限流；

该全桥逆变器电路产生驱动电流流过所述至少一个气体放电灯的高频方波驱动电压，并实现低频换向。

其中，较佳方案是：该低频换向模块为全桥两极电路，该全桥两极电路包括桥式设计的四个MOS管，以及分别与四个MOS管并联的稳压限流电路；该全桥两极电路低频换向，以及在高压白钠灯启动时输出稳定电压，并在启动完成后实现限流。

其中，较佳方案是：该低频换向模块为半桥两极电路，该半桥两极电路包括桥式设计的两个二极管和两个MOS管，以及分别与两个二极管和两个MOS管并联的稳压限流电路；该半桥两极电路低频换向，以及在高压白钠灯启动完成后实现限流。

本实用新型的有益效果在于，与现有技术相比，本实用新型通过设计一种高压白钠灯的量测调控装置，在优化高压白钠灯的电子镇流器的基础上，增加量测调控装置，量测高压白钠灯的实时电能参数，并将参数传输到外部的服务器中，实现实时监控；通过控制单元对高压白钠灯的电流电压检测及控制，提高高压白钠灯的可靠性和安全性；还具有数据采集与电能计量、灯具调光及控制、状态监测、数据传输、参数设置等功能，顺应智慧照明发展趋势。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是现有技术高压白钠灯启动特性的结构示意图；

图2是本实用新型量测调控装置的结构框图；

图3是本实用新型电流互感器和电压互感器的结构框图；

图4是本实用新型基于BULK电路和全桥逆变器电路的量测调控装置的结构框图；

图5是图4的电子镇流器的等效电路图；

图6是基于全桥两极电路的量测调控装置的结构框图；

图7是图6的电子镇流器的等效电路图；

图8是基于半桥两极电路的量测调控装置的结构框图；

图9是图8的电子镇流器的等效电路图；

图10是本实用新型量测控制芯片的电路示意图；

图11是本实用新型控制单元的控制流程图。

具体实施方式

现结合附图，对本实用新型的较佳实施例作详细说明。

如图2、图3所示，本实用新型提供一种高压白钠灯的量测调控装置的优选实施例。

一种高压白钠灯30的量测调控装置，包括高压白钠灯30、电子镇流器20、电源10、量测单元41、控制单元42、数据传输单元50和集中器60，该电子镇流器20分别与电源10和高压白钠灯30连接，该数据传输单元50分别与量测单元41和控制单元42连接，该数据传输单元50分别与控制单元42和量测单元41连接，该数据传输单元50与集中器60连接。

具体描述如下：

在电子镇流器20中，该电子镇流器20的一端与电源10连接，其另一端与高压白钠灯30连接，该电子镇流器20用于驱动高压白钠灯30工作。

其中，电源10为220V的交流电电源10。

在量测单元41中，该量测单元41用于量测输入到电子镇流器20或高压白钠灯30的电参数信息。具体地，量测单元41通过可编程量测控制芯片对输入交流电的电压、电流、相位、PF值、谐波进行精确的计量。

进一步地，并参考图3，该量测单元41包括设置在电源10和电子镇流器20之间的电流互感器411，该量测单元41通过电流互感器411量测输入到电子镇流器20的电流。具体地，电流互感器411原理是依据变压器原理制成的；电流互感器411是由闭合的铁芯和绕组组成；它的一次侧绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次侧绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器411在工作时，它的二次侧回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器411的工作状态接近短路；电流互感器411是把一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量，二次侧不可开路。

进一步地，并参考图3，该量测单元41包括设置在电源10和电子镇流器20之间的电压互感器412，该量测单元41通过电压互感器412量测输入到电子镇流器20的电压。具体地，电压互感器412是一个带铁芯的变压器；它主要由一、二次线圈、铁芯和绝缘组成；当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁芯中就产生一个磁通φ，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2，改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器412；电压互感器412将高电压按比例转换成低电压，即100V，电压互感器412一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等；主要是电磁式的(电容式电压互感器412应用广泛)，另有非电磁式的，如电子式、光电式。

在控制单元42中，该控制单元42分别与电子镇流器20和高压白钠灯30连接，该控制单元42用于量测高压白钠灯30的电压信息和电流信息，且根据电压信息和电流信息并通过电子镇流器20调控输入到高压白钠灯30的电压和电流；或者该控制单元42根据外部的控制信号并通过电子镇流器20调控输入到高压白钠灯30的电压和电流。

进一步地，集中器60聚合一定数量的输入线和一定数量的输出线，或者为许多设备提供一条中心通信链路，集中器60有许多类型。在大型计算机环境下，集中器60能合并来自许多终端的线路并在分层方案中提供到另一个集中器60的连接，或者直接连到主机的前端处理机；使用多路复用方法或争用方法可在一条高速线路上传输来自多条慢速终端线路的数据；在多路复用方法中，一个终端在多路复用流中得到一个固定的时隙；在争用方法中，每个低速线路在短期内能获得高速线路的全部入口。

