基于無觸點調(diào)壓技術(shù)的路燈節(jié)能控制器

金鈞，趙宏勛，周帥

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，能源問題己經(jīng)成為全球最為關(guān)注的問題之一，能源危機己經(jīng)成為全人類所面臨的主要危機，特別是我國的電力能源近年來顯得十分吃緊，電力緊張阻礙著我們的日常生產(chǎn)、生活，甚至嚴(yán)重影響到我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會文明的進(jìn)步.目前工業(yè)及家庭照明所耗電能占我國發(fā)電總量的10%～20%，在其中城市公共交通照明的比例則占30%，隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的發(fā)展，這個比例還有上升的趨勢.在公共照明快速發(fā)展的同時，我們應(yīng)該看到，大量的電能也隨之浪費.城市的照明燈具大多采用氣體放電燈具，由于氣體放電燈消耗的功率取決于輸入電壓，根據(jù)最常用高壓鈉燈的工作特性隨電源電壓變化的規(guī)律，當(dāng)工作電壓上升至額定電壓的106%時，鈉燈的功耗將上升至額定功率的115%［1-2］;當(dāng)工作電壓上升至額定電壓的110%時，鈉燈的功耗將上升至額定功率的130%.大部分的城市12點以后，車流量大為減少，而此時由于用電負(fù)荷的減少，網(wǎng)壓會逐漸升高，路燈反而會比平常更亮.目前高壓鈉燈的設(shè)計壽命在12 000 h以上，正常使用可以達(dá)到3年以上，但是由于長期工作在超壓狀態(tài)，使其壽命只有1年左右，甚至只有幾個月，這就造成了電能和維護(hù)成本的極大浪費［3］.實驗證明，200～210 V是氣體放電燈最佳的工作狀態(tài)，在這個狀態(tài)下既可以滿足正常的照度需要，又可以實現(xiàn)節(jié)能，還能延長燈具的使用壽命.目前市場上有多種路燈節(jié)能控制產(chǎn)品，主要分成兩大類:①采用自耦變壓器及磁飽和電抗器的降壓技術(shù)，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，做到電壓正弦波輸出，其不足是反應(yīng)時間慢，不能自動調(diào)節(jié)，電壓不穩(wěn)定.針對磁飽和電抗器來說，效率還比較低［4-6］;②采用電力電子器件構(gòu)成的可控硅設(shè)備，其優(yōu)點是實時精確控制輸出電壓值，滿足照明用電的最佳值，由于其主要采用相控技術(shù)，最大的弊端是不能做到電壓正弦波輸出，產(chǎn)生的諧波污染電網(wǎng)［7-9］.

1 系統(tǒng)基本原理

1.1系統(tǒng)工作原理及主電路圖

本系統(tǒng)的核心是一個多抽頭帶有載分接開關(guān)的自耦式調(diào)壓變壓器.其整個線圈分為兩部分，它們分別是并勵線圈和串聯(lián)線圈.其中，并勵線圈為自耦變壓器的公共繞組，它可以產(chǎn)生傳遞能量的磁場;串聯(lián)線圈是一個有多個抽頭的繞組，這些抽頭通過分接開關(guān)的不同接點串聯(lián)在輸入與輸出之間，它是用來調(diào)節(jié)輸出電壓的繞組，各個抽頭的變壓比是固定的，分別降5、10、15、20 V 等.這樣當(dāng)網(wǎng)壓升高時，就可以通過接通各個抽頭從而實現(xiàn)降壓的目的.控制器主要由高壓工作部分和低壓控制部分構(gòu)成，其主電路實現(xiàn)如圖1所示.

圖1 路燈節(jié)能控制器主電路圖

如圖1所示，K1是主開關(guān)，其開關(guān)方式可以采用時控、光控、人工幾種方式.K2是保護(hù)開關(guān)，由檢測控制電路對保護(hù)電路進(jìn)行控制，當(dāng)系統(tǒng)輸出電壓過、欠壓或調(diào)壓系統(tǒng)工作不正常時，系統(tǒng)還能自動切換到“旁路”狀態(tài)，轉(zhuǎn)到市電供電，不會造成照明負(fù)載的供電中斷.T是一個多抽頭的自耦變壓器，SSR1、SSR2、SSR3是電力電子器件固態(tài)繼電器，L是工作路燈，自耦變壓器的幾個抽頭通過固態(tài)繼電器與工作路燈接通，通過控制各個固態(tài)繼電器的關(guān)斷實現(xiàn)改變工作路燈的網(wǎng)端電壓.

