CN103209532B - 一种基于交流斩波技术的智能路灯照明节能装置 - Google Patents

Abstract

一种基于交流斩波技术的智能路灯照明节能装置，该装置主要设置在路灯照明供电变压器与路灯照明灯具之间。该装置能够根据当前的环境光照亮度情况，自动精确连续地调节路灯照明灯具的供电电压，实时合理地改变路灯照明灯具的照明亮度，在满足照明要求的前提下实现高效精细的节能效果，对于降低能源消耗，实现节能环保具有重要作用。同时该装置还能根据照明线路负荷大小，计算出满足照明要求前提下的最优照明线路供电电压，以对照明线路上的压降进行智能补偿。同时该装置控制方便、精度高、调节快速、基本无谐波，结构简单、安装维护方便，具有很高的实用价值和市场推广前景。

Description

一种基于交流斩波技术的智能路灯照明节能装置

技术领域

本发明涉及路灯照明节能的技术领域，特别涉及一种基于交流斩波技术的智能路灯照明节能装置。

背景技术

城市路灯是现代城市建设中重要的组成部分，它服务于交通安全和人们的出行、休闲和生活，美化了城市容貌，为创造良好的投资环境起着举足轻重的作用。目前路灯系统一般采用钠灯、水银灯、金卤灯等灯具。这类灯具有发光效率高、光色好、安装简便等优点，被广泛使用，同时也存在着诸如功率因数低、对电压要求严格、耗电量大等缺点。

目前在路灯照明供电中存在如下几个特点：1、在电力供电系统中，为了避免送电过程中的线路损耗及用电高峰时造成的末端电压过低，往往都是以较高的电压传输，不仅带来高额的电费支出，更会造成维修量及维修费用大幅增加；2、路灯大多采用气体放电灯具，其中以穿透力最强的钠灯为主，所有气体放电灯在使用过程中都采用一个0.8～1.6的维护系数，使灯具亮度比设计值（寿命终止亮度）高出20%～40%；3、目前的路灯照明主要采用的是定时开关控制，一定程度上节省了电能，但仍属于一种较粗放的控制手段。

国外很早就开始重视照明节能，提出了一种称为“在保证照明效果下的节电”的概念，认为这样的节电才是科学的、可持续的，这也成为了发达国家在设计道路照明系统时的基本思想。目前国外照明节能技术的发展有以下几个特点：

（1）大力提倡使用绿色环保材料制造照明灯具，并制定严格的标准，淘汰对环境有威胁或者节能不达标的产品；（2）通过提高镇流器的质量和技术，来提高道路照明设备的工作功率因数，鼓励企业研发更加节能的镇流器及灯具；（3）积极推广节能奖励政策，鼓励民众节能、节电，建立完善有效的奖励机制。

在具体的技术上，国际同国内一样聚焦在交流调压方面，如何能快速稳定的调节电压也是国际上各大企业研发的重要目标。

目前国内大多数城市的路灯采用的节能途径，主要有以下三类：

（1）控时节能法。这是一种合理控制开启路灯时间，有效利用光源的方法，主要有以下几种方式：人工控制节能方式、时控节能方式、光控节能方式。这些节能方式存在着较为明显的缺陷，传统控制方式要求人不离岗，及时控制灯光的开启和关闭，由于人工控制误差而造成电能浪费很是惊人。（2）光源节能法。使用节能灯具可以再获得时间照度的情况下大幅降低能耗，同时节能光源具有较长的使用寿命，可以节省大量的灯具成本消耗。但光源节能方法也存在许多的补足：首先是节能光源标准不一；其次节能光源与保护存在一定矛盾，主要是汞污染的防治问题还有待解决；同时在产品结构上，节能型产品所占比例仍很低，仅占电光源总产量的12%左右，其节能型产品的质量水平和生产技术装备水平与国际先进水平还有一定差距。（3）降压节能法。这是一种降低路灯端电压的节能方法。目前我国主要是采用可控硅调压、变压器调压、可变电抗器调压，但都存在各自的缺陷。

专利CN202385372.U“城市路灯照明控制系统”中，采用脉冲宽度调制方法来调节灯光的亮度，该方法在开关频率较高时影响照明灯具的使用寿命，同时在开关频率较低时会产生照度闪烁。并且未涉及具体的脉冲宽度调制电路的设计。

专利CN200420021413.X“串联型路灯节能控制设备”中，采用串联降压电感来调节灯具上的电压，该方法只能控制路灯电压为几个固定的等级上，未实行更精细化的节能目标。同时串联电感会消耗无功功率，必须配备相应的无功补偿电容器，而该专利中无功补偿电容器为固定式，不能很好地实现完全无功功率补偿。整个装置体积将较大。

专利CN200950684Y“节能型LED路灯照明控制系统”中，只能对直流型LED灯具进行恒流控制，适用范围不广。

专利CN2042649U“路灯照明节能控制器”和专利CN2845389Y“一种天文路灯照明控制器”中，均只能实现对灯具的开关控制，未实现调压控制，即不能实现照明亮度的调节，未能实现完全的节能控制。

专利CN102620221A“一种路灯照明控制系统”中，只提及对有无车辆通过时进行正常照明和节能照明的控制方案，未涉及具体的调压电路方案。

专利CN2634787Y“智能路灯照明控制器”中，采用次级带多个抽头的磁饱和滤波变压器作为滤波变压电路对照明灯具进行供电，磁饱和滤波变压器的控制复杂、体积大，且其调压也只有固定等级的电压输出。

专利CN2812493Y“路灯照明智能控制装置”中，采用可控硅相控调压方式输出电压至照明灯具，该方法将导致供电电流产生很高含量的谐波，对路灯照明供电变压器以及照明灯具的运行和寿命都将造成极大负面影响。

