（电机与电器专业论文）基于单片机的路灯节能装置的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc i t i e si no u rc o u n l l - y , t h ee l e c t r i ce n e r g yc o n s u m p t i o no f s t r e e tl a m p si sa l s oi n c r e a s e d ，w h i c hm a yi n c r e a s et h es t r e s so fe l e c t r i cp o w e rs u p p l ya n d i n c r e a s et h eo p e r a t i n gc o s to fs t r e e tl a m p s 啊1 en o n - a n i f o r md i s t r i b u t i o no fs t r e e tl a m p sw i l l r e s u l ti nt h en o n - u n i f o r md i s t r i b u t i o no f l i g h tl u m i n a n c ea n db ee a s yt ol e a dt ot r a f f i ca c c i d e n t s m e a n w h i l e ，t o om u c hb r i g h t n e s so rd a r k n e s so fl a m p sa l s oa f f e c t st h eo p e r a t i o na n dl i f eo f 1 a m p s t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yd e e p l yt h es y s t e mo fl a m p s e l e c t r i c p o w e r - s a v i n gf o rt h ed e s i g na n ds a f eo p e r a t i o no fs t r e e tl a m p s ：i nc i t i e s an e we l e c t r i c p o w e r - s a v i n gc o n t r o l l e rf o rt h es t r e e tl i g h t i n gb a s e do ns i n g l e - c h i pm i c r o p r o c e s s o ri sd e s i g n e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e r ea r et h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k si ni t f i r s t l y , t h i s d i s s e r t a t i o n a n a l y z e sd i f f e r e n tp r i n c i r l e s a n d t e c h n o l o g y o fe l e c t r i c p o w e r - s a v i n ga n dt h eg r e a tm a r k e to fe l e c t r i cp o w e r - s a v i n go ft h ew o r l d an e wm e t h o do f e l e c t r i cp o w e r - s a v i n gb a s e do nm c ui si n t r o d u c e d t h ee l e c t r i cp o w e r - s a v i n ge q u i p m e n tc a n l o w e rt h ev o t a g eo f l a m pb yc o n t r o l l i n gt h et r a n s f o r m e r sw i n d i n g sb a s e do nm c u ，i no r d e rt o a c h i e v et os a v ee n e r g ya n dp r o l o n gt h el i f eo f l a m p s s e c o n d l y , 也eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h i sw h o l es y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h ep a r to f h a r d w a r e ，t h ep r i n c i p l eo fp o w e r - s a v i n ga n dt h ed e s i g no fc o n t r o lh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r