系統(tǒng)調(diào)壓的過程需要照明系統(tǒng)正常的工作，不能對照明系統(tǒng)的穩(wěn)定造成影響，因此有載調(diào)壓開關(guān)的設(shè)計也是本系統(tǒng)的重要部分.有載調(diào)壓技術(shù)在當(dāng)今的電力系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，已經(jīng)成為配網(wǎng)運行和配網(wǎng)自動化系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分［4］.現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微處理器控制技術(shù)的發(fā)展使有載調(diào)壓的性能和速度有了很快的提高.有載調(diào)壓的核心技術(shù)是調(diào)壓過程的無弧化，而實現(xiàn)無弧調(diào)壓的關(guān)鍵技術(shù)是有載調(diào)壓分接開關(guān)的設(shè)計，從而達(dá)到系統(tǒng)需要，本系統(tǒng)通過固態(tài)繼電器的引入達(dá)到無弧化切換的目的.固態(tài)繼電器(SSR)全部由固體元件，半導(dǎo)體器件，微電路芯片構(gòu)成，無任何機械動作零件和觸點，具有完全不同于有觸點電磁繼電器的開關(guān)原理.SSR具有靈敏度高，開關(guān)速度快，環(huán)境適應(yīng)性好，無噪音，電磁和射頻干擾小，壽命長和高可靠性等一系列優(yōu)點［5］.

圖2所示為分接開關(guān)的示意圖，由于照明燈具同配套鎮(zhèn)流器為非恒阻性，將產(chǎn)生遠(yuǎn)大于固態(tài)繼電器所能承受的瞬態(tài)電壓或稱擊穿電壓，因此在電路中增加了RC瞬態(tài)抑制(吸收)電路.當(dāng)分接頭切換時，調(diào)節(jié)繞組與SSR形成回路，因此在這個回路中會產(chǎn)生環(huán)流.一旦環(huán)流超過開關(guān)最大允許值將造成保險絲熔斷或SSR損壞，這種過流現(xiàn)象會使有載調(diào)壓分接開關(guān)功能失效，因此為了使開關(guān)的工作安全性和穩(wěn)定性提高必須要限制過流的幅值.SSR3同R串聯(lián)組成的過渡支路并聯(lián)在原來的開關(guān)SSR2兩端，在改變分接頭時，先將過度支路中的SSR3導(dǎo)通，然后關(guān)閉正在導(dǎo)通的SSR，再觸發(fā)與要調(diào)到分接頭相連的SSR后關(guān)斷過渡支路.在整個變換過程中，每一個回路中都有過渡支路，由于限流電阻R的存在，限制了環(huán)流的幅值，從而使轉(zhuǎn)換更穩(wěn)定安全.

圖2 調(diào)壓分接開關(guān)示意圖

1.2 節(jié)能效果分析

通過實驗觀察高壓鈉燈的光通量可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈉燈電壓值在195～230 V的范圍變化時，人眼感覺路燈照度的變化是不大的，這就說明了在降低路燈的輸入電壓后，并不會影響馬路上人與車的正常行進(jìn).當(dāng)進(jìn)入夜深時，由于街道上行人與車輛減少，對路燈的照度要求不高，此時就可以將路燈的輸入電壓調(diào)小，降低照度以達(dá)到節(jié)省電能損耗的目的.附表為常用250 W高壓鈉燈技術(shù)參數(shù).其中高壓鈉燈配套用鎮(zhèn)流器消耗功率為30 W左右，電壓降低時其功率變化可以忽略不計.

對于NG250型高壓鈉燈，通過附表數(shù)據(jù)，電源電壓U=220 V，鈉燈工作電壓UH=100 V，則輸入阻抗Z、燈阻抗ZH、燈電阻RH計算如下.

以容量為50 kVA單相照明變壓器為例，高壓鈉燈工作時的電流3 A，由此按每組70盞燈計算，電壓220 V時變壓器輸出功率W為46.2 kW，根據(jù)附表的參數(shù)和計算數(shù)據(jù)計算電壓為210 V時高壓鈉燈工作電流如下:

通過計算可得電壓為210 V時變壓器輸出功率W1為42.1 kW.節(jié)能率η1值如下:

同樣，當(dāng)電壓為195 V時，可以計算出高壓鈉燈工作電流為2.659 A，得出變壓器此時的輸出功率W2為36.3 kW.節(jié)能率η2值如下:

從以上數(shù)據(jù)可以看出，降壓后節(jié)能效果明顯.

