專利名稱：舞臺燈光調(diào)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及舞臺燈光調(diào)節(jié)裝置，是一種舞臺專用IGBT正弦波調(diào)光裝置，其輸入電流和電壓及輸出電流和電壓都為正弦波。屬于舞臺燈光設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，舞臺燈光行業(yè)廣泛采用單向可控硅和雙向可控硅作為調(diào)光器的功率元件，其優(yōu)點是承受的電壓和電流容量較高，控制驅(qū)動電路簡單，器件發(fā)熱量小，散熱及保護(hù)電路經(jīng)濟(jì)。
其工作原理為由控制臺發(fā)出控制信號，由調(diào)光器轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔唤敲}沖經(jīng)專用可控硅驅(qū)動器觸發(fā)可控硅，可控硅由交流主回路電壓過零而關(guān)斷。在下一周期時重復(fù)相同的動作。相位角脈沖起始位置不同，交流主回路電壓波形被斬后的面積不同，從而實現(xiàn)了輸出到燈泡上的功率不同，達(dá)到調(diào)光的目的。阻性負(fù)載下(感性負(fù)載下可控硅調(diào)光器很難使用)，本來交流主回路電壓和電流為正弦波，斬波后輸出到燈泡上的電壓和電流僅為正弦波的一部分。濾波電感的作用，使這一部分正弦波的前沿變?yōu)閳A角，展開為富立葉級數(shù)，可以看出除了較大的基波外，還有3，5，7，9，11，13，15…等諧波。諧波所占比例隨觸發(fā)相位角的增大而增大。
在富立葉級數(shù)中，頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率為基波整數(shù)倍(大于1)的分量稱為諧波，諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。
相位角脈沖位置相同時，諧波與基波的關(guān)系是不固定的，濾波電感越大，則諧波越小，基波越大。這是因為串聯(lián)較大的電感抑制沖擊電流從而抑制交流電流畸變的效果較好，從而使被斬后正弦波的前沿變的更為圓滑。由于被斬后正弦波的前沿的圓滑度即交流電流畸變率與階躍響應(yīng)相對應(yīng)，因而對這一關(guān)系的描述在調(diào)光領(lǐng)域采用上升時間。這就是為什么上升時間越大越好(當(dāng)然，串聯(lián)電感的Q值較小時，上升時間越大，則意味著電感發(fā)熱越大，輸出電壓的降落要大些)。
由于諧波的存在，現(xiàn)有的可控硅調(diào)光器存在如下主要缺點(1)使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的諧波流過中性線會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。影響各種電氣設(shè)備的正常運行，使電機發(fā)生機械振動、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、使絕緣老化、壽命縮短以至損壞。
(2)引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，較大功率的可控硅調(diào)光器配以較小的變壓器，經(jīng)常造成電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，使電壓供電的電壓波動高達(dá)幾十伏，表現(xiàn)在燈具出光就是無規(guī)律的閃光。
(3)會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作，并使電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確。會對鄰近的通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通訊質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通訊系統(tǒng)無法正常工作。會使調(diào)光器發(fā)出噪聲和產(chǎn)生電磁輻射，會使燈絲產(chǎn)生尖銳噪聲，使演出場所的演職人員及現(xiàn)場觀眾不舒服。
由于公用電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流對用電設(shè)備和電網(wǎng)本身都會造成很大的危害，世界許多國家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)，或由權(quán)威機構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。其基本原則是限制諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流，把電網(wǎng)諧波電壓控制在允許的范圍內(nèi)，使接在電網(wǎng)中的電氣設(shè)備免受諧波干擾而正常工作。中國的3C強制認(rèn)證對諧波源提出了嚴(yán)格的限制?？煽毓枵{(diào)光器的輸出諧波大大地超出了3C強制認(rèn)證對諧波源提出的限制值。對電網(wǎng)公害嚴(yán)重的可控硅調(diào)光器終將退出市場。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是為了克服現(xiàn)有舞臺調(diào)光裝置的輸出端產(chǎn)生諧波帶來的不利影響，提供一種舞臺燈光調(diào)節(jié)裝置。
