道路照明中變壓器的晶閘管調壓方法的設計研究

0 引言

　　隨著我國經濟的迅猛發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,其電能消耗也成為城市能源消耗的一大部分。開展道路照明的節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、使用壽命長等特點被廣泛使用。在實際應用中發現，以高壓鈉燈為主的道路照明均為 全夜亮 模式，因此還有很大的節能空間。目前采用最多的是分時控制。就貴陽市而言，根據當地交通實情，可分為三時段控制——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%; 高峰期應保證足夠照度，故使高壓鈉燈工作在額定電壓的93% ，這是因為此時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。所以，采取有效的、可行的降壓穩壓手段非常關鍵。

　　傳統的調壓方式是采用自耦變壓器，通過改變匝數比將電壓降為實際電壓的93% ，88%，80% 。該方法最大問題是，電網電壓波動時無法保證高壓鈉燈的穩壓且無法精確地將電壓調至預定值。另外，切換開關較多采用有觸點開關，因此易產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，在單片機控制下精確降壓并穩壓。筆者采用串聯變壓器副邊，利用其多繞組的不同組合，靈活升高、降低負載電壓，并結合單片機檢測實時電壓以控制晶閘管，達到定時精確調壓、隨時穩壓的目的。此方法非常適合我國道路照明的實情及節能需要。

　　1 調壓原理

　　1. 1 變壓器調壓

　　在高壓鈉燈主線路中串入變壓器副邊，如圖1所示。該副邊有多個匝數不同的繞組，各繞組的空載電勢分別為E 1，E2，E 3 等。通過開關K1 ~ K12的開斷將各繞組組合，可得到不同的E ab，從而改變Eb c。如K2,K3，K5，K8，K9，K12閉和時，E ab = E2 + E3 - E1。因此只需選擇合理的控制方案，就可精確得到預定電壓。同時，由于本方案調控范圍大，精度高，故在需穩壓時也可通過K1 ~ K12的開斷來調控負載電壓。

圖1 高壓、穩壓原理

圖2 方案改進示意圖

　　另外，晶閘管具有動作迅速、無電弧等特點被廣泛作為開關應用于工業生產中。筆者所提方案中可將其代替圖1中的K1 ~ K12，利用其觸發角的可控性,靈活選擇開斷時間。

　　1. 2 控制電路設計

　　本文中控制電路需要實現電壓采樣比較，晶閘管觸發信號的產生，實時時鐘、實時電壓顯示及人機對話等功能。單片機具有運行速度快，工作電壓低，功耗低，輸入輸出直接驅動能力大，價格低，體積小等特點，因此得到廣泛應用。89C51片內的4 K 程序存儲器是FLASH 工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，而且對開發設備的要求很低，開發時間也大大縮短。寫入單片機內的程序還可以進行加密。另外，其售價比8031還低，市場供應也很充足。因此本文采用89C51作為控制芯片，完成變壓器調壓控制。

　　1. 3 主電路改進

　　1. 1中當調壓范圍擴大時副邊繞組數目增加，晶閘管的數目也隨之增加，不僅加大了控制難度，還增大了電路規模。若將原方案按圖2 改進，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關數目比圖1減少，這有利于晶閘管開關工作可靠性提高。

　　2 副邊電勢的確定

　　變壓器副邊繞組個數、匝數等應根據具體情況而定。一般情況下，三個典型數值是必需的，即E 1 =1 V，E2 = 3 V，E3 = 9 V。通過晶閘管的組合可組成±1 V~ ± 13 V 精度為± 1 V共25檔補償電壓。若再增加一個20 V 繞組，則可將調壓范圍擴大。因此在理論上，本文方案可將調壓范圍擴大至無窮。

　　3 實例分析

　　把本文所提方案應用于蔡關線——工學院道路照明系統。取A相為實驗相，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 節能模式及其工作電壓時

　　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。依據時間及具體交通狀況，按時間分為四個模式: 啟動、正常、高峰及節能模式。對應各模式的調壓穩壓范圍如表1所示。2010年4月1日- 4月3日測量參數如表2所示。表2表明，采用本文所提方案后可明顯降低能耗，同時由于電網電壓波動使未采取措施的路燈耗能浮動較大。

　表2 4月1日-4月3日耗電量

　　4 小結

　　本文所提調壓穩壓方法具有精度高、調節范圍寬、可頻繁動作且不易產生電弧等優點。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壓空間的場合。但是，LED 照明不在本文討論范圍，因此讀者可參閱其他相關文獻。