70W金卤灯单级低频方波电子镇流器及其稳定性研究.doc
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1、70W金卤灯单级低频方波电子镇流器及其稳定性研究 浙江大学硕士学位论文70W金卤灯单级低频方波电子镇流器及其稳定性研究姓名:杨永兵申请学位级别:硕士专业:电力电子与电力传动指导教师:钱照明20050301摘要随着绿色照明工程的开展,高强度气体放电灯作为一种节能、高效的新型电光源,正越来越显示出其优越性。因此,与之相配套的高强度气体放电灯电子镇流器的开发也成为了研究热点。电子镇流器凭借其节能、轻便等一系列优点将逐步替代传统的电感式镇流器。本文通过对一种适用于小功率金卤灯的新型的单级低频方波电子镇流器的开发研究对高强度气体放电灯电子镇流器中的一系列问题展开了详细的讨论,论文的绪论局部介绍了高强度气
2、体放电灯的发光机理及其特性重点介绍了金属卤化物灯的特性,同时针对气体放电灯的特点,介绍了与之配套的电子镇流器的根本原理和开展概况。低频方波电路是消除声谐振的最为可靠、易行的方案,且已被业界广泛认可。针对传统的三级低频方波电路存在的电路复杂、本钱高的缺点,论文第二章在综述了单级功率因数校正电路的根底上,提出了一种新型的用于小功率金卤灯的单级低频方波电子镇流器,并通过对一个 金卤灯的实验结果验证了该方案的可行性。由于弧光放电的负阻特性,气体放电灯需要有一个电流控制或者说电流限制装置一电子镇流器与其串连才能稳定工作,为了更好的分析这一问题,论文第三章从气体放电灯的小信号动态特性出发,从理论上分析了灯
3、与低频方波电子镇流器的系统稳定性问题。关键词:高强度气体放电灯:电子镇流器;稳定性;声谐振;低频方波。 ,曲 .,。,., .? .,. ,. ? ?.,?.,., ., / . .;:; .浙江大学硕士学位论文第一章绪论年,爱迪生创造了世界上第一只白炽灯,从此开创了电光源照明的新纪元。如果说白炽灯为人类的漫漫长夜带来了光明,那么无疑气体放电灯那么为人类在漫漫长夜中带来了绚丽的色彩。本章介绍了高强度气体放电灯的发光机理及其特性,重点介绍了金属卤化物灯的特性,同时针对气体放电灯的特点,介绍了与之配套的电子镇流器的根本原理和开展概况,并介绍了高强度气体放电灯的声谐振现象及其解决方案,最后阐述了本课
4、题的意义及主要工作。第一节 气体放电以及气体放电灯一、电光源的分类及特点根据其发光原理的不同,电光源通常可分为:热辐射光源和气体放电光源两大类.。热辐射光源的典型代表是白炽灯,白炽灯作为低照度的室内照明用具,具有以下特点:显色性好,用自炽灯照明时颜色的失真很小;色温很低,给人以舒适感,适用于卧室、客厅等生活居室的照明;启动性好,即灯点亮后,其光输出很快到达额定值,非常适用于应急照明;体积小;本钱低:光输出随电源电压变化而连续变化,便于实现调光。气体放电光源又可分为两类:辉光放电灯和弧光放电灯。其中辉光放电灯的左右,典型代表是霓虹灯。这类灯由正辉光放电柱产生光,阴极位降大电流密度较小,通常需要很
5、高的工作电压。弧光放电灯放电时阴极位降较小左右,电流密度大,这类灯通常需要专门的启动器件和工作线路才能正常工作。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯等都属于这一类灯。根据放电管中放电气体气压的不同。弧光放电灯又分为两种:低压气体放电灯和高压气体放电灯,又称为高强度气体放电灯 。其中低压气体放电灯的典型代表是荧光灯,目前荧光灯已成为室内照明用的主要电光源,具有白炽灯无法比较的优点:光效高,寿命长,普通卤磷酸钙荧光灯的瓦荧光灯的光效可达流明/瓦,比自炽灯高四倍,寿命可达小时,比白炽灯高倍:显色性好;色温范围较宽、光线柔和、无眩光;光输浙江大学硕士学位论文出隧电源电压变化较小,鬲影响搅觉。高强度