综上所述，目前能够实现路灯照明亮度调节的方案中，多数不具备对灯具照明亮度进行连续精确调节的功能，以相控方式进行照明灯具电压调节时将产生大量的电流谐波，同时仅采用简单的提高线路首段供电电压的方法对沿线电压降落进行补偿。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于交流斩波技术的路灯照明节能装置。。

本发明的技术方案为一种基于交流斩波技术的智能路灯照明节能装置，用于由路灯照明供电变压器提供电源的路灯照明线路节能，节能装置1包括多个环境照明亮度测量终端、无线网络2、节能装置控制器3、节能装置主电路5、隔离变压器4、电流传感器6和电压传感器7，

每个环境照明亮度测量终端分别安装于路灯照明线路上一个照明灯具的所在位置，环境照明亮度测量终端将所在位置的环境照明亮度转换为相应大小的电信号，通过无线网络2发送至节能装置控制器3；

隔离变压器4串联于路灯照明供电变压器和节能装置控制器3之间，将路灯照明供电变压器的输出电压进行降压，送至节能装置控制器3，一方面向节能装置控制器3供电，另一方面向节能装置控制器3提供路灯照明供电变压器的输出电压信号；

电压传感器7串联于节能装置主电路5和节能装置控制器3之间，将路灯照明线路的首端电压进行降压，向节能装置控制器3提供路灯照明线路首端供电的电压信号；

电流传感器6串联于节能装置主电路5和路灯照明线路首端的照明灯具之间，隔离路灯照明线路的电流，并输出送至节能装置控制器3，向节能装置控制器3提供电流信号；

节能装置控制器3与节能装置主电路5连接，节能装置控制器3根据环境照明亮度测量终端所得与环境照明亮度相应的电信号、隔离变压器4提供的输出电压信号、电压传感器7提供的电压信号和电流传感器6提供的电流信号，产生驱动信号和开关控制信号，并输出到节能装置主电路5；

节能装置主电路5串联于路灯照明供电变压器和路灯照明线路首端的照明灯具之间，根据节能装置控制器3产生的驱动信号和开关控制信号来改变输出至照明灯具上的电压，改变照明灯具的照明亮度。

而且，每个环境照明亮度测量终端包括太阳能电池板101、蓄电池102、光敏传感器103、单片机系统104和无线收发器105，太阳能电池板101连接至蓄电池102，蓄电池102分别连接至光敏传感器103、单片机系统104和无线收发器105，光敏传感器103和无线收发器105分别与单片机系统104连接。

而且，节能装置控制器3包括直流电源501、无线收发器502、隔离变压器503、信号调理电路504、单片机系统505、功率放大隔离电路506和人机接口电路507，直流电源501分别连接至无线收发器502、信号调理电路504、单片机系统505、功率放大隔离电路506和人机接口电路507；隔离变压器503连接至信号调理电路504；无线收发器502、信号调理电路504、功率放大隔离电路506和人机接口电路507分别与单片机系统505连接。

而且，节能装置主电路5包括IGBT器件P₁、P₂、P₃、P₄，二极管D₁、D₂、D₃、D₄，输入滤波电容器C₂，输出滤波电感L₁，滤波电容C₁以及开关K_B和开关K_M；二极管D₁、D₂、D₃、D₄分别与IGBT器件P₁、P₂、P₃、P₄并联，输入滤波电容器C₂并联在节能装置主电路5的输入端子N_S与N_N之间，滤波电容C₁并联在节能装置主电路5的输出端子N_L与N_N之间；IGBT器件P₁、P₂以及输出滤波电感L₁顺序串联，接在端子N_S与N_L之间；IGBT器件P₃、P₄串联，接在端子N_M与N_N之间。

而且，节能装置控制器3产生开关K_B和开关K_M的开关控制信号方式如下，

设整个路灯照明线路环境的平均光照强度最低时对应的电压为U_avg,min，不需要路灯照明时的平均光照强度对应的电压为U_avg,max；取各环境照明亮度测量终端所得电压信号，去掉其中最大的一个和最小的一个，将剩余的电压信号进行求平均值处理，记该平均值为U_avg；

当U_avg>U_avg,max时，产生使得开关K_B和开关K_M同时打开的的开关控制信号；

当U_avg<U_avg,min时，产生使得开关K_B闭合而开关K_M打开的开关控制信号；

当U_avg,min≤U_avg≤U_avg,max时，产生使得开关K_B打开而开关K_M闭合的开关控制信号。

而且，当U_avg,min≤U_avg≤U_avg,max时，节能装置控制器3产生IGBT器件P₁、P₂、P₃、P₄的驱动信号方式如下，

根据U_avg计算出相应的节能装置1输出参考电压有效值基本量U_ref1；根据节能装置1输出参考电压有效值补偿量U_ref2；

将节能装置1输出参考电压有效值基本量U_ref1和节能装置1输出参考电压有效值补偿量U_ref2相加，得出节能装置1输出参考电压有效值参考值U_ref，计算出路灯照明供电变压器的输出电压信号u_s的相位角θ，利用U_ref和θ通过正弦函数发生器产生节能装置1输出电压参考值u_ref，将电压参考值u_ref与实测的供电线路首端电压u_l相减，得出电压误差u_error，该电压误差u_error经过PI校正环节后，利用三角波发生器产生的三角波载波信号进行调制，得出信号S；

将路灯照明供电变压器的输出电压信号u_s送入过零比较器，产生方波信号S_P及其反相的方波信号S_N；信号S与S_P相与得到IGBT器件P₁的驱动信号S₁，信号S与S_N相与得到IGBT器件P₃的驱动信号S₃，信号S反相后与S_P相与得到IGBT器件P₄的驱动信号S₄，信号S反相后与S_N相与得到IGBT器件P₂的驱动信号S₂。

