高强度气体放电HID灯电子镇流器技术高新技术项目可行性研究报告.docx
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高强度气体放电HID灯电子镇流器技术高新技术项目可行性研究报告
高强度气体放电（HID）灯电子镇流器技术
高新技术项目可行性研究报告
1总论
1.1项目名称：
高强度气体放电（HID）灯电子镇流器技术
1.2项目的主要内容，目前的进展情况.
项目的主要内容：
随着国家城市建设的蓬勃发展，城市市政的智能性要求越来越高，在目前的市政照明管理中，由于采取的是传统的电感镇流器，导致无法实现智能控制功能，使整个市政照明管理的发展相对落后。
同时，国家能源紧缺已成为制约经济发展的瓶颈，最近几年以煤、电紧缺为主要表现的能源匮乏已经在很大程度上威胁到了经济的正常运转。
2004年的数据显示，我国照明用电占国家发电量的13%，其中，作为城市照明大量主要使用的光源---高压气体放电（HID）灯的用电量占到了整个照明用电的50%。
与高压气体放电灯配套的镇流器的功耗是光源的15%左右，且功率越大，耗能的比例越高。
城市的实际照明需求不需要照明亮度在整个晚上都保持一致，过高的照明亮度反而会影响居民夜间的休息，如何采取合理的措施，一方面降低照明的能耗，另一方面通过控制，调整照明的亮度，起到既节能又方便居民生活的作用是目前市政照明中急需解决的问题。
城市建设的发展越来越强调环保，强调减少对资源的使用量。
传统的镇流器使用大量的铜等金属，对资源的使用量大，能源的开采将对环境产生非常大的负面影响，目前发达国家中已经采取强制措施，禁止销售和使用耗能高、占用资源大的传统电感式镇流器，我国也面临这一严峻的问题，目前国内虽然已经有了高强度气体放电灯的电子镇流器，但由于技术、工艺、价格等因素的制约，到目前为止这个问题还没有好的解决。
在“九五”期间国家相关部委共同组织实施的一项旨在节约电能、保护环境、改善照明质量的重点节能示范工程--中国绿色照明工程。
绿色照明工程的实施取得了明显的社会和经济效益。
到2010年照明用电节能要达到15%。
目前，作为绿色照明工程实施重要组成部分之一的电子镇流器，已成功取代传统的电感镇流器，在荧光灯照明系统中得到了广泛地应用
在欧、美发达地区，低效电感镇流器在2004年已开始全面禁销，香港地区亦准备出台相关的法规政策全面推行节能型电感镇流器及节能的电子镇流器。
2000年，美国能源部（DOE）颁布了新的镇流器标准，并要求自2006年4月1日起，所有新建的商业固定设备都必须使用高效的电子镇流器，2010年7月1日以后，大多数可替换设备必须使用电子镇流器。
由此可见，高强度气体放电灯电子镇流器的研制对提高我国能源利用率具有重大现实意义，其产品具有广阔的国内外市场。
目前的进展情况：
根据我国绿色照明计划和国内外电子镇流器的市场需求，哈尔滨工业大学相关课题组用近3年的时间自主研制开发成功了节能型、环保型、高性能的70W、150W、250W和400W电子镇流器。
前级采用有源功率因数校正技术，后级采用逆变器半桥结构，控制电路采用恒功率闭环控制策略。
当输入电压在160V－260V范围内波动时，能获得稳定的直流电压，功率维持恒定，无声共振现象，具有热灯启动和灯开路短路保护等功能。
在国内首创了电子镇流器几项关键技术，如有源功率因数校正技术、HID灯的高压启动技术、无源网络匹配技术、声共振消除技术、恒功率闭环、控制技术、热灯启动与故障保护技术及电磁兼容技术。
经过3年多时间的研发，特别是对高压钠灯特有的物理性了解，对高压钠灯启动过程和正常工作状态的参数测定，反复对电子镇流器匹配特性的研究与试验。
研发人员合理的运用元器件特征和参数，优化设计，反复调试，在超宽温度环境下，进行了两年的实验检验，各项技术与参数达到了设计要求和电子镇流器实际工作环境的要求。