本發(fā)明的目的可以通過采取如下措施達(dá)到舞臺燈光調(diào)節(jié)裝置，其結(jié)構(gòu)特點是包括信號輸入及處理部分、控制信號生成部分和執(zhí)行部分；信號輸入處理部分包括信號輸入單元和信號處理單元，控制信號生成部分包括微電腦控制單元及反饋單元構(gòu)成，執(zhí)行部分包括主IGBT單元、輔IGBT單元、濾波單元和受控功率單元；控制信號生成部分的信號輸入端連接信號輸入處理部分的信號輸出端、控制信號輸出端連接執(zhí)行部分的輸入端、反饋信號輸入端通過反饋單元連接執(zhí)行部分的反饋信號輸出端、反饋信號輸出端連接信號輸入及處理部分的反饋信號輸入端。
信號輸入及處理部分接收DMX控制信號及人工控制信號，經(jīng)處理后輸出給控制信號生成部分；控制信號生成部分接受信號微處理單元發(fā)來的控制信息，并綜合被控功率部分反饋回來的電壓、電流及負(fù)載狀況，產(chǎn)生控制IGBT的PWM信號，同時，完成把從大功率部分返回的電壓、電流、溫度、過載、短路等信息報告給信號微處理單元；執(zhí)行部分產(chǎn)生正弦波電壓和電流信號輸出給被控功率部分，并將功率部分的動行情況反饋回控制信號生成部分。所述功率部分可以是舞臺燈光或其他功率負(fù)載。
本發(fā)明的目的進(jìn)一步還可通過采取如下措施達(dá)到信號輸入處理部分包括DMX信號輸入通路、鍵盤電路、顯示電路、旋轉(zhuǎn)編碼器、存儲器和信號處理器，DMX信號輸入通路、鍵盤電路、顯示電路、旋轉(zhuǎn)編碼器的信號輸出端分別連接信號處理器的一個信號輸入端，信號處理器的信號輸出端連接控制生成部分的信號輸入端，信號處理器設(shè)有一個反饋信號輸入端連接控制生成部分的反饋信號輸出端；所述DMX信號輸入通路可包括一路或二路以上。
所述DMX信號輸入通路有二條相同電氣通路，各電氣通路由輸入信號端子、電平轉(zhuǎn)換電路、光電隔離電路、信號整形預(yù)處理電路連接而成，由輸入信號端子外接輸入信號，由整形預(yù)處理電路的輸出端連接信號處理器的信號輸入端。
信號處理器由二十六位微電腦芯片或三十二位微電腦芯片及其外圍元件構(gòu)成。
控制生成部分由內(nèi)置控制軟件的電腦控制單元和若干反饋電路構(gòu)成，所述反饋電路包括短路狀態(tài)反饋電路、電流反饋電路、過載狀態(tài)反饋電路、電壓反饋電路、超溫反饋電路，所述反饋電路的信號輸入端分別連接被控功率模塊的反饋信號輸出端、信號輸出端分別連接輸入處理部分的反饋信號輸入端。
電腦控制單元由十六位微電腦芯片或三十二位微電腦芯片、存儲器芯片及其外圍元件構(gòu)成。
執(zhí)行部分由控制單元、主IGBT單元、輔IGBT單元、有源無損緩沖軟開關(guān)、輸入端LC濾波電路和輸出端LC濾波電路，主IGBT單元由一個整流橋和一個IGBT元件構(gòu)成或由兩個IGBT元件構(gòu)成；輔IGBT單元由兩個IGBT元件構(gòu)成；輸入端LC濾波電路的輸入端連接工頻功率輸入信號、輸出端連接主IGBT單元的輸入端，主IGBT單元的輸出端連接輔IGBT單元的輸入端，輔IGBT單元的輸出端通過輸出端LC濾波電路連接受控工頻功率模塊的輸入端。
主IGBT、輔IGBT芯片為光電隔離式絕緣柵雙極型晶體管，其驅(qū)動電流為150A、耐壓1200V，具有故障狀態(tài)反饋和故障狀態(tài)軟關(guān)斷功能；最大500uS的開關(guān)速度。
為使反饋的電壓和電流精度提高，電流反饋電路和電壓反饋電路分別采用線性光耦。
各反饋回路采用有源無損耗或低損耗緩沖軟開關(guān)。
信號輸入處理部分的信號處理器通過串行接口與控制信號生成部分的微電腦控制單元連接。
控制信號生成部分的微電腦控制單元通過六條排線與執(zhí)行部分的六個輸入端LC濾波電路連接。
本發(fā)明具有如下突出的有益效果1、本發(fā)明的最大特點是光電隔離式絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為控制驅(qū)動部件，整個控制過程由微電腦芯片控制完成，其輸入、輸出電壓波形都為正弦波，使舞臺燈光的工作電壓波形為正弦波。由于本發(fā)明的輸入電壓及電流都是正弦波調(diào)幅，輸出電流和電壓都是正弦波，輸出電壓隨控制信號從0到220V變化，輸出電流與輸出電壓同相位其幅度隨負(fù)載而變化，因此，從根本上消除了可控硅調(diào)光器的諧波問題，諧波所占比例降到1％以下。
2、本發(fā)明由于采用高速CPU產(chǎn)生PWM調(diào)制波，工作頻率高達(dá)50KHz(工作頻率越高，輸出電流和電壓越逼近正弦波)，驅(qū)動先進(jìn)的IGBT以產(chǎn)生0～220V的交流正弦波輸出給負(fù)載，因此，可以以50KHz的頻率工作，減小了濾波電感及電容的體積，并保證產(chǎn)生的噪聲在人們的聽覺范圍之外。本發(fā)明將50KHz的載波頻率分成256級，使輸出電壓的分辨率小于0.4％，即小于0.9V(公用電網(wǎng)的工頻電壓為220V)。本發(fā)明由于沒有低次諧波，諧波總量是很小的(小于1％)。這有效地保證了輸出波形的完美性。
