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电子镇流器的危险区域
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灯具, 节能灯, LED照明, 日光灯, 荧光灯, ...
你是否遇到过这种情况?你完成了一项大型照明翻新改造工程的设计,在工程中采用了先进的电子镇流器取代上千个荧光灯灯具中的旧式电感镇流器。客户满怀期望通过这一改造节省能源,降低维修成本,并获得较好的照明效果。然而,电器承包商却发现了你设计中明显的问题,因为照明控制系统的元件在安装期间已经开始损坏。

针对这个问题,人们很快发现机械继电器触点被熔在了一起,但为什么会发生这种情况呢?电路是根据美国国家电器法规(NEC)的要求设计的,承包商严格按照工程师的图纸施工,电子镇流器是列入UL认证目录(UL-listed)中的产品,而照明控制继电器的额定负载的选值设计是合理的。为什么继电器的触点会熔在一起呢?这是由电子镇流器的浪涌电流造成的。

2、认识浪涌电流

浪涌电流对于照明设计者来说不是一个新的问题,在IES照明手册上可以容易地查到白炽灯的钨丝在冷却状态下存在相当低的电阻,当首次提供电能时,通过钨丝的电流量要比当钨丝达到正常工作温度时通过的电流量大20~25倍。幸运的是,这种情况通常发生在零点几毫秒之内。因此为白炽灯负载设计的机械继电器通常具有超尺寸的触点,以便适应这种电流的初始冲击。

浪涌电流对用于荧光灯的磁芯和线圈镇流器影响不大。流向灯内的电流由一个电感器来控制,当首次提供电能时电感器具有较高的阻抗。通常可在不到10ms的时间内将浪涌电流量限制在10倍或工作电流值上。因此,为白炽灯负载设计的电路也适用于处理由荧光灯普通镇流器负载引起的浪涌电流。

随着技术的发展,国家器具能源保护条例几乎取消了常规电感镇流器,最新的设计是电子镇流器。电子镇流器具有体积小、轻便、低能耗、消除频闪,能为先进的灯具提供调光特性等优点。电子镇流器的可靠性问题在早期的设计中已经得到了解决,而遗留下来的唯一的缺陷就是浪涌电流问题。

3、简单的电子镇流器设计概念

电子镇流器的设计概念比较简单。但仍需解决两个主要问题。第一个问题是只有当来自镇流器的输入电压大于电容器的电压时电流才能流入电容器。在每次AC周期的峰值上,电容器都有被充满电的情况发生,其结果导致输入电流不是正弦波,从而使转换器出现大量的谐波失真。这会造成电源线路过热,给公用事业公司造成很大的麻烦。

镇流器制造商在处理这个问题时有两个设计选择。第一个设计选择是可以安装一个由电感器、电容器和电阻组成的被动滤波器,在电路中放置于A/D转换器之前。这个滤波器使电流平稳地流入桥式全波镇流器,以产生将谐波失真(THD)总量控制在20%~30%之间的正弦波(这同样有助于提高镇流器的功率因数)。

第二个设计选择是采用一个主动滤波器,将其安装在桥式全波整流器之后。这实际上是一个既可以过滤流入电容器的电流又可为电子镇流器提供一个高功率因数的电子开关。

镇流器的制造商通常愿意选择主动滤波器,这有几个理由:主动滤波器能将谐波失真控制得比被动滤波器低,一般低于10%。更重要的是采用电子元件的主动滤波器具有比被动滤波器便宜、体积小、重量轻和节省能源等优点。

第二个问题是短路问题。由于电感元件的作用,被动滤波器通常可将浪涌电流限制在合理值上。一般最大值是工作电流的30倍,并持续5ms。而另一方面,主动滤波器无法提供这样的内在利益。在浪涌电流100倍于工作电流的情况下,一个装在20A电路上的16A电子镇流器转换为一个1600A振荡器作为照明控制的继电器和电路自动断路器。这就大大超过了最大电路自动断路器和继电器的设计限制。装置在墙上的开关和照明控制元件(特别是固态装置)同样有损坏的危险。 大浪涌电流的两个附带的影响是电压降低和瞬时谐波失真。假设一座大型办公楼的一整层的电器设备同时开启,在上千安培电流中测量到的电流波的影响将可能是整个建筑电源供应瞬息电位差和严重的谐波失真。造成的不良结果可能包括计算机和办公设备的重新启动,甚至有可能造成探测器和火警传感器发出错误警报。

