（机械电子工程专业论文）照明用电节能技术研究.pdf

天津理工大学硕士学位论文 摘要 我国人口众多、资源相对紧张，能源紧缺制约了国民经济的发展。因此，我国经济 要实现持续、快速、健康发展，必须改变经济增长方式，由粗放型向集约型转变。节能 是国家发展经济的一项长期战略方针，照明用电量在总耗电量中所占比例逐渐增大，所 以进行照明节能控制具有重要的实际意义。 本文阐述了照明节能控制技术的产生背景、研究意义及国内外研究现状，经过充分 的调研和方案对比分析确立了具体的研究内容、研究方法和技术路线。首先，对常用照 明灯具进行了类型分析，并选出最具代表性的两种电光源，通过调节电压并检测电压与 照度的数值对应关系，从而得到电压与照度变化的特性关系曲线，论证了在满足正常照 度需要的前提下，通过调节电压达到节约用电的可行性。其次，对当前国内外常用的照 明节能控制器调压调光方法进行对比分析和比较，根据以往调压调光方法的优缺点提出 了一种新型的方案即可实现交流电压组合控制的晶闸管分级调压调光法，然后，基 于晶闸管分级调压调光法构建了照明节能控制系统的软、硬件整体架构，并将模糊控制 思想引入到照明节能控制技术中，在此基础上进行了软、硬件系统设计。硬件系统包括 晶闸管调压组合电路、过零检测电路、电压检测电路和分别以p 8 9 l p c 9 3 5 单片机为核心 的上位机外围控制电路以及8 9 s 5 1 单片机为核心的下位机外围控制电路，软件部分编制 了上、下位机系统运行控制模块、模糊控制算法模块、通信及人机接口模块等主要程序 模块。 由于经费和时间的限制，本文研究工作没有制作实物样机，最后对所提出的节能控 制方法进行了数字仿真，仿真结果表明该方法调压输出电压波形规范，完全达到了预期 的调压效果。 关键词：照明节能，晶闸管，交流电压组合控制，模糊控制 天津理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fe n e r g yr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m yd u et ot h el a r g e n u m b e ro fp o p u l a t i o na n dt h el a c ko fr e s o u r c e s i no r d e rt or e a l i z et h ec o n f i n u o u s ，r a p i da n d h e a l t h yd e v e l o p m e n t ，t h ep a t t e r no fe c o n o m i cd e v e l o p m e n t m u s tb ec h a n g e df r o mt h e e x t e n s i v ed e v e l o p m e n tt ot h ei n t e n s i v ed e v e l o p m e n t i nc h i n a , t h ee n e r g ys a v i n gi s a l o n g t e r ms t r a t e g yo ft h en a t i o n a le c o n o m yd e v e l o p m e n t s of a r , t h el i g h t i n ge n e r g y c o n s u m p t i o nt a k e sal a r g ep a r to ft h ew h o l ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，s ot h ec o n t r o lo fl i g h t i n g e n e r g ys a v i n gi sv e r yi m p o r t a n t t h es i g n i f i c a n c ea n dt h ep r e s e n ts t u d ys t a t u so ft h el i g h t i n ge n e r g ys a v i n gc o n t r o la r e d e v e l o p e da tf i r s t t h e n ，t h es t u d yc o n t e n ta n dt h et e c h n i c a ll i n ea r ee s t a b l i s h e db a s e do n i n v e s t i g a t i o na n dv e r s u sa n a l y s i s a f t e rl a m p sa n dl a n t e r n si nc o m m o nu s eb e i n ga n a l y z e d ， t w ot y p e so ft y p i c a le l e c t r i cl i g h ts o u r c e sa r es e l e c t e dt og e tt h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eb e t