CN201248188Y - 智能照明调控装置 - Google Patents

Abstract

智能照明调控装置，包括补偿变压器、多抽头变压器，其特征是：还包括嵌入式控制单元、无触点开关组、输入开关、输出开关、旁路开关；嵌入式控制单元包括控制单元电源电路、MCU，输入电压、输出电压、负载电流变换采集电路，电压过零检测电路，RS232/485通信电路，故障报警及旁路切换电路；多抽头变压器的初级的两个固定端接电网，补偿变压器的初级经无触点开关组与多抽头变压器的初级的各抽头相连接；多抽头变压器的次级、补偿变压器的次级与负载、输入电源串接形成负载回路；无触点开关组驱动信号输入端与MCU芯片相接。它采用嵌入式智能控制，实时采集输入、输出信号与最佳照明电压比较，根据负荷特点动态调整输出电压，高效节能，减少维修维护成本。

Description

智能照明调控装置

技术领域

本实用新型涉及电子调控技术领域，具体是一种智能照明调控装置。

背景技术

近年来，城市、公用工程及工厂照明发展迅速，一些公共场所的照明(如交通隧道、街道、公园等)大多是采用传统的供电照明方式，其照明光源主要有高压钠灯和汞灯，此类气体放电灯发光原理复杂，功率损耗大。在满足照度需求的情况下，如果加以调控，有较大的节能空间。

气体放电灯节能的理论依据：由于气体放电灯消耗的功率是和它的输入电压有关的，以400W高压钠灯为例(见表1)，当电压降低10％时，电流降低10％，而此时功率降低达25％，光通量则降低30％。此类灯具在启动瞬间电压高、电流大，启动过程的功耗可想而知，在保证灯具可靠启动的同时，减少启动功耗的同时减小对灯具的冲击损坏。

表1 400W高压钠灯

假设在后半夜供电电压升高10％，此时再降低供电电压10％来运行，则光通量减少为额定值70％，而消耗功率此时可减少50％。

针对照明灯具的现状，常见照明控制类调控装置有：

A、自耦降压式调控装置(或磁饱和变压器)：

现在市场上最多照明节电产品就是此类产品。它的原理是，通过一个自耦变压器机芯，根据输入电压高低情况，接连不同的固定变压器抽头，从而达到降压节电的目的。

这类产品最大的优点是克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，结构和功能都很简单，相对可靠性较高。其存在的技术缺陷：(1)固定多档降压器：由于其核心部件是一个多抽头的变压器，变压比是固定的，电压调节值就是固定的，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，并且光感效果差。当电网电压高时，节电率不是最佳状态；而电网电压低时，可能出现欠压现象，造成灯具无法正常点亮，反而降低灯具寿命，这是这类调控装置存在的最大安全缺陷。当用电高峰时，电压过低，电气设备也无法正常运行。(2)接触器型降压器：这类调控装置为了能做到额定电压正常启动，并在过电压和欠电压时跳到旁路(设备的安全保护)，一般都用的都是交流接触器来进行切换。用接触器作为节电产品的电压调整装置的话，其安全性、可靠性和无故障工作寿命都不能保障，存在安全隐患，原因如下：交流接触器的工作原理是用电磁线圈吸合、断开，来控制触头常开或是常闭，属机械移动部件，只适用于不经常动作的开关场合，如灯具、电器的开起和关断，切换次数是有限的，不适用于频繁切换的场合。交流接触器在切换动作时，是机械的吸合和断开，所以会有短暂的10~20ms的断电，我们称之为“闪断”，这样的断电会导致HID灯(High Intensity Discharged Lamp—高压气体放电灯，如高压钠灯、金卤灯、高压汞灯等)熄灭。这种灯的特性决定，在熄灭以后，必须等到灯管冷却，蒸气压下降后才能再点亮，一般需要5~10分钟左右，在使用中，这将是个严重故障。

B、可控硅斩波型照明节能装置：

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。这类节能调控设备对照明系统的电压调节速度快，有一定稳压作用，因为主要是电子原件，相对来说体积小、重量轻、成本低廉。该调压方式存在一致命缺陷，由于斩波，使电压无法实现正弦波输出，还会出现大量谐波，形成对电网系统谐波污染，危害极大，不能用在有电容补偿电路中。在国外发达国家，已有明文规定对电气设备谐波含量的限制，在国内，北京、上海、广州等大中型城市，已对谐波含量超标的设备限制并入电网使用。大功率可控硅斩波型节电设备，因其自身存在谐波污染的缺陷，必须额外加装滤波设备去改善输出质量，所以此类设备是不宜用于照明电路中。

