CN101351069B - 变压器初级无触点调压的照明节能装置 - Google Patents

Abstract

变压器初级无触点调压的照明节能装置，具有电压保持单元和浪涌保护单元，智能单元将采样信号转换为数字信号并进行相关的计算、分析与处理，同时对电压零点信号和电流零点信号进行数字滤波、变换，以确保档位切换时快速可靠，并且电流无间断、无电流冲击、无过电压产生，在节能的同时还能够真正延长灯具的寿命，减少灯具的维护工作量。利用变压器的初级绕组调压，可以使整个装置的综合性能高、体积小、成本低。用户还可以通过计算机方便地查看或重新配置该装置的各种工作参数，并能够通过网络实现远程控制或集中监控。

Description

变压器初级无触点调压的照明节能装置

所属技术领域

本发明涉及照明节能的控制，特别是变压器初级绕组无触点调压的照明节能装置的智能控制，属于无触点交流调压技术领域。

背景技术

当前市场上绝大多数的电磁调压节能产品都是采用交流接触器换档调压的，由于触点动作的响应速度不够快，加上触头的过流能力有限，换档时存在的冲击电流常会引起接触器触头烧焊现象，使接触器不能分断，降低了产品的可靠性和使用寿命。因此，在运行中必须对触头进行经常的维护和更换，增加运行成本。另外，采用交流接触器换档调压的照明节能产品用于高强度气体放电灯(HID灯)负载时通常会出现灯容易熄灭、容易损坏等问题。原因是在电压档位变化时导致HID灯电流不连续，甚至有可能产生冲击电流及瞬时过电压，容易导致HID灯熄灭或重新点亮，加速HID灯老化、缩短使用寿命。对于变压器初级采用交流接触器换档调压的产品，在带负载变换档位调压的过程中接触器触点的瞬时断开极易产生几千伏甚至上万伏的高压，容易损伤变压器。

无触点调压换档的过渡时间为微秒级，比常用的交流接触器的触点换档过渡时间快上千到上万倍！因而可以做到调压换档时电流无间断、无电流冲击、无过电压现象。但如果无触点产品换档调压的技术未过关，对复杂多变的电网干扰信号不能进行准确地检测与判断，或者是电路不够合理，就会导致产品自身的可靠性很差。

无触点电磁调压的优点是十分明显的，但是，目前一些大学及企业研制或生产的无触点调压产品只能适应纯电阻性负载或前端有整流装置的负载，采用的是电压零点换档技术，为防止错误地换档，有的产品在无触点回路中串联电阻或电感类的元件以限制换档带来的巨大电流冲击，保护无触点器件，提高产品的可靠性。而对于高压钠灯之类高强度气体放电灯，属于电感性非线性负载，采用无触点调压时，存在着被一些大学及企业称为容易“炸管”的世界难题，他们曾投入大量人力和物力进行了攻关研究，但在实际应用中均未成功，他们得出的结论就是在感性负载下无触点难以可靠地换档调压。《照明工程学报》(道路照明·增刊)2006年第1期的“照明节电器产品的技术走向与技术规范”一文指出：“电磁自耦变压器抽头SCR切换产品的优点是效率比较高，噪音比较低，输出纯正弦波电压，输出电压突变式调节，适应所有灯光负载；缺点是体积大且笨重，对城市道路照明的HID灯，突变式降压有灭灯现象，电压无法精确控制，由于多SCR开关切换时有共态导通，或短时开路引起过压，切换时有浪涌电流或浪涌电压，故障率高。结论是此类产品属于电磁变压器与电力电子开关技术结合，SCR切换技术难以处理或误触发，导致可靠性较低，目前没有成熟产品。”

目前市场上没有在变压器初级使用无触点开关切换档位的照明节能产品，因为控制不好就极易在变压器初级绕组上产生儿千伏甚至上万伏的高压，容易损伤无触点开关或变压器。

目前有在变压器次级用无触点开关切换档位的照明节能产品，如专利ZL200520139604.0，虽然做到了调压换档时电流无间断、无电流冲击、无过电压，但其体积较大，生产成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种高可靠、高性能、低成本、小体积的变压器初级无触点调压的照明节能装置，具有电压保持单元和浪涌保护单元，能够做到档位切换时快速可靠，并且电流无间断、无电流冲击、无过电压产生，在节能的同时还能够真正延长灯具的寿命，减少灯具的维护工作量。用户还可以通过计算机方便地查看或重新配置该装置的各种工作参数，并能够通过网络实现远程控制或集中监控。

