照明节电器系统主电路设计与分析.docx
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照明节电器系统主电路设计与分析
照明节电器系统主电路设计与分析
摘要
本设计主要研究照明节电器电气系统主电路设计与分析,详尽论述节电器主电路系统的工作原理和设计方法。
首先介绍节电器产生的背景,几种不同节电器的优缺点比较,智能节电器的产生及其应用场合。
然后阐述本节电器系统的工作原理及工艺要求,特殊补偿变压器的结构、接线形式,描述控制盒A和控制盒B的工作原理。
最后重点研究本设计的核心部分——系统主电路设计,对补偿变压器和交流电力电子开关作理论分析和参数计算。
本设计的结果应用于辽宁智远节能科技有限公司照明节电器生产,其产品已通过省级技术鉴定,被辽宁省节能产品认定与推广评审委员会认定为辽宁省节能产品,并列入辽宁省政府产品采购目录,目前已正式生产。
关键词:
照明节电,补偿变压器,双向晶闸管
Saverelectricallightingsystemdesignandanalysisofthemaincircuit
Abstract
ThemajorresearchdesignSaverelectricallightingsystemdesignandanalysisofthemaincircuit,includingthemaincircuitSaverworkingprincipleandthemaincircuitdesign.
FirstintroducedintheintroductionthebackgroundSaver,Saverthreedifferentcomparativeadvantagesanddisadvantages.ItsApplicationSaveroccasions.Saversystemfollowedinthemainworkingprincipleofthesystemonpower-savingprincipleSaver,specialtransformerwiring,structure,andthetechnologicalrequirements.SimpledescriptionofthecontrolandcontrolboxAboxBworks.Finally,thisisthecoreofthedesign-thedesignofmaincircuit:
Inthischapterismainlyaboutthedesignoftransformersandtwo-waythyristorchoice.
Thedesignofthebeneficialeffectsyes,rightlightingsystemforeffectiveconservationpower,whileextendingthelifeofthelamp,improvingthelightingsystemstability,ithasbeenoptimized.
Keywords:
LightingPower,Transformers,Thyristor
1绪论
1.1节电意义及产品背景
我国照明所消耗的电能约占电力总消耗量的1/6,因此提高照明产品的能效水平,无疑将较大幅度降低能源。
我国目前的电力供应缺口已达9.93%,预计到2010年会剧增至15%,而电能利用效率低下是导致“电荒”的重要原因之一。
随着国民经济的高速发展,电力作为一种清洁、方便的二次能源,供求矛盾日趋紧张,许多地方都采取了拉闸、限电的措施。
节能公司为了解决这种矛盾,照明节电器应运而生,并在一定程度上缓解了局部供电的紧张态势,为降低日趋高涨的电费支出起到了一定的积极作用。
中国能源研究会就我国能源消耗列举过一组数据:
我国的能源利用效率目前仅为34%,比发达国家落后20年,相差10个百分点,因此造成的浪费相当于2.3个三峡电站的发电量。
在这种情况下,提高电能效率迫在眉睫。
经济的发展,国际化城市化进程的加快,能源的日趋紧张,国家“中国绿色照明工程”,以及相关的“节约能源”法律法规政策的出台,工业、商业企业开始认识到“未被控制的电费”成本的重要,使节电公司看到了希望和出路,不断投入,研发自己的节能产品,SCR照明节能控制产品得到较好的发展。
2001年后,有许多资金寻找出路,也成立公司,加入节能行业,使节能正成为产业化方向发展。
中国早期的照明节电器产品,起源于90年代初,主要是借鉴和仿制美国、日本的晶闸管SCR相控技术生产。
