毕业设计(论文)基于单片机的路灯的节能控制设计.doc
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1、The Control System of Streetlamp for Energy Saving摘 要城市当中规模庞大的路灯系统对电能的消耗也相当可观,特别是路灯一般需要通宵长明,路灯的节能效应不可低估。除了在器件上选择节能产品和保持合理照度外,通过控制来实现节能也是很有效的。它通过使用电力电子器件,单片机,低压电器等进行调压等自动控制,降低过高的夜间电压,合理调压,按时开关,使路灯系统达到节能的目的。其核心就是设计节能控制系统的电路,特别是使用电力电子调压技术。PWM技术就是其中之一,他基于单片机和3525驱动电路来实现控制。较传统方法更加有效,污染较小。通过3525的特性的应用,设计控
2、制电路,由输入基准电压控制输出。 关键词 路灯节能 调压控制 PWM 单片机 3525 AbstractIn modern large cities, the huge streetlamp system costs so much power, and it must be on work all the night to meet the need of safety, so it is valuable to save energy resources. There are three ways-keep certain lightness, adopting low-power-cos
3、t products, and a better control system. The last one will save energy effectively. It works by the drives of the single chip computer, electric electron technology controlling voltage and low voltage electric equipments to save power. The control system will turn down the high night voltage to a us
4、ual level. The useful control can adjust voltage, turn on and turn off lights. By now, it is widely used in modern cities and the technology has been advanced, and PWM is one of the technologies. It is more effectively, and crates less harmonic wave pollution than usual method. According to the appl
5、ication characteristic of KA3525,we have designed a kind of PWM control circuit based on KA3525 with the auxiliary of onechip computer,realized steady voltage and adjustable out putting voltage Keywords power saving of streetlamp steady voltage power PWM single chip computer KA3525目 录前 言1第1章 我国路灯系统现
6、状101.1 路灯的节能需求101.2 路灯主要的节能方式101.2.1 可控硅斩波型照明节能装置101.2.2 自耦降压式调控装置101.2.3 智能照明节电器11第2章 节能的实现方案122.1 路灯的节能原理122.2 主要设计方案122.2.1 人工遥控12传感器智能控制122.2.3 预先编程和传感器结合控制13第3章 各部分基本原理153.1 电力电子器件调压原理153.1.1 PWM技术153.2 开断动作的实现20第4章 电路设计23第5章 电路工作原理25第6章 参数计算26结束语27谢 辞28参考文献29前 言国外对路灯节能的探索。在电力紧张的背景下,政府出台了一些文件,要
