CN100546423C - 照明电源智能节电装置 - Google Patents

Abstract

一种照明电源智能节电装置，包括变压器、电流检测电路、电压检测电路、档位调节电路和控制器；变压器的输入和输出分别与电源和负载连接，具有多个档位，每个档位具有不同的输出电压；电流检测电路和电压检测电路分别连接电源和负载，对电源和负载的输入电流和电压进行检测；档位调节电路与变压器和控制器连接，控制器还分别与所述的变压器、电流检测电路和电压检测电路连接，控制器根据对电流和电压的检测结果，通过所述的档位调节电路调节变压器的档位，动态调节输出到负载的电压。本发明能自动提供适当的电压进行智能节电，使节电装置处于最佳的节电状态，延长灯具的使用寿命，并可实现自动旁路的功能。

Description

照明电源智能节电装置

技术领域

本发明涉及节电技术领域，尤其涉及一种对照明灯具提供智能节电控制的智能节电装置。

背景技术

随着社会的发展，城市照明的电能消耗和灯具损耗越来越大，照明节能降耗将越来越受到广泛重视。在电力供应部门的电能输送过程中，供电局为避免送电过程中电压损耗和用电高峰时造成末端用户电压过低，一般都采用提高输送电压的方法，因此用户实际上承受的电压往往会高于设备的额定电压，这些超额的电压不仅不能让负载更有效率的工作，反而导致用电浪费，降低照明设备的使用寿命。

气体放电类灯，如日光灯、汞灯、钠灯等，被广泛应用于商场、学校、工厂等公共场所，以及作为路灯等使用。由于气体放电类灯只有在启辉时需要高电压，正常工作时并不需要高电压，而现有技术只能给各类气体放电灯提供一个恒定的电压，因而会造成较大的电损耗。如果能够只在启辉时供给较高电压，而在正常工作时供给较低的电压，即可起到节电的效果。

目前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。

现有的节能控制设备有些采用可控硅斩波照明节能装置，采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管(可控硅)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，达到控压节电的目的。这种方法由于采用了相控技术，会产生较多的谐波，造成电网污染，干扰其它设备(如商场中的收银机)的正常运行，不能适应用户的需求。

现有技术还有的采用自耦降压式调控装置进行节电，它的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，选择将电网电压降低5、10、15、20V等几个档中的某一档，从而达到降压节电的目的。这种节电装置克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，结构和功能都很简单。但是一旦接线端固定，降低电压就是固定值，如降低5V，不能灵活地自动在各档位之间进行调整。当电网电压波动时，调控装置的输出电压也会上下波动，这样照明的工作电压处在不稳定波动状态，无法起到对电光源的保护作用。当电网电压高时，节电率不是最佳状态；而电网电压低时，可能出现欠压现象，造成灯具无法正常点亮，反而降低灯具寿命。

同时，现有的节电设备一旦自身发生故障(如发生短路时)，会造成断路器断开，无法正常供电，必须人工把电路转换为不用节电装置供电，造成用户的不便，特别是当使用汞灯和钠灯时，一旦断电熄灭，必须冷却5至10分钟才能再启动，在某些环境下这是无法接受的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有的节电设备会产生谐波污染、节电效果差、以及节电装置本身发生故障时会导致断电等的不足，提供一种照明电源智能节电装置，能自动提供适当的电压进行智能节电，延长灯具的使用寿命，并实现自动旁路的功能。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

这种照明电源智能节电装置，包括变压器、电流检测电路、电压检测电路、档位调节电路和控制器；变压器的输入和输出端分别与电源和负载连接，具有多个档位，每个档位具有不同的输出电压；电流检测电路和电压检测电路分别连接电源和负载，对电源和负载的输入电流和电压进行检测；档位调节电路与变压器和控制器连接，控制器还分别与所述的变压器、电流检测电路和电压检测电路连接，控制器根据对电流和电压的检测结果，通过所述的档位调节电路调节变压器的档位，动态调节输出到负载的电压。

所述的变压器采用零线端多档抽头的自耦变压器。所述的节电装置还包括一旁路电路，该旁路电路分别与电源、负载和所述的控制器连接，由控制器控制在电流过小、电流过大、零序电流过大或输入供电电压过低时进行旁通，使电源与负载直接连通。所述的控制器在负载起动时，控制旁路电路接通，使负载进行全压启动，并在控制器内设有延时电路，延时一段时间使灯光预热后，控制器使旁路电路关闭，并控制变压器选择合适的档位进行电压调节。

