CN101044800A - 可调光照明系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种无功功率控制器(RPC)，用于调光使用镇流器，例如磁性镇流器的AC电源照明系统。在一个实施例中，使用DC/AC转换器来将来自DC电压源的DC电压转换成与流过RPC的电流异相的AC电压。例如，如果AC电压与电流异相90°或270°，那么对AC电源照明系统来说，RPC将有效地出现为电容器或电感器，由此增加电源对磁性镇流器的有效阻抗。RPC以电源频率产生可控AC电压，以便可调负载的净电压以便调光该负载。净电压是AC电源电压和由RPC产生的AC电压的矢量和。可以使用第二RPC来提高AC电源照明系统的功率因数。第二RPC生成或吸收整个系统的所需无功功率，以致AC电源照明系统的输入功率因数变得基本上单一。在有利的实施例中，连接第一和第二RPC以便共用公共DC电压源。

Description

可调光照明系统

技术领域

本发明涉及用于提供(1)高电力质量和(2)用于单个电灯或更一般地说，包括由多个单个灯形成的系统的电气照明系统的调光(dimming)控制的装置和方法。本发明尤其涉及简单通用和非侵入式调光系统，能更新现有灯以及在当不使用时，调光装置对灯的正常操作没有影响的意义上，其是非侵入的。该装置和调光方法将来自电力系统的高电力质量(具有相当于单一输入功率因数的性能)维持在任何调光功率电平。

背景技术

各种不同类型的灯和照明系统用在各种应用中。这些包括白炽灯、荧光灯、高压放电灯和低压放电灯。为审美和省电原因，在现有技术中，已经做出各种尝试来提供具有调光控制的灯，以便能调整灯的亮度。

由于HID灯的多方面的优点，诸如长寿命和高发光效能，对广泛用在公共照明系统中的高强度放电(HID)灯来说，调光功能尤其有用。与白炽灯不同，高强度放电灯通常要求长的预热时间以便达到满亮度。在切断后，在再次重启它们前，它们需要冷却周期。“再点火”特性是使调光成为简单地关闭灯的有吸引力的替代方案，因为调光不要求关灯，因此避免在再点火后的灯的相当长的预热时间。尽管现有技术中进行了各种尝试来开发用于各个灯的可调光电子镇流器，但传统的磁性镇流器仍然是用于高瓦数放电灯和大规模照明系统，诸如街灯系统的最可靠的、耐用、成本效能合算，和优势的选择。

调光还具有其他优点，诸如降低峰值功率需求，增加用于多用途空间的灵活性、灯流量状况的更安全驱动，以及避免光污染。本发明涉及调光技术，能调节由多个灯形成的照明系统。现有的不可调光照明体系结构能转换成具有实际节能的可调光的照明体系。不需要较大地改变照明电气网络。最重要的是，该技术将保持提供“环境清洁的”功率转换的原理，不将谐波污染引入功率系统中。

现有技术

用于现有照明系统的现有调光方法包括用于与三端双向可控硅开关(triac)调光器兼容的白炽灯和气体放电灯的基于三端双向可控硅开关的调光器、用于气体灯的可调光电子镇流器，以及用于调节由磁性镇流器驱动的灯的完全不同的技术的范围。将依次论述这些现有技术。

基于三端双向可控硅开关的调光器已经广泛用作用于爱迪生型白炽灯和一些三端双向可控硅开关可调荧光灯的调光设备[1]。电路连接在图1(a)中所示。三端双向可控硅开关调光器由三端双向可控硅开关和触发电路组成，该触发电路控制在电源电压的周期上，接通三端双向可控硅开关的相位角。如图1(b)所示，通过控制延迟角(α)，能控制输出均方根电压，以及由此灯的功率。ac电压的控制导致调整灯的亮度的能力。

然而，通过三端双向可控硅开关调光器的电源输入电流的波形由延迟角而定。当延迟角为非零时，输入电流将偏离电源电压的正弦波形状。当增大延迟角度时，减小三端双向可控硅开关的导电时间。因此，输入电流将由高谐波分量组成，由此生成将不期望的谐波生成到电力系统中。另外，由于输入功率因数是位移因素和失真因素的乘积[2]，但当延迟角大时，输入功率因数变小。这是因为位移因素等于延迟角的余弦(如果延迟角大，该位移因素将变小)，以及失真因素随电流谐波含量增加而减小。该低输入功率因数的最终效果是在ac电源和照明系统间存在无功功率流。该无功功率能在电力系统上产生严重缺陷。功率因数越小，变换器的额定值越大，以及输电的导体的大小必须更大。换句话说，发电和输电的成本将更大。那是供电公司总是施压消费者来增加功率因数的原因[3]。

近年来，存在将可调电子镇流器用作放电灯，诸如荧光灯和高强度放电(HID)灯的日益增长的趋势。可调电子镇流器通常具有在输入端具有4线连接配置。两个连接用于ac电源的“火线”和“零线”，另两个用于调光电平控制信号，其通常是在1V-10V内的dc信号。可调电子镇流器的一般结构如图2(a)所示。其由有功或无功功率因数校正电路、高频dc/ac转换器和谐振回路电路组成。功率因数校正电路和dc/ac转换器通过高压的dc链路互连。dc/ac转换器用来通过谐振回路电路驱动灯。通常以稍微高于谐振回路电路的谐振频率的频率开关。使用谐振回路来提供高压以便点亮灯和稳定灯电流。通过控制dc链路电压和/或dc/ac转换器的开关频率，实现调光功能。能使输入功率因数在任何功率电平保持高。如图2(b)所示，输入电流i_ac的波形是正弦波以及与ac电源同相。

