مقاله طراحی بالاست الکترونیکی موج مربعی فرکانس پایین دو مرحله ای برای لامپ های HID

بخشی از مقاله

چکیده -

در این مقاله یک بالاست الکترونیکی موج مربعی فرکانس پایین دو مرحله ای برای لامپ های تخلیه ای شدت بالا - HID - ارائه می شود. بالاست الکترونیکی دو مرحله ای از یک مبدل تنظیم شده بوست برای رسیدن به ضریب توان بالا و اعوجاج هارمونیکی کل - THD - پایین و یک اینورتر جفت باک برای فراهم کردن همزمان تنظیم جریان لامپ و راه اندازی لامپ HID با یک جریان موج مربعی فرکانس پایین، تشکیل می شود.

اینورتر جفت باک از ترکیب دو مبدل باک حاصل می شود که نتیجه ی آن رسیدن به چگالی توان بالا برای تجاری کردن بالاست می باشد. مزیت مقاله حاضر این است که پارامترهای بالاست پیشنهادی، برای لامپ 150 W بدست می آورد که درمحدوده ولتاژ 265-185VAC ورودی با فرکانس 60/50HZ قابل بهره برداری است و توانایی راه اندازی لامپ های متال هالید و پرفشار سدیم را دارد. درنهایت نیز با پارامترهای حاصل از طراحی به شبیه سازی پرداخته و نتایج را ارائه می می دهد.

-1 مقدمه

حدود %19 تقاضای جهانی برق و حدود % 3 تقاضای جهانی نفت به روشنایی مربوط است. تخمین زده می شود که بیش از %38 تقاضای انرژی روشنایی آینده می تواند با استفاده از لامپها و بالاستهای کارآمدتر اجتناب شود. در سال 1879 لامپ التهابی توسط توماس ادیسون اختراع شد و از آن پس تحقیقات زیادی بر روی افزایش راندمان لامپ انجام گرفت.

در این راستا پس از لامپ های التهابی، لامپ های تخلیه ای و در سال های اخیر لامپ های LED ساخته و مورد استفاده قرار گرفتند.[1] امروزه در حدود 6000 نوع لامپ تولید می گردد که این لامپ ها به سه گروه عمده لامپ های التهابی، تخلیه الکتریکی در گاز و لامپ های LED تقسیم بندی می گردند. این سه گروه لامپ ها، از سه روش مختلف برای تبدیل انرژی الکتریکی به نور استفاده می کنند.

علی رغم اینکه لامپ های التهابی قیمت پایین، کیفیت نور مناسب، عدم نیاز به مدار جانبی و اندازه کوچکی دارند اما درصد کمی از انرژی الکتریکی را به نور تبدیل می کنند و طول عمر کمی نیز دارند . لامپ های LED به دلیل بالاتر بودن عمر و بازده نسبت به سایر انواع لامپ در سال های اخیر مورد توجه قرار گرفته اند. اما عیب این نوع لامپ ها، بالاتر بودن قیمت نسبت به سایر انواع لامپ ها در توان مساوی است. لامپ های تخلیه ای در گاز در صد عمده لامپ های مورد استفاده را تشکیل می دهند.

در این نوع لامپ ها، با عبور دادن الکترون های پر انرژی از داخل گاز باعث تحریک اتمهای خنثی گاز شده و در نتیجه ایجاد نور می گردد. لامپهای تخلیه با شدت بالا - HID - ، یک دسته از لامپهای تخلیه در گاز هستند که بطور گسترده ای در هر دو کاربردهای روشنایی تجاری و مسکونی بعلت مزایای راندمان بالا، طول عمر طولانی، اندازه جمع و جور و تفسیر رنگ خوب مورد استفاده قرار گرفته اند.

تکنولوژی بکار رفته در روشنایی لامپ های تخلیه با شدت بالا - HID - از برخی جهات شبیه به لامپ های فلورسنت می باشد. قوس ایجاد شده بین دو الکترود موجود در لوله ی پر از گاز، باعث بخار شدن فلز شده و در نتیجه انرژی تابشی تولید می شود.

اگر چه لامپ های تخلیه ای مزایای زیادی نسبت به لامپ های التهابی دارند، اما مانند لامپ های فلورسنت، لامپ های HID نیز به یک تجهیزکمکی بنام بالاست برای ایجاد ثبات در مشخصات VI منفی نیاز دارند. بالاستهایی که در گذشته مورد استفاده قرار می گرفتند، بالاست های الکترومغناطیسی فرکانس پایین بودند. اگرچه بالاستهای الکترومغناطیسی محکم و ارزان هستند ولی از معایبی چون بزرگی و سنگینی، راندمان پایین، تنظیم توان ضعیف و حساس بودن نسبت به تغییرات ولتاژ رنج می برند .[6]- [8] با پیشرفت الکترونیک قدرت، بالاست الکترونیکی بعنوان یک انتخاب جایگزین توسعه یافت. به دلیل صرفه جویی در انرژی، طول عمر زیاد، حجم کوچکتر و وزن سبکتر با قابلیت کاهش نور، بالاست الکترونیکی برای لامپ های HID از بالاست الکترومغناطیسی سنتی برتر است.

