基于無觸點調壓技術的路燈節能控制器

金鈞，趙宏勛，周帥

(大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著社會的發展和進步，能源問題己經成為全球最為關注的問題之一，能源危機己經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、生活，甚至嚴重影響到我國經濟的發展與社會文明的進步.目前工業及家庭照明所耗電能占我國發電總量的10%～20%，在其中城市公共交通照明的比例則占30%，隨著我國城鎮化進程的發展，這個比例還有上升的趨勢.在公共照明快速發展的同時，我們應該看到，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，根據最常用高壓鈉燈的工作特性隨電源電壓變化的規律，當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，而此時由于用電負荷的減少，網壓會逐漸升高，路燈反而會比平常更亮.目前高壓鈉燈的設計壽命在12 000 h以上，正常使用可以達到3年以上，但是由于長期工作在超壓狀態，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，在這個狀態下既可以滿足正常的照度需要，又可以實現節能，還能延長燈具的使用壽命.目前市場上有多種路燈節能控制產品，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，優點是結構簡單，做到電壓正弦波輸出，其不足是反應時間慢，不能自動調節，電壓不穩定.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成的可控硅設備，其優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，最大的弊端是不能做到電壓正弦波輸出，產生的諧波污染電網［7-9］.

1 系統基本原理

1.1系統工作原理及主電路圖

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

圖1 路燈節能控制器主電路圖

如圖1所示，K1是主開關，其開關方式可以采用時控、光控、人工幾種方式.K2是保護開關，由檢測控制電路對保護電路進行控制，當系統輸出電壓過、欠壓或調壓系統工作不正常時，系統還能自動切換到“旁路”狀態，轉到市電供電，不會造成照明負載的供電中斷.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繼電器，L是工作路燈，自耦變壓器的幾個抽頭通過固態繼電器與工作路燈接通，通過控制各個固態繼電器的關斷實現改變工作路燈的網端電壓.

系統調壓的過程需要照明系統正常的工作，不能對照明系統的穩定造成影響，因此有載調壓開關的設計也是本系統的重要部分.有載調壓技術在當今的電力系統中應用十分廣泛，已經成為配網運行和配網自動化系統不可缺少的重要組成部分［4］.現代電力電子技術和微處理器控制技術的發展使有載調壓的性能和速度有了很快的提高.有載調壓的核心技術是調壓過程的無弧化，而實現無弧調壓的關鍵技術是有載調壓分接開關的設計，從而達到系統需要，本系統通過固態繼電器的引入達到無弧化切換的目的.固態繼電器(SSR)全部由固體元件，半導體器件，微電路芯片構成，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原理.SSR具有靈敏度高，開關速度快，環境適應性好，無噪音，電磁和射頻干擾小，壽命長和高可靠性等一系列優點［5］.

圖2所示為分接開關的示意圖，由于照明燈具同配套鎮流器為非恒阻性，將產生遠大于固態繼電器所能承受的瞬態電壓或稱擊穿電壓，因此在電路中增加了RC瞬態抑制(吸收)電路.當分接頭切換時，調節繞組與SSR形成回路，因此在這個回路中會產生環流.一旦環流超過開關最大允許值將造成保險絲熔斷或SSR損壞，這種過流現象會使有載調壓分接開關功能失效，因此為了使開關的工作安全性和穩定性提高必須要限制過流的幅值.SSR3同R串聯組成的過渡支路并聯在原來的開關SSR2兩端，在改變分接頭時，先將過度支路中的SSR3導通，然后關閉正在導通的SSR，再觸發與要調到分接頭相連的SSR后關斷過渡支路.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，限制了環流的幅值，從而使轉換更穩定安全.

圖2 調壓分接開關示意圖

1.2 節能效果分析

通過實驗觀察高壓鈉燈的光通量可以發現，當鈉燈電壓值在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.當進入夜深時，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小，降低照度以達到節省電能損耗的目的.附表為常用250 W高壓鈉燈技術參數.其中高壓鈉燈配套用鎮流器消耗功率為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，通過附表數據，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，根據附表的參數和計算數據計算電壓為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.節能率η1值如下:

同樣，當電壓為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.節能率η2值如下:

從以上數據可以看出，降壓后節能效果明顯.

