數(shù)字式5 kW紫外燈電子鎮(zhèn)流器的研究與設(shè)計

摘要：傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器存在體積大、效率低等缺點(diǎn)。為逐步替代傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器，介紹了一種基于DSP控制的5 kW紫外燈電子鎮(zhèn)流器，采用了精簡的三級式電子鎮(zhèn)流器拓?fù)?，同時依據(jù)紫外燈的伏安特性設(shè)計了分階段PI控制的策略。然后以DSP為核心制作并調(diào)試了控制系統(tǒng)硬件。最后依此研制了5 kW紫外燈電子鎮(zhèn)流器的樣機(jī)，測試結(jié)果證明了該電子鎮(zhèn)流器滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。
關(guān)鍵詞：電子鎮(zhèn)流器；紫外燈；分段控制

1 引言
紫外線固化是輻射固化的一類，是一種光化學(xué)過程，它利用紫外線燈進(jìn)行照射，將工業(yè)中廣泛使用的油墨、油漆、黏合劑等加以瞬間固化。與傳統(tǒng)的熱固化技術(shù)相比，紫外光固化提高了生產(chǎn)速度，減少了廢品率，增強(qiáng)了耐擦傷性和耐溶劑性，具有更好的附著力。大多數(shù)企業(yè)選用變壓器鎮(zhèn)流器作為紫外線固化系統(tǒng)，該鎮(zhèn)流器工作在工頻50 Hz，體積笨重，發(fā)熱量大，且調(diào)節(jié)功率速度緩慢，而電子鎮(zhèn)流器能工作在0．02～20 kHz的頻率，可實(shí)現(xiàn)輸出功率的快速可調(diào)，同時自身能耗卻非常小，且由于電子鎮(zhèn)流器輸出為方波，與傳統(tǒng)變壓器鎮(zhèn)流器輸出的正弦波相比，可獲得更好的固化效果。此處的研究目標(biāo)就是研制一套針對紫外線固化系統(tǒng)的綠色、穩(wěn)定、智能、數(shù)字化的高性能大功率紫外燈電子鎮(zhèn)流器。

2 紫外燈伏安特性
紫外燈是典型的氣體放電燈，具有強(qiáng)烈的負(fù)阻抗特性。典型的紫外燈的電壓、電流與時間的特性曲線如圖1所示。

在點(diǎn)亮前階段，隨著電場的進(jìn)一步增強(qiáng)，所有帶電粒子全部到達(dá)陰極，此時電流達(dá)到飽和，電流數(shù)值從數(shù)毫安到數(shù)十毫安，燈的等效內(nèi)阻非常大。當(dāng)電壓升高，且大于燈的擊穿電壓后，紫外燈進(jìn)入擊穿階段工作。此時，強(qiáng)電場使初始帶電粒子速度急速增加，它們又與中性氣體氬氣原子碰撞使之電離，從而形成更多的電子，這樣電子數(shù)目雪崩似地增加，同時隨著溫度的升高，汞也隨之汽化，進(jìn)而使電子產(chǎn)生速率加快，從宏觀上看也就是燈管的等效內(nèi)阻大幅下降，電流迅速飆升。同時在鎮(zhèn)流器的作用下，為了不至于將燈燒毀，管壓也會迅速下降，以保證紫外燈電流在一個合理的范圍內(nèi)，該過程是輝光放電階段。之后為預(yù)熱階段，該階段是輝光轉(zhuǎn)弧光放電階段，隨著燈管溫度的上升，其電阻也呈非線性地增大，此時燈管電流和電壓也慢慢上升，直到它們都升到額定工作的電壓和電流，此時燈管的電阻、電壓、電流將會保持在一個動態(tài)的平衡狀態(tài)，該時刻便進(jìn)入弧光放電階段工作。由上述分析可知，紫外燈的啟動過程可分為高壓擊穿、輝光放電、輝光轉(zhuǎn)弧光放電、弧光放電4個階段。

3 電子鎮(zhèn)流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
由不控整流和全橋逆變組成的兩級拓?fù)洳贿m用于大功率電子鎮(zhèn)流器，結(jié)合此處所使用的5 kW紫外燈冷態(tài)擊穿電壓為480～500 V，采用380 V三相工頻電壓整流后電壓波動為510～610 V，因此無需將母線電壓經(jīng)過Boost電路產(chǎn)生紫外燈的擊穿電壓，因此這里將在保留傳統(tǒng)三級電子鎮(zhèn)流器優(yōu)點(diǎn)的同時，選擇適合于所用紫外燈的電路拓?fù)洹Ｆ渲械?級為無源PFC電路，是一顆矽鋼片制成的工頻電感，接在整流濾波電解電容之前，它利用電感線圈內(nèi)部電流不能突變的原理調(diào)節(jié)電路中電壓與電流的相位差，使電流趨向于正弦化以提高功率因數(shù)。第2級與第3級繼承了傳統(tǒng)的三級式電子鎮(zhèn)流器的形式。第2級Buck電路實(shí)現(xiàn)對燈電流和功率的調(diào)節(jié)，控制從燈擊穿到穩(wěn)態(tài)工作的所有過程，是整個電路的核心。第3級為全橋逆變，不進(jìn)行調(diào)制僅為燈提供20～400 Hz，14～17 kHz方波交流電。主電路如圖2所示。

Buck電路是該電路的核心，在此著重分析其關(guān)鍵能量傳遞器件，即電感和電容的設(shè)計。在大功率Buck電路中，其電感不能按照開關(guān)電源中的計算方法設(shè)計。因?yàn)樾」β实腂uck電路用在恒壓輸出、電流不大的場合，所以在該電路中設(shè)計電感時應(yīng)先根據(jù)輸入電壓與輸出電壓確定占空比，然后再根據(jù)紋波電流、電感壓降等條件計算電感值，而且常規(guī)的Buck電路通常工作在電流連續(xù)模式。但在紫外燈電源中，Buck電路用來調(diào)節(jié)整個電源的輸出功率致使其輸出電壓變化范圍很寬，同時由于負(fù)載電流較大，如果工作在電流連續(xù)模式，將需要一個很大的電感，這在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)比較困難；另外，電感工作在電流斷續(xù)模式時，續(xù)流二極管能在開關(guān)管開通之前截止，可減小尖峰電流的產(chǎn)生。因此，采取Buck電路在最大占空比時工作在臨界電流連續(xù)模式，其表達(dá)式為：
Lmin=(Uinmax-Usat-Uo)／△iL (1)
式中：Uinmax為最大輸入電壓；Usat為IGBT導(dǎo)通管壓降；Uo為Buck電路輸出電壓；△iL為電感紋波電流，在臨界電流連續(xù)模式，其值為最大輸出電流10A。