CN201119098Y - 一种照明供电系统的智能型节电装置 - Google Patents

Abstract

一种照明供电系统的智能型节电装置，适用于公路，街道，超市等场合的气体放电类照明灯具。它包括如下部分：控制单元，软启动电路，接触器、继电器、变压器线路，电压平滑调节电路，滤波电路，电流检测单元，电压检测单元。其中，控制单元包括：降压、稳压、滤波电路，掉电检测，声光报警，按键输入，数码显示及时钟等模块。本实用节电装置的输出电压能够平滑的变化，照明设备不会出现闪断的情况；装置能够实现软启动，可防止通电瞬间电流过大；能够显示装置当前的各项电参数；能够根据当前时间调整电压输出；具有手动旁路的功能；系统抗干扰能力强。本实用新型在不影响灯具使用，不影响光效的前提下，一般可达到节电10～40％的效果。

Description

一种照明供电系统的智能型节电装置

技术领域

本实用新型涉及一种照明供电系统的智能型节电装置，适用于公路，街道，超市等场合的气体放电类照明灯具。

背景技术

减少能源消耗是社会可持续发展的重要课题之一。在电力的输送过程中，为了保证末端用户的正常供电，电源变压器的输出电压一般会高于用电设备的额定电压；在后半夜，电网的负荷量减小，用电设备的供电电压将会升高，这些情况将造成用电设备的供电电压高于其额定电压。热辐射光源发光灯具依靠电阻发热而发光，很难实现节电。而气体放电发光灯具若在高于220V的电压下启动，然后调整灯具的供电电压为额定电压的90％，则灯的光效基本不会变化。由于灯具的功率减小，所以能够节省电能。因此，保持灯的供电电压在额定电压的90％到额定电压之间(即在节电电压下工作)，不会影响照明且能够达到节省电能的目的。利用这种原理实现节电的装置已经出现，但大多数装置智能化程度不高，表现为：缺少完善的保护电路，缺少断电数据保护功能，缺少直观的数码显示和根据当前时间来调整输出电压等功能。这些功能的缺失，不但会影响装置运行的可靠性，而且会影响节电的效果。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决现有节电装置缺少完善的保护电路，缺少断电数据保护功能，缺少直观的数码显示和根据当前时间来调整输出电压等功能的缺陷，提出一种照明供电系统的智能型节电装置。

一种照明供电系统的智能型节电装置，包括：接触器、继电器、变压器线路，电流检测电路，电压检测电路和由微控制器及其外围电路组成的控制单元，软启动电路，电压平滑调节电路，滤波电路。其中，控制单元包括：微控制器，降压、稳压、滤波电路，掉电检测模块，声光报警电路，按键输入电路，数码显示电路，时钟模块，隔离电路。

装置进入节电状态的条件为：市电高于照明设备的额定电压，且处于正常范围(即不高于国家规定的上限)。装置各部分之间的连接关系如图1和图2所示：节电装置接入用电线路的初始时刻，处于非节电的旁路状态(旁路状态为装置不经过变压直接将市电输出的状态)：控制单元工作，市电依次流经软启动电路，接触器、继电器、变压器线路，电压平滑调节电路，滤波电路，最后输出给照明设备供电。此时电流不经过接触器、继电器、变压器线路，装置的输出电压大致等于市电的电压。节电装置在旁路状态下启动并延时10秒钟后，控制单元将启动电压检测电路，检测装置当前的输出电压(等效为检测市电电压)。如果不符合节电条件，则继续检测装置的输出电压并等待；旁路状态下电流检测电路不会被启动。当符合节电条件时，控制单元控制接触器、继电器、变压器线路动作，从而结束旁路状态，进入节电状态。此时，市电依次流经软启动电路，接触器、继电器、变压器线路，电压平滑调节，滤波电路，最后输出给照明设备供电。节电状态下，电流经过接触器、继电器、变压器线路，降低电压并输入到电压平滑调节电路，然后经过滤波电路，最后输出。装置进入节电状态后电流检测电路将被启动，检测到的信号输入控制单元。