C、无功补偿器：

该产品是以系统节电滤波形式，节电极小，主要是净化电网，补充无功功率，补偿电网，而对于有功电度表计量系统，没有实际意义。电路中偶尔产生的瞬时浪涌时间极短，不会使电度表快速转动。

D、时钟控制装置：

此类产品利用微计算机技术，通过外设对开关灯时间进行整定，实现照明控制的开关功能。控制功能简单，全压启动，冲击电流大，大多未实现灯具的软件起动及过零切换功能。

E、单灯节能控制器：

此类产品节能效果好，但安装复杂，维护施工成本高。

在我国，照明用电量约占全社会总用电量的12％，并且有逐年上升的趋势。在保护环境和节能减排的大背景中，真正开启绿色照明时代的智能照明，有着广阔的用武之地。

实用新型内容

为了克服上述现有技术存在的缺点，本实用新型的目的在于提供一种智能照明调控装置，它采用嵌入式智能控制，实时采集输入、输出信号与最佳照明电压比较，根据负荷特点动态调整输出电压，在实现高效节能的同时延长灯具寿命，减少维修维护成本。

本实用新型的技术方案是：该智能照明调控装置，包括补偿变压器、多抽头变压器，补偿变压器将不同等级的电压耦合到主回路上，多抽头变压器获得不同等级的电压给补偿变压器，实现主回路输出电压的增减；还包括嵌入式控制单元、由多个无触点开关组成的无触点开关组、输入开关、输出开关、旁路开关；输入开关、输出开关分别设置在嵌入式控制单元的输入端、输出端，旁路开关与主回路并联；

所述的嵌入式控制单元包括嵌入式控制单元电源电路及MCU芯片，MCU芯片上集成AD采样模块，该AD采样模块与输入电压变换采集电路、输出电压变换采集电路、负载电流变换采集电路连接；MCU芯片的外部及中断通信口连接电压过零检测电路、RS232/485通信电路；

多抽头变压器的初级的两个固定端接电网，补偿变压器的初级经无触点开关组与多抽头变压器的初级的各抽头相连接；多抽头变压器的次级、补偿变压器的次级与负载、电网串接形成负载回路；

无触点开关组驱动信号输入端与MCU芯片的I/O控制端口相接；

所述的旁路开关及输入开关、输出开关通过故障报警及旁路切换电路与MCU芯片连接，故障报警及旁路切换电路控制主回路、旁路之间的切换使主回路、旁路构成互锁回路。

作为本实用新型的进一步的技术方案：

在该智能照明调控装置中，还包括光感检测电路、天文钟控制器；天文钟控制器连接嵌入式控制单元电源电路，给MCU提供一个时间信号，根据时间信号控制嵌入式控制单元电源电路是否给MCU控制板提供电源；光感检测电路连接在MCU芯片上，用于检测自然光线强度并为MCU芯片提供控制开关灯的光线强度信号；MCU芯片将天文钟控制器的时间信号、光感检测电路的光线强度信号综合实现控制开关灯。

在该智能照明调控装置中，所述的MCU芯片上设有实时时钟模块，使MCU芯片分时段进行照明控制。

在该智能照明调控装置中，所述的嵌入式控制单元还包括连接在MCU芯片I/O端口上的温度检测电路，温度检测电路用于实时给MCU芯片提供智能照明调控装置本身内环境温度。

在该智能照明调控装置中，所述的无触点开关组驱动信号输入端与MCU芯片的I/O控制端口之间设有光电隔离电路；故障报警及旁路切换电路中控制切换的继电器经三极管放大电路、光隔电路与MCU芯片的I/O端口相连；电压过零检测电路与MCU芯片的外部及中断通信口之间设有光电隔离电路。