而且，所述根据U_avg计算出相应的节能装置1输出参考电压有效值基本量U_ref1，采用以下公式，

$U_{\mathrm{ref}1}=\frac{U_s-U_{\mathrm{ref}1,\min }}{U_{\mathrm{avg},\min }-U_{\mathrm{avg},\mathrm{man}}}(U_{\mathrm{avg}}-U_{\mathrm{avg},\min })+U_s$

其中，Us为照明供电变压器输出的电压u_s的有效值。

而且，所述根据节能装置1输出参考电压有效值补偿量U_ref2，实现方式为，设路灯照明线路上共有k个照明灯具，计算第m个照明灯具到第k个照明灯具之间的等效电阻r_equ和等效电感l_equ；当k为偶数时m=k/2，当k为奇数时m=(k-1)/2；根据等效电阻r_equ和等效电感l_equ计算节能装置1输出参考电压有效值补偿量U_ref2，包括首先进行以下计算过程，

在照明灯具m处的供电电压u_lm的有效值达到U_ref1时，计算出照明灯具m取用电流i_lm如下，

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{lm}}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{ref}1}/r_{\mathrm{lamp}}$

为i_lm的相量形式，为U_ref1的相量形式；

计算等效电阻r_equ和等效电感l_equ支路的取用电流i_equ如下，

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{equ}}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{ref}1}/(r_{\mathrm{lamp}}+r_{\mathrm{equ}}+j\&times;2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;f\&times;l_{\mathrm{equ}})$

为i_equ的相量形式；

计算第m-1个照明灯具与第m个照明灯具之间线路电流i_l(m-1)m如下，

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{l(m-1)m}={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{lm}}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{equ}}$

为i_l(m-1)m的相量形式；

计算第m-1个照明灯具与第m个照明灯具之间线路上的电压降落Δu_l(m-1)m如下，

$\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{l(m-1)m}={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{l(m-1)m}\&times;j\&times;2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;l$

为Δu_l(m-1)m的相量形式；

计算电压降落Δu_l(m-1)m加上照明灯具m处的供电电压u_lm，得到照明灯具m-1处的电压u_l(m-1)如下，

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{l(m-1)}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{lm}}+\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{l(m-1)m}$

为u_l(m-1)的相量形式，为u_lm的相量形式；

反复利用这个计算过程，计算出每相邻两个照明灯具线路上的电压降落Δu_l(n-1)n，n=2,3,…,m，对这些电压降落Δu_l(m-1)m、Δu_l(m-2)(m-1)、…、Δu_l12进行求和后，将和值作为节能装置1输出参考电压有效值补偿量U_ref2。

本发明采用基于IGBT器件构成的节能装置主电路进行调压，采用基于PWM技术的交流斩波控制技术，该装置能够自动连续精确地调节路灯负荷供电电压的幅值，根据环境光照强度实时合理地改变路灯的照明亮度，实现了在满足照明要求的前提下高效的节能。能够智能地对供电线路压降进行补偿，计算出满足光照要求前提下最优的供电电压，避免过高供电电压对照明灯具寿命的影响。同时该装置控制方便、精度高、调节快速、不产生谐波，结构简单、安装维护方便，具有很高的实用价值和市场推广前景。

附图说明

图1是本发明的基于交流斩波技术的路灯照明节能装置的结构示意图；

图2是本发明的基于交流斩波技术的路灯照明节能装置的环境照明亮度测量终端的结构示意图；

图3是本发明的基于交流斩波技术的路灯照明节能装置的控制电路结构示意图；

图4是本发明的基于交流斩波技术的路灯照明节能装置的主电路结构图；

图5是本发明的基于交流斩波技术的路灯照明节能装置的输出电压有效值参考值基本量的计算曲线；

图6是本发明的基于交流斩波技术的路灯照明节能装置的计算供电线路电压降落的等效电路图；

图7是本发明的基于交流斩波技术的路灯照明节能装置的计算等效电阻和电感的等效电路图；

图8是本发明的基于交流斩波技术的路灯照明节能装置的IGBT驱动脉冲产生的原理框图；

图9是本发明实施例的仿真波形图。

具体实施方式

本发明多个环境照明亮度测量终端采集各自所在位置的环境照明亮度信号，并转换为相应大小的电信号，通过无线方式将该信号传送至调压装置主电路控制器。调压装置控制器对这些代表光照亮度的信号进行判断，根据判断结果控制调压装置主电路；调压装置主电路接收调压装置控制器发送的控制信号，对IGBT进行PWM控制，调节路灯照明灯具上的电压幅值，从而改变路灯照明灯具的亮度；调压装置控制器还可根据照明线路负荷的大小，结合线路长度、线路单位长度电阻和电感、安装的照明灯具额定参数和数量等信息，计算出线路上的电压降落，对该电压降落进行智能化补偿，使得路灯照明线路供电电压在满足照明要求的前提下，避免线路首端供电电压过高而降低灯具的使用寿命。以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

结合附图1说明本发明的基于交流斩波技术的路灯照明节能装置1（以下简称节能装置1）的结构和工作原理。该装置包括多个环境照明亮度测量终端，设共有n个（一般设置3-4个即可），分别记为10、11、…1n；以及无线网络2、节能装置控制器3、节能装置主电路5、隔离变压器4、电流传感器6和电压传感器7。

