路灯的节能控制设计

1第一章绪论第一节课题背景随着我国城市建设的不断深入，经济高速持续的发展，人们的生活水平也不断提高。在繁华的都市，城市道路、夜景照明已成为城市文明的标志和城市文化的代表。在推进城市亮化工程的进程中，照明光源及调控设备得到了空前的发展。当然，城市照明的电能消耗和灯具损耗也越来越大，由于电力紧张和电费的上涨，照明节能降耗将越来越受到广泛的重视。路灯的节能控制相当重要，用来实现按时开关灯，午夜后降压供电等要求。第二节路灯主要的节能方式目前国内照明节能主要的途径有三种：合理照明；采用高效的节能型光源，也就是使用发光率高的灯泡或灯管；在现有照明系统上加装节能控制设备。从实际应用的角度来看，第二种方案实用于新设计的照明回路。对于已有的照明系统，因需要更换所有灯具，初期投入资金和人力比较大，在不能分批分次更新灯具的照明场所，这样做一次性投入太大。对于有照明系统的节能改造，一般采用加装节能设备，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，从工作原理上大致分为三大类。一、可控硅斩波型照明节能装置原理：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，达到控压节电的目的。这类节能调控设备对照明系统的电压调节速度快，精度高，可分时段调整，有稳定作用，因为主要是电子原件，相对来说体积小、设备轻、成本低。但该调压方式存在一致命缺陷，由于是相控调压，使电压无法实现正弦波输出，还会出现大量谐波，形成对电网系统谐波污染。大功率可控硅斩波型节电设备，因其自身存在谐波污染的缺陷，如果加装滤波设备，成本太高，是不经济的，所以此类设备是不宜用于照明电路中。谐波的危害（一）缩短电力电容器的使用寿命，严重情况下，会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。（二）变压器的铜耗、铁耗增大，减少变压器的实际使用容量，浪费电能。2（三）增加电气设备附加损耗，减少出力，浪费电能，严重时使电气设备过热，烧损。（四）造成开关、接触器等电气设备的误动作，自动化仪表不能正常工作。（五）产生严重的、看不见的电磁波干扰，使有线和无线信号无法接收和传输，影响手机、电视、广播、电脑等设备的正常使用，损害人体正常生理机能。二、自耦降压式调控装置现在市场上最多照明节电产品就是此类产品。它的原理是，通过一个自耦变压器机芯，根据输入电压高低情况，连接不同的变压器抽头，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。这类产品最大的优点是克服了晶闸管相控型产品生产谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，结构和功能都很简单，当然可靠性也比较高。但是不能用来控制照明调控装置进行频繁切换，一般做不到实时稳定电压、多时段调控等功能。三、智能照明节电器智能照明节电器，即智能光源降压—稳压—调光技术。智能照明调控装置工作原理，采用微电脑控制系统，实时采集输出、输入电压信号与最佳照明电压比较，通过计算进行自动调节，从而保证输出最佳的照明系统工作电压。智能照明调控装置在结合前两类节能产品的优点的基础上，克服了其中存在的缺陷，具体优点体现在以下四个方面：（一)优化电力质量，节约照明用电a.稳定最佳工作电压针对电网电压偏高和波动等现象，调控装置可根据用户现场实际需求，实时在线调控输出最佳照明工作电压，并能将其稳定在±2%以内，有效提高电力质量，从而达到节电10%~40%的效果。b.多时段节能运行根据用户实际的照明需求，调控装置还可通过程序进行多时段节能电压设置，从而满足用户不同光源、不同时间的需求，实现最佳照明状态和最大节电率。（二）有效保护电光源，延长其使用寿命a.软启动、慢斜坡影响电光源寿命的一个重要因素是，启动和运行时电流和电压对光源的冲击。为了有效的降低电流冲击和提高灯的寿命，在国外高档灯具产品中，要求灯具有软启动功能。智能调控装置能够实现灯具的软启动和慢斜坡控制过程。灯具在启动时，采用低压软启动，充分预热。