CN101662862B - 路灯专用智能节电器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的是一种路灯专用智能节电器，涉及道路照明的智能电器技术领域，它包括光电探测及光电信号处理器、智能控制柜、专用变压器，光电探测及光电信号处理器由光电探头、抗干扰电路、施密特电路、施密特触发信号模拟电路、四刀双掷开关组成；智能控制柜由亮熄灯信号发生器、电压取样器、比较电路、驱动电路、固态继电器(SSR)供电开关组成；专用变压器由变压器、SSR分接开关组成。本发明使路灯发光率高、用电省。本发明核心技术是用专用变压器取代现有路灯配电变压器和路灯节电产品中的电磁调压装置，专用变压器具有配电变压器和电磁调压装置的双重功能，减少资源消耗减少自身损耗；通过过零型SSR分接开关实现调压稳压，不产生谐波污染。本发明还可在夜深人少时自动熄灭1/2路灯。
Description
技术领域
本发明涉及一种道路照明专用智能节电器，尤其是一种用专用变压器取代现有路灯配电变压器和现有路灯节电产品中电磁调压装置的节电器。在夜深人少时还能自动熄灭1/2路灯。
技术背景
路灯目前广泛使用高压钠灯(高强度气体电光源HID中的一种)，它的最佳电压为175-200V，此电压范围内灯具发光效率最高。HID灯的节电就是通过降低灯具上的工作电压，在不影响视觉照度的前提下，使灯具尽可能在175-200V范围内工作，既节电又不影响人的视觉效果。HID灯对节电产品的要求，一是输出电压要能达到最佳电压；二是在最佳电压能够稳定地工作；三是在调压过程中不发生电流冲击、电流中断和过电压。
目前，与HID灯配套的节电技术，主要有单灯控制技术和多灯集中控制技术两类，原理都是通过降低路灯工作电压来降低电功率，达到节电的目的。降压是通过串联电感器，或采用自耦变压器等电磁调压装置来调压，但电磁调压装置的自身损耗降低了节电装置的节电率，同样串联电感器降压也存在自身损耗降低节电装置节电率的问题。整个路灯系统的损耗，除去上述电磁调压装置和电感器的自身损耗外，还包括路灯配电变压器的损耗，这样路灯系统的节电率就更降低了。
本发明的核心技术是：用专用变压器取代路灯配电变压器和电磁调压装置，使系统的总损耗降下来，从而提高了节电率；通过SSR分接开关自动有载无触点切换变压器高压线圈中性点分接头位置(简称档位)达到调压的目的；在比较电路输出的控制信号作用下，使分接头始终保持在最佳电压值附近达到稳压的目的，SSR过零触发无谐波污染电网，给路灯一个完整的正弦波形；具有夜深人少时自动熄去1/2路灯的功能。
发明内容
为克服现有路灯节电产品存在的自身损耗多的问题，本发明提供一种自身损耗少、节电效果显著，且不给环境带来负面影响的路灯专用智能节电器。
本发明采用交流过零型SSR，电路采用过零触发技术，它具有在控制信号作用下，输出端交流电压过零时开始导通，控制信号撤消后流过的交流电流为零时关断的特性，在负载上可以得到一个完整的正弦波形，对电网没有谐波污染。
本发明的任务是按下述方案实现的，一采用专门设计的变压器代替现有路灯配电变压器和现有路灯节电产品中电磁调压装置的自耦变压器，二变压器设计的关键是将通常路灯配电变压器高压侧的5级调压改为11级调压和采用椭园形截面积略大于常规设计的非晶合金铁芯，三采用SSR分接开关改原来的无载有触点人工切换档位调压为有载无触点自动切换档位调压，四采用过零触发设有谐波污染。
本发明变压器高压线圈的额定电压匝数按10KV计算，而分接头的匝数按-(4×2.5％)和+(6×5％)计算，分接头匝数的示意图如图2所示。图2中分接头X0为额定电压10KV的匝数(标100％)，X1-X6为增加的匝数(额定电压匝数以外增加的匝数)，如X1＝5％·X0(匝数)；-X1—-X4为减少的匝数(额定匝数以内减少的匝数)，如-X1＝-2.5％·X0(匝数)。线圈匝数如此设计的目的是考虑到路灯在天刚黑送电亮灯时，正值用电高峰，电网电压低，此时采用(100％-10％)分接头匝数，以提高低压侧输出电压值，确保HID灯触发点燃，触发点燃正常后，自动调节分接头匝数，把灯具上电压降到175-200V的最佳电压值范围内实现节电运行；到半夜以后电网电压升高，车辆和行人稀少，路面照度可以低于上半夜，此时采用(100％+30％)分接头匝数调压，把灯具上的电压降到略大于能维持灯具稳定发光的数值，可节省更多的电能。为了进一步节省能源，路灯专用智能节电器还具有夜间自动关掉1/2路灯的功能，设计时将道路两边的路灯对称分布，夜间关掉的1/2路灯在道路两边呈错开分布，保证道路照度均匀。
