路燈節(jié)能控制器的設(shè)計

1、摘要目前，城市道路照明在整個照明耗電中占了很大的比例，以往的路燈照明技術(shù)存在很多弊端，在后半夜因行人稀少，而應(yīng)該降低路燈的照度，以避免造成光源污染，影響居民的晚間休息，可是傳統(tǒng)的路燈照明在后半夜由于用電設(shè)備的減少，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的升高，燈具的照明度也比上半夜更亮，這不僅造成了電能的浪費也由于電壓的升高燈具大量發(fā)熱大大降低了燈具的使用壽命，所以考慮到這種情況，本論文設(shè)計了一種基于自耦變壓器多抽頭電壓可調(diào)的路燈節(jié)能裝置，將無觸點調(diào)壓方式應(yīng)用在城市道路照明工程，通過比較多種方式的分接開關(guān)優(yōu)缺點，最終采用固態(tài)繼電器作為調(diào)壓的分接開關(guān)，對電壓過零時刻進行調(diào)壓，使得路燈的端電壓波形能連續(xù)平滑?？刂破骶邆湔{(diào)壓

2、穩(wěn)壓的特點，具有無觸點、多級別調(diào)壓的優(yōu)點，調(diào)壓范圍可以達到18%以上。論文主要論述了節(jié)能裝置的工作原理、設(shè)計出了節(jié)能裝置的主電路，并對分接開關(guān)做了合適的選擇?？刂骗h(huán)節(jié)提出以單片機為核心的硬件電路構(gòu)成，設(shè)計了調(diào)壓控制部分的硬件部分，包括主控制器的選擇，采樣電路、保護電路、開關(guān)的驅(qū)動電路設(shè)計等多個環(huán)節(jié)，并且給出了具體的設(shè)計參數(shù)，在此基礎(chǔ)上完成了控制器的硬件制作。軟件部分針對節(jié)能裝置的工作特性與節(jié)能方式設(shè)計了降壓穩(wěn)壓的閉環(huán)控制策略、定時調(diào)壓等實現(xiàn)方法和軟件流程。文章的最后按照節(jié)能裝置的設(shè)計思路在調(diào)壓部分進行了MATLAB的建模仿真，仿真測試按照調(diào)壓策略觀察其輸出電壓，結(jié)果表明，輸出電壓同設(shè)置值基本一

3、致，誤差不大，降壓、節(jié)能效果明顯。關(guān)鍵詞：節(jié)能自耦變壓器無觸點調(diào)壓固態(tài)繼電器Keyword:Abstract1、緒論論文概述1.1.1 課題背景隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，我國道路照明工程的日趨大型化，在日益緊迫的能源、環(huán)境危機促進下，“節(jié)能減排”已成為現(xiàn)階段城市道路節(jié)能的指導(dǎo)思想。對于任何一個城市來說，城市路燈照明是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚墓苍O(shè)施。目前，我國照明消耗的電能約占電力生產(chǎn)總量的10%20%,而城市公共照明則在照明耗電中占30%的比例。據(jù)統(tǒng)計顯示，我國在路燈照明方面每年消耗超過1000億元的電費，其份額和發(fā)展的速度十分驚人，全國各地?zé)o不面對電力緊張和電力消費帶來的各種問題，如今“節(jié)能

4、減排”已經(jīng)成為我國一項重要的國策。隨著城市的發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)步伐的不斷加快，導(dǎo)致了路燈的不斷增加，照明電能消費正在急劇上升，對城市道路照明及城市亮化的工程需求也越來越高，城市照明耗電作為節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的一個領(lǐng)域，近年來也受到了廣泛關(guān)注。而能源的供需矛盾也越來越突出，節(jié)電節(jié)能、綠色照明的要求越來越迫切，越來越高。目前，傳統(tǒng)的路燈照明系統(tǒng)存在著許多的弊端，我國絕大部分的城市路燈都采用“全夜燈”的方式進行照明，可是一方面后半夜的行人稀少，如果采用“全夜燈”的方式則浪費太大，因此，有些地方又采用了前半夜全亮而后半夜全滅的“半夜燈”型的照明方式，有些地方在后半夜采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的節(jié)電措施，這

5、種方式雖然節(jié)約了電費支出，卻帶來了社會治安和交通的安全隱患，不利于城市形象與社會安全。另一方面，在后半夜因行人稀少，而應(yīng)該降低路燈的照度，以避免造成光源污染，影響居民的晚間休息。在電力供電的系統(tǒng)中，為了避免送電過程中的線路損耗及用電高峰時造成的未端電壓過低，往往都是以較高的電壓傳輸。因此，路燈所消耗的功率都較高，特別是后半夜是用電低谷期，用電設(shè)備減少，電力系統(tǒng)電壓升高，路燈比白天更亮，這不僅造成了能源浪費，還大大影響了設(shè)備和燈具的使用壽命和使用效率，也違背了節(jié)電節(jié)能的宗旨。電網(wǎng)電壓偏高或不穩(wěn)定或電網(wǎng)不潔凈（瞬變、諧波等因素），不僅帶來了高額的電費支出，更會導(dǎo)致燈具發(fā)熱而大幅度降低燈具的使用壽命