在该智能照明调控装置中，所述的多抽头变压器的初级设有6个抽头，无触点开关组中第一、二、三、四、五、六无触点开关的一端并接一起后，与补偿变压器初级的一端连接，第一、二、三、四、五、六无触点开关的另一端分别与多抽头变压器初级的第一、二、三、四、五、六抽头连接；无触点开关组中第七、八、九、十、十一、十二无触点开关的一端并联后与补偿变压器初级的另一端连接，第七、八、九、十、十一、十二无触点开关的另一端分别与多抽头变压器初级的第一、二、三、四、五抽头连接。

在该智能照明调控装置中，补偿变压器的初级与无触点开关组之间连接有保险丝。

在该智能照明调控装置中，所述的MCU芯片内嵌硬件看门狗模块。

本实用新型的有益效果是：

1)通过调节系统的输出电压来达到软启动、软过度、稳压、节能的目的。

2)采用电力电子技术、微计算机控制技术，综合采用优化算法，可整体节电30％-40％。

3)根据供电对象不同时间段的用电要求和季节的变化，多时段节能运行：根据用户实际的照明需求，调控装置还可通过程序进行多时段节能电压设置，从而满足用户不同光源、不同时间的需求，实现最佳照明状态和最大节电率。

4)正弦波电压过零点切换：实现精确的过零点切换，从而保证了系统在工作过程中有效的抑制对照明线路的冲击，减小对无触点开关器件的冲击。5)优化电力质量，节约照明用电，功率因数高，无谐波干扰

6)保护功能完善，无触点切换，可靠性高。7)稳压调整时间短，灯光稳定无闪变8)延长电光源寿命2--4倍，减少照明运行、维护成本9)电路数字化，自动化程度高，可实现远程控制，便于系统集控。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构框图；

图2为本实用新型中补偿变压器、无触点开关组、多抽头变压器之间的连接关系示意图；

图中：1补偿变压器，2多抽头变压器。

具体实施方式

如图1所示，该智能照明调控装置，包括补偿变压器1、多抽头变压器2、嵌入式控制单元、由多个无触点开关组成的无触点开关组、输入开关、输出开关、旁路开关。输入开关、输出开关分别设置在嵌入式控制单元的输入端、输出端，旁路开关与主回路并联。当输入开关、输出开关闭合时，主回路工作即处于节能状态，补偿变压器1将不同等级的电压耦合到主回路上，多抽头变压器2获得不同等级的电压给补偿变压器，实现主回路输出电压的增减，此时旁路开关断开。当主回路故障时，输入开关、输出开关断开，旁路开关闭合，旁路工作，可保证负载供电但不节能。

其中嵌入式控制单元包括嵌入式控制单元电源电路及MCU芯片，MCU芯片上集成AD采样模块。该AD采样模块与输入电压变换采集电路、输出电压变换采集电路、负载电流变换采集电路连接。输入电压的采集是标准的信号采集模块，输入端接输入电压，它会按比例将交流输出电压转换成标准(0-5V)的信号送给MCU芯片AD采集模块输入端，经软件判断输入电压的大小，正常工作时作为稳压的参考信号，当超过或低于设定值，作为故障判断的依据。输出电压的检测是采用同样的道理，只是采集模块输入信号是输出电压。负载电流的检测是采用同样的道理，只是采集模块输入信号是负载电流。

MCU芯片的外部及中断通信口连接电压过零检测电路、RS232/485通信电路。其中电压过零检测电路与MCU芯片的外部及中断通信口之间设有光电隔离电路。

嵌入式控制单元还包括故障报警及旁路切换电路。故障报警及旁路切换电路中控制切换的继电器经三极管放大电路、光隔电路与MCU芯片的I/O端口相连。旁路开关及输入开关、输出开关通过故障报警及旁路切换电路与MCU芯片连接。故障报警及旁路切换电路控制主回路、旁路之间的切换使主回路、旁路构成互锁回路。

如图2所示，多抽头变压器2的初级设有6个抽头b2-1、b2—2、b2—3、b2—4、b2—5、b2—6。其中两个固定端b2-1、b2—5接输入电源即电网L、N。

无触点开关组中第一、二、三、四、五、六无触点开关Q1、Q2、Q3、Q4、Q5的一端并接一起后，通过保险FU2与补偿变压器1初级的一端b1-2连接。Q1、Q2、Q3、Q4、Q5的另一端分别与多抽头变压器初级的第一、二、三、四、五、六抽头b2-1、b2—2、b2—3、b2—4、b2—5连接。