在数据传输单元50中，该数据传输单元50分别与量测单元41和控制单元42连接，该数据传输单元50用于将电参数信息传输到外部的集中器60中，且外部的集中器60将相关的控制信号通过数据传输单元50传输到控制单元42中。

进一步地，数据传输单元50为无线通信模块或PLC通信模块。

其中，相近的高压白钠灯30的无线通信模块相互通信连接，该无线通信模块通过相互传输的方式，将电参数信息间接地传输到外部的集中器60中；或者将外部的控制信号从集中器60间接的传输到对应的无线通信模块中。

即无线通信模块可作为对应高压白钠灯30的无线传输模块进行数据传输，也可以作为其他的高压白钠灯30的无线通信模块的传输桥梁，将数据间接传输到集中器60。

其中，PLC通信模块直接与电源线连接，通过电源线将数据信号传输到外部的集中器60中。

如图4、图5、图6、图7、图8和图9所示，本实用新型提供高压白钠灯的量测调控装置的较佳实施例。

该电子镇流器20至少包括依次连接的整流电路21、PFC电路22、低频换向模块和启动电路23，该整流电路21与电源10连接，该启动电路23与高压白钠灯30连接。

其中，该整流电路21用于将电源10的交流电转换为直流电并输出，具体地，整流电路21包括交流输入端子和直流输出端子,交流输入端子与电源10连接,当所电源10与交流输入端子通电时，整流电路21在其直流输出端子上产生整流输出电压。

其中，该PFC电路22用于校正功率因数；具体地，PFC的英文全称为“Power FactorCorrection”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值；基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。

其中，该低频换向模块用于低频换向。

其中，该启动电路23用于提供高压白钠灯30启动时的尖峰脉冲电，以及启动完成后停止工作；具体的，启动时其电压高达3.3kV，当启动完成后，高压白纳灯进入稳弧阶段，灯电压降低，启动电路23不工作。

进一步地，还包括一辅助电源27，将高压的电能转换为对应功能模块可用的低压电能。

在本实施例中，为了驱动高压白钠灯30，电子镇流器20必须具备的基本外部特性是：A、在灯的点火阶段，提供恒定的OCV电压(放电管的电压击穿同镇流器开路电压)和适当高度和足够宽度的点火尖峰电压，点火时序和点火维持时间是可控的；B、在灯的Runup阶段(高压白钠灯30的Runup过程就是放电管中汞齐和卤盐气化，电极两端电压和灯功率逐步增大的过程)，提供恒定的Runup电流；C、在灯的正常工作阶段，提供恒定的输出功率或者恒定光色控制；D、在灯的EOL(放电管寿终)工作阶段，能够识别EOL状态，并采取适合的保护动作。简单的说，在高压白钠灯30不同的工作阶段，电子镇流器20分别具有恒压、恒流、恒功率的外部特性，为了使镇流器具备这些输出特性，同时为了顺应电力电子产品发展的基本趋势(高能效、高功率密度、小型化)，镇流器内部线路必须采取适合的拓扑结构及控制逻辑。

本实用新型的电子镇流器20的主电路拓扑分三级结构和两级结构两类，而两级拓扑又分全桥两极(FBCF)和半桥两极(HBCF)两种。在电子镇流器20中，基于安全原因，点火尖峰电压发生线路的工作应该交由定时器来控制，并且通过调整与灯相串联的升压变压器的匝比以及调整同该变压器绕组相并联的点火电容容值大小，就可以将点火尖峰的高度和宽度调整到适合的数值。当灯被点亮时，尖峰电压发生线路的工作被中止；当超过一定时间后，如果灯仍然不能被点亮，则停止尖峰电压发生线路的工作。为了降低高压白钠灯30的EOL风险，点火动作应该是间断式的。

具体描述如下。

方案一、并参考图4和图5，该低频换向模块包括BULK电路241和全桥逆变器电路242，该BULK电路241分别与PFC电路22和全桥逆变器电路242连接，该全桥逆变器电路242与启动电路23连接。

其中，该BULK电路241用于将PFC电路22输出的高压直流转换为低压直流，并实现限流；具体地，通过电感、控制MOS管、续流二极管、PWM控制器，实现PFC电路22高压直流转低压直流的控制过程。