经国家电光源检测中心检测及实际应用表明，该产品技术指标达到了国外产品相同的技术水平，国内居领先地位。
2项目技术可行性分析
2.1关键技术及创新点的论述
⑴HID灯是一个物理特性的负载，它的很多复杂的物理特性跟灯芯的材料、尺寸等有非线性的关系，因而HID灯是一个非线性的负载。
虽然HID灯电子镇流器的思想源于荧光灯电子镇流器，但是用普通荧光灯电子镇流器去燃点同样功率的HID灯电子镇流器并不合适。
根据HID灯的特点，对电子镇流器技术提出以下几项具体要求：
A．能够有效的控制灯功率的输出。
目前国产荧光灯交流电子镇流器大多数在40W以下，最大的输出功率不过80W（40W双管）。
而HID灯的功率往往达数百瓦，有的HPS灯达1000W，为了减小电子镇流器的体积，提高效率和减小成本，HID灯电子镇流器工作在高频状态下，这就对电子镇流器中的开关晶体管提出了非常高的要求；另外，HID灯具有非线性负载复杂的物理特性，很好的控制灯的输出使HID灯发挥最好的作用是HID灯电子镇流器的核心问题。
B．能够提供足够高的触发启动电压。
HPS灯的触发启动电压往往达3～4kV，比荧光灯高3～5倍。
产生3kV以上的高压并不困难，但是要求这一高压必须匹配HID灯的启动特性，使HID灯可靠的启动，并且要求在启动过程中不得对灯和电子镇流器中的器件造成损害。
C．能消除“声共振”现象。
HID灯工作在高频电源供电的情况下，会出现放电电弧不稳定的现象，轻则使灯光抖动，重则烧毁灯管。
电弧不稳往往引起息弧，随电压升高电流急剧增大。
最终会导致电子镇流器和HID灯双双损坏。
这种“声共振”现象在金卤灯（MentalHalideLamp,MH）灯中表现最为明显，是MH灯电子镇流器的核心问题之一。
在HPS灯中也有声共振现象，但是并不明显，采取适当的措施可以避免。
D．在HID灯出现故障或烧毁时，电子镇流器不应损坏。
像HPS灯常年用作室外照明，在露天的场合，冬天低至零下40度，夏天高至零上40度得情况屡见不鲜，HID灯往往要连续燃点10个小时左右。
为此要求电子镇流器有完善的保护功能，同时还要求供电突然中断又立即恢复时能正常工作。
E．鉴于HID灯功率比较大，要求电子镇流器对输入电流谐波、射频干扰和电磁辐射具有完善的保护功能。
以上几点概括了HID灯电子镇流器的关键技术问题。
⑵关键技术及创新点
2.2项目产品的技术性能水平与国内外先进水平的比较
与同类产品的技术性能比较
型号
电压
范围
工作
电流
功率
因数
总谐
波
THD
波峰
比
恒功率
精度
%
流明系数
重
量
调光
控制
环境
温度
哈工大
MH
/HPS
250
160V-
265V
1.16A
>
0.997
9%
1.7
<5%
>
0.96
1.85
KG
有
-35℃-+66℃
深圳柏胜
JLZ-
250
WD
170V-
260V
1.17A
>
0.98
10%
1.7
10%
>
0.95
1.87
KG
无
-30℃-
+50℃
上海铵锐
AR/
EB
-250
W
180V-
260V
1.2A
>
0.99
10%
1.7
10%
>
0.95
1.75
KG
无
-20℃-
+40℃
上海光阳
DL-
250
160V-
260V
1.25A
>
0.99
10%
1.7
10%
>
0.95
无
-20℃-
+40℃
2.3技术成熟性和可靠性论述
2.3.1技术成熟性的论述
大功率电子镇流器是哈工大科技人员经过近3年时间开发而成的绿色照明技术。
开发人员通过对HID灯本身物理特性的深入了解，对HID灯启动过程和正常工作状态的系统认识，反复对电子镇流器匹配特性的研究和试验，合理的运用元器件特性和参数，优化设计，反复调试，着重解决了HID灯谐振问题，散热问题，能量局部集中问题，电子镇流器与不同厂家HID灯最佳匹配技术问题。
