节能型CWA金卤灯镇流器的设计与应用

节能型CWA金卤灯镇流器的设计与应用

裘之青

上海亚明照明有限公司上海201801

摘要：节能减排、低碳、倡导绿色照明是我们国家乃至世界各国的关注点,也投了相当的物力和人力。目前市场上用于HID金卤灯镇流器主要有两种：电子镇流器和电感镇流器。

1）电子镇流器

对于中、大功率的HID金卤灯电子镇流器的节能效果与一般电感镇流器相比没有明显优势，而且成本高、使用条件要求高、不能回收再利用，成为工业垃圾。

2）电感镇流气器

HID金卤灯电感镇流气器主要形式是CWA镇流器，即恒功率镇流器（也叫超前顶峰式镇流器）特点是恒功率输出、成本低，质量可靠，生命长，使用条件要求低，可以回收再利用等。

目前市场上此类产品节能方法有多种多样，五花八门。但归纳起来技术手段主要有下面2种：

A）增加线径

它是利用降低镇流器的铜耗来实现节能目的。

缺点是成本高（15%以上）、节能效果不理想，系统节能通常不到2%。

B）提高矽钢片的牌号（用低损耗矽钢片）

它是利用降低镇流器的铁耗来实现节能目的。

缺点是成本高（15%以上）、节能效果不理想，系统节能通常不到3%。

不难看出目前市场上的电感节能产品节能效果不够理想，系统节能效果通常不到5%且成本高。所以要根本上解决提高电感产品的节能效果以上两种传统方法是不行的。

我们只要通过以下两种设计方法：

1）降低线圈实际工作电流从而降低产品铜耗

2）降低产品的谐波含量，从而降低产品铁耗，并提高镇流器的流明系数

并在这个基础上解决功率因数、维持电压等性能的变化问题，就能实现产品成本、性能基本不变的条件下达到节能效果的目的。从而真正体现出电感镇流器这种低成本、高可靠性、长生命、低的使用环境要求、以及回收再利用等特点，做到真正意义上的绿色照明，这是HID电子镇流器遥不可及的，这也是本文的关注点。

关键词节能功耗效率流明系数CWA镇流器金卤灯

1．绪论

节能减排、低碳、倡导绿色照明是我们国家乃至世界各国的关注点,也投了相当的物力和人力。目前市场上用于HID金卤灯镇流器主要有两种：电子镇流器和电感镇流器。

1)电子镇流器

对于中、大功率的HID金卤灯电子镇流器的节能效果与一般电感镇流器相比没有明显优势，而且成本高、使用条件要求高、不能回收再利用，成为工业垃圾。

2)电感镇流气器

HID金卤灯电感镇流气器主要形式是CWA镇流器，即恒功率镇流器（也叫超前顶峰式镇流器）特点是恒功率输出、成本低，质量可靠，生命长，使用条件要求低，可以回收再利用等。

目前市场上此类产品节能方法有多种多样，五花八门。但归纳起来技术手段主要有下面2种：

A）增加线径

它是利用降低镇流器的铜耗来实现节能目的。

缺点是成本高（15%以上）、节能效果不理想，系统节能通常不到2%。

B）提高矽钢片的牌号（用低损耗矽钢片）

它是利用降低镇流器的铁耗来实现节能目的。

缺点是成本高（15%以上）、节能效果不理想，系统节能通常不到3%。

目前市场上以上两种方法必须同时使用才能满足国家节能标准，因此成本提高很大，在30%左右，而这种节能方式却是目前市场中的主要形式。

不难看出目前市场上的电感节能产品节能效果不够理想，系统节能效果通常不到5%且成本高。所以要根本上解决提高电感产品的节能效果以上两种传统方法是不行的。

如果我们设计一种镇流器在成本基本不变的基础上，不仅能降低产品本身的功耗又能提高光源光通量，即在相同的功率下得到大的光通量，这样就从更本上实现节能，产品效率提高5%。光效提高2%（虽然GB20053-2015金属卤化物灯用镇流器能效限定值及能效等级已不再用2006版的BEF值（=镇流器的流明系数/线路功率）来衡量节能的指标，用镇流器效率来替代，但流明系数提高就是灯的实际光通量的提高，即同样功率下“灯更亮了”，换一句话说在同样的光通量要求下，用较小的功率就可以实现。所以在照明工程应用中可起到很大的节能作用），再加上电感产品本身无污染环保的特点（可以全部回收无污染），从而做到真正意义上的绿色照明。