装置各部分功能说明如下：

控制单元的核心部分是Atmel公司的高性能微控制器Atmega8L(U1)，可以将电流检测电路，电压检测电路检测到的模拟信号转变为数字信号。微控制器可以计算得到节电装置的输出电压和输入电流。微控制器根据节电装置的输出电压值来调整自耦变压器的变压比，从而达到调节电压的目的。微控制器内部含有EEPROM，可记录断电时刻的数据，如断电时间等信息。

控制单元的降压、稳压、滤波电路包含两个稳压芯片(U5为5V稳压芯片，U6为9V稳压芯片)，输出分别为5V(VCC)和9V(VDD)的电压。该电路将市电降压、稳压、滤波，VDD用于继电器的供电，VCC用于控制单元其他部分的供电。

控制单元的掉电检测模块采用电压检测芯片S8053ALB(U2)。掉电检测模块的输入电压为控制单元的供电电压，输出端接到微控制器的中断输入端。当控制单元的供电电压低于门限值时，该模块能够发送中断信号到微控制器，微控制器调用中断服务程序将装置当前的各项参数存入微控制器内部的EEPROM保存起来；装置重新上电时，读出EEPROM中的数据作为电压调节的参考。

控制单元的声光报警模块，用到蜂鸣器LS1和发光LED(L1)。该模块输入端接到微控制器的输出端，用于紧急情况下的报警。紧急情况包括：电源电压过高，等于或高于国家规定的上限值；电压过低，负载无法正常运行；流经装置的电流过大等。进入报警状态后，装置进入非节电的旁路状态。采用LED发光和蜂鸣器发声来实现光和声音报警。

控制单元的按键输入电路采用轻触按键S1，按键输入电路的输出端接到微控制器的中断输入口，用于校正时间，或选择需要显示的电参数(输入电压，输出电压，输入电流，输出电流，负载总功率)。

控制单元的数码显示模块用于显示装置各项电参数或当前时间。该模块接到微控制器的输出端口。包括数码管U9和串入并出转换芯片SN74HC164(U8)。数码管使能信号由微控制器的输出口发出，数码管数据端接到SN74HC164芯片的输出端，SN74HC164芯片将微控制器输出口发出的串行数据转化为并行数据，驱动数码管显示。

控制单元的时钟模块使用DALLAS公司的串行时钟芯片DS1302(U7)，其输出端与微控制器的输入端连接，用于给微控制器提供时钟信号，系统断电后由电池给该模块供电。微控制器还可根据当前时间来调整输出电压，白天电网电压变化范围较大，夜间电网电压变化较小，根据检测到的市电电压来判断是否进入节电状态和进入什么程度的节电状态。如果装置反应过快则会使继电器，交流接触器频繁动作，影响其使用寿命，反应过于缓慢则会影响节电的效率，根据不同时段电压波动范围的不同采用不同的调压方法，可以在减缓器件损耗的基础上使装置保持高的节电效率。装置断电的瞬间，微控制器将断电时刻的时间存入内部的EEPROM，重新上电后，读出上次断电时刻的时间，和当前时间比较，计算出断电状态的持续时间，如果断电时间在5秒钟内，则直接判断是否符合节电条件，从而决定装置是否进入节电状态；如果断电时间超过5秒，则延时10秒钟后再判断是否符合节电条件，继而决定是否进入节电状态。

控制单元的隔离电路采用了光电耦合芯片4N25(U12，U13，U14，U15)，用于将微控制器与接触器、继电器、变压器线路隔离，隔离电路的输入端接到微控制器的输出口，输出端接到接触器、继电器、变压器线路中继电器和交流接触器的触点控制端，控制触点的接通和断开。通过将光信号转变为电信号，实现弱电和强电信号的隔离。

软启动电路包含一个大功率、大阻值的电阻RES1和一个固态继电器KEY1。软启动电路一端接到装置的火线进线端PortC，另一端接到接触器、继电器、变压器线路的输入端。电阻串联在主回路中，继电器常开触点接在电阻两端。开机瞬间，电阻接入主回路，可以减小启动瞬间流经装置的电流，正常启动后将继电器的常开触点吸合，使电阻短路，结束软启动。加入软启动电路可以使装置以小电流的方式启动，防止启动瞬间流经装置的电流过大。