w e e n v o l t a g ea n di l l u m i n a n c eb yu s eo ft h ev o l t a g er e g u l a t i o na n dt h ei l l u m i n a n e ed e t e c t i o n f u r t h e r m o r e ，an e wm e t h o dn a m e dt h y r i s t o rs t e p p e dv o l t a g er e g u l a t i o nm e t h o d ( t s v r m ) i sp r o p o s e do nt h eb a s i so ft h ec o n t r a s t i v ea n a l y s i so nv o l t a g er e g u l a t i o na n di l l u m i n a n c e a d j u s t m e n to ft h el i g h t i n ge n e r g ys a v i n gc o n t r o l l e r t h et s v r m c a ni m p l e m e n tc o m p o s i t e c o n t r o lo fa l t e r n a t i n gv o l t a g e n e x t ，b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e so ft h el i g h t i n g e n e r g ys a v i n gc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e db a s e do n t h et s v r m ，a n df u z z y c o n t r o li si n t r o d u c e di n t ot h es y s t e m t h eh a r d w a r es y s t e mc o n t a i n sz e r oc r o s s i n gt e s t i n g c i r c u i t ，t h y r i s t o rv o l t a g er e g u l a t i o n c o m b i n a t i o n a lc i r c u i lv o l t a g et e s t i n gc i r c u i ta n d p e r i p h e r a lc o n t r o lc i r c u i t so fs c ：mp 8 9 l p c 9 3 5a n ds c m8 9 s 51 t h es o f t w a r es y s t e m i n c l u d e st h es y s t e mc o n t r o lm o d u l e s ，t h ef u z z yc o n t r o lm o d u l e ，t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， t h em a nm a c h i n ei n t e r f a c em o d u l ea n ds oo n a tl a s t , t h ep r o p o s e de n e r g ys a v i n gm e t h o di ss i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo u t p u t v o l t a g e w a v e f o r mi sc r i t e r i o n , a n dt h a tt h ee f f e c to fv o l t a g er e g u l a t i o n r e a c h e st h e r e q u i r e m e n to fd e s i g n 。 k e yw o r d s ：l i g h t i n ge n e r g ys a v i n g ，t h y r i s t o r , c o m p o s i t ec o n t r o l o fa l t e r n a t i n gv o l t a g e ，f u z z y c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 墨盗墨墨太望或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：五弘聿，亚 签字日期：可年3 月土日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨生墨兰盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨望墨墨盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：钗? - 伟五 导师签名： 叁艺 签字日期：知彳年弓月 日签字日期：加吵年弓月乙日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题产生的背景和研究意义 我国是一个电力能源相对缺乏的国家。