同时解决了电子镇流器多年研发而未解的问题：
采用了功率因数校正技术，解决了功率因数低，进线电流畸变严重，谐波含量高，抗干扰能力弱等问题，实现了高效节能，超宽温度环境可靠工作，低温低压启动性能好。
户外实际检验以及高温70度、低温零下40度等多种破坏性试验，各项技术与参数达到了设计要求和镇流器实际工作要求。
在实际应用中进行了技术检测，分析了各项参数。
实测功率因数大于0.99，实现了电网最佳传输电能。
在输入电压160V—260V范围内，灯能够可靠地起动,输出功率基本恒定（功率变化小于1.5%），启动电流小于0.45A，质量稳定，实际工作可靠性，安全性能达到了实际应用要求。
本项目产品的技术检测、分析检验的情况
样机检测报告（自检）
样机名称
高压气体放电灯电子镇流器
产品型号规格
HPS-400W
测试样机编号
1、2、3号
检
测
项
目
1.爬电距离和电气间隙
2.介电强度
3.异常状态
4.线路功率
5.电源电流
6.功率因数
7.总谐波含量
8.磁屏蔽
9.两阶段调光功能
检
测
条
件
1、常温气候条件下
2、8793F数字电参数测量仪
3、CS2680型耐压测试仪
4、卡尺
设
计
值
1.爬电距离和电气间隙：
≥2.5mm
2.介电强度:
≥1400VAC1MIN
3.异常状态:
243V供电，输出开路、短路各1小时，无损坏
4.线路功率：
不得大于标称值的110%，标称值420W
5.电源电流：
电源电流不得超过标称值的±10%；标称值1.9A
6.功率因数：
0.99
7.总谐波含量：
≤10％
8.磁屏蔽：
铁磁材料对镇流器无影响
9.两阶段调光功能：
第1阶段2.5±0.2小时；第2阶段2.±0.2小时；
检
测
值
1.爬电距离和电气间隙：
≥2.6mm
2.介电强度:
≥2000VAC1MIN无击穿
3.异常状态:
243V供电，输出开路、短路各1小时，无损坏
4.线路功率：
1#418W，2#425W，3#423W
5.电源电流：
1#1.87A，2#1.91A，3#1.90A
6.功率因数：
1#0.996，2#0.993，3#0.994
7.总谐波含量：
1#7.6％，2#6.8％，3#7.0％
8.磁屏蔽：
无影响
9.调光：
第1阶段2.35小时，第2阶段2..03小时
结
果
分
析
经实测：
1、2、3号样机都分别满足所检项目的设计要求。
测试者：
日期：
审核：
日期：
样机检测报告（自检）
样机名称
高压气体放电灯电子镇流器
产品型号规格
HPS-400W
测试样机编号
1、2、3号
检
测
项
目
1.电源电压范围
2.工作温度
检
测
条
件
1、常温气候条件下
2、8793F数字电参数测量仪
3、调压器
4、恒温箱
设
计
值
1.电源电压范围：
160V～250V功率420W±10W
2.工作温度：
-40℃～60℃功率420W±10W
检
测
值
1.电源电压范围:
输入功率与电网电压关系
序号
160V
180V
200V
220V
240V
260V
1#
417
417
419
424
423
425
2#
420
421
425
420
418
423
3#
420
423
426
426
426
427
2.温度范围
输入功率与温度关系
序号
-40℃
-10℃
-0℃
20℃
40℃
60℃
1#
426
424
420
422
418
418
2#
424
420
418
420
420
418
3#
420
419
422
424
418
419
结
果
分
析
经实测：
1、2、3号样机都分别满足所检项目的设计要求。
测试者：
日期：
审核：
日期：
国家电光源质量监督检验中心检测结果