3、由于本發(fā)明采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)做大功率器件，因此本發(fā)明沒有最低負(fù)載的限制，具有完善的輸出保護(hù)設(shè)置，使濾波電感的重量大為降低。適合于任何工頻電源，包括偏遠(yuǎn)山區(qū)的電網(wǎng)，海島小電網(wǎng)，小水電，柴油發(fā)電，直流逆變電等可控硅調(diào)光器不能使用的較差質(zhì)量的電源和小容量的電源?？稍O(shè)置最低輸出電壓用于日光燈，霓虹燈等負(fù)載的調(diào)光?？梢苑奖愕仳?qū)動電動機類負(fù)載。此外，還適用于所有類型的負(fù)載調(diào)光，以及適用于所有類型的負(fù)載調(diào)壓。


圖1是本發(fā)明的電路原理框圖。
圖2是本發(fā)明信號輸入及處理部分的電路原理框圖。
圖3是本發(fā)明一個實施例的電路原理框圖。
圖4是本發(fā)明一個實施例的外部信號輸入的電路原理框圖。
圖5是本發(fā)明一個實施例的人機對話信號輸入的電路原理框圖。
圖6是本發(fā)明一個實施例的執(zhí)行部分的電路原理圖。
圖7是傳統(tǒng)的濾波電路原理8是本發(fā)明一個實施例的執(zhí)行部分的濾波電路原理圖。
圖9是本發(fā)明一個實施例的控制生成部分的電路原理框圖。
圖10是本發(fā)明信號輸入及處理部分的計算機程序流程圖。
圖11是本發(fā)明的輸入信號波形圖。
圖12是本發(fā)明的輸出信號波形圖。
圖13是本發(fā)明實施例的執(zhí)行部分的換流波形圖。
具體實施例方式
參照圖1，本實施例由信號輸入及處理部分1、控制信號生成部分2和執(zhí)行部分3構(gòu)成。
參照圖2、圖3，信號輸入處理部分1包括DMX信號輸入通路11、鍵盤電路12、顯示電路13、旋轉(zhuǎn)編碼器14、存儲器15和信號處理器16，DMX信號輸入通路11、鍵盤電路12、顯示電路13、旋轉(zhuǎn)編碼器14的信號輸出端分別連接信號處理器16的一個信號輸入端，信號處理器16的信號輸出端連接控制生成部分2的信號輸入端，信號處理器16設(shè)有一個反饋信號輸入端連接控制生成部分2的反饋信號輸出端。
參照圖4，DMX信號輸入通路11有二條相同電氣通路，各電氣通路由輸入信號端子110、電平轉(zhuǎn)換電路111、光電隔離電路112、信號整形預(yù)處理電路113連接而成，由輸入信號端子110外接輸入信號，由整形預(yù)處理電路113的輸出端連接信號處理器16的信號輸入端。
參照圖5，由鍵盤電路12、顯示電路13、旋轉(zhuǎn)編碼器14、發(fā)光器17和信號處理器16指示構(gòu)成人機對話電路。
信號處理器16內(nèi)置了信號處理程序，該程序能完成開機參數(shù)自適應(yīng)自學(xué)習(xí)、信號接收、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及修正計算最優(yōu)化參數(shù)等工作，其具體工作如圖10所示。
本實施例中鍵盤電路12可以由常用按鍵及外圍電子元件連接而成，顯示電路13可以由液晶顯示器構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)編碼器14為已知常用旋轉(zhuǎn)編碼器。輸入信號端子110可為插腳式連接端子，電平轉(zhuǎn)換電路111可由常用電壓轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，光電隔離電路112可由常用光電隔離管及其外圍元件構(gòu)成，信號整形預(yù)處理電路113可由常用整形電路構(gòu)成。信號處理器16可由十六位可三十二位電腦芯片及其外圍元件構(gòu)成。存儲器15可由常用存儲芯片構(gòu)成。
參照圖3和圖9，控制生成部分2包括內(nèi)置控制軟件的微電腦控制單元及反饋單元；控制生成部分2包括內(nèi)置控制軟件的微電腦控制單元及反饋單元；微電腦控制單元包括控制微處理器20和信號分配和驅(qū)動輸出端27；所述反饋電路包括短路狀態(tài)反饋電路22、電流反饋電路23、過載狀態(tài)反饋電路24、電壓反饋電路25、超溫反饋電路26，所述反饋電路的信號輸入端分別連接被控功率模塊的反饋信號輸出端、信號輸出端分別連接輸入處理部分1的反饋信號輸入端。
本實施例中電腦控制單元可由十六位微電腦芯片或三十二位微電腦芯片20、存儲器21及其外圍元件構(gòu)成，存儲器21可由常用存儲芯片構(gòu)成。短路狀態(tài)反饋電路22、過載狀態(tài)反饋電路24、超溫反饋電路26可以由分別常用信號反饋電路構(gòu)成。電流反饋電路23、電壓反饋電路25可由常用光耦反饋電路構(gòu)成。
電腦控制單元內(nèi)置控制管理程序，其完成的工作如圖9所示。
參照圖6和圖9，執(zhí)行部分3由控制單元30、主IGBT單元31、輔IGBT單元32、有源無損緩沖軟開關(guān)、輸入端LC濾波電路33和輸出端LC濾波電路34，主IGBT單元31由一個整流橋和一個IGBT元件構(gòu)成或由兩個IGBT元件構(gòu)成；輔IGBT單元32由兩個IGBT元件構(gòu)成；輸入端LC濾波電路33的輸入端連接工頻功率輸入信號35、輸出端連接主IGBT單元31的輸入端，主IGBT單元31的輸出端連接輔IGBT單元32的輸入端，輔IGBT單元32的輸出端通過輸出端LC濾波電路34連接受控工頻功率模塊36的輸入端。