该过程可减少40%的启动电流冲击，有效提高光源寿命。在调压、稳压的过程中，智能调控装置采用慢斜坡方式，让电压在设定时间内缓慢过渡，保证光源不受电压、电流波动的冲击，从而降低电光源损坏，延长使用寿命。b.实时稳压、控压在电压波动很大的地方，如电气设备比较多的厂区，一分钟内的电压波动3达到±15%；路灯后半夜的供电电压也会达到250V。智能调控装置高稳定的最佳照明电压，能够延长电光源寿命2~4倍，减少照明运行、维护成本30%~50%。（三)智能照明调控为了满足不同用户对照明灯具控制的需要，智能调控装置有三种运行模式可供选用：a.端子控制节能运行模式b.时间控制节能运行模式c.通讯控制节能运行模式可按现场实际情况，通过天文钟、智能探头或内部编程、远程计算机遥控，实现时控、光控、程控等多种智能化控制。并可根据不同时段、不同灯具、不同亮度要求，每相独立调节，允许100%不平衡。（四)适用性、可靠性a.调控装置每相可独立调节，可操作性强，可以承受三相100%的不平衡负载，且保证单相的故障绝不影响其它两相的正常运行。同一个装置可以带不同类型光源负载，还可以独立调节每相的输出电压。b.调控装置采用手动和自动双旁路系统，以保证照明设备不断电，正常安全运行；c.调控装置控制部分不含交流接触器，无触点和移动元件，保证高可靠性和低功耗。d.可选配GSM/GPRS全球实时（手机）监控系统，通过显示、声音等信号监测设备运行，故障报警，及时采取保护措施。这类照明节电产品成本略高于前两种，可实现智能照明调控、有效保护电光源、降低电能消耗的功能，使用的经济性和可靠性远远好于前两种产品，是目前国际上比较成熟的照明控制解决方案。第二章方案设计第一节路灯的节能原理节能的核心就是在保持合理照度的前提下在电压过高时降压供电，一般在后半夜由于路上行人车辆较少同时灯具如高压钠灯可以在低电压下运行，可以把过高的电网电压降到190V进行供电，极大地节约了电能。第二节主要设计方案设计应该结合各种方案的优缺点，从目前的实际情况出发，进行设计。由于目前节能器比较成熟，设计主要侧重于控制部分的设计。工作部分又有很多方案，比如使用变阻器，步进电机拖动自耦变压器，电力电子器件等。在研究方向上选择使用电力电子器件，如晶闸管，IGBT等。控制部分可以使用手动或自动，如单片机的应用，但还要兼顾应急性，需要同时使用人工控制。计划了3个方案，分别是A人工遥控，B传感器智能控制和C预先编程和4传感器结合控制。一、人工遥控第一种技术较为落后，第二种方案过于复杂可靠性低，最终选择的第三种方案，同时还要结合第一种设置人工干预接口。框图如下：A方案如图1：图1方案A框图人工通过有线或无线方式遥控路灯系统的运行，灵活性高，但是增加了人力成本。而且人工控制的准确性、可靠性不高。二、传感器智能控制B方案如图2图2方案B框图通过传感器来判断时间亮度和电压，综合控制，自动性能好，但过于复杂，遇到特殊情况需要人工参与完成。现在城市中常见的路灯控制系统一般对光照变化对应的开关灯控制环节仍然使用人工控制，很大程度上是为了实现灵活的开关灯时间控制。三、预先编程和传感器结合控制5C方案如图3图3方案C框图这是主要选择的方案。由于全年的日照时间的变化规律是一定的，以此将全年的光照时间变化规律（以XX市所在纬度）记录到单片机中。单片机内有定时器，可以通过内定时器中断来控制开关和调压开始时间。按此运行，就可以实现接近B方案的效果。同时考虑到天气等意外情况，通过人工接口来改变开关灯的时间。同时使用电压传感器，比如变压器等简单装置就可以实现对电压的跟踪，产生反馈，使单片机输出电压控制信号，在一定时间内对电压进行调整。单片机的输出数字信号经过D/A转换和放大，驱动控制器。控制器也有很多选择，比如使用电力电子器件。诸如晶闸管或IGBT，通过改变相位角来实现电压的调整。或者使用步进电机，通过对自耦变压器的调整来调整电压，同时还要驱动电源开关，在这里使用交流接触器，实现开关。还有人工接口，可以使用方案A的办法，或者直接用闸刀开关来操作。最后是一些前面提到的节能措施，在于前面的控制环节没有冲突的情况下可以尽量选择。