虽然电力工业发展速度很快，但是电力紧张 状况依然非常严峻。特别是近些年来电网负荷越来越大，电网己不堪重负。电力短缺已 成为制约国民经济发展的突出问题。我国电力能源利用率与发达国家相比非常低，因此 造成电力能源进一步紧张。照明耗电约占全国总发电量的1 0 一- 1 2 。据统计，2 0 0 1 年 我国发电总量为1 4 3 3 2 5 亿千瓦小时( 度) ，全国照明耗电达1 4 3 3 2 5 亿度- 1 7 1 9 9 亿度， 为三峡大坝工程技产后年发电能力( 8 4 0 亿度) 的两倍左右。随着我国基本建设的快速发 展和人民物质文化生活水平的日益提高、科技和经济发展突飞猛进、城市建设规模的不 断扩大、城市灯光夜景亮化工程的加速、工业商业的发展，全国照明耗电量将每年以1 5 的速度递增。对于中国这样一个发展中国家，在能源十分短缺的情况下，为了能使国民 经济持续、高速、健康地向前发展，必须控制照明用电量，重视照明节能事业的发展， 这也正是本课题的产生的一个背景【i j 。 我国经济要实现持续、快速、健康发展，必须改变经济增长方式，应由粗放型向集 约型转变，这就要求把节能作为国家发展经济的一项长远战略方针。其中，虽然我国照 明用电消耗在整个电力能源消耗总量中比重不大，但在电力能源短缺的情况下，每年愈 几千亿i w h 的电力消耗仍预示着巨大的节能潜力，大力提倡照明节能已成为当务之急【2 j 。 我国在照明节能方面，除了应大力推广在相应的场所使用适合的节能灯以外，更重要的 是在工厂、商场、宾馆、体育场等大型公共场所和市政道路方面积极采用照度闭环时序 控制调压调光技术。一方面能大量节省电力消耗，另一方面也大大降低了维护费用。更 深远意义在于，通过节约可观的电能消耗，可以有效地减少火力发电厂c 0 、s o 、n 0 和 粉尘、灰渣的排放量，减少污染，保护环境。北京申奥成功后，实现”绿色奥运、人文 奥运、科技奥运”倍受社会各界关注。绿色照明是绿色奥运不可缺少的组成内容，节约 能源是实施绿色照明的基本宗旨。因此，本课题针对照明节能技术及其应用方面的研究 具有一定的理论意义和较高的实用价值。 1 2 本课题的目的、任务及拟解决的关键问题 经过大量调查研究和技术分析，本课题结合目前国际照明节能领域内非常流行的智 能降压一稳压一调光技术，首次将模糊控$ , 1 1 4 0 掣】的优点与传统调光控制方法的优点相结 合，将所设计的模糊控制器应用于照明节能控制系统形成一套自行的照度闭环时序控制 调压调光技术，以进一步提高其节能性能【3 1 1 6 0 - “】。本文将以商场照明节能作为目标和切 入点，实现采用模糊控制的照度闭环时序控制调光照明节能系统。作为一次新的尝试， 希望本课题能够对照明节能技术的研究有所贡献，并促进我国照明节能技术的不断迸 第一章绪论 步。 课题研究的主要内容： l 、查阅文献资料，了解国内外照明节能技术的发展状况，确定照度闭环时序控制 调压调光技术的实现方案： 2 、分析照度与电压的关系，建立照明系统的照度与电压关系的数学模型； 3 、研究获取模糊控制规则，设计模糊控制器； 4 、完成硬件包括微电脑控制【4 8 】 3 3 1 和调压执行器两部分的电路设计、软件编程、系 统联调等； 5 、完成基于模糊控制器的照度闭环时序控制调压调光技术的照明节能系统，并分析 实际能到达的节能效果，进步提出此系统的优缺点； 拟解决的关键技术问题： 1 、建立照明系统照度与电压关系的数字模型； 2 、新型调压控制方法及调压执行电路的研究； 3 、模糊控制技术在照明节能控制技术中的应用方法研究； 基于模糊控制技术的照度闭环时序控制调压调光照明节能系统，可应用于城市商场 节能系统中，也可广泛应用在工厂、道路、宾馆、体育场等大型公共场所，实现良好的 节能作用。 1 3 本论文内容简介 本文介绍了目前国内外常用的一些照明节能方法，比较了各类调光器实现方法的优 缺点，重点实现了一套基于模糊控制器的照度闭环时序控制调压调光技术的照明节能系 统。全文的章节安排如下： 第一章：绪论。讲述课题产生的背景和研究意义，提到了本课题的目的、任务及拟 解决的关键问题，并对全文内容作了介绍。 第二章：对常用的照明灯具进行了类型分析，并选择具有代表性的两种电光源进行 电压与发光强度关系的特性实验，最后拟合出电压与照度的关系，说明了通过电压的大 小来调节照度满足人们正常视觉需求的基本原理。章节后半部分对国内外照明节能的常 用方法和照明节能控制设备的调光方法进行比较，最后给出了本文所提出的方案。 第三章：介绍了照明节能控制系统的总体架构，对硬件系统进行了总体划分和功能 描述，并详细叙述了晶闸管分级电压调节方法的基本原理及实现过程，最后介绍了照明 节能系统上、下位机的设计方案和彼此之间的串口通讯方法。 第四章：提出了照度智能控制的研究方法，首先介绍了传统照度控制的缺陷，说明 了采用模糊控制技术进行照度调节的优点和具体实现原理，并对模糊控制器进行了仿 真。 第五章：给出了照明节能控制系统的软件总体设计规划，对系统软件的控制流程及 部分功能的子程序进行了设计说明。 