由上表可知,电子镇流器恒功率效果优良,功率误差小于±5W，说明设计的恒功率取样方式及控制方式合理；电流总谐波含量≤5％，对电网污染极小，属于绿色照明产品；镇流器效率可达94％，（250W镇流器自身只消耗14W），属节能高效产品；照明优良，流明系数接近于1；工作电压范围宽：
160V～260V；使用温度范围宽：
-40℃～60℃。
上述检测指标表明，该项技术先进，其创新点满足了高性能电子镇流器的技术要求。
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3项目、产品市场调查和需求预测
3.1国内外市场调查和预测
3.1.1根据本项目产品的主要用途，进行市场分析，并预测本企业产品所占市场份额
市场分析
A、行业背景
高压气体放电灯电子镇流器是取代传统的铁心式电感镇流器新产品，而与HID高压气体放电灯（主要是高压钠灯及金属卤化物灯）配用的新型镇流器，是照明行业施行环保，节能的一个重要产品，在节约资源、节约能源、环保的基础上，使市政照明有了远程控制功能，可以按照明时间调整照明亮度，使得市政照明可以达到基本的数字城市的功能一个重要的环节。
2006年我国照明用电约占总发电量的15%左右，建设部已正式批准《城市绿色照明示范工程》，明确提出到2010年实现照明节电15%的目标。
高压气体放电灯电子镇流器的推广应用将可以使照明用电节约20%以上，所以在照明行业推广应用这一节能产品就更显得非常重要。
在我国和世界各国的“绿色照明”工程中高性能电子镇流器都备受关注。
为推动全社会节能，缓解能源约束的矛盾和环境压力，经国务院同意，国家发改委发布了《节能中长期专项规划》，规划提出，到2020年，我国每万元GDP能耗由2006年的2.68吨标准煤下降到1.54吨标准煤，平均节能率为2.2%，形成节能能力4亿吨标准煤；为确保《节能中长期专项规划》顺利完成，国家将采取以下节能优先为重点的十项保障措施。
节能要体现在制度发展战略、发展规划、产业政策、投资管理，以及财政、税收、金融、价格等政策当中。
国家发改委正在制定《节能设备（产品）目录》，对于生产或使用《目录》中产品的企事业单位，国家将给予减免税等政策上的优惠，同时，节能产品被纳入政府的采购目录。
建设部、国家发展和改革委员会要求2010年我国将建成节能、环保型城市照明体系，2010年底前，所有城市要完成节能灯具的改造任务，尽快实现节能型照明体系。
在欧、美发达地区，低效电感镇流器在2004年以开始全面禁销，香港地区亦准备出台相关的法规政策全面推行节能型电感镇流器及节能的电子镇流器。
2000年，美国能源部（DOE）颁布了新的镇流器标准，并要求自2006年4月1日起，所有新建的商业固定设备都必须使用高效的电子镇流器，2010年7月1日以后，大多数可替换设备必须使用电子镇流器。
由于电子镇流器既是高科技含量的产品又是相对劳动密集型产品，所以该产品的出口前景非常看好。
由此可见，高性能环保节能电子镇流器有广阔的国内外市场。
B、市场要求：
在新增应用领域方面，高强度气体放电灯的应用不断向新的领域拓展，特别是小功率金属卤化灯热灯再起灯问题，并将36W金属卤化物灯应用于奔驰、林肯等高档汽车的大前灯上，光强度较以前提高了3倍以上。
这些新的应用领域为高强度气体放电灯电子镇流器的发展提供了更为广阔的空间。
目前，高压气体放电灯光源的本身技术日趋成熟。
由于其具有高光通量、高光效、长寿命和光源体积小而显示出很强的生命力。
其中，高压钠灯以其高光效和透雾性强的特性得到普及应用，而金属卤化物灯除高光效外，还以其高显色性，在体育馆、展厅、商场、广场以及要求高显色性的环境内被广泛采用。
按照有关部门统计，2007年，国内市场中功率为250W-400W的高压气体放电灯的销售量已达6500万只，与之配套的的镇流器的销售额约为80.5亿元。