6、，造成維修量及維修費用大幅增加。根據(jù)時間與人流量的數(shù)理統(tǒng)計規(guī)律，當(dāng)午夜后，人流、車輛減少時，對照度的要求有所下降，隨著工廠停工、居民休息用電減少，線路電壓更高，對點亮燈具的損傷也更大，同時使路燈產(chǎn)生眩光會增加對人眼睛的傷害，使路面光線分布不均勻，不利于車輛的安全行駛。1.1.2 課題研究目的和意義近兩年，全國用電量及電負荷增長較快，去年以來已有三分之二的省(區(qū)，市)出現(xiàn)了不同程度的缺電甚至拉閘限電的現(xiàn)象，嚴重影響到經(jīng)濟社會的發(fā)展和人民生活水平的提高。據(jù)統(tǒng)計，我國照明用電量已占總用量的10%-12%按照我國提出的“中國綠色照明工程”，照明節(jié)電已成為節(jié)能的重要方面。路燈是我國經(jīng)濟發(fā)展和國家建設(shè)中必

7、需的用電設(shè)備，它在我國的整體用電量中所占比例巨大，如果通過節(jié)能裝置對其進行有效控制，就能夠降低電力損耗，達到節(jié)約能源，降低生產(chǎn)安裝成本，有助于我國經(jīng)濟的快速發(fā)展。本文研究的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)是一種基于自耦變壓器多抽頭電壓可調(diào)的路燈節(jié)能裝置，將無觸點調(diào)壓方式應(yīng)用在城市道路照明工程，使用固態(tài)繼電器作為調(diào)壓分接開關(guān)，在電壓過零點時刻進行調(diào)壓，使得路燈端電壓的波形連續(xù)平滑?？稍诼窡舻倪\行中，保持供電設(shè)備端電壓的穩(wěn)定，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)大的波動時，能相應(yīng)的做出電壓的調(diào)節(jié)。在后半夜，降低路燈供電設(shè)備的端電壓，使其工作電壓低于電網(wǎng)電壓，控制路燈的照明亮度，保證路燈工作在節(jié)能狀態(tài)，不僅沒有妨礙交通照明還能提高高

8、壓鈉燈的使用壽命，防止高壓鈉燈在后半夜高壓的情況下長期照明而降低使用壽命，其降壓、節(jié)能效果明顯，從而達到了節(jié)約電能的目的。路燈節(jié)能國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究現(xiàn)狀國外對照明節(jié)能很早就開始重視，國際研究界提出了一個概念叫做“在保證照明效果下的節(jié)電”，認為這樣的節(jié)電才是科學(xué)的、可持續(xù)的，這是發(fā)達國家在設(shè)計道路照明系統(tǒng)的基本思想。在具體的措施上，國際上主要有以下幾個特點:1 l)大力推動綠色照明，在光源的材料，使用規(guī)范上加以有效管理，出臺了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和管理要求，將照明節(jié)能推廣到全民范圍;(2)不斷提高功率器件性能要求，主要體現(xiàn)在鎮(zhèn)流裝置上技術(shù)提高。通過對鎮(zhèn)流器技術(shù)改進來提高照明設(shè)備的功率因數(shù)

9、；(3)積極推廣節(jié)能獎勵政策，鼓勵民眾節(jié)能，節(jié)電，建立了完善有效的獎勵機制。在具體的技術(shù)上，國際同國內(nèi)一樣聚焦在交流調(diào)壓方面，如何能快速穩(wěn)定的調(diào)節(jié)電壓也是國際上各大企業(yè)研發(fā)的重要目標(biāo)，其研發(fā)方向主要有以下幾種。(l)凈化式的交流穩(wěn)壓電源它之所以叫做凈化式主要是強調(diào)這種交流穩(wěn)壓設(shè)備對電網(wǎng)的干擾具有相當(dāng)強的抑制作用。對于擁有大批進口、精密貴重儀器設(shè)備的單位來說，電壓波動將造成很大的危害，而使用配有交流穩(wěn)壓電源的用電設(shè)備當(dāng)電壓異常時，除了交流穩(wěn)壓電源報警外，不會造成設(shè)備的損壞。交流穩(wěn)壓電源除穩(wěn)壓外，對負載也起了一定的保護作用。因此，交流穩(wěn)壓電源越來越受到人們的重視，并成為各單位的必配設(shè)備。？交流凈化

10、穩(wěn)壓電源由調(diào)整電路、零脈沖產(chǎn)生電路、同步鋸齒波發(fā)生電路、脈寬調(diào)制驅(qū)動放大電路、誤差取樣放大電路、直流穩(wěn)壓電源、過壓保護電路等部分組成，它已成為當(dāng)前計算機及其它精密電子設(shè)備最主要的交流穩(wěn)壓設(shè)備。一般設(shè)備配置的凈化式的交流穩(wěn)壓電源的主電路原理如圖1所示。圖1其工作原理是由L1、C1、L2、C:組成一個參數(shù)諧振電路，在一定的工作頻率下，通過控制可控硅的關(guān)斷來改變L:的值，相應(yīng)的C1上的電壓也會發(fā)生改變，從而起到對輸出電壓V0的調(diào)整和穩(wěn)定作用。凈化電源的主回路結(jié)構(gòu)決定了它必然有較強的抗干擾功能，但僅限于中低頻率段，對于高頻（例如幾兆赫茲）段，仍需附加高頻濾波器，這樣就能使其抗干擾性更強，應(yīng)用更加廣泛。