一般路灯照明线路设置多个照明灯具，路灯照明供电变压器连接路灯照明线路的首端，向路灯照明线路供电。环境照明亮度测量终端10、11、…1n分别安装于路灯照明线路上一个个照明灯具的所在位置，例如路灯照明线路的首端、中间和末端路灯灯具处安装。它们可将所在位置的环境照明亮度转换为相应大小的电信号，通过无线网络2发送至节能装置控制器3。隔离变压器4串联于路灯照明供电变压器和节能装置控制器3之间，将路灯照明供电变压器的输出电压进行降压，送至节能装置控制器3，一方面向节能装置控制器3供电，另一方面向节能装置控制器3提供路灯照明供电变压器的输出电压信号；电压传感器7串联于节能装置主电路5和节能装置控制器3之间，将路灯照明线路的首端电压进行降压，向节能装置控制器3提供路灯照明线路首端供电的电压信号；电流传感器6串联于节能装置主电路5和路灯照明线路首端的照明灯具之间，隔离路灯照明线路的电流，并输出送至节能装置控制器3，向节能装置控制器3提供电流信号；节能装置控制器3与节能装置主电路5连接，节能装置控制器3根据环境照明亮度测量终端所得与环境照明亮度相应的电信号、隔离变压器4提供的电压信号、电压传感器7提供的电压信号和电流传感器6提供的电流信号，产生节能装置主电路5中IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的驱动信号和开关控制信号，并输出到节能装置主电路5；节能装置主电路5串联于路灯照明供电变压器和路灯照明线路首端的照明灯具之间，实际可与节能装置控制器3集成在一起，与路灯照明供电变压器安装于同一位置。它根据节能装置控制器3产生的IGBT驱动信号和开关控制信号来改变输出至照明灯具上的电压，从而改变照明灯具的照明亮度。

结合附图2说明环境照明亮度测量终端10、11、…1n的结构和工作原理。每个终端主要包括太阳能电池板101、蓄电池102、光敏传感器103、单片机系统104和无线收发器105。其连接关系是：太阳能电池板101连接至蓄电池102，蓄电池102分别连接至光敏传感器103、单片机系统104和无线收发器105，光敏传感器103和无线收发器105分别与单片机系统104连接。

太阳能电池板101可将白天的太阳能光照能量转换为直流电形式的能量，送至蓄电池102。蓄电池102向光敏传感器103、单片机系统104和无线收发器105供电。光敏传感器103将安装位置处的光照强度信号转换为相应大小的电信号，送至单片机系统104，单片机系统104将该信号进行平均值处理，以消除偶尔的光照亮度突变的影响，并将处理后的信号送至无线收发器105，无线收发器105将该信号通过无线方式发送出去。

太阳能电池板101可选用目前常规的家用太阳能电池板，由于环境照明亮度测量终端10、11、…1n的工作功耗很小，选用2W左右的太阳能电池板即可满足要求。例如型号为JNG2的电池板，平均输出功率为2W，最大输出功率可达8W。工作电压5.5V，最大可达16.8V；重量仅为0.5kg，面积为140mm×180mm，厚度为15mm，完全满足环境照明亮度测量终端10、11、…1n的工作要求。

蓄电池102可选用目前常规的太阳能蓄电池。例如型号为SN06120的太阳能蓄电池，可实现5V电压的充电，供电能力可大120Ah，完全满足环境照明亮度测量终端10、11、…1n的工作要求。

光敏传感器103可选用目前常规的光敏传感器。例如型号为EKPSMD021的光敏传感器，能够将环境光照度转换为光电流输出。输出电流在数十微安至几百微安范围，将该输出光电流通过一个高稳定电阻后转换为光电压信号，送至单片机系统104。

单片机系统104实现的功能较为简单，主要是对光敏传感器103送来的光电压信号进行采样，对转换后的数字信号进行平均值处理，例如每分钟采样2次，对5分钟内的10个采样信号进行平均值处理，得到与5分钟内平均光照强度大小对应的信号。单片机系统可采用可选用目前常规的单片机构成。例如选用MSP430系列单片机即可完全满足环境照明亮度测量终端10、11、…1n的工作要求。

无线收发器105可选用目前常规的无线收发器。例如采用型号为KY-602的小功率收发一体化无线数传平台，采用串口与单片机系统104进行连接，频率范围227MHz-230.2MHz-频率稳定度：调制方式为MSK或FSK；数据接口速率为2400或1200bps。可完全满足环境照明亮度测量终端10、11、…1n的工作要求。

结合附图3说明节能装置控制器3的结构和工作原理。该控制器主要包括直流电源501、无线收发器502、隔离变压器503、信号调理电路504、单片机系统505、功率放大隔离电路506和人机接口电路507。其连接关系是：直流电源501分别连接至无线收发器502、信号调理电路504、单片机系统505、功率放大隔离电路506和人机接口电路507；隔离变压器503连接至信号调理电路504；无线收发器502、信号调理电路504、功率放大隔离电路506和人机接口电路507分别与单片机系统505连接。

由电压传感器4传来的交流电压（照明供电变压器的输出电压信号）送至直流电源501，将其转换为直流电供无线收发器502、信号调理电路504、单片机系统505、功率放大隔离电路506和人机接口电路507使用。由电压传感器4传来的交流电压通过隔离变压器503变换为-5V到+5V范围内的信号，送至信号调理电路504；电流传感器6送来的交流电流信号已经变换为-5A-5A的范围，送至信号调理电路504；电压传感器7送来的交流电压信号已经变换为-5V-5V的范围，送至信号调理电路504；信号调理电路504首先将交流电流信号通过固定的高精度电阻，例如1Ω，将其转换为-5V-5V的电压信号，信号调理电路504再将电流传感器6所送代表电流的电压信号（即照明线路电流信号）、电压传感器7送来的交流电压信号（即照明线路电压信号）与隔离变压器503送来的电压信号（即照明供电变压器电压）分别通过常规的模拟式电压跟随器电路后，再送至单片机系统505。无线收发器502接收环境照明亮度测量终端10、11、…1n发送来的信号，通过串口送至单片机系统505。单片机系统505根据上述的代表电流的信号、代表电压的信号和多个代表环境光照强度的信号，生成节能装置主电路5中IGBT所需的驱动脉冲和开关所需的控制信号，这些控制信号通过功率放大隔离电路506后，生成IGBT驱动信号和开关控制信号，送至节能装置主电路5。

