體育館智能照明控制系統研究
2010-12-31 00:00:00劉田茜
現代商貿工業 2010年9期
摘 要:研究的是一種適用于體育館智能照明的控制系統，在綜合考慮幾種節能方法的基礎上，設計了一種全新的控制器，可以完成電壓預測和提前調節照度等功能。分別從背景、方案論證、系統硬件設計進行說明，對于控制電路的核心二進制調壓器作了十分詳細的解釋說明。通過研究證明了此種照明控制方式的實時性、可靠性，能夠滿足體育場館照明系統的節能控制要求。
關鍵詞:智能照明;超前調節;電壓預測;照度
中圖分類號:TP
文獻標識碼:A
文章編號:1672-3198(2010)09-0335-02
1 背景
隨著我國體育事業的蓬勃發展，全國各地每年都要新建和改造大量的體育建筑，并在其中大量應用智能照明系統。它是根據某一區域的功能、每天不同的時間、館內外光亮度或該區域的用途來自控制照明。其中最重要的一點就是可進行預設，即具有將照明亮度轉變為一系列設置的功能。可由調光器系統或中央建筑控制系統自動調用智能照明系統。智能照明系統在體育建筑中具有重要的地位，可以比喻為體育建筑中的照明控制的“中樞神經”系統。
2 總體方案設計
2.1 照明光源的選擇
高壓鈉燈可以進行調光，只要采用合適的措施保證燈在交流的每半個周期能重復點火，高壓鈉燈的光輸出就可以調低至正常值的10%。通常是調到正常值的一半。這時，系統的功耗減少到正常值的65%。所以，針對場館照明的特點和要求，在本研究中采用的燈具為高壓鈉燈。
2.2 控制設備的選擇
目前國內照明節能主要的途徑有兩種。一是采用高效的節能型光源，也就是使用發光效率高的燈泡或燈管，二是在現有照明系統上加裝節能控制設備。從實際應用的角度來看，第一種方案適用于新設計的照明回路。對于已有的照明系統，因需更換所有燈具，初期投入資金和人力比較大，在不能分批分次更新燈具的照明場所，這樣做一次性投入太大。對現有照明系統的節能改造，一般采用加裝節能設備較為經濟和實用。目前國內銷售的照明節能設備很多，其中照明控制調控裝置所占比例最大。從工作原理上大致分為可控硅斬波型照明節能裝置、自耦降壓式調控裝置和智能照明節電器。
智能照明調控裝置采用微電腦控制系統，實時采集輸出、輸入電壓信號與最佳照明電壓比較，通過計算進行自動調節，從而保證輸出最佳的照明系統工作電壓。這類照明節電產品成本略高于前兩種，可實現智能照明調控、有效保護電光源、降低電能消耗的功能，使用的經濟性和可靠性遠遠好于前兩種產品，是目前國際上比較成熟的照明控制解決方案。
3 總體方案
由于高壓鈉燈傳遞函數具有慣性特性，基于這一特點可以對電壓波動進行預測。使得調壓控制有了提前量，既能減少電壓波動對燈具的影響，又達到節能目標。控制器CPU選擇為51單片機。調壓部分選擇自耦變壓器進行二進制調壓。調壓范圍為0-30V，調壓最小幅度為2V。由單片機控制晶閘管的導通與關斷來選擇是否接入自耦變壓器。出于對電網無功的考慮，還需進行功率因數的補償。由電壓電流采樣值計算功率因數，單片機決定是否投入補償電容。以下是系統工作框圖1。
控制器的核心部分是采樣調壓電路。它采用二進制調壓方式，由自耦變壓器和晶閘管組成。晶閘管組相當于矩陣式開關。單片機通過計算判定接通哪幾個晶閘管來控制自耦變壓器的接入，實現調壓功能。以下是采樣調壓部分工作框圖2:
圖2 調壓部分框圖
4 調壓電路設計
控制電路的核心是二進制調壓器，這是穩壓和節能的主要功能部件，包含三個三相變壓器。變壓器原邊額定電壓相等，均為240V，副邊額定電壓按2的整數倍遞增，分別為2V、4V、8V、16V，因此又叫做二進制變壓器組，該穩壓器也叫做二進制穩壓器。穩壓器的副邊串聯在負載中，對電網電壓起補償作用，當電網電壓大于穩壓值或小于穩壓值時，控制器根據偏離穩壓值的大小，決定該投入的變壓器組合。例如，穩壓值為220V，當電源電壓為234V時，控制器檢測到輸出電壓升高，然后通過控制繼電器的關斷、導通，改變接觸器開關，接觸器控制著變壓器的工作或者短路，此時讓2V、4V、8V變壓器投入，剛好可以調整輸出值到220V。
考慮到一個十進制數總可以用有限位二進制表示，如:
10=8+2=(1010)2
15=8+4+2+1=(1111)2
28=16+8+4=(11100)2
這樣，如果有副邊額定電壓為20、21…的變壓器可供選擇投入，那么對所有的電網電壓Ui，都能投入相應的變壓器，使輸出U0不變。投入的變壓器選擇原則是將Ui、U0的偏差轉化為二進制，1所代表的就是投入相應的變壓器。主電路(單相)電路圖如圖3所示:
圖3 調壓器主電路
工作原理為:
U0=Ui=S0(S1×2+S2×4+S3×8+S4×16)
其中，Si(i=1，2，3，4)=1，0。當Ui≥U0時，Kn閉合，Km常開，S0=1;當時，Km閉合，Kn常開，S0=-1。1表示導通，0表示斷開。
為了吸收晶閘管動作時產生的瞬時能量和短暫的電壓沖擊，在每一相反并聯的晶閘管上并聯上緩沖電路，緩沖電
路由電阻和電容串聯組成，緩沖電路同時能夠減小晶閘管
器件的電壓上升率dV/dt，從而防止誤觸發及保護晶閘管不被損壞。
晶閘管組K1、K5控制2V變壓器的投入，K2、K6控制4V變壓器，K3、K7控制8V變壓器，K4、K8控制16V變壓器。取1表示投入，取0表示短接。如當Ui高于額定電壓U0時，各系數的取值和晶閘管狀態如表1。
表1 Ui≥U0時觸發狀態表S0=1
調整電壓S1S2S3S4KmKnK1K2K3K4K5K6K7K
由表1可知:
(1)穩壓系統可調電壓2V、4V、6V、8V、10V、12V、14V、16V、18V、20V、22V、24V、26V、28V、30V，允許電網電壓為:220±30V，變化幅度為額定電壓的13.6%，完全可以適應低壓照明系統的電壓變化。
(2)最大偏差2V，小于額定電壓的1%，精度高。
(3)電壓調節不是連續調節，是在電壓變化達到一定幅度時才動作
(4)晶閘管的閉合、打開，由單片機直接控制，因此控制準確，可靠性非常高。
參考文獻
[1]陳白瑤，劉啟彬.體育場的電氣設計與智能化[J].照明工程學報，2008，(4):45-47.
[2]吳永橋，金康進，施光林.基于單片機的節電照明控制系統[J].世界電子元器件，2004，(4):47-49.
[3]丁寶，蔣進.樓宇照明系統節能研究[J].節能技術.2007，(2):136-138.