e d e s c r i b e d ，w h i c hc o n s i s to fp e r i p h e r a lc i r c u i t ，v o l t a g ea n dc u r r e n ts a m p l i n gc i r c u i t s ，d r i v i n g c i r c u i t sa n dc o n t r o ls t r a t e g y t h es o f t w a r eo ff l o wa n dl o n g i t u d e l a t i t u d et i m ec o n t r o la r ea l s o d e s i g n e di ni t t h i r d l y , at r a n s f o r m e rf o ra d j u s t i n gt h ev o l t a g eo fl a m p si sa l s od e s i g n e d ，i nw h i c ht h e e l e c t r o m a g n e t i cc a l c u l a t i o na n dt h es o f t w a r ed e s i g no f t r a n s f o r m e ra r ep r e s e n t e di nd e t a i l f i n a l l y am a t h e m a t i c a m o d e lo ft h ee q u i p m e n ta n di t st r a n s f o r m e ra r ec o n s t r u c t e d , i n w h i c ht h et r a n s i e n to rs t e a d yv o l t a g ea n dc t l r r e n to f t h et r a n s f o r m e ra r ea n a l y z e d i nt h et h e s i s ， as i m u l m i o nc i r c u i to fp o w e r - s a v i n gs y s t e mi sa l s oc o n s t r u c t e db ym a t l a b s i m u l i n k 7 0a n di s a n a l y z e da n dr e s e a r c h e dd e e p l yf o rt h eo p e r a t i o no f t h es y s t e m an e we l e c t r i cp o w e r - s a v i n gc o n t r o l l e rf o rt h es t r e e t l a m p s ，b a s e do na t 8 9 s 5 2 s i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o r , i sd e v e l o p e di nt h ed i s s e r t a t i o n 1 1 l es y s t e mc a l lp r e f e r a b l yb e a d a p t e dt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r e e tl a m p s i tc a nr e d u c et h ei n t e r f e r e n c eo ft h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e m , p r o l o n gt h el i f eo ft h el a m p sa n da c h i e v ee n e r g y - s a v i n ge f f e c t t h ec o n t r o l s y s t e mp o s s e s s e sf i n ec o n t r o le f f e c t t e s t ss h o wi tc a ns a v e2 5p e r c e n tp o w e ra n dp o s s e s sf i n e c o n t r o le f f e c t t h en e wt y p eo fs a v i n ge l e c t r i c i t yc o n t r o ls y s t e mh a sh i g hr e l i a b i l i t y , g o o d q u a l i t ya n dl o wp r i c ee s p e c i a l l yi ne l e c t r i cp o w e r - s a v i n gi n d u s t r y , a n dw i l lh a v eab o o m i n g p r o s p e c ti nm a r k e t k e yw o r d s t r a n s f o r m e r , s i n g l e - c h i pm i c r o p r o c e s s o r ，s t r e e tl a m p ，l o n g i t u d e 1 a t i t u d et i m e c o n t r o l ，s i m u l a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 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。 