直流电源501选用常规的AC/DC电源模块即可，这类产品目前市场上品种非常繁多，且输出电压具有多种规格。

无线收发器502可选用目前常规的无线收发器。例如采用型号为KY-602的小功率收发一体化无线数传平台，采用串口与单片机系统104进行连接，频率范围227MHz-230.2MHz-频率稳定度：调制方式为MSK或FSK；数据接口速率为2400或1200bps。

信号调理电路504主要是利用电压跟随器对输入的电压信号进行隔离，再送至单片机系统505，以实现阻抗匹配。该电路可利用现有的成熟技术予以实现。

单片机系统505可选用MSP430系列单片机，例如MSP430F147芯片，带有8路12位模拟/数字转换通道，32kFlash闪存和1kSRAM，48位通用I/O引脚，内置2个16位比较器，并具有2个通用同步/异步串行接收/发送器USART，完全能够满足本装置控制系统的设计要求。

功率放大隔离电路506将单片机系统505发出的信号进行功率放大，并进行隔离，送至节能装置主电路5，包括IGBT驱动信号S₁、S₂、S₃、S₄及开关控制信号。功率放大和隔离电路可采用目前已经非常成熟的技术进行实现，例如采用三极管隔离放大。

人机接口电路507主要是向单片机系统505提供一些配置信号，使得用户可向单片机系统505内输入供电线路的相关参数、照明灯具的相关参数等。该电路可采用常规的键盘实现，并通过常规成熟的技术进行与单片机系统505的接口，例如通过通用IO引脚的方式。

结合附图4说明节能装置主电路5的结构和工作原理。该主电路主要包括IGBT器件P₁、P₂、P₃、P₄，二极管D₁、D₂、D₃、D₄，输入滤波电容器C₂，输出滤波电感L₁，滤波电容C₁以及开关K_B和开关K_M。其相互连接关系为：二极管D₁、D₂、D₃、D₄分别与IGBT器件P₁、P₂、P₃、P₄并联；输入滤波电容器C₂并联在节能装置主电路5的输入端的端子N_S与N_N之间（接照明供电变压器）；滤波电容C₁并联在节能装置主电路5的输出端的端子N_L与N_N之间（接照明灯具）；IGBT器件P₁、P₂以及输出滤波电感L₁顺序串联，接在端子N_S与N_L之间；IGBT器件P₃、P₄串联，接在端子N_M与N_N之间，端子N_M为D₂与L₁之间的中间端子。

开关K_B和开关K_M用于将节能装置主电路5投入或切除。也即当K_B闭合，而K_M打开时，节能装置主电路5被从线路中切除。此时路灯照明灯具将直接由路灯照明供电变压器供电。当K_M闭合，而K_B打开时，节能装置主电路5将串联在线路中，此时路灯照明灯具将由节能装置主电路5供电。当K_M和K_B同时打开时，此时路灯照明灯具将失去供电电压，即可实现关灯控制。

节能装置主电路5中的4个分别并联有二极管D₁、D₂、D₃、D₄的IGBT器件P₁、P₂、P₃、P₄构成交流斩波模块，在路灯照明供电变压器电压波形的正负半波均能进行调压控制，采用无电流检测的非互补控制方式对IGBT P1-P4进行控制。

以下详细说明由单片机系统505实现的节能装置1的具体控制方案。

设环境照明亮度测量终端10、11、…1n发送至节能装置控制器的代表所处位置光照强度的电压信号分别为U_1t、U_2t、…U_nt。在这些电压信号中，去掉其中最大的一个和最小的一个，将剩余的n-2个电压进行求平均值处理，代表整个路灯照明线路环境的平均光照强度，设该平均值为U_avg，根据附图5来计算节能装置1的输出参考电压有效值基本量U_ref1。

附图5中根据U_avg的大小划分为三个区：

当U_avg>U_avg,max时，节能装置1处于熄灯区。说明此时环境光照强度已经不需要路灯照明，此时应控制节能装置主电路5中的开关，使得开关K_B和开关K_M同时打开，实现关灯控制。此时IGBT器件P₁、P₂、P₃、P₄的驱动信号S₁、S₂、S₃、S₄均为0，使得器件P₁、P₂、P₃、P₄均为关断状态。

当U_avg<U_avg,min时，节能装置1处于恒定区。说明此时环境光照强度很低，但是由于节能装置能够输出的电压有效值最大值即是照明供电变压器输出的电压u_s的有效值Us，不能继续升高照明线路上的电压。此时应控制节能装置主电路5中的开关，使得开关K_B闭合而开关K_M打开，路灯照明灯具将直接由路灯照明供电变压器供电。此时IGBT器件P₁、P₂、P₃、P₄的驱动信号S₁、S₂、S₃、S₄均为0，使得器件P₁、P₂、P₃、P₄均为关断状态。

当U_avg,min≤U_avg≤U_avg,max时，节能装置1处于调节区。说明此时环境光照强度不需要最高的供电电压，可根据此时的U_avg值按照附图5所示的曲线计算出相应的节能装置1输出参考电压有效值基本量U_ref1。U_ref1的计算公式为：

$U_{\mathrm{ref}1}=\frac{U_s-U_{\mathrm{ref}1,\min }}{U_{\mathrm{avg},\min }-U_{\mathrm{avg},\max }}(U_{\mathrm{avg}}-U_{\mathrm{avg},\min })+U_s$

