路灯节能控制器的设计

摘要目前，城市道路照明在整个照明耗电中占了很大的比例，以往的路灯照明技术存在很多弊端，在后半夜因行人稀少，而应该降低路灯的照度，以避免造成光源污染，影响居民的晚间休息，可是传统的路灯照明在后半夜由于用电设备的减少，导致电网电压的升高，灯具的照明度也比上半夜更亮，这不仅造成了电能的浪费也由于电压的升高灯具大量发热大大降低了灯具的使用寿命，所以考虑到这种情况，本论文设计了一种基于自耦变压器多抽头电压可调的路灯节能装置，将无触点调压方式应用在城市道路照明工程，通过比较多种方式的分接开关优缺点，最终采用固态继电器作为调压的分接开关，对电压过零时刻进行调压，使得路灯的端电压波形能连续平滑。控制器具备调压稳压的特点，具有无触点、多级别调压的优点，调压范围可以达到18%以上。论文主要论述了节能装置的工作原理、设计出了节能装置的主电路，并对分接开关做了合适的选择。控制环节提出以单片机为核心的硬件电路构成，设计了调压控制部分的硬件部分，包括主控制器的选择，采样电路、保护电路、开关的驱动电路设计等多个环节，并且给出了具体的设计参数，在此基础上完成了控制器的硬件制作。软件部分针对节能装置的工作特性与节能方式设计了降压稳压的闭环控制策略、定时调压等实现方法和软件流程。文章的最后按照节能装置的设计思路在调压部分进行了MATLAB的建模仿真，仿真测试按照调压策略观察其输出电压，结果表明，输出电压同设置值基本一致，误差不大，降压、节能效果明显。关键词：节能自耦变压器无触点调压固态继电器AbstractKeyword:目录1、绪论1.1论文概述1.1.1课题背景随着城市建设的飞速发展，我国道路照明工程的日趋大型化，在日益紧迫的能源、环境危机促进下，“节能减排”已成为现阶段城市道路节能的指导思想。对于任何一个城市来说，城市路灯照明是人们日常生活中必不可少的公共设施。目前，我国照明消耗的电能约占电力生产总量的10%一20%，而城市公共照明则在照明耗电中占30%的比例。据统计显示，我国在路灯照明方面每年消耗超过1000亿元的电费，其份额和发展的速度十分惊人，全国各地无不面对电力紧张和电力消费带来的各种问题，如今“节能减排”已经成为我国一项重要的国策。随着城市的发展和现代化建设步伐的不断加快，导致了路灯的不断增加，照明电能消费正在急剧上升,对城市道路照明及城市亮化的工程需求也越来越高，城市照明耗电作为节能技术应用的一个领域,近年来也受到了广泛关注。而能源的供需矛盾也越来越突出，节电节能、绿色照明的要求越来越迫切，越来越高。目前，传统的路灯照明系统存在着许多的弊端，我国绝大部分的城市路灯都采用“全夜灯”的方式进行照明，可是一方面后半夜的行人稀少，如果采用“全夜灯”的方式则浪费太大，因此，有些地方又采用了前半夜全亮而后半夜全灭的“半夜灯”型的照明方式，有些地方在后半夜采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的节电措施，这种方式虽然节约了电费支出，却带来了社会治安和交通的安全隐患，不利于城市形象与社会安全。另一方面，在后半夜因行人稀少，而应该降低路灯的照度，以避免造成光源污染，影响居民的晚间休息。在电力供电的系统中，为了避免送电过程中的线路损耗及用电高峰时造成的未端电压过低，往往都是以较高的电压传输。因此，路灯所消耗的功率都较高，特别是后半夜是用电低谷期，用电设备减少，电力系统电压升高，路灯比白天更亮，这不仅造成了能源浪费，还大大影响了设备和灯具的使用寿命和使用效率，也违背了节电节能的宗旨。电网电压偏高或不稳定或电网不洁净(瞬变、谐波等因素)，不仅带来了高额的电费支出，更会导致灯具发热而大幅度降低灯具的使用寿命，造成维修量及维修费用大幅增加。根据时间与人流量的数理统计规律，当午夜后，人流、车辆减少时，对照度的要求有所下降，随着工厂停工、居民休息用电减少，线路电压更高，对点亮灯具的损伤也更大，同时使路灯产生眩光会增加对人眼睛的伤害，使路面光线分布不均匀，不利于车辆的安全行驶。