专用变压器高压侧接10KV电网，低压侧接智能控制柜的进线端，智能控制柜的出线端接路灯A、B、C、D4条供电线路(见图6、图7)。
SSR分接开关接在变压器高压线圈中性点的分接头上。电压取样器里的电压互感器B接在专用变压器低压侧上提供测量信号(见图3)，测量信号经电压取样器的放大驱动电路(见图9的2-3B)送入比较电路，与亮熄灯信号发生器产生的设定电压比较后，发出使SSR导通或截止的信号，从而实现自动改变分接头的目的，实现了变压器输出电压基本稳定。但是SSR由于现有产品的最高额定电压只有660V，为了能将它应用于本发明10KV专用变压器中，每相由20只SSR采用链式连接组成SSR分接开关(如图3所示)，解决了它的耐压问题。试验表明，只要每个调节绕组两端之间的电压在600V以内，SSR就可以安全工作，本发明调节绕组每相有10个(见图3)，X0向上的-W1——-W4为提高输出电压的调节绕组，X0向下的W1-W6为降低输出电压的调节绕组，可以实现大范围的有载调压。
专用变压器SSR分接开关在调压时的切换过程，以图3中两个相邻分接头(调节绕组为-W4)相连的SSR1导通与SSR2关断为例加以说明。当专用变压器输出电压降低到某一数值后，过零时，在比较电路里与亮熄灯信号发生器提供的设定电压比较后给SSR1输出控制信号使之导通，随之撤消SSR2的控制信号使其在电流过零时关断，完成了一次分接头的切换。
目前，路灯设计采用的照度比较高，本发明除了采用降压节电外，还增加了一个在夜深人少时自动关掉1/2路灯的功能。该功能的原理如图4所示。当夜深人少时，由亮熄灯信号发生器中的时钟电路发出熄灯信号(时间可调)，经驱动电路II发出关掉1/2路灯的指令，SSR供电开关II和SSR供电开关IV，接受指令后断开B、D两条路灯的电源(见图1)，熄灭一半路灯，另一半路灯(A、C两条)仍为道路提供照明。
上述抗干扰电路、施密特电路、施密特触发信号模拟电路、四刀双掷开关组装在同一盒内，光电探头装在透明度高具有自洁功能的玻璃盒内用电缆与上盒中的抗干扰电路相连，构成光电探测及光电信号处理器。
上述亮熄灯信号发生器、电压取样器、比较电路、驱动电路I、驱动电路II、驱动电路III、SSR供电开关I、SSR供电开关II、SSR供电开关III、SSR供电开关IV、散热风扇组装在同一机箱内，构成智能控制柜。
上述SSR分接开关和变压器组装在盛有变压器油的波纹箱内，构成专用变压器。
本发明与现有技术比较具有优点如下：用专用变压器取代现有路灯配电变压器和现有路灯节电产品中的电磁调压装置，专用变压器同时具有配电变压器和电磁调压装置的双重功能，因而比现有技术节省资源，降低成本，减少了电磁调压装置的损耗，更加节省能源；增加了夜间1/2熄灯功能，节能效果更加显著。
附图说明
图1是本发明路灯专用智能节电器的原理框图；
图2是本发明变压器10KV线圈与全部调节绕组接通时的示意图；
图3是本发明SSR分接开关与变压器10KV线圈调节绕组的连接图；
图4是本发明实现1/2熄灯功能电路接线示意图；
图5是本发明光电探测及光电信号处理器的原理框图；
图6是本发明智能控制柜原理框图；
图7是本发明专用变压器原理框图；
图8是本发明亮熄灯信号发生器原理框图；
图9是本发明电压取样器原理框图；
图10是本发明电网电压Ue、HID灯工作电压UHL与时间对应关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。本实施例，以两路分成A、B、C、D4条路灯供电线路为例(A、B为1路，C、D为另1路，见图1)，每一路都有一条是熄1/2路灯用。实际上供电线路的多少是根据当地具体情况而定。图1上标示的输出电压UHL均为相电压值。