此时应控制节能装置主电路5中的开关，使得K_B打开而K_M闭合，路灯照明灯具将由节能装置1供电。

U_avg,min（整个路灯照明线路环境的平均光照强度最低时对应的电压）、U_avg,max（不需要路灯照明时的平均光照强度对应的电压）和对应于U_avg,max时的U_ref1,min（即将关灯时节能装置1输出参考电压有效值的基本量）需要事先对环境光照进行测试得到，并可通过人机接口电路507输入至节能装置控制器505。可事先人工判断何种环境光照强度下需要熄灯，并将此时测得的对应U_avg值作为U_avg,max，此时的U_ref1,min可取为Us的一个比例，例如0.5Us；而将环境光照强度最低时测得的对应U_avg值作为U_avg,min。

在计算得到了节能装置1输出参考电压有效值基本量U_ref1后，还需考虑对线路压降进行补偿。结合附图6来说明节能装置1输出参考电压有效值补偿量U_ref2的计算方法。本发明选取位于照明线路中间的照明灯具m作为对象进行电压补偿。目标是使得照明灯具m处的供电电压u_lm的有效值达到U_ref1。

设照明灯具按等间隔沿线布置，相邻照明灯具之间的距离为m_lamp。供电线路的单位长度电阻为r₀，单位长度的电感为l₀，由于供电线路的单位电阻r₀很小，计算时可以忽略。则每两个照明灯具之间的线路电感l=l₀×m_lamp，设照明灯具的等效电阻均为r_lamp。在整个照明线路共计有k个照明灯具的情况下，附图6中的电阻r_equ和电感l_equ即是第m（当k为偶数时，m=k/2；当k为奇数时，m=(k-1)/2）个照明灯具到第k个照明灯具之间的等效电阻和电感，照明灯具1取用电流记为i_l1、供电线路首端电流记为i_l。电阻r_equ和电感l_equ可根据电路结构进行计算，为便于实施参考起见，结合附图7说明电阻r_equ和电感l_equ的计算方法：

灯具k的等效电阻r_lamp与第k个和第k-1个照明灯具之间线路电感l相串联，可得到等效电阻r_equk和等效电感l_equk分别为：

r_equk＝r_lamp

l_equk＝l

根据等效电阻r_equk和等效电感l_equk与第k-1个和第k-2个照明灯具之间线路的电感l，根据常规的电路电阻电抗的串并联计算方法，可计算得到等效电阻r_equ(k-1)和等效电感l_equ(k-1)分别为：

$r_{\mathrm{equ}(k-1)}=\frac{{2r}_{\mathrm{lamp}}^3+x_l^2{r}_{\mathrm{lamp}}}{{\left({2r}_{\mathrm{lamp}}\right)}^2+x_l^2}$

$l_{\mathrm{equ}(k-1)}=\frac{r_{\mathrm{lamp}}^2\&times;l}{{\left({2r}_{\mathrm{lamp}}\right)}^2+x_l^2}+l$

其中：x_l为电感l对应的电抗，即x_l=2×π×f×l（f为系统工频频率，我国为50Hz）。

同理，根据等效电阻r_equ(k-1)和等效电感l_equ(k-1)与第k-2个和第k-3个照明灯具之间线路的电感l，可计算得到等效电阻r_equ(k-2)和等效电感l_equ(k-2)，...，根据等效电阻r_equ(m+3)和等效电感l_equ(m+3)与第m+2个和第m+1个照明灯具之间线路的电感l计算得到等效电阻r_equ(m+2)和等效电感l_equ(m+2)，根据等效电阻r_equ(m+2)和等效电感l_equ(m+2)与第m+1个和第m个照明灯具之间线路的电感l计算得到等效电阻r_equ和等效电感l_equ（即等效电阻r_equ(m+1)和等效电感l_equ(m+1)）。

在照明灯具m处的供电电压u_lm的有效值达到U_ref1时，可计算出照明灯具m取用电流i_lm为（以下均以相量形式表示）：

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{lm}}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{ref}1}/r_{\mathrm{lamp}}$

为i_lm的相量形式，为U_ref1的相量形式。

而等效电阻r_equ和等效电感l_equ支路的取用电流i_equ为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{equ}}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{ref}1}/(r_{\mathrm{lamp}}+r_{\mathrm{equ}}+j\&times;2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;f\&times;l_{\mathrm{equ}})$

为i_equ的相量形式。

则第m-1个照明灯具与第m个照明灯具之间线路电流i_l(m-1)m为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{l(m-1)m}={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{lm}}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{equ}}$

为i_l(m-1)m的相量形式。

第m-1个照明灯具与第m个照明灯具之间线路上的电压降落Δu_l(m-1)m为：

$\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{l(m-1)m}={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{l(m-1)m}\&times;j\&times;2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;l$

为Δu_l(m-1)m的相量形式。

电压降落Δu_l(m-1)m加上照明灯具m处的供电电压u_lm（有效值达到U_ref1），即可得到照明灯具m-1处的电压u_l(m-1)：

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{l(m-1)}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{lm}}+\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{l(m-1)m}$

为u_l(m-1)的相量形式，为u_lm的相量形式。

然后用代替用代替按以上公式计算照明灯具m-1取用电流i_l(m-1)、第m-2个照明灯具与第m-1个照明灯具之间线路电流i_l(m-2)(m-1)、第m-2个照明灯具与第m-1个照明灯具之间线路上的电压降落Δu_l(m-2)(m-1)、照明灯具m-2处的电压u_l(m-2)，再用照明灯具m-2处的电压u_l(m-2)的相量形式代替用代替继续计算，…直到计算出第1个照明灯具与第2个照明灯具之间线路上的电压降落Δu_l12。这样反复利用这个计算过程，计算出每相邻两个照明灯具线路上的电压降落Δu_l(n-1)n（n=2,3,…,m）。对这些电压降落Δu_l(m-1)m、Δu_l(m-2)(m-1)、…、Δu_l12进行求和后，将和值作为节能装置1输出参考电压有效值补偿量U_ref2。