本发明是这样实现的：变压器初级无触点调压的照明节能装置，通过检测单元对交流电压及电流进行取样，通过检测单元的转换电路将交流信号线性地转换为ADC使用的直流电压采样信号，检测单元同时产生电压零点信号和电流零点信号；智能单元将采样信号转换为数字信号并进行相关的计算、分析与处理，与用户配置的参数比较，确定是正常输出还是进行过压、欠压、过电流保护或旁路操作，同时对电压零点信号和电流零点信号进行数字滤波、变换，确定输出到无触点开关的控制代码；通过无触点开关单元接通变压器初级抽头确定的档位；通过电压保持单元将无触点开关变换档位时的电压瞬时保持，以确保无触点切换的准确可靠；通过浪涌保护单元对节能装置进行辅助保护，吸收外部雷击等因素造成的浪涌电压，保护无触点开关；通过输出及指示单元输出旁路保护信号及过压、欠压、过流等故障指示信号；通过通讯接口单元实现远程控制或集中监控等功能，其特征是包括以下硬件电路：

电源[1]：为节能装置提供直流工作电源；

输入单元[2]：选择人工旁路或正常稳压工作方式，与智能单元[3]相连；

智能单元[3]：内含程序存储器、非易失性可擦写存储器、AD转换电路及控制程序；

输出及指示单元[4]：用于输出旁路保护信号及过压、欠压、过流等故障指示信号，与智能单元[3]相连；

无触点开关单元[5]：用于接通变压器初级的抽头，与智能单元[3]和变压器[10]相连；

通讯接口单元[6]：用于与外部通讯，与智能单元[3]相连；

电压保持单元[7]：用于将无触点开关变换档位时的电压瞬时保持，与变压器[10]相连；

浪涌保护单元[8]：用于吸收外部雷击等因素造成的浪涌电压，与变压器[10]相连；

检测单元[9]：对交流电压及电流进行取样与转换，与智能单元[3]和变压器[10]相连；

变压器[10]：根据无触点开关接通初级绕组不同的抽头进行电磁调压。

无触点开关单元[5]中的主要器件为电子开关，可以接通变压器初级绕组的抽头。

电压保持单元[7]中含有电容类的贮能元件，能够在短时间内保持电压相对稳定。

本发明是按照上述构思使用上述主要部件组合而成的。其工作原理是：通过检测单元对交流电压及电流进行取样，通过检测单元的转换电路将交流信号线性地转换为ADC使用的直流电压采样信号，检测单元同时产生电压零点信号和电流零点信号；智能单元将采样信号转换为数字信号并进行相关的计算、分析与处理，与用户配置的参数比较，确定是正常输出还是进行过压、欠压、过电流保护或旁路操作，同时对电压零点信号和电流零点信号进行数字滤波、变换，确定输出到无触点开关的控制代码，智能单元还通过检测单元提供的信息快速确定熔断器或可控硅是否处于开路状态；通过无触点开关单元接通变压器初级抽头确定的档位；通过电压保持单元将无触点开关变换档位时的电压瞬时保持，以确保无触点切换的准确可靠；通过浪涌保护单元对节能装置进行辅助保护，吸收外部雷击等因素造成的浪涌电压，保护无触点开关；通过输出及指示单元输出旁路保护信号及过压、欠压、过流等故障指示信号；通过输入单元选择人工旁路或正常稳压工作方式；通过通讯接口单元实现远程控制或集中监控等功能。利用变压器的初级绕组调压，可以使整个装置的综合性能高、体积小、成本低。

单片机在上述相关电路及软件的调度下，构成了高可靠、体积小、各种工作参数均能方便查看或配置的变压器初级无触点调压的照明节能装置。

变压器初级无触点调压的照明节能装置既可以是单相的，也可以是三相的。三相电路具有三组结构基本相同的单相电路，三相独立控制，以保证在三相负载不平衡时各相能够独立工作。

计算机通过通讯接口单元[6]给智能单元[3]发送相应的指令，可以方便地读取或重新配置各种参数。通讯方式可以是直接与智能单元相连的方式，也可以是通过有线网络或无线网络远程通讯方式。

