體育館智能照明控制系統(tǒng)研究

摘 要:研究的是一種適用于體育館智能照明的控制系統(tǒng)，在綜合考慮幾種節(jié)能方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種全新的控制器，可以完成電壓預(yù)測(cè)和提前調(diào)節(jié)照度等功能。分別從背景、方案論證、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行說明，對(duì)于控制電路的核心二進(jìn)制調(diào)壓器作了十分詳細(xì)的解釋說明。通過研究證明了此種照明控制方式的實(shí)時(shí)性、可靠性，能夠滿足體育場館照明系統(tǒng)的節(jié)能控制要求。

關(guān)鍵詞:智能照明;超前調(diào)節(jié);電壓預(yù)測(cè);照度

中圖分類號(hào):TP

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-3198(2010)09-0335-02

1 背景

隨著我國體育事業(yè)的蓬勃發(fā)展，全國各地每年都要新建和改造大量的體育建筑，并在其中大量應(yīng)用智能照明系統(tǒng)。它是根據(jù)某一區(qū)域的功能、每天不同的時(shí)間、館內(nèi)外光亮度或該區(qū)域的用途來自控制照明。其中最重要的一點(diǎn)就是可進(jìn)行預(yù)設(shè)，即具有將照明亮度轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗性O(shè)置的功能?？捎烧{(diào)光器系統(tǒng)或中央建筑控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用智能照明系統(tǒng)。智能照明系統(tǒng)在體育建筑中具有重要的地位，可以比喻為體育建筑中的照明控制的“中樞神經(jīng)”系統(tǒng)。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 照明光源的選擇

高壓鈉燈可以進(jìn)行調(diào)光，只要采用合適的措施保證燈在交流的每半個(gè)周期能重復(fù)點(diǎn)火，高壓鈉燈的光輸出就可以調(diào)低至正常值的10%。通常是調(diào)到正常值的一半。這時(shí)，系統(tǒng)的功耗減少到正常值的65%。所以，針對(duì)場館照明的特點(diǎn)和要求，在本研究中采用的燈具為高壓鈉燈。

2.2 控制設(shè)備的選擇

目前國內(nèi)照明節(jié)能主要的途徑有兩種。一是采用高效的節(jié)能型光源，也就是使用發(fā)光效率高的燈泡或燈管，二是在現(xiàn)有照明系統(tǒng)上加裝節(jié)能控制設(shè)備。從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，第一種方案適用于新設(shè)計(jì)的照明回路。對(duì)于已有的照明系統(tǒng)，因需更換所有燈具，初期投入資金和人力比較大，在不能分批分次更新燈具的照明場所，這樣做一次性投入太大。對(duì)現(xiàn)有照明系統(tǒng)的節(jié)能改造，一般采用加裝節(jié)能設(shè)備較為經(jīng)濟(jì)和實(shí)用。目前國內(nèi)銷售的照明節(jié)能設(shè)備很多，其中照明控制調(diào)控裝置所占比例最大。從工作原理上大致分為可控硅斬波型照明節(jié)能裝置、自耦降壓式調(diào)控裝置和智能照明節(jié)電器。

智能照明調(diào)控裝置采用微電腦控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集輸出、輸入電壓信號(hào)與最佳照明電壓比較，通過計(jì)算進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而保證輸出最佳的照明系統(tǒng)工作電壓。這類照明節(jié)電產(chǎn)品成本略高于前兩種，可實(shí)現(xiàn)智能照明調(diào)控、有效保護(hù)電光源、降低電能消耗的功能，使用的經(jīng)濟(jì)性和可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于前兩種產(chǎn)品，是目前國際上比較成熟的照明控制解決方案。

3 總體方案

由于高壓鈉燈傳遞函數(shù)具有慣性特性，基于這一特點(diǎn)可以對(duì)電壓波動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。使得調(diào)壓控制有了提前量，既能減少電壓波動(dòng)對(duì)燈具的影響，又達(dá)到節(jié)能目標(biāo)?？刂破鰿PU選擇為51單片機(jī)。調(diào)壓部分選擇自耦變壓器進(jìn)行二進(jìn)制調(diào)壓。調(diào)壓范圍為0-30V，調(diào)壓最小幅度為2V。由單片機(jī)控制晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷來選擇是否接入自耦變壓器。出于對(duì)電網(wǎng)無功的考慮，還需進(jìn)行功率因數(shù)的補(bǔ)償。由電壓電流采樣值計(jì)算功率因數(shù)，單片機(jī)決定是否投入補(bǔ)償電容。以下是系統(tǒng)工作框圖1。

