高强度气体放电灯及其电子镇流器系统的建模与仿真

摘要

高强度气体放电（HID）灯以其光效高、寿命长、显色性好等优点而备受瞩目。目前高强度气体放电灯大多仍采用传统的电感式镇流器作为限流元件，但是电感镇流器远不符合绿色照明的要求，故以电子镇流器取代电感镇流器已经成为绿色照明工程中的一项紧迫任务。
　　电子镇流器系统的分析和设计主要有三种途径：试验样机型；分析型；计算机仿真。其中计算机系统仿真由于成本低，周期短，能实现一些实验不能或难以实现的功能，提高研究人员工作效率，成为电子镇流器设计中的一种重要方法。要进行系统仿真，首先要对电子镇流器系统准确地建模，而镇流器建模的关键是高强度气体放电灯的建模。要全面掌握高强度气体放电灯这一具有热惯性的非线性电阻元件，从而进行电子镇流器的优化设计和稳定性分析，必须建立合适的气体放电灯模型，并在此基础上研究出一套行之有效的镇流器仿真分析方法，无疑对电子镇流器的设计起到很好的指导作用，对绿色光源的推广使用有着重大现实意义。
　　本文首先阐述了绿色照明及电子镇流器的发展背景，并分析了电子镇流器系统的建模仿真对镇流器设计的意义，介绍了一些常用的建模方法。然后对系统仿真在电力电子电路设计中的应用进行了分析，阐述了电力电子电路系统仿真的背景意义和基本研究方法。接下来以Francis改良模型为参考，建立了高强度气体放电灯的数学模型，并利用该模型分析了半桥串并联负载谐振逆变器，证明了所建模型的准确性。此外，为了便于分析启动段的动态特性，利用分段线性回归法建立了放电灯的启动段模型。在高强度气体放电灯模型的基础上，重点研究了一种单级PFC（CIC-CPPFC）的拓扑结构。详细分析了CIC-CPPFC电子镇流器的工作原理、单位功率因数的条件和参数设计。对基于CIC-CPPFC的电子镇流器系统进行了分析，使用状态空间平均法建立了整个系统的数学模型，并在所建立的高强度气体放电灯模型的基础上，用SIMULINK对系统进行了仿真分析并利用仿真进行参数设计。最后，针对50W高压钠灯，建立了镇流器闭环控制系统的仿真模型，分析和验证了控制策略的正确和有效性。仿真实验结果证明所建立的高压气体放电灯模型和电子镇流器系统模型的正确性。

目录

高强度气体放电灯及其电子镇流器系统的建模与仿真

MODELING AND SIMULATION OF HIGH INTENSITY DISCHARGE LAMP AND THE ELECTRONIC BALLAST SYSTEM

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外现状及分析

1.3 照明电子学的发展

1.4 高强度气体放电灯电子镇流器

1.5 气体放电灯建模方法

1.6 课题主要研究的内容

第2章 电力电子电路与系统的动态建模与仿真

2.1 电力电子电路建模和系统仿真的必要性

2.2 电力电子电路建模和系统仿真的发展概况

2.3 常用的电路系统仿真方法

2.3.1 小信号分析

2.3.2 离散时域仿真方法

2.3.3 等效电路法

2.3.4 Laplace变换法

2.3.5 周期时间序列分析

2.4 本章小结

第3章 高强度气体放电灯动态模型的建立与仿真

3.1 高强度气体放电灯动态模型的建立

3.1.1 高强度气体放电灯动态模型建立的必要性

3.1.2 高强度气体放电灯等效数学模型的建立

3.2 半桥串并联负载谐振逆变器分析

3.3 高强度气体放电灯启动特性的建模

3.4 本章小结

第4章 单功率级电子镇流器的研究

4.1 单功率级电子镇流器

4.1.1 电荷泵结构

4.1.2 CIC-CPPFC电子镇流器的工作原理

4.2 CIC-CPPFC电子镇流器的状态空间平均模型

4.3 CIC-CPPFC电子镇流器的单位功率因数条件

4.4 CIC-CPPFC电子镇流器的参数设计 41

4.4.1 分析法设计电子镇流器参数

4.4.2 仿真法设计电子镇流器参数

4.5 CIC-CPPFC电子镇流器功率闭环控制系统分析

4.5.1 CIC-CPPFC电子镇流器功率闭环控制系统的设计

4.5.2 功率闭环控制系统模型的建立与仿真

4.5.3 功率闭环控制系统稳定性分析

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