在图2(c)中示例说明用于荧光灯的电子镇流器的典型电路，其中，通过整流器整流ac电源，通过升压dc/dc转换器，实现功率因数校正电路，通过半桥反相电路，实现dc/ac转换器，以及通过L_r和C_r，形成谐振回路电路。以稍微高于ac电源电压的峰值的电平，调节dc链路电压。如果通过增加S₁和S₂的开关频率，调节灯，那么增加L_r的电抗，以致降低输送到灯的功率。

用于荧光灯(低压放电灯)的电子镇流器已经被广泛使用以及已经表明它们的使用具有总的经济利益[4]。以高频(通常高于20kHz)操作电子镇流器能消除荧光灯的闪烁效果和实现比电源频率(50Hz或60Hz)操作的磁性镇流器更高的效率。因此，由电子镇流器驱动的荧光灯当与由磁性镇流器驱动的灯相比时，对相同的光输出，消耗更少能量。然而，电子镇流器的一个主要缺点是相对短的寿命(对高质量产品，通常小于3至5年)。磁性镇流器通常能操作10年以上，而不用替换，以及很少有具有这种长寿命的电子镇流器。同时，电感铁芯材料和绕组材料是可回收的，而电子镇流器具有更有毒和不可回收的材料。

在HID灯市场中，使用电子镇流器的情形是不同的。电子镇流器仅用在少数主流HID应用中。它们局限于小规模系统和消费者产品，诸如投影仪、电影照明和汽车头灯[5]。一个主要原因是HID灯当以高频操作时，会经受共鸣。共鸣是由于灯管中的功率压力变化，会触发各种形式的共振，如在木管乐器中。原理上，通过经低频(＜1kHz)或非常高的频率(＞350kHz-700kHz)操作灯来避免[5，6]。然而，灯特性随时间变化，由此当灯的老化影响变得至关重要时，不能保证灯的稳定性。与白炽灯不同，HID灯要求长的预热时间以便达到满亮度。在切断后，在再次重启它们前，它们需要冷却周期。“再点火”特性使调光成为简单地关闭灯的有吸引力的替代方案，以便避免花费相当长的时间等待灯预热。调光还具有其他优点，诸如节能、感官目的、增加多用途空间的灵活性、灯流量状况的更安全驱动[2]，以及降低室外照明系统中的光污染。因此，尽管日益努力开发电子镇流器，传统的磁性镇流器仍然是主要选择，尤其在室外应用中。与电子镇流器不同，磁性镇流器具有极其高的可靠性和长寿命，以及相对于瞬时电压浪涌(例如由于闪电)和不利工作环境(例如高湿度和大的温度变化)的强壮性。特别地，它们在HID灯中提供良好的灯弧稳定性能。过去，磁性镇流器的主要局限是它们在实现调光控制方面缺少灵活性。

除技术问题外，将调光设备用于由一大组灯或灯网络组成的照明系统中的每一单个灯也是不经济的。通过用可调设备代替所有可调控制设备，将不可调光照明系统转换成可调照明系统，配置是尤其关心的。如图3所示，布线和电子安装将很复杂，因为有必要重新设计用于电力线和控制信号的电子网络。在具有多区的系统中，这种情形甚至更复杂。因此，将单个可调电子镇流器安装在例如道路照明系统的所有灯柱中将包含高安装成本以及鉴于相对极端天气情形，电子镇流器的相对弱的抗扰性，对道路照明管理公司来说，也将是维护梦魇。

因此，如果能使磁性镇流器可调，它们的长寿命、高可靠性和节电的组合特征将使这种“可调磁性镇流器”成为用于室内和室外应用的有吸收力的解决方案。此外，具有能通过磁性镇流器调节多个灯的技术也是有用的。图4(a)表示具有磁性镇流器的不可调灯系统结构，其中，将镇流器的输入通过开关设备直接连接到交流电源。使用开关设备来接通灯以及受各种装置控制，例如手动控制、自动定时器控制以及光传感器。已经报告过用于具有磁性镇流器的迄今的几种调光方法。最终目的是控制灯电流，由此控制灯功率，以便能改变灯的亮度。策略主要作用在镇流器的输出端或灯侧。如图4(b)所述，能将它们分成几种方法。

方法I-控制到灯的电源电压或电流

降低提供给镇流器的电压是调光的直接方法。如图4(b)所示，当降低电源电压V_L时，电源电流i_L、灯电流i_Lamp，以及由此灯功率将减小。通过各种电压变换装置，诸如低频变压器或高频开关转换器，能实现该方法。

修改镇流器输入上的电压条件的最常见方法的一个是提供装置，由此可以改变系统中的电源变压器的电压比。当电压率由匝比(turns-ratio)而定时，断定如果能改变匝比，那么将电压比将改变相同量[5]。已经采用各种方法，用于实现变压比的该所需变化，最简单的一种方法包括在变压器的一侧上使用多抽头绕组(tappedwinding)，以便能改变有效匝比。另一种方法是使用能连续地改变匝比的变压器。在[7]中，使用双绕组自耦变压器来提供用于实现双电平调光系统的两个电压电平。在[8]中，提出了使用更复杂变压器的多电平调光系统。所有这些方法包含使用机械装置，诸如用于改变匝比的接触器和用于连续地调整匝比的电动机。