其中，该全桥逆变器电路242用于产生驱动电流流过所述至少一个气体放电灯的高频方波驱动电压，并实现低频换向。

三级结构的镇流器是最友善的，并且在控制方法的实施难易程度上，利用三级结构的镇流器来实现灯所要求的恒压、恒流和恒功率(恒光色)是比较简单的，其中BULK电路241的控制是核心。在三级线路中，整流电路21和PFC 电路22实现功率因数校正和恒定直流电压输出的两大功能，BULK电路241实现稳压(点火阶段)和限流(Runup阶段和正常工作阶段)的两大功能，而全桥逆变器电路242实现低频换向的功能。首先，在灯的点火阶段，控制BULK电路241输出电压的大小，可以给灯提供恒定的OCV电压。在灯的Runup阶段，控制工作于临界模式的BULK电路241电感电流峰值的大小，可以给灯提供恒定的Runup电流。而在灯的正常工作阶段，根据灯电压的变化，控制BULK电路241输入电流的平均值，可以实现恒功率控制或者恒光色控制。在灯的EOL阶段，通过监控BULK电路241的输出电压的变化范围，来识别灯的EOL状态并实施EOL保护。

方案二、并参考图6和图7，该低频换向模块为全桥两极电路25，该全桥两极电路25包括桥式设计的四个MOS管，以及分别与四个MOS管并联的稳压限流电路；该全桥两极电路25用于低频换向，以及在高压白钠灯30启动时输出稳定电压，并在启动完成后实现限流。

在两级的FBCF线路中，除了要实现低频换向的功能外，还要输出稳定的OCV电压(点火阶段)和限流(Runup阶段和正常工作阶段)等功能。FBCF的直流输入电压一直稳定在400V，在灯的点火阶段，通过调整高频桥臂开关的占空比，可以将灯电极两端的OCV电压调整到设定值；在Runup阶段和正常工作阶段，电感L2工作在临界电流模式，通过调整高频桥臂开关的Ton(每个开关周期内的通态时间)，可以控制L2电感电流的峰值，并进一步控制灯电流的大小。

方案三、并参考图8和图9，该低频换向模块为半桥两极电路26，该半桥两极电路26包括桥式设计的两个二极管和两个MOS管，以及分别与两个二极管和两个MOS管并联的稳压限流电路；该半桥两极电路26用于低频换向，以及在高压白钠灯30启动完成后实现限流。

在两级的HBCF线路中，除了实现低频换向的功能外，还要实现限流(Runup阶段和正常工作阶段)功能。在Runup阶段和正常工作阶段，电感L2工作在临界电流模式，通过调整高频桥臂开关的Ton(通态时间)，可以控制L2电感电流的峰值，并进一步控制灯电流的大小。

如图10所示，本实用新型提供量测控制芯片的较佳实施例。

量测单元41和控制单元42共用一芯片，即量测控制芯片4。

电流通道通过电流互感器411与量测控制芯片4的PIN7，PIN8相连进行电流测量，电压通道通过电压互感器412与量测控制芯片4的PIN4，PIN3相连进行电压测量，通过量测控制芯片4内部的算法实现相位，PF值，谐波分析。

通过量测控制芯片4额外的ADC进行白纳灯状态的监控，主要包括高压白纳灯的电压、电流参数。将高压白纳灯的电压输入到控制电路的ADC PIN2脚进行高压白纳灯工作电压测量；并通过将变换电路开关管的取样电阻上面的电流接入到控制电路的ADC PIN5脚进行高压白纳灯工作电流测量，实现高压白纳灯电流检测，即检测输入到启动电路23的电压、电流参数。当发现高压白纳灯出现异常或电流出现过压过流现象是，可以通过控制电路PIN58管脚对变换电路进行控制，调节输出高压白纳灯的电压和电流状态以恢复正常，如BULK电路241、半桥两极电路26、全桥两极电路25。同时控制电路也可以通过PIN58管脚实现远程控制，即通过宽带载波或无线接收外部集中器60的数据，以实现高压白纳灯的开关与亮度调节作用。

如图11所示，本实用新型提供控制单元的控制流程的较佳实施例。

控制单元42优选为量测控制芯片4；其中，控制镇流器点火逻辑为：点火时间12s，12s未点亮则关闭输出三分钟，三分钟后再次点火12s，若依然未点亮，则继续关闭输出三分钟，以此循环6次，若6次依然未能成功点亮，则关闭输出，不再点火，需重新上电复位。