所述控制單元30執(zhí)行調(diào)光控制，具有驅(qū)動及保護(hù)主IGBT、輔IGBT的功能，具有功率參數(shù)的功能，并具有如下特性驅(qū)動電流為150A、耐壓1200V，具有故障狀態(tài)反饋和故障狀態(tài)軟關(guān)斷功能；最大500uS的開關(guān)速度。主IGBT單元、輔IGBT單元為光電隔離式絕緣柵雙極型晶體管。
控制單元30接受控制生成部分2發(fā)來的PWM控制信息，對主IGBT實施50KHz的PWM控制。為節(jié)約成本，提高可靠性，本實施例采用一個整流橋和一個主IGBT的策略，以取代二個主IGBT的方案。
在整個系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的器件為主IGBT，它的穩(wěn)定運行至關(guān)重要，因而主IGBT單元的控制和保護(hù)必須非?？煽?，由于控制單元30主要用來控制和保護(hù)主IGBT單元，因此，本實施例中控制單元30可采用最新的專用IC(該IC可在市場上購買)，使主IGBT控制和保護(hù)大為簡化，可靠性大為提高。這個專用IC，具有如下特性可驅(qū)動150A，1200V的IGBT；光電隔離，故障狀態(tài)反饋；最大500uS的開關(guān)速度；故障狀態(tài)軟關(guān)斷等。
為使反饋的電壓和電流精度提高，本實施例的電流反饋和電壓反饋電路可采用線性光耦。
為使“IGBT正弦波調(diào)光器”獲得高的性能和高的效率，各條反饋回路采用最先進(jìn)的有源無損緩沖軟開關(guān)諧振線路換流，無損的意思是開關(guān)損耗很小，能量無損地回饋到電網(wǎng)中去，因而，IGBT開關(guān)的損耗由原來的開關(guān)損耗占主導(dǎo)變?yōu)楝F(xiàn)在的開關(guān)損耗占次要，可靠性大幅提高。線路由進(jìn)線濾波電感，進(jìn)線濾波電容，主IGBT，整流橋，兩個輔助IGBT，輸出濾波電感，輸出濾波電容組成。線路充分利用了IGBT的附加電容，雜散電感，等傳統(tǒng)換流方式難以處理的參數(shù)，使IGBT開關(guān)的導(dǎo)通和截止不會出現(xiàn)大的di/dt和dv/dt，從而有效的保證了IGBT的工作安全。為保證IGBT換流的可靠性和穩(wěn)定性，對輔助IGBT的驅(qū)動采用全硬件結(jié)構(gòu)，其中包括功率線路的狀態(tài)檢測，兩個IGBT的PWM產(chǎn)生。
為了解決空載和輕載時的擾動諧波振蕩問題，本實施例采用可控濾波技術(shù)，。由主IGBT產(chǎn)生的PWM波形，頻率高達(dá)50KHz，不能直接輸出給負(fù)載。因而引入了LC濾波(因為LC濾波器的阻尼因數(shù)低，效率高)。在空載和輕載時，輸出電壓基波上疊加有擾動諧波振蕩，其振蕩頻率與無阻尼自然振蕩頻率ωn接近，當(dāng)輸入電源電壓Ui接通，突變等瞬變期間，瞬態(tài)電壓諧振峰值將使濾波電容和變換器功率開關(guān)IGBT處于危險境地。為解決這一問題，另外增加一個RC支路，并和原LC一起構(gòu)成可控諧振阻尼LC輸出濾波器。
參照圖6，本發(fā)明采用有源無損緩沖軟開關(guān)換流技術(shù)。進(jìn)線濾波電感L1，進(jìn)線濾波電容C1，主IGBT(VF1，共封裝軟恢復(fù)二極管VD1，VC1)，高速整流橋(共封裝軟恢復(fù)二極管D1，共封裝軟恢復(fù)二極管D2，共封裝軟恢復(fù)二極管D3，共封裝軟恢復(fù)二極管D4)，輔助IGBT(VF2，共封裝軟恢復(fù)二極管VD2，極間電容VC2)，輔助IGBT(VF3，共封裝軟恢復(fù)二極管VD3，極間電容VC3)，濾波電感L2，進(jìn)線濾波電容C2，可控濾波電容C3，可控濾波電阻R1，負(fù)載L。
圖6的工作原理如下為論述方便，假定D1，D2，D3，D4，VD1，VD2，VD3壓降為零。VF1，VF2，VF3導(dǎo)通壓降為零。由于主IGBT VF1開關(guān)頻率高達(dá)50KHz，相對而言工頻才50Hz，因而，在各個換流階段，無論工頻正弦波是正半波還是負(fù)半波，均視為直流來處理。
(1)正半波時，VF1開通后，D1、D4導(dǎo)通，在回路電感L2中儲存有一定的能量，換流過程，電感L2中的電流和方向(正向)不變，為負(fù)載電流I0，由于L2較大，因而，在各個換流階段，可以認(rèn)為恒定不變；在回路電感L1中也儲存有一定的能量，電感L1中的電流和方向(正向)不變，為負(fù)載電流I0。
(2)在VF1關(guān)斷開始時，VC1，VC3電壓為零，VC2為此刻的輸入瞬時電壓。電感L1中的電流和方向(正向)不變。
在VF1關(guān)斷過程中，L1中電流給C1充電以及經(jīng)D1、D4給VC1充電同時續(xù)流構(gòu)成L2中的I0的一部分；VC2放電，VD3續(xù)流，構(gòu)成L2中的I0的另一部分。
(3)待VC2放電已經(jīng)完畢，VC1充電到此刻的輸入瞬時電壓時，加在VF3上的電壓為零。VF3開通，VD2續(xù)流，由L2的儲能維持I0不變。這時加在VF3上的電壓僅為其壓降(不足1.5伏)。