研究生签名：粗日 期：哑：! ! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅 和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：粗导师签名： 期： 东南大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着社会的发展，能源问题己经成为全球最为关注的问题之一，能源危机已经成为 全人类所面临的主要危机，特别是近年来我国的电力能源十分紧张，电力紧张影响我们 的日常生产、生活，甚至严重阻碍我国经济的发展与社会文明的进步。 1 1 课题研究的背景 在我国的电力消耗中，城市路灯是现代城市建设中重要的组成部分，它服务于市政、 道路交通和人们的生产、生话，美化了城市容貌，为创造良好的投资环境起着重要的作 用。随着我国经济的快速发展，照明路灯的数量越来越多，其用电量占城市的总用量的 比例也在不断增加。据统计显示，目前我国在路灯照明方面每年消耗近百亿元的电费， 其发展速度十分惊人。在城市亮化、美化大潮的趋势下，城市景观照明耗电也吞噬着我 们的电力资源。而发电企业投资和建设需要一个较长的周期，经济的快速发展需要更多 更充足的电力供应，电力的供求之间矛盾突出f 1 】。电力供应缺口很难在短期内得以缓解， 发展与节约并重，已经成为经济建设的必然选择。因此，路灯照明节约用电意义十分重 大。 据2 0 0 5 年统计，全国路灯总盏数为：9 1 8 6 3 5 6 盏，道路照明年总经费：5 2 亿元，如果 包括室内照明，景观照明等，其照明总盏数和费用将十分惊人! 据建设部统计数字显示， 特别是近三年来，随着城市的快速发展，目前城市照明( 包括景观照明和路灯等) 的年 用电量，约占全国总发电量的1 0 ，相当于目前三峡水力发电工程的发电量的一半 2 1 。表 1 - 1 为2 0 0 5 年部分城市道路照明用电情况统计表。 表1 12 0 0 5 年部分城市道路照明用电统计表 城市 路灯数( 盏)照明总功率( k w )路灯电贾( 刀兀) 上海 2 5 7 6 3 91 0 3 0 5 61 2 5 4 1 7 北京 1 9 8 8 5 97 9 5 4 41 0 4 5 2 广卅f 1 4 4 1 6 95 7 6 6 87 5 7 7 6 深圳 1 0 6 8 7 1 4 2 7 4 8 5 6 1 7 2 阐尿 6 9 5 2 72 7 8 l l3 6 5 4 3 青岛 5 5 4 6 92 2 1 8 82 9 1 5 4 苏州 4 8 1 5 11 9 2 6 0 2 5 3 0 8 无锡 4 4 7 3 11 7 8 9 22 3 5 ll 扬州 3 4 4 5 31 3 7 8 11 8 2 2 6 目前，路灯系统一般采用钠灯、水银灯、金卤灯等灯具。这类灯具有发光效率高、 光色好、安装简便等优点，被广泛使用，但同时也存在着诸如功率因数低、对电压要求 严格、耗电量大等缺点。我国大部分城市路灯都采用“全夜灯”的方式进行照明，普遍 存在的问题有两点：一方面，后半夜行人稀少，采用“全夜灯”的方式浪费太大，因此， 第1 章绪论 有的地方采取前半夜全亮，后半夜全灭的“半夜灯”照明方式；有的地方在后半夜采取 “亮一隔一”或“亮一隔二”的节电措施，此种方式虽然节约了电费支出，却带来了社 会治安和交通安全问题，不利于城市形象口1 。另一方面，在后半夜因行人稀少，而应该 降低路灯的照度，以避免光源污染，影响居民的晚间休息。但是，由于后半夜是用电低 谷期，电力系统电压升高，路灯反而比白天更亮了。这不仅造成能源浪费，还大大影响 了设备和灯具的使用寿命。目前，路灯照明广泛使用高压钠灯，其设计寿命在1 2 0 0 0 d 、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。过高的电压不仅不能让负 载设备更有效地工作，而且会引起发热及过早损坏，还会产生不必要的电费开支。 1 2 课题研究的目的及意义 据权威组织统计，全世界范围内的电力消耗中，从九十年代开始，照明用电大约占 总发电量的1 0 2 0 。由此可见，如此巨大的能源如果得不到高效的使用，造成的浪费 与可能产生的危害都是巨大的。1 9 9 1 年1 月美国环保局( e p 舢首先提出实施绿色照明和推 进绿色照明工程( g r e e n l i g h t sp r o g r a m ) 的概念【4 】，很快得到联合国的支持和许多发达国家 和发展中国家的重视，积极采取相应的政策和技术措施，推进绿色照明工程的实施和发 展。