CN100544187C - 智能型感性线圈电气参数n阶调谐法及产品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能型感性线圈电气参数N阶调谐法和采用该方法的嵌入式控制系统，它利用嵌入式控制系统对感性线圈制成的电感、变压器、变流器的感抗、电流、电压、功率电气参数实现2的N阶次方的线性或非线性调谐；嵌入式控制系统包括嵌入式控制器，它的信号输入端分别与温度采集元件、电压采集元件、电流采集元件、脉冲检测电路、状态检测电路连接；所述嵌入式控制器的控制信号输入端口有USB接口，用于连接电脑；所述嵌入式控制器的输出端通过控制继电器和控制开关与感性线圈制成的电感、变压器、变流器连接；可进行宽范围、窄波幅的阶梯式线性或非线性调节。

Description

智能型感性线圈电气参数N阶调谐法及产品

技术领域

本发明涉及一种对电网中感性线圈制成的电感、变压器、变流器电气参数进行组合式控制和调谐的方法，以及采用该方法的嵌入式控制系统。

背景技术

目前，大部分电感线圈、变压器、变流器采用传统的多抽头方法，用多路选择开关或滑动触头实现电气参数的调节，原理如图1和图2所示。

图1为采用多路选择开关的调谐方式，当线圈的抽头为N个时，有N个开关连接到每一个抽头上，当其中的一个开关闭合时，其输出就等于对应于这个开关抽头的电气参数值，一般情况下，这种结构在同一时间内，只允许一个开关闭合，其它开关处于断开状态。

图2为采用滑动或旋转触头选择连接的调谐方式，当线圈的抽头为N个时，输出滑动或旋转触头只有一个。需要调谐电气参数时，将滑动或旋转触头连接到所选定的目标抽头上，其输出就等于对应于这个开关抽头的电气参数值。这种结构与图1的结构原理一致，只是采用了滑动或旋转的动触头作为选择开关。由于是机械式的动作机构，需要控制触头的正确位置，以确保触头的接触良好和连接线圈的位置正确。这种结构的调谐方式已在各种交直流调压、稳压器，变压器有载调压开关等设备上得到了广泛的应用。

上述两种调节控制方式构成的电感器、变压器、变流器结构简单，但都存在以下的缺陷：

(a)调节范围小，当线圈的抽头为N时，可调节参数的档位最多只能为N个，调节的变化范围也只能是N个，无法适应多变化的调节。

(b)可调节的精度低，可调节精度由固定的档位决定，当每一个档位对应的电气参数值被设计加工确定后，每调节一次的变化值也就确定了，即只能有N个变化值，每一次的调节精度也只能由档位的精度确定，无法采用调节补偿的方法进行修正。

在目前的路灯供电系统中，由于供电线路有很大压降且供电电压不能调节，路灯供电线路的始端电压大于220V，一般是240V左右，有的达到250V以上，末端又出现低于200V的情况，造成末端路灯无法点亮。

例如HID型路灯的寿命可达2万小时左右，但实际使用中往往只能达到2千小时就无法工作了，主要原因是没有稳定地工作在额定电压的范围内。无论是为了延长路灯寿命还是节能，稳定的供电电压对于HID型路灯都是很有必要性的。目前运用在照明的交流调压设备从工作原理上大致分为几类：

(a)可控硅斩波型照明节能装置：通过在电压过零点延迟触发控制导通角的大小，从而调节平均电压，此种电路简单、成本低、体积小，但由于控制后把正弦波斩掉一部分，产生了很多谐波，对电网污染极大，且对电感整流器和路灯都不利，所以此种调压方式只存于部分照明控制，并不适用于路灯调压。

(b)接触器自耦型调压：通过切换自耦变压器的抽头输出实现电压调节，变压器消耗的材料小，造价低，效率高，但调节电压不能满足实际调压精度，比如有四个抽头输出只能有四种电压输出(相对固定输入电压)，接触器切换的时候电流很大，切换次数多的话很容易损坏，而且切换过程由于机械延时会造成路灯闪烁或者灭灯。

(c)连续补偿调压：利用电机拖动电刷在线圈表面滑动或滚动，改变线圈的变比而调节输出电压，这种调压方式可以实现无级平滑调节，调节精度高，但此种调节系统复杂，成本高，且电刷和触点都容易损坏。

现有用于节能的电感镇流器采用的是双功率输出，一个输出接头，两个输入接头：一个用于正常工作，一个用于限流节能。用一个定时器定时控制电感镇流器工作在正常或节能状态。此控制简单，成本低，但这种方案存在三个缺陷：

