体育馆智能照明控制系统研究

摘 要:研究的是一种适用于体育馆智能照明的控制系统,在综合考虑几种节能方法的基础上,设计了一种全新的控制器,可以完成电压预测和提前调节照度等功能。分别从背景、方案论证、系统硬件设计进行说明,对于控制电路的核心二进制调压器作了十分详细的解释说明。通过研究证明了此种照明控制方式的实时性、可靠性,能够满足体育场馆照明系统的节能控制要求。

关键词:智能照明;超前调节;电压预测;照度

中图分类号:TP

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)09-0335-02

1 背景

随着我国体育事业的蓬勃发展,全国各地每年都要新建和改造大量的体育建筑,并在其中大量应用智能照明系统。它是根据某一区域的功能、每天不同的时间、馆内外光亮度或该区域的用途来自控制照明。其中最重要的一点就是可进行预设,即具有将照明亮度转变为一系列设置的功能。可由调光器系统或中央建筑控制系统自动调用智能照明系统。智能照明系统在体育建筑中具有重要的地位,可以比喻为体育建筑中的照明控制的“中枢神经”系统。

2 总体方案设计

2.1 照明光源的选择

高压钠灯可以进行调光,只要采用合适的措施保证灯在交流的每半个周期能重复点火,高压钠灯的光输出就可以调低至正常值的10%。通常是调到正常值的一半。这时,系统的功耗减少到正常值的65%。所以,针对场馆照明的特点和要求,在本研究中采用的灯具为高压钠灯。

2.2 控制设备的选择

目前国内照明节能主要的途径有两种。一是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,二是在现有照明系统上加装节能控制设备。从实际应用的角度来看,第一种方案适用于新设计的照明回路。对于已有的照明系统,因需更换所有灯具,初期投入资金和人力比较大,在不能分批分次更新灯具的照明场所,这样做一次性投入太大。对现有照明系统的节能改造,一般采用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。从工作原理上大致分为可控硅斩波型照明节能装置、自耦降压式调控装置和智能照明节电器。

智能照明调控装置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,从而保证输出最佳的照明系统工作电压。这类照明节电产品成本略高于前两种,可实现智能照明调控、有效保护电光源、降低电能消耗的功能,使用的经济性和可靠性远远好于前两种产品,是目前国际上比较成熟的照明控制解决方案。

3 总体方案

由于高压钠灯传递函数具有惯性特性,基于这一特点可以对电压波动进行预测。使得调压控制有了提前量,既能减少电压波动对灯具的影响,又达到节能目标。控制器CPU选择为51单片机。调压部分选择自耦变压器进行二进制调压。调压范围为0-30V,调压最小幅度为2V。由单片机控制晶闸管的导通与关断来选择是否接入自耦变压器。出于对电网无功的考虑,还需进行功率因数的补偿。由电压电流采样值计算功率因数,单片机决定是否投入补偿电容。以下是系统工作框图1。

控制器的核心部分是采样调压电路。它采用二进制调压方式,由自耦变压器和晶闸管组成。晶闸管组相当于矩阵式开关。单片机通过计算判定接通哪几个晶闸管来控制自耦变压器的接入,实现调压功能。以下是采样调压部分工作框图2:

图2 调压部分框图

4 调压电路设计

控制电路的核心是二进制调压器,这是稳压和节能的主要功能部件,包含三个三相变压器。变压器原边额定电压相等,均为240V,副边额定电压按2的整数倍递增,分别为2V、4V、8V、16V,因此又叫做二进制变压器组,该稳压器也叫做二进制稳压器。稳压器的副边串联在负载中,对电网电压起补偿作用,当电网电压大于稳压值或小于稳压值时,控制器根据偏离稳压值的大小,决定该投入的变压器组合。例如,稳压值为220V,当电源电压为234V时,控制器检测到输出电压升高,然后通过控制继电器的关断、导通,改变接触器开关,接触器控制着变压器的工作或者短路,此时让2V、4V、8V变压器投入,刚好可以调整输出值到220V。

考虑到一个十进制数总可以用有限位二进制表示,如:

10=8+2=(1010)2

15=8+4+2+1=(1111)2

28=16+8+4=(11100)2

这样,如果有副边额定电压为20、21…的变压器可供选择投入,那么对所有的电网电压Ui,都能投入相应的变压器,使输出U0不变。投入的变压器选择原则是将Ui、U0的偏差转化为二进制,1所代表的就是投入相应的变压器。主电路(单相)电路图如图3所示:

图3 调压器主电路

工作原理为:

U0=Ui=S0(S1×2+S2×4+S3×8+S4×16)

其中,Si(i=1,2,3,4)=1,0。当Ui≥U0时,Kn闭合,Km常开,S0=1;当时,Km闭合,Kn常开,S0=-1。1表示导通,0表示断开。

为了吸收晶闸管动作时产生的瞬时能量和短暂的电压冲击,在每一相反并联的晶闸管上并联上缓冲电路,缓冲电

路由电阻和电容串联组成,缓冲电路同时能够减小晶闸管

器件的电压上升率dV/dt,从而防止误触发及保护晶闸管不被损坏。

晶闸管组K1、K5控制2V变压器的投入,K2、K6控制4V变压器,K3、K7控制8V变压器,K4、K8控制16V变压器。取1表示投入,取0表示短接。如当Ui高于额定电压U0时,各系数的取值和晶闸管状态如表1。

表1 Ui≥U0时触发状态表S0=1

调整电压S1S2S3S4KmKnK1K2K3K4K5K6K7K

由表1可知:

(1)稳压系统可调电压2V、4V、6V、8V、10V、12V、14V、16V、18V、20V、22V、24V、26V、28V、30V,允许电网电压为:220±30V,变化幅度为额定电压的13.6%,完全可以适应低压照明系统的电压变化。

(2)最大偏差2V,小于额定电压的1%,精度高。

(3)电压调节不是连续调节,是在电压变化达到一定幅度时才动作

(4)晶闸管的闭合、打开,由单片机直接控制,因此控制准确,可靠性非常高。

参考文献

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