同时，现需要增加点火次数，以求提高点亮成功率，减少高压脉冲时间，以减少对输出器件及灯具的损害，同时减少点灯具损耗。

量测控制芯片4与BULK电路241、半桥两极电路26或全桥两极电路25的分压输出结点连接，检测此管压(即量测控制芯片4的ADC PIN2脚)。

控制流程如下：

A、量测控制芯片4上电，计数器清零，并等待延时1S时间；

B、输出高压脉冲且计数器加一；

C、检测管压是否低于阈值，若不是进入D，若是进入E；

D、0.6S是否到了，若到了关闭输出并进入F，若没到返回B；

E、判断是否过了6S时间，若是再次检测管压是否低于阈值，若不是关闭输出并进入F，否则再次重复E；

F、判断是否过了6S时间，若是判断计数器的计数值是否小于四，若不是进入G，若是返回B；

G、判断计数值是否大于二十三，若不是进入H，否则关闭输出，并结束；

H、输出高压脉冲且计数器加一；

I、拉低管压，并检测是否到了6S时间，若是检测管压是否低于阈值，若是关闭输出；若没有拉低管压，检测0.6S是否到了，若是则关闭输出(若不是返回G)；

J、判断是否过了1min时间，若是返回G。

控制单元42实现电子镇流器20输出恒压，恒流控制；同时，通过宽带载波或无线模块，将集中器60的指令转换到高压白纳灯30的光照上，即可以根据不同的指令实现高压白纳灯30的无极调光。

以上所述者，仅为本实用新型最佳实施例而已，并非用于限制本实用新型的范围，凡依本实用新型申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本实用新型所涵盖。

Claims (10)

1.一种高压白钠灯的量测调控装置，用于量测及调控高压白钠灯的工作状态，其特征在于，该量测调控装置包括：

电子镇流器，该电子镇流器的一端与电源连接，其另一端与高压白钠灯连接，该电子镇流器驱动高压白钠灯工作；

量测单元，该量测单元量测输入到电子镇流器或高压白钠灯的电参数信息；

控制单元，该控制单元分别与电子镇流器和高压白钠灯连接，该控制单元量测高压白钠灯的电压信息和电流信息，且根据电压信息和电流信息并通过电子镇流器调控输入到高压白钠灯的电压和电流；或者该控制单元根据外部的控制信号并通过电子镇流器调控输入到高压白钠灯的电压和电流；

数据传输单元，该数据传输单元分别与量测单元和控制单元连接，该数据传输单元将电参数信息传输到外部的集中器中，且外部的集中器将相关的控制信号通过数据传输单元传输到控制单元中。

2.根据权利要求1所述的量测调控装置，其特征在于：该量测单元包括设置在电源和电子镇流器之间的电流互感器，该量测单元通过电流互感器量测输入到电子镇流器的电流。

3.根据权利要求1所述的量测调控装置，其特征在于：该量测单元包括设置在电源和电子镇流器之间的电压互感器，该量测单元通过电压互感器量测输入到电子镇流器的电压。

4.根据权利要求1所述的量测调控装置，其特征在于：该电参数信息包括电压、电流、功率、电能、功率因素、谐波。

5.根据权利要求1所述的量测调控装置，其特征在于：该数据传输单元为无线通信模块或PLC通信模块。

6.根据权利要求5所述的量测调控装置，其特征在于：位置相近的高压白钠灯的无线通信模块相互通信连接，该无线通信模块通过相互传输的方式，将电参数信息间接地传输到外部的集中器中；或者将外部的控制信号从集中器间接的传输到对应的无线通信模块中。

7.根据权利要求1所述的量测调控装置，其特征在于：该电子镇流器至少包括依次连接的整流电路、PFC电路、低频换向模块和启动电路，该整流电路与电源连接，该启动电路与高压白钠灯连接；其中，

该整流电路将电源的交流电转换为直流电并输出；

该PFC电路校正功率因数；

该低频换向模块低频换向；

该启动电路提供高压白钠灯启动时的尖峰脉冲电，以及启动完成后停止工作。

8.根据权利要求7所述的量测调控装置，其特征在于：该低频换向模块包括BULK电路和全桥逆变器电路，该BULK电路分别与PFC电路和全桥逆变器电路连接，该全桥逆变器电路与启动电路连接；其中，

该BULK电路将PFC电路输出的高压直流转换为低压直流，并实现限流；

该全桥逆变器电路产生驱动电流流过所述至少一个气体放电灯的高频方波驱动电压，并实现低频换向。

9.根据权利要求7所述的量测调控装置，其特征在于：该低频换向模块为全桥两极电路，该全桥两极电路包括桥式设计的四个MOS管，以及分别与四个MOS管并联的稳压限流电路；该全桥两极电路低频换向，以及在高压白钠灯启动时输出稳定电压，并在启动完成后实现限流。

10.根据权利要求7所述的量测调控装置，其特征在于：该低频换向模块为半桥两极电路，该半桥两极电路包括桥式设计的两个二极管和两个MOS管，以及分别与两个二极管和两个MOS管并联的稳压限流电路；该半桥两极电路低频换向，以及在高压白钠灯启动完成后实现限流。