本发明的优点及效果：

(1)集中了自耦变压器、无触点开关等先进的交流调压技术为一体，具有效率高、调节快、无机械运动部件、可靠性高、使用寿命长、适用范围广等特点。

(2)调压回路中没有串接电阻、电感类的限流元件，通过电压保持单元可确保档位变换时对电网无冲击，不会影响周边设备用电。

(3)内嵌快速工作程序、全档位快速自动循环测试程序，以便加速产品检验过程，或随时验证产品在无触点切换时的可靠性。

(4)在一定的输入电压范围内具有稳压功能，从一档切换到另一档的过渡时间为微秒级，能够保证切换快速、可靠、无电流冲击或过电压现象。

(5)能适应阻性、感性、容性、高强度气体放电灯等各种负载，通过对电压电流信号的检测与数字处理，能在计算机软件上显示功率因数、视在功率、有功功率、节能率等。

(6)无触点开关工作在全周波导通状态，因而稳压器基本无附加谐波产生，属于绿色环保节电产品。

(7)电压及电流均采用有效值采样，精度高。

(8)随时监控每相工作状态，具有过压、欠压、过流等指示，及时采取保护动作，大大提高了产品的可靠性和安全性。

(9)能快速检测熔断器或可控硅的开路状态，一旦发现故障，立即自动旁路工作并告警，保证了用电设备不断电。

(10)可配置的工作参数在停电的情况下仍然不会丢失。

(11)通过使用通讯模块，可以方便地进行远程控制或集中监控；可以远程查看或更改工作参数。

(12)具有双重智能节能控制，可以远程控制其工作的节能档位，也可以令其自动稳压工作。

(13)体积小，重量轻，成本低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的电路原理方框图。

图2是实施例的变压器与无触点开关连接的电路原理图。

图3是实施例智能单元及相关单元的控制电路原理图。

图4是实施例检测单元的电路原理图。

具体实施方式

参看图1，智能单元[3]分别与输入单元[2]、输出及指示单元[4]、无触点开关单元[5]、通讯接口单元[6]、检测单元[9]构成电气连接；变压器[10]的初级具有多个抽头，与电压保持单元[7]、无触点开关单元[5]、浪涌保护单元[8]、检测单元[9]构成电气连接；电源[1]为整个装置提供直流工作电压和电流，与相关的部分构成电气连接。智能单元在上述相关电路及软件的调度下，构成了变压器初级无触点调压的照明节能装置。

参看图2，变压器T1的初级有W2～W5共4个绕组，S1～S4组成无触点开关单元，本实施例中采用双向可控硅作为无触点开关，通过G1～G4的控制信号可以控制相应的双向可控硅接通变压器T1不同绕组的抽头，以改变串联在主回路中绕组W1的输出电压，从而改变输出到负载的电压，以达到节能的目的，F1～F3是保护无触点开关的熔断器。压敏电阻RV1～RV4组成浪涌保护单元，用于吸收外部雷击等因素造成的浪涌电压，保护无触点开关。电容C1、电阻R1、R2组成电压保持单元，将无触点开关变换档位时的电压瞬时保持，以确保无触点切换的准确可靠。模块M2用于检测变压器的初级电流，提供给图4中的电路进行处理。

参看图3，从插座CZ1输入交流市电，经过电源模块M1稳压输出+9V和-9V的直流电压，为本装置供电，M1可以使用市场上通用的开关电源模块或线性稳压电源。+9V电源通过稳压集成电路U1(型号为LM7805)输出5V电压，为相关的电路供电，D1是发光二极管，作为电源指示用。再通过稳压集成电路U2(型号为LD33)输出+3.3V电压，为智能单元及相关的电路供电。C2～C5是电源滤波用的电容。电阻R5和电容C6给智能单元提供上电复位信号。

插座CZ2输入人工旁路和稳压工作方式的信号，与单片机模块U3构成电气连接。1、2脚间短路时，表示进入人工旁路工作方式；2、3脚间短路时，表示进入稳压节能工作方式；1、2、3引脚都开路时，表示本装置工作在用户配置的按档位延时节能工作方式。电阻R6～R9、电容C7、C8是抗干扰用的元件，D2～D5是保护用的二极管。

插座CZ3是备用的扩充接口，用于输入外部旁路装置的控制信号和温度开关的信号，与单片机模块U3构成电气连接。用户根据需要选用此功能，使用此功能时需要在智能单元中增加相应的软件控制功能。电阻R10～R13、电容C9、C10是抗干扰用的元件，D6～D9是保护用的二极管。

智能单元[3]由高速、高性能单片机模块U3构成，模块型号为MCT801C，其内部集成有振荡器、在系统可编程的FLASH存储器、JTAG调试电路、温度传感器、模数转换电路(ADC)、通用16位定时器/计数器、硬件SMBus(I2C兼容)、UART串口等，它是本装置的核心控制器件。智能单元通过检测单元提供的信息能快速确定熔断器或可控硅是否处于开路状态。

通讯接口单元[6]由插座CZ4、电阻R15～R18、光电耦合器U4、U5组成，与单片机模块构成电气连接。CZ4的第2、3引脚分别为数据接收引脚和数据发送引脚，第1、4引脚为通讯用电源。单片机通过此接口与计算机串口或用户的GPRS/CDMA模块连接，以便通过计算机对本装置进行直接监控或无线远程监控。