结合附图8说明IGBT器件P₁、P₂、P₃、P₄的驱动信号S₁、S₂、S₃、S₄的产生方法。

将节能装置1输出参考电压有效值基本量U_ref1和节能装置1输出参考电压有效值补偿量U_ref2相加，得出节能装置1输出参考电压有效值参考值U_ref，计算出路灯照明供电变压器的输出电压信号u_s的相位角θ，利用U_ref和θ通过正弦函数发生器产生节能装置1输出电压参考值u_ref，将与实测的供电线路首端电压u_l相减，得出电压误差u_error，该误差信号u_error经过PI校正环节（即比例积分环节，该方法是进行输出无静态误差控制的常见技术）后，利用三角波发生器产生的三角波载波信号进行调制，得出信号S。

将路灯照明供电变压器的输出电压信号u_s送入过零比较器，产生方波信号S_P及其反相的方波信号S_N；信号S与S_P相与得到IGBT器件P₁的驱动信号S₁，信号S与S_N相与得到IGBT器件P₃的驱动信号S₃，信号S反相后与S_P相与得到IGBT器件P₄的驱动信号S₄，信号S反相后与S_N相与得到IGBT器件P₂的驱动信号S₂。

上述的相位角θ的计算、正弦函数发生器、PI校正环节、三角波发生器、过零比较器、反相器等均可利用单片机系统505的软件算法实现，其实现方法均为成熟的技术。

附图9中为对本发明的基于交流斩波技术的路灯照明节能装置的节能装置1的输出电压的仿真波形。仿真中照明供电变压器输出电压有效值为1kV，假定计算得到的节能装置1输出电压有效值需达到0.8kV。可以看到节能装置1输出电压基本与有效值为0.8kV的正弦波的波形一致。

因此，本发明的基于交流斩波技术的路灯照明节能装置充分利用了基于电力电子器件的交流斩波控制技术，能按照环境光照强度实时连续快速地调整照明灯具的供电电压，在满足光照强度的要求下实现精细化节能。同时还实现了智能化的照明线路电压降落补偿，能在满足光照强度的要求下补偿电压降落，提高了照明灯具的使用寿命。同时该装置控制方便、精度高、调节快速、不产生谐波，结构简单、安装维护方便，具有很高的实用价值和市场推广前景。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴之内，应由各权利要求限定。

Claims (5)

1.一种基于交流斩波技术的智能路灯照明节能装置，用于由路灯照明供电变压器提供电源的路灯照明线路节能，其特征在于：节能装置(1)包括多个环境照明亮度测量终端、无线网络(2)、节能装置控制器(3)、节能装置主电路(5)、隔离变压器(4)、电流传感器(6)和电压传感器(7)，

每个环境照明亮度测量终端分别安装于路灯照明线路上一个照明灯具的所在位置，环境照明亮度测量终端将所在位置的环境照明亮度转换为相应大小的电信号，通过无线网络(2)发送至节能装置控制器(3)；

隔离变压器(4)串联于路灯照明供电变压器和节能装置控制器(3)之间，将路灯照明供电变压器的输出电压进行降压，送至节能装置控制器(3)，一方面向节能装置控制器(3)供电，另一方面向节能装置控制器(3)提供路灯照明供电变压器的输出电压信号；

电压传感器(7)串联于节能装置主电路(5)和节能装置控制器(3)之间，将路灯照明线路的首端电压进行降压，向节能装置控制器(3)提供路灯照明线路首端供电的电压信号；

电流传感器(6)串联于节能装置主电路(5)和路灯照明线路首端的照明灯具之间，隔离路灯照明线路的电流，并输出送至节能装置控制器(3)，向节能装置控制器(3)提供电流信号；

节能装置控制器(3)与节能装置主电路(5)连接，节能装置控制器(3)根据环境照明亮度测量终端所得与环境照明亮度相应的电信号、隔离变压器(4)提供的输出电压信号、电压传感器(7)提供的电压信号和电流传感器(6)提供的电流信号，产生驱动信号和开关控制信号，并输出到节能装置主电路(5)；

节能装置主电路(5)串联于路灯照明供电变压器和路灯照明线路首端的照明灯具之间，根据节能装置控制器(3)产生的驱动信号和开关控制信号来改变输出至照明灯具上的电压，改变照明灯具的照明亮度；

每个环境照明亮度测量终端包括太阳能电池板(101)、蓄电池(102)、光敏传感器(103)、单片机系统(104)和无线收发器(105)，太阳能电池板(101)连接至蓄电池(102)，蓄电池(102)分别连接至光敏传感器(103)、单片机系统(104)和无线收发器(105)，光敏传感器(103)和无线收发器(105)分别与单片机系统(104)连接；

节能装置控制器(3)包括直流电源(501)、无线收发器(502)、隔离变压器(503)、信号调理电路(504)、单片机系统(505)、功率放大隔离电路(506)和人机接口电路(507)，直流电源(501)分别连接至无线收发器(502)、信号调理电路(504)、单片机系统(505)、功率放大隔离电路(506)和人机接口电路(507)；隔离变压器(503)连接至信号调理电路(504)；无线收发器(502)、信号调理电路(504)、功率放大隔离电路(506)和人机接口电路(507)分别与单片机系统(505)连接；