绿色照明的核心是在保证照明质量的前提下节约照明用电【5 1 ，【6 】，缓解人类面临的能源 问题，同时也是为了解决现今照明系统及应用环节中存在的其它问题。 尽管目前中国的经济总量排名世界第五，但电力消耗却仅次于美国位居世界第二， 对于一些高速公路、城市道路、办公大楼、酒店、超市和商场来说，照明电费成本已经 成为紧随原材料和人工成本之后的第三大开支，可以说，中国内地电力能源的低效转换 为节电产业的发展提供了广阔的空间。美国一家专业能源机构指出：中国可能在近几年 内取代美国成为全球节电市场最大的买家。而新西兰的一家研究机构通过对中国2 0 0 2 年 各省的统计年鉴、中国统计网和中国能源协会等的耗电信息统计分析后认为，中国内地 节电市场份额高达3 0 0 0 亿元人民币。随着中国经济的发展和社会用电量进一步加大，这 个数字还将不断增加，因此，节电产业在中国具备良好的发展前景。我国在1 9 9 6 年决定 实施“绿色照明工程”口】。因此，研究路灯节电系统有重要意义。在我国，大专院校、 科研机构和高科技企业也在进行研究和设计。 正如前文所述，路灯照明建设不仅仅存在电能消耗过度的问题，路灯直接全压起动 时所产生的大电流及冲击力也会对路灯、电网及电网中的其它设备都会造成影响，因此， 路灯的节能控制技术己成为热门的研究课题。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。基于以上原因，很有必要适当降低用电设备的电压。 本课题从提高用电效率、消除无谓浪费的思路出发，设计了一种用于路灯系统的节 电装置，旨在于减少市政道路、广场、商业照明和公共照明等领域的电能消耗，将各种 公共场所用于路灯的电能以较高的效率利用起来，不仅为企事业单位降低了用电成本， 也有效地降低了对于电能资源的消耗。 2 东南大学硕士学位论文 1 3 国内外路灯节电概况 路灯节电产业对多数人来说还是一个陌生的行业，然而，在国外节电产业的发展却 已经有了几十年的历史。早在1 9 7 2 年，美国便开始出现电机节电技术系统，节电技术在 1 9 7 5 年便已经面世，而照明节电技术则是2 0 世纪8 0 年代初在西方发达国家兴起的。 1 3 1 国内外路灯节电技术现状 国外节电市场开发早，节电技术相对来说较为成熟。近年来，国际节电研究界提出 了一种叫“在保证照明效果下点着灯节电”的新概念，是发达国家道路照明系统的重要 设计理念，是比较科学的，合理的f 5 】 【6 】。 国内外路灯节电主要有以下几种方式： ( 1 ) 半夜灯和隔盏亮控制方式 在上世纪七十年代，由于欧美日等西方国家经济的高速发展，曾经出现严重的能源 危机，当时日本曾使用过路灯隔盏亮控制技术，即上半夜灯全亮，后半夜隔盏关闭，实 现节能。 半夜灯控制方式的主要危害有：对大量的路灯供电，采用这种不平衡的方式，很难 控制线路负载平衡，威胁电网安全；后半夜线路上将出现过压，电压高达2 5 0 伏以上，灯 具寿命大大缩短，灯具高温烧毁严重；后半夜隔盏亮时，道路还会产生长达4 0 米的阴影， 出现斑马效应，给行车带来安全隐患，也影响社会治安和城市形象m 。 在我国，隔盏控制方式在大城市已很少采用，但在地级城市和县城应用还比较多。 自2 0 0 2 年出现电荒以来，为了节能，这种控制方式又以节能工程改造为由，重新作为一 种所谓的“高科技”节能技术，被部分地区采纳。 ( 2 ) 双向晶闸管移相触发降压 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。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，达到降压节电的目的。双向晶闸管f 移相触发1 调压 范围很宽、自耗小、节电率高，并且体积小、重量轻、成本低，容易实现路灯系统供电 电压的平滑连续调节。该方法稳定性好，精度高，反应速度快。 驴何而 式中，输入交流电压( v ) ；u o 输出到灯具的电压( v ) ；晶闸管的触发 控制角。 但是，这种方法的不足之处是元件易发热烧坏，由于采用相控技术产生谐波污染电 网，使荧光灯及气体灯不停闪动，减损灯具寿命及相关附件的使用寿命，降低照明质量， 不绿色不环保，国家相关规定已明令禁止使用这种无功补偿技术设备。以系统节电滤波 形式，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，缺少 第1 章绪论 实际节电效果。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 成对电网系统谐波污染，危害极大，不能用在有电容补偿电路中。 ( 3 ) 变频降压控制方式 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交变频，提高电源的频率，再利用晶闸管过零触发的周波控制 法进行调光，可以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。