路灯节能控制器的设计

摘要

目前，城市道路照明在整个照明耗电中占了很大的比例，以往的路灯照明技术存在很多弊端，在后半夜因行人稀少，而应该降低路灯的照度，以避免造成光源污染，影响居民的晚间休息，可是传统的路灯照明在后半夜由于用电设备的减少，导致电网电压的升高，灯具的照明度也比上半夜更亮，这不仅造成了电能的浪费也由于电压的升高灯具大量发热大大降低了灯具的使用寿命，所以考虑到这种情况，本论文设计了一种基于自耦变压器多抽头电压可调的路灯节能装置，将无触点调压方式应用在城市道路照明工程，通过比较多种方式的分接开关优缺点，最终采用固态继电器作为调压的分接开关，对电压过零时刻进行调压，使得路灯的端电压波形能连续平滑。控制器具备调压稳压的特点，具有无触点、多级别调压的优点，调压范围可以达到18%以上。

论文主要论述了节能装置的工作原理、设计出了节能装置的主电路，并对分接开关做了合适的选择。控制环节提出以单片机为核心的硬件电路构成，设计了调压控制部分的硬件部分，包括主控制器的选择，采样电路、保护电路、开关的驱动电路设计等多个环节，并且给出了具体的设计参数，在此基础上完成了控制器的硬件制作。软件部分针对节能装置的工作特性及节能方式设计了降压稳压的闭环控制策略、定时调压等实现方法和软件流程。

文章的最后按照节能装置的设计思路在调压部分进行了MATLAB 的建模仿真，仿真测试按照调压策略观察其输出电压，结果表明，输

出电压同设置值基本一致，误差不大，降压、节能效果明显。关键词：节能自耦变压器无触点调压固态继电器

Abstract

Keyword:

目录

1、绪论

1.1论文概述

1.1.1课题背景

随着城市建设的飞速发展，我国道路照明工程的日趋大型化，在日益紧迫的能源、环境危机促进下，“节能减排”已成为现阶段城市道路节能的指导思想。对于任何一个城市来说，城市路灯照明是人们日常生活中必不可少的公共设施。目前，我国照明消耗的电能约占电力生产总量的10%一20%，而城市公共照明则在照明耗电中占30%的比例。据统计显示，我国在路灯照明方面每年消耗超过1000亿元的电费，其份额和发展的速度十分惊人，全国各地无不面对电力紧张和电力消费带来的各种问题，如今“节能减排”已经成为我国一项重要的国策。随着城市的发展和现代化建设步伐的不断加快，导致了路灯的不断增加，照明电能消费正在急剧上升, 对城市道路照明及城市亮

化的工程需求也越来越高，城市照明耗电作为节能技术应用的一个领域,近年来也受到了广泛关注。而能源的供需矛盾也越来越突出，节电节能、绿色照明的要求越来越迫切，越来越高。

目前，传统的路灯照明系统存在着许多的弊端，我国绝大部分的城市路灯都采用“全夜灯”的方式进行照明，可是一方面后半夜的行人稀少，如果采用“全夜灯”的方式则浪费太大，因此，有些地方又采用了前半夜全亮而后半夜全灭的“半夜灯”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”的节电措施，这种方式虽然节约了电费支出，却带来了社会治安和交通的安全隐患，不利于城市形象及社会安全。另一方面，在后半夜因行人稀少，而应该降低路灯的照度，以避免造成光源污染，影响居民的晚间休息。在电力供电的系统中，为了避免送电过程中的线路损耗及用电高峰时造成的未端电压过低，往往都是以较高的电压传输。因此，路灯所消耗的功率都较高，特别是后半夜是用电低谷期，用电设备减少，电力系统电压升高，路灯比白天更亮，这不仅造成了能源浪费，还大大影响了设备和灯具的使用寿命和使用效率，也违背了节电节能的宗旨。

电网电压偏高或不稳定或电网不洁净(瞬变、谐波等因素)，不仅带来了高额的电费支出，更会导致灯具发热而大幅度降低灯具的使用寿命，造成维修量及维修费用大幅增加。根据时间及人流量的数理统计规律，当午夜后，人流、车辆减少时，对照度的要求有所下降，随着工厂停工、居民休息用电减少，线路电压更高，对点亮灯具的损伤也更大，同时使路灯产生眩光会增加对人眼睛的伤害，使路面光线分