接触器、继电器、变压器线路一端接到软启动电路的输出端，另一端接到电压平滑调节电路的输入端。该电路包含交流接触器KEY5，KEY6和继电器KEY2，KEY3，KEY4。交流接触器KEY5和KEY6用于改变变压器的变压比。继电器KEY2用于控制交流接触器KEY5的线包，通过微控制器控制继电器KEY2的通断，从而改变交流接触器KEY5的触点状态，调整自耦变压器的变压比，调节输出电压。继电器KEY4用于控制交流接触器KEY6的线包，通过微控制器控制继电器KEY4的通断，从而改变交流接触器KEY6的触点状态，和接触器KEY5的状态组合来调整自耦变压器的变压比，调节输出电压。继电器KEY3控制装置进入节电状态或旁路状态。装置进入报警状态后，随即自动进入旁路状态。装置有手动旁路旋转开关KM2，一端连接在接触器、继电器、变压器线路的火线输入端，另一端连接在接触器、继电器、变压器线路的火线输出端，在紧急情况下可以通过手动操作，使手动旋转开关闭合，电流不经过接触器、继电器、变压器线路，直接输出到电压平滑调节电路，从而使装置进入旁路状态。紧急情况下手动操作进入旁路状态后，装置将一直保持旁路状态，直到再次手动操作才能使装置进入自动控制状态。有两个灯LAMP1和LAMP2，分别用于提示当前装置处在旁路状态或处在自动控制状态。

电压平滑调节电路用于调节节电装置的输出电压。电压平滑调节电路一端接到接触器、继电器、变压器线路的输出端，另一端接到滤波电路的输入端。电压平滑调节电路使输出电压平滑的改变，确保照明器件不会出现闪断等情况，通过在回路串入电感L2来实现。

滤波电路包含电阻L3和电容C10，滤波电路输入端接到电压平滑调节电路的输出端，滤波电路的输出端即为装置的输出端。滤波电路可以减小输出电压的纹波，提高电源质量。

电流检测电路，电压检测电路分别用于检测装置的输入电流和输出电压。电流检测用电流互感器U10，电压检测用电压互感器U11。互感器采集的模拟信号送入控制单元的微控制器进行模/数转换，微控制器计算得出检测的电流/电压值。装置有过流、过压的保护功能。微控制器根据检测到的电流和电压值，控制继电器和交流接触器的开关触点，改变装置的工作状态，实现过流、过压的保护功能。

采用了上述的技术方案，本实用新型具有下列优点：具有完善的保护电路；具有断电数据保护功能；能够显示装置当前的各项电参数；能够根据当前时间调整输出电压；节电装置的输出电压能够平滑的变化，照明设备不会出现闪断的情况；装置能够实现软启动，可防止通电瞬间电流过大；可通过手动操作进入旁路状态等。

附图说明

图1本实用新型的结构框图

图2本实用新型的控制单元的结构框图，图中虚线内部分为控制单元。

图3本实用新型的控制单元的电路原理图，不含隔离电路

图4本实用新型的控制单元的隔离电路

图5本实用新型的软启动电路，接触器、继电器、变压器线路，电压平滑调节电路，滤波电路，电流检测电路，电压检测电路的原理图

具体实施方式

如附图1，2所示，本实用新型装置包括：接触器、继电器、变压器线路，电流检测电路，电压检测电路和由微控制器及其外围电路组成的控制单元，软启动电路，电压平滑调节电路，滤波电路。其中，控制单元包括：微控制器、降压、稳压、滤波电路，掉电检测模块，声光报警电路，按键输入电路，数码显示电路，时钟模块，隔离电路。

控制单元的降压、稳压、滤波电路包含两个稳压芯片(U5为5V稳压芯片，U6为9V稳压芯片)，输出分别为5V(VCC)和9V(VDD)的电压。该电路将市电降压、稳压、滤波，VDD用于继电器的供电，VCC用于控制单元其他部分的供电。

控制单元的掉电检测模块采用电压检测芯片S8053ALB(U2)。掉电检测模块的输入电压为控制单元的供电电压，输出端接到微控制器的中断输入端。当控制单元的供电电压低于门限值时，该模块能够发送中断信号到微控制器，微控制器调用中断服务程序将装置当前的各项参数存入微控制器内部的EEPROM保存起来；装置重新上电时，读出EEPROM中的数据作为电压调节的参考。