2 第一章绪论 第六章：总结本课题所做的工作，分析系统的优点与存在的问题，并对今后进步的 研究工作做了展望。 第二章节能方法的比较与最终方案的确定 第二章节能方法的比较与最终方案的确定 2 1 实验照明光源的选择 照明电光源的分类方式有多种，按电光转换机理分类有两种：一种是热辐射光源，另 一种是气体放电光源。 2 1 1 热辐射光源 热辐射光源是依靠电流通过灯丝发热到白炽灯程度而发光的电光源。最常见最普通 的就是白炽灯，几乎遍及了照明的各个领域。其他的还有卤钨灯，它是在灯泡内含有一 定比例卤化物的一种改进型白炽灯。 2 1 2 气体放电光源 气体放电光源是电极在电场作用下，电流通过一种或几种气体或金属蒸气而发光的 电光源。气体放电光源的电弧具有负的伏安特性，即电压随电流的增加而下降，为使灯 稳定地工作，在电路上安装了镇流器，它要同时消耗有功和无功功率，为灯的启动还加 装了启辉器等电气附件。气体放电光源的种类繁多，按充气压力大小可分为两大类：一 类是低压气体放电灯，另一类是高压气体放电灯。高压气体放电灯主要有高压汞灯和高 压钠灯，高压汞灯中使用最多的是荧光高压汞灯和金属卤钨灯两种。低压气体放电灯主 要有荧光灯和低压制灯，在荧光灯中使用最多的是直管型、环管型和紧凑型荧光灯三种。 气体放电光源比热辐射光源的发光效率高的多，应用广泛，市场占有率也在不断提高【4 j 。 2 2 电压与发光强度关系的特性实验 不同灯具的电压与输出光强的关系是不一样的。一般的灯具厂家只给出灯具的额定 电压、额定功率，以及在额定电压下灯的光通量等参数，而没有给出灯具的电压与输出 光强的关系特性，因而必须通过实验测定常用灯具的电压与输出光强的关系特性曲线 ( 该曲线也成为调光曲线) 。在调光控制中，可以根据亮度参数的要求通过该特性曲线 得出灯具的电压参数值在调光曲线设置时将用到该特性曲线【5 1 。 2 2 1 实验条件与采取的方法 本文通过实验研究了热辐射发光电光源一一自炽灯和气体放电发光电光源一一高 4 第二章节能方法的比较与最终方案的确定 压纳灯两种具有代表性的电光源的电压与发光强度的关系特性曲线。白炽灯采用普通的 2 2 0 v - 6 0 w 灯泡，高压钠灯采用2 2 0 v - 4 0 0 w 高光效高压纳灯。具体实验如下面所述，其 它调光灯具也可以通过下面的实验测出调光特性曲线。 为了研究在调光过程中照度的变化，我们通过实验测出在不同电压下光强随电压的 变化情况。 为提高测量照度值的准确性，整个实验过程( 照度测量) 是在密闭不透光的房间 内进行的【7 1 ，。其次采用了固定距离法( 电光源在照度计垂直上方8 0 c m 处) 测量灯具的输 出照度，输入电压是市电a c 2 2 0 v 。输出电压是利用特意为课题定制的自耦变压器给灯具 提供工作电压，通过单片机控制晶闸管开关调节自耦变压器从1 8 9 v 至l j 2 2 0 v 变化，每次 改变1 v 每次变化后保持1 5 s 让照度( 1 u x ) 稳定以便于测量数据记录。 图2 - 1s l l a r ts e n s o r 型号为a r 8 2 3 的分体式照度计 此次测量光强，使用s t i a r ts e n s o r 型号为a r 8 2 3 的分体式照度计，见图2 一l 。它提 供高达1 - 1 0 0 0 0 0 1 u x 的测量范围，精确度 3 ，最低精度达ll u x ，而且还有数据保持功 能，很适合对照度数据的精确采集。 2 2 2a r 8 2 3 分体式照度计功能介绍 1 功能 提供广阔的测量范围 精确照度测量 数据保持功能 最大最小值测量 相对值测量比较功能 第二章节能方法的比较与最终方案的确定 l u x f c 单位转换 3 档位选择 2 操作说明 ( 1 ) 正确装上9 v 电池，取下感光头盖并按o n o f f 键进入正常测试状态。 ( 2 ) 单位转换：按一下l u x f c n o 会在l u x 与f c 进行转换，开机默认为l u x 。 ( 3 ) 档位转换：按下r a n g e 键，则可选择 1 档：1 - 2 0 0 0 l u x ( 当前显示乘1 ) 2 档：2 0 0 0 - 2 0 0 0 0 l u x ( 当前显示乘1 0 ) 3 档：2 0 0 0 0 一1 0 0 0 0 0 l u x ( 当前显示乘1 0 0 ) 当超出测量范围时l c d 测显示“o l ”。 ( 4 ) 最大最小值测量：按下m a x m i n 键，则在l c d 上显示m a xh o l d 字样并进行光度 最大值测量，再按下为光度最小值测量，此时l c d 转显示为m i nh o l d 字样，再次按下此 键则恢复为正常状态。 ( 5 ) 数据保持：正常状态中，按h o l d 键，可立刻锁定当前测量值，再按h o l d 键回 到正常状态。 ( 6 ) 相对值测量：按r e l 键进入相对测量，此时l c d 大显示为当前光度值，下面一 排则显示当前差平均值。 ( 7 ) 当电池符号出现时，则为低电提示，请更换电池，以免影响测量精度。 ( 8 ) 关机：无操作5 分钟自动关机，或按下o n o f f 关机。 