CN103025026A

CN103025026A - 跟随电网电压波动的调压型节能控制装置及控制方法

Info

Publication number: CN103025026A
Application number: CN2012105668392A
Authority: CN
Inventors: 崔学深; 李文志
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-12-24
Also published as: CN103025026B

Abstract

本发明公开了属于路灯节能技术领域的一种跟随电网电压波动的调压型节能控制装置及控制方法。该装置为电网电压首先与故障保护单元连接，然后与信号采集单元和无触点开关输入端分别直接相连，信号采集单元与单片机控制单元直接相连，单片机的驱动信号经无触点开关驱动单元与无触点开关的触发端直接相连，而无触点开关输出端与自耦变压器一次侧的对应抽头直接相连，自耦变压器的二次侧的两个抽头与无触点开关相连。接通电源以后，单片机启动自检程序，单片机接收经处理过的模拟信号，驱动无触点开关，跟随电网电压波动，调节、控制自耦变压器的输出电压，该控制装置不仅投资小，而且解决在电网电压波动较大情况下实现路灯节能的目的。

Description

跟随电网电压波动的调压型节能控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于路灯节能技术领域，特别涉及一种跟随电网电压波动的调压型节能控制装置及控制方法。

背景技术

目前，常用的路灯降压节能控制器主要有以下三种：

1）可控硅斩波型照明节能控制器：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。但该调压方式，由于斩波，使电压无法实现正弦波输出，还会出现大量谐波，形成对电网策略谐波污染，危害极大。如果加装滤波设备，成本太高，所以此类设备是不宜用于照明电路中。

2）固定多档降压控制器：由于其所用多抽头自耦变压器的变比是固定的，一旦接线端固定，降低电压就是固定值，当电网电压波动时，调控装置的输出电压也会上下波动，这样照明的工作电压处在不稳定波动状态，无法起到对电光源的保护作用。由于使用了采用交流接触器来进行变压切换，在断开时会产生“电弧”和“闪断”从在安全隐患。其安全性、可靠性和无故障工作寿命都不能保障。

3）连续调节降压控制器：通过电刷在自耦变压器线圈的表面平滑移动或滚动，改变线圈的变比而调节输出电压。虽然它可以实现无级平滑调节，调节精度高，但由于电刷调节回路是串在主回路中，承受的电流大，如果电刷接触不良，会产生火花；同时机械的接触也会引起触点磨损。

此外，根据调查显示，一般城市的电网电压一般高于额定值的5%以上，特别是在午夜用电低谷时期，电网电压甚至会超出正常电压15%，达到245V。此时路灯在高于额定电压状态下运行，不仅造成了能源的大量浪费，还降低了路灯的使用寿命。而且，由于大量用电负荷的频繁切换，有时会造成电网电压的明显波动，此时同样会影响路灯的使用寿命。同时，由于下半夜车流量和人流量都较少，对路灯的亮度要求降低，应该适度降低路灯的亮度，以达到路灯节能的目的。但是现有路灯节能方法并没有完全解决上述三个问题。

发明内容

本发明的目的提供一种跟随电网电压波动的调压型节能控制装置及控制方法，其特征在于，所述跟随电网电压波动的调压型节能控制装置组成为电网电压首先与故障保护单元连接，用于实现控制装置过载和短路运行状态的保护；故障保护单元的两个输出并接信号采集单元和N个抽头的自耦变压器，其中，故障保护单元的高压输出端先连接N个并联NCS可控硅的源极，N个并联NCS可控硅的漏极再分别连接自耦变压器的第一至第N抽头；而NCSⅠ可控硅和NCSⅡ可控硅的源极分别与自耦变压器输出端的2个抽头相连，NCSⅠ可控硅和NCSⅡ的漏极再与故障保护单元的第三输出连接在一起，并作为输出电源的高压端；输出电源的低压端为故障保护单元的两个输出的低压端与自耦变压器低压端的连接点；单片机控制单元分别与信号采集单元、无触点开关输入端、时钟芯片和显示屏直接相连，其作用是对电网电压信号进行实时数据采集，并将采集信号输入单片机控制单元；其中无触点开关是指N个NCS可控硅、NCSⅠ可控硅和NCSⅡ可控硅；无触点开关输入端是指上述各可控硅的触发极。

所述单片机分别与时钟芯片、显示屏直接相连，主要用于控制节能控制装置输出电压220V/200V档位的选择及显示时钟芯片的时间信息，方便调整时钟芯片时间。

所述单片机输出与无触点开关的触发端直接相连，作用是根据单片机控制单元接收到的不同电压信号触发N个并联的不同NCS可控硅导通，这样可以实现不同的输入电压接通不同的线圈匝数，以实现输出电压的稳定。

所述自耦变压器的二次侧的两个抽头与NCSⅠ可控硅和NCSⅡ可控硅相连，则根据时钟芯片的不同时间而导通NCSⅠ可控硅或NCSⅡ可控硅，进而自动选择220V和200V的输出电压。