(a)由于输入条件不一样，负载性能也不一样，当电感镇流器处于节能状态的时候有可能会因为电流太小造成照度不够，或者输出电流仍然大大超过额定电流造成不必要的损耗。

(b)切换电路采用继电器或者接触器直接切换，切换的触点很容易损坏。

(c)切换过程有机械延时，路灯容易出现闪烁或者灭灯现象。

发明内容

为了克服以上技术不足之处，本发明提供一种能自动对感性线圈电气参数实现2的N次方档位调节，又可以实现精细平滑控制的调谐方法，以及采用该方法的嵌入式控制系统。

一种智能型感性线圈电气参数N阶调谐法，利用嵌入式控制系统对感性线圈制成的电感、变压器、变流器的感抗、电流、电压、功率电气参数实现2的N阶次方的线性或非线性调谐；在该方法中感性线圈被制作成独立的N组，设定的基本电气参数为E，第一组线圈的电气参数被设计并加工为F1*E，其控制值为K1*F1*E，第N组线圈的电气参数被设计并加工为Kn*E，其控制值为Kn*Fn*E，其中F1—Fn为每一组线圈的电气参数的比例因子，根据应用的特性在设计时确定，一般比例因子选择2的等比倍数，K1—Kn为每一组线圈的控制因子，由嵌入式控制器根据控制目标进行控制，K1—Kn选择二进制的逻辑“0”和逻辑“1”，整个线圈的控制和调谐的目标值为D＝∑Kn*Fn*E；

所述设定的基本电气参数E根据应用需要可以设计成对应的一个感抗L、或一个电流I、或一个电压V、或一个功率P、或无功功率Q。

该调谐法操作过程为：连接到电网中的嵌入式控制系统，通过其中的测量元件和检测电路采集感性线圈的电气参数变化量，并将采集结果与设定的目标值进行比较，通过PI控制算法给出控制调谐方案，再由嵌入式控制器对感性线圈进行自动控制和调节。

采用上述调谐法的一种嵌入式控制系统，包括嵌入式控制器，它的信号输入端分别与温度采集元件、电压采集元件、电流采集元件、脉冲检测电路、状态检测电路连接；所述嵌入式控制器的控制信号输入端口有USB接口、RS232/485接口、以太网接口、控制信号光纤接口；所述嵌入式控制器的输出端通过控制继电器和控制开关与感性线圈制成的电感、变压器、变流器连接；一电源接口为整个嵌入式控制系统提供电源。

所述嵌入式控制器的控制信号输入端口还包括无线Modem接口和GPRS接口，所述嵌入式控制器的输出端还连接有报警模块和指示灯显示模块，使系统具有和上位机无线通讯功能和实时报警监控功能。

智能型感性线圈电气参数N阶调谐法可以广泛适用于各种电气和控制应用中，对感性线圈构成的电感、变压器、变流器进行宽范围、窄波幅的阶梯式线性或非线性调节，其主要优点为：

(1)调节范围宽，N个调节线圈单元可以实现2的N次方的控制和调节。

(2)调节精度高，每次可以实现最窄波幅的阶梯形高精度调谐。

(3)匹配相关性好，通过调整F1—Fn比例因子的相关性，可以实现高精度的线性或非线性的调谐。

(4)调节智能化高，由于执行控制逻辑和目标计算呈2的N次方增长，智能化的调谐控制能完成该控制调节要求。

说明书附图

图1为采用多路选择开关调谐方式的电路原理图；

图2为采用滑动或旋转触头选择连接调谐方式的电路原理图；

图3为采用智能型感性线圈电气参数N阶调谐法的嵌入式控制系统结构方框图；

图4为智能N阶调谐HID气体灯恒功率控制电路的原理示意图；

图5为智能N阶调谐HID气体灯恒功率控制电路的调节执行部分；

图6为智能型N阶调谐HID气体灯电感镇流电路的原理示意图；

图7为智能型N阶调谐HID气体灯电感镇流电路的调节执行部分；

图8为智能型N阶调谐HID气体灯功率电感电路的原理示意图；

图9为智能型N阶调谐HID气体灯功率电感电路的调节执行部分；

具体实施方式

一种智能型感性线圈电气参数N阶调谐法，利用嵌入电网中的控制系统对感性线圈制成的电感、变压器、变流器的感抗、电流、电压、功率电气参数实现2的N阶次方宽范围、窄波幅的阶梯式线性或非线性调谐；在该方法中感性线圈被制作成独立的N组，设定的基本电气参数为E，该参数根据应用需要可以设计成对应的一个感抗L、或一个电流I、或一个电压V、或一个功率P、或无功功率Q。