在90年代中期,当时以SCR为代表的电力电子技术,软件控制技术,移相触发控制理论得到迅速发展,从而带动了电机动态节能,电机软启动保护,灯光照明节能保护设备与技术的发展,在中国经济高速发展的南方,崛起了一批高科技节能公司。
近年来北方也有很多照明节电公司相继成立,辽宁智远科技有限公司就是其中一家。
本文所研究的便是辽宁智远节能科技公司生产制造的节电器主电路设计。
1.2工作电压与灯具寿命、功率、亮度关系
依据日本照明协会的统计分析,工作电压与灯具寿命、灯具功率、灯具亮度关系图如下:
灯具寿命与工作电压成反比,高压是导致灯具寿命缩短的主要原因。
额定电压时灯具寿命为9千小时,若电压降低5%,灯具寿命延长8千小时,若电压升高10%,灯具寿命缩短6千小时。
图1.1灯具寿命与电压关系
灯具功率与电压平方成正比。
若电压降低5%,实际功率是额定功率的90%,若电压升高10%,实际功率是额定功率的119%。
图1.2单支灯功率与电压的关系
灯具启动后,亮度与电压在一定范围内变化不大。
若电压下降5%,亮度下降1.7%,若电压上升10%,亮度上升3%,该亮度的变化用肉眼是难以觉察的。
图1.3光通量与电压的关系
通过上述可知适当的降低电压不但不能对人类的工作造成影响,而且还能达到节能省电、延长灯具寿命的双重目的。
1.3同类节电器比较
1.3.1节电器分类
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。
其工作原理可为三类:
1.晶闸管移相式照明节能装置
晶闸管移相式照明节能装置的工作原理是通过控制晶闸管(晶闸管)的导通角,将电网输入的正弦波电压斩掉一部分,从而降低了输出电压的平均值,达到调压节电的目的。
2.自耦降压式调控装置
自耦降压式调控装置是目前市场上最多的照明节电产品。
其原理是,通过一个自耦变压器机芯,根据输入电压高低情况,接连不同的固定变压器抽头,将电网电压降低5、10、15、20V等几个档,从而达到降压节电的目的。
3.智能电感式照明节电器
通过控制电路发出对双向晶闸管的控制即触发双向晶闸管的门极电压,通过两台特殊的变压器,根据输入电压高低情况,接连不同的固定变压器抽头,将电网电压降低或升高4、8、12、28V等几个档。
1.3.2节电器比较
1.晶闸管移相式照明节能装置优缺点
优点:
电压调节速度快,精度高,可分时段实时调整,有稳压作用,因为主要是电子原件,相对来说体积小、设备轻、成本低。
缺点:
电压无法实现正弦波输出,有谐波污染。
2.自耦降压式调控装置的优缺点
优点:
实现了电压的正弦波输出,结构和功能都很简单,当然可靠性也比较高。
缺点:
功率大、耗能高、控制不方便、故障率高、对光电源没有保护作用、节电率不是最佳状态。
3.智能电感照明节电器的优缺点
优点:
能做到电压正弦波输出。
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。
缺点:
智能电感体积大,成本略高。
经过实验和长期的使用证明,智能电感照明节电器运行稳定,在不影响原设备正常工作前提下发挥节电功能,并对原设备能起到保护作用,延长原设备的使用寿命。
现在主要应用在以下场合。
• 商场、超市综合负载照明节能与设备保护。
• 学校、医院、办公写字楼,政府办公场所照明节能与设备保护。
• 港口码头、集装箱堆场、物流中心、车站、加油站照明节能与设备保护。
• 工厂、车间照明节能与设备保护。
• 高速公路、隧道照明节能与保护。
• 广场、机场照明节能与保护。
• 地下车库24小时自适应照明节能与灯具保护。
• 大型路边、房顶广告牌的自适应照明节能保护。
2智能节电器电气系统原理
2.1系统工作原理
图2.1是系统原理框图。
其工作过程如下:
图2.1系统原理框图
当照明节电器开始工作时,电路通过输入、输出检测(采样)环节获取当时的输入、输出电压。
经检测控制电路与基准电压进行比较判断,进入自动控制电路,然后输出控制信号。
控制信号经AC-AC转换器控制调压电路进行有极调压,使补偿电路产生大小不同的补偿电压,达到降低和稳定输出电压的目的。
输入电压显示。
在系统刚进入起动的情况下,照明系统投入第一档运行,不降低压值,以适应特殊用电设备全压启动。
自动延时一段时间后,投入自动运行。
如果电网电压偏高,则自动升一档运行;如果电网电压偏低,则自动升一档运行。
输出电压显示就是显示出当时的电网电压值。
输入电流显示。
每台照明控制器都有其额定工作电流,电流过大会使控制器寿命减少。
所以,一旦监测到负载电流超过了额定值,控制器就会向中央监控发出相应的报警信号。
输出电流显示就是照明控制器的工作电流。
状态显示。
状态显示就是输入、输出检测通过控制电路反应出当时节电器的工作状态,运行的档位。