所述故障保护单元由低压断路器和中间继电器构成，QF为低压断路器，KA为中间继电器的线圈，KA1、KA2分别为中间继电器的常闭触点和常开触点；当闭合QF后，线圈KA通电，则KA-1断开，KA-2闭合，调压型节能控制装置运行；当路灯调压节能装置过载或短路后，QF断开，线圈KA断电，则KA-1闭合，KA-2断开，路灯由电网直接供电；此时路灯将直接连接电网电压，避免了因控制装置故障导致路灯断电而造成严重后果。

所述数据采集单元包括交流电压互感器、限流电阻和输出电阻,其中交流电压互感器的型号为BingZi TV1031-1，限流电阻与电压互感器输入端相串联，输出电阻与电压互感器的输出端相并联，因此将电网电压转化为单片机能够承受的低电压。

一种跟随电网电压波动的调压型节能控制方法是：

① 接通电源以后，单片机启动自检程序，对系统参数进行初始化；

② 单片机接收从数据采集单元传过来的经处理过的模拟信号，通过内置A/D转换模块每500us处理一次从数据采集系统传过来的经过预处理的模拟信号，并将转换结果存入数组内；

③ 如果存入40个AD转换结果，则根据此40个数据计算电压有效值；如没有，则继续进行AD转换。

④ 根据计算得到的不同电压有效值范围，控制自耦变压器输入端不同无触点开关的通断；

⑤ 根据时钟芯片的时间，导通自耦变压器输出端不同的无触点开关；当时间在6:00-23:00之间，则导通220V对应的无触点开关；否则，则导通200V对应的无触点开关。

⑥ 返回步骤②，进行下一个循环。

本发明的有益效果是：该控制装置具有①解决了电网电压过高和电压波动对路灯的照明质量和使用寿命的影响。②在设计中，使用了无触点开关，它相对传统开关具有无火花、开关速度快、稳定性好、可靠性高、体积小、输出输入完全隔离等突出优点，使操作更加安全，快捷。③自耦变压器具有体积小、耗材少、效率高、投资小的优点，降低了控制装置的制作成本，提高了能源利用率。④单片机的应用使得系统能够对市电的电压波动做出及时有效的反应。⑤自耦变压器输出了220V和200V两个不同电压，可以使路灯满足不同的亮度要求，解决了电网电压偏高、电网电压波动明显和下半夜路灯亮度偏高等问题。

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为调压型节能控制装置的结构原理图。

图2为信号采集单元的连接图。

图3为无触点开关驱动单元结构框图。

图4为多抽头自耦变压器的结构示意图。

图5为故障保护单元的连接图。

图6调压型节能控制装置的程序流程图。

图7为图6的子程序图。

图中NCS为无触点开关，PT为电流型电压互感器，QF为低压断路器，KA为中间继电器的线圈，KA1、KA2分别为中间继电器的常闭触点和常开触点。

具体实施方式

图1是的调压型节能控制装置结构原理图。其中NCS可控硅为常用的无触点开关固态继电器，T为多抽头自耦变压器，单片机的型号为AVRmega128。第一NCS可控硅- 第N NCS可控硅依次与自耦变压器输入端的N个抽头相连，而NCSⅠ可控硅和NCSⅡ可控硅分别与自耦变压器输出端的2个抽头相连，用于调节白天和夜晚路灯使用的电压幅值，电网电压经过故障保护单元与N个NCS相连，信号采集单元把采集的电网电压信号，经过电压抬升电路输出单片机，单片机通过引脚控制各NCS可控硅的触发极。其中，单片机控制单元包括电压抬升电路、单片机和单片机内部的AD转换器，其中单片机的型号为ATMEL公司研发的ATmega128,而电压抬升电路中用到的放大器型号为LM124J。因为该控制装置所用的ATmega128单片机内部的ADC输入信号范围是0~5V，而数据采集单元所输出的信号是一个工频周期内正负交变的交流信号，因此必须将数据采集单元输出的低压交流信号通过电压抬升电路抬升至0~5V的信号。

图2为信号采集单元的连接图。其中R1为限流电阻，R2为输出电阻，PT为电流型的电压互感器。R1与PT输入端串联，而R2与PT输出端并联。为此，实现了将电网的高电压转换成几伏的低电压。而输出端C作为电压抬升电路的输入端，输出端D接地。

图3为无触点开关驱动单元结构框图。其中单片机输出的驱动信号与隔离电路，驱动电路依次相连，而驱动电路的输出端与无触点开关的触发端相连。无触点开关驱动单元包括N+2组无触点开关驱动电路，用于驱动N+2个无触点开关（即上述第一NCS可控硅- 第N NCS可控硅，N为正整数，且它的大小由所控制的电网电压范围和输出电压的波动范围决定），而常用的无触点开关有固态继电器（如HHG5-1型）、普通晶闸管、门极可关断晶闸管(GTO)、MOSFET、IGBT等，本发明中用的是固态继电器；每组电路包含光电隔离电路和驱动电路，