另一方法是使用高频开关转换器。通过ac-dc转换器，将ac电源电压转换成dc电压，以及通过dc-ac转换器，将dc电压转换成ac电压[2]。因此，整个系统能以V_L，灵活地提供高质量可变电压和可变频率输出。然而，当处理来自ac电源的输入能两次时，整个效率低。例如，如果ac-dc和dc-ac转换器的效率为0.95，整个效率为0.95*0.95＝0.90。

除使用ac-dc-ac转换方法外，能使用ac-ac转换器，诸如循环换流器来以电源频率提供可调电压。在[9]中，使用功率转换器来将ac正弦电压切成具有正弦包络的电压脉冲。在[10，11]中使用类似的方法。然而，在该过程中，将生成大量电流谐波，导致电力系统中的谐波污染问题。对激励电压灵敏的灯，诸如HID灯是不适当的。会导致不期望的共鸣和闪烁效果。

另一方法[12，13]是使用外部电流控制功率电路来以电源(mains)频率控制输入电流的大小。代替变换该电压大小，该方法调整从ac电源取出的输入电流。当从ac电源取出的有效功率与ac电源电压和电流的乘积成比例时，由此能控制输送到灯的整个功率。

方法II-镇流器-灯阻抗通路的控制

代替直接变换交流电源电压，图4(c)示例说明将该装置与灯系统串联连接的另一调光方法。所连的装置是理论上不耗散任何有效功率的可变电阻。当灯系统的整个阻抗可调整时，V_L和输入电流的大小变得可调整。

如[14]中所述，由两个串联电感器组成的两级电感器用于镇流器中的扼流圈(choke)。通过能旁通两个电感器的一个的开关，能以离散方式修改整个电感。

在[15]中，在能在有限范围内连续地调整灯的镇流器中，使用饱和电抗器。通过将额外绕组添加到电抗器，以及将直流电流注入该额外绕组，能饱和该电抗器铁芯，以致能改变镇流器中的电感器的阻抗。最终效果是调整流向灯的电流。[16]中的变量将具有电流的可变电抗应用于由多抽头自耦变压器提供的控制绕组，以便能实现等效串行阻抗的不同组合。

代替使用有源元件，另一方法[17，18]基于与灯通路串联连接的电压源。在[17]中，dc/ac转换器与灯系统串联连接。转换器的dc端与另一ac/dc转换器连接，其由ac电源供电。两个转换器必须处理有功功率和无功功率。换句话说，在两个转换器间存在循环能。在[18]中使用类似的想法，实施是基于使用变压器耦合。不必说，该循环能将能量损失引入该系统中。除降低效率外，也必须处理热问题。

方法III-控制灯终端阻抗

如图4(d)所示，第三方法是使用能转移来自镇流器的电流的装置。整体效果是降低灯电流i_Lamp。在[19]中，在灯两端连接可开关电容器。如果要求调光，接通电容器，以致来自镇流器的那部分电流将远离灯转移到电容器中。用这种方式，能以离散方式控制灯电流，由此控制灯功率。

与上述方法相比，方法I和II适合于调整多个灯，特别是现有安装。方法III要求改进或安装每一单个灯上的调光装置。尽管所有上述方法能通过磁性镇流器调整灯，但它们具有各自的限制

1)要求昂贵和成组机械结构[7，8]，

2)将不期望的谐波污染引入功率系统[9]-[13]，

3)不适合调整多个灯[14，15，19]，

4)控制负载的总有功和无功功率[7-13]，

5)仅提供离散调光[7，8]，[14]-[16]，[19]，

6)实践上难以中央或自动控制[7，8，14，15，17]

7)当调整灯时，降低整个照明系统的输入功率因数[14，15，16]，以及

8)控制耗散循环能[17，18]。

发明内容

根据本发明，提供一种用于提供用于电子灯或一般电子照明系统，包括由多个单个灯形成的系统的改进功率质量和调光控制的装置。该装置通过控制照明系统可变的电压，而不是控制系统的有功功率，实现调光功能和实际节能。事实上，仅控制整个系统的无功功率。调光器的额定功率将远小于照明系统的整个额定功率。优选实施例的结构如图5(a)所示。安装该装置与图4(c)的方法II类似，该装置与照明系统串联连接。代替电抗，该装置是无功功率控制器(RPC)，将辅助电压插入ac电源电压V_ac和镇流器输入V_L间。图5(a)表示RPC、RPC_1的连接，连接在ac电源和照明系统间。辅助电压保持在90或270度，与流过所述装置的电流i_L异相，并且其中，辅助电压的大小用于改变施加到该灯的电压。

在一个优选实施例中，装置中的RPC是dc-ac转换器，由图6(a)中的半桥转换器电路或图6(b)中的全桥转换器电路构成。任一结构的dc端连接到dc源。该dc源可以是外部受控dc电压源或电容器。桥式电路的ac端通过电感器L，与图5(a)中的节点“A”和“B”相连。

通过控制由图5(a)中的无功功率控制器RPC_1生成或吸收的无功功率量，改变提供给灯的电压的大小，由此改变电流的大小。然而，通过使用RPC_1来调整输送到灯的无功功率，将降低图5(a)中的整个系统的输入功率因数。如图5(b)所示，由此在ac电源两端连接第二无功功率控制器RPC_2。其功能充当功率因数改进电路。RPC_2吸收来自具有图5(a)中的RPC_1的整个照明系统的无功功率或向其生成无功功率，以便能提高系统的整体功率因数。理想地，从整个吸收或生成的整体无功功率为0，以便使整个系统的输入功率因数保持单一。因为两个无功功率控制器RPC_1和RPC_2主要仅控制无功功率，理论上，在电路操作中不包含有功功率(除实际上，在功率电子设备中，将存在一些传导和开关损耗，以及在电感器中存在铜和磁芯损耗外)。因此，基于无功功率控制所提出的调光方法具有实现高能量效率的能力。重要的是注意所提出的RPC结构以不同于传统的两级ac-dc连接器和dc-ac转换器结构[17]的方式操作。尽管前一结构仅控制无功功率，后一结构控制实际以及无功功率。在两个转换器间没有循环能。能使dc链路电容器(即用作电压源的两个电容器(图6a)或单一电容器(图6b)的值)比在[17]中所需的更小，因为由两个转换器控制的能量小于[17]中的。因此，所提出的结构具有比传统的二级ac-dc-ac功率转换器系统更小的伏特-安培额定值，以及更高的能量效率。