今后几年我国高强度气体放电灯的需求将以15%的年增长率高速增长。
所以与高压气体放电灯配套的镇流器，尤其是环保节能型电子镇流器在关键功率器件及专用芯片技术日趋成熟的基础上，将不断取代传统的电感镇流器，加之政府倡导和政策支持，为其推广应用提供了良好契机。
从我国目前情况看，小功率的荧光灯和紧凑型荧光灯使用的电子镇流器取代老试的电感镇流器已经被接受并普及应用。
大功率高压气体放电灯配套使用的高可靠性、长寿命、环保节能型的电子镇流器是一种发展的必然趋势。
随着我国城市化进程的加快，电子镇流器将逐步扩大市场占有量，直到最终完全替换传统电感镇流器，因此电子镇流器的市场前景将更加广阔。
C、对未来几年的市场需求预测
2008-2013年市场预测
年份
2007年
2008年
2009年
2010年
2011年
2012年
高压气放电灯国内镇流器销售总量
6500
7475
8596
9885
11368
13073
高压气体放电灯电子镇流器所占比例
5.00
8.00﹪
11.00﹪
14.00﹪
17.00﹪
20.00﹪
高压气体放电灯电子镇流器国内市场总量
325
598
945
1383
1932
2614
预测依据：
（1）2007年的高压气体放电灯国内销售量由国家电光源研究所根据实际数据供。
（2）从2008年起，5年内高压气体放电灯的国内销售量以每年15%速度增长数据由国家电光源研究所根据历史数据及相关研究报告提供。
（3）2007年高压气体放电灯电子镇流器所占所有高压气体放电灯镇流器的比例的5%由国家电光源研究所根据2007年实际数据提供。
按照国家电光源研究所的预测，未来5年内电子镇流器和电感镇流器将分庭抗争，出于稳健考虑，从2008年起，所占比例每年递增3%。
3.1.2从项目产品质量、技术、性能、价格等方面，分析本项目产品的国内外市场竞争能力
A、国内外目前HID高压气体放电灯电子镇流器的生产状况
基于节约能源与环境保护的世界潮流，新光源产品与现有光源的改良不断地推陈出新，尤其是包括荧光灯、金属卤化物灯及高压钠灯等高强度放电灯类（HID），在发光效率及照明品质均有长足的进步。
而配合发光所需的镇流器，则由以线圈及矽钢片所构成之电感镇流器，改由以电力电子技术所研发的光源用电子镇流器，不但显著地降低照明系统功率消耗而且提高发光效率，更改善了低频率引起的光源闪烁而提高照明品质。
尤其在美国能源法案的实施与预计2002年以后室内全面使用电子镇流器激励，电子镇流器已然是21世纪照明科技的新主流。
依2006年美国照明展评估，荧光灯及高压气体放电灯将是未来20年内之主力光源，故相关电子镇流器或电感镇流器将朝高标准、节能化及性能稳定要求发展。
其中电子镇流器将主导室内用光源发光效率提高的成败关键，而基于耐气候条件考验，电子镇流器将需有稳定的品质要求以达到环保及节能的目标。
目前，室外用HID高压气体放电光源，即使欧美日仍以用电感镇流器为主，因此需由高品质低耗能矽钢片的开发与磁路设计，并强制要求及检测高功率因数，以保护照明配电线路的安全。
这也就使得配套于HID高压气体放电灯的电子镇流器在国内的生产厂家都没有形成专业生产及规模生产。
造成这一现象另一层原因为：
由于目前生产HID高压气体放电灯电子镇流器的企业较少，一方面：
产品技术、生产工艺不够完善，产品的可靠性较低，加之低品质产品充斥市场，使得市场认可度较低，另一方面：
现有多数生产电感镇流器的企业对该产品的价格竞争，甚至上排斥，使得少数生产HID电子镇流器的企业惨淡经营，难以形成规模生产、开创市场新局面的症结所在。
由于高强度气体放电灯的特性参数较多，在设计方面，由于设计不完善及考虑成本的因素，使得产品的稳定性较差，返修率处在大约5%的水平，限制了其规模生产及出口配套。