第三章各部分基本原理这样主体框架就是利用单片机与电力电子器件来实现控制第一节电力电子器件工作原理一、PWM技术电力电子器件也有很多选择，主要有相控节能，利用晶闸管的移相触发，或者PWM整流技术调压。由二极管或晶闸管组成的整流电路，虽然控制简单，成本较低，技术成熟，但输出电流谐波含量很大，总的功率因数很低，已成为电网的主要谐波源。将整流电路中的二极管或晶闸管换成IGBT,MOSFET等自关断器件，并将SPWM技术应用于整流电路，这就形成了PWM整流电路。通过对PWM电路的适当控制，不仅可以使输入电流非常接近正弦波，而且还可以使输6入电流和电压同相位，功率因数近似为1。从80年代提出后，PWM整流电路得到了飞速发展，并迅速成为电力电子技术的一个研究点，其基本原理就是等面积定则。在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相同而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里说的效果基本相同，是指环节相响应输出波形基本相同。如果把输出的各波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常相近，仅在高频段略有差距。于是可以用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。图3用PWM波代替正弦波如图3所示，将正弦波上半波分成宽度相同，但是幅值不等，按照正弦变化分布，则由等面积原则，PWM波形和正弦上半波效果相同。要改变等效输出的正弦波的幅值时，只要按照一定比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。控制方法分为调制法和计算法，一般用到调制法，使用三角波，可以从正弦波中获得SPWM波。同逆变电路相同，PWM整流电路也可分为电流型和电压型两大类，两者的许多特点也分别和相应的逆变电路相似。目前，电压型应用较多，设计选择单相电压型PWM整流电路。图4给出了单相全桥PWM整流电路图4单相全桥PWM整流电路7交流电感Ls包含外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必需的。电阻R，包含外接电抗器的电阻和交流电源内阻，同SPWM逆变电路控制输出电压类似。可在PWM整流电路的交流输入端AB间产生一个正弦调制PWM波UAB。UAB中除了含有与电源同频率的基波分量外，不含低次谐波成分，还含有与开关频率有关的高次谐波。由于电感Ls的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流is产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，is为频率与电源频率相同的正弦波。PWM整流电路的单相等效电路如图5所示。图5单相PWM整流电路等效电路图其中Us为交流电源电压。当Us一定时，is的幅值和相位由UAB中基波分量及其与Us的相位差决定。改变UAB中基波分量的幅值和相位，就可以使is与Us同相位。图6（a）给出了单相PWM整流电路的向量图，其中UN表示电网电压，UAB表示PWM整流电路输出的交流电压，UL为连接电抗器Ls的电压，UR为电网内阻RS的电压。在图5中，UAB滞后UN的相角为φ，IN与UN的相位完全相同，电路工作在整流状态，且功率因数为1。在图9（b）中UAB超前的相角为φ，IN与UN的反相，电路工作在逆变状态，这就是PWM整流电路的基本工作原理。图6PWM整流电路两种运行方式的向量图(a)整流运行(b)逆变运行于是设计PWM整流调压电路如图7所示，使用IGBT和二极管。8图7使用IGBT的PWM整流调压电路图7电路利用SPWM的等面积定则，（即用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波。）使正负半周交替导通，通过对导通角的大小调整来实现电压调整。由于要调节一路路灯，总电压为220V，总电流60A，最大电压按照最严重的浮动情况，上浮15%，即253V，69A。考虑到要有一定的安全余量，应选择两倍左右的容量的器件，即5