因此，怎样来实现低成本、高性能、高节能的CWA金卤灯电感镇流器（超前顶峰式镇流器）产品是本文的关注点。本文主要是通过介绍以下两种设计方法来实现的。

1）减小线圈实际工作电流，降低铜耗的节能方法

2）降低产品的谐波含量，从而降低产品铁耗，并提高镇流器的流明系数。

2．节能型CWA（超前顶峰式）镇流器的设计与应用

设计主要关注点

1）减小线圈实际工作电流，降低功耗

2）提高线路功率因数

3）提高维持电压低

4）降低谐波，降低铁耗，并提高流明系数

2.1原理图

图1

其原理主要是利用自偶升压变压器得到一个较高的开路电压并利用自身的漏感L和电容C串联形成一个LC镇流电路。

由于CWA电感镇流器通过建立一个漏磁分路并在次级线圈那边铁芯开了一个漏磁孔，将藕合初级线圈和次级线圈的互感漏磁通减少，最后只有一定数量的能量传到灯负载上。即当灯负载电流上升时，镇流器输出到灯上的电压就降低。这样，灯的稳定性好即恒功率输出。

我们可以调节初级线圈和次级线圈的圈数比及利用磁分路设计尺寸的不同，调节初级线圈和次级线圈藕合的深度，设计不同开路电压大小、不同维持电压等性能指标。

2.2具体分析与设计方案

2.21减小线圈实际工作电流，降低铜耗的节能方法

图1和图2分别为漏磁式CWA镇流器典型的电气线路原理图和铁心线圈结构原理图

下面我们分析一下这种电路线圈电流的大小和方向，如图3。从图3中可以看出初级电流是有两部分组成的IP（AB）和IP（BC）组成。IP（AB）等于输入电流，IP（BC）等于输入电流IP（AB）和灯电流ILamp的矢量和。IP（BC）一般大大小于输入电流IP（AB）。那也就是说如果随着B点向上移，IP（BC）对应的匝数将越来越多。当B点与A点重合时如图4初级线圈流过的电流都将是IP（BC）。这样初级线圈的电流就大大降低了，电流只是原来的75%甚至还不到。大大降低了产品的铜耗。这样就不需要用增大线径的方法来实现降低产品的铜耗，降低了产品成本。

但是随着B点的上移，次级电流反射到初级的电流（容性）将更大，即电流波形和电压波形的相位角将将增加，产品的功率因数将降低且谐波也将增加。功率因数和谐波是国家强制要求的。这样能效与安全性能就发生了矛盾。而且随着B点的上移，维持电压将降低，灯很容易自熄。这是目前很多公司一直不能解决和困绕的问题。那么怎样来解决这一个矛盾呢？这正是本文要讨论和解决的问题。

2.211修正功率因数

1）大家知道CWA（超前顶峰式）镇流器是呈容性。是感性的初级空载电流和容性的灯回路电流的矢量和。所以我们可以增加初级的空载电流来抵消其容性的电流。如何抵消而且要可控。方法：一是减少圈数，二是增加铁心间隙，三减小铁心截面积。如减少圈数，意味工作点（磁感应强度）的上移，铁耗将变大，失去节能的意义。增加L铁心和T铁心间隙，那么漏磁会很大，铁耗将大大增加，这也是不可取的。那么如果我们只在初级线圈那边的铁心开个间隙槽如图3，这个间隙槽的大小就决定了空载电流的大小，又根据以上理论所述，这样我们只要调整间隙槽的大小就可以方便地调节和控制产品的功率因数。

2）降低谐波含量，提高功率因数

λ=COSφ/[√1+（THD）2]