无触点开关组中第七、八、九、十、十一、十二无触点开关Q6、Q7、Q8、Q9、Q10的一端并联后，通过保险FU1与补偿变压器初级的另一端b1-1连接。Q6、Q7、Q8、Q9、Q10的另一端分别与多抽头变压器初级的抽头b2-1、b2—2、b2—3、b2—4、b2—5连接。多抽头变压器的次级、补偿变压器的次级与负载、电网串接形成负载回路。

无触点开关组驱动(即无触点开关的切换)采用专用过零型的驱动芯片MOC3061来完成，该驱动芯片的信号输入端通过光电隔离电路与MCU芯片的I/O控制端口相接。光电隔离电路减小由于切换无触点开关对MCU芯片的冲击与干扰。

该智能照明调控装置中，还包括光感检测电路、天文钟控制器。天文钟控制器连接嵌入式控制单元电源电路，给MCU提供一个时间信号，根据时间信号控制嵌入式控制单元电源电路是否给MCU控制板提供电源。天文钟控制器提供的开关灯的时间根据时区不同、季节不同而变，比如夏天19:00不用亮灯，它会自动偏移一段时间后控制MCU芯片接通电源。但冬天19:00就需要亮灯，天文钟控制器就会控制MCU芯片接通电源。光感检测电路连接在MCU芯片上，用于检测自然光线强度并为MCU芯片提供控制开关灯的光线强度信号。当到开灯时间时，如果自然光线强度能满足照明度要求，此时不会开灯。如果没到开灯时间，但自然光线明度不能满足照明要求(如白天有恶劣天气的情况等)，通过MCU芯片设定此时也可以亮灯。也就是说，天文钟控制器的时间信号、光感检测电路的光线强度信号是控制开关灯的两个信号，MCU芯片将天文钟控制器的时间信号、光感检测电路的光线强度信号综合实现控制开关灯，从而能实现更好的节能效果。

MCU芯片上还设有实时时钟模块，使MCU芯片分时段进行照明控制。

嵌入式控制单元还包括连接在MCU芯片I/O端口上的温度检测电路，温度检测电路用于实时给MCU芯片提供智能照明调控装置本身内环境温度。由于是靠近变压器安装，主要是检测变压器工作温度，当出现短路、异常故障等引起超过允许的工作温度时，MCU芯片接收到该温度检测电路传送的温度信号，即可使切断由该智能照明调控装置、负载、电网组成的节能回路，切换到负载、电网直接接通的回路上，起温度保护功能。

工作原理如下：图2中负载电压u3＝u0—Δu1—u2，其中Δu1可正可负，对于u0来说即是可加可减的，这样可以使输出u3进行调节。当Δu1为正时，输出u3为降压；当Δu1为负时，输出u3为升压。

Δu1的大小取决于无触点开关组导通使补偿变压器1初级电压改变的多少。

MCU芯片根据负载的特性实时动态调整输出电压u3，使之稳定在一定的数值上，给照明负载提供良好的供电电源。

Δu1的正负是由无触点开关组导通组别的不同改变补偿变压器与输入电压的相位(同相或反相)来实现极性的变化。无触点开关组中不同组别的导通，受MCU芯片的I/O控制信号的控制。同一水平位置的无触点开关不允许分配为同一导通组，不同组别的分配是用软件互锁实现的。

无触点开关组中不同组别之间的切换是根据MCU芯片中整定的电压值，通过电压过零检测电路产生的脉冲、光感检测电路产生的脉冲、天文钟控制器及实时时钟模块的时间来综合判断是否切换。

其中时间用实时时钟值作为参考，当整定的时间值到达时，MCU芯片通过判断光感检测电路是否产生光感应脉冲，从而判断是否进行供电。

供电起初，输入电压采集电路将输入电压信号采集到MCU芯片内部，经换算与第一阶段整定的电压稳定值相比较，在保证灯具可靠启动的电压正时，固定周期内结合电压过零检测电路输出脉冲时刻切换无触点开关组合，从低压向整定值靠近，实现灯具的软起。