换句话说，与现有技术设备，诸如在[17]和[18]中所述相比，本发明的优点是在本发明中，RPC产生基本上与流过RPC的电流异相90°或270°的电压。由此，RPC对灯镇流器或AC电源来说，似乎基本上“纯”电感或基本上“纯”电容。由于“纯”，意指与其电抗阻抗相比，RPC的有效电阻可忽略，以致能将RPC看作纯电容器或纯电感器，而没有显著的串联电阻。本领域的技术人员将意识到电容器和电感器不耗散能量(除用于辅助效应，诸如电容器中的介电损耗或电感器中的滞后损耗外)。

相反，现有技术设备，诸如[17]和[18]中所述，具有复阻抗，包括无功阻抗和有效实阻抗。如本领域的技术人员将意识到，实阻抗等于电阻器。由此将在电阻实阻抗上耗散有效电子功率。

当两个RPC均是dc/ac功率转换器时，通过将RPC_1和RPC_2的dc端连接在一起，在优选实施例中，能简化电路复杂度和控制方法。然而，对两个RPC来说，可能看起来是一些接地问题。两个RPC可以不直接一起以及可以要求隔离变压器以便将RPC与串联或并行支路隔离。在本专利中，将论述半桥分路变换器电路结构。不使用隔离变压器，在该建议中，通过相同dc链路(图11)，开发了串联和并联RPC。

附图说明

图1(a)-(b)示例说明现有技术的基于三端双向可控硅开关调光器的操作，

图2(a)-(c)表示用于放电灯的电子镇流器的一般结构，

图3示例说明将可调电子镇流器用于单个灯的照明系统的体系结构，

图4(a)-(d)描述用于具有磁性镇流器的灯的各种现有技术调光方法，

图5(a)-(b)表示调光装置的各种结构，

图6(a)-(c)示例说明无功功率控制器的示意图，

图7(a)-(b)表示当照明系统是电感性时，系统的相图和功率三角形，

图8(a)-(b)表示当照明系统是电容性时，系统的相图和功率三角形，

图9示例说明用于提高输入功率因数的RPC的结构，

图10(a)-(g)表示具有高功率因数的调光控制装置的可能实现，

图11表示RPC_1和RPC_2共享相同dc电源的优选实施例，

图12(a)-(d)表示以V_inv和V_{p_inv}的不同组合，整个系统的等效电路，以及

图13表示使用AC/AC转换器的实施例。

具体实施方式

A.RPC的等效电路

在图6(c)中示例说明表示RPC的操作的等效电路，其中，由具有与ac电源相同频率的正弦电压源V_inv，模拟半桥[(图6(a)，或全桥[图6(b)])转换器。将转换器的dc端连接到外部受控dc电压源或电容器。节点“A”和“B”通过电感器L连接到假想ac源Va。Va的基频与行频相同。以远高于ac电源的频率的频率，开关两个桥接电路中的开关，[图6(a中的S₁和S₂]以及[图6(b)中的S₁至S₄]。通过ac电源的频率，调制驱动开关的门信号。能使用用于驱动开关的许多脉宽调制(PWM)方案。例子包括正弦PWM、具有可选谐波消除的PWM方案、均匀采样PWM等等[2]。在图6中的“C”和“D”两端的转换器输出的频谱主要由行频、开关频率以及两个频率的内部和交叉调制。当电感器L用来过滤出出现在节点“A”和“B”上的不期望高频分量时，通过仅考虑行频，能表示V_a和RPC间的有功和无功能量流。因此，使用图6(c)中的V_inv来模拟转换器是适合的。

B.RPC的操作原理

图6(c)中所示的行频模型用来说明RPC的操作原理。能将流过RPC的功率P和无功功率Q表示为[3]

$P=\frac{V_a{V}_{\mathrm{inv}}}{2\mathrm{\πfL}}\sin \mathrm{\δ}---\left(1\right)$

$Q=\frac{v_a\left(v_a{v}_{\mathrm{inv}}\cos \mathrm{\δ}\right)}{2\mathrm{\πfL}}---\left(2\right)$

其中，f是电源频率，以及δ是V_a和V_inv间的相位差。

基于方程式(1)，RPC具有三个可能的操作模式：

模式I-如果δ＞0，P＞0，反相器吸收能量，以及电容器电压V_c增加。

模式II-如果δ＜0，P＜0，反相器释放能量，以及V_c减小。

模式III-如果δ＝0，P＝0以及Vc保持不变。通过V_inv和V_a的大小，确定Q。如果V_a＞V_inv，Q＞0。RPC充当无功功率吸收器。相反，如果V_a＜V_inv，Q＜0。RPC充当无功功率发生器。