控制单元的声光报警模块，用到蜂鸣器LS1和发光LED(L1)。该模块输入端接到微控制器的输出端，用于紧急情况下的报警。紧急情况包括：电源电压过高，等于或高于国家规定的上限值；电压过低，负载无法正常运行；流经装置的电流过大等。进入报警状态后，装置进入非节电的旁路状态。采用LED发光和蜂鸣器发声来实现光和声音报警。

控制单元的按键输入电路采用轻触按键S1，按键输入电路的输出端接到微控制器的中断输入口，用于校正时间，或选择需要显示的电参数(输入电压，输出电压，输入电流，输出电流，负载总功率)。

控制单元的数码显示模块用于显示装置各项电参数或当前时间。该模块接到微控制器的输出端口。包括数码管U9和串入并出转换芯片SN74HC164(U8)。数码管使能信号由微控制器的输出口发出，数码管数据端接到SN74HC164芯片的输出端，SN74HC164芯片将微控制器输出口发出的串行数据转化为并行数据，驱动数码管显示。

控制单元的时钟模块使用DALLAS公司的串行时钟芯片DS1302(U7)，其输出端与微控制器的输入端连接，用于给微控制器提供时钟信号，系统断电后由电池给该模块供电。微控制器还可根据当前时间来调整输出电压，白天电网电压变化范围较大，夜间电网电压变化较小，根据检测到的市电电压来判断是否进入节电状态和进入什么程度的节电状态。如果装置反应过快则会使继电器，交流接触器频繁动作，影响其使用寿命，反应过于缓慢则会影响节电的效率，根据不同时段电压波动范围的不同采用不同的调压方法，可以在减缓器件损耗的基础上使装置保持高的节电效率。装置断电的瞬间，微控制器将断电时刻的时间存入内部的EEPROM，重新上电后，读出上次断电时刻的时间，和当前时间比较，计算出断电状态的持续时间，如果断电时间在5秒钟内，则直接判断是否符合节电条件，从而决定装置是否进入节电状态；如果断电时间超过5秒，则延时10秒钟后再判断是否符合节电条件，继而决定是否进入节电状态。

控制单元的隔离电路采用了光电耦合芯片4N25(U12，U13，U14，U15)，用于将微控制器与接触器、继电器、变压器线路隔离，隔离电路的输入端接到微控制器的输出口，输出端接到接触器、继电器、变压器线路中继电器和交流接触器的触点控制端，控制触点的接通和断开。通过将光信号转变为电信号，实现弱电和强电信号的隔离。

软启动电路包含一个大功率、大阻值的电阻RES1和一个固态继电器KEY1。软启动电路一端接到装置的火线进线端PortC，另一端接到接触器、继电器、变压器线路的输入端。电阻串联在主回路中，继电器常开触点接在电阻两端。开机瞬间，电阻接入主回路，可以减小启动瞬间流经装置的电流，正常启动后将继电器的常开触点吸合，使电阻短路，结束软启动。加入软启动电路可以使装置以小电流的方式启动，防止启动瞬间流经装置的电流过大。

接触器、继电器、变压器线路一端接到软启动电路的输出端，另一端接到电压平滑调节电路的输入端。该电路包含交流接触器KEY5，KEY6和继电器KEY2，KEY3，KEY4。交流接触器KEY5和KEY6用于改变变压器的变压比。继电器KEY2用于控制交流接触器KEY5的线包，通过微控制器控制继电器KEY2的通断，从而改变交流接触器KEY5的触点状态，调整自耦变压器的变压比，调节输出电压。继电器KEY4用于控制交流接触器KEY6的线包，通过微控制器控制继电器KEY4的通断，从而改变交流接触器KEY6的触点状态，和接触器KEY5的状态组合来调整自耦变压器的变压比，调节输出电压。继电器KEY3控制装置进入节电状态或旁路状态。装置进入报警状态后，随即自动进入旁路状态。装置有手动旁路旋转开关KM2，一端连接在接触器、继电器、变压器线路的火线输入端，另一端连接在接触器、继电器、变压器线路的火线输出端，在紧急情况下可以通过手动操作，使手动旋转开关闭合，电流不经过接触器、继电器、变压器线路，直接输出到电压平滑调节电路，从而使装置进入旁路状态。紧急情况下手动操作进入旁路状态后，装置将一直保持旁路状态，直到再次手动操作才能使装置进入自动控制状态。有两个灯LAMP1和LAMP2，分别用于提示当前装置处在旁路状态或处在自动控制状态。