(4)由VF1到VF3的換流完成。L1的儲能繼續(xù)VC1和C1充電，一直到電感L1中的電流下降到零，VC1和C1充電到最大值。接著，C1經(jīng)L1放電，L1中的電流反向。設(shè)計電路參數(shù)L1，C1的諧振頻率在14KHz，主IGBT的開關(guān)頻率高達(dá)50KHz，為保護(hù)主IGBT和C1，我們只要求L1的正向電流有較大幅度的下降，VC1和C1充電到一個合理的值，即進(jìn)入VF1的開通換流。
(5)開通VF1的過程中，首先VC1放電，迫使VF3的集電極和發(fā)射極之間因承受反壓而自行關(guān)斷，同時VD2也因承受反壓而關(guān)斷。由L1和C1各提供部分導(dǎo)通電流，其一使VC2充電，VD3續(xù)流，其二續(xù)流L2的I0。當(dāng)VC1放電完畢，VC2充電至此刻的輸入瞬時電壓即C1電壓時，VF1完成開通。
(6)由VF3到VF1的換流完成。L1電流繼續(xù)增加，C1放電電流繼續(xù)減少，一直到電感L1中的電流達(dá)到I0，C1放電降到工頻電壓。為下一次VF1的開通換流作準(zhǔn)備。
(7)負(fù)半波時，情況與正半波時類似。VF1開通時，D2、D3導(dǎo)通，在回路電感L2中儲存有一定的能量，換流過程，電感L2中的電流和方向(反向)不變，為負(fù)載電流I0，由于L2較大，因而，在各個換流階段，可以認(rèn)為恒定不變；在回路電感L1中也儲存有一定的能量，電感L1中的電流和方向(反向)不變，為負(fù)載電流I0。
(8)在VF1關(guān)斷開始時，VC1，VC2電壓為零，VC3為此刻的輸入瞬時電壓。電感L1中的電流和方向(反向)不變。
在VF1關(guān)斷過程中，L1中電流給C1充電以及經(jīng)D2、D3給VC1充電同時續(xù)流構(gòu)成L2中的I0的一部分；VC3放電，VD2續(xù)流，構(gòu)成L2中的I0的另一部分。
(9)待VC3放電已經(jīng)完畢，VC1充電到此刻的輸入瞬時電壓時，加在VF2上的電壓為零。VF2開通，VD3續(xù)流，由L2的儲能維持I0不變。這時加在VF2上的電壓僅為其壓降(不足1.5伏)。
(10)由VF1到VF2的換流完成。L1的儲能繼續(xù)VC1和C1充電，一直到電感L1中的電流下降到零，VC1和C1充電到最大值。接著，C1經(jīng)L1放電，L1中的電流反向。設(shè)計電路參數(shù)L1，C1的諧振頻率在14KHz，主IGBT的開關(guān)頻率高達(dá)50KHz，為保護(hù)主IGBT和C1，我們只要求L1的反向電流有較大幅度的下降，VC1和C1充電到一個合理的值，即進(jìn)入VF1的開通換流。
(11)開通VF1的過程中，首先VC1放電，迫使VF2的集電極和發(fā)射極之間因承受反壓而自行關(guān)斷，同時VD3也因承受反壓而關(guān)斷。由L1和C1各提供部分導(dǎo)通電流，其一使VC3充電，VD2續(xù)流，其二續(xù)流L2的I0。當(dāng)VC1放電完畢，VC2充電至此刻的輸入瞬時電壓即C1電壓時，VF1完成開通。
(12)由VF2到VF1的換流完成。L1電流繼續(xù)增加，C1放電電流繼續(xù)減少，一直到電感L1中的電流達(dá)到I0，C1放電降到工頻電壓。為下一次VF1的開通換流作準(zhǔn)備。
有源無損緩沖軟開關(guān)諧振線路換流技術(shù)，就是解決從VF1到VF3，從VF3到FV1，從VF1到VF2，從VF2到FV1的四種換流的過渡過程中的大的di/dt和dv/dt沖擊問題。輔助IGBT VF2和VF3實現(xiàn)了零電壓開通，零電流關(guān)斷。主IGBT VF1也實現(xiàn)了較小電流的開通和零電壓下的關(guān)斷。
參照圖11，輸入的電壓電流波形為正弦波；參照圖12，經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)處理的電壓電流波形也為正弦波，圖中還給出了對比的輸入電壓電流波形。從圖12可以看出，輸出電壓電流波形在0～輸入電壓電流波形中間調(diào)幅變化。
換流的控制信號如下參照圖13，狀態(tài)A，B，C，D構(gòu)成主IGBT VF1的一個完整PWM調(diào)制波周期。
如圖13所示，可以清楚地看到在工頻正半波時，VF1，VF3之間的換流控制信號的四種狀態(tài)。狀態(tài)B，D是換流的過渡狀態(tài)，時間很短，但卻是有源無損緩沖軟開關(guān)諧振換流的關(guān)鍵，正是有源無損緩沖軟開關(guān)諧振換流，大大減少了IGBT的換流損耗。狀態(tài)A為VFI的導(dǎo)通狀態(tài)。狀態(tài)C為VF3的導(dǎo)通狀態(tài)。
在工頻負(fù)半波時，可以看到VF1，VF2之間的換流控制信號的四種狀態(tài)。狀態(tài)B，D是換流的過渡狀態(tài)，時間很短，但確是有源無損緩沖軟開關(guān)諧振換流的關(guān)鍵，正是有源無損緩沖軟開關(guān)諧振換流，大大減少了IGBT的換流損耗。狀態(tài)A為VF1的導(dǎo)通狀態(tài)。狀態(tài)C為VF2的導(dǎo)通狀態(tài)。
本發(fā)明采用可控諧振阻尼LC輸出濾波器。