理想地，RPC在模式III中操作以及充当无功功率吸收器或无功功率发生器。实际上，δ稍微大于零，因为使用吸收能来补偿RPC中的实际能量损耗。如图6(b)中所示，V_inv的值确定Q，V_a，以及由此输送到灯的功率的值。由RPC中的直流源而定，能应用不同控制方法。

1.外部受控电压源

如果dc源是外部受控dc电压源，通过调整桥接电路的调制指数M和/或dc源电压V_dc的大小，能控制Q的量。当通过电感器衰减高频脉动时，将仅考虑基本分量(即行频)。如[2]中所示，

$v_{\mathrm{inv}}\frac{1}{\sqrt{2}}M{v}_{\mathrm{dc}}---\left(3\right)$

其中，V_inv是rms值。

由此，能使用M和V_dc来改变V_inv。

2.直流电容器

如果dc端是电容器，V_inv的控制基于改变M和/或δ。改变M的值与方程式(3)类似，

$v_{\mathrm{inv}}=\frac{1}{\sqrt{2}}M{v}_c---\left(4\right)$

改变电容器电压V_c，由此改变V_inv的另一方法是通过调整δ，使RPC_1进入模式I或模式II。在此之后，RPC_1反转回模式III。最终功能是以所需电平调整V_c，以便在RPC中将没有功率的净流。通过使用使V_inv与V_a同步的锁相环和调整δ和/或M值的误差放大器，能实现该功能。

C.灯的调光

通过控制灯系统两端的电压，实现灯的调光。图7(a)-7(b)表示当灯系统是电感性时的系统的相图和功率图。图8(a)-(b)表示当灯系统是电容性时的系统的各个图。

1.电感灯系统

图7描述以两个功率电平的调光操作。当灯系统的输入功率为P₁时，灯系统的电源电压为V_{L_1}以及电源电流为i_{L_1}。i_{L_1}滞后V_{L_1}相位差Φ₁。当RPC与灯系统串联连接时，流过它的电流也等于i_{L_1}。如图5(a)所示，RPC的所需电压矢量V_{a_1}垂直于i_{L_1}，以致RPC将不从ac电源获得任何实功率。i_{L_1}滞后V_{a_1}。这意味着RPC吸收无功功率。如图7(b)所示，无功功率由两个分量组成，包括由灯系统Q₁吸收的无功功率，以及由RPC Q_a-1吸收的无功功率。

如果将灯系统调整到功率电平P₂，电源电压变为V_{L_2}以及电源电流为i_{L_2}。i_{L_2}滞后V_{L_2}相位差Φ₂。V_{L_2}的大小小于V_{L_1}。RPC电压的矢量应当垂直于i_{L_2}以及其大小应当高于V_a-1。因此，为实现调光功能，必须增加dc端电压的大小。通常，由灯系统吸收的无功功率减小(即Q₂＜Q₁)。由RPC吸收的无功功率从Q_a-1改变到Q_a-2。

2.电容灯系统

图8描述以两个功率电平的调光操作。当灯系统的输入功率为P₁时，灯系统的电源电压为V_{L_1}以及电源电流为i_{L_1}。i_{L_1}超前V_{L_1}相位差Φ₁。如图8(a)所示，RPC的所需电压矢量V_{a_1}仍然垂直于i_{L_1}。i_{L_1}超前V_{a_1}。这意指RPC生成无功功率。如图8(b)所示，无功功率由两个分量组成，包括由灯系统Q₁生成的无功功率，以及由RPC Q_a-1生成的无功功率。

如果将灯系统调整到功率电平P₂，电源电压变为V_{L_2}以及电源电流为i_{L_2}。i_{L_2}超前V_{L_2}相位差Φ₂。V_{L_2}的大小小于V_{L_1}。RPC电压的矢量应当垂直于i_{L_2}以及其大小应当高于V_a-1。因此，为实现调光功能，必须增加dc端电压的大小。通常，由灯系统产生的无功功率减小(即Q₂＜Q₁)。由RPC吸收的无功功率从Q_a-1改变到Q_a-2。

D.高功率因数结构

如图7和图8所述，除由灯系统吸收或生成的无功功率外，RPC将吸收或生成来自ac电源的另外的无功功率。该操作将引起整个照明系统的输入功率因数的降低。当灯功率从P₁调整到P₂时，功率因数从cosθ₁减小到cosθ₂。尽管在ac电源输入两端连接电容器能提高功率因数，所需电容器值是与灯功率相关的。通过在ac电源两端连接另一控制器RPC_2，如图5(b)所示，在任何灯功率上，使功率因数保持单一。

对电感灯系统，需要由RPC_2生成的所需电感功率Q_P[图7(b)]在任何功率电平等于由灯系统和RPC_1吸收的无功功率的和。如果灯系统的输入功率为P₁，

Q_{P_1}＝Q_{a_1}+Q₁                     (5)

如果灯系统的输入功率为P₂，

Q_{P_2}＝Q_{a_2}+Q₂                     (6)

图7(b)示例说明Q_P-1和Q_P-2的矢量。因此，Q_P是与负载相关的。

对电容性灯系统，需要由RPC_2吸收的所需电感功率Q_P[图8(b)]在任何功率电平等于由灯系统和RPC_1生成的无功功率的和。方程式(5)和(6)仍然有效。图8(b)示例说明Q_P-1和Q_P-2的矢量。同样地，Q_P是与负载相关的。

在电感性和电容性灯系统中，Q_P由方程式(2)而定。如图9所示，桥转换器电压V_{P_inv}确定Q_P的值。方程式(1)和(2)表示ac电源和RPC_2间的功率和无功流。即，