B、国内同行业厂家情况：
目前，国内生产同类产品的厂家，大概有16家，其中以青岛新同人电子公司，深圳柏胜电子公司，广东里奥电子公司、上海光阳能源科技发展有限公司、新乡中原电子等厂家可提供成型产品。
这些厂家的产品都存在技术和质量的问题，其原因是该类生产厂家从设计上均采用分离元件，从根本上不能保证产品的稳定性，也没有网络控制功能。
通过对以上厂家的产品进行测试，发现由于技术和设计上的问题，都存在可靠性不强、性价比不高的问题，而哈工大的产品无论在技术、设计、可靠性、成本等方面都存在明显的优势。
C、该产品与同类产品相比具有的技术优势
由于该产品采用单片机控制技术，这一控制方式目前未见国内外其他同类产品使用。
该控制方式简化了控制电路，提高了产品的可靠性，又相对降低了生产成本。
⑴启动方式
该产品启动过程由单片机进行控制，能够适应光源启动电压不同的需要。
控制启动电压由低逐渐向高变化，当电压达到光源启辉电压时，光源点燃。
由此可避免在光源启动时出现过的电压现象而引起灯电极溅射，提高了光源的使用寿命。
其他同类产品多数采用单个高压脉冲点燃方式，在光源启动时会出现过电压现象，引起灯电极溅射，影响光源的使用寿命。
1恒功率控制
该产品改变了传统恒功率取样方式，将光源功率取样方式转换成取PFC输出直流功率，减少了控制系统干扰，简化取样电路的结构，真实实现了光源恒功率控制，在电网电压160～260变化时，光源功率变化小于5W（250W镇流器）。
同类产品未见到真正实现恒功率控制的产品，大多数产品采取控制输出电流（即光源电流）方式来实现恒功率控制，此种控制方式对于光源电压变化而引起的功率变化无能为力，也不能克服由于光源电压分散性带来的功率分散性，特别是对于光源处于老化阶段对其功率不能进行有效的控制。
⑶调光控制
由于该产品采用单片机控制技术，采用单片机这一控制方式目前未见国内外其他同类产品使用这种控制方式。
该产品的这一特性使得该产品成为数字城市的一部分，在节约资源、节约能源的基础上，使市政照明有了远程控制功能，可以按照时间调整照明的亮度，使得市政照明可以达到基本的数字城市的功能
⑷可靠性设计
该产品采用单片机集成控制，减少了外围电路元件数量。
取样控制，保护状态判断，输出功率控制全由单片机完成。
同类产品基本全为分立元件和相关集成电路构成，产品所用电子元器件数量较多。
电子镇流器失效50%以上的原因是由于电解电容失效造成的，所以解决好电解电容使用寿命问题是解决电子镇流器可靠性的关键问题。
通过合理布局，使电解电容有效良好的散热条件，保证温升＜35度，提高了产品的使用寿命。
5低成本设计
由于采用单片机控制及相应的控制策略，较现有同类产品电路简化，具体表现在：
无单独高压脉冲启动电路；无单独短路开路故障状态检测电路；无单独供电电源，元器件减少，产品可靠性也会相应提高
6削除声共振技术
高强度气体放电灯声共振现象是固有特性，电子镇流器必须有效克服声共振现象。
该产品采用高频加低频调制技术来消除声共振，这种方式能保证电子镇流器功率开关器件工作在谐振状态，提高镇流器效率，抑制声振效果良好，由于采用单片机进行控制，高频低频调制极容易实现。
现有同类产品中有采用此种技术的，但单独设计低频调制信号电路，使整个电路结构复杂，采用低频方波技术方式或极高频驱动方式来消除声共振，此种工作方式会增加功率开关器件损耗，使镇流器效率降低。
⑺产品效率提高
由于采用简化电路设计相应的控制策略（高频加低频）使得整机效率得到较大提高。
由于采用PEC控制和恒功率控制技术，使电网电压在160~260之间变化时，镇流器输出功率变化小于5W，在国内同类产品处于领先水平。
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