2 系統(tǒng)工作過程及控制策略

本路燈節(jié)能控制器系統(tǒng)由多抽頭自耦變壓器、采樣電路、主控制電路、時控電路、保護(hù)電路等組成.根據(jù)照明負(fù)載的特點和電網(wǎng)電壓的實際情況，實行分相采樣，分相調(diào)壓，具體工作過程中系統(tǒng)根據(jù)實時時鐘芯片中將當(dāng)前的路燈工作狀況進(jìn)行相應(yīng)的檢測并區(qū)別，由單片機輸出觸發(fā)信號控制分接開關(guān)的關(guān)斷，而每個分接開關(guān)對應(yīng)著其相應(yīng)的路燈電壓.由于電力傳輸中有諧波干擾或者其他原因造成電壓運行不穩(wěn)定，因此應(yīng)該時刻檢測路燈端電壓的變化，經(jīng)電流互感器、電壓互感器與采樣電路檢測出電流或者電壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機將數(shù)據(jù)與存儲模塊中的數(shù)據(jù)相比較，如果發(fā)現(xiàn)電流或者電壓過高或者過低，單片機馬上做出調(diào)整，調(diào)節(jié)分接開關(guān)，適當(dāng)?shù)亟档突蛘呱唠妷海詫崿F(xiàn)對路燈過載、過壓等各種情況進(jìn)行控制.控制器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示.本系統(tǒng)采用單片機控制，主控制器采用AT89C51，外圍包含邏輯電路、SSR驅(qū)動電路、采樣電路和電源電路等多個環(huán)節(jié).為了實現(xiàn)場景控制策略、故障檢測和組網(wǎng)的需要，還可以外擴(kuò)各種功能模塊.整個控制器系統(tǒng)要實現(xiàn)的主要功能有:①降壓、穩(wěn)壓功能.可以通過對單片機的設(shè)定，將路燈輸入電壓穩(wěn)定在任低于網(wǎng)壓的固定值上;②定時調(diào)壓.可以按照季節(jié)人流的變化設(shè)計定時策略，在規(guī)定的時間輸出需要的路燈工作電壓;③報警功能.在電路發(fā)生故障時，或者網(wǎng)壓持續(xù)過低或者過高，將產(chǎn)生報警信號;④組網(wǎng)功能.可以根據(jù)需要添加電力載波模塊，通過電力線載波通訊方式建立起底層網(wǎng)絡(luò)，將自身狀態(tài)上報給管理中心計算機.

圖3 調(diào)壓控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件控制系統(tǒng)需要對瞬時電壓、電流值采樣計算，電壓值整定并進(jìn)行邏輯判斷，準(zhǔn)確輸出升、降壓控制命令，而且還可以具有過電壓保護(hù)及報警功能，控制軟件主程序流程圖如圖4所示，具體描述如下:

(1)時控功能，從傍晚路燈啟動到清晨關(guān)閉，根據(jù)交通繁忙情況可大致分為三個階段來進(jìn)行控制，分別為交通高峰期、正常期和低谷期.這樣加上網(wǎng)壓運行，就構(gòu)成了幾個運行時段，這幾個時段主要運用控制器的時控功能;

(2)實時計算，電壓的瞬時采樣值經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換得到離散的瞬時值，利用傅立葉算法可得到交流電壓的有效值，電壓的瞬時測量值與預(yù)先整定標(biāo)準(zhǔn)電壓值相比較后，進(jìn)行邏輯判斷;

圖4 控制系統(tǒng)軟件流程圖

(3)邏輯判斷，設(shè)置每個抽頭對應(yīng)的電壓值的5%為切換整定值，把計算后的電壓實際值同預(yù)先整定值進(jìn)行比較之后作出相應(yīng)的邏輯判斷;

(4)升降壓控制，邏輯判斷后必須持續(xù)一定時限才能發(fā)出升壓或降壓的控制命令，延時可防止負(fù)荷急劇變化引起的無弧有載分接開關(guān)頻繁動作;

(5)保護(hù)功能，當(dāng)變壓器運行分接頭己處于上限或下限位置，經(jīng)邏輯判斷還需要上調(diào)或下調(diào)分接頭，或檢測到系統(tǒng)異常和發(fā)生故障，應(yīng)及時切換到市電網(wǎng)壓狀態(tài).

4 結(jié)論

節(jié)能對城市照明系統(tǒng)的要求越來越高，伴隨城市的發(fā)展，耗能高也是城市發(fā)展亟需解決的問題.本系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心控制部分，通過控制固態(tài)繼電器組成的分接開關(guān)，從而控制自耦變壓器不同抽頭的接通與關(guān)斷，達(dá)到調(diào)節(jié)路燈兩端電壓的效果.該系統(tǒng)引入了先進(jìn)的電力電子技術(shù)，實現(xiàn)了無觸點調(diào)壓，解決了使用電磁式繼電器無法長期頻繁開關(guān)，并且可能產(chǎn)生電弧，致使開關(guān)老化等缺點.本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，工作穩(wěn)定性強，能適應(yīng)戶外等極端的環(huán)境，該系統(tǒng)主要針對城市路燈，工礦照明，公共設(shè)置用電等，可以起到有效的節(jié)能作用，同時不會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波影響，實用性很強.

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