11、然而，由于容量問題，大功率的交流凈化電源的設(shè)計比較復(fù)雜，體積很大，現(xiàn)階段只能應(yīng)用于單燈或者小型道路照明節(jié)能系統(tǒng)，相應(yīng)的技術(shù)研發(fā)也正在進行。2 2）交流斬波調(diào)壓交流斬波調(diào)壓方式不像傳統(tǒng)的相控調(diào)壓方式，在電源電壓的一個周期內(nèi)把正弦波砍去幾塊，而是使用開關(guān)元件將正弦波斬成許多小塊，當(dāng)采用定頻調(diào)寬斬波方式時，用占空比D=p/T來控制輸出電壓的大小。當(dāng)斬波頻率f選定時，斬波周期T為定值，輸出電壓的大小取決于占空比D的大小。當(dāng)D=O時，開關(guān)元件完全關(guān)斷，輸出電壓為零；當(dāng)D=1時，開關(guān)元件完全開通，輸出全電壓。交流斬波調(diào)壓的研究重點主要集中在雙向開關(guān)的實現(xiàn)以及不同性質(zhì)負載的控制方法上。在交流調(diào)速，調(diào)熱系統(tǒng)中

12、均取得了不錯的成果，具有快速響應(yīng)、不會產(chǎn)生低次諧波、體積小、成本低等優(yōu)點，十分符合道路照明節(jié)能系統(tǒng)改造的要求，但目前在道路照明領(lǐng)域的應(yīng)用中不是十分廣泛。3 .2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)是從1996年開始實施中國綠色照明工程以后，得到了社會各界和國際社會的廣泛關(guān)注和支持，在各個地區(qū)、有關(guān)部門、各個單位和企業(yè)的共同努力下，在聯(lián)合國開發(fā)計劃署和全球環(huán)境基金的積極參與和資助下開展的。通過這些年的工作取得了顯著的成效，積累了豐富的經(jīng)驗，為改善照明質(zhì)量，節(jié)約照明用電和保護環(huán)境，建立優(yōu)質(zhì)高效、經(jīng)濟舒適、安全可靠的照明環(huán)境，促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)揮了積極的作用。同國際相比，國內(nèi)節(jié)能裝置在技術(shù)和質(zhì)量上還有

13、待提高，目前國內(nèi)在研究照明節(jié)能主要的途徑有兩種：1、采用高效的節(jié)能型光源，也就是使用發(fā)光效率高的燈泡或燈管；2、在現(xiàn)有照明系統(tǒng)上加裝節(jié)能控制設(shè)備；加裝節(jié)能設(shè)備，較為經(jīng)濟和實用，目前國內(nèi)銷售的照明節(jié)能設(shè)備很多，其中照明控制調(diào)控裝置所占比例最大。從工作原理上大致可以分為三大類，可控硅斬波型照明節(jié)能裝置、自耦降壓式調(diào)控裝置、智能照明節(jié)電器?？煽毓钄夭ㄐ驼彰鞴?jié)能裝置：采用可控硅斬波原理，通過控制晶閘管（可控硅）的導(dǎo)通角，將電網(wǎng)輸入的正弦波電壓斬掉一部分，從而降低了輸出電壓的平均值，可以達到控壓節(jié)電的目的。自耦降壓式調(diào)控裝置：通過一個自耦變壓器機芯，根據(jù)輸入電壓高低情況，接連不同的固定變壓器抽頭，將電網(wǎng)

14、電壓降低5、10、15、20V等幾個檔，從而達到降壓節(jié)電的目的。智能照明節(jié)電器：通過一個自耦變壓器機芯，根據(jù)輸入電壓高低情況，接連不同的固定變壓器抽頭，將電網(wǎng)電壓降低5、10、15、20V等幾個檔，從而達到降壓節(jié)電的目的?？毓瑁ㄏ嗫兀┬蛢?yōu)點是，可實時精確控制輸出電壓，滿足照明用電的最佳值，缺陷是電壓無法實現(xiàn)正弦波輸出，有諧波污染。而自耦降壓型的優(yōu)點正好是能做到電壓正弦波輸出，卻不能實現(xiàn)電壓的自動精確控制，只能固定降壓，不能升壓和穩(wěn)壓，如果能將兩者優(yōu)勢結(jié)合互補，去除缺陷，就是比較理想的照明節(jié)能產(chǎn)品了。本論文的主要工作本論文結(jié)合國內(nèi)外路燈節(jié)能的研究成果，比較幾種常用的路燈節(jié)能控制方法分析其優(yōu)缺點。