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 用i 脉宽调n 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，若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口j 。 ( 4 ) 自耦降压式及磁饱和电抗器降压法 其原理是：通过一个自耦变压器，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1 0 v 、2 0 v 、3 0 v 等几档，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，可靠性也比较高。 该项降压技术存在的技术缺陷是固定多档降压器，由于其核心部件是一个多抽头的 变压器，变压比是固定的，一般地，副边有三个降压抽头，分别降1 0 v 、2 0 v 、3 0 v ，一 旦接线端固定，降低电压就是固定值。 电磁固定降压的缺点是：用电高蜂时电压降到非稳定区，容易造成灯光闪灭，灯光 太暗，容易引发交通事故，它不能自动调节电压；由于固定降压，不需要高亮度照明的 后半夜，由于电网电压升高，灯具反而更亮，造成灯具的寿命大大缩短：灯具电压随电 网电压波动而波动，没有稳压功能：同时如果电压突然升高，则不能避免灯具受到市电 的瞬时高压冲击，对灯具的保护能力较差；此外，其效率也普遍偏低；当电网电压波动 时，调控装置的输出电压也会上下波动，这样路灯的上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。 ( 5 ) 智能数字化调压控制方式 当今国际上流行的节能方式是智能调控技术，采用微电脑控制系统，实时采集输出、 输入电压信号与最佳照明电压比较，通过计算进行自动调节，在确保功能和效果的前提 下，台理调整亮灯的亮度、数量和时间，包括以调光装置、声控、光控、时控等为主的 光源控制器件。这种节能控制器应用d v r 电网电压调节技术概念，通过电磁调压、电磁 移相、电磁平衡等新技术，通过最新的电压控制软件和先进的电子线路对负载设备进行 实时检测与跟踪，同时，对输入、输出电流电压和功率等参数提供动态数据、故障判断 和自动保护，对路灯的定时开关特性以及分时供电或自动调整节电率等功能进行组合或 选择。自2 0 世纪9 0 年代末期，荷兰交通部对d y n o 降压调控道路照明系统进行测试，并 对道路照明安全与节能技术进行相关研究。近十年来，智能照明节能调压控制技术在欧 洲不断进行测试和推广使用，如西班牙a l i c r u 电子公司开发的易路特( i l u e s t ) 智能照 明调控系统9 】。 4 东南大学硕士学位论文 这几年，我国的路灯节电技术发展也很快，从事路灯节电开发的有南京人博科技有 限公司和珠海麦尼电控技术有限公司等。他们研制的智能路灯节电控制系统，具有电磁 技术的特性，输出纯正弦波，无电磁谐波污染，同时又具有电磁原理无法实现的“电压 高速高精度连续调节”。由于电压的高度平滑调节，大大降低“半老化h i d 灯”的熄火 电压，灯内电弧更稳定，降压节能空间更大，节电率更高，与电磁方式比，更能极大保 护灯具和延长灯具的使用寿命。这种“以人为本”的照明节能和“情景照明”节能，在 不影响正常照明的同时，极大限度地节约能源，保护照明设备 1 0 】。 1 3 2 路灯节电技术的特点 从以上路灯节电技术技术现状可以得出，国内外路灯节电技术的发展具有以下特点： ( 1 ) 积极推广节电奖励政策，鼓励民众节能，节电，建立了完善有效的奖励机制7 】； ( 2 ) 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，将照明节电推广到全民范围，大中小城市都要推广使用路灯节电装置； ( 3 ) 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素； ( 4 ) 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：高压钠灯， 高压汞灯，白炽灯【1 1 u 1 2 l ； ( 5 ) 合理确定不同的工作地点、工作时间的照度； 节约路灯用电，不仅要采用各种高效路灯灯具、路灯光源，而且要大力推广使用各 种路灯节电技术、节电控制设备，以降低路灯负荷，减少不必要的路灯时闻”m 。本文 主要针对路灯节电进行深入的研究，也就是在现有的路灯系统上加装路灯节电控制设备。 目前我国市场上有多种路灯节电控制产品，能达到一定节电效果，但就功能和效果上还 不能尽如人意，一个较为理想的智能路灯节电控制系统一般应如下具备性能： ( 1 ) 软启动、软过渡性能：稳定高质量的软启动功能大大缓减灯具启动过程中冷启动 大电流对光源的冲击，从而延长光源的使用寿命； ( 2 ) 降压性能：通常条件下，为了节约能源，我们会采取降压的方式来达到节电； ( 3 ) 稳压性能：应使灯具工作在一个合理的电压范围内，避免灯具高压冲击或灯具熄 火，同时不产生高次谐波，不污染电网； ( 4 ) 绿色环保性能：智能路灯节电控制系统不产生谐波畸变，并对路灯电器产生的谐 波具有抑制功能，不对电网造成污染；同时能避免闪烁、眩光等光污染对人类的危害。 