图1——10所示的路灯专用智能节电器，它包括：光电探测及光电信号处理器1，光电探测及光电信号处理器1由光电探头1-1、抗干扰电路1-2、施密特电路1-3、施密特触发信号模拟电路1-4、四刀双掷开K1-1-K1-4组成；智能控制柜2，智能控制柜2由亮熄灯信号发生器2-1、电压取样器2-2、比较电路2-3、驱动电路I2-4、驱动电路II2-5、驱动电路III2-6、SSR供电开关I2-7、SSR供电开关II2-8、SSR供电开关III2-9、SSR供电开关IV2-10组成；专用变压器3，专用变压器3由SSR分接开关3-1、变压器3-2组成。
本发明实施例正常使用时将四刀双掷开关的K1-1、K1-2合上，K1-3、K1-4断开(见图1)，智能控制分为亮灯控制过程、上半夜调压稳压控制过程、下半夜熄1/2灯控制过程、下半夜再降压控制过程和关灯控制过程。
亮灯的控制过程：
光电探测及光电信号处理器1的光电探头1-1对着太阳升起的方向，天黑后光电探头1-1的阻值发生巨大变化，这个变化经由抗干扰电路1-2、施密特电路1-3确认后，立即发出亮灯的指令，该指令经亮熄灯信号发生器2-1里的时钟电路2-1A(见图8，时钟电路2-1A从T＝0开始计时，见图10)传送到驱动电路II2-5、驱动电路III2-6，再传送到SSR供电开关I2-7、SSR供电开关II2-8、SSR供电开关III2-9、SSR供电开关IV2-10使之全部导通供电，此时A、B、C、D4条供电线路的单号与双号路灯都得电启动；与此同时该指令还传送到亮熄灯信号发生器2-1里的设定电压产生电路2-1B(见图8)，使2-1B进入工作状态，并按图10曲线的要求产生设定电压。送电亮灯时正是用电高峰电网电压低，不易点燃HID灯，亮熄灯信号发生器2-1的设定电压产生电路2-1B产生提高专用变压器3输出电压的设定电压，在比较电路2-2里与电压取样器2-3里的电压互感器2-3A(见图9)从变压器输出电压获得的取样电压进行比较后，发出提高变压器输出电压的控制指令，控制指令经驱动电路I2-4送到SSR分接开关3-1，使SSR分接开关3-1切换到提高输出电压的档位(分接头所处位置)，使输出电压按图10曲线的要求提高到符合点燃HID灯的水平，确保HID灯能够顺利点燃。
上半夜调压稳压控制过程：
路灯正常点燃后，亮熄灯信号发生器2-1的设定电压产生电路2-1B产生的设定电压在比较电路2-2里与取样电压比较后，发出控制指令，使专用变压器3的输出电压降低到HID灯的最佳电压值本例调节到185V，并使输出电压在185V附近稳定下来。这个稳压过程是这样的，亮灯信号发生器2-1里的设定电压产生电路2-1B产生的设定电压，与取样电压在比较电路2-3里不断进行比较，不断发出控制指令，经驱动电路I2-4送到专用变压器3，使SSR分接开关3-1不断变换档位，使输出电压保持在已经调试好的185V附近，从而实现HID灯在正常点燃后调压稳压的过程，达到降压节电的目的。
下半夜熄1/2灯的控制过程：
亮熄灯信号发生器2-1里的时钟电路2-1A从开灯的一瞬间开始计时(见图10，从T＝0开始计时)，当进入下半夜，时钟电路2-1A累计计时到某一时刻，比如根据当地生活习惯从下午6：30(图10上T＝0)开始计时，设定到夜间12：00(图10上T＝T4)熄1/2路灯。当时钟电路2-1A累计计时到半夜12：00发出熄1/2路灯的信号至驱动电路II2-5，经驱动电路II2-5处理放大后，熄1/2路灯的信号送至SSR供电开关II2-8和SSR供电开关IV2-10并使其截止，切断单号路灯HL1、HL3......HL1n的电源，从而熄灭1/2路灯(见图4)。路灯在施工建设时，把路灯编为单号和双号，且分布均匀，单号路灯在下半夜熄灭，而此时SSR供电开关I2-7和SSR供电开关III2-9仍导通，所以双号路灯HL2、HL4......HL2n(见图4)仍然亮着，不影响道路照明。