所述的控制器上直接或通过网络连接有控制终端，自动根据所述的电压检测电路检测到的供电电压，与通过控制终端所设置的不同档位的电压范围的上、下限进行比较，根据比较结果控制所述的档位调节电路进行变压器的档位调整，当前电压超过某一上限值时，档位调整到高一级的节电档，当前电压低于某一下限值时，档位调整到低一级的节电档；或者根据所述的控制终端上设置的不同时间段所对应的档位，自动在不同的时间段通过控制器控制所述的档位调节电路调整变压器到相应的档位。

所述的档位调节电路由若干个继电器组合而成，根据控制器的控制，选择相应档位的电路进行接通。

本发明的有益效果为：本发明利用计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、微电子技术及节能控制技术，实现于同一应用场合，可根据环境变化、客观要求、用户预定需求等条件而自动采集系统中的各种信息，并可对所采集的信息进行相应的逻辑分析、判断，并对结果按特定的形式进行存储、显示、传输以及反馈控制等处理以达到最佳的照明效果。

控制器实时检测电源进线电压的变化，实时地控制继电器的闭合与断开，从而实时地、经济性改变电压，优化供电参数，自动改善线路中不平衡负荷所带来的额外功耗，同时，控制器的控制模式智能地实现设备的节电控制、安全运行、保护功能、电力监控及远程通信。

本发明控制电路本身具备开机时对负载进行全压启动、自动外部旁通的方式，以确保灯光设备的可靠开启，并经延时电路的延时设定，使灯光具有一定的时间预热后，系统自动过渡到节电装置的节电状态。当输入供电电压低于本机设定值时，电路自动进入旁通状态，以确保负载灯光的正常工作，当供电电路电压回升到正常时，系统自动判断并立即进入节电状态。

本发明自耦变压器调压采用零线调压技术，换档时无断电现象，切换电流小，使得变压器运行更可靠、更经济，能有效地抑制谐波和瞬流对供电环境的污染，减少由此而产生的供电事故，有效地保护投资，减少损失；并可减少由于电源不洁而造成的大量的设备维修费用，大幅度减缓设备折旧，起到清洁电源的作用。

附图说明

图1为本发明节电装置系统结构示意图；

图2为本发明控制原理示意图；

图3为本发明变压器档位调节电路示例图；

图4为本发明节电装置自动调档流程图；

图5为图4中的流程A；

图6为图5中的流程B；

图7为本发明电压模式调档流程图；

图8为本发明时间模式调档流程图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

本发明提供一种照明电源智能节电控制系统，主要原理是通过降低照明灯群的电源电压的方法，来降低灯具的功率消耗，延长灯具的使用寿命。如图1所示为本发明节电装置系统结构示意图，包括变压器、电流检测电路、电压检测电路、档位调节电路和控制器；变压器的输入和输出端分别与电源和负载连接，具有多个档位，每个档位具有不同的输出电压；电流检测电路和电压检测电路分别连接电源和负载，对电源和负载的输入电流和电压进行检测；档位调节电路与变压器和控制器连接，控制器还分别与所述的变压器、电流检测电路和电压检测电路连接，控制器根据对电流和电压的检测结果，通过所述的档位调节电路调节变压器的档位，动态调节输出到负载的电压。变压器采用零线端多档抽头的自耦变压器，档位调节电路由若干个继电器组合而成。

本发明节电装置还包括一旁路电路，该旁路电路分别与电源、负载和所述的控制器连接，由控制器控制在电流过小、电流过大、零序电流过大或输入供电电压过低时进行旁通，使电源与负载直接连通。当输入供电电压低于本机设定值(欠压状态)时，电路自动进入旁通状态，以确保负载灯光的正常工作，当供电线路电压回升到正常时，系统自动判断并立即进入节电状态。本发明对线路的负载电流进行适当控制，当超过本机额定电流范围时(此值可任意设定)，本机将自动切换到旁路状态，当负载线路发生短路时可以采用一断路器进行断路保护。

本发明除自动控制灯光负载的电压电流外，控制器在负载起动时，控制旁路电路接通，使负载进行全压启动，以确保灯光设备的可靠开启，并在控制器内设有延时电路，延时一段时间使灯光预热后，控制器使旁路电路关闭，系统自动过渡到节电装置的节电状态，控制变压器选择合适的档位进行电压调节。