6、气体放电灯主要包括高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯.,另外还有一些特种气体放电灯如氙灯、氪灯等。不同的高强度气体放电灯的根本发光碌理是相同的,之所以产生不同的光输出是因为他们的填充气体或蒸气的种类不同。表卜所示为不同种类的高强度气体放电灯的特点及其应用场台矗。表卜高强度气体放电灯特性比较灯类型 高压汞灯 高压铀灯 金属卤化物灯主要填充气体 汞蒸汽 钠蒸汽、汞蒸汽、氤 碘化钠、碘化铊、碘化铟 、 “。功章范围“ 光效流明/瓦显色指数 、 、光色 黄一金白色 白色淡蓝一绿色 平均寿命小时厂房照明、 道路、机场、码头及 广场、商场、体育场照明,主要应用场合室内外照明 工矿企业照明 建筑物泛光及投光照
7、甥由于高压汞灯光效相对较低、显色性较差且寿命较短,已经逐步被离压钠灯和金属卤化物灯所取代,而高压钠灯和金属卤化物灯由于具备了光效高、显色性好、发光集中等优点,已经成为继自衄灯、荧光灯后的第三代电光源。气体放电根底在通常的情况下,气体是良好的绝缘体,不能传导电流。但是在一定的条件下,如强电场、光辐射、离子轰击和高漏加热下,气体分子可能发生电离并产生可自由移动的带电粒子,在电场作用下形成电流,这种电流通过气体的现象称为气体放电。在电离气体中,存在着各种中性粒子和带电粒子,它们之间发生着复杂的相互作用,带电粒子不断从电场中取得能量。并通过各种作用把能量传递给其他粒子,这些得到能量的粒子可能被激发,形
8、成激靛态粒子,当这些激发态粒子自发退避基态时,就会产生电磁辐射,释放出光子:此外,电离气体中正负带电粒子的复台、带电粒子在电场中构减速等,也都会产生辐射。因此气体放电总是伴随着辐射现象,如果辐射的光子波长在可见光范围或者是通过某釉物质比方荧光粉将不可见波长范围的光转变为可见光,就可以被我们看见,这也就是我们常说的气体放电发光现象。利用这一原理制造而成的光源称为气体放电光源,或称气体放电灯。.电子发射和电极 在气体放电灯工作时,灯管内存在大量电子、正离子等带电粒子,这些粒子浙江大学硕士学位论文在电场作用下形成电流。这个放电电流主要是电子的电流由于正离子质量大,速度慢,对电流的奉献可以忽略,要维持
9、放电电流,阴极必须源源不断地提供电子。通常把阴极提供电子的过程称之为电子发射。阴极的外表有很多自由电子,但这些自由电子通常并不能逸出外表跑到周围媒质即灯内的气体中去。要从阴极逸出,电子必须取得一定的能量。对一给定材料的阴极,在绝对零度时,如果电子逸出所需的最小能量是妒。那么毋就称为该阴极的功函数或逸出功。可以有很多方法使电子获得足够的能量从阴极逸出。主要的方式有加热、正离子轰击和施加强电场等。相应的阴极发射便称为热电子发射、正离子轰击发射和场致发射等。热电子发射所有电子的速度并不是相同的,而是有一个速度分布的。而只有那些足够快的电子向着外表运动时,才有可能从阴极逸出。当阴极被加热时,其中电子的
10、平均速度增加。随着阴极温度的升高,有越来越多的电子得到足够的速度从阴极中逸出,使发射增加。功函数为西的阴极在绝对温度时的发射电流密度/用下式表示:卜,彳这个公式是电子物理学中著名的李查逊一德许曼公式。式中,岛为波尔兹曼常数,常数。可由下式给出:卜以:?;为普朗克常数。算得.。式中,为电子电量,以为电子质量对大局部金属来说,也的值大约只有实际上,由于杂质和外表的缺陷.。分析式卜可知,功函数驴和温度,对发射电流密度的影响很大。作为一个理想的气体放电灯中的热电子发射阴极简称热阴极,就必须具有低的功函数、高熔点和低的蒸发率,另外,还要易于加工。从这些要求来看,钨是一种根本的热电子发射材料。为了使阴极能
11、产生足够的发射.必须将它加热到一定的工作温度。有时要靠外部电源来加热,这叫做独立加热式阴极,在电子管中便是采用这种阴极。用在气体放电灯中的绝大局部热阴极并不是从外部加热,而是依靠放电自身来加热的,称为自热式阴极。热电子发射是弧光放电阴极最主要的一种电子发射形式。荧光灯、高压汞灯、氙灯、钠灯和金属卤化物灯的电极发射都主要取这种形式。浙工丈学硕士学位论文正离子轰击发射正离子轰击发射也是一种主要的电子发射形式。正离子在阴极前面被这一区域的空间电场加速,然后飞落在阴极上,当这个正离子的总能量一动能与电离能之和大于功函数的两倍时,有一个电子可能从阴极逸出,另有一个电子被正离子吸收。这种电子发射方式就叫正