布不均匀，不利于车辆的安全行驶。

1.1.2课题研究目的和意义

近两年，全国用电量及电负荷增长较快，去年以来已有三分之二的省（区，市）出现了不同程度的缺电甚至拉闸限电的现象，严重影响到经济社会的发展和人民生活水平的提高。据统计，我国照明用电量已占总用量的10%～12%。按照我国提出的“中国绿色照明工程”，照明节电已成为节能的重要方面。路灯是我国经济发展和国家建设中必需的用电设备，它在我国的整体用电量中所占比例巨大，如果通过节能装置对其进行有效控制，就能够降低电力损耗，达到节约能源，降低生产安装成本，有助于我国经济的快速发展。

本文研究的智能路灯节能控制系统是一种基于自耦变压器多抽头电压可调的路灯节能装置，将无触点调压方式应用在城市道路照明工程，使用固态继电器作为调压分接开关，在电压过零点时刻进行调压，使得路灯端电压的波形连续平滑。可在路灯的运行中，保持供电设备端电压的稳定，当电网电压出现大的波动时，能相应的做出电压的调节。在后半夜，降低路灯供电设备的端电压，使其工作电压低于电网电压，控制路灯的照明亮度，保证路灯工作在节能状态，不仅没有妨碍交通照明还能提高高压钠灯的使用寿命，防止高压钠灯在后半夜高压的情况下长期照明而降低使用寿命，其降压、节能效果明显，从而达到了节约电能的目的。

1.2路灯节能国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

国外对照明节能很早就开始重视，国际研究界提出了一个概念叫做“在保证照明效果下的节电”，认为这样的节电才是科学的、可持续的，这是发达国家在设计道路照明系统的基本思想。在具体的措施上，国际上主要有以下几个特点:

(l)大力推动绿色照明，在光源的材料，使用规范上加以有效管理，出台了一系列的标准和管理要求，将照明节能推广到全民范围; (2)不断提高功率器件性能要求，主要体现在镇流装置上技术提高。通过对镇流器技术改进来提高照明设备的功率因数;

(3)积极推广节能奖励政策，鼓励民众节能，节电，建立了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，其研发方向主要有以下几种。

(l)净化式的交流稳压电源

它之所以叫做净化式主要是强调这种交流稳压设备对电网的干扰具有相当强的抑制作用。对于拥有大批进口、精密贵重仪器设备的单位来说，电压波动将造成很大的危害，而使用配有交流稳压电源的用电设备当电压异常时，除了交流稳压电源报警外，不会造成设备的损坏。交流稳压电源除稳压外，对负载也起了一定的保护作用。因此，交流稳压电源越来越受到人们的重视，并成为各单位的必配设备。

交流净化稳压电源由调整电路、零脉冲产生电路、同步锯齿波发生电路、脉宽调制驱动放大电路、误差取样放大电路、直流稳压电源、

过压保护电路等部分组成，它已成为当前计算机及其它精密电子设备最主要的交流稳压设备。

一般设备配置的净化式的交流稳压电源的主电路原理如图1所示。

图1

其工作原理是由L1、C1、L2、C:组成一个参数谐振电路，在一定的工作频率下，

通过控制可控硅的关断来改变L:的值，相应的C1上的电压也会发生改变，从而起到对输出电压V0的调整和稳定作用。净化电源的主回路结构决定了它必然有较强的抗干扰功能，但仅限于中低频率段，对于高频(例如几兆赫兹)段，仍需附加高频滤波器，这样就能使其抗干扰性更强，应用更加广泛。然而，由于容量问题，大功率的交流净化电源的设计比较复杂，体积很大，现阶段只能应用于单灯或者小型道路照明节能系统，相应的技术研发也正在进行。

