道路照明中變壓器的晶閘管調(diào)壓方法的設(shè)計(jì)研究

0  引言

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展及人們生活條件的不斷改善，道路照明在滿*通安全、城市美化的同時(shí),其電能消耗也成為城市能源消耗的一大部分。開(kāi)展道路照明的節(jié)能降耗工作已迫在眉睫。

　　高壓鈉燈以其能耗低、光效好、透霧性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)被廣泛使用。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，以高壓鈉燈為主的道路照明均為 全夜亮 模式，因此還有很大的節(jié)能空間。目前采用最多的是分時(shí)控制。就貴陽(yáng)市而言，根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌▽?shí)情，可分為三時(shí)段控制——高峰期、正常、低峰期。在交通正常期和低峰期，照明電壓降為額定電壓的88% 和80%; 高峰期應(yīng)保證足夠照度，故使高壓鈉燈工作在額定電壓的93% ，這是因?yàn)榇藭r(shí)能使燈的壽命提高兩倍但照度只降低5%，而此照度的變化人眼很難察覺(jué)。所以，采取有效的、可行的降壓穩(wěn)壓手段非常關(guān)鍵。

　　傳統(tǒng)的調(diào)壓方式是采用自耦變壓器，通過(guò)改變?cè)褦?shù)比將電壓降為實(shí)際電壓的93% ，88%，80% 。該方法最大問(wèn)題是，電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)無(wú)法保證高壓鈉燈的穩(wěn)壓且無(wú)法精確地將電壓調(diào)至預(yù)定值。另外，切換開(kāi)關(guān)較多采用有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，因此易產(chǎn)生電弧而影響電路正常工作。

　　筆者提出了晶閘管組合變壓器副邊繞組改變高壓鈉燈兩端電壓，在單片機(jī)控制下精確降壓并穩(wěn)壓。筆者采用串聯(lián)變壓器副邊，利用其多繞組的不同組合，靈活升高、降低負(fù)載電壓，并結(jié)合單片機(jī)檢測(cè)實(shí)時(shí)電壓以控制晶閘管，達(dá)到定時(shí)精確調(diào)壓、隨時(shí)穩(wěn)壓的目的。此方法非常適合我國(guó)道路照明的實(shí)情及節(jié)能需要。

　　1  調(diào)壓原理

　　1. 1  變壓器調(diào)壓

　　在高壓鈉燈主線路中串入變壓器副邊，如圖1所示。該副邊有多個(gè)匝數(shù)不同的繞組，各繞組的空載電勢(shì)分別為E 1，E2，E 3 等。通過(guò)開(kāi)關(guān)K1 ~ K12的開(kāi)斷將各繞組組合，可得到不同的E ab，從而改變Eb c。如K2,K3，K5，K8，K9，K12閉和時(shí)，E ab = E2 + E3 - E1。因此只需選擇合理的控制方案，就可精確得到預(yù)定電壓。同時(shí)，由于本方案調(diào)控范圍大，精度高，故在需穩(wěn)壓時(shí)也可通過(guò)K1 ~ K12的開(kāi)斷來(lái)調(diào)控負(fù)載電壓。

圖1  高壓、穩(wěn)壓原理

圖2  方案改進(jìn)示意圖

　　另外，晶閘管具有動(dòng)作迅速、無(wú)電弧等特點(diǎn)被廣泛作為開(kāi)關(guān)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。筆者所提方案中可將其代替圖1中的K1 ~ K12，利用其觸發(fā)角的可控性,靈活選擇開(kāi)斷時(shí)間。

　　1. 2  控制電路設(shè)計(jì)

　　本文中控制電路需要實(shí)現(xiàn)電壓采樣比較，晶閘管觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生，實(shí)時(shí)時(shí)鐘、實(shí)時(shí)電壓顯示及人機(jī)對(duì)話等功能。單片機(jī)具有運(yùn)行速度快，工作電壓低，功耗低，輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)能力大，價(jià)格低，體積小等特點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。89C51片內(nèi)的4 K 程序存儲(chǔ)器是FLASH 工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫(xiě)，而且對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫(xiě)入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密。另外，其售價(jià)比8031還低，市場(chǎng)供應(yīng)也很充足。因此本文采用89C51作為控制芯片，完成變壓器調(diào)壓控制。

　　1. 3  主電路改進(jìn)

　　1. 1中當(dāng)調(diào)壓范圍擴(kuò)大時(shí)副邊繞組數(shù)目增加，晶閘管的數(shù)目也隨之增加，不僅加大了控制難度，還增大了電路規(guī)模。若將原方案按圖2 改進(jìn)，顯然，變壓器二次繞組容量大約提高了一倍，但每相接通的晶閘管開(kāi)關(guān)數(shù)目比圖1減少，這有利于晶閘管開(kāi)關(guān)工作可靠性提高。

　　2  副邊電勢(shì)的確定

　　變壓器副邊繞組個(gè)數(shù)、匝數(shù)等應(yīng)根據(jù)具體情況而定。一般情況下，三個(gè)典型數(shù)值是必需的，即E 1 =1 V，E2 = 3 V，E3 = 9 V。通過(guò)晶閘管的組合可組成±1 V~ ± 13 V 精度為± 1 V共25檔補(bǔ)償電壓。若再增加一個(gè)20 V 繞組，則可將調(diào)壓范圍擴(kuò)大。因此在理論上，本文方案可將調(diào)壓范圍擴(kuò)大至無(wú)窮。

　　3  實(shí)例分析

　　把本文所提方案應(yīng)用于蔡關(guān)線——工學(xué)院道路照明系統(tǒng)。取A相為實(shí)驗(yàn)相，其他兩相為參照相。各相所接高壓鈉燈220 V，250 W 共25 盞，均配有電容器。

表1  節(jié)能模式及其工作電壓時(shí)

　　采用2. 5 kVA，220 V 單相變壓器，副邊有四組電壓: 1 V，3 V，9 V，20 V。依據(jù)時(shí)間及具體交通狀況，按時(shí)間分為四個(gè)模式: 啟動(dòng)、正常、高峰及節(jié)能模式。對(duì)應(yīng)各模式的調(diào)壓穩(wěn)壓范圍如表1所示。2010年4月1日- 4月3日測(cè)量參數(shù)如表2所示。表2表明，采用本文所提方案后可明顯降低能耗，同時(shí)由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)使未采取措施的路燈耗能浮動(dòng)較大。

　表2  4月1日-4月3日耗電量

　　4  小結(jié)

　　本文所提調(diào)壓穩(wěn)壓方法具有精度高、調(diào)節(jié)范圍寬、可頻繁動(dòng)作且不易產(chǎn)生電弧等優(yōu)點(diǎn)。不僅可以用于道路照明，還可用于其他采用高壓鈉燈且有調(diào)壓空間的場(chǎng)合。但是，LED 照明不在本文討論范圍，因此讀者可參閱其他相關(guān)文獻(xiàn)。