15、采用無觸點的調(diào)壓方式，討論了基于自耦變壓器多抽頭電壓可調(diào)的節(jié)能方式。詳細設(shè)計了路燈智能控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計。論文研究的主要內(nèi)容如下：（1）對目前我國城市路燈照明中使用的高壓鈉燈的照明度、端電壓和使用壽命之間的關(guān)系進行分析。（2）對目前我國己經(jīng)實現(xiàn)的節(jié)能裝置進行調(diào)研，再根據(jù)城市后半夜的路燈使用狀況和電壓變化提出可行的經(jīng)濟性能良好的設(shè)計方案。（3）設(shè)計路燈節(jié)能裝置控制部分的控制方式,實現(xiàn)其硬件功能。（4）對提出的節(jié)能方案進行仿真試驗，驗證理論研究的正確性。2、道路照明系統(tǒng)調(diào)壓節(jié)能原理分析高壓鈉燈的工作狀況目前，幾乎80%以上的路燈照明均是采用高壓鈉燈，高壓鈉燈具有等高效、節(jié)能、壽命長、穿透

16、性好、不誘蟲等突出的特點，為HID燈的代表，屬于第三代照明光源，很適用于道路這種大空間對顯色要求較低、照明要求較高的場合，所在各種道路照明上得到了廣泛的應(yīng)用。它的發(fā)光效率很高，可高達32Im/W,放電穩(wěn)定時，燈內(nèi)鈉蒸氣的分壓可以強到106Pa的鈉燈。使用時發(fā)出金白色光，其設(shè)計壽命在12000小時以上，在正常情況下至少可用3年，但是由于超壓使用，現(xiàn)在路燈燈泡的實際壽命只有1年左右，有的甚至只有幾個月，造成維護和材料的浪費極大。以下是高壓鈉燈的端電壓、照明度、使用壽命的關(guān)系表：端電壓80%90%100%110%照明度87%93%-97%100%110%使用壽命21評價差最好好最差從上表可以看出，當(dāng)

17、高壓鈉燈電壓下降到額定電壓(220V白90%寸，高壓鈉燈的照度只衰減3至7個百分點，從人體視覺學(xué)看，人體對光強的感知是以對數(shù)變化的，也就是說，光的照度降低7%相對應(yīng)人對光的感知只下降%幾乎不會察覺，但此時電能節(jié)省19%fc右，同時大大提高了路燈的使用壽命，起到了節(jié)能的效果。較高的電壓不僅不能讓高壓鈉燈更有效地工作，而且會引起燈具的發(fā)熱使其過早的損壞，還會產(chǎn)生不必要的電費開支。所以基于以上原因，很有必要適當(dāng)降低用電設(shè)備的電壓。現(xiàn)有調(diào)壓技術(shù)的分析目前技術(shù)比較成熟，同時市場上應(yīng)用廣泛的主要有前三種：斬波調(diào)壓技術(shù)、自耦變壓器調(diào)壓技術(shù)和利用可變電抗器調(diào)壓的技術(shù)。第三種在市場上相應(yīng)的產(chǎn)品很少。前兩種技術(shù)的

18、應(yīng)用比較廣泛，下面對他們進行介紹，對其優(yōu)缺點進行分析。(1)斬波調(diào)壓技術(shù)，它的主要原理是通過控制品閘管的導(dǎo)通角，將電網(wǎng)輸入的正弦波電壓斬掉一部分，從而降低了輸出電壓的平均值，達到控制輸出電壓從而節(jié)電的目的。該電路的工作過程是：在正弦電壓的正半周內(nèi)，a為此范圍的導(dǎo)通角，可控硅Ta在a處導(dǎo)通，電流流過阻抗R;當(dāng)電源電壓過零時，可控硅T關(guān)斷。當(dāng)正弦電壓負半周時，可控硅Tb被觸發(fā)導(dǎo)通，同樣阻抗R上也有電流流過，如此反復(fù)，負載R上的電壓就形成不連續(xù)的斬波形式。圖2如圖2所示，此時負載上的輸出電壓的有效值為U=jLf（"歷sinox）。d（yf）j-sin（2a）+Us：輸入電壓的有效值;W輸入

19、電壓的角頻率；a：導(dǎo)通角上式中可以看出當(dāng)導(dǎo)通角a為零時，輸入等于輸出，a為冗時，輸出為零，因此，這種方式可以通過控制a的大小來控制電壓的變化，達到輸出電壓連續(xù)可調(diào)、這種方式反應(yīng)時間迅速，有穩(wěn)壓效果，由于這種設(shè)備大部分采用電力電子器件，所以體積比較小，造價低，但是由于斬波以后，不能輸出正常的正弦波形，出現(xiàn)大量的諧波，造成電力系統(tǒng)的諧波污染，如果解決此缺陷，需要加裝昂貴的濾波設(shè)施，就失去了經(jīng)濟上的優(yōu)勢，不符合現(xiàn)今提倡的綠色節(jié)能，所以這種方式在很多國家都己經(jīng)淘汰。（2）自耦變壓器多抽頭調(diào)壓的方式，自耦變壓器是只有一個繞組的變壓器，它作為降壓變壓器使用，從繞組中抽出一部分線匝作為二次繞組，通過改變自耦