本實施例的濾波部分采用可控諧振阻尼LC輸出濾波技術(shù)，有效地防止了空載和輕載時的擾動諧波振蕩問題，使本發(fā)明可以空載運行。傳統(tǒng)的LC濾波器分析如下參照圖7，假定負(fù)載為RL，系統(tǒng)中的電感L2，電容C2，負(fù)載RL復(fù)阻抗分別為s L2，1/sC2，RL，圖12線路輸出電壓對濾波器前端電壓的傳遞函數(shù)為G(s)=Uo(s)Ui(s)=1/sC2//RLsL2+(1/sC2//RL)=RLs2RLC2L2+sL2+RL]]>其有效阻尼比ξ=C2/L2/(2RL)]]>、諧振峰值MP=1/(2ξ1-ξ2).]]>當(dāng)負(fù)載電阻RL→∞時，ξ→0、諧振峰值MP→∞。對于二階系統(tǒng)，MP表征系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，當(dāng)1.0＜MP＜1.4、即0.4＜ξ＜0.7時，可獲得滿意的瞬態(tài)性能；當(dāng)MP＞1.5時，階躍響應(yīng)將出現(xiàn)數(shù)次超調(diào)；通常MP越大，瞬態(tài)超調(diào)量也越大。當(dāng)MP很大時，如果系統(tǒng)受到諧振頻率ωr=ωn1-2ξ2]]>(空載或輕載時與無阻尼自然諧振頻率ωn很接近)處附近的干擾信號作用，LC輸出濾波器不能對其進(jìn)行有效抑制和濾除，輸出端便有較大的擾動分量，可能造成嚴(yán)重后果。
實際上，傳遞函數(shù)可以表示為G(s)=1s2C2L2+sL2/RL+1]]>當(dāng)負(fù)載電阻RL→∞時，化簡為G(s)=1s2C2L2+1]]>顯然，這就是無阻尼LC振蕩器，s2＝(j2πfr)2＝-1/(L2C2)，諧振頻率為fr=1/(2πL2C2).]]>諧振時，有很小干擾信號輸入Ui(fr)，G(fr)→∞，諧振峰值Uo(fr)→∞。
針對圖12線路的缺陷，提出了圖13線路，即可控諧振阻尼LC輸出濾波器，假定負(fù)載為RL，系統(tǒng)中的電感L2，電容C2，諧振阻尼電阻R1，諧振阻尼電容C3，負(fù)載RL復(fù)阻抗分別為sL2，1/sC2，R1，1/sC3，RL，圖13線路輸出電壓對濾波器前端電壓的傳遞函數(shù)為線路輸出電壓對濾波器前端電壓的傳遞函數(shù)為G(s)=Uo(s)Ui(s)=(1/sC2)//[R1+(1/sC3)]//RLsL2+(1/sC2)//[R1+(1/sC3)]//RL]]>=(sR1C3+1)s2C2L2[(sR1C3+1)+C3/C2]+sL2/RL(sR1C3+1)+(sR1C3+1)]]>=s+1R1C3C2L2[s3+(1R1C3+1RLC2+L2R1)s2+(1+1R1RLC2C3)s+1R1C3]]]>寫出s的分母多項式方程s3+(1R1C3+1RLC2+L2R1)s2+(1+1R1RLC2C3)s+1R1C3=0]]>根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)，可以將多項式的系數(shù)排列成下列形式的行和列(勞斯陣列)s311+1R1RLC2C3]]>s21R1C3+1RLC2+L2R11R1C3]]>s1(1R1C3+1RLC2+L2R1)(1+1R1RLC2C3)-1R1C31R1C3+1RLC2+L2R1]]>s01R1C3]]>系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是勞斯陣列第一列中的各項都為正號，因而(1R1C2+1RLC2+L2R1)(1+1R1RLC2C3)-1R1C3>0]]>必須成立。這個不等式成立的前提是，1RLC2+L2R1>0,]]>當(dāng)空載時，第一項為零，第二項不可能為零。這個條件恒成立。系統(tǒng)穩(wěn)定的另一個條件是分母多項式s方程的全部系數(shù)都是正值。這個條件恒成立。因而，系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件中的兩個條件全部恒成立，系統(tǒng)的所有極點都位于左半s平面，系統(tǒng)穩(wěn)定。從傳遞函數(shù)可見，系統(tǒng)多了一個左半平面的零點，根軌跡向左移，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。
可以證明，當(dāng)C3＝C2且為原C2值的一半，L2不變，R1=2L2/(2C2)/π]]>即可以得到滿意的效果。諧振頻率為fn=1/(2πL2(2C2)),]]>若C2＝C3＝2.2μF，L2＝300μH，則R1＝5.4Ω，諧振頻率fn＝4380Hz，若諧振幅度電壓有效值Un，R1損耗 假定Un＝10V，可得R1損耗為1.13W；假定Un＝15V，可得R1損耗為2.5W，可見R1對諧振頻率的損耗隨諧振幅度的增加衰減是很大的。輸出電壓有效值U＝220V，輸出頻率fs＝50Hz，這時R1損耗 約為0.12W，R1對有用功率的損耗可以忽略不計。
本實施例中，檢測與輔助IGBT的驅(qū)動如下本部分檢測功率線路的電壓、電流、溫度、過載、短路等信息報告給控制微處理器。接受控制微處理器發(fā)來的主IGBT解封鎖信號并執(zhí)行相關(guān)動作。同時本部分還檢測功率線路的工作狀態(tài)，并以此產(chǎn)生輔助IGBT的控制驅(qū)動信號。
檢測功率線路的工作狀態(tài)采用了一種巧妙的構(gòu)思，構(gòu)成功率線路隨動檢測系統(tǒng)，使檢測系統(tǒng)既簡單可靠，又能夠真實而快速地反映功率線路的工作狀態(tài)。以此構(gòu)造出輔助IGBT的全硬件生成PWM，簡單的線路驅(qū)動。有力地保證了IGBT換流的可靠性和穩(wěn)定性。