$P_P=\frac{v_{\mathrm{ac}}{v}_{P\_\mathrm{inv}}}{2\mathrm{\πf}{L}_P}\sin {\mathrm{\δ}}_P---\left(7\right)$

$Q_P=\frac{v_{\mathrm{ac}}(v_{\mathrm{ac}}-v_{P\_\mathrm{inv}}\cos {\mathrm{\δ}}_P)}{2\mathrm{\πf}{L}_P}---\left(8\right)$

其中，δ_P是V_ac和V_{P_inv}间的相位差。

同样地，RPC_2具有三个可能的操作模式：

模式I-如果δ_P＞0，P_P＞0，反相器吸收能量，以及电容器电压V_{P_C}增加。

模式II-如果δ_P＜0，P_P＜0，反相器释放能量，以及V_{P_C}减小。

模式III-如果δ_P＝0，P_P＝0，以及V_{P_C}保持不变。

由V_{P_inv}和V_ac的大小，确定Q_P。如果V_ac＞V_{P_inv}，Q_P＞0。RPC_2充当无功功率吸收器。相反地，如果V_ac＜V_{P_inv}，Q_P＜0。RPC_2充当无功功率生成器。

Q_P的控制基于监测ac电源电压和整个输入电流间的相移。与RPC_1类似，电压V_{P_inv}确定Q_P，以及通过调整RPC_2和/或δ_P的调制率来控制。例如，如果灯系统是电感性的，RPC_1将操作为无功功率吸收器，以及RPC_2将操作为无功功率发生器。如果输入电流滞后电源电压，控制电路将增加RPC_2的dc链路电压(即该电容器或用作DC电压源的电容器的电压)，以便RPC_2将生成更多无功功率，由此将减小电源电压和输入电流间的相位差。如果输入电流超前电源电压，控制电路将减小RPC_2的dc链路电压，以致RPC_2将生成更少无功功率，由此将降低电源电压和输入电流间的相位差。如图7和图8所示，分别用于功率电平P₁和P₂的整个输入电流i_L-1’和i_L-2’将与ac电源同相，由此功率因数是单一的。

E.RPC_1和RPC_2共用相同dc源

图10表示通过高功率因数的调光控制装置的可能实现。图10(a)表示能将两个半桥转换器用于RPC_1和RPC_2的一种可能性。在该方法中，要求四个dc电容器和四个半导体开关。图10(b)表示能将两个全桥转换器用于RPC_1和RPC_2的另一可能方法。在这种情况下，要求两个电容器和八个开关。其他可能性是将半桥接和全桥转换器用于RPC_1和RPC_2的组合。图10(c)表示RPC_1使用半桥转换器以及RPC_2使用全桥转换器的可能性。图10(d)表示RPC_1使用全桥转换器以及RPC_2使用半桥转换器的可能性。

如果组合RPC_1和RPC_2的dc链路源，能减少电容器的数量。然而，如果直接连接图8中所示的两个控制器，可以形成火线和零线间的短路通路。为避免短路问题，能使用变压器隔离RPC_1和RPC_2。图10(e)-(g)表示使用变压器来隔离RPC_1和/或RPC_2的不同组合。这将引入变压器上的另外的功率损耗。

图11表示共用相同dc源的RPC_1和RPC_2以及不需要变压器的实施例。如图11中所包围，RPC_1由S₁、S₂和两个电容器形成，而RPC_2由S₃、S₄和两个电容器形成。通过研究调光装置中的RPC_1和RPC_2的整体操作，能说明其操作。图12(a)-(d)表示以V_inv和V_{P_inv}的不同组合的整个系统的等效电路。由于V_inv和V_{P_inv}能为正或负，得出四种可能的结合。S₁、S₂，L和两个电容器形成RPC_1，而S₃，S₄，L_P和两个电容器形成RPC_2。当接通S₁和S₃时，形成图12(a)中所示的电路。当接通S₂和S₃时，形成图12(b)中所示的电路。当接通S₁和S₄时，形成图12(c)中所示的电路。最后，当接通S₂和S₄时，形成图12(d)中所示的电路。

另一方面，如上所述，通过控制由S₁和S₂形成的转换器的调制指数，以及V_inv和V_a间的相移，能改变VL。另一方面，通过控制V_ac和V_{P_inv}间的相移以及RPC_2的调制指数，能提高功率因数。两个转换器不处理整个系统中的任何有功功率。

调整V_ac和V_{P_inv}间的相移以及由开关S₃和S₄形成的反相器的调制指数，能控制由RPC_2生成或吸收的无功功率量。当dc源共用于RPC_1和RPC_2时，通过改变由开关S₁和S₂形成的反相器的调制指数，能执行灯的调光。

在另外的实施例中，可以使用AC电压源(代替DC电压源)和AC/AC电压转换器(代替DC/AC电压转换器)来产生RPC_1和RPC_2两端的辅助AC电压，如图13所示。

AC电源的频率通常改变。例如，额定50HzAC电源可以在49Hz和51Hz间改变。因此，在许多实施例中，期望包括锁频装置，诸如锁频环或锁相环(PLL)。

理想地，流过RPC_1和/或RPC_2的电压和电流将正好异相90°，以便RPC_1和/或RPC_2充当理想电感器或理想电容器。事实上，在RPC_1和/或RPC_2中仍然有一些损耗。一些损耗将来自开关损耗，例如来自半桥或全桥电路。同时，对磁性镇流器和AC电源，控制电路将要求电功率起作用，以及该电子功率将出现，作为小的实电阻。由此，尽管优选对于纯阻抗，电压和电流正好异相90°，当电压和电流在90°时异相1°，5°或10°时，本发明可以实施。