本发明节电装置的控制可分为手动和自动模式来调节自耦变压器的档位，自耦变压器分为4个档位，自耦变压器采用零线端绕组抽头的方式，其优点是切换电流小，接触器成本低。自耦变压器不同的档位有不同的输出电压，将电压降低不同的值，使输出到负载的电压为较经济合理的电压值。手动模式时可在操作终端面板上直接进行带负荷调节节电档位，也可以通过RS485通信接口与电脑连接进行带负荷调节节电档位。在自动模式时节电装置可设定多个电压范围，可根据进线电压的变化自动调节节电档位，也可以设定不同时段对应的档位，根据时段自动调节节电档位。并可设定档位动作间隔时间、无流旁路、过流旁路、零序过流旁路等功能。

控制器上直接或通过网络连接有控制终端，自动根据所述的电压检测电路检测到的供电电压，与通过控制终端所设置的不同档位的电压范围的上、下限进行比较，根据比较结果控制所述的档位调节电路进行变压器的档位调整，当前电压超过某一上限值时，档位调整到高一级的节电档，当前电压低于某一下限值时，档位调整到低一级的节电档；或者根据所述的控制终端上设置的不同时间段所对应的档位，自动在不同的时间段通过控制器控制所述的档位调节电路调整变压器到相应的档位。

如图2所示为本发明控制原理示意图，本发明控制器集电力测量和控制为一体，通过控制器检测节电装置的电压和电流来控制和显示自耦变压器的档位和电参数，来改变节电装置的输出电压，并可以通过RS485通信和GPRS通信实现远程监控和测量，足不出户就可以掌控于千里之外的节电装置。控制器进行电参数的记录和测量，可以对电压、电流、功率、功率因数、频率电度等进行测量和记录。在节电控制时，可以根据情况采用时段控制或电压控制进行节电档位的调整，由执行元件即档位调节电路去调整节电装置的档位。可以通过RS485接口或无线通信接口(GPRS)与计算机及网络进行连接，可以通过通讯网络监控到节电装置的所有测量数据和信息，实现远程监测、调节、控制和数据采集、打印，无需再到现场巡查。

如图3所示为本发明变压器档位调节电路示例图，档位调节电路由若干个继电器组合而成。有五路继电器输出

继电器R11/R12 控制档位：一档

继电器R21/R22 控制档位：二档

继电器R31/R32 控制档位：三档

继电器R41/R42 控制档位：四档

继电器R52/R53 控制档位：旁路

当节电装置上电后，控制器控制继电器R52/R53闭合，旁路接触器KM5线圈得电，接触器KM5主触头闭合，辅助触头断开，系统进入旁路状态。此时，节电装置全压启动，输出电压等于输入电压。控制器实时监测供电线路的电压，控制器旁路进入节电定时时间一到，控制器根据监测的电压或者控制器内部设定的时间，控制继电器闭合相应的继电器。

如：现在供电线路电压为220V，控制器内部设置为电压调档，220V电压相对应的节电档位为三档。则控制器先控制继电器闭合R41/R42，同时断开继电器R52/R53，四档接触器KM4线圈得电，同时旁路接触器KM5线圈失电；接触器KM4主触头闭合，辅助触头断开，节电系统进入节电四档。经过一个延时(此延时的长短是可以设定的)之后再控制继电器闭合R31/R32，同时断开继电器R41/R42，三档接触器KM3线圈得电，同时四档接触器KM4线圈失电，接触器KM3主触头闭合，辅助触头断开，系统进入节电三档。

本发明节电装置有两种工作模式，一为手动模式，一为自动模式。当节电装置工作于自动模式时，用户不可以进入手动模式从而操作控制。而当运行于自动模式时，除非用户强制进行模式切换，否则不会进入手动模式。