1.1.2课题研究目的和意义近两年，全国用电量及电负荷增长较快，去年以来已有三分之二的省（区，市）出现了不同程度的缺电甚至拉闸限电的现象，严重影响到经济社会的发展和人民生活水平的提高。据统计，我国照明用电量已占总用量的10%～12%。按照我国提出的“中国绿色照明工程”，照明节电已成为节能的重要方面。路灯是我国经济发展和国家建设中必需的用电设备，它在我国的整体用电量中所占比例巨大，如果通过节能装置对其进行有效控制，就能够降低电力损耗，达到节约能源，降低生产安装成本，有助于我国经济的快速发展。本文研究的智能路灯节能控制系统是一种基于自耦变压器多抽头电压可调的路灯节能装置，将无触点调压方式应用在城市道路照明工程，使用固态继电器作为调压分接开关，在电压过零点时刻进行调压，使得路灯端电压的波形连续平滑。可在路灯的运行中，保持供电设备端电压的稳定，当电网电压出现大的波动时，能相应的做出电压的调节。在后半夜，降低路灯供电设备的端电压，使其工作电压低于电网电压，控制路灯的照明亮度，保证路灯工作在节能状态，不仅没有妨碍交通照明还能提高高压钠灯的使用寿命，防止高压钠灯在后半夜高压的情况下长期照明而降低使用寿命，其降压、节能效果明显，从而达到了节约电能的目的。1.2路灯节能国内外研究现状1.2.1国外研究现状国外对照明节能很早就开始重视，国际研究界提出了一个概念叫做“在保证照明效果下的节电”，认为这样的节电才是科学的、可持续的，这是发达国家在设计道路照明系统的基本思想。在具体的措施上，国际上主要有以下几个特点:(l)大力推动绿色照明，在光源的材料，使用规范上加以有效管理，出台了一系列的标准和管理要求，将照明节能推广到全民范围;(2)不断提高功率器件性能要求，主要体现在镇流装置上技术提高。通过对镇流器技术改进来提高照明设备的功率因数;(3)积极推广节能奖励政策，鼓励民众节能，节电，建立了完善有效的奖励机制。在具体的技术上，国际同国内一样聚焦在交流调压方面，如何能快速稳定的调节电压也是国际上各大企业研发的重要目标，其研发方向主要有以下几种。(l)净化式的交流稳压电源它之所以叫做净化式主要是强调这种交流稳压设备对电网的干扰具有相当强的抑制作用。对于拥有大批进口、精密贵重仪器设备的单位来说，电压波动将造成很大的危害，而使用配有交流稳压电源的用电设备当电压异常时，除了交流稳压电源报警外，不会造成设备的损坏。交流稳压电源除稳压外，对负载也起了一定的保护作用。因此，交流稳压电源越来越受到人们的重视，并成为各单位的必配设备。交流净化稳压电源由调整电路、零脉冲产生电路、同步锯齿波发生电路、脉宽调制驱动放大电路、误差取样放大电路、直流稳压电源、过压保护电路等部分组成，它已成为当前计算机及其它精密电子设备最主要的交流稳压设备。一般设备配置的净化式的交流稳压电源的主电路原理如图1所示。图1其工作原理是由L1、C1、L2、C:组成一个参数谐振电路，在一定的工作频率下，通过控制可控硅的关断来改变L:的值，相应的C1上的电压也会发生改变，从而起到对输出电压V0的调整和稳定作用。净化电源的主回路结构决定了它必然有较强的抗干扰功能，但仅限于中低频率段，对于高频(例如几兆赫兹)段，仍需附加高频滤波器，这样就能使其抗干扰性更强，应用更加广泛。然而，由于容量问题，大功率的交流净化电源的设计比较复杂，体积很大，现阶段只能应用于单灯或者小型道路照明节能系统，相应的技术研发也正在进行。(2)交流斩波调压交流斩波调压方式不像传统的相控调压方式，在电源电压的一个周期内把正弦波砍去几块，而是使用开关元件将正弦波斩成许多小块，当采用定频调宽斩波方式时，用占空比D＝τ/T来控制输出电压的大小。当斩波频率f选定时，斩波周期T为定值，输出电压的大小取决于占空比D的大小。当D=O时，开关元件完全关断，输出电压为零；当D=1时，开关元件完全开通，输出全电压。交流斩波调压的研究重点主要集中在双向开关的实现以及不同性质负载的控制方法上。