即表达式为  E＝L     电感单位或感抗单位

            E＝V     电压单位

            E＝I     电流单位

            E＝P     有功功率单位

            E＝Q     无功功率单位

E所对应的电气参数必须是控制和调节所对应的目标参数，并在线圈设计和绕制时每一个绕组对应相同的物理单位。

例如对于调节电感的线圈绕组设计参数如下：

第一组线圈的电气参数为  F1*L

第二组线圈的电气参数为  F2*L

依绕组次序，则第N组线圈的设计电气参数为  Fn*L

线圈绕组的控制参数如下：

第一组线圈的控制参数为  K1*F1*L

第二组线圈的控制参数为  K2*F2*L

依绕组次序，则第N组线圈的控制参数为  Kn*Fn*L

整个线圈的控制和调谐的目标值为 D＝∑Kn*Fn*L

F1---Fn为每一组线圈的电气参数的比例因子，其数值根据应用的特性在设计时确定，比例因子根据控制调节的特性选择线性或非线性相关性，比例因子确定后，每一组线圈的参数就确定了，整个线圈的调节特性也就确定了。一般比例因子全部选择2的等比倍数，即F1＝1，F2＝2，F3＝4，F4＝8，F5＝16等。

K1---Kn为每一组线圈的控制因子，由嵌入式控制器根据控制目标进行控制。K1---Kn选择二进制的逻辑“0”和逻辑“1”，对目标值进行控制。

该调谐法操作过程为：通过嵌入式控制系统中的测量元件和检测电路采集感性线圈的电气参数变化量，并将采集结果与设定的目标值进行比较，进行计算后给出控制调谐方案，再由嵌入式控制器对电感进行自动控制和调节。

如图3所示，实现智能型感性线圈电气参数N阶调谐法的嵌入式控制系统包括嵌入式控制器18，它的信号输入端分别与温度采集元件10、电压采集元件11、电流采集元件12、脉冲检测电路7、状态检测电路8连接；所述嵌入式控制器的控制信号输入端口有RS232/485接口1、USB接口2、以太网接口3、控制信号光纤接口4；所述嵌入式控制器的输出端通过控制继电器13和控制开关与感性线圈制成的抽头电感线圈16、变压器17、变流器连接；一电源接口9为整个嵌入式控制系统提供电源。所述嵌入式控制器的控制信号输入端口还包括无线Modem接口6和GPRS接口5，所述嵌入式控制器的输出端还连接有报警模块14和指示灯显示模块15，使系统具有和上位机无线通讯功能和实时报警监控功能。

下面针对安装有嵌入式控制系统的智能N阶调谐HID气体灯恒功率控制电路、智能型N阶调谐HID气体灯电感镇流电路、智能型N阶调谐HID气体灯功率电感电路三个实施例来具体说明本发明。

实施例一中智能N阶调谐HID气体灯恒功率控制电路是采用先进的复合开关技术，实现零电压导通和零电流关断主路开关，安全切换补偿电路，且在切换过程启动续流电路保障输出正常，不产生闪烁和灭灯现象，原理如图4所示。

恒功率智能控制器能把电压稳在220V，精度达到3V，让路灯工作在额定电压状态，图5是智能N阶调谐HID气体灯恒功率控制电路的调节执行部分，图中DH和DL分别是由两个单向可控硅方向并联起来的组合控制开关，继电器KQ和DL组成复合开关；K1-K4是C型继电器，常开输出接变压器补偿绕组的同名端，常闭输出接非同名端，通过控制K1-K4四组继电器的开和关，可以组成2的4次方即16种组合，精度可以达到3V，调节范围可以达到45V。

电路通过嵌入式控制系统中的测量元件采集感性线圈的电气参数变化量，并将采集结果与设定的目标值进行比较，进行计算后给出控制调谐方案，再由嵌入式控制器通过控制继电器和控制开关对感性线圈进行自动控制和调节。当需要调压的时候，控制过程为：

断开复合开关——导通DH，续流——切换K1-K4——关闭DH——闭合复合开关

其中复合开关的断开控制过程：

检测电流过零——导通DL——断开KQ——关闭DL

复合开关的闭合控制过程：

检测电压过零——导通DL——闭合KQ——关闭DL

实施例二中，智能型N阶调谐HID气体灯电感镇流器通过投入不同的电感量进行限流节能，可以满足不同场合的需要，在不同应用环境下平衡节能和照度的关系，既达到节能的目的又保证达到标准照度。并且减小回路电流和浪涌电流，并通过实时调整灯功率，极大地提高了钠灯寿命，进一步减少了损耗，有效防止了灯的启动困难和熄弧困难。