در بسیاری از مقالات از بالاستهای الکترونیکی فرکانس بالا بخاطر سادگی مدار و کاهش سایز و وزن بالاست را در مقایسه با بالاست مغناطیسی معمولی استفاده می شود. با این حال یک پدیده منحصر به فرد بنام رزونانس صوتی می تواند در لامپهای HID تحت عملکرد فرکانس بالا رخ دهد. حذف رزونانس صوتی یکی از نکات مهم برای محقق های بالاست الکترونیکی می باشد که تا کنون روش های متفاوتی به قرار زیر پیشنهاد شده است:

- 1 عملکرد در یک پنجره ی فرکانسی عاری از رزونانس صوتی.[

- 2 تغذیه ی لامپ با یک جریان موج مربعی فرکانس پایین

- 3 مدلاسیون فرکانس سوئیچینگ، زاویه فاز و غیره

- 4 تغذیه لامپ با یک منبع جریان موج مربعی فرکانس بالا

- 5 تغذیه لامپ با یک جریان فرکانس بسیار بالا 500kHz - یا بیشتر -  

که در عمل، راه حل موج مربعی فرکانس پایین موثرترین وعملی ترین روش برای حذف رزونانس صوتی در نظر گرفته می شود. این مقاله به طراحی یک بالاست الکترونیکی موج مربعی فرکانس پایین جهت حذف رزونانس صوتی می پردازد. مزیت مقاله حاضر این است که پارامترهای این بالاست برای لامپ 150 W را بدست می آورد که درمحدوده ولتاژ 185-265VAC ورودی با فرکانس 60/50HZ قابل بهره برداری است و توانایی راه اندازی لامپ های متال هالید و پرفشار سدیم را داردو همچنین می توان در بالاست پیشنهادی از میکروکنترلرهای تجاری ارزان بهره گرفت. در پایان نتایج شبیه سازی بالاست دو مرحله ای توسط نرم افزار MATLAB ارائه شده است.

-2 ساختار بالاست الکترونیکی موج مربعی فرکانس پایین

عملکرد اولیه یک بالاست HID ارائه ی یک ولتاژ بالا برای شروع قوس الکتریکی در لامپ و فراهم کردن تنظیم توان مناسب برای تثبیت عملکرد لامپ می باشد. ساختار یک بالاست HID فرکانس پایین با چهار بلوک عملکردی مرحله ی مبدل AC/DC اصلاح ضریب توان - - PFC ، مبدل توان - DC/DC - ، اینورتر تمام پل - DC/AC - و جرقه زن در شکل - - 1 نشان داده شده است.

شکل : - 1 - بالاست HID فرکانس پایین با چهار بلوک عملکردی

مرحله ی مبدل AC/DC اصلاح ضریب توان - PFC - ، ولتاژ AC شبکه را به ولتاژ DC تبدیل می کند و یک ضریب توان بالای ورودی و جریان هارمونیکی کوچکی به منظور برآورده کردن استاندارد IEC61000-3-2، کلاس C موردنیاز برای تجهیزات روشنایی فراهم می سازد. مرحله ی DC/DC یک مبدل فرکانس بالا است که ولتاژ باس DC را کاهش داده و تنظیم توان برای لامپ را انجام می دهد.

مرحله ی اینورترDC/AC جریان لامپ موج مربعی فرکانس پایین را فراهم می کند که برای غلبه بر رزونانس صوتی در لامپ HID ضروری است. جرقه زن نیز یک ولتاژجرقه زن مناسب برای شروع تخلیه در لامپ ارائه می دهد . با این حال ساختار 4 مرحله ای معمولاً تعداد و اجزاء بزرگ و مدار کنترلی پیچیده و در نتیجه بطور بلقوه اندازه بزرگ و هزینه ی بالایی دارد. به منظور افزایش چگالی توان وکاهش هزینه، روش دو مرحله ای پیشنهاد می شود.

این بالاست شامل یک مرحله ی اصلاح ضریب توان AC/DC - PFC - و یک مرحله ی باک تمام پل می باشد که ازترکیب سه قسمت تنظیم توان DC/DC، اینورتر و جرقه زن که به یک قسمت حاصل می شود که که در شکل - - 2 نمایش داده شده است.

شکل - : - 2 بالاست HID فرکانس پایین دو مرحله ای

-1-2 ساختار بالاست الکترونیکی موج مربعی فرکانس پایین دو مرحله ای پیشنهادی

شکل - - 3 ساختار بالاست الکترونیکی موج مربعی فرکانس پایین دو مرحله ای را نشان می دهد. مرحله ی PFC یک مبدل بوست می باشد که در مرز - BCM - بین حالت پیوسته جریان - CCM - و حالت ناپیوسته جریان - DCM - عمل می کند. اینورتر تمام پل که اینورتر جفت باک نیز نامیده می شود، شامل دو مبدل باک نیم پل می باشد که در شکل - - 3 مشخص شده است.

