بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله یک بالاست الکترونیکی با یک مدار کنترل توان ثابت و قابلیت کاهش نور برای لامپهای تخلیه ای شدت بالا - HID - ارائه می شود. بالاست پیشنهادی از یک توپولوژی سه مرحله ای برای راه اندازی لامپهای HID با موج مربعی فرکانس پایین استفاده می کند تا از رزونانس صوتی اجتناب شود. یک روش کنترل جریان با قابلیت توان ثابت برای حل مشکلات رانش توان و یا تغییرات ناشی از تغییر مشخصه V-I پیشنهاد می شود.
قابلیت کاهش نور به بالاست اجازه می دهد تا شرایط کاری خود را بر اساس محیط یا دستور کاهش نور تنظیم کند که باعث بهبود بیشتر راندمان انرژی می شود. در پایان یک نمونه بالاست150 W متال هالید برای تایید روش پیشنهادی، طراحی و توسط نرم افزار MATLAB شبیه سازی می شود. نتایج شبیه سازی و تجزیه و تحلیل تئوری نشان می دهد که بالاست پیشنهادی می تواند در یک سطح توان ثابت تحت تغییرات وسیع امپدانس لامپ عمل کند.
-1 مقدمه
لامپ های تخلیه ی شدت بالا - - HID بطور گسترده ا ی مورد بررسی قرار گرفته اند و در کاربردهای خارجی و تجاری به دلیل خواص عالی مانند راندمان بسیار بالا، طول عمر طولانی تر و تفسیر رنگ خوب استفاده می شوند 1]، .[2 لامپ HID یک لامپ تخلیه گاز می باشد و به دلیل مشخصه امپدانس افزایشی منفی لامپ HID، بایستی از یک دستگاه بنام بالاست برای پایداری عملکرد لامپ استفاده شود.
معمولا بالاست الکترو مغناطیسی متعارف برای راه اندازی لامپ های HID بدلیل ساختار ساده، مقاوم و ارزان استفاده می شود. با این حال، بالاست الکترو مغناطیسی معایبی چون سایز بزرگ، وزن سنگین، ضریب توان پایین، راندمان پایین، حساس بودن نسبت به تغییرات ولتاژ دارد. با استفاده از بالاست الکترونیکی می توان بر این معایب غلبه کرد. برخی از روش های کنترل بالاست الکترونیکی HID پیشنهاد شده اند. لامپ HID می تواند با یک جریان سینوسی فرکانس بالا راه اندازی شود و توان لامپ با تنظیم فرکانس اینورتر کنترل می شود.
به هر حال تا کنون از نظر تجاری هیچ بالاست الکترونیکی فرکانس بالایی برای لامپ های HID توان متوسط و پایین با توجه به اشکال بسیار مهم در رفتار لامپ در فرکانس های ویژه آن مثل رزونانس صوتی وجود ندارد
رزونانس صوتی باعث ناپایداری در قوس، سوسو زدن نور، یا حتی خاموشی لامپ خواهد شد. تا کنون روش های متفاوتی برای حذف رزونانس صوتی پیشنهاد شده است.
با این حال این روش ها برای کاربردهای تجاری به دلیل نیاز مرحله های کنترلی پیچیده بسیار گران می باشند بنابراین بالاست الکترونیکی که لامپهای HID را با یک موج مربعی فرکانس پایین برای اجتناب از رزونانس صوتی راه اندازی می کند بطور گسترده ای بخاطر قابلیت اطمینان بالا استفاده می شود.
برخی از راه حل ها برای کنترل توان لامپ پیشنهاد شده اند. بالاست های الکترونیکی پیشنهادی می توانند به آسانی طراحی و با یک کنترل جریان لامپ ثابت پیاده سازی شوند.[7] با این حال تغییرات مشخصه ی V-I ناشی از فرسودگی لامپ، امپدانس معادل لامپ را افزایش می دهد این کنترل از خطر راه اندازی بیش از مقدار نامی بالاست و از مسائل مربوط به رانش توان رنج می برد که قابلیت اطمینان سیستم روشنایی را نیز کاهش می دهد.[8] بنابراین بهتر است بالاست الکترونیکی HID با توان خروجی ثابت طراحی شود
از طرف دیگر به منظور صرفه جویی در انرژی یا فراهم کردن یک محیط روشنایی خوب، کنترل کاهش نور برای بالاست الکترونیکی لامپ ضروری می باشد. تکنولوژی های کاهش نور مختلفی پیشنهاد شده اندکه این روشها می توانند به کنترل فاز[10] و مدلاسیون فرکانس دسته بندی شوند.[11] این تکنولوژی های کاهش نور بایستی تحت شرایط فرکانس بالا عمل کنند بنابراین برای رسیدن به کاهش نور محدوده ی وسیع توسط تکنولوژی های مذکور به دلیل محدودیت رزونانس صوتی بسیار دشوار است.