12、离子轰击发射。对这种发射,阴极完全不需要加热,我们说这种情况是冷阴极发射。辉光放电的阴极主要取这种发射形式。与热电子发射相比,这种冷阴极发射的电流密度非常低。作为正离子轰击发射阴极材料不要求很高的熔点,但必须能耐受正离子的轰击,否那么在工作过程中电极材料要大量溅射,不仅造成灯管的发黑,而且缩短电极的寿命。通常选用铝、镍、铁、铜等作为冷阴极材料。从上面讨论可知,为了产生这种发射,在阴极的前面必须有高的电位降,以使到达阴极的正离子的速度足够高。这个电位降称为阴极位降。在辉光放电的朋极前面有约伏特的阴极位降区,面对热阴极发射的弧光放电来讲,阴极位降仅约为伏特左右。场致发射在外界电场足够强的时候,阴极
13、即使在绝对零度时也能产生电子发射。这种形式的电子发射称为场致发射。在气体放电灯工作时,尽管灯管上的电压并不高,但如果在电极附近很小的范围内形成很强的空间电荷层,那么就可能在这一区域造成极强的电场,引起场致发射。除了以上几种电子发射形式以外,还有一些其他形式,如中性原子轰击发射、光电发射等。由于它们在气体放电灯中应用不多,这里就不再表达了。.电子与放电气体的相互作用从阴极发射出的电子到达阳极之前,在放电空间内与放电气体发生复杂的相互作用,主要是碰撞、激发和电离。碰撞在气体放电灯两电极之间的空间中存在着气体,因此电子在向阳极运动的过程中,要不断地和气体原子相碰撞,灯内气体浓度愈高,电子与气体原子碰
14、撞的时机就愈大。电子和原子的碰撞可分为弹性碰撞和非弹性碰撞两种。所谓弹性碰撞就是碰撞前后有关粒子的动能虽重新分配,但动能的总和不变。至于非弹性碰撞那么在碰撞之后,有关粒子的内能发生了变化,因而动能的和也就有变化。气体原子与带电粒子相互作用而电离或激发的过程都是属于非弹性碰撞。由于电子质量比原子质量轻得多,因此每一次弹性碰撞中电子损失的能量是很小的。然而,当电子和气体原子发生碰撞时,每一次碰撞都要使电子改变方向,这样,电子在从阴极向阳极运动的过程中要走曲折的路线,这个路线要比两电极间的直线距离长几百倍,也就是说,电子经受的碰撞数目是很大的,这样电子转移给原子的总能量就不能无视了。能量转移的结果.
15、使气体原子的平均速度逐渐浙江大学硕士学位论文增加,这也就以为着气体温度的升高。当气体热损耗的能量等于通过碰撞取得的能量时,气体的温度不再升高,到达平衡。电子与气体原子碰撞损失的能量随气压升高而增加,随气体原子的原子量减小而增加。原子的激发和电离当处于基态的原子和动能小于激发电能的电子碰撞时,只能产生弹性碰撞。如果电子的能量大于,原子就有可能被激发到册态。而碰撞后的电子那么继续运动,不过它的能量在碰撞后减少了。这些电子在重新在电场的加速下获得能量,再与其他的气体原子发生碰撞。当电子动能大于电离能时,它就可能使与之碰撞的原子电离成正离子和电子。与原子的激发一样,电离的发生也是几率性的,电离几率也和
16、电子的动能有关。与激发几率相比,电离几率的数值比较大。.带电粒子的消失在平衡的条件下,任何过程都有其逆过程。带电粒子的消失过程又称消电离,它是与电离直接相反的过程。消电离主要有三种形式:第一种是电子和离子通过双极性扩散到达放电灯的管壁,然后在那里复合,这种形式的消电离过程称为管壁复合或外表复合;第二种是带电粒子在电极上消失,当放电空间的气压很低,而电场又很强时,这种形式的消电离占主要的地位;第三种是带电粒子在放电空间的复合。根据能量守恒,在电子和正离子复合时要放出一定的能量,其值等于电离能和电子动能之和,在高气压放电中,带电粒子在空间的复合起重要作用。总的来讲,气体放电空间中带电粒子的产生、运
17、动和消失是一个热电学的平衡过程。.气体放电的形成在图卜所示为气体放电的伏安特性。各段的分析情况如下:图 气体放电的伏一安特性曲线段:由于外致电离,在灯管中存在带电粒子。在电场的作用下,这些带电粒子向电极运动,形成电流。随着电场的增强,带电粒子的速度增加,复合减浙江大学硕士学位论文少,使电流增大,这就是段。段:当电场再增强时,所有外致电离产生的带电粒子全部到达电极,这时电流就饱和了,形成了段。段:如果电压圪再继续升高,那么电场将使初始的带电粒子的速度增加到很大,它们与中性原予碰撞时能使之电离;而中性原子电离产生的电子又被电场加速后和另外些中性原子作电离碰撞,形成更多的电子。这样一种繁衍过程使电子