1 3 3 路灯常用降压节电方法 目前，国内外路灯节电设备普遍采用的方法都是调节电压来节电，从工作原理上大 致有以下几种 1 5 】： ( 1 ) 自耦降压式及磁饱和电抗器降压； ( 2 ) 变频降压； ( 3 ) 双向晶闸管移相触发降压； ( 4 ) 智能数字化调压。 5 第1 章绪论 1 3 4 本装置采用的节电方案 基于对上述国内外路灯节电技术技术和道路照明节能控制方法的分析，本文拟研究 价格低，无谐波，且可扩展的微功率智能型节能控制器，在节省电能的同时又延长灯具 的使用寿命。本文提出一种变压器降压智能化路灯节电调光的方法，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路灯照度或电压比较，通过计算进行自动 调节，从而保证输出最佳的路灯系统工作电压岬“”。 本路灯节电系统在结合国内外几种路灯节电调光方法优点的基础上，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，节约路灯用电 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1 2 以内，有效提高电力质量，从而达到 节电1 0 - 一3 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 ；路灯节电系 统提高稳定的最佳路灯电压，能够延长电光源寿命2 4 倍【”】，减少路灯运行、维护成本 3 0 5 0 。 ( 3 ) 适用性、可靠性 三相节电装置中的变压器采用y y a 0 联接组别，可以承受三相的不平衡负载，且保证 单相的故障绝不影响其它两相的正常运行。采用手动和自动双旁路系统，可独立操作， 可操作性强，以保证路灯设备不断电，正常安全运行【”】。 1 4 本课题研究的内容 本论文主要有以下几部分内容： ( 1 ) 了解国内外路灯节电现状，介绍本装置的节电原理 熟悉路灯节电知识，包括国内外路灯状况，路灯种类及工作原理以及目前的国内外 路灯电能消耗与节电状况；查阅相关文献资料，分析掌握国内外节电现状，了解各种相 关节电技术与设备。 ( 2 ) 系统硬件设计 整个系统硬件结构包括强电控制部分、单片机及看门狗复位电路、双口r a m 、电压 电流信号采样与检测电路、键盘和液晶显示模块电路、日历时钟电路、c a n 总线、过零 检测电路与固态继电器组合的电压驱动电路和以及硬件电路的开关电源等模块组成。本 装置采用双c p u 控制。 ( 3 ) 系统控制软件设计 为了实现各元器件之间能够合理的传输信息，并且对信息进行处理，还需要编制一 套嵌入式软件，它实现各个元器件之间的功能。这是开发过程中的难点也是最重要的部 分。软件主要需完成三个功能模块按钮显示，模块实现相应信号从单片机输入和输出控 制信号模块，实现控制信号以编码输出外部输入模块，实现控制模块对外部控制信号的 6 东南大学硕士学位论文 接收。用c 语言编写控制软件与经纬度定时开机关机程序，并对整个装置进行调试。 h ) 路灯调压变压器设计 根据实际需要提出的规格和其他要求，符合国标规定的技术要求和性能参数，尽量 用料省，成本低，制造简单，来设计确定出变压器的有关参数和几何尺寸。用c + + b u i l d e r 6 0 设计一个路灯调压变压器的计算软件。 ( 5 ) 对整个系统进行调试与仿真 系统软硬件初步完成后对其性能进行试验对试验的结果进行分析，以便进一步改进 和完善其性能。按照厂方要求进行装置安装，制作成品箱，并进行现场测试，分析有关 参数是否与理论分析一致。分析研究装置在运行中可能出现的各种故障及应采取的解决 措施。构建了路灯节电装置及其调压变压器仿真数学模型，对调压变压器投入运行时的 磁通、电压和电流等参数进行暂态分析和稳态分析。采用m a t l a b s i m u l i n k 7 0 仿真软件对 路灯节电装置进行了建模仿真，构建仿真电路，并对系统仿真进行了分析研究。 7 第2 章路灯节电系统及硬件设计 第2 章路灯节电系统及硬件设计 路灯节电的基本原则是在保证不降低道路照明的视觉要求和在保证照度标准和照明 质量的前提下，力求减少照明系统中的电能损耗，最有效地利用电能。由第一章内容知 道，路灯节电正是利用了高压纳灯在启动时需要瞬时高压才能发光，启动后仅需要较低 的电压就可以维持的特性，在路灯线路上电初始阶段，以2 2 0 v 电压输出，路灯旁路工作， 等路灯运行稳定后再降到2 0 0 v 、1 9 0 v 、或1 8 0 v 低电压输出。因此，就要求所设计的节电 控制器能根据电网电压自动调整输出电压以达到实时跟踪，实现最大化节电的目的。本 章将详细分析路灯节电的工作原理，并在此基础上给出所研究的路灯节电系统的总体设 计方案及其硬件设计。 2 1 节电控制器工作原理与设计要求 2 1 1 节电控制器工作原理 路灯功率与电压的关系为： p = 时昂 ( 2 1 ) 式中，p 路灯实际消耗的功率( w ) ；昂路灯额定电压时消耗的功率( w ) ；u 路灯实际运行电压( v ) ；u 。路灯额定电压( v ) 。 