节能装置主电路(5)包括IGBT器件P₁、P₂、P₃、P₄，二极管D₁、D₂、D₃、D₄，输入滤波电容器C₂，输出滤波电感L₁，滤波电容C₁以及开关K_B和开关K_M；二极管D₁、D₂、D₃、D₄分别与IGBT器件P₁、P₂、P₃、P₄并联，输入滤波电容器C₂并联在节能装置主电路(5)的输入端子N_S与N_N之间，滤波电容C₁并联在节能装置主电路(5)的输出端子N_L与N_N之间；IGBT器件P₁、P₂以及输出滤波电感L₁顺序串联，接在端子N_S与N_L之间；IGBT器件P₃、P₄串联，接在端子N_M与N_N之间。

2.根据权利要求1所述基于交流斩波技术的智能路灯照明节能装置，其特征在于：节能装置控制器(3)产生开关K_B和开关K_M的开关控制信号方式如下，

设整个路灯照明线路环境的平均光照强度最低时对应的电压为U_avg,min，不需要路灯照明时的平均光照强度对应的电压为U_avg,max；取各环境照明亮度测量终端所得电压信号，去掉其中最大的一个和最小的一个，将剩余的电压信号进行求平均值处理，记该平均值为U_avg；

当U_avg>U_avg,max时，产生使得开关K_B和开关K_M同时打开的的开关控制信号；

当U_avg<U_avg,min时，产生使得开关K_B闭合而开关K_M打开的开关控制信号；

当U_avg,min≤U_avg≤U_avg,max时，产生使得开关K_B打开而开关K_M闭合的开关控制信号。

3.根据权利要求2所述基于交流斩波技术的智能路灯照明节能装置，其特征在于：当U_avg,min≤U_avg≤U_avg,max时，节能装置控制器(3)产生IGBT器件P₁、P₂、P₃、P₄的驱动信号方式如下，

根据U_avg计算出相应的节能装置(1)输出参考电压有效值基本量U_ref1；计算节能装置(1)输出参考电压有效值补偿量U_ref2；

将节能装置(1)输出参考电压有效值基本量U_ref1和节能装置(1)输出参考电压有效值补偿量U_ref2相加，得出节能装置(1)输出参考电压有效值参考值U_ref，计算出路灯照明供电变压器的输出电压信号u_s的相位角θ，利用U_ref和θ通过正弦函数发生器产生节能装置(1)输出电压参考值u_ref，将电压参考值u_ref与实测的供电线路首端电压u_l相减，得出电压误差u_error，该电压误差u_error经过PI校正环节后，利用三角波发生器产生的三角波载波信号进行调制，得出信号S；

将路灯照明供电变压器的输出电压信号u_s送入过零比较器，产生方波信号S_P及其反相的方波信号S_N；信号S与S_P相与得到IGBT器件P₁的驱动信号S₁，信号S与S_N相与得到IGBT器件P₃的驱动信号S₃，信号S反相后与S_P相与得到IGBT器件P₄的驱动信号S₄，信号S反相后与S_N相与得到IGBT器件P₂的驱动信号S₂。

4.根据权利要求3所述基于交流斩波技术的智能路灯照明节能装置，其特征在于：所述根据U_avg计算出相应的节能装置(1)输出参考电压有效值基本量U_ref1，采用以下公式，

$U_{\mathrm{ref}1}=\frac{U_s-U_{\mathrm{ref}1,\min }}{U_{\mathrm{avg},\min }-U_{\mathrm{avg},\max }}(U_{\mathrm{avg}}-U_{\mathrm{avg},\min })+U_s$

其中，Us为照明供电变压器输出的电压u_s的有效值。

5.根据权利要求3所述基于交流斩波技术的智能路灯照明节能装置，其特征在于：所述计算节能装置(1)输出参考电压有效值补偿量U_ref2，实现方式为，设路灯照明线路上共有k个照明灯具，计算第m个照明灯具到第k个照明灯具之间的等效电阻r_equ和等效电感l_equ；当k为偶数时m＝k/2，当k为奇数时m＝(k-1)/2；根据等效电阻r_equ和等效电感l_equ计算节能装置(1)输出参考电压有效值补偿量U_ref2，包括首先进行以下计算过程，

设照明灯具的等效电阻均为r_lamp，每两个照明灯具之间的线路电感为l，在照明灯具m处的供电电压ulm的有效值达到U_ref1时，计算出照明灯具m取用电流i_lm如下，

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{lm}}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{ref}1}/r_{\mathrm{lamp}}$

为i_lm的相量形式，为U_ref1的相量形式；

计算等效电阻r_equ和等效电感l_equ支路的取用电流i_equ如下，

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{equ}}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{ref}1}/(r_{\mathrm{lamp}}+r_{\mathrm{equ}}+j\&times;2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;f\&times;l_{\mathrm{equ}})$

为i_equ的相量形式；

计算第m-1个照明灯具与第m个照明灯具之间线路电流i_l(m-1)m如下，

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{l(m-1)m}={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{lm}}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{equ}}$

为i_l(m-1)m的相量形式；

计算第m-1个照明灯具与第m个照明灯具之间线路上的电压降落Δu_l(m-1)m如下，

$\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{l(m-1)m}={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{l(m-1)m}\&times;j\&times;2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;l$

为Δu_l(m-1)m的相量形式；

计算电压降落Δu_l(m-1)m加上照明灯具m处的供电电压u_lm，得到照明灯具m-1处的电压u_l(m-1)如下，

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{l(m-1)}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{lm}}+\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{l(m-1)m}$

为u_l(m-1)的相量形式，为u_lm的相量形式；

反复利用这个计算过程，计算出每相邻两个照明灯具线路上的电压降落Δu_l(n-1)n，n＝2,3,…,m，对这些电压降落Δu_l(m-1)m、Δu_l(m-2)(m-1)、…、Δu_l12进行求和后，将和值作为节能装置(1)输出参考电压有效值补偿量U_ref2。