3 规格： 测量范围：1 1 0 ，0 0 0 0 l u x 取样次数：1 5 次秒 可重复性：4 - 2 精确度： 3 r g d 4 - 0 5 f s 1 0 0 0 0 l u x 以上为4 - 4 r g d l o d g t s ( 以色温2 8 5 6 k 标准平面灯校正) 电源：9 v 方型电池 操作环境：0 、5 0 ：8 0 r h 不冷凝 储存环境：- 1 0 5 0 ；7 0 r h 不冷凝 4 各部名称 ( 1 ) 主机显示屏 ( 2 ) 开关键 ( 3 ) 相对测量键 ( 4 ) 数据保持键 ( 5 ) l u x 与f c 单位转换键 ( 6 ) 最大及最小值测量键 ( 7 ) 测量档位选择键 ( 8 ) 主机与感光探头连接线 ( 9 ) 感光头盖 6 第二章节能方法的比较与最终方案的确定 最后来用三次测量取平均值，其平均后实验数据见表2 - 1 、表2 - 2 表2 一l 白炽灯电压与照度关系实验数据 电压 1 8 91 9 01 9 11 9 21 9 31 9 41 9 51 9 6 照度( 1 u x ) 1 2 3 31 2 4 51 2 51 2 6 81 2 7 71 2 9 31 3 1 11 3 5 2 电压 1 9 71 9 81 9 92 0 02 0 12 0 22 0 32 0 4 照度( 1 u x ) 1 3 7 41 3 8 7 71 4 2 91 4 5 51 4 7 21 5 1 41 5 4 5 1 5 7 ，4 电压 2 0 52 0 6 2 0 72 0 82 0 92 1 02 1 12 1 2 照度( 1 u x ) 1 6 0 71 6 4 41 6 6 7 51 7 1 61 7 5 91 7 8 11 8 3 11 8 8 6 电压 2 1 32 1 42 1 52 1 62 1 72 1 82 1 92 2 0 照度f l u x ) 1 9 3 81 9 6 51 9 9 72 0 4 52 0 9 32 1 3 42 1 8 92 2 4 3 7 表2 - 2 高压钠灯电压与照度关系实验数据 电压 1 8 91 9 01 9 11 9 21 9 31 9 41 9 51 9 6 照度( 1 u x ) 6 5 8 2 6 6 0 46 6 1 66 6 2 9 6 6 5 ，2 1 6 6 5 2 6 6 7 66 6 7 8 电压1 9 71 9 81 9 92 0 02 0 12 0 22 0 32 0 4 照度( 1 u x ) 6 6 9 36 7 2 26 7 3 16 7 6 56 7 6 26 7 8 36 8 0 16 8 3 2 电压 2 0 52 0 62 0 72 0 82 0 92 1 02 1 12 1 2 照度( 1 u x ) 6 8 6 7 56 8 7 66 8 9 76 9 3 36 9 4 76 9 7 17 0 07 0 3 2 电压2 1 32 1 42 1 52 1 6z 1 72 1 82 1 9 2 2 0 照度f l u x ) 7 0 6 87 0 9 97 1 3 17 1 6 27 1 9 87 2 3 4 77 2 7 77 3 1 ，4 2 2 2 电压与照度之间关系的确立 根据实验数据可以看出，输入电压增大时，输入的电功率增大，光通量也升高，灯 的亮度即照度也增大。对两组实验数据进行归一化处理，采用最小二乘法曲线拟合【8 j ， 拟合公式结果分别为： 白炽灯的照度与电压关系公式： 三缓= 0 0 0 5 9 v 2 2 1 2 0 1 1 1 y + 1 9 8 7 6 ( 2 - 1 ) 高压钠灯的照度与电压关系式： l u x = 0 0 4 6 6 v 2 1 6 7 4 8 8 v + 2 1 6 0 8( 2 2 ) 其中l u x 代表照度值，v 代表电压值。 拟合结果曲线见图2 - 3 和i 图2 - 4 。图中圆圈是实验数据，蓝色连线就是拟合后的曲 线。 根据电压与输出照度的关系式，可以通过设置相应的照度值代替设置电压值，这 7 第二章节能方法的比较与最终方案的确定 样就可以让用户更直观的去调整所需的设置情况，通过控制器直接转换为相应的电压值 以调整所需的电光源的照度。需要指出的是因为只做了1 8 9 v 至u 2 2 0 v 这一段的实验数据 值，所以这个公式并不能适用于从o v 至u 2 2 0 v 全部的电压与照度的关系。 照 度 照 度 图2 - 3白炽灯的电压与输出相对光强的关系特性曲线 图2 4 高压钠灯的电压与输出相对光强的关系特性曲线 8 第二章节能方法的比较与最终方案的确定 2 3 国内外照明节能采取的方法与照明节能控制设备性能比较 2 3 1 照明节能主要方法 目前国内外在照明节能上有以下几种主要途径【刃： ( 1 ) 选用发光效率高的光源常用的光源，按发光效率高低的顺序排列为，高压纳灯 删， 高压汞灯，白炽灯： ( 2 ) 推广使用节能的电子镇流器； ( 3 ) 合理确定不同的工作地点、工作时间的照度； ( 4 ) 推广使用照明节电装置； 节约照明用电，不仅要采用各种高效照明灯具、照明光源，而且要大力推广使用各 种照明节电技术、节电控制设备，以降低照明负荷，减少不必要的照明时间。 本课题主要针对第四种方法，结合工作地点、时间光照环境的变化，进行深入的研 究，也就是在现有的照明系统上加装照明节能控制设备。 