[发明专利]高强度放电照明系统和交流发电机电源

说明书

技术领域

本发明涉及一种照明系统；并且更具体地，涉及一种由多相轴向空气隙交流发电机供电的高强度放电照明系统，其中该相位在磁性上基本不相互影响。

背景技术

高强度照明系统在商业和工业应用中被广泛使用，例如室内和室外的公共场所的照明，包括体育场，竞技场(arenas)，道路，停车场等。这些系统既在永久的固定装置中使用又在诸如夜间施工和紧急或灾难情况中采用的移动装置中使用。

许多这样的系统都采用高强度放电(HID)灯。HID灯的已知种类包括低压汞钠蒸气放电灯，高压钠蒸气放电灯和金属卤化物放电灯。典型地，灯具有透明的玻璃管或更优选具有石英封管，其中至少充满惰性气体和金属材料或金属卤化物材料。这种灯包含至少两个连接到电能源的电极，该电能一般由公用电网(electric utility grid)提供或由诸如内燃机或燃气轮机的原动机机械地供电的交流发电机提供。在一些专门应用中，也可能使用其他的能源，如电池，燃料电池等。

所有这些HID灯种类都具有基本的操作原理，其中放电产生并保持在被电激励的电极之间。这些种类的不同的灯有不同数量的电极和不同的电极配置。然而，一般来讲，所有这些HID灯都是通过将两个或多个电极连接到电源而启动的。通过包含一个或多个热离子或电子的冷阴极发射或气体直接介质击穿的过程，在灯的封管内部产生了自由电子和电离气体。一旦具备足够密度的带电物质，电极之间的电场就会导致电流的建立。原子碰撞过程将灯内一些原子的电子激发到不均衡能量状态，其随后随着光的发射而衰退，其中发射的光可能包括可见光波长和紫外线波长。根据灯的种类和工作条件，该光可能主要处于一个或多个分立的光谱线，或横跨连续光谱波长。

最常见的是，HID灯通过施加足以由于电介质击穿使电弧在电极上起弧的电压来启动。在电流最初开始流动后，该灯进入呈现负电阻部分的工作状态。也就是说，该灯具有包含这样一个工作区的电流-电压特征，在该区中电流的增加会引起灯上电压降的减小。作为对比，普通的导体仅表现出正电阻，因此电流的增加只能对应于电压降的增加。普遍认为负电阻现象是由气体等离子体中电子和离子密度增加引起的增加的电导率的结果。因而，HID灯的电路实际上从未用恒压源设计。足够引起电弧并启动灯的电位很可能会导致逸出行为，其中灯会启动，然后经历电流的过度增长，这会明显地缩短灯的寿命。而该灯通常都通过镇流器与一个AC电压源相连，该镇流器提供相当大的电感性阻抗。例如，通常用在移动灯塔中的这种金属卤化物HID灯具有大约1kW的额定稳态输出。该灯的推荐启动电位约为450V，但稳态工作的电压约为240V。虽然只有一个简单电感器的镇流器足够满足一些HID灯的需要，更多时候使用电感器和电容器的组合。

镇流器的又一功能是在通过AC电源电压的零电压交叉时维持电弧。接近零交叉时，灯内的电场不足以维持放电。等离子体内的热能化和复合过程导致可用于导电的带电物质的数量随时间衰减。如果当电压接近零时导电率下降太多，灯就熄灭并且必须重新建立电弧。人们知道过度循环会缩短灯的寿命。已经提出了两种方法来阻止熄灭。如果镇流器具有足够的电感，那么电流电压间的相移和灯固有的非线性一起就足以在零交叉处增加电压波形的斜率。因此对于等离子体在阈值之下所处的时间太短以致不能足够衰减使得放电熄灭。在其他情况中，采用更高的供电频率作为在零交叉处增加电压斜率的手段。

然而，这两种方法都有不良后果。具有足够大的电感工作在典型线路频率50-60Hz的镇流器体积很大，并且非常昂贵。镇流器还产生相当大的磁心损耗，尤其是用常规的软磁材料制造时。对于工作在线路频率之上的装置来说，磁心损耗对整个装置效率的不利影响相当地大，需要特殊的办法来确保大量的废热适当地消散。