由于PWM執(zhí)行部分的主要元件為大功率、高電壓、高頻率器件，并且主功率IGBT工作在50KHz的PWM調(diào)制頻率，大功率線路中的與結(jié)構(gòu)和布線相關(guān)的雜散參數(shù)(器件的極間電容，布線電感等)與輔助IGBT等構(gòu)成的有源無損緩沖軟開關(guān)換流最令人頭疼(不采用這種技術(shù)，就得采用硬開關(guān)緩沖換流技術(shù)。那樣的話，即使采用最先進(jìn)的線路，功耗也會大幅增加，濾波電感和電容都得加大，最另人無法接受的是功率IGBT必須大幅加大容量，降低PWM調(diào)制頻率。帶來的后果是，產(chǎn)品重量增加，體積增大，成本增加，性能大幅下降，最終無法和國外產(chǎn)品競爭)，方達(dá)技術(shù)人員硬是咬緊牙關(guān)，在功率IGBT的反復(fù)爆炸聲中把這一技術(shù)攻破并掌握。由開始時的LC輸出濾波技術(shù)轉(zhuǎn)向可控諧振阻尼LC輸出濾波技術(shù)，中間經(jīng)歷的LC振蕩燒毀IGBT也是令人望而卻步。
在IGBT正弦波調(diào)光器的開發(fā)過程中，這一部分投入的人力也很大。占總工作量的近四分之一以上(主要是調(diào)試大功率線路)。
線路輸出電壓對濾波器前端電壓的傳遞函數(shù)為G(s)=Uo(s)Ui(s)=(1/sC2)//[R1+(1/sC3)]//RLsL2+(1/sC2)//[R1+(1/sC3)]//RL]]>=(sR1C3+1)s2C2L2[(sR1C3+1)+C3/C2]+sL2/RL(sR1C3+1)+(sR1C3+1)]]>=s+1R1C3C2L2[s3+(1R1C3+1RLC2+L2R1)s2+(1+1R1RLC2C3)s+1R1C3]]]>寫出s的分母多項式方程s3+(1R1C3+1RLC2+L2R1)s2+(1+1R1RLC2C3)s+1R1C3=0]]>根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)，將多項式的系數(shù)排列成下列形式的行和列(勞斯陣列)s311+1R1RLC2C3]]>s21R1C3+1RLC2+L2R11R1C3]]>s1(1R1C3+1RLC2+L2R1)(1+1R1RLC2C3)-1R1C31R1C3+1RLC2+L2R1]]>s01R1C3]]>系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是勞斯陣列第一列中的各項都為正號，因而(1R1C3+1RLC2+L2R1)(1+1R1RLC2C3)-1R1C3>0]]>必須成立。這個不等式成立的前提是，1RLC2+L2R1>0,]]>當(dāng)空載時，第一項為零，第二項不為零。這個條件恒成立。
系統(tǒng)穩(wěn)定的另一個條件是分母多項式s方程的全部系數(shù)都是正值。這個條件恒成立。
因而，系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件中的兩個條件全部恒成立，系統(tǒng)的所有極點都位于左半s平面，系統(tǒng)穩(wěn)定。
從傳遞函數(shù)可見，系統(tǒng)多了一個左半平面的零點，根軌跡向左移，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。
可以證明，當(dāng)C3＝C2且為原C2值的一半，L2不變，R1=2L2/(2C2)/π]]>即可以得到滿意的效果。諧振頻率為fn=1/(2πL2(2C2)),]]>若C2＝C3＝2.2μF，L2＝300μH，則R1＝5.4Ω，諧振頻率fn＝4380Hz，若諧振幅度電壓有效值Un，R1損耗 假定Un＝10V，可得R1損耗為1.13W；假定Un＝15V，可得R1損耗為2.5W，可見R1對諧振頻率的損耗隨諧振幅度的增加衰減是很大的。輸出電壓有效值U＝220V，輸出頻率fs＝50Hz，這時R1損耗 約為0.12W，R1對有用功率的損耗可以忽略不計。
本部分檢測功率線路的電壓、電流、溫度、過載、短路等信息報告給控制微處理器。接受控制微處理器發(fā)來的主IGBT解封鎖信號并執(zhí)行相關(guān)動作。同時本部分還檢測功率線路的工作狀態(tài)，并以此產(chǎn)生輔助IGBT的控制驅(qū)動信號。
檢測功率線路的工作狀態(tài)采用了一種巧妙的構(gòu)思，構(gòu)成功率線路隨動檢測系統(tǒng)，使檢測系統(tǒng)既簡單可靠，又能夠真實而快速地反映功率線路的工作狀態(tài)。以此構(gòu)造出輔助IGBT的全硬件生成PWM，簡單的線路驅(qū)動。有力地保證了IGBT換流的可靠性和穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.