2.2主电路
智能节电器系统原理电路图见附录A。
2.2.1主电路的结构与连接
三根电源母线A、B、C为三相交流电火线,N为零线。
A、B、C、N通过输入端子DW1与输入开关QF2相连,此时三根母线为A1、B1、C1,A1接QF2的1端,在B1接3端,C1接5端。
这三根母线分别接入3台相同的特殊变压器(B-1、2、3、4)(其中12V与16V特殊变压气为一台)然后通过变压器控制输出,三根母线接入输出开关QF3的1、3、5端,由2、4、6端输出。
A1、B1、C1三根母线与旁路开关QF1连接,并联在主电路两端,也就是QF1的2、4、6端通过DW3分别接在QF3的2、4、6端,再接输出端子DW2输出。
当监控单元检测到下列异常信号(如:
供电电压低于控制系统设定的最低电压;控制系统检测到电路中电流超过设定电流或低于设定的最小电流;检测到电路中出现零序电流越限)之一时,系统自动由正常节电状态进入旁路状态或当控制器出现故障必须拆除时合上旁路开关,以至于不影响正常供电。
输出的三根母线为A13、B13、C13。
该照明控制系统可以工作在旁路模式和省电模式。
当系统检测到接触器线路故障时,自动切换到旁路模式供电。
旁路模式下,交流电不经过控制器和自耦变压器而直接对照明进行供电。
2.2.2系统的工艺要求
关于变压器换档运行的电路图见图2-2。
图2.2
参照图2-2系统的工艺要求如下:
1.当SSR1A、SSR5A导通时,相当于T12、T16两台变压器同时处于断路状态,没有进行降压调试,电路处于稳定状态。
即UA=UT12=UT16=220V。
2、当电源电压超出额定电压2~6V时变压器采取降压动作,SSR7A导通时(此时是有一定延时),电流通过释放电阻R1进行释放延时,SSR1A、SSR5A截止,SSR2A、SSR5A导通,然后SSR7A导通。
进入变压器降4V挡电压动作。
此时变压比为220V/4V。
3、当电源电压超出额定电压6~10V时变压器采取降压动作,SSR7A导通(此时是有一定延时),电流通过释放电阻R1进行释放延时,SSR2A、SSR5A截止,SSR3A、SSR5A导通,然后SSR7A截止。
进入变压器降8V挡电压动作。
此时变压比为220V/8V。
4、当电源电压超出额定电压10~14V时变压器采取降压动作,SSR7A导通(此时是有一定延时),电流通过释放电阻R1进行释放延时,SSR3A、SSR5A截止,SSR4A、SSR5A导通,然后SSR7A截止。
进入变压器降12V挡电压动作。
此时变压比为220V/12V。
5、当电源电压超出额定电压14~18V时,此时变压器T16开始参与降压,首先是SSR8A导通(加入SSR8A的主要作用就是为了当切换到T16变压器动作时也能够由释放电阻R1进行释放一部分电压,这样一来可以让节电器中T16不因电压过高引起线圈过热烧坏变压器,返修率降低,延长节电器的使用寿命),原理同SSR7A导通一样,让R1释放一部分电能,然后使SSR1A、SSR6A导通,再断开SSR8A,T16开始进行降压。
此时变压比为220V/16V。
6、当电源电压超出额定电压18~22V时,此时SSR8A导通,SSR1A、SSR6A截止,SSR2A、SSR6A导通,SSR8A再截止,变压器进行降16V+4V电压。
此时变压比为220V/20V。
7、当电源电压超出额定电压22~26V时,SSR8A先截止,SSR2A、SSR6A截止,SSR3A、SSR6A导通,SSR8A截止,变压器进行降16V+8V电压。
此时变压比为220V/24V。
8、当电源电压超出额定电压26~30V时,SSR8A导通,SSR3A、SSR6A截止,SSR4A、SSR6A导通,SSR8A再截止,变压器进行降16V+12V电压,此时是节电器最大降压值。
变压比为220V/28V。
综上所述设电网电压为240V,根据工艺要求变压器在不同的档位工作时对应的副边的电压值分别为0V、4V、8V、12V、16V、20V、24V、28V。
辽宁智远节能科技公司所生产的节电器就是通过降低电网电压达到节能省电的目的。
已知负载功率P=UI,而I=U/R,P=
/R。
当负载R不变时,功率与电压的平方成正比。
所以降低电压U可达到节能省电的目的。
照明节电器的构成主要分为三大部分:
1、补偿变压器B起到改变一、二次侧交流电压和隔离的作用,即将一次侧的可变电压耦合到二次侧形成△U,并与输入电压Ui叠加,来调整输出电压U0的大小。
2、单相固态正弦波电压调整器在控制信号的作用下,产生与交流电网同步的正弦波补偿电压,并将此电压提供给补偿变压器B。