2 系統工作過程及控制策略

本路燈節能控制器系統由多抽頭自耦變壓器、采樣電路、主控制電路、時控電路、保護電路等組成.根據照明負載的特點和電網電壓的實際情況，實行分相采樣，分相調壓，具體工作過程中系統根據實時時鐘芯片中將當前的路燈工作狀況進行相應的檢測并區別，由單片機輸出觸發信號控制分接開關的關斷，而每個分接開關對應著其相應的路燈電壓.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定，因此應該時刻檢測路燈端電壓的變化，經電流互感器、電壓互感器與采樣電路檢測出電流或者電壓數據傳輸到單片機，單片機將數據與存儲模塊中的數據相比較，如果發現電流或者電壓過高或者過低，單片機馬上做出調整，調節分接開關，適當地降低或者升高電壓，以實現對路燈過載、過壓等各種情況進行控制.控制器系統的結構框圖如圖3所示.本系統采用單片機控制，主控制器采用AT89C51，外圍包含邏輯電路、SSR驅動電路、采樣電路和電源電路等多個環節.為了實現場景控制策略、故障檢測和組網的需要，還可以外擴各種功能模塊.整個控制器系統要實現的主要功能有:①降壓、穩壓功能.可以通過對單片機的設定，將路燈輸入電壓穩定在任低于網壓的固定值上;②定時調壓.可以按照季節人流的變化設計定時策略，在規定的時間輸出需要的路燈工作電壓;③報警功能.在電路發生故障時，或者網壓持續過低或者過高，將產生報警信號;④組網功能.可以根據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絡，將自身狀態上報給管理中心計算機.

圖3 調壓控制器系統結構圖

3 系統的軟件設計

軟件控制系統需要對瞬時電壓、電流值采樣計算，電壓值整定并進行邏輯判斷，準確輸出升、降壓控制命令，而且還可以具有過電壓保護及報警功能，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閉，根據交通繁忙情況可大致分為三個階段來進行控制，分別為交通高峰期、正常期和低谷期.這樣加上網壓運行，就構成了幾個運行時段，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過AD轉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先整定標準電壓值相比較后，進行邏輯判斷;

圖4 控制系統軟件流程圖

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

(4)升降壓控制，邏輯判斷后必須持續一定時限才能發出升壓或降壓的控制命令，延時可防止負荷急劇變化引起的無弧有載分接開關頻繁動作;

(5)保護功能，當變壓器運行分接頭己處于上限或下限位置，經邏輯判斷還需要上調或下調分接頭，或檢測到系統異常和發生故障，應及時切換到市電網壓狀態.

4 結論

節能對城市照明系統的要求越來越高，伴隨城市的發展，耗能高也是城市發展亟需解決的問題.本系統以AT89C51單片機為核心控制部分，通過控制固態繼電器組成的分接開關，從而控制自耦變壓器不同抽頭的接通與關斷，達到調節路燈兩端電壓的效果.該系統引入了先進的電力電子技術，實現了無觸點調壓，解決了使用電磁式繼電器無法長期頻繁開關，并且可能產生電弧，致使開關老化等缺點.本系統硬件結構簡單，成本低，工作穩定性強，能適應戶外等極端的環境，該系統主要針對城市路燈，工礦照明，公共設置用電等，可以起到有效的節能作用，同時不會對電網產生諧波影響，實用性很強.

［1］楊韜.城市道路照明的節能設計［J］.燈與照明，2006，30(4):45-48.

［2］賀曉萍，張萬奎.高壓鈉燈供電電壓的優化［J］.大眾用電，2008(1):17-18.

［3］鄒常茂，韓慶軍.國內智能照明節電器設備的現狀與技術特性［J］.節能與環保，2003(12):52-53.

［4］萬凱，劉會金.晶閘管輔助機械開關無弧有載調壓技術［J］.繼電器，2002，30(11):5-9.

［5］陳敏.關于電力電子有載調壓分接開關的探討［J］.中國新技術新產品，2009(3):97-98.

［6］袁佑新.基于模糊控制的智能路燈節能電器設計［J］.機床與液壓，2007(5):22-24.

［7］胡開明，李躍忠，盧偉華.智能路燈節能控制器的設計與實現［J］.現代電子技術，2009(9):143-145.

［8］郭愛華.變壓器調壓線圈的環流損耗計算及結構改進［J］.變壓器，1994，31(12):14-15.

［9］LUO PING，LIU QING － CHENG.A new type of on-load tap ehanger without arcing［J］.ELECTRIC POWER，2003(36):21-23.