插座CZ5是备用的扩充接口，是输出及指示单元的输出控制部分，可用于扩充外部的输出控制及旁路控制。

插座CZ6是单片机模块的编程接口，仅当软件需要更新或升级时，才使用此接口进行编程操作。

插座CZ7是检测单元接口，与图4中的CZ9的对应引脚构成电气连接。

输出与指示单元[4]的指示部分由发光二极管D10～D15、电阻R22～R28、三极管V1、电容C13、蜂鸣器FM1组成，与单片机模块构成电气连接。当单片机模块检测到过压时第33脚输出高电平，发光二极管D15点亮；当单片机模块检测到欠压时第32脚输出高电平，发光二极管D14点亮；当单片机模块检测到过电流时第31脚输出高电平，发光二极管D13点亮；当单片机模块检测到过压、欠压、过电流、熔断器开路或其它故障时，第26脚输出间断的高电平，发光二极管D10闪亮，通过三极管V1驱动FM1发出提示音。

隔离与驱动模块DRV1～DRV4的输入端与单片机模块构成电气连接，输出端与图2中作为无触点开关的双向可控硅的控制极构成电气连接，用于根据无触点开关的控制代码控制相应的双向可控硅选择接通变压器相应的抽头，以便调整输出电压。

参看图4，U6及周围的相关元器件构成检测单元的转换电路，插座CZ8是交流电压和电流采样信号的输入端，其中1、2脚是电流信号输入端，4、5脚是电压信号输入端。变压器T2的作用是隔离与降压，给电压有效值转换模块提供适当的电压信号。电阻R30～R33、二极管D16、D17构成分压电路，电位器RP1、RP2是分别校准电压和电流测量值的，电压有效值转换模块U6(型号为MVI-2C)将2路交流电压信号的有效值转换为直流信号，从第9脚和第10脚输出，通过CZ9与单片机模块连接，由单片机模块将模拟信号转换为数字信号。电阻R34～R37、二极管D18、D19、可控稳压器U7、U8(型号为TL431)的作用是防止电压有效值转换模块的输出电压过高，对单片机模块进行保护。

运算放大器U9A、U9B的作用是检测出电压零点及电流零点信号，通过CZ9与单片机模块连接，单片机模块将此信号作为测量交流电源频率和电流相位的信号，同时对该信号进行进行数字滤波、变换，以便确定输出到无触点开关的控制代码。电阻R38、电容C14是滤波电路，电阻R39～R46是配合电路检测的工作电阻。CZ9与图3中的CZ7构成电气连接。

图2、图3、图4中网络编号相同的均构成电气连接。

Claims (3)

1.变压器初级无触点调压的照明节能装置，其特征是包括以下硬件电路：

电源[1]：为节能装置提供直流工作电源；

智能单元[3]：内含程序存储器、非易失性可擦写存储器、AD转换电路及控制程序；

输出及指示单元[4]：用于输出旁路保护信号及过压、欠压、过流故障指示信号，与智能单元[3]相连；

无触点开关单元[5]：用于接通变压器初级的抽头，与智能单元[3]和变压器[10]相连；

通讯接口单元[6]：用于与外部通讯，与智能单元[3]相连；

电压保持单元[7]：用于将无触点开关变换档位时的电压瞬时保持，与变压器[10]相连；

浪涌保护单元[8]：用于吸收外部雷击因素造成的浪涌电压，与变压器[10]相连；

检测单元[9]：对交流电压及电流进行取样与转换，与智能单元[3]和变压器[10]相连；

变压器[10]：根据无触点开关接通初级绕组不同的抽头进行电磁调压；

其中，通过检测单元对交流电压及电流进行取样，通过检测单元的转换电路将交流信号线性地转换为ADC使用的直流电压采样信号，检测单元同时产生电压零点信号和电流零点信号；智能单元将采样信号转换为数字信号并进行相关的计算、分析与处理，与用户配置的参数比较，确定是正常输出还是进行过压、欠压、过电流保护或旁路操作，同时对电压零点信号和电流零点信号进行数字滤波、变换，确定输出到无触点开关的控制代码；通过无触点开关单元接通变压器初级抽头确定的档位；通过电压保持单元将无触点开关变换档位时的电压瞬时保持，以确保无触点切换的准确可靠；通过浪涌保护单元对节能装置进行辅助保护，吸收外部雷击因素造成的浪涌电压，保护无触点开关；通过输出及指示单元输出旁路保护信号及过压、欠压、过流故障指示信号；通过通讯接口单元实现远程控制或集中监控功能。

2.根据权利要求1所述的变压器初级无触点调压的照明节能装置，其特征是电压保持单元[7]中含有电容类的贮能元件，能够在短时间内保持电压相对稳定。

3.根据权利要求1所述的变压器初级无触点调压的照明节能装置，其特征是无触点开关单元[5]中的主要器件为电子开关，可以接通变压器初级绕组的抽头。

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