7、求在后半夜,采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施,关闭部分光源。这只能作为缓解电力紧张局面的权宜之计。因为,“亮一隔一”或“亮一隔二”不仅减小照度,同时区别于不同的灯杆布置方式,照度均匀度将不同程度、甚至是严重的下降,对交通、行人安全、对维护社会治安产生不利影响。七十年代的世界性能源危机中,日本大藏省曾要求在工厂、办公室和道路上进行间隔点灯的试验,结果导致生产率和办公效率降低以及治安、道路交通事故的大幅上升,不到一年时间就在一片反对声中全部放弃了。显然,这种消极的节电是不可取的。另外,这种方式由于需要在同一路径上敷设两根路灯供电电缆,也增加了建设投资。“在保证照明效果下点着灯节电”,这样的概念
8、才是科学的,合理的,这是发达国家道路照明系统的设计思想之一。我国路灯照明现状。据调查,我国小型城市在夜晚9点后,大中城市在午夜12点后,道路上几乎空无一人,即便是北京、上海、广州这样的繁华都市,凌晨2点以后,道路上也已罕见行人、车辆。从这一时段直至清晨6点路灯熄灭,在低交通流量的道路上仍然保持较高照度显然没有必要。城市公共照明在我国照明耗电中占30的比例,约439亿kWh,以平均电价0.65元kWh计算,一年开支285亿元。在市政开支极度紧张的今天,国内绝大部分的城市和地区几乎不约而同地采用了日本等国家在七十年代就抛弃了的路灯隔盏关灯的省钱方法,其中的弊病不言而喻不仅导致了路面照度分布不均,给
9、治安及交通安全埋下了隐患,而且不能避免后半夜电网电压的升高对路灯寿命的减损,因此不能称做是真正意义上的节能。当发达国家在讨论什么是“恰到好处的照度水平”的今天,我们这种控制方法就太落后了。九十年代以来,夜景照明建设成为都市市政设施建设的一个重要环节,各地也取得了相应的成绩,但是市政开支普遍紧张与增设夜景照明形成了很大的矛盾以沿海某开放城市为例,大批路灯在安装后迫于财政紧张的压力,支付不起沉重的照明电费开支,又不得不关掉近一半的灯,结果近年新装的部分路灯形同摆设,造成变相浪费。要实现路灯的节能,一方面是使用节能器件,特别是灯具和镇流器的节能化;另一方面是实现控制节能,采用节能控制技术,比如智能光
10、源降压稳压调光技术,电磁按时段换档控制方案,电磁固定降压控制方案。智能光源降压稳压调光技术。智能光源降压稳压调光技术是国际上流行的全数字智能路灯节能控制技术。它充分考虑了城市道路照明的实际状况,依据人体工程学中的视觉理论,采用现代控制论中的最优控制方法,实现了对路灯电压及照度的动态智能化管理。此项技术的基本思路就是:在繁忙的时段,控制路灯保持较强的照度,接近午夜时分,开始自动调光,在后半夜车稀人少时,则控制路灯保持较低照度的照明(类似房灯的调光器,可以随需要而任意调光)。它的主要优点就是在调光的同时也大幅降低了电耗,节约有功电耗达30以上。房灯调光已流行多年,主要是因为室内灯功率小,容易实现。
11、而道路照明则完全不同:首先,灯泡功率大,不易控制;其次,使用环境恶劣,九十年代,电力电子元件技术有了突飞猛进的发展,调光技术有了可靠的质量保障,通过一些地区的规模应用,其完美的调光效果和节电功能得到了一致认同,在德国,美国这些耗电大国,此类技术也得到了政府的大力扶持和推广。智能光源降压稳压调光技术的控制过程是:通过测取城市道路车辆及行人的“时间车辆(人)”统计规律,获取相应的照度调整率,依此来设计计算机的控制程序,根据照度调整率,从某一时刻开始,平滑地对路灯输入电压进行动态调整,使路灯输入电功率与实际照度要求达到最佳匹配,不仅节约了电能,而且稳定了电压,延长了路灯的使用寿命,达到了双重意义上的
12、节能。开灯比关灯更省钱前面提到的关灯节能方法是以牺牲城市照明和诱发犯罪率以及交通事故上升为代价的,而智能光源降压稳压一调光技术所达到的节电率高于30,由此而言,采用智能光源降压稳压调光技术,开灯比关灯更省钱。算一笔看不见的帐。我国现有的路灯70以上使用的都是高压钠灯,其设计寿命为24000小时(5年)。但是由于我国城市电网技术落后,造成线路的电压波动大大超过国际标准,许多地区的波动甚至超过额定电压的左右15,特别是在后半夜,由于电负荷减少使得电网电压有时接近245V,致使路灯灯泡的实际使用寿命平均不到一年。现在,可以算这样一笔帐:以沿海开放城市为例,路灯每年需要更换一次灯泡,更换一只灯泡所需费