原理示意图如图6所示，嵌入式控制系统通过检测电流，控制切换投入电路改变回路电感量，令输出电流达到目标限制电流，复合开关采用零电压导通和零电流关断技术，安全切换投切电路，续流电路是为了在切换过程保障输出正常，不产生灭灯和闪烁现象。

图7是智能型N阶调谐HID气体灯电感镇流电路的调节执行部分，DH和DL分别是由两个单向可控硅方向并联起来的组合，继电器KQ和DL组合成复合开关，K1-K4是C型继电器，通过控制K1-K4四组继电器的开和关，可以组成16种组合。电感由两部分组成：4组调节电感和额定电感，额定电感是按照负载额定功率标配的额定电感，通过调节4组调节电感可以调节负载电流。当需要调节电感时，控制过程为：

断开复合开关——导通DH，续流——切换K1-K4——关闭DH——闭合复合开关

其中复合开关的断开控制过程：

检测电流过零——导通DL——断开KQ——关闭DL

复合开关的闭合控制过程：

检测电压过零——导通DL——闭合KQ——关闭DL

实施例三中，智能型N阶调谐HID气体灯功率电感电路原理示意图如图8所示，嵌入式控制系统通过检测电流，控制切换投入电路改变回路电感量，令输出电流达到目标限制电流，复合开关采用零电压导通和零电流关断技术，安全切换投切电路，续流电路是为了在切换过程保障输出正常，不产生灭灯和闪烁现象。

图9是智能型N阶调谐HID气体灯功率电感电路的调节执行部分，DH和DL是由两个单向可控硅方向并联起来的组合，继电器KQ和DL组合成复合开关，K1-K4是C型继电器，通过控制K1-K4四组继电器的开和关，可以组成16种组合。当需要调节电感的时候，控制过程为：

断开复合开关——导通DH，续流——切换K1-K4——关闭DH——闭合复合开关

其中复合开关的断开控制过程：

检测电流过零——导通DL——断开KQ——关闭DL

复合开关的闭合控制过程：

检测电压过零——导通DL——闭合KQ——关闭DL

Claims (2)

1、一种智能型感性线圈电气参数N阶调谐法，其特征在于：利用嵌入式控制系统对感性线圈制成的电感、变压器、变流器的感抗、电流、电压、功率电气参数实现2的N阶次方的线性或非线性调谐；在该方法中感性线圈被制作成独立的N组，设定的基本电气参数为E，第一组线圈的电气参数被设计并加工为F1*E，其控制值为K1*F1*E，基本电气参数E根据应用需要可以设计成对应的一个感抗L、或一个电流I、或一个电压V、或一个功率P、或无功功率Q，第N组线圈的电气参数被设计并加工为Kn*E，其控制值为Kn*Fn*E，其中F1—Fn为每一组线圈的电气参数的比例因子，根据应用的特性在设计时确定，一般比例因子选择2的等比倍数，K1—Kn为每一组线圈的控制因子，由嵌入式控制器根据控制目标进行控制，K1—Kn选择二进制的逻辑“0”和逻辑“1”，整个线圈的控制和调谐的目标值为D＝∑Kn*Fn*E；

该调谐法操作过程为：通过嵌入式控制系统中的测量元件和检测电路采集感性线圈的电气参数变化量，并将采集结果与设定的目标值进行比较，通过PI控制算法给出控制调谐方案，再由嵌入式控制器对感性线圈进行自动控制和调节。

2、根据使用权利要求1所述调谐法的一种嵌入式控制系统，其特征在于：包括嵌入式控制器，它的信号输入端分别与温度采集元件、电压采集元件、电流采集元件、脉冲检测电路、状态检测电路连接；所述嵌入式控制器的控制信号输入端口有USB接口，用于连接电脑；所述嵌入式控制器的输出端通过控制继电器和控制开关与感性线圈制成的抽头电感线圈、变压器、变流器连接，一电源接口为整个嵌入式控制系统提供电源；

嵌入式控制器的控制信号输入端口还有RS232/485接口、以太网接口、控制信号光纤接口；

嵌入式控制器的控制信号输入端口还包括无线Modem接口和GPRS接口，所述嵌入式控制器的输出端还连接有报警模块和指示灯显示模块，系统具有和上位机无线通讯功能和实时报警监控功能。

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