(2)交流斩波调压

交流斩波调压方式不像传统的相控调压方式，在电源电压的一个周期内把正弦波砍去几块，而是使用开关元件将正弦波斩成许多小块，当采用定频调宽斩波方式时，用占空比D＝τ/T来控制输出电压的大小。当斩波频率f选定时，斩波周期T为定值，输出电压的大小取决于占空比D的大小。当D=O时，开关元件完全关断，输出电压为零；当D=1时，开关元件完全开通，输出全电压。交流斩波调压的研究重点主要集中在双向开关的实现以及不同性质负载的控制方法上。在交流调速，调热系统中均取得了不错的成果，具有快速响应、不会产生低次谐波、体积小、成本低等优点，十分符合道路照明节能系统改造的要求，但目前在道路照明领域的应用中不是十分广泛。

1.2.2国内研究现状

我国照明节能标准是从1996年开始实施中国绿色照明工程以后，得到了社会各界和国际社会的广泛关注和支持，在各个地区、有关部门、各个单位和企业的共同努力下，在联合国开发计划署和全球环境基金的积极参及和资助下开展的。通过这些年的工作取得了显著的成效，积累了丰富的经验，为改善照明质量，节约照明用电和保护环境，建立优质高效、经济舒适、安全可靠的照明环境，促进社会经济可持续发挥了积极的作用。

同国际相比，国内节能装置在技术和质量上还有待提高，目前国内在研究照明节能主要的途径有两种：

1、采用高效的节能型光源，也就是使用发光效率高的灯泡或灯管；

2、在现有照明系统上加装节能控制设备；

加装节能设备，较为经济和实用，目前国内销售的照明节能设备很多，其中照明控制调控装置所占比例最大。从工作原理上大致可以分为三大类，可控硅斩波型照明节能装置、自耦降压式调控装置、智能照明节电器。

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，可以达到控压节电的目的。

自耦降压式调控装置：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，将电网电压降低5、10、15、20V等几个档，从而达到降压节电的目的。

智能照明节电器：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，将电网电压降低5、10、15、20V 等几个档，从而达到降压节电的目的。

控硅（相控）型优点是，可实时精确控制输出电压，满足照明用电的最佳值，缺陷是电压无法实现正弦波输出，有谐波污染。而自耦降压型的优点正好是能做到电压正弦波输出，却不能实现电压的自动精确控制，只能固定降压，不能升压和稳压，如果能将两者优势结合互补，去除缺陷，就是比较理想的照明节能产品了。

1.3本论文的主要工作

本论文结合国内外路灯节能的研究成果，比较几种常用的路灯节能控制方法分析其优缺点。采用无触点的调压方式，讨论了基于自耦

变压器多抽头电压可调的节能方式。详细设计了路灯智能控制系统的硬件结构、电路设计。

论文研究的主要内容如下：

（1）对目前我国城市路灯照明中使用的高压钠灯的照明度、端电压和使用寿命之间的关系进行分析。

（2）对目前我国己经实现的节能装置进行调研，再根据城市后半夜的路灯使用状况和电压变化提出可行的经济性能良好的设计方案。

（3）设计路灯节能装置控制部分的控制方式,实现其硬件功能。

（4）对提出的节能方案进行仿真试验，验证理论研究的正确性。

2、道路照明系统调压节能原理分析

2.1高压钠灯的工作状况

目前，几乎 80%以上的路灯照明均是采用高压钠灯，高压钠灯具有等高效、节能、寿命长、穿透性好、不诱虫等突出的特点，为HID 灯的代表，属于第三代照明光源，很适用于道路这种大空间对显色要求较低、照明要求较高的场合，所在各种道路照明上得到了广泛的应用。它的发光效率很高，可高达32 Im/W，放电稳定时,灯内钠蒸气的分压可以强到106Pa的钠灯。使用时发出金白色光，其设计寿命在12000小时以上，在正常情况下至少可用3年，但是由于超压使用，现在路灯灯泡的实际寿命只有1年左右，有的甚至只有几个月，造成维护和材料的浪费极大。

以下是高压钠灯的端电压、照明度、使用寿命的关系表：

评价差最好好最差

从上表可以看出，当高压钠灯电压下降到额定电压（22OV）的90%时，高压钠灯的照度只衰减3至7个百分点，从人体视觉学看，人体对光强的感知是以对数变化的，也就是说，光的照度降低7%，相对应人对光的感知只下降 1.6%，几乎不会察觉，但此时电能节省19%左右，同时大大提高了路灯的使用寿命，起到了节能的效果。较高的电压不仅不能让高压钠灯更有效地工作，而且会引起灯具的发热使其过早的损坏，还会产生不必要的电费开支。所以基于以上原因，很有必要适当降低用电设备的电压。