شکل - : - 3 ساختار بالاست الکترونیکی موج مربعی فرکانس پایین دو مرحله ای

-2-2 توصیف مدارپیشنهادی اینورترجفت باک

دوسوئیچ S1 - و - S3 برای تنظیم توان لامپ در فرکانس بالا - چند ده کیلو هرتز - و دو سوئیچ دیگر S2 - و - S4 برای فراهم کردن و تغییرپلارتیه ولتاژ و جریان در فرکانس پایین - کمتر از - 200 Hz عمل می کنند. همانطورکه در شکل - - 4 نشان داده می شود، چهار حالت عملکردی وجود دارد نمودار زمان بندی در شکل - - 5 ارتباط یک مبدل جفت باک و ولتاژ لامپ را نشان می دهد. این چهار حالت به شرح زیر می باشد:

حالت :1 در شکل - - A - - 4 از زمان t0 تا t1 در شکل - - 5 مشاهده می شود - :

S3 و S4 در حالت خاموش، S2 و S5 روشن می شوند. CO از طریق S2 و L2، لامپ و S5 دشارژ می شود. مقداری از انرژی در L2 و C2 ذخیره می شود.

حالت :2 در شکل - - B - - 4 از زمان t1 تا t2 در شکل - - 5 مشاهده می شود - :

S3 و S4 در حالت خاموشی باقی می ماند، S2 در فرکانس بالا در حات خاموشی در حال کار کردن است و S5 در فرکانس پایین در حال کار کردن است و در حالت روشن باقی می ماند. انرژی L2 و C2 به رها کردن انرژی از طریق لامپ، S5 و دیود داخلی معکوس S4 ادامه می دهد. همانطور که S2 در یک فرکانس بالاتر در حال کار کردن است حالت 1 و حالت 2 تکرار می شود تا زمانی که S5 در t3 خاموش می شود.

حالت :3 در شکل - - C - - 4 از زمان t3 تا t4 در شکل - - 5 مشاهده می کنید - :

S2و S5 در حالت خاموشی، S3و S4 روشن می شوند. CO از طریق S3، لامپ و L2و S4 تخلیه می شود. انرژی کمی در L2 و C2 ذخیره می شود.

حالت :4 در شکل - - D - - 4 از زمان t4 تا t5 در شکل - - 5مشاهده می کنید - :

S2 و S5 در حالت خاموشی باقی می ماند، S4 در فرکانس بالا در حالت خاموش در حال کار کردن است و S3 در فرکانس پایین در حال کار کردن است و در حالت روشن باقی می ماند. انرژی L2 و C2 به آزاد کردن از طریق دیودداخلی معکوس S2، سپسS3 ولامپ ادامه می دهد. S4 در یک فرکانس بالا از زمان t3 تا t6 در حال کار کردن است بنابراین حالت 3 و حالت 4 تکرار می شوند تا زمانی که S3 در t6 خاموش می شود. یک سیکل عملکردی کامل به پایان رسیده است. شروع از t6، رفتار t0 دوباره تکرار می شوداز تجزیه و تحلیل بالا به مسیر جریان لامپ در این مبدل جفت باک پی می بریم و سلف L2 یکسان، خازن خروجی C2 و لامپ HIDرا بارگذاری می کند. جریان لامپ در حالت 3 و حالت 4 در جهت مخالفند.

-3 تجزیه و تحلیل طرح پیشنهادی

-1-3 محاسبه توان لامپ

توان لامپ از ضرب سیگنال ولتاژ لامپ درجریان لامپ بدست می آید. ولتاژ لامپ مستقیم از دوسر لامپ سنس می شود. جریان لامپ با استفاده از روابط - - 1 بدست می آید. جریان لامپ در حالت پیوسته همزمان با جریان سلف است. با شروع از پیک جریان سلف، مقدار متوسط طبق رابطه - - 1 بیان می شود:

که I LAMP جریان لامپ، I AV جریان متوسط سلف، I peak پیک جریان سلف و I ریپل جریان سلف می باشد همچنین ریپل جریان در یک مبدل باک در حالت پیوسته، توسط رابطه - - 2 بیان می شود:

که VBUSولتاژ باس DC، L مقدار سلف، f فرکانس سوئیچینگ وD دیوتی سایکل می باشد. رابطه دیوتی سایکل برای یک مبدل باک در حالت پیوسته از رابطه - - 3 محاسبه می شود.

که VLAMP ولتاژ دو سر لامپ است. با جایگذاری رابطه ی - - 2 با رابطه ی - - 3، رابطه ی - - 4حاصل می شود.