20、變壓器輸出端的輸出抽頭，可以輸出不同的電壓值，各個抽頭相對應(yīng)不同的變比，當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時，通過接通各個抽頭實現(xiàn)降壓的作用，這樣就可以達到降壓節(jié)能的目的。自耦變壓器不但容量大、損耗小、而且造價低，所以得到了廣泛的應(yīng)用。使用分接頭的多抽頭普通自耦變壓器如下圖3所示：在二次側(cè)使用分接頭調(diào)壓，而不是碳刷，分接頭開關(guān)在二次側(cè)，通過改變低壓側(cè)繞組的匝數(shù)，從而改變變比，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)二次側(cè)電壓UiUoo1°圖3在二次側(cè)使用分接頭調(diào)壓，而不是碳刷，分接頭開關(guān)在二次側(cè)，通過改變低壓側(cè)繞組的匝數(shù)，從而改變變比，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)二次側(cè)電壓。高壓鈉燈的工作特性99f2.3.1正常電壓調(diào)節(jié)下的工作特性高壓鈉燈是一種氣體

21、放電光源，外界工作條件的變化對其性能指標(biāo)的影響較大。通過對燈的理論分析和實際測試可以看出：當(dāng)電壓Ui為正弦波，但電感電壓UL有較大的畸變，燈管電壓Uh接近于方波，都與正弦波相去較遠，并且三者的關(guān)系比滿足直角三角形關(guān)系。在具體的工程應(yīng)用中，為了方便討論燈電路中的電壓、電流、功率的關(guān)系，采用反映較為有效值的量，再通過修正系數(shù)來修正。2.3.2降壓條件下的工作特性高壓鈉燈的工作電特性與供電電壓的關(guān)系極為密切。當(dāng)電壓改變時，其相應(yīng)的參數(shù)都要發(fā)生變化。供電電壓變化時，高壓鈉燈的電流也同時發(fā)生變化，但是變化范圍較小，近似成直線狀態(tài)，也就是說供電電壓的變化對燈電流的變化較小，具有近似的線性關(guān)系。下表1是NG

22、250a高壓鈉燈降壓后的參數(shù)變化情況：端電壓(V)220200光逋量(lm)2589619420光效（lm/w）10297燈電流（A）表1人眼對光的感知和光的照度呈對數(shù)關(guān)系，因此高壓鈉燈降壓運行后，人眼感覺路燈照度的變化是不大的，這就說明了在降低路燈的輸入電壓后，并不會影響馬路上人與車的正常行進。當(dāng)進入夜深時，山于街道上行人與車輛減少，對路燈的照度要求不高，此時就可以將路燈的輸入電壓調(diào)小，降低照度以達到節(jié)省電能損耗的目的。無觸點調(diào)壓技術(shù)上文介紹了兩種應(yīng)用較多的調(diào)壓技術(shù)，就基于自耦變壓器多抽頭調(diào)壓方式而言，它的調(diào)壓精度低，響應(yīng)速度也慢，頻繁的調(diào)壓還會造成機械觸頭的磨損，所以本設(shè)計中引入了一種新型

23、的無觸點調(diào)壓技術(shù)，它將電力電子開關(guān)器件應(yīng)用于調(diào)壓系統(tǒng)，能使整個的調(diào)壓過程達到迅速、無弧的效果。2.4.1 分接開關(guān)技術(shù)調(diào)節(jié)變壓器二次側(cè)繞組的分接，可以達到調(diào)節(jié)電壓的目的，而分接開關(guān)作為調(diào)壓變壓器中唯一需要反復(fù)動作的部件，對它的可靠性需要非常高的要求。由于分接開關(guān)在變壓器的工作狀態(tài)中不斷的進行著變換，所以它必須具備以下兩個因素：1、在變換的過程中，需要保持電流的持續(xù)性，不能發(fā)生開路，斷電的現(xiàn)象；2、在變換的過程中，要防止繞組與分接觸頭之間發(fā)生環(huán)流。為了防止分接開關(guān)在操作過程中造成短路以及變壓器繞組中出現(xiàn)環(huán)流的問題，一般都在分接選擇器上設(shè)置帶有過渡電阻器的方式來防止環(huán)流的產(chǎn)生，這種方式被成為電阻式

24、有載分接開關(guān)方式，后來為了簡化它的結(jié)構(gòu)，又設(shè)計出了一種分接開關(guān)和選擇開關(guān)相互組合的方式，被稱作復(fù)合式電阻分接開關(guān)方式。復(fù)合式電阻分接開關(guān)方式每完成一次調(diào)壓就需要5個過程，過程很復(fù)雜，響應(yīng)時間也不會十分迅速，關(guān)鍵是在工作的過程中可能還會有電弧和環(huán)流的問題產(chǎn)生。隨著電力電子技術(shù)在電力領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和飛速的發(fā)展，電力領(lǐng)域中對電力電子器件的應(yīng)用越來越重要，所以現(xiàn)在人們把電力電子開關(guān)器件同機械開關(guān)并聯(lián)后配合使用，是一種將電力電子器件開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械開關(guān)的新技術(shù)。具工作原理是，當(dāng)電路上電后，首先接通的是電力電子開關(guān)器件然其次機械開關(guān)再閉合，當(dāng)電路斷開時時，先讓機械開關(guān)先斷開，其次再斷開電力電子開關(guān)器件，