2.2现有调压技术的分析

目前技术比较成熟，同时市场上应用广泛的主要有前三种:斩波调压技术、自耦变压器调压技术和利用可变电抗器调压的技术。第三种在市场上相应的产品很少。前两种技术的应用比较广泛，下面对他们进行介绍，对其优缺点进行分析。（1）斩波调压技术，它的主要原理是通过控制晶闸管的导通角，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，达到控制输出电压从而节电的目的。该电路的工作过程是:在正弦电压的正半周内，a为此范围的导通角，可控硅Ta在a处导通，电流流过阻抗R;当电源电压过零时，可控硅T。关断。当正弦电压负半周时，可控硅Tb被触发导通，同样阻抗R上也有电流流过，如此反复，负载R上的电压就形成不连续的斩波形式。

图2

如图2所示，此时负载上的输出电压的有效值为:

Us：输入电压的有效值;

W：输入电压的角频率;

a：导通角

上式中可以看出当导通角a为零时，输入等于输出，a为π时，输出为零，因此，这种方式可以通过控制a的大小来控制电压的变化，达到输出电压连续可调、这种方式反应时间迅速，有稳压效果，由于这种设备大部分采用电力电子器件，所以体积比较小，造价低，但是由于斩波以后，不能输出正常的正弦波形，出现大量的谐波，造成电力系统的谐波污染，如果解决此缺陷，需要加装昂贵的滤波设施，就失去了经济上的优势，不符合现今提倡的绿色节能，所以这种方式在很多国家都己经淘汰。

（2）自耦变压器多抽头调压的方式，自耦变压器是只有一个绕组的变压器，它作为降压变压器使用，从绕组中抽出一部分线匝作为二次绕组，通过改变自耦变压器输出端的输出抽头，可以输出不同的电压值，各个抽头相对应不同的变比，当电网电压升高时，通过接通各个抽头实现降压的作用，这样就可以达到降压节能的目的。自耦变压器不但容量大、损耗小、而且造价低，所以得到了广泛的应用。

入电压后，并不会影响马路上人及车的正常行进。当进入夜深时，山于街道上行人及车辆减少，对路灯的照度要求不高，此时就可以将路灯的输入电压调小，降低照度以达到节省电能损耗的目的。

2.4无触点调压技术

上文介绍了两种应用较多的调压技术，就基于自耦变压器多抽头调压方式而言，它的调压精度低，响应速度也慢，频繁的调压还会造成机械触头的磨损，所以本设计中引入了一种新型的无触点调压技术，它将电力电子开关器件应用于调压系统，能使整个的调压过程达到迅速、无弧的效果。

2.4.1分接开关技术

调节变压器二次侧绕组的分接，可以达到调节电压的目的，而分接开关作为调压变压器中唯一需要反复动作的部件，对它的可靠性需要非常高的要求。由于分接开关在变压器的工作状态中不断的进行着变换，所以它必须具备以下两个因素：

1、在变换的过程中，需要保持电流的持续性，不能发生开路，断电的现象;

2、在变换的过程中，要防止绕组及分接触头之间发生环流。

为了防止分接开关在操作过程中造成短路以及变压器绕组中出现环流的问题，一般都在分接选择器上设置带有过渡电阻器的方式来防止环流的产生，这种方式被成为电阻式有载分接开关方式，后来为了简化它的结构，又设计出了一种分接开关和选择开关相互组合的方式，被称作复合式电阻分接开关方式。

复合式电阻分接开关方式每完成一次调压就需要5个过程，过程很复杂，响应时间也不会十分迅速，关键是在工作的过程中可能还会有电弧和环流的问题产生。随着电力电子技术在电力领域的广泛应用和飞速的发展，电力领域中对电力电子器件的应用越来越重要，所以现在人们把电力电子开关器件同机械开关并联后配合使用，是一种将电力电子器件开关代替传统的机械开关的新技术。其工作原理是，当电路上电后，首先接通的是电力电子开关器件然其次机械开关再闭合，当电路断开时时，先让机械开关先断开，其次再断开电力电子开关器件，这种方式可以降低调压过程中出现电弧的可能性。