控制器的核心部分是采樣調(diào)壓電路。它采用二進(jìn)制調(diào)壓方式，由自耦變壓器和晶閘管組成。晶閘管組相當(dāng)于矩陣式開關(guān)。單片機(jī)通過計(jì)算判定接通哪幾個(gè)晶閘管來控制自耦變壓器的接入，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能。以下是采樣調(diào)壓部分工作框圖2:

圖2 調(diào)壓部分框圖

4 調(diào)壓電路設(shè)計(jì)

控制電路的核心是二進(jìn)制調(diào)壓器，這是穩(wěn)壓和節(jié)能的主要功能部件，包含三個(gè)三相變壓器。變壓器原邊額定電壓相等，均為240V，副邊額定電壓按2的整數(shù)倍遞增，分別為2V、4V、8V、16V，因此又叫做二進(jìn)制變壓器組，該穩(wěn)壓器也叫做二進(jìn)制穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓器的副邊串聯(lián)在負(fù)載中，對(duì)電網(wǎng)電壓起補(bǔ)償作用，當(dāng)電網(wǎng)電壓大于穩(wěn)壓值或小于穩(wěn)壓值時(shí)，控制器根據(jù)偏離穩(wěn)壓值的大小，決定該投入的變壓器組合。例如，穩(wěn)壓值為220V，當(dāng)電源電壓為234V時(shí)，控制器檢測(cè)到輸出電壓升高，然后通過控制繼電器的關(guān)斷、導(dǎo)通，改變接觸器開關(guān)，接觸器控制著變壓器的工作或者短路，此時(shí)讓2V、4V、8V變壓器投入，剛好可以調(diào)整輸出值到220V。

考慮到一個(gè)十進(jìn)制數(shù)總可以用有限位二進(jìn)制表示，如:

10=8+2=(1010)2

15=8+4+2+1=(1111)2

28=16+8+4=(11100)2

這樣，如果有副邊額定電壓為20、21…的變壓器可供選擇投入，那么對(duì)所有的電網(wǎng)電壓Ui，都能投入相應(yīng)的變壓器，使輸出U0不變。投入的變壓器選擇原則是將Ui、U0的偏差轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制，1所代表的就是投入相應(yīng)的變壓器。主電路(單相)電路圖如圖3所示:

圖3 調(diào)壓器主電路

工作原理為:

U0=Ui=S0(S1×2+S2×4+S3×8+S4×16)

其中，Si(i=1，2，3，4)=1，0。當(dāng)Ui≥U0時(shí)，Kn閉合，Km常開，S0=1;當(dāng)時(shí)，Km閉合，Kn常開，S0=-1。1表示導(dǎo)通，0表示斷開。

為了吸收晶閘管動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)能量和短暫的電壓沖擊，在每一相反并聯(lián)的晶閘管上并聯(lián)上緩沖電路，緩沖電

路由電阻和電容串聯(lián)組成，緩沖電路同時(shí)能夠減小晶閘管

器件的電壓上升率dV/dt，從而防止誤觸發(fā)及保護(hù)晶閘管不被損壞。

晶閘管組K1、K5控制2V變壓器的投入，K2、K6控制4V變壓器，K3、K7控制8V變壓器，K4、K8控制16V變壓器。取1表示投入，取0表示短接。如當(dāng)Ui高于額定電壓U0時(shí)，各系數(shù)的取值和晶閘管狀態(tài)如表1。

表1 Ui≥U0時(shí)觸發(fā)狀態(tài)表S0=1

調(diào)整電壓S1S2S3S4KmKnK1K2K3K4K5K6K7K

由表1可知:

(1)穩(wěn)壓系統(tǒng)可調(diào)電壓2V、4V、6V、8V、10V、12V、14V、16V、18V、20V、22V、24V、26V、28V、30V，允許電網(wǎng)電壓為:220±30V，變化幅度為額定電壓的13.6%，完全可以適應(yīng)低壓照明系統(tǒng)的電壓變化。

(2)最大偏差2V，小于額定電壓的1%，精度高。

(3)電壓調(diào)節(jié)不是連續(xù)調(diào)節(jié)，是在電壓變化達(dá)到一定幅度時(shí)才動(dòng)作

(4)晶閘管的閉合、打開，由單片機(jī)直接控制，因此控制準(zhǔn)確，可靠性非常高。

參考文獻(xiàn)

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