可以使用上述全桥接或半桥接技术，以及其他类型的功率转换器来生成辅助电压。期望在大多数实施例中，功率半导体设备将用作开关，例如假定半桥或全桥。适当的功率半导体设备的例子是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，尽管本领域的技术人员将理解到，可以使用其他类型的设备。

本发明可以应用于电子灯镇流器以及磁性灯镇流器。本领域的技术人员将意识到一些电子镇流器包括功率调整，例如允许由在110V至240V的范围中的AC电源操作灯。本发明当结合包括功率调整电子镇流器使用，本发明可能不太有效，因为，如果RPC增加AC电源的有效阻抗，那么电子镇流器将降低它们的等效阻抗到一定程度来抵消RPC的阻抗增加。

本发明可以与气体放电灯，诸如高压钠灯、低压钠灯、荧光灯和高强度放电灯，诸如金属卤化物灯一起使用。

本发明尤其涉及简单通用目的和非侵入调光系统，能被更新成现有的灯以及在当不使用该调光系统时，对灯的正常操作没有影响的意义上为非侵入的。如图9所示，旁路开关可以连接在RPC_1两端以及如果RPC_1操作时，为断开。如果RPC_1未使用，旁路开关将闭合，以及无中断地由交流电源供电照明系统。

                      所引用的参考文献

[1]J.Janczak，et al，“Triac Dimmable Integrated CompactFluorescent Lamp，“Journal of the Illuminating Engineering Society，pp.144-151，Winter 1998.

[2]N.Mohan，T.Undeland，and W.Robbins，Power Electronics-Converters，Applications，and Design，John Wiley and Sons，Inc.，2003.

[3]B.M.Weedy，Electric Power Systems，John Wiley and Sons，Inc.，1988.

[4]Global Electronic Ballast Markets Technologies，Applications，Trends and Competitive Environment，Darnell Group Inc.，December2000.

[5]R.Simpson，Lighting Control-Technology and Applications，Focal Press，2003.

[6]W.Yan，Y.Ho，and S.Hui，“Stability study and controlmethods for small wattage high-intensity-discharge(HID)lamps，”IEEE Transactions on Industrial Applications，vol.37，no.5，pp.1522-1530，Sept.2001.

[7]E.Daniel，“Dimming system and method for magneticallyballasted gaseous discharge lamps，”US patent 6,271,635，Aug.7，2001.

[8]E.Persson and D.Kuusito，“A performance comparison ofelectronic vs.magnetic ballast for power gas-discharge UV lamps，”RadTech’98，Chicago，1998，pp.1-9.

[9]J.S.Spira，et al，“Gas discharge lamp control，”US patent4,350,935，Sept.21，1982.

[10]L.Lindauer，et al，“Power regulator，”US patent 5,714,847，Feb.3，1998.

[11]J.Hesler，et al，“Power regulator employing a sinusoidalreference，”US parent 6,407,515，Jun.18，2002.

[12]B.Szabados，“Apparatus for dimming a fluorescent lamp witha magnetic ballast，”US patent 6,121,734，Sept.19，2000.

[13]B.Szabados，“Apparatus for dimming a fluorescent lamp witha magnetic ballast，”US patent 6,538,395，Mar.25，2003.

[14]L.Abbott，et al，“Magnetic ballast for fluorescent lamps，”USpatent 5,389,857，Feb.14，1995.

[15]D.Brook，“Wide range load current regulation in saturablereactor ballast，”US patent 5,432,406，Jul.11，1995.

[16]R.Scoggins，et al，“Power regulation of electrical loads toprovide reduction in power consumption，”US patent 6,486,641，Nov.26，2002.

[17]E.Olcina，“Static energy regulator for lighting networks withcontrol of the quantity of the intensity and/or voltage，harmonic contentand reactive energy supplied to the load，”US patent 5,450,311，Sept.1995.

[18]Scoggin，et al，“Power regulation of electrical loads to providereduction in power consumption，”US patent 6,486,641，Nov.2002.

[19]R.Lesea，et al，“Method and system for switchable light levelsin operating gas discharge lamps with an inexpensive single ballast，”USpatent 5,949,196，Jul.11，1999.

Claims (37)

1.一种无功功率控制器，用于调光AC电源照明系统，该无功功率控制器包括：

第一和第二端子，用于连接到AC电源照明系统；

电压形成装置，用于以第一和第二端子间的电源频率，形成AC电压；

信号接收装置，用于接收调光电平控制信号；以及

控制装置，用于基于调光电平控制信号，控制由电压形成装置形成的电压。

2.如权利要求1所述的无功功率控制器，其中，控制装置用来使电压形成装置形成与从第一端子流向第二端子的电流异相的AC电压。

3.如权利要求2所述的无功功率控制器，其中，控制装置用来使电压形成装置形成与从第一端子流向第二端子的电流异相基本上90°或基本上270°的AC电压。

4.如权利要求3所述的无功功率控制器，其中，控制装置用来使电压形成装置形成在与从第一端子流向第二端子的电流异相80°至100°范围中或在260°至280°范围中的AC电压。