在交流调速，调热系统中均取得了不错的成果，具有快速响应、不会产生低次谐波、体积小、成本低等优点，十分符合道路照明节能系统改造的要求，但目前在道路照明领域的应用中不是十分广泛。1.2.2国内研究现状我国照明节能标准是从1996年开始实施中国绿色照明工程以后，得到了社会各界和国际社会的广泛关注和支持，在各个地区、有关部门、各个单位和企业的共同努力下，在联合国开发计划署和全球环境基金的积极参与和资助下开展的。通过这些年的工作取得了显著的成效，积累了丰富的经验，为改善照明质量，节约照明用电和保护环境，建立优质高效、经济舒适、安全可靠的照明环境，促进社会经济可持续发挥了积极的作用。同国际相比，国内节能装置在技术和质量上还有待提高，目前国内在研究照明节能主要的途径有两种：1、采用高效的节能型光源，也就是使用发光效率高的灯泡或灯管；2、在现有照明系统上加装节能控制设备；加装节能设备，较为经济和实用，目前国内销售的照明节能设备很多，其中照明控制调控装置所占比例最大。从工作原理上大致可以分为三大类，可控硅斩波型照明节能装置、自耦降压式调控装置、智能照明节电器。可控硅斩波型照明节能装置：采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管（可控硅）的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，从而降低了输出电压的平均值，可以达到控压节电的目的。自耦降压式调控装置：通过一个自耦变压器机芯，根据输入电压高低情况，接连不同的固定变压器抽头，将电网电压降低5、10、15、20V等几个档，从而达到降压节电的目的。智能照明节电器：通过一个自耦变压器机芯，根据输入电压高低情况，接连不同的固定变压器抽头，将电网电压降低5、10、15、20V等几个档，从而达到降压节电的目的。控硅（相控）型优点是，可实时精确控制输出电压，满足照明用电的最佳值，缺陷是电压无法实现正弦波输出，有谐波污染。而自耦降压型的优点正好是能做到电压正弦波输出，却不能实现电压的自动精确控制，只能固定降压，不能升压和稳压，如果能将两者优势结合互补，去除缺陷，就是比较理想的照明节能产品了。1.3本论文的主要工作本论文结合国内外路灯节能的研究成果，比较几种常用的路灯节能控制方法分析其优缺点。采用无触点的调压方式，讨论了基于自耦变压器多抽头电压可调的节能方式。详细设计了路灯智能控制系统的硬件结构、电路设计。论文研究的主要内容如下：（1）对目前我国城市路灯照明中使用的高压钠灯的照明度、端电压和使用寿命之间的关系进行分析。（2）对目前我国己经实现的节能装置进行调研，再根据城市后半夜的路灯使用状况和电压变化提出可行的经济性能良好的设计方案。（3）设计路灯节能装置控制部分的控制方式,实现其硬件功能。（4）对提出的节能方案进行仿真试验，验证理论研究的正确性。2、道路照明系统调压节能原理分析2.1高压钠灯的工作状况目前，几乎80%以上的路灯照明均是采用高压钠灯，高压钠灯具有等高效、节能、寿命长、穿透性好、不诱虫等突出的特点，为HID灯的代表，属于第三代照明光源，很适用于道路这种大空间对显色要求较低、照明要求较高的场合，所在各种道路照明上得到了广泛的应用。它的发光效率很高，可高达32Im/W，放电稳定时,灯内钠蒸气的分压可以强到106Pa的钠灯。使用时发出金白色光，其设计寿命在12000小时以上，在正常情况下至少可用3年，但是由于超压使用，现在路灯灯泡的实际寿命只有1年左右，有的甚至只有几个月，造成维护和材料的浪费极大。以下是高压钠灯的端电压、照明度、使用寿命的关系表：端电压80%90%100%110%照明度87%93%一97%100%110%使用寿命0.8210.5评价差最好好最差从上表可以看出，当高压钠灯电压下降到额定电压（22OV）的90%时，高压钠灯的照度只衰减3至7个百分点，从人体视觉学看，人体对光强的感知是以对数变化的，也就是说，光的照度降低7%，相对应人对光的感知只下降1.6%，几乎不会察觉，但此时电能节省19%左右，同时大大提高了路灯的