你可能认为对于镇流器制造商来说这是一个重要问题,但是他们中的大多数并不重视这个问题。几乎没有制造商在产品目录中公布详细的浪涌电流数据,并且很难从他们那里获取特殊镇流器的数据。

4、系统电阻

镇流器制造商们认为,100倍于工作电流的浪涌电流在实际中未必会发生,这些理论的根据在于假设提供的电源阻抗为零。实际上,公用的电源线、建筑物的电源变压器、配电盘和分支电路导线都会影响电源的阻抗,因此可以将浪涌电流限制为工作电流的10倍。一家主要的镇流器制造商曾公开声明:“由于系统阻抗的存在,总的系统浪涌电流可能不会达到理论上所涉及的最大值”。

遗憾的是,一个20A线路的最大浪涌电流可以是80~100A、5ms以上。无论如何,保证实际设计不超出每个系统元件的限定值范围是工程师们的专业职责。

5、电气设计应考虑的几个问题

由于国家电器法规没有特别提出浪涌电流的问题,因此不足以简单地假设根据国家电器法规要求安装的UL-listed电子镇流器和当地电气规定要求实际上会提供一个安全和可靠的系统。照明设计者和电气工程师必须为系统设计承担全部的责任。

以下三个问题需要考虑:

(1)为你设计中所选择的镇流器获取浪涌电流规范。有几种不同的方法测量浪涌电流,但目前用来解释应该如何规范浪涌电流的标准还没有制定。测量应该在提供的电源处于峰值输入电压时进行,还是随机进行?是取多次测量的平均数,还是以记录的最大值?如何确定浪涌电流的持续时间?什么是电源阻抗?

如果制造商不愿意提供浪涌电流规范,这可能是因为他们没有对全部生产线进行必要的检测,或是意识到这些规范将有可能随着产品的变更而更改。如果制造商重新设计镇流器的主动或被动滤波器电路,这些规范同样也会变更。

(2)在整个系统阻抗允许的范围内,为你设计中的每一个电路计算理论上的最大浪涌电流。

在多数情况下,这是一个不切实际的建议。即使你已经掌握了全部资料,要计算一座综合办公楼的电源系统阻抗也是一件困难的工作。你还必须接受不精确的数据甚至养成猜测的习惯。更有甚者,你可能不得不为建筑物电源系统在未来的扩建预留出设计空间。你当然不会假设在未来更换镇流器时会有同样的浪涌电流规范。

(3)选择可承受最大浪涌电流理论值的电源元件(电路自动断路器、机械或固态继电器、开关等)。这可能需要计算由浪涌电流脉冲所显示的总能量,在这项计算中你需要详细了解有关最大浪涌电流及其衰减特性的资料。特别有关系的是固态继电器、手动照明开关和占用传感器。这些装置的设计很少可以承受1000A的电流。所以,设计时应该仔细选择这类装置(最好的固态继电器包括零交叉整流电路,该电路可将浪涌电流限制在合理的水平。当然,这将取决于特别的镇流器设计和浪涌电流的持续时间)。

6 规范和规则

我们必须认识到,作为已经普遍设计并市场化了的电子镇流器与UL-listed元件并不兼容。国家电器法规有一个不成文的原则,那就是安全和可靠的电气系统应该由UL-listed的通用元件构成。而电子镇流器明显地违反了这一原则。

照明设计师和电气工程师们并不会根据某个制造商的特殊产品来设计照明、电气系统。特别是当有关浪涌电流规范的标准还没有制定时更是如此。

在应用中规定通用的产品是可行的。这个问题将涉及制定规章者和建筑管理者。当将来需要更换镇流器时,会发生什么情况呢?在档案中无限期地保存原始的工程设计数据的想法是不切实际的,也没有理由假设维修人员会同意仅仅为了替换几个镇流器而再作工程研究。

实际上,真正需要的是相关的规范和规则,以便能够清楚地限定如何测试浪涌电流,这些规范指定了最大的允许值,从而使任何电子镇流器都能够与其它UL-listed元件相匹配。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (1/17/2007)
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