25、這種方式可以降低調(diào)壓過程中出現(xiàn)電弧的可能性。下面是一種以電力電子器件為輔助機械開關(guān)的方式的原理圖。圖4這種以電力電子器件為輔助機械開關(guān)的調(diào)壓方式在調(diào)壓的過程幾乎沒有電弧的影響。但是過程十分復(fù)雜，調(diào)壓的響應(yīng)速度不迅速，而且制造的成本很高，在應(yīng)用方面也受到了限制。所以大量的使用電力電子器件，而不再使用機械開關(guān),能幫助提高開關(guān)的響應(yīng)速度，下文將介紹一種新的無觸點調(diào)壓技術(shù)。2.4.2 以二進制編碼方式的無觸點分級調(diào)壓技術(shù)二進制編碼調(diào)壓方式是由一個基本主繞組和若干個按2-n倍數(shù)遞減的獨立繞組構(gòu)成，基本主繞組的輸入電壓就是調(diào)壓變壓器輸出電壓的最小值，其它繞組分別按一定電壓值的2-n(n=0,1,2,)倍數(shù)

26、遞減，一直到一個基本值或基本百分比，其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，。調(diào)壓方案的主電路設(shè)計上文已經(jīng)介紹了二進制編碼的調(diào)壓方式下面就是設(shè)計一種改進的二進制無觸點調(diào)壓方式，如下圖4所示，變壓器的初級側(cè)輸入電壓220V次級有兩個具有三等分帶抽頭的分級繞組和一個固定繞組，每個分級繞組的匝數(shù)分別為主繞組匝數(shù)的2%2%2%4%4%4%而固定繞組的匝數(shù)為主繞組匝數(shù)的85%K4圖4K1到K8是8個電力電子雙向開關(guān)，若控制電路每次只使每個繞組中的一個開關(guān)導(dǎo)通，其他的開關(guān)全部關(guān)斷，則可得到一個輸出電壓。假設(shè)K1、K5導(dǎo)通，其它的開關(guān)全部關(guān)斷的話，則次級的輸出電壓為固定繞組的輸出電壓，1、2繞組沒有電壓輸出；若K2、K5導(dǎo)通，

27、其它的開關(guān)斷開的話，則次級輸出電壓為輸入電壓的87%按這種方式控制電力電子開關(guān)的通斷，8個開關(guān)有10種的組合情況，其中每個狀態(tài)都可以輸出輸入電壓值2%勺整數(shù)倍數(shù)電壓，因此我們得到變壓器次級側(cè)的輸出電壓為(85%103%)U為了確保調(diào)壓過程中輸出完整的正弦波，避免電力電子開關(guān)器件在通斷過程轉(zhuǎn)換時對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，開關(guān)器件的控制電路采用電壓過零觸發(fā)方式，在硬件上，可以使用電網(wǎng)電壓采樣得到的過零脈沖作為開關(guān)器件的同步觸發(fā)信號；軟件設(shè)計上，用此作為中斷源，單片機在中斷服務(wù)程序中輸出控制碼來切換開關(guān)器件的通斷。為了保證在任何時候變壓器的次級繞組都只有一個雙向開關(guān)導(dǎo)通，其他的開關(guān)全部關(guān)斷，避免繞組發(fā)生短路，

28、產(chǎn)生環(huán)流，兩組開關(guān)器件都由一個譯碼器進行控制。兩個繞組開關(guān)使用一片雙24譯碼器74LS139譯出兩組控制信號，分別控制開關(guān)器件K1至K8,如果用共4位二進制數(shù)經(jīng)譯碼器后譯出10個狀態(tài)，控制2組開關(guān)器件，則數(shù)字量000HH009H對應(yīng)調(diào)壓繞組的輸出電壓為(。一18%)ul。下表2給出了它的對應(yīng)關(guān)系，其中1對應(yīng)開關(guān)器件導(dǎo)通調(diào)節(jié)電壓范圍輸出電壓大概值(V)電力電子開關(guān)導(dǎo)通情況對應(yīng)譯碼器控制信號控制碼(H)87654321D3D2D1D000000100010000000H2%000100100001001H4%9000101000010002H6%000110000011003H8%18001001

29、0001OO004H10%010000100101005H12%27100000010110006H14%100000100111007H16%36100001001000008H18%100010001001009H表2上表可以看出單片機輸出的控制碼與調(diào)壓繞組的輸出電壓呈線性關(guān)系，理論上將輸出電壓百分比的二分之一作為控制量即可，但是如果電網(wǎng)電壓波動以及負載變化導(dǎo)致輸出和給定不相等時，則需要通過電壓反饋控制來實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。為此，可通過A/D轉(zhuǎn)換來測量出實際輸出電壓，與給定值比較，形成偏差信號，在經(jīng)過單片機內(nèi)部計算整定，其結(jié)果通過單片機1/0口控制相應(yīng)的電力電子開關(guān)，從而達到自動穩(wěn)壓的目的。固態(tài)