下面是一种以电力电子器件为辅助机械开关的方式的原理图。

图4

这种以电力电子器件为辅助机械开关的调压方式在调压的过程几乎没有电弧的影响。但是过程十分复杂，调压的响应速度不迅速，而且制造的成本很高，在应用方面也受到了限制。所以大量的使用电力电子器件，而不再使用机械开关，能帮助提高开关的响应速度，下文将介绍一种新的无触点调压技术。

2.4.2以二进制编码方式的无触点分级调压技术

二进制编码调压方式是由一个基本主绕组和若干个按2-n倍数递减的独立绕组构成，基本主绕组的输入电压就是调压变压器输出电压的最小值，其它绕组分别按一定电压值的2 -n(n=0，1，2，…)倍数递减，一直到一个基本值或基本百分比，其结构图如下图所示，。

3、基于自耦变压器的路灯节能装置的设计方案

3.1调压方案的主电路设计

上文已经介绍了二进制编码的调压方式下面就是设计一种改进的二进制无触点调压方式，如下图4所示，变压器的初级侧输入电压22OV，次级有两个具有三等分带抽头的分级绕组和一个固定绕组，每个分级绕组的匝数分别为主绕组匝数的2%、2%、2%、4%、4%、4%，

而固定绕组的匝数为主绕组匝数的85%。

图4

K1到K8是8个电力电子双向开关，若控制电路每次只使每个绕组中的一个开关导通，其他的开关全部关断，则可得到一个输出电压。假设K1、K5导通，其它的开关全部关断的话，则次级的输出电压为固定绕组的输出电压，1、2绕组没有电压输出;若K2、K5导通，其它的开关断开的话，则次级输出电压为输入电压的87%。按这种方式控制电力电子开关的通断，8个开关有10种的组合情况，其中每个状态都可以输出输入电压值2%的整数倍数电压，因此我们得到变压器次级侧的输出电压为(85%一103%)U。为了确保调压过程中输出完整的正弦波，避免电力电子开关器件在通断过程转换时对电网产生冲击，开关器件的控制电路采用电压过零触发方式，在硬件上，可以使用电网电压采样得到的过零脉冲作为开关器件的同步触发信号;软件设计上，用此作为中断源，单片机在中断服务程序中输出控制码来切换开关器件的通断。为了保证在任何时候变压器的次级绕组都只有一个双向开关导通，其他的开关全部关断，避免绕组发生短路，产生环流，两组开关器件都由一个译码器进行控制。两个绕组开关使用一片

双2一4译码器 74LS139译出两组控制信号，分别控制开关器件K1至K8，如果用共4位二进制数经译码器后译出10个状态，控制2组开关器件，则数字量00OH一009H对应调压绕组的输出电压为(O一18%)ul。下表2给出了它的对应关系，其中1对应开关器件导通。

表2

上表可以看出单片机输出的控制码及调压绕组的输出电压呈线

性关系，理论上将输出电压百分比的二分之一作为控制量即可，但是

如果电网电压波动以及负载变化导致输出和给定不相等时，则需要通

过电压反馈控制来实现自动调节。为此，可通过A/D转换来测量出实

际输出电压，及给定值比较，形成偏差信号，在经过单片机内部计算

整定，其结果通过单片机1/0口控制相应的电力电子开关，从而达到

自动稳压的目的。

3.2固态继电器特性及其工作原理

固态继电器（亦称固体继电器）简称SSR。它是一种用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，固态继电器工作可靠，寿命长，无噪声，无火花，无电磁干扰，开关速度快，抗干扰能力强，且体积小，耐冲击，耐振荡，防爆、防潮、防腐蚀、能及TTL、DTL、HTL等逻辑电路兼容，能以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。设计将电力电子无触点开关引入到节能调压系统中来，设计使用新型电力电子分接开关固态继电器，实现无触点的分级调压。

固态继电器原理电路如下图5所示：

图5

R0为限流电阻，VD是起保护光电耦合器作用的，光电藕合器将输入及输出电路在电气上隔离开，V1构成反相器，VZ、凡、RS和晶闸管V3组成过零检测电路，BR为双向整流桥，V3和BR使双向晶闸管V;