در این مقاله یک بالاست الکترونیکی با یک مدار کنترل توان ثابت و قابلیت کاهش نور برای لامپهای HID ارائه می شود. بالاست پیشنهادی از یک توپولوژی سه مرحله ای برای راه اندازی لامپهای HID با موج مربعی فرکانس پایین استفاده می کند تا از رزونانس صوتی اجتناب شود. یک روش کنترل جریان با قابلیت توان ثابت برای حل مشکلات رانش توان و یا تغییرات ناشی از تغییر مشخصه V-I پیشنهاد می شود.
روش پیشنهادی ساده می باشد و به هیچ ضرب کننده ولتاژ و جریان احتیاج ندارد. علاوه بر این روش کنترل جریان می تواند با کنترل کاهش نور برای کاهش نور لامپهای HID از %100 به %50 تحت شرایط مختلف امپدانس معادل لامپ ادغام شود. نتیجه ی تجزیه و تحلیل تئوری نشان می دهد که بالاست پیشنهادی می تواند در یک سطح توان ثابت تحت تغییرات وسیع امپدانس لامپ عمل کند در نهایت نتایج شبیه سازی بالاست پیشنهادی توسط نرم افزار MATLAB ارائه می شود.
-2 توصیف ساختار سیستم
شکل 1 بلوک دیاگرام بالاست لامپهای HID با کنترل توان ثابت و قابلیت کاهش نور پیشنهادی نشان می دهد. کل سیستم به چهار قسمت اصلی تقسیم می شود: اصلاح ضریب توان - - PFC، مبدل توان، اینورتر تمام پل، جرقه زن ولتاژ بالا. مدارهای کنترلی هر بخش نیز نشان داده شده است. معمولا قسمت اینورتر تمام پل و جرقه زن ادغام می شوند. توابع و رفتارهای عملکردی اصلی این مدارها در بخش های زیر نشان داده می شوند.
الف - مرحله اصلاح ضریب توان:
در این مقاله یک مرحله PFC از نوع بوست همانطور که در شکل 1 نشان داده شده، برای اصلاح ضریب توان خط AC و ارائه ی ولتاژ DC بالا برای جرقه زنی در طول راه اندازی لامپ بکار برده می شود. مرحله PFC ارائه شده در حالت هدایت مرزی - BCM - کار می کند.
ب - مرحله ی مبدل توان:
در این مقاله به منظور کنترل توان لامپ و کاهش نور، در مرحله مبدل توان پیشنهادی یک مبدل باک استفاده می شود که در حالت هدایت ناپیوسته - - DCM طی محدوده کاهش نور عمل میکند . برای اطمینان از عملکرد DCM در محدوده ی کاهش نور، سلف LS مبدل باک باید برای پایینترین ولتاژ لامپ Vlamp,min، تحت تنظیم پایینترین روشنایی طراحی شود.
بمنظور تسهیل تجزیه و تحلیل، همانطور که در شکل 1 بخش C نشان داده شده با نادیده گرفتن تلفات مبدل تمام پل، توان خروجی مبدل باک Po,Buck برابر با توان لامپ Plamp می باشد و پایینترین ولتاژ خروجی مبدل باک Vo,Buck - min - نیز باید برابر با پایینترین ولتاژ لامپ Vlamp,min باشد. مدار مرحله ی مبدل توان در شکل 1 بخش B نشان داده می شود و قانون طراحی LS می تواند توسط رابطه 1 نشان داده شود.