30、繼電器特性及其工作原理固態(tài)繼電器(亦稱固體繼電器)簡稱SSR它是一種用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關(guān)器件，固態(tài)繼電器工作可靠，壽命長，無噪聲，無火花，無電磁干擾，開關(guān)速度快，抗干擾能力強，且體積小，耐沖擊，耐振蕩，防爆、防潮、防腐蝕、能與TTL、DTLHTL等邏輯電路兼容，能以微小的控制信號達到直接驅(qū)動大電流負載。設(shè)計將電力電子無觸點開關(guān)引入到節(jié)能調(diào)壓系統(tǒng)中來，設(shè)計使用新型電力電子分接開關(guān)固態(tài)繼電器，實現(xiàn)無觸點的分級調(diào)壓固態(tài)繼電器原理電路如下圖5所示:R0為限流電阻，VD是起保護光電耦合器作用的，光電藕合器將輸入與輸出電路在電氣上隔離開，V1構(gòu)成反相器，VZ、

31、凡、RS和晶閘管V3組成過零檢測電路，BR為雙向整流橋，V3和BR使雙向晶閘管V;獲得通斷的觸發(fā)脈沖，R3R7為分流電阻，分別用來保護V：雙向晶閘管V4,RS和C組成浪涌吸收網(wǎng)絡(luò)，以吸收電源中帶有的尖峰電壓或浪涌電流，防止對開關(guān)電路產(chǎn)生沖擊或干擾。固態(tài)繼電器電壓過零導(dǎo)通，所謂“過零”并非真的必須是電源電壓波形的零處，而一般是指在電壓正半周10-25V或負半周10-25V區(qū)域內(nèi)進行觸發(fā)。4、路燈節(jié)能裝置控制系統(tǒng)總設(shè)計路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如上圖，基于自耦變壓器的路燈節(jié)能控制器的硬件包含主電路部分、檢測回路、控制部分和電源。主電路包括自耦變壓器、由固態(tài)繼電器組成的開關(guān)、旁路保護開關(guān)、限流電

32、阻；檢測電路由電壓互感器、采樣電路以及過零檢測電路等組成；控制部分包括主控制器、固態(tài)繼電器觸發(fā)單元及時間模塊等組成。系統(tǒng)根據(jù)照明負載的特點和電網(wǎng)電壓的實際情況，實行實時采樣，實時調(diào)壓，具體工作過程中系統(tǒng)根據(jù)采樣及AD轉(zhuǎn)換將當(dāng)前的路燈工作狀況進行相應(yīng)的檢測并區(qū)別，由單片機輸出觸發(fā)信號控制分接開關(guān)的關(guān)斷，而每個分接開關(guān)對應(yīng)著相應(yīng)的繞組輸出電壓。由于電力傳輸中有諧波干擾或者其他原因造成電壓運行不穩(wěn)定，因此應(yīng)該時刻檢測路燈端電壓的變化，經(jīng)電壓互感器與采樣電路檢測出電壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機將數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值數(shù)據(jù)相比較，如果發(fā)現(xiàn)電壓過高或者過低，單片機馬上做出調(diào)整，調(diào)節(jié)分接開關(guān)，適當(dāng)?shù)亟档突蛘呱唠妷?。?/p>

33、設(shè)計采用單片機來進行控制，主控制器采用AT89C51芯片，外部包含邏輯電路、SS咫?yún)^(qū)動電路、采樣電路和電源電路等部分。路燈節(jié)能裝置控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計本設(shè)計的路燈節(jié)能裝置控制系統(tǒng)的主控制單元由主控制芯片AT89C51調(diào)壓控制單元、觸發(fā)控制單元、電源及時間控制單元構(gòu)成。其中主控制芯片AT89C51是主控制單元的核心，所有調(diào)壓、觸發(fā)命令均由主控芯片發(fā)出指令進行執(zhí)行；調(diào)壓和觸發(fā)單元是具體的工作單元，通過主控制芯片發(fā)出的指令執(zhí)行相應(yīng)的具體操作;電源部分給控制單元、觸發(fā)電路、集成模塊提供電;時間控制單元為調(diào)壓節(jié)能控制系統(tǒng)提供具體的時鐘分段。4.2.1 主控制芯片的選擇本設(shè)計采用的主控制芯片為AT89C51

34、AT89C51芯片是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEI®密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL勺AT89C5促一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C5，E片的特點如下：1、可以與MCS-51兼容2、4K字節(jié)可編程閃爍存儲器3、壽命：1000寫/擦循環(huán)4、數(shù)據(jù)保留時間為10年5、全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz6、三級程序存儲器鎖定7、128*8位內(nèi)部RAM8、32可編程I/