5.如权利要求4所述的无功功率控制器，其中，相位在85°至95°的范围中，或在265°至275°的范围中。

6.如权利要求4所述的无功功率控制器，其中，相位在89°至91°的范围中，或在269°至271°的范围中。

7.如权利要求2或3所述的无功功率控制器，其中，控制装置包括锁频装置。

8.如权利要求2至7的任何一个所述的无功功率控制器，其中，控制装置包括锁相环(PLL)。

9.如权利要求1至8的任何一个所述的无功功率控制器，包括用于从DC电压源接收DC电压的装置，其中，电压形成装置用来将DC电压转换成AC电压。

10.如权利要求1至8的任何一个所述的无功功率控制器，包括DC电压源，其中，电压形成装置用于将来自DC电压源的DC电压转换成AC电压。

11.如权利要求10所述的无功功率控制器，其中，控制装置用来基于调光电平控制信号，控制DC电压源的电压，由此控制由电压形成装置形成的电压。

12.如权利要求10所述的无功功率控制器，其中，DC电压源包括电容器装置。

13.如权利要求10所述的无功功率控制器，其中，DC电压源包括两个串联连接的电容器装置。

14.如权利要求12或权利要求13所述的无功功率控制器，当从属于权利要求2时，

其中，控制装置用来基于调光电平控制信号，相对于从第一端子流向第二端子的电流，控制AC电压的相位，由此存储或释放电容器装置中的能量，由此改变电容器装置的电压，并由此控制由电压形成装置形成的电压。

15.如权利要求9至14的任何一个所述的无功功率控制器，其中，电压形成装置包括开关装置，以通过将DC电压源交替地连接到具有正极性然后反极性的第一和第二端子时，将DC电压转换成AC电压。

16.如权利要求15所述的无功功率控制器，其中，开关装置包括半桥转换器。

17.如权利要求15所述的无功功率控制器，其中，开关装置包括全桥转换器。

18.如权利要求15至17的任何一个所述的无功功率控制器，其中，开关装置包括功率半导体开关设备。

19.如权利要求18所述的无功功率控制器，其中，开关装置包括绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。

20.如权利要求15至19的任何一个所述的无功功率控制器，其中，电压形成装置包括电感器装置，用于衰减由开关装置形成的高频电流脉动。

21.如权利要求15至20的任何一个所述的无功功率控制器，其中，控制装置用来基于调光电平控制信号，控制开关装置的调制指数，由此控制由电压形成装置形成的电压。

22.如在前任何一个权利要求所述的无功功率控制器，其中，信号接收装置用来接收DC电压，作为调光电平控制信号。

23.一种串并联无功功率控制器，用于调光AC电源照明系统，该串并联无功功率控制器包括：

根据权利要求1至22的任何一个所述的第一无功功率控制器，用于串联连接到AC电源照明系统，以便无功地控制提供给AC电源照明系统的功率；

根据权利要求1至22的任何一个所述的第二无功功率控制器，用于并联连接在第一无功功率控制器和AC电源照明系统两端，以便提高第一无功功率控制器和AC电源照明系统的功率因数，

其中，电连接第一和第二无功功率控制器以便共用公共DC电压源。

24.如权利要求23所述的串并联无功功率控制器，其中，直接连接第一和第二无功功率控制器以便共用公共DC电压源。

25.如权利要求23所述的串并联无功功率控制器，包括变压器装置，连接第一和第二无功功率控制器以便共用公共DC电压源。

26.一种可调AC电源照明系统，包括：

用于接收输入AC电源的装置；

一个或多个灯镇流器，以及

根据权利要求1至22的任何一个所述的第一无功功率控制器，其中，经输入电源和一个或多个磁性灯镇流器间的其第一和第二端子，串联连接第一无功功率控制器。

27.如权利要求26所述的可调AC电源照明系统，其中，一个或多个灯镇流器包括一个或多个磁性灯镇流器。

28.如权利要求26所述的可调AC电源照明系统，其中，一个或多个灯镇流器包括一个或多个电子灯镇流器。

29.如权利要求26至28的任何一个所述的可调AC电源照明系统，包括如权利要求1至22的任何一个所述的第二无功功率控制器，其中，经在输入电源两端的其第一和第二端子，并联连接第二无功功率控制器。

30.如权利要求29所述的可调AC电源照明系统，其中，电连接第一无功功率控制器和第二无功功率控制器，以便共用公共DC电压源。

31.如权利要求26至30的任何一个所述的可调AC电源照明系统，其中，用于接收输入AC电源的装置包括开关设备。

32.如权利要求26至31的任何一个所述的可调AC电源照明系统，包括分别连接到一个或多个灯镇流器的一个或多个灯。

33.如权利要求32所述的可调电源照明系统，其中，一个或多个灯包括气体放电灯。

34.如权利要求26至33的任何一个所述的可调电源照明系统，包括在第一无功功率控制器两端的旁路开关装置。

35.一种如前所述和/或参考图5至12的任何一个的无功功率控制器。

36.一种如前所述和/或参考图5至12的任何一个的可调AC电源照明系统。

37.公开了一种无功功率控制器(RPC)，用于调光使用镇流器，例如磁性镇流器的AC电源照明系统。在一个实施例中，使用DC/AC转换器来将来自DC电压源的DC电压转换成与流过RPC的电流异相的AC电压。例如，如果AC电压与该电流异相90°或270°，那么对AC电源照明系统来说，RPC将有效地出现为电容器或电感器，由此增加电源对磁性镇流器的有效阻抗。RPC以电源频率产生可控AC电压，以便可调负载的净电压以便调光该负载。净电压是AC电源电压和由RPC产生的AC电压的矢量和。可以使用第二RPC来提高AC电源照明系统的功率因数。第二RPC生成或吸收整个系统的所需无功功率，以致AC电源照明系统的输入功率因数变得基本上单一。在有利的实施例中，连接第一和第二RPC以便共用公共DC电压源。

Images