13、用(含镇流器损耗、人工、车辆等)为120元,该市共有两万多只常开的路灯,则每年仅更换路灯灯泡的费用就高达两百多万元人民币,如果采用了智能光源降压稳压调光技术,路灯灯泡的使用寿命可延长一倍,仅此一项,一年就可节约开支两百多万元,加上节电30,一年可节约七百多万元电费,两项相加就有近千万元之巨。如果450万元作为先期投入,半年内所节约的费用即可回收,逐年节约的资金可以重新投入市政建设。据1999年全国道路照明专业委员会第九届年会上得到的不完全统计数字,目前国内所有城市道路照明的总灯数约300万只(套),工矿企业、车站、机场、码头、高速公路照明等非市政照明灯具约100万只(套),总数400多万只,并
14、且每年递增10以上。如果及时采用此项技术,仅从节约电费、降低灯泡损耗和人工开支三项来计算,五年时间可为国家节约近100亿元人民币,可以少建三座装机120万kW的火电站,同时节约了大批的原煤。对于全国的总耗电量而言,道路照明只占一个小小的百分数,也正因如此,它才有可能成为推动节能运动的一个突破口。从道路照明着手,花两三年时间摸索出一套符合中国国情的商业化运作模式,然后在全国各行各业全面推广。当然,这需要政府下大决心、花大力气去进行推动。电磁按时段换档控制方案。目前,市场上大部分照明节能产品,都采用传统电磁换档技术,现在的产品均是接触器换档方式。但是灯具电压随电网电压波动而波动,没有稳压功能;由于
15、耗用大量铜材和矽钢,被盗和破坏严重。电磁固定降压控制方案。具有价格便宜,寿命长的优点,只要能接受开机就降压。但是由于固定降压,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。器件的节能:在高压钠灯的工作电路中除了灯泡外,还必须按内触发高压钠灯或外触发高压钠灯分别选用相应的工作电路,如灯泡+镇流器或者灯炮+镇流器+触发器的工作电路,方可达到高压钠灯正常工作的要求外触发高压钠灯的燃点电路.电容补偿。路灯采用的光源,基本是气体放电灯,其功率因数相当低,一般在以下,从而使回路电流大,在线路上产生的损耗相当可观。城市道路照明设计标准中,要求气体放电灯应加电容补偿,补偿后功率因数应不小于0.8。
16、采用单灯分散补偿,减少了路灯电源至路灯灯具这一段线路上产生的损耗,将起到较好的节电效果,补偿后单灯功率因数将不小于。镇流器。电阻性镇流器体积小,价格便宜,与高压钠灯配套使用会发生启动困难,工作时电阻产生很高的热量,需有较大的散热空间、消耗功率很大,将会使电路总照明效率下降。它一般在直流电路中使用,百交流电路中使用灯光有明显所闪烁现象。 电容性镇流器虽然不象电阻性镇流器自身消耗功率很大,温升低,在电源频率较低时,电容器充电时,会产生脉冲峰值电流,对电极造成极大损害,灯光闪烁,影响灯泡使用寿命;在高频电路中工作,电压波动能达到理想状态,成为理想的镇流器。电感性镇流器损耗小,阻抗稳定,阻抗因素性偏差
17、小,使用寿命长,灯泡的稳定度比电阻性镇流器好,目前与高压钠灯配套使用的镇流器均为电感性镇流器。其缺点较笨重及价格偏高。另外,电子镇流器已经开始出现,目前其价格昂贵,可靠性还不能与高压钠灯相匹配,除特殊场合使用外,一般情况下很少被采用。所以,高压钠灯必须串联与灯泡规格相应的镇流器后方可使用。高压钠灯的点灯电路是一个非线性电路,功率因数较低,因此在网路上考虑接补偿电容,以提高网路的功率因数。比如环行采用气体放电灯的路灯照明系统中,除光源自身的功耗外,与气体放电灯配套的电感镇流器也要消耗一部分电能。电感镇流器的工作效率高低、节能与否,对路灯照明系统的电力消耗有一定的影响。相对于传统的电感镇流器而言,
18、环形电感镇流器,由于其采用圆环形铁芯和线圈,使环形铁芯卷片的几何形状与磁力线回路和曲线更加适应,磁路分布更趋合理,进一步改善了磁通,降低了铁损,减少了总的电力消耗。可广泛适用于高压钠灯、汞灯和金属卤化物灯。需要注意的是,这种方式仅仅是减少了镇流器的损耗,对路灯系统电耗中占主要比例的光源的电耗并没有减少。还有可变功率镇流器。可变功率镇流器,利用气体放电灯在工作电流适当减少时,仍能正常运行的原理,通过后半夜增加镇流器电抗,从而降低光源电流,减少路灯系统电耗中占主要比例的光源的电耗,达到路灯系统整体节能的目的。采用新型节能光源。高压钠灯使用时发出金白色光,它具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强