λ---线路功率因数

φ---线电压与线电流的相位角

THD----谐波含量

从公式中可以清楚地看出：如果谐波含量大即使相位角等于0功率因数也会很低。因此在CWA电感镇流器线路中如何降低THD值，这是CWA电感镇流器的设计关键所在。

影响THD值有下面几方面：

a．初级匝数

b．主铁心的截面积、（次铁心）磁分路的截面积

c．磁分路宽度（决定了与主铁心之间的间隙）

d．磁分路与主铁心的绝缘及磁分路中片与片之间错位大小（磁分路在主铁心中存在自由度，它的大小取决于它们之间的间隙）

其中，磁分路中片与片之间错位对谐波含量THD非常灵敏。

因此我们在设计时

A）磁分路可用叠装模进行设计，从而保证其不错位。

B）尽量增加磁分路叠后，增加其间隙，并用绝缘纸或胶带加以固定并充满间隙。这样，一来保证与主铁心严格绝缘，二来保证磁分路的上下串动。

通过以上一系列的调整，将THD值控制在8%以内是完全可以做到的。

2.212修正调整维持电压

得sinα越小，VSS越大。因此使峰值的宽度小于一定值（如400），这宽度与铁心上开的一个狭缝大小有关。

那么如何增加漏感L呢？

1）增加初级次级圈数，2）调整磁分路的叠厚、磁分路与主铁心的间隙、次级线圈位置上铁心漏磁孔的宽度和深度来实现调节漏感L的大小。

通过以上方法来调整维持电压的大小，从而确保灯电流在过零时灯不自熄。即符合QB/T2511单端金属卤化物灯用LC顶峰超前式镇流器性能要求标准中对维持电压大小的要求。

2.22降低产品的谐波含量，从而降低产品铁耗，并提高镇流器的流明系数

大家知道产品谐波含量的大小对产品铁耗影响很大，增加5%谐波含量，铁耗要增加3%，由于谐波含量增大，灯电流发生畸变，灯的光通量明显下降即镇流器的流明系数要降低。虽然GB20053-2015金属卤化物灯用镇流器能效限定值及能效等级已不再用2006版的BEF值（=镇流器的流明系数/线路功率）来衡量节能的指标，用镇流器效率来替代，但流明系数提高就是灯的实际光通量的提高，即同样功率下“灯更亮了”，换一句话说在同样的光通量要求下，用较小的功率就可以实现。所以在照明工程应用中可以起到很大的节能作用。

这样就不需要用提高铁心牌号方法来实现降低产品的铁耗，降低了产品的成本。

2.23降低谐波含量方法

如何来降低谐波含量，方法同本文的2.211条中（2）降低谐波含量一致，就不再叙述。

2.3产品设计数据的比较与验证

2.31产品设计数据

表1是以250WM58节能CWA金卤灯镇流器为例，按照2.2章的设计方法，在线圈电路设计上和铁心结构设计上作改进，得到的具体性能、节能、成本数据。

表1

2.31产品生产数据

以上海亚明生产的250WM58节能CWA金卤灯镇流器为例，只要严格按工艺设计要求执行，产品各项性指标完全同表1一致，CPK在1.7左右。

3总结

通过以上分析可知，我们只要按照2.2章的设计方法，在线圈电路设计上和铁心结构设计上作改进，我们完全可以做到低成本、高性能、高节能的CWA金卤灯电感镇流器（超前顶峰式镇流器）产品，其电性能和节能效果与HID电子镇流器不分上下，而电感镇流器本身具有的这种低成本、高可靠性、长生命、低的使用环境要求、回收再利用等优势，做到真正意义上的绿色照明，这是HID电子镇流器遥不可及的。

参考文献

[1]GB19510.1灯的控制装置第一部分：一般要求和安全要求

[2]GB19510.10灯的控制装置第10部分：放电灯（荧光灯除外）用镇流器的特殊要求

[3]GB18661单端金属卤化物灯（175W~1500W钪钠系列）

[4]QB/T2511单端金属卤化物灯用LC顶峰超前式镇流器性能要求

[5]GB20053-2015金属卤化物灯用镇流器能效限定值及能效等级

[6]GB17743-1999电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法

[7]GB17625.1电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）

作者简介：裘之青，男，上海亚明照明有限公司电感技术开发部经理、开发工程师