18、数目雪崩式地增加。因此,往往称段为繁流放电或雪崩放电。在点,通过灯管的电流突然增加到点,点以后,管压降随即迅速降低,同时在灯管中产生了可见的光芒。点称为气体放电的着火点.相应的电压称为灯管的着火电压。在灯管着火时,有以下条件成立:.簪“一:式中,是阴极和阳极之间的距离,为个电子在沿着阴极到阳极方向运动单位路程时与气体原子碰撞所产生的电离次数,为一个正离子轰击阴极外表时从阴极逸出的次级电子数。这也就是说,个电子自阴极逸出后所产生的各种直接和间接的过程将使阴极再发射出一个电子。这样,放电当然就能自我维持,不再需要外致电离因素。段:在段内,电流增加,但管压降根本保持不变,称为正常辉光放电阶段。管压降
19、维持不变是因为在这个范围内,阴极并没有全部用于电子发射,而用于发射的面积正比于电流。所以电流的增加只增加阴极的发射面积,而不改变其管压降。当电流增大到整个阴极面积都用于电子发射时,即到达了点。如果继续增大电流,阴极的电流密度就必须增加,因此造成管压降上升,进入了异常辉光放电阶段。段:继续增大电流,当阴极温度升高到能产生显著的热电子发射时,阴极位降又开始减小,阳极位降上升,于是管压降再次大幅度下降,最后到达某一弧光放电值,产生强烈的弧光。这一阶段称为弧光放电阶段。在段,放电是非自持的,如果去除外致电离,那么电流立即停止。点以后的放电都是自持放电。从点以后都是稳定的自持放电。非自持放电也称为黑以下
20、,辉光放电暗放电。从图卜所示可以看出,黑暗放电的电流大约在电流为,而弧光放电的电流大约在。以上,且具有负的伏安特?眭。三.高强度气体放电灯的电特性.弧光放电的负伏安特性.高强度气体放电灯在通常的放电条件下,大局部的气体原子都处于基态,只浙江大学硕士学位论文有很少一局部的处于激发态。然而,由于激发态原子电离几率比基态原子大得多,因此通过逐次电离产生的电子数可与基态原子直接电离产生的电子数相比较,有时甚至超过。随着放电电流五增加,逐次电离所起作用越来越重要。由于逐次电离是一种二次过程,它发生的次数正比于电流的平方。而由基态原子直接产生电离的次数与电流成正比。但是,带电粒子通常因双极性扩散而损失,损
21、失通常正比于五。这样,当放电电流五增加时,如果灯光电压圪不变,那么带电粒子的产生必定超过带电粒子的损失。为了维持放电的平衡,当放电电流增加时,必须减少电离几率,即必须降低电子温度亦即必须减少轴向电场强度,所以放电灯圪和五的关系便成为图?中曲线。由曲线不难看出,佃:是负值,即放电灯的伏安特性是负的,这也就是我们常说的气体放电灯的负阻特性。具有负伏一安特性的器件单独工作肯定是不稳定的。假定这一放电灯如图.所示中曲线一样,工作于某一电压所,流过的电流是。如果由于某种原因,电流从瞬时增加到厶这时就产生了一个过剩的电压一杉,它将使电流进一步增加。同样如果电流从厶瞬时地减小到厶这时要维持厶,电压能力就差虬
22、一虬,这又导致电流进一步减小。可见,将具有负伏一安特性的放电灯单独接到电网中去时,工作时是不稳定的,它将会导致灯电弧很快熄灭或导致电流无限止增加,最后直到灯或电路的某一局部被过电流烧毁为止。如果我们把电阻和弧光放电电弧串联起来使用,就可以克服电弧的不稳定性,在图卜中,、分别是弧光放电电弧和电阻的伏安特性曲线,是二者特性的叠加曲线,从图中可以看出具有正的伏安特性,它将能够在电网中稳定工作。在交流情况下,能够使用的限制电流的器件有电阻、电感、电容等,这些通称为镇流器或限流器。气体放电灯直流穗定工作时照型的伏安特性浙江大学硕士学位论文.高强度气体放电灯的工频特性.】高强度气体放电灯在交流工作时,电子
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