در اینجا زمانی کهLS <LB، مبدل توان در DCM عمل می کندو fs فرکانس سوئیچینگ سوئیچ S2 می باشد.
ج - اینورتر تمام پل:
هدف اصلی اینورتر، تبدیل ولتاژ DC به موج مربعی فرکانس پایین AC می باشد که می تواند از پدیده رزونانس صوتی اجتناب کند و تلفات سوئیچینگ سوئیچهای S3-S6 نشان داده شده در شکل 1 بخش Cرا کاهش دهد.
د - جرقه زن ولتاژ بالا:
تنها عملکرد جرقه زن ارائه ی ولتاژ بالای جرقه زنی برای شروع تخلیه در لامپ HID است. جرقه زن با مدار شارژ RC، ترانسفورماتور افزاینده THV را برای تولید یک پالس ولتاژ بالا جهت اشتعال لامپ بکار می گیرد. بعد از راه اندازی لامپ، جرقه زن بلافاصله از کار می افتد. مدار جرقه زن در شکل 1 بخش D نشان داده می شود.
-3 کنترل توان ثابت و کاهش نور
شکل - : - 1 ساختار بالاست الکترونیکی موج مربعی فرکانس پایین
-1-3 روش کنترل جریان پیشنهادی با قابلیت توان ثابت
لامپ HID با عملکرد توان ثابت توسط تنظیم دیوتی سایکل سوئیچ S2 مبدل توان کنترل می شود که با جریان لامپ Ilamp، ولتاژ لامپ Vlamp و سیگنال مرجع جریان Iref مشخص می شوند. بلوک دیاگرام کنترلر مبدل توان در شکل 1 بخش E نشان داده می شود و دستورالعمل طراحی در بخش های زیر تجزیه و تحلیل می شود.
الف - محاسبه ی انحراف سیگنال مرجع جریان : Iref
سیگنال مرجع جریان Iref، مقدار مرجع برای تنظیم توان لامپ است. تحت حالت کنترل جریان، زمانی که امپدانس معادل لامپ به دلیل فرسودگی لامپ افزایش می یابد ولتاژ لامپ نیز افزایش می یابد و باعث خطر راه اندازی بیش از مقدار نامی لامپ می شود. به منظور حل این مسئله، سیگنال مرجع جریان باید بر اساس این تغییرات اصلاح شود.کنترل فیدبک منفی ولتاژ برای رسیدن به این هدف استفاده می شود. انحراف سیگنال مرجع جریان Iref توسط ولتاژ لامپ Vlamp، سیگنال مرجع ولتاژ Vref و بهره ولتاژ KV مشخص می شود:
در اینجا Vref، مقدار مرجع ولتاژ لامپ برای کنترل فیدبک منفی ولتاژ می باشد. بنابراین سیگنال مرجع ولتاژ Vref باید برابر با ولتاژ لامپ در امپدانس معادل لامپ اولیه برای لامپ های نو باشد.
ب - محاسبه ی سیگنال مرجع جریان جدید Iref
سیگنال Iref می تواند توسط Iref برای بدست آوردن سیگنال مرجع جریان جدید I"ref تنظیم شود. زمانی که ولتاژ لامپ به دلیل فرسوده شدن لامپ افزایش می یابد، سیگنال Iref برای نگه داشتن توان لامپ در یک سطح ثابت، کاهش پیدا می کند. ارتباط بین سیگنال I"ref و Iref می تواند طبق رابطه 3 توصیف شود:
ج - محاسبه دیوتی سایکل مورد نیاز:
اینجا سیگنال I"ref می تواند بعنوان سیگنال مرجع جریان برای رسیدن به هدف کنترل جریان با قابلیت توان ثابت استفاده شود. سیگنال خطای جریان Ierr از رابطه 4 محاسبه می شود. رابطه ی بین Vlamp و VC و دیوتی سایکل D در شکل 2 نشان داده می شود که دیوتی سایکل سوئیچ S2 از مقایسه ی سیگنال کنترل Vc و سیگنال دندانه اره ای Vsaw مشخص می شود و از رابطه5 محاسبه می شود.
در اینجا VP مقدار پیک سیگنال دندانه اره ای است و ضریب تبدیل Kc می تواند از دیتاشیت IC کنترل مبدل توان، بدست آید.