图4为多抽头自耦变压器的结构示意图。其中第1-第N号抽头控制不同的电网电压范围，而Ⅰ和Ⅱ号抽头分别输出220V和200V的稳定电压。

图5为故障保护单元的连接图。其中QF为低压断路器，KA为中间继电器的线圈，KA1、KA2分别为中间继电器的常闭触点和常开触点。当闭合QF后，线圈KA通电，则KA-1断开，KA-2闭合，节能控制装置运行；当节能控制装置过载或短路后，QF断开，线圈KA断电，则KA-1闭合，KA-2断开，路灯由电网直接供电。

图6为调压型节能控制装置的控制程序流程图。接通电源以后，单片机首先启动自检程序，对调压型节能控制装置参数进行初始化；然后接收从数据采集系统传过来的经处理过的模拟信号，通过内置A/D转换模块每500us处理一次从数据采集系统传过来的经过预处理的模拟信号，并将转换结果存入数组内；如果存入40个AD转换结果，则根据此40个数据计算电压有效值；如没有，则继续进行AD转换（如图7所示）；最后根据计算得到的不同电压有效值范围，控制不同无触点开关的通断；并根据时钟芯片的时间，导通自耦变压器输出端不同的无触点开关。如时间在6:00~23:00之间，则导通220V对应的无触点开关；否则，则导通200V对应的无触点开关。返回第二步，进行下一个循环。

Claims

1.一种跟随电网电压波动的调压型节能控制装置，其特征在于，所述跟随电网电压波动的调压型节能控制装置组成为电网电压首先与故障保护单元连接，用于实现控制装置过载和短路运行状态的保护；故障保护单元的两个输出并接信号采集单元和N个抽头的自耦变压器，其中，故障保护单元的高压输出端先连接N个并联NCS可控硅的源极，N个并联NCS可控硅的漏极再分别连接自耦变压器的第一至第N抽头；而NCSⅠ可控硅和NCSⅡ可控硅的源极分别与自耦变压器输出端的2个抽头相连，NCSⅠ可控硅和NCSⅡ的漏极再与故障保护单元的第三输出连接在一起，并作为输出电源的高压端；输出电源的低压端为故障保护单元的两个输出的低压端与自耦变压器低压端的连接点；单片机控制单元分别与信号采集单元、无触点开关输入端、时钟芯片和显示屏直接相连，其作用是对电网电压信号进行实时数据采集，并将采集信号输入单片机控制单元；其中无触点开关是指N个NCS可控硅、NCSⅠ可控硅和NCSⅡ可控硅；无触点开关输入端是指上述各可控硅的触发极。

2.根据权利要求1所述跟随电网电压波动的调压型节能控制装置，其特征在于，所述单片机分别与时钟芯片、显示屏直接相连，主要用于控制节能控制装置输出电压220V/200V档位的选择及显示时钟芯片的时间信息，方便调整时钟芯片时间。

3.根据权利要求1所述跟随电网电压波动的调压型节能控制装置，其特征在于，所述单片机输出与无触点开关的触发端直接相连，作用是根据单片机控制单元接收到的不同电压信号触发N个并联的不同NCS可控硅导通，这样可以实现不同的输入电压接通不同的线圈匝数，以实现输出电压的稳定。

4.根据权利要求1所述跟随电网电压波动的调压型节能控制装置，其特征在于，所述自耦变压器的二次侧的两个抽头与NCSⅠ可控硅和NCSⅡ可控硅相连，则根据时钟芯片的不同时间而导通NCSⅠ可控硅或NCSⅡ可控硅，进而自动选择220V和200V的输出电压。

5.根据权利要求1所述跟随电网电压波动的调压型节能控制装置，其特征在于，所述故障保护单元由低压断路器和中间继电器构成，QF为低压断路器，KA为中间继电器的线圈，KA1、KA2分别为中间继电器的常闭触点和常开触点；当闭合QF后，线圈KA通电，则KA-1断开，KA-2闭合，调压型节能控制装置运行；当路灯调压节能装置过载或短路后，QF断开，线圈KA断电，则KA-1闭合，KA-2断开，路灯由电网直接供电；此时路灯将直接连接电网电压，避免了因控制装置故障导致路灯断电而造成严重后果。

6.根据权利要求1所述跟随电网电压波动的调压型节能控制装置，其特征在于，所述数据采集单元包括交流电压互感器、限流电阻和输出电阻,限流电阻与电压互感器输入端相串联，输出电阻与电压互感器的输出端相并联，因此将电网电压转化为单片机能够承受的低电压。

7.一种跟随电网电压波动的调压型节能控制方法，其特征在于，步骤如下：

③ 如果存入40个AD转换结果，则根据此40个数据计算电压有效值；如没有，则继续进行AD转换；

⑤ 根据时钟芯片的时间，导通自耦变压器输出端不同的无触点开关；当时间在6:00-23:00之间，则导通220V对应的无触点开关；否则，则导通200V对应的无触点开关；

⑥ 返回步骤②，进行下一个循环。