2 3 2 常用照明节能设备调光方法及性能比较 国内外照明节能设备普遍采用调压调光法，从工作原理上看大致有以下几种1 0 1 ： 1 自耦降压式调光法 如图2 - 4 。它的原理是，通过一个自耦变压器机芯，根据输入电压高低变化情况， 图2 4 自耦变压器调光 接连不同的固定变压器抽头，将电网电压降低5 v 、l o v 、1 5 v 、2 0 v 等几挡，从而达 到降压节电的目的。 这类产品最大的优点是克服了晶闸管斩波型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正 弦波输出，结构和功能都很简单，当然可靠性也比较高。 存在的技术缺陷：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，一般副边有三到五个降压抽头，压降分别5 v 、i o v 、 1 5 v 、2 0 v ，一旦接 线端固定，降低电压就是固定值，当电网电压波动时，调控装置的输出电压也会上下波 动，于是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。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 9 第二章节能方法的比较与最终方案的确定 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 饱和电抗器调光 + 图2 5 饱和电抗器调光 饱和电抗器的工作原理是通过改变励磁直流线圈中的电流，控制磁路的饱和度、改 变电抗值，实现照明系统供电电压的平滑连续调节。在铁芯的左侧为直流绕组n 。，右侧 为交流绕组n 。，在直流绕组通有直流电流i 。，则通过负载的电流有效值为 1 l l ： i f 丝：坠一 ( 2 3 ) z ( ，+ r ) 2 + ( w + 彳) 2 其中( r + r ) 为交流绕组和负载电阻之和， x 为负载电抗，l 为交流绕组电感。改变 直流绕组中电流的大小，可以改变铁心的饱和程度，即改变交流绕组的电感l ，从而可以 改变负载中电流i 。的大小，出于i ，的变动数值比i 。大得多，即有放大作用。该方法是利 用直流电流控制交流电流，且铁芯的工作状态是趋于饱和状态，所以该方法称饱和电抗 器法，该放大作用是利用磁性材料的磁化特性，故又称为磁放大器。此方法体积比较大。 成本高，调光的动态范围又比较小。加上在电路中串入了电抗器，从而使电流在相位上 滞后于电压，系统的功率因数降低。另外，饱和电抗器的自耗较高，电路中电压波形有 一定程度的畸变，使得电路中含有一定的高次谐波。饱和电抗器技术随着半导体变流 技术的发展，在2 0 世纪5 0 年代之后开始被淘汰，现在己很少使用。 3 周波控制法调光 利用晶闸管过零触发开关用于调光，如图2 6 所示，在设定周期t c 内，用零电压开关 接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内的通断时间比例，从而调 节灯具负载上交流的平均有效电压而调节灯具的亮度，这种方法称为周波控制器。 m 等尸 ( 2 4 ) 一。_ t c 入八八 vvv + - t l i l o 第二章节能方法的比较与最终方案的确定 输出电压表达式为： 图2 - 6 周波控制法调光 u0=( 2 - 5 ) 周波控制法调节灯光的精度比较差，有时会产生闪烁现象。 4 变频调光 用电力场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 等自关断、全控型电力电子器 件，把电源频率经过交一直一交变频，提高电源的频率( 如把电源的频率变成1 0 0 0 h z ) ， 再利用晶闸管过零触发的周波控制法进行调光，可以有效克服移相触发的谐波干扰和周 波控制法调光中由于电源频率较低引起的灯光闪烁现象。但目前大功率的高频变频电源 实现起来比较困难，成本较高。 采用大功率晶体管g t r 和脉宽调制( p w m ) 技术对交流回路调压，从而调节灯具的亮 度。直流开关电源是通过改变具有固定电平的脉冲宽度来调整输出电压的，如果类似于 直流脉宽调制，对交流电源按一定的规律进行调制，可以使输出的交流电压的有效值随 脉冲宽度的调制比进行变化，在一定程度上可以减小谐波干扰。该方法成本较高，控制 电路比晶闸管移相触发复杂。 5 双向晶闸管移相触发调光【l 副 1 9 5 7 年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管后，电力电子技术有了质的飞跃几 十年来，晶闸管己在大功率可控整流、大功率交流调压、大功率交变频调速、大功率电 机软启动等方面广泛应用。如图2 - 7 所示，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，达到控制电压节电的目的。双向 晶闸管( 移相触发) 调压范围很宽、自耗小、节电率高，并且体积小、重量轻、成本低， 容易实现照明系统供电电压的平滑连续调节。该方法稳定性好，精度高，反应速度快。 u0 = 其中u 。为输入交流电压，u 。为输出到灯具的电压，夕为晶阍管的触发控制角。 