基于无触点调压技术的路灯节能控制器

金钧，赵宏勋，周帅

(大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116028)

0 引言

随着社会的发展和进步，能源问题己经成为全球最为关注的问题之一，能源危机己经成为全人类所面临的主要危机，特别是我国的电力能源近年来显得十分吃紧，电力紧张阻碍着我们的日常生产、生活，甚至严重影响到我国经济的发展与社会文明的进步.目前工业及家庭照明所耗电能占我国发电总量的10%～20%，在其中城市公共交通照明的比例则占30%，随着我国城镇化进程的发展，这个比例还有上升的趋势.在公共照明快速发展的同时，我们应该看到，大量的电能也随之浪费.城市的照明灯具大多采用气体放电灯具，由于气体放电灯消耗的功率取决于输入电压，根据最常用高压钠灯的工作特性随电源电压变化的规律，当工作电压上升至额定电压的106%时，钠灯的功耗将上升至额定功率的115%［1-2］;当工作电压上升至额定电压的110%时，钠灯的功耗将上升至额定功率的130%.大部分的城市12点以后，车流量大为减少，而此时由于用电负荷的减少，网压会逐渐升高，路灯反而会比平常更亮.目前高压钠灯的设计寿命在12 000 h以上，正常使用可以达到3年以上，但是由于长期工作在超压状态，使其寿命只有1年左右，甚至只有几个月，这就造成了电能和维护成本的极大浪费［3］.实验证明，200～210 V是气体放电灯最佳的工作状态，在这个状态下既可以满足正常的照度需要，又可以实现节能，还能延长灯具的使用寿命.目前市场上有多种路灯节能控制产品，主要分成两大类:①采用自耦变压器及磁饱和电抗器的降压技术，优点是结构简单，做到电压正弦波输出，其不足是反应时间慢，不能自动调节，电压不稳定.针对磁饱和电抗器来说，效率还比较低［4-6］;②采用电力电子器件构成的可控硅设备，其优点是实时精确控制输出电压值，满足照明用电的最佳值，由于其主要采用相控技术，最大的弊端是不能做到电压正弦波输出，产生的谐波污染电网［7-9］.

1 系统基本原理

1.1系统工作原理及主电路图

本系统的核心是一个多抽头带有载分接开关的自耦式调压变压器.其整个线圈分为两部分，它们分别是并励线圈和串联线圈.其中，并励线圈为自耦变压器的公共绕组，它可以产生传递能量的磁场;串联线圈是一个有多个抽头的绕组，这些抽头通过分接开关的不同接点串联在输入与输出之间，它是用来调节输出电压的绕组，各个抽头的变压比是固定的，分别降5、10、15、20 V 等.这样当网压升高时，就可以通过接通各个抽头从而实现降压的目的.控制器主要由高压工作部分和低压控制部分构成，其主电路实现如图1所示.

图1 路灯节能控制器主电路图

如图1所示，K1是主开关，其开关方式可以采用时控、光控、人工几种方式.K2是保护开关，由检测控制电路对保护电路进行控制，当系统输出电压过、欠压或调压系统工作不正常时，系统还能自动切换到“旁路”状态，转到市电供电，不会造成照明负载的供电中断.T是一个多抽头的自耦变压器，SSR1、SSR2、SSR3是电力电子器件固态继电器，L是工作路灯，自耦变压器的几个抽头通过固态继电器与工作路灯接通，通过控制各个固态继电器的关断实现改变工作路灯的网端电压.

系统调压的过程需要照明系统正常的工作，不能对照明系统的稳定造成影响，因此有载调压开关的设计也是本系统的重要部分.有载调压技术在当今的电力系统中应用十分广泛，已经成为配网运行和配网自动化系统不可缺少的重要组成部分［4］.现代电力电子技术和微处理器控制技术的发展使有载调压的性能和速度有了很快的提高.有载调压的核心技术是调压过程的无弧化，而实现无弧调压的关键技术是有载调压分接开关的设计，从而达到系统需要，本系统通过固态继电器的引入达到无弧化切换的目的.固态继电器(SSR)全部由固体元件，半导体器件，微电路芯片构成，无任何机械动作零件和触点，具有完全不同于有触点电磁继电器的开关原理.SSR具有灵敏度高，开关速度快，环境适应性好，无噪音，电磁和射频干扰小，寿命长和高可靠性等一系列优点［5］.

图2所示为分接开关的示意图，由于照明灯具同配套镇流器为非恒阻性，将产生远大于固态继电器所能承受的瞬态电压或称击穿电压，因此在电路中增加了RC瞬态抑制(吸收)电路.当分接头切换时，调节绕组与SSR形成回路，因此在这个回路中会产生环流.一旦环流超过开关最大允许值将造成保险丝熔断或SSR损坏，这种过流现象会使有载调压分接开关功能失效，因此为了使开关的工作安全性和稳定性提高必须要限制过流的幅值.SSR3同R串联组成的过渡支路并联在原来的开关SSR2两端，在改变分接头时，先将过度支路中的SSR3导通，然后关闭正在导通的SSR，再触发与要调到分接头相连的SSR后关断过渡支路.在整个变换过程中，每一个回路中都有过渡支路，由于限流电阻R的存在，限制了环流的幅值，从而使转换更稳定安全.

图2 调压分接开关示意图

1.2 节能效果分析

通过实验观察高压钠灯的光通量可以发现，当钠灯电压值在195～230 V的范围变化时，人眼感觉路灯照度的变化是不大的，这就说明了在降低路灯的输入电压后，并不会影响马路上人与车的正常行进.当进入夜深时，由于街道上行人与车辆减少，对路灯的照度要求不高，此时就可以将路灯的输入电压调小，降低照度以达到节省电能损耗的目的.附表为常用250 W高压钠灯技术参数.其中高压钠灯配套用镇流器消耗功率为30 W左右，电压降低时其功率变化可以忽略不计.