3、单片机控制、保护电路单片机按照预先设计好的运行模式来控制照明节电器的正常运行;在线检测外部输入、输出的相关信号(电压、电流、功率、元器件温度等),在异常状态下进行安全保护。
输入电压Ui、输出电压U0和补偿电压△U三者的向量关系如下:
Ui=△U+U0
理论上,当改变△U的大小和方向时,就可以调整U0的大小。
由于照明节电器在节能运行时,输出电压U0的值总是低于输入电压Ui的值(降压型输出),△U的值只要作大小的改变即可。
即U0=Ui-△U
通过改变电压补偿变压器B的一次电压及其与控制电路的配合,一开始全压启动照明光源,经过一定时间(一般为15min)延时后,输出电压U0缓慢地由初始电压U0l下降到一定值U02(预先在控制软件中设置好)后进入到节能运行的模式。
由稳压电路控制调档继电器在电压波动时调档稳压根据电工基本原理P=U2/R,设灯光上施加的电压为U,灯光的阻抗为简单比喻起见设为阻性的电阻R,那么它在电压U下所消耗的功率为P,若适当降低电压到U1值,则这时消耗的功率P1将随电压的平方关系下降。
而P1小于原有电压U时所消耗的功率P,其有功节电率可表示为:
ε%=(1-U12/U2)×100%
当电压从额定下降到90%时,功耗会下降至近80%,从而达到节能的效果。
2.4控制电路
2.4.1控制盒A的工作原理
控制盒A电路原理图见附录B。
照明负载开始工作时,控制盒A由采样电路获取当时输入电压与输出电压,经检测控制电路与基准电压进行比较判断,然后输出控制信号给控制盒B。
POWER为开关电源,它向控制盒A提供+5V、-5V、+12V电压,向控制盒B提供+5V、+12V电压。
2.4.2控制盒B的工作原理
控制盒B的电路原理图见附录C。
控制盒B接到升压或降压的信号对应的引脚信号通过隔离、驱动、放大,就发出对双向晶闸管的控制即触发双向晶闸管的门极电压,达到调档的需要。
关于各控制盒的详细设计内容可参考相关的设计报告。
本报告主要完成该节电器的主电路系统设计。
3主电路设计
3.1变压器设计
3.1.1变压器的参数选择
变压器的基本结构见图3.1。
图3.1变压器的基本结构
节电器中有两台变压器,第一台变压器(T12)有三对绕组,每对绕组共有6个端子,原边4个、副边2个。
三相的工作原理是一样的,以T12A为例。
第二台变压器(T16)有三对绕组每对绕组共有四个端子,原边2个,副边2个。
三相的工作原理是一样的,以(T16A)为例。
由于电网电压的波动范围是220V×±5%,上限电压是231V,取240V。
T12A的参数选择:
设电网电压为240V、N12=1匝
当SSR2A、SSR4A管子导通时,即U36=240V,U12=4V
此时N36=N34+N45+N56=240/4=60匝。
变比Ki=60。
当SSR1A、SSR4A管子导通时:
即U46=240V,U12=8V
此时N45+N56=240/8=30匝。
变比Ki=30。
当SSR3A、SSR4A管子导通时:
即U56=240V,U12=12V
此时N56=240/12=20匝。
变比Ki=20。
由以上可得N34=30匝,N45=10匝,N56=20匝。
根据变压器理论可得:
当U36=240V时,有U12=240×1/60=4V、U46=4×30/1=120V、
U56=4×20/1=80V。
当U46=240V时有U12=240×1/30=8V、U56=8×20/1=160V、
U36=8×60/1=480V。
当U56=240V时有U12=240×1/20=12V、U36=12×60/1=720V、
U46=12×30/1=360V。
T16A的参数选择
设电网电压为240V、N12′=1匝
当U78=240V时U12′=16v,N78=240/16=15匝。
变比Ki=15。
3.2双向晶闸管的选择
3.2.1双向晶闸管的工作原理
双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的,它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管,而且仅需一个触发电路,是目前比较理想的交流开关器件双向可硅可被认为是一对反并联连接的普通晶闸管的集成,工作原理与普通单向晶闸管相同。
图3.2为双向晶闸管的基本结构,它有两个主电极T1和T2,一个门极G,门极使器件在主电极的正反个方向均可触发导通,所以双向晶闸管在第1和第3象限有对称的伏安特性。
双向晶闸管门极加正、负触发脉冲都能使管子触发导通,因此有四种触发方式。
图3.2双向晶闸管基本结构
3.2.2双向晶闸管选择方法
1、耐压级别的选择:
通常把VDRM(断态重复峰值电压)和VRRM(反向重复峰值电压)中较小的值标作该器件的额定电压。
选用时,额定电压应为正常工作峰值电压的2~3倍,作为允许的操作过电压裕量。
2、电流的确定:
由于双向晶闸管通常用在交流电路中,因此不用平均值而用有效值来表示它的额定电流值。
由于晶闸管的过载能力比一般电磁器件小,因而一般家电中选用晶闸管的电流值为实际工作电流值的2~3倍。
同时,晶闸管承受断态重复峰值电压VDRM和反向重复峰值电压VRRM时的峰值电流应小于器件规定的IDRM和IRRM。
3、通态(峰值)电压VTM的选择:
它是晶闸管通以规定倍数额定电流时的瞬态峰值压降。
为减少晶闸管的热损耗,应尽可能选择VTM小的晶闸管。
4、维持电流:
IH是维持晶闸管维持通态所必需的最小主电流,它与结温有关,结温越高,则IH越小。
5、电压上升率的抵制:
dv/dt指的是在关断状态下电压的上升斜率,这是防止误触发的一个关键参数。
此值超限将可能导致晶闸管出现误导通的现象。
由于晶闸管的制造工艺决定了A2与G之间会存在寄生电容,如图2所示。
我们知道dv/dt的变化在电容的两端会出现等效电流,这个电流就会成为Ig,也就是出现了触发电流,导致误触发。
3.2.3节电器中双向晶闸管参数选择
1.各双向晶闸管的耐压选择
在变压器参数选择中可知:
各段绕组的最高耐压为
U36有240V、480V、720V。
取720V
U46有120V、240V、360V。
取360V
U56有80V、160V、240V。
取240V
参照图2-2确定各双向晶闸管的最高耐压
据电压公式UTN≧(2~3)UTM选择
本设计中双向晶闸管耐压按2倍的峰值电压选取的。
SSR1A两端的最高压为U36两端的最高电压720V。
耐压为2×
×720V=2036.16V。
SSR7A两端的最高电压为U36两端的最高电压减去T16A变压器原边的最低电压0V为720V。
耐压为2×
×720V=2036.16V。
SSR6A两端的最高电压为电网输入端到零线N的最高电压减去T16A变压器原边的最低电压为240V-0V=240V。
耐压为2×
×240=678.72V。
SSR2A两端的最高电压为电网输入端到零线N的最高电压减去SSR7A两端的最高电压和T16A变压器原边的最低电压为720-240-0=480V。
耐压为2×
×480=1357.44V。
SSR3A两端的最高电压为电网输入端的电压与U46两端的最高电压之差为360-240=120V。
耐压为2×
×120=339.36V。
SSR4A两端的最高电压为电网输入端的电压与U56两端的最低电压之差为240-80=160V。
耐压为2×
×160=452.48。
SSR5A两端的最高耐压为U78两端的最高电压为240V。
耐压为2×
×240=678.72。
归纳各双向晶闸管的最高耐压选择如下:
SSR1A为2036.16V取2000V。
SSR2A为1357.44V取1600V。
SSR3A为339.36V取400V。
SSR4A为452.48取400V。
SSR5A为678.72取600V。
SSR6A为678.72。
取600V
SSR7A为2036.16V。
取2000V
2.双向晶闸管的电流的选择:
双向晶闸管电流按2倍有效值选取的。
设变压器副边电流为300A即I12=300A,Issr=I12/Ki
Issr1A=Issr2A=Issr7A=2×300/60=10A
Issr3A=2×300/30=20A
Issr4A=2×300/15=40A
Issr5A=Issr6A=2×300/15=80A
不同容量变压器参数的选择见附录D
3.3开关的选择
3.3.1空气开关的选择
输入开关(QF2)见系统电路原理图(A-1),输出开关(QF3)见系统电路原理图(C-2),旁路开关(QF1)见系统电路原理图(C-1).这三个开关均为空气开关,它们的型号、功能均一样。
当设备正在运行时如果要合旁路开关应先打开控制开关,否则变压器副边短路di/dt电流变化率大原边产生高压即原边电压为无穷大晶闸管被烧坏。
待控制开关打开后合上旁路开关,最后打开输入输出开关。
自动空气开关也称低压断路器,可以用来接通和分断负载电路,也可以用来不频繁启动电动机。
它的功能相当于闸刀开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等部分或全部功能的总和,是低压电网中的一种重要的保护电器。
自动空气开关具有多种保护功能(过载、断路、欠电压保护)、动作值可调、分断能力高、操作
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