舞臺燈光調(diào)節(jié)裝置，其特征是包括信號輸入及處理部分(1)、控制信號生成部分(2)和執(zhí)行部分(3)；信號輸入處理部分(1)包括信號輸入單元和信號處理單元，控制信號生成部分(2)包括微電腦控制單元及反饋單元構(gòu)成，執(zhí)行部分(3)包括主IGBT單元、輔IGBT單元、濾波單元和受控功率單元；控制信號生成部分(2)的信號輸入端連接信號輸入處理部分(1)的信號輸出端、控制信號輸出端連接執(zhí)行部分(3)的輸入端、反饋信號輸入端通過反饋單元連接執(zhí)行部分(3)的反饋信號輸出端、反饋信號輸出端連接信號輸入及處理部分(1)的反饋信號輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的舞臺燈光調(diào)節(jié)裝置，其特征是信號輸入處理部分(1)包括DMX信號輸入通路(11)、鍵盤電路(12)、顯示電路(13)、旋轉(zhuǎn)編碼器(14)、存儲器(15)和信號處理器(16)，DMX信號輸入通路(11)、鍵盤電路(12)、顯示電路(13)、旋轉(zhuǎn)編碼器(14)的信號輸出端分別連接信號處理器(16)的一個信號輸入端，信號處理器(16)的信號輸出端連接控制生成部分(2)的信號輸入端，信號處理器(16)設(shè)有一個反饋信號輸入端連接控制生成部分(2)的反饋信號輸出端；所述DMX信號輸入通路(11)可包括一路或二路以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的舞臺燈光調(diào)節(jié)裝置，其特征是所述DMX信號輸入通路(11)有二條相同電氣通路，各電氣通路由輸入信號端子(110)、電平轉(zhuǎn)換電路(111)、光電隔離電路(112)、信號整形預(yù)處理電路(113)連接而成，由輸入信號端子(110)外接輸入信號，由整形預(yù)處理電路(113)的輸出端連接信號處理器(16)的信號輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的舞臺燈光調(diào)節(jié)裝置，其特征是信號處理器(16)由二十六位微電腦芯片或三十二位微電腦芯片及其外圍元件構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的舞臺燈光調(diào)節(jié)裝置，其特征是控制生成部分(2)由內(nèi)置控制軟件的電腦控制單元和若干反饋電路構(gòu)成，所述反饋電路包括短路狀態(tài)反饋電路(22)、電流反饋電路(23)、過載狀態(tài)反饋電路(24)、電壓反饋電路(25)、超溫反饋電路(26)，所述反饋電路的信號輸入端分別連接被控功率模塊的反饋信號輸出端、信號輸出端分別連接輸入處理部分(1)的反饋信號輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的舞臺燈光調(diào)節(jié)裝置，其特征是電腦控制單元由十六位微電腦芯片或三十二位微電腦芯片(20)、存儲器芯片(21)及其外圍元件構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的舞臺燈光調(diào)節(jié)裝置，其特征是執(zhí)行部分(3)由控制單元(30)、主IGBT單元(31)、輔IGBT單元(32)、有源無損緩沖軟開關(guān)、輸入端LC濾波電路(33)和輸出端LC濾波電路(34)，主IGBT單元(31)由一個整流橋和一個IGBT元件構(gòu)成或由兩個IGBT元件構(gòu)成；輔IGBT單元(32)由兩個IGBT元件構(gòu)成；輸入端LC濾波電路(33)的輸入端連接工頻功率輸入信號(35)、輸出端連接主IGBT單元(31)的輸入端，主IGBT單元(31)的輸出端連接輔IGBT單元(32)的輸入端，輔IGBT單元(32)的輸出端通過輸出端LC濾波電路(34)連接受控工頻功率模塊(36)的輸入端。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的舞臺燈光調(diào)節(jié)裝置，其特征是主IGBT、輔IGBT芯片為光電隔離式絕緣柵雙極型晶體管。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的舞臺燈光調(diào)節(jié)裝置，其特征是電流反饋電路和電壓反饋電路分別采用線性光耦；各反饋回路采用有源無損耗或低損耗緩沖軟開關(guān)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的舞臺燈光調(diào)節(jié)裝置，其特征是信號輸入處理部分(1)的信號處理器(16)通過串行接口與控制信號生成部分(2)的微電腦控制單元連接；控制信號生成部分(2)的微電腦控制單元通過六條排線與執(zhí)行部分(3)的六個輸入端LC濾波電路連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及舞臺燈光調(diào)節(jié)裝置，其特征是包括信號輸入及處理部分(1)、控制生成部分(2)和執(zhí)行部分(3)；信號輸入處理部分(1)包括信號輸入單元和信號處理單元，控制生成部分(2)包括微電腦控制單元及反饋單元構(gòu)成，執(zhí)行部分(3)包括主IGBT單元、輔IGBT單元、濾波單元和受控功率單元；控制生成部分(2)的信號輸入端連接信號輸入處理部分(1)的輸出端、控制輸出端連接執(zhí)行部分(3)的輸入端、反饋輸入端通過反饋單元連接執(zhí)行部分(3)的反饋輸出端、反饋輸出端連接信號輸入及處理部分(1)的反饋輸入端。本發(fā)明的輸出電流和電壓都是正弦波。可以方便地驅(qū)動電動機類負(fù)載。適用于所有類型的負(fù)載調(diào)光以及所有類型的負(fù)載調(diào)壓。
文檔編號H05B39/04GK1794892SQ20051010231
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月12日
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