电压平滑调节电路用于调节节电装置的输出电压。电压平滑调节电路一端接到接触器、继电器、变压器线路的输出端，另一端接到滤波电路的输入端。电压平滑调节电路使输出电压平滑的改变，确保照明器件不会出现闪断等情况，通过在回路串入电感L2来实现。

滤波电路包含电阻L3和电容C10，滤波电路输入端接到电压平滑调节电路的输出端，滤波电路的输出端即为装置的输出端。滤波电路可以减小输出电压的纹波，提高电源质量。

电流检测电路，电压检测电路分别用于检测装置的输入电流和输出电压。电流检测用电流互感器U10，电压检测用电压互感器U11。互感器采集的模拟信号送入控制单元的微控制器进行模/数转换，微控制器计算得出检测的电流/电压值。装置有过流、过压的保护功能。微控制器根据检测到的电流和电压值，控制继电器和交流接触器的开关触点，改变装置的工作状态，实现过流、过压的保护功能。

综上所述，本实用新型是一种专用于照明系统的节电器，通过降低电压，使照明设备工作在额定电压的90％到额定电压之间，达到节省电能和延长灯具使用寿命的目的，而照明设备的发光亮度却几乎不受影响。装置具有完善的保护电路；具有断电数据保护功能；能够显示装置当前的各项电参数；能够根据当前时间调整输出电压；节电装置的输出电压能够平滑的变化，照明设备不会出现闪断的情况；装置能够实现软启动，可防止通电瞬间电流过大；具有手动操作进入旁路状态的功能等。

Claims (6)

1. 一种照明供电系统的智能型节电装置，包括：接触器、继电器、变压器线路，电流检测电路，电压检测电路和由微控制器及其外围电路组成的控制单元，其特征在于：控制单元扩展了掉电检测模块，掉电检测模块输入电压为控制单元的供电电压，输出端接到微控制器的中断输入端。

2. 根据权利要求1所述的一种照明供电系统的智能型节电装置，其特征在于：所述的控制单元含有数码显示电路，该模块接到微控制器的输出端口，包括数码管U9和串入并出转换芯片SN74HC164；数码管使能信号由微控制器的IO口产生，数码管数据端接到SN74HC164芯片的输出端，SN74HC164芯片将微控制器发出的串行数据转化为并行数据，驱动数码管显示。

3. 根据权利要求1所述的一种照明供电系统的智能型节电装置，其特征在于：还包含软启动电路；软启动电路一端接到装置的火线进线端，另一端接到接触器、继电器、变压器线路的输入端；软启动电路包含一个电阻RES1和一个固态继电器KEY1；电阻串联在主回路中，继电器常开触点接在电阻两端。

4. 根据权利要求1所述的一种照明供电系统的智能型节电装置，其特征在于：微控制器根据检测到的电流和电压值，控制继电器和交流接触器的开关触点；装置有手动旁路旋转开关KM2，一端连接在接触器、继电器、变压器线路的火线输入端，另一端连接在接触器、继电器、变压器线路的火线输出端；手动旋转开关闭合时，电流直接输出到电压平滑调节电路。

5. 根据权利要求1所述的一种照明供电系统的智能型节电装置，其特征在于：还包含电压平滑调节电路，滤波电路，电压平滑调节电路一端接到接触器、继电器、变压器线路的输出端，另一端接到滤波电路的输入端；滤波电路的输入端接到电压平滑调节电路的输出端，滤波电路的输出端即为装置的输出端。

6. 根据权利要求1所述的一种照明供电系统的智能型节电装置，其特征在于：控制单元还包含降压、稳压、滤波电路，声光报警电路，按键输入电路，隔离电路；降压、稳压、滤波电路输出一定值的电压给控制单元供电；按键输入电路的输出端接到微控制器的中断输入口，隔离电路的输入端接到微控制器的输出口，输出端接到接触器、继电器、变压器线路的继电器和交流接触器的触点控制端。

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