下半夜再降压的控制过程：
下半夜车辆行人稀少，道路照明仍有下调的空间，本实施例将下半夜专用变压器3的输出电压185V再略下调，比如调到180V，但必须保持在灯具能稳定发光的电压之上，可以节省更多的电能。控制过程是，到下半夜亮熄灯信号发生器2-1里的设定电压产生电路2-1B产生的设定电压，在比较电路2-3里与取样电压比较后，发出比上半夜185V低5V的输出电压的控制指令，经驱动电路I2-4使SSR分接开关3-1作出相应的切换变压器3-2输出电压的动作，使输出电压在180V附近稳定下来，见图10曲线T＝T5处。
关灯的控制过程：
天亮后光电探测及光电信号处理器1的光电探头1-1阻值发生变化，发出关灯的指令，指令经亮熄灯信号发生器2-1，传送至驱动电路III2-6，经驱动电路III2-6处理放大后，送至SSR供电开关I2-7、SSR供电开关III2-9，断开A、C两条路灯即双号路灯的供电电源(见图1)，双号路灯熄灭，至此路灯全部熄灭，见图10曲线T＝T6处。时钟电路2-1A清零，一切复原，等待天黑再进入下一个循环。
本发明实施例的调试与维修：
此时将四刀双掷开关的K1-1、K1-2断开，K1-3、K1-4合上，施密特触发信号模拟电路1-4产生的模拟触发信号直接传送到亮熄灯信号发生器2-1......，保证路灯专用智能节电器在白天可以调试，路灯和供电线路在白天可以维修。本例A、B、C、D4条路灯供电线路的SSR供电开关还可以单独人工操作，以便调试或维修其中的任何一条线路或路灯。
光电探测及光电信号处理器1里的抗干扰电路1-2和施密特电路1-3具有防路灯闪烁的功能，使路灯在亮灯和熄灯时不闪烁，在路灯遇到电闪雷鸣和短暂乌云遮日时，不发生误动作，确保路灯正常工作。智能控制柜2的亮熄灯信号发生器2-1、电压取样器2-2、比较电路2-3、驱动电路I2-4、驱动电路II2-5、驱动电路III2-6的功能由单片机实现，控制软件按电网电压Ue、HID上工作电压UHL与时间对应关系的曲线(图10)编制。
Claims (5)
1.一种路灯专用智能节电器，其特征在于：它包括光电探测及光电信号处理器、智能控制柜、专用变压器，光电探测及光电信号处理器内装有光电探头、抗干扰电路、施密特电路、施密特触发信号模拟电路、四刀双掷开关；智能控制柜内装有亮熄灯信号发生器、电压取样器、比较电路、驱动电路I、驱动电路II、驱动电路III、固态继电器(SSR)供电开关I、SSR供电开关II、SSR供电开关III、SSR供电开关IV，亮熄灯信号发生器由时钟电路、设定电压产生电路组成，电压取样器由电压互感器、放大驱动电路组成，SSR供电开关由交流过零型SSR构成，智能控制柜的亮熄灯信号发生器与光电探测及光电信号处理器的施密特电路相连接而在调试或维修时与施密特触发信号模拟电路相连接、驱动电路I与专用变压器的SSR分接开关相连接、电压取样器里的电压互感器B与专用变压器低压侧相连接、SSR供电开关I-IV分别与路灯供电线路A、B、C、D相连接；专用变压器内装有SSR分接开关、变压器，SSR分接开关由交流过零型SSR组成，变压器的调压范围为11级。
2.根据权利要求1所述的路灯专用智能节电器，其特征在于：用作分接开关的SSR，每相采用20只SSR链式连接。
3.根据权利要求1所述的路灯专用智能节电器，其特征在于：亮熄灯信号发生器里的时钟电路与驱动电路、SSR供电开关组成下半夜熄1/2灯的控制电路，以及亮熄灯信号发生器里的设定电压产生电路与比较电路、驱动电路、SSR分接开关组成下半夜再降压电路。
4.根据权利要求1所述的路灯专用智能节电器，其特征在于：将10KV常规路灯配电变压器高压线圈中性点5个分接头改为11个分接头。
5.根据权利要求1所述的路灯专用智能节电器，其特征在于：变压器采用非晶合金铁芯，铁芯截面积略大于常规变压器设计标准，且为椭园形。
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