u ( 2 - 6 ) 图2 - 7 双向晶闸管移相调光 但是这种方法的缺点在于输出的电压是不连续的非正弦波，有较大的高次谐波影响电 网，形成对电网系统的谐波污染，危害极大，特别是不能用在有电容补偿的电路中。 第二章节能方法的比较与最终方案的确定 2 4 本文所提出的调压方法 从上节几类调压调光方法上来看，它们各有优缺点，之所以不能得到大量使用，是 因为其本身都存在技术缺陷。 其中晶闸管( 相控) 的优点是，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。而自耦变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，只能固定地降电压，不能升压和稳压， 如果能将两者优势结合互补，去除缺陷，就是相对比较理想的照明节能产品了。 因此我们提出一种智能化照明节能调光的方法，采用单片机控制系统，实时采集输 出、输入电压信号与最佳设定照明照度或电压比较，通过计算进行自动调节，从而保证 输出最佳的照明系统工作电压【1 3 】。 这种照明节能控制系统在结合国内外几种照明节电调光方法【1 4 】优点的基础上，克服 了其中存在的缺陷，具体优点体现在以下三个方面： ( 1 ) 优化电力质量，节约照明用电 针对电网电压偏高和波动等现象，调控装置可根据用户现场实际需求，实时在线调 节设置电压以输出最佳照度，并能将其稳定在士2 以内，高效提高电力质量，达到节电 1 0 - 4 0 的效果。 ( 2 ) 有效保护电光源，延长其使用寿命 影响电光源寿命的一个重要因素是，运行时电流和电压对光源的冲击。在电压波动 很大的地方，如电气设备比较多的地方一分钟内的电压波动达到正负1 5 ，照明节能系 统提高稳定的最佳照明电压，能够延长电光源寿命2 4 倍，减少照明运行、维护成本 3 0 - 5 0 。 ( 3 ) 适用性、可靠性 节能装置每相可独立操作，可操作性强，可以承受三相1 0 0 的不平衡负载，且保证 单相的故障绝不影响其它两相的正常运行。同一个装置不但可以带不同类型光源负载， 还可以独立调节每相的输出电压。采用手动和自动双旁路系统，以保证照明设备不断电， 正常安全运行。调控装置控制部分不含交流接触器，无触点和移动元件，保证高可靠性 和低功耗。 ( 4 ) 定性控制 正常情况下根据时间段通过电压进行节能控制，在天气有特殊情况下根据灯光照 度变化等对照明系统进行自动化管理。 ( 5 ) 延长灯具寿命 灯具损坏的致命原因是电网过电压。灯具的工作电压越高，其寿命则成倍降低。 反之，灯具工作电压降低则寿命成倍增长。因此，适当降低灯具工作电压是延长灯具寿 命的有效途径。本课题照明控制系统能成功地抑制电网的冲击电压和浪涌电压，使灯具 不会因上述原因而过早损坏。还可通过系统人为地确定电压限制，提高灯具寿命。 本文为照明节能系统设计了一种二进制调压方式，它采用过零触发的方法l l 引，选择 不同的输出绕组进行组合，产生所需的输出正弦电压，以便来调节需要的灯具照度。这 1 2 第二章节能方法的比较与最终方案的确定 种全新的调压方法将在第三章中详细介绍。 整个照明节能系统是一个闭环控制系统，其结构图见图2 8 。图中的v ，为实际输出 电压的反馈值。在全数字自动调节器的控制下，v ，总是跟随节约运行模式的变化而变化， 从而保证实际照明电压跟随节约运行模式的变化而变化。 图2 - 8 照明节能系统闭环控制结构图 第三章照明节能系统的组成和t 作原理 第三章照明节能系统的组成和工作原理 3 1 系统的整体架构 经过对各种调光方法的研究，在实现调压功能的基础上加入了智能控制的思想。另 外在对热辐射型与气体放电型灯具的电压与照度的特性进行比较后发现，不管哪种灯具 其照度都是随着电压的升高而升高，因此可以任意选择一种照明光源作为本文的实验灯 具，不会影响照明系统节能效果的验证，研究过程中我们选择高压纳灯作为照明光源， 调压范围为1 8 9 v 一2 2 0 v ，调压最小幅度为l v 。 3 1 1 照明节能系统概述 很多电光源都区分启动预热和正常工作2 个阶段，一般启动预热阶段电压不可过低， 启动过程完成后，照明节能系统通过闭坏时序控制可使电光源分别工作在“一级、二级 ”二个设定的电压上【1 9 】，这样可以节约电能1 5 - 3 5 ( 视市电电压情况) 。由于电光源总 是工作在事先人为设定好的电压上而不会过压，因此可有效延长灯具寿命l l 。 本照明节能系统采用单片机进行控制，可自行设定以下功能： 1 、主路工作( 节电) 或旁路工作( 不节电) ； 2 、自主开、关灯方式或外部开、关灯方式： 3 、可自行设置每一级节电的照度或电压参数( 系统中下5 艮1 8 9 v 、上限2 2 0 v ，过低的 电压不利于电光源照明效果) 、每一级的启动时间以能适应不同用户在不同时段的不同 照度需求为准。 另外整个系统自动完成开灯、预热、正常照明( 一级节电) 、使用照明( 二级节电) 、 关灯、工作状态显示、实时电压电流显示、过流与短路保护等任务。可以扩展通讯接口， 通过有线或者无线g s m 短消息的形式对照明节能系统进行远程监控。 节约运行模式分为启动预热、一级节电( 照明) 、二级节电( 使用) 三个阶段。以商场 照明为例。 