采用抽头三档控制，电压控制范围和节电率如表2 - i ： 表2 1电压控制范围和节电率对应表 i 抽头变比 2 0 0 2 2 0 v2 2 0 2 4 0 v 2 4 m 七6 0 v节电率 1 1 2 ：1 1 8 3 2 0 21 6 28 5 ：l1 9 4 - 2 1 22 2 35 2 ：l1 9 4 2 l o3 5 灯泡的使用寿命与电压的关系为： 厂r r 、1 2 h = 1 = 卫| h 。( 2 2 ) lu 。 式中，日路灯实际使用寿命；日。路灯额定使用寿命( h ) 。 从上述分析可知，降压节电是一种切实可行的方法，不仅节约了电能，而且稳定了 电压、延长了灯泡的使用寿命，达到了双重意义上的节电。所开发的路灯节电控制器的 工作方式为：首先，节电器开始旁路工作，它以额定电压在预设的预热时间段内运行； 预热时间1 5 分钟过后，节电器进行节电工作状态，路灯的输出电压开始平滑下降，直至 输出电压降至预设的节电水平，并保持这一水平稳定运行；当电网电压值发生改变，单 片机控制变压器改变变压器绕组抽头，从而改变灯具两端的电压，节电器将进入新的节 电状态口9 】 2 0 l 。 东南大学硕士学位论文 2 1 2 节电控制器设计要求 依照路灯节电控制器的工作原理对节电控制器的具体要求有： ( 1 ) 能控制2 2 0 v 、2 0 0 v 、1 9 0 v 、1 8 0 v 四级不同的输出适应不同的输出要求； ( 2 ) 能根据电网电压波动自动调整节电模式； ( 3 ) 自动旁路功能：当在异常情况发生时会自动设置为旁路，可以保护装置内部回 路，防止停电事故； ( 4 ) 过负荷保护功能：当过电流时产品为保护其自身可自动切断电源： ( 5 ) 具有随机起动功能，节电模式可随意设定。 2 2 路灯节电控制电路硬件设计 路灯节电控制器的系统硬件结构框图如图2 1 所示，它包括强电部分、单片机及其外 围电路、电压电流采样与转换电路、驱动电路和液晶显示电路等。 图2 1 系统硬件结构框图 其中2 2 0 v 强电部分通过变压器的变压与继电器的配合动作，提供路灯系统的各级电 压，输出采样电路采集强电部分的电压通过处理反馈给a ，d 转换器，转换成数字信号后， 交由单片机处理。单片机的处理结果经译码器翻译后，形成8 路控制信号，最终通过对继 电器的控制来实现降压输出节电的目的。 2 2 1 电气组成 基于变压器降压路灯节电装置的原理电路如图2 - 2 。其变压器一次侧分三个抽头，一 次侧输入a c 2 2 0 v ，二次侧输出分别为4 2 3 v 、2 5 9 、1 8 ，3 v 。一共分三级降压，分别由接 触器k m l 、k m 2 和k m 3 控制，可通过单片机控制特定的接触器达到控制输出电压的目的。 9 第2 章路灯节电系统及硬件设计 l n k 1 l 图2 - 2 路灯节电装置系统主电路圈 其中，q f 为空气开关，起过载和短路保护作用：k 1 为旁路开关，k 2 为节电开关， k m l 、k m 2 和k m 3 为接触器主触头；采用接触器或固态继电器控制变压器原边抽头调节 负载电压，能够保证调压时不停电：p t l 和p 1 2 分别为一次电压检测和负载电压检测传感 器，c t l 为一次电流检测传感器。根据输入电压检测结果调节电压输出。液晶显示电压、 电流和功率状态。面板上装有节电和旁路的选择开关，以及状态指示灯，指示故障、旁 路和节电等状态。装置设计有温度检测装置，当温度达到一定时，启动风扇，温度再高， 则k l 闭合，路灯装置旁路工作。 2 2 2 双c p u 设计 单片机控制部分采用双c p u 结构，之间通过双口r a m 交换数据。双口r a m 选用 读写速度较快的i d t 7 1 3 2 ，容量为2 k 。系统根据电网的电压来采取相应的控制，电压电 流的测量必须准确。电压检测采用霍尔电压传感器，具有精度高、动态性能好、工作频 带宽和可靠性高的特点。电流互感器作为电流检测元件，能将控制电路与主电路隔离， 提高系统安全性的同时也降低了干扰。霍尔电压传感器及电流互感器的输出信号经信号 调理后，输出给模数转换器a d c 0 8 0 9 ，实现电压、电流的模拟量向数字量的转换。单片 机的a l e 的信号提供给a d c 0 8 0 9 的时钟端，采用中断方式读取转换结果。 采用双c p u 的结构，涉及到两者的配合问题。c p u l 主要控制液晶的显示、信号的 采样及a d 转换，c p u 2 连接时钟芯片获得精确时间进行实时控制，还连接了6 个脉冲 小键盘，两c p u 之间通过双口r a m 快速交换数据。为便于显示时间，c p u 2 得到d s l 2 8 8 7 提供精确的时钟( b c d 码) ，进行时间计算，得到时、分、秒的十位和个位，存入r a m 中的预先定义的一段表中，供c p u l 读取。另外，进行菜单操作时，按键后生成的代码 和生成的菜单号都要送入r a m 的预定区域，由c p u i 读取，判断是否进入下一菜单。 对同一存储空间，如一端口为写，另一端就为读，不涉及到冲突的问题，因而有关中断 仲裁的引脚置空，但对r a m 的存储空间必须有预先的分配。图2 1 是双c p u 控制的结 1 0 东南大学硕士学位论文 构框图。