19、和不诱虫等优点。广泛应用于道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、街道交汇处、工矿企业、公园、庭院照明及植物栽培。高显色高压钠灯主要应用于体育馆、展览厅、娱乐场、百货商店和宾馆等场所照明。工作原理:当灯泡启动后,电弧管两端电极之间产生电弧,由于电弧的高温作用使管内的钠汞齐受热蒸发成为汞蒸汽和钠蒸汽,阴极发射的电在向阳极运动过程中,撞击放电物质有原子,使其获得能量产生电离激发,然后由激发态回复到稳定态;或由电离态变为激发态,再回到基戊无限循环,多余的能量以光辐射的形式释放,便产生了光。高压钠灯中放电物质蒸汽压很高,也即钠原子密度高,电子与钠原子之间碰撞次数频繁,使共振辐射谱线加宽,出现其它
20、可见光谱的辐射,因此高压钠灯的光色优于低压钠灯。 高压钠灯是一种高强度气体放电灯泡。由于气体放电灯泡的负阻特性,如果把灯泡单独接到电网中去,其工作状态是不稳定的,随着放电过程继续,它必将导致电路中电流无限上升,最后直至灯光或电路中的零、部件被过流烧毁。目前大部分路灯使用的光源为高压钠灯,光效是白炽灯的7倍、高压汞灯的2至倍。用高压钠灯取代荧光高压汞灯,照度相同,但节电;而用金属卤化灯取代荧光高压汞灯,照度降低,但节电。设计目的:主要侧重于通过控制来实现节能。研究的对象设定为一路路灯,电压220V,总电流60A,城市情况,包括电压浮动,日照时间参照XX市的情况。灯具选择高压钠灯,电压220V,电
21、流3A,功率250W,20盏;高压钠灯电感镇流器,电压220V,电流3A,250W,短路电流,功率因数,阻抗60。具体实现目标:灯在城市中起照明作用,在维护交通安全和社会治安方面作用很大。因此,要求路灯要在天黑以后彻夜长明。由于夜晚不同时间对照明的要求不同,如在10点前由于行人较多要求正常照明,而在午夜以后人流较小照度要求也要降低,同时电力系统的电压又是变化的,前半夜较低后半夜较高,电能浪费比较严重,同时还会缩短路灯的使用寿命,因此要求实现路灯的电压调控。由于全年的每日日照时间也是在变化的,同时还要考虑到天气变化等其他因素的影响,开、关灯时间也要实现控制。因此实现对路灯电压和开关时间的控制,天
22、黑亮灯,天亮熄灯,晚十点以前正常电压供电,十点以后根据电力系统电压等级降压供电,在保障正常照明要求的前提下实现路灯的节能。首先是按时开关路灯。以往的路灯开关是使用工人值班手动开关,尽管灵活但是需要职守而且可靠性不高,但是在自动控制系统中作为应急手段仍然是不可缺少的,因此选择自动开关系统,但是要预留人工接口以应对突发事件,如恶劣天气,像阴雨,大雾,沙尘等,还有日食的发生,以及故障排除,检修等。使用自动开断装置,如继电器,交流接触器等等。其次是电压的调节,主要是降压调节。可以有很多选择,如变压器(一般使用自耦变压器),电力电子器件调压。还有就是控制部分,包括对以上两部分的控制,可以用到单片机,PC
23、,DSP等等。最后就是整体的整合,参数协调。由于目前在元器件的设计上技术已经比较成熟,通过使用控制来节能相对富有活力。特别是目前电力电子技术,自动控制理论,计算机技术的成熟,使得智能光源降压稳压调光技术有了很好的发展,已经有了很多成功的例子。将三者结合来实现路灯系统控制的灵活性,可靠性和节能性,以及提高效率,减少路灯的损耗和人工成本。关于调压部分,有电力电子技术和变压器技术。电力电子产品的晶闸(见图1),IGBT等都可以实现调压。特别是PWM调压技术,分为电压型和电流型,其中主要应用的是电压型PWM整流电路(见图2)。考虑到负载是高压钠灯及其镇流器,是阻感负载。VTVTU图1 晶闸管调压电路
24、利用晶闸管的移相触发,对电网电压进行斩波调压,从而对感性照明负载(电感镇流器灯具)。而PWM就是脉冲宽度调制,就是脉冲(多数为方波)的幅度与频率不变,只是脉冲的宽度发生变化,一般用于开关电源。图2 使用IGBT的PWM半桥整流调压电路负载变压器的调压可以使用自耦变压器(如图3)来实现。对于变比的控制,可以用步进电机来实现。自耦变压器是只有一个绕组的变压器,当作为降压变压器使用时,从绕组中抽出一部分线匝作为二次绕组;当作为升压变压器使用时,外施电压只加在绕组的部分线匝上。通常把同时属于一次和二次的那部分绕组称为公共绕组,其余部分称为串联绕组,同容量的自耦变压器与普通变压器相比,不但尺寸小,而且效
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