对于NG250型高压钠灯，通过附表数据，电源电压U=220 V，钠灯工作电压UH=100 V，则输入阻抗Z、灯阻抗ZH、灯电阻RH计算如下.

以容量为50 kVA单相照明变压器为例，高压钠灯工作时的电流3 A，由此按每组70盏灯计算，电压220 V时变压器输出功率W为46.2 kW，根据附表的参数和计算数据计算电压为210 V时高压钠灯工作电流如下:

通过计算可得电压为210 V时变压器输出功率W1为42.1 kW.节能率η1值如下:

同样，当电压为195 V时，可以计算出高压钠灯工作电流为2.659 A，得出变压器此时的输出功率W2为36.3 kW.节能率η2值如下:

从以上数据可以看出，降压后节能效果明显.

2 系统工作过程及控制策略

本路灯节能控制器系统由多抽头自耦变压器、采样电路、主控制电路、时控电路、保护电路等组成.根据照明负载的特点和电网电压的实际情况，实行分相采样，分相调压，具体工作过程中系统根据实时时钟芯片中将当前的路灯工作状况进行相应的检测并区别，由单片机输出触发信号控制分接开关的关断，而每个分接开关对应着其相应的路灯电压.由于电力传输中有谐波干扰或者其他原因造成电压运行不稳定，因此应该时刻检测路灯端电压的变化，经电流互感器、电压互感器与采样电路检测出电流或者电压数据传输到单片机，单片机将数据与存储模块中的数据相比较，如果发现电流或者电压过高或者过低，单片机马上做出调整，调节分接开关，适当地降低或者升高电压，以实现对路灯过载、过压等各种情况进行控制.控制器系统的结构框图如图3所示.本系统采用单片机控制，主控制器采用AT89C51，外围包含逻辑电路、SSR驱动电路、采样电路和电源电路等多个环节.为了实现场景控制策略、故障检测和组网的需要，还可以外扩各种功能模块.整个控制器系统要实现的主要功能有:①降压、稳压功能.可以通过对单片机的设定，将路灯输入电压稳定在任低于网压的固定值上;②定时调压.可以按照季节人流的变化设计定时策略，在规定的时间输出需要的路灯工作电压;③报警功能.在电路发生故障时，或者网压持续过低或者过高，将产生报警信号;④组网功能.可以根据需要添加电力载波模块，通过电力线载波通讯方式建立起底层网络，将自身状态上报给管理中心计算机.

图3 调压控制器系统结构图

3 系统的软件设计

软件控制系统需要对瞬时电压、电流值采样计算，电压值整定并进行逻辑判断，准确输出升、降压控制命令，而且还可以具有过电压保护及报警功能，控制软件主程序流程图如图4所示，具体描述如下:

(1)时控功能，从傍晚路灯启动到清晨关闭，根据交通繁忙情况可大致分为三个阶段来进行控制，分别为交通高峰期、正常期和低谷期.这样加上网压运行，就构成了几个运行时段，这几个时段主要运用控制器的时控功能;

(2)实时计算，电压的瞬时采样值经过AD转换得到离散的瞬时值，利用傅立叶算法可得到交流电压的有效值，电压的瞬时测量值与预先整定标准电压值相比较后，进行逻辑判断;

图4 控制系统软件流程图

(3)逻辑判断，设置每个抽头对应的电压值的5%为切换整定值，把计算后的电压实际值同预先整定值进行比较之后作出相应的逻辑判断;

(4)升降压控制，逻辑判断后必须持续一定时限才能发出升压或降压的控制命令，延时可防止负荷急剧变化引起的无弧有载分接开关频繁动作;

(5)保护功能，当变压器运行分接头己处于上限或下限位置，经逻辑判断还需要上调或下调分接头，或检测到系统异常和发生故障，应及时切换到市电网压状态.

4 结论

节能对城市照明系统的要求越来越高，伴随城市的发展，耗能高也是城市发展亟需解决的问题.本系统以AT89C51单片机为核心控制部分，通过控制固态继电器组成的分接开关，从而控制自耦变压器不同抽头的接通与关断，达到调节路灯两端电压的效果.该系统引入了先进的电力电子技术，实现了无触点调压，解决了使用电磁式继电器无法长期频繁开关，并且可能产生电弧，致使开关老化等缺点.本系统硬件结构简单，成本低，工作稳定性强，能适应户外等极端的环境，该系统主要针对城市路灯，工矿照明，公共设置用电等，可以起到有效的节能作用，同时不会对电网产生谐波影响，实用性很强.

［1］杨韬.城市道路照明的节能设计［J］.灯与照明，2006，30(4):45-48.

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［3］邹常茂，韩庆军.国内智能照明节电器设备的现状与技术特性［J］.节能与环保，2003(12):52-53.

［4］万凯，刘会金.晶闸管辅助机械开关无弧有载调压技术［J］.继电器，2002，30(11):5-9.

［5］陈敏.关于电力电子有载调压分接开关的探讨［J］.中国新技术新产品，2009(3):97-98.

［6］袁佑新.基于模糊控制的智能路灯节能电器设计［J］.机床与液压，2007(5):22-24.

［7］胡开明，李跃忠，卢伟华.智能路灯节能控制器的设计与实现［J］.现代电子技术，2009(9):143-145.

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