系统配置了液晶模块和六个小键盘，以菜单方式实现对路灯控制系统工作参数、 测量数据的在线修改与查询，可通过按键校准日历时钟、设定开关灯时间、输入当地经 纬度信息及查询原副边电压、系统当前状态等，方便人机交互。时钟芯片选用比较常用 的d s l 2 8 8 7 ，含有1 1 4 字节的可掉电保护的片内r a m ，用来存放用户的数据。d s l 2 8 8 7 提供精确的时钟信号，包括年、月、日，能产生秒或分定时中断，以判断是否开关灯。 2 2 3 单片机及其外围电路 路灯控制系统硬件电路部分主要由单片机及看门狗复位电路、双口r a m 、电压电流 信号采样电路、键盘和液晶显示模块、日历时钟电路、c a n 总线等模块组成。包括两片 a t 8 9 s 5 2 单片机、看门狗复位芯片m a x 8 1 3 、双口r a mi d t 7 1 3 2 、日历时钟芯片d s l 2 8 8 7 、 液晶j m l 2 8 6 4 、c a n 总线控制器s j a l 0 0 0 、真有效值测量集成电路a d 7 3 6 、模数转换芯 片a d 0 8 0 9 等【3 3 l 。单片机芯片具有较高的运行速度，将单片机芯片作为并行的处理器 的设计，充分发挥单片机的数字信号处理能力，能有效地满足复杂算法快速计算，缩短 整个系统的运行时间。所以，本装置采用双单片机结构。由单片机l 芯片负责对前置电 路所采集数据的数字滤波和实时计算任务，由单片机2 作为整个装置的逻辑运算和管理 控制单元，主要负责开关量输出，实时时钟控制，各类参数及定值的管理，人机接口的 控制。单片机1 与单片机2 之间通过双口r a m 进行数据通信，既保证数据传输的高速 率，又具有较好的抗干扰性能。 单片机选用a t 8 9 s 5 2 ，其内含2 5 6 个字节的r a m 、3 2 条f o 线、3 4 1 6 位定时器，计数 器，且自带8 k 的电擦除e e p r o m 用以保存控制程序，用a d c 0 8 0 9 作为模数转换器，实现 对电流电压由模拟量向数字量的转换。时钟是单片机的a l e 经d 触发器控制口，由p 2 7 w r r d 和或非门组成的标准控制电路，结果输出采用延时方式延时大约为1 8 0 s 。单片 机的p o 口与a d c 0 8 0 9 的输出端口连接，读取a d 转换后的结果。 2 2 4 电流电压采样电路和驱动电路 系统根据电网的电压和电流做出相应的控制策略，所以采样是必不可少的。用电流 互感器作为电流检测元件，它能够反映主电路中的电流，并能将控制电路与主电路隔离、 提高安全性、降低干扰互感器中的电流，经过整流电流电压转换滤波校准后，输出给模 数转换器a d c 0 8 0 9 。电压采样通过变压器采集电网电压，变压器也具有隔离作用。模拟 量采集电路完成电压、电流、频率量的采集工作。从输电线路电压电流传递过来的大电 压电流信号，经过霍尔电压传感器和霍尔电流传感器隔离变换为小电压电流量。霍尔电 压、电流传感器具有精度高、线性好、频带宽、响应快和不损失被测电路能量等优点。 霍尔电压传感器采用l e m 公司生产的l v 2 8 p 。它采集到的电压经过整流滤波校准后，输 出给a d c 0 8 0 9 t 3 “。 霍尔电压传感器输出的信号分作两路，分别用于测量电压和频率。测量电压的电路 为；传感器输出信号经过电压放大，模拟低通滤波后，变换到单片机可以接受的电压范 围( 4 5 5 v ) ，输出到单片机的a d 输入引脚。本装置中采用的模拟低通滤波器电路 图如图2 3 所示，它是一个带反馈的二阶低通滤波。 第2 章路灯节电系统及硬件设计 一伽0 9 图2 3 模拟低通滤波器原理图 测量频率的电路如图2 4 所示。电压传感器的输出信号先经过带通滤波器后提取出频 率为5 0 h z 左右的电压信号，再经过适当变换后，把5 0 左右的正弦交流信号变换为同频 率的方波信号，输出到单片机的捕获口，进行频率测量。 图2 _ 4 频率测量电路原理图 霍尔电流传感器的输出小电流信号经过精密电阻进行线性交换后，转换为电压信号， 再经过滤波、放大，变换到单片机可以接受的电压范围( 4 5 5 v ) ，其电路原理图同 图2 4 。a t 8 9 s 5 2 芯片内置8 通道，带采样和保持( s 但) 的8 位精度的d 转换器，单通道 转换时间为5 0 0 i l s ，符合本装置高速采样的要求。采用内置的a d 转换器，可以简化装置 的硬件结构，提高装置的稳定性。 单片机输出脉冲经隔离功率放大后，可直接接到继电器控制级控制。继电器为降低 来自电网的干扰，由单片机f o 线产生的触发脉冲，必须经隔离后送到继电器的控制电 路中。继电器k m l 、k m 2 和k m 3 工作时，在同一时刻最多只有一个继电器闭合，单片机 的三路( p 1 o 冲1 2 ) 经- - ) k 译码器转换后可得到八路控制信号，这些信号经放大后，通 过固态继电器用于控制继电器动作。不需要继电器动作时，可由关闭p 1 3 三八译码器的 输出。 1 2 东南大学硕士学位论文 2 2 5 开关量输入通道的设计 m c u 图2 - 5 外部开关量输入回路 为了避免外来干扰对装置稳定性的影响，任何开入量进入单片机之前要通过光电耦 合器进行隔离，其