35、O線9、兩個16位定時器/計數(shù)器10、5個中斷源11、可編程串行通道12、低功耗的閑置和掉電模式13、片內(nèi)包含有振蕩器和時鐘電路4.2.2 調(diào)壓控制電路的設(shè)計電路圖如下所示：+ K4*K3* K2» K1k K8* K7* K6» K54 K12 K11*K10k K9* K16* K15* K14» K13電壓過零脈沖對上圖進行分析：89C51單片機的P2口經(jīng)過74LS273芯片鎖存并與過零脈沖信號保持一致后，使用兩個74LS139芯片譯出16根控制信號，經(jīng)過驅(qū)動電路可以控制16個固態(tài)繼電器，其中8個用來作為分接開關(guān)實現(xiàn)調(diào)壓，另外8個作為過渡支路的開關(guān)保證不會產(chǎn)

36、生繞組環(huán)流，所有的開關(guān)實現(xiàn)對變壓器次級繞組的組合控制。不考慮調(diào)壓的過渡過程的話，任何時候每組繞組僅有一個固態(tài)繼電器導(dǎo)通，因而提高了系統(tǒng)的可靠性。另外由于固態(tài)繼電器內(nèi)部具有光電隔離功能，因此使用時無須在加裝光電隔離項，可以直接同單片機連接。圖中的74LS273是帶有清除端的SD觸發(fā)器，只有在清除端保持高電平時，才具有鎖存功能，因此單片機的信號需要加反相器才能與74LS273的清除端CLR相連。1D8D為數(shù)據(jù)輸入端，1Q8Q為數(shù)據(jù)輸出端，發(fā)出正脈沖進行觸發(fā)，低電平清除，常用作8位地址鎖存器。74LS139為雙2線一4線譯碼器，傳遞延遲時間22ns,兩個譯碼器之間是相對獨立的，分別接受兩個輸入同時提

37、供四個相互排斥的低電平有效輸出。每個譯碼器各自擁有一個低電平有效使能端（E）,當(dāng)使能端為高電平時，所有的輸出都被迫為高電平，當(dāng)使能端為低電平時，可將地址段（A。AI）的二進制編碼在對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。4.2.3 固態(tài)繼電器驅(qū)動及其保護電路的設(shè)計對于固態(tài)繼電器的保護，可以在其兩端并聯(lián)阻容吸收電路來控制電壓、電流的上升率，阻容吸收電路中的電容電阻的參數(shù)選取如下表。電容的電壓由固態(tài)繼電器額定電壓的倍選擇，電阻功率可以由公式：P=fCU2maxX10-6W得出。式中Uma刻電阻兩端的最大工作電壓，設(shè)計中選取C=xF,額定電壓為1500V的電容，電阻選取阻值40Q,額定功率為5W勺電阻。固態(tài)繼電器

38、額定電流（A）200100502010電容（g電阻（Q）10204080100本設(shè)計所選用的固態(tài)繼電器型號的主要指標(biāo)為：輸入電流為5mA電源電壓為3-32V、開關(guān)時間最大為10ms設(shè)計的固態(tài)繼電器的驅(qū)動電路如圖7所示：圖7固態(tài)繼電器的四個端口，A、B為兩輸入端口，C、D為兩輸出端口，RC為構(gòu)成阻容吸收電路的電阻和電容，Y表示為高電平，經(jīng)反相器反向后輸入端B就變?yōu)榈碗娖剑藭r固態(tài)繼電器A點的電勢就高于B點電勢，固態(tài)繼電器輸入端繼而接通，經(jīng)內(nèi)部驅(qū)動后，輸出端也開通，固態(tài)繼電器就導(dǎo)通。4.2.4 時間控制單元的設(shè)計本設(shè)計的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)中的一個重要部分就是能實現(xiàn)對路燈照明的定時調(diào)壓，所以在設(shè)計中研

39、究出了能準(zhǔn)確的對時間進行控制的方案。一般高壓鈉燈為感性負載，電壓電流的環(huán)境具有不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，在系統(tǒng)工作中很有可能會出現(xiàn)掉電或者單片機發(fā)生復(fù)位的現(xiàn)象，假設(shè)我們利用單片機的內(nèi)部時鐘對整個系統(tǒng)的時間進行控制就難以保持其穩(wěn)定性，所以考慮到這個因素，在設(shè)計系統(tǒng)的時問控制部分使用一個時間控制器件作為時間控制單元。設(shè)計采用了串行方式器件DS1302DS1302是美國ALLAS司推出的一種具有高性能、低功耗、帶RAMft點的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒的計時，具有閏年補償功能，工作電壓為。D是一種性能高、功耗低，具有串行通信功能的時鐘芯片,它采用三線接口與CPU!行同步通信，并可采用

40、突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAMK據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31X8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM®存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進行小電流充電的能力。DS1302內(nèi)部包含振蕩器、寄存器、控制邏輯、實時時鐘以及RAMDS1302與主控制器相連僅需要三根線，即SCLK1/0、RST接口電品&如下圖8所示。其中Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行，DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1+時，Vcc2給DS130縱電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接晶振。RS說復(fù)位/片選線，通過把RSTt入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST俞入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