对于高压纳灯，启动预热阶段一般需要十分钟左右，这段时间给电光源施加额定电 压( 2 2 0 的。启动预热结束后，电压降至v 1 进入一级节电阶段。日光灯的启动预热时间则 很短。 一级节电阶段是指刚上班的高峰期，在保证足够照度的前提下，取适当电压值v 1 ， ( 如在2 0 0 v 至2 1 0 v 之间也可通过需求照度与电压关系自行设置) 。 二级节电阶段商场工作人员己适应照明照度要求v 2 尽可能取得小些，以确保最大 限度地节约电能( 如在1 8 9 v 至2 0 0 v 之间也可通过需求照度与电压关系自行设置) 。 1 4 第三章照明节能系统的组成和工作原理 电压v 时间 图3 1 照明节能模式运行示意图 对于道路、宾馆、车间等公共场合照明系统、二级节电电压或照度的设定也可根 据具体情况决定。 3 1 2 系统硬件总体划分 整个系统分为上下位机，上位机主要功能是人机交互设备如l c d 、键盘以及部分辅 助芯片如日历时钟芯片，另外也对输出给灯具的电压进行电压检测，其控制器c p u 选用 p h i l i p 公司的p 8 9 l p c 9 3 5 ；下位机主要功能中，电压过零检测用于实现晶闸管的同步触 发控制，通过单片机8 9 s 5 1 发出相应的电压驱动编码调整晶闸管调压控制电路，同时还 具有电流检测、过流保护等功能。上下位机因为都是单片机通讯而且距离非常的近，且 安装于同一个设备箱体里，所以我们选择t t l 电平直接串行口通讯1 2 0 j 。 图3 2 是整个系统架构框图。 l c do _ 电压过零检铡三相市电2 2 0 v 一耵呻 l 键盘_ j r上 晶闸管组合控 瑚“由乐j 盯j l p c 9 3 58 9 s 5 l自耦变压嚣。碾 电1 触 制驱动扳 i 输出电压检测 枷 q - r ) 口d _ 电流检铡过流 日历时钟芯片 保护 图3 - 2 照明节能系统整体架构框图 第三章照明节能系统的组成和工作原理 3 2 系统调压调光的方法 如前所述，目前国内外各种常见的调光方法1 2 4 j ，都难以使人感到满意，因此在本文 中引入一种全新的照度调节方法交流电压组合控制调压调光。它采用过零触发的方 法，选择不同的输出绕组进行组合，产生所需的输出正弦电压，以便来调节需要的灯具 照度。这种方法不足之处是采用变压器，并且要求次级有多组绕组，同时，还需要较多 的双向晶闸管口。但是，这种交流电压组合控制方法有两个十分明显的优点：第一、输 出电压是正弦波，不会对电网产生干扰；第二、输出电压可以以l v 的精度进行调节。 3 2 1 双向晶闸管的特性 双向晶闸管是将两个单向晶闸管组成反并联结构，具有正反两个方向都能控制导 通的特性，如图3 - 3 。它的触发电路简单，工作稳定可靠，广泛地用于交流电压、灯光 调节、电机调速等场合，双向晶闸管在触发之后，主电流的电流可双向流动。在控制触 发方面，双向晶闸管也具有双向性，双向晶闸管有四种触发方式，见图3 4 。第一象限 触发：m t 2 + ，g + 。这时对于参考电极m t l 而言，电极m t 2 的电压为正，门极触发电流为 正；第二象限触发：m t 2 + ，g 一，f - j 极触发电流为负；第三象限触发：m t 2 ，g 一，门极触 发电流为负；第四象限触发：m t 2 一，g + ，门极触发电流为双向晶闸管一般采用第一、 三象限触发方式哗j 。 g a k 图3 3 晶闸管结构 g 图3 - 4 双向晶闸管 1 6 j 1 j 2 j 3 第三章照明节能系统的组成和工作原理 3 2 2 晶闸管分级电压调节方法基本原理及实现过程 晶闸管分级电压调节方法是和传统数字控制不一样的控制方式。它利用变压器次级 各种绕组的不同组合产生所需的输出电压。最基本且最典型的组合控制是按二进制数值 进行组合控制。 按二进制数值进行组合控制可简称2 - w 控制。它的基本原理如下1 2 列： 对于一个字长为n 的二进制串，它可以组成有2 n 种组合数字，即组合数字为n ： n = 罗2 订d f ( 3 1 ) 一 f = l 其中d i 为0 或1 ，i = l 一- , n 从式3 - 1 可知只要设置n 个数值即2 i ，i = l - - , n ，利用d i 取值为o 、1 这种开关特性，只 要对不同的数值执行开或关，就可以组合各种组合数字。 这种组合数字的处理可以用于交流电压的控制。其实现过程分两部分。 ( 1 ) 交流变压器的次级分成多个绕组，每个绕组的电压值等于二进制的数值。 ( 2 ) 每个绕组的电压值可以和其他绕组的电压法加。也可以忽略，并由开关控制。 对于单相2 2 0 v 电源进行电压组合控制时，其变压器的改级绕组分别为l v 、2 v 、4 v 、 8 v 、1 6 v 、3 2 v 、6 4 v 、1 2 8 v 共八个。但是对照明实际需要的电压组合来看一般只需对电 压进行从1 8 9 v 至j j 2 2 0 v 的幅度范围的调节，低于1 8 9 v 的电压造成照度过低，照度值根 本达不到照明要求而没有实际意义，所以本文采用了1 v 、2 v 、4 v 、8 v 、1 6 v 、1 8 9 v 六挡， 其调节的电压范围为1 8 9 v - 2 2 0 v ，正好可以满足调节照度电压的需求，组合控制的变压 器及开关情况如图3 - 5 所示。 在图3