时间周期的保证是依靠实时时钟芯片来实现的。在其它节能时刻段，依据同样的原理实时调整输出稳压值。

当嵌入式控制单元出现问题时，如温度超过限定值、欠压、过压故障时，MCU芯片通过I/O经光电隔离驱动故障报警及旁路切换电路，实现主回路、旁路切换，此时主电路处于旁路直通状态，以保证负载回路的正常供电。

本实例的参数整定，如启动电压、启动时间、温升报警值、波特率等参数是以依靠RS232/485通信电路来完成的，整定完毕后保存到MCU芯片的EEPROM电可擦除存储器中，断电后不会丢失。

本实用新型的MCU芯片内嵌硬件看门狗模块，在系统受到干扰的情况下，使MCU芯片复位，保证嵌入式控制单元的可靠性。

Claims (8)

1、一种智能照明调控装置，包括补偿变压器、多抽头变压器，补偿变压器将不同等级的电压耦合到主回路上，多抽头变压器获得不同等级的电压给补偿变压器，实现主回路输出电压的增减；其特征是：还包括嵌入式控制单元、由多个无触点开关组成的无触点开关组、输入开关、输出开关、旁路开关；输入开关、输出开关分别设置在嵌入式控制单元的输入端、输出端，旁路开关与主回路并联；

所述的嵌入式控制单元包括嵌入式控制单元电源电路及MCU芯片，MCU芯片上集成AD采样模块，该AD采样模块与输入电压变换采集电路、输出电压变换采集电路、负载电流变换采集电路连接；MCU芯片的外部及中断通信口连接电压过零检测电路、RS232/485通信电路；

多抽头变压器的初级的两个固定端接电网，补偿变压器的初级经无触点开关组与多抽头变压器的初级的各抽头相连接；多抽头变压器的次级、补偿变压器的次级与负载、电网串接形成负载回路；

无触点开关组驱动信号输入端与MCU芯片的I/O控制端口相接；

所述的旁路开关及输入开关、输出开关通过故障报警及旁路切换电路与MCU芯片连接，故障报警及旁路切换电路控制主回路、旁路之间的切换使主回路、旁路构成互锁回路。

2、根据权利要求1所述的智能照明调控装置，其特征是：还包括光感检测电路、天文钟控制器；天文钟控制器连接嵌入式控制单元电源电路，给MCU提供一个时间信号，根据时间信号控制嵌入式控制单元电源电路是否给MCU控制板提供电源；光感检测电路连接在MCU芯片上，用于检测自然光线强度并为MCU芯片提供控制开关灯的光线强度信号；MCU芯片将天文钟控制器的时间信号、光感检测电路的光线强度信号综合实现控制开关灯。

3、根据权利要求1或2所述的智能照明调控装置，其特征是：所述的MCU芯片上设有实时时钟模块，使MCU芯片分时段进行照明控制。

4、根据权利要求1所述的智能照明调控装置，其特征是：所述的嵌入式控制单元还包括连接在MCU芯片I/O端口上的温度检测电路，温度检测电路用于实时给MCU芯片提供智能照明调控装置本身内环境温度。

5、根据权利要求1所述的智能照明调控装置，其特征是：所述的无触点开关组驱动信号输入端与MCU芯片的I/O控制端口之间设有光电隔离电路；故障报警及旁路切换电路中控制切换的继电器经三极管放大电路、光隔电路与MCU芯片的I/O端口相连；电压过零检测电路与MCU芯片的外部及中断通信口之间设有光电隔离电路。

6、根据权利要求1所述的智能照明调控装置，其特征是：所述的多抽头变压器的初级设有6个抽头，无触点开关组中第一、二、三、四、五、六无触点开关的一端并接一起后，与补偿变压器初级的一端连接，第一、二、三、四、五、六无触点开关的另一端分别与多抽头变压器初级的第一、二、三、四、五、六抽头连接；无触点开关组中第七、八、九、十、十一、十二无触点开关的一端并联后与补偿变压器初级的另一端连接，第七、八、九、十、十一、十二无触点开关的另一端分别与多抽头变压器初级的第一、二、三、四、五抽头连接。

7、根据权利要求1所述的智能照明调控装置，其特征是：补偿变压器的初级与无触点开关组之间连接有保险丝。

8、根据权利要求1所述的智能照明调控装置，其特征是：所述的MCU芯片内嵌硬件看门狗模块。

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