1、手动模式控制

手动模式下的控制可以通过通讯到计算机上或显示面板上来完成。通过计算机或显示面板，可以手动直接调整档位。如：在手动控制模式下，可直接将节电一档调为节电三档。

2、自动模式控制

自动模式分电压控制和时间控制两种模式。自动控制可以通过通讯到计算机或显示面板上来完成。通过计算机或显示面板，会自动完成档位切换为自动模式，手动模式自动失效。

电压控制下，共分四个档位控制五路继电器，分别是：

1档动作档(HIGH MAX)电压超过这个值进入1档；

1档返回值(HIGH MIN)电压低于这个值，档位返回2档；

2档动作档(MIDDLE MAX)电压超过这个值进入2档；

2档返回值(MIDDLE MIN)电压低于这个值，档位返回3档；

3档动作档(LOW MAX＝)电压超过这个值进入3档；

3档返回值(HIGH MIN)电压低于这个值，档位返回4档；

4档动作档(OTHER MAX＝)电压超过这个值进入4档；

4档返回值(OTHER MIN)电压低于这个值，档位返回5档(旁路)；

电压控制监视的电压可以使用三相的最低值，也可以设为单独的某一相电压。当前电压(如三相最低的一相)超过某一动作值时，将控制节电档向高一级的节电档跳；当前电压低于某一返回值时，将控制节电档向低一级的节电档跳。如：当前电压为222V，节电档为节电三档。当电压超过225V(包括225V)时，节电档将向高一级节电档跳，即是由节电三档跳到节电二档。当电压低于218V时，节电档将向低一级节电档跳，即是由节电三档跳到节电四档。

时间控制下，每天24小时可以分成5段。每10分钟分一最小间隔段，每天共分144段，分段的起始点为0:00，可以设每一段内的档位。每次动作有一段时间间隔(RELAY FREEZE)，每次自动动作后都会有这个时间间隔。

在自动模式下，没有电流的时候档位自动跳入5档(旁路)，电流消失后档位跳旁路的延迟时间，有0-7S可以选择。当回路有电流时，要经过一段延时才会进入相应的档位。同时还为每个档位动作设定一个间隔时间，根据用户的负载情况来设定。同时设定：

小电流跳旁路限值：电流小于某一限定值时，跳到旁路档。

过电流跳旁路限值：电流超过某一限定值时，跳到旁路档。

过零序电流跳旁路：零序电流超过某一限定值时，跳到旁路档，防止三相负载分配不均造成设备损坏。

如图4、图5、图6所示为本发明节电装置自动调档流程图，自动调档步骤如下：

1、仪表是否处于手动状态，如果是，则由手动进行调档；如果不是，则进入下一步，判断是否处于旁路及相应的延时是否结束；

2、首先判断电流因素跳旁路计时时间是否完毕，如果否，则退出；如果是，则进入下一步；

3、判断零序电流是否大于零序电流跳旁路的设置值；如果是，则档位跳旁路，电流因素跳旁路计时器清零，退出。如果否，则进入一下步；

4、依次判断三相电流是否大于过电流跳旁路限值，如果是，则档位跳旁路，电流因素跳旁路计时器清零，退出；如果否，则进入下一步；

5、电流因素跳旁路计时时间是否完毕，若否，则退出；若是，则进入下一步；

6、判断电流是否小于小电流跳旁路限值；

若是，则判断小电流跳旁路计时器有没有超过设定值，若没有过，则小电流跳旁路计时器减一，退出；若过了，延迟时间值(0-7S)，则档位跳旁路，电流因素跳旁路计时器清零，退出。若电流没有小于小电流跳旁路限值，则进行下一步。

7、判断没有电流到有电流计数器是否为零，若否，则没有电流到有电流计数器减一，退出；若是，则进入下一步；

8、判断档位是否在旁路，若是，则判断上电或上次动作的时候距离现在的时间有没有超过旁路到节电时间间距设置值，没有超过则退出；若超过，或档位不在旁路，则判断节电装置是运行在电压模式还是时间模式，进入相应的模式运行。

如图7所示，如果运行在电压模式，则判断是那一个电压为标准，将之取出作为目前的电压，将当前电压与当前上下限比较，判断需要向上调档还是要向下调档。处于顶档时，不判断向上调档；处于底档时，不判断向下调档。屏蔽的档位一律跳过去。若无调档要求，则退出。若有调档动作，则调整档位，退出。

电压调档模式下，监视电压的类型有以下四种选择：

Vmin  三相电压的最低值

VA    A相电压

VB    B相电压

VC    C相电压

如图8所示，如果在时间模式，则步骤如下：

1、取出现在的小时值h和分钟值m计算现在的时间刻度X＝h*6+m/10；

2、比较第一个时间分割点是否大于X，若是，则跳第一时间档指定的档位，退出；

3、若否，则比较第二个时间分割点是否大于X，若是，则跳第二时间档指定的档位，退出；

4、若否，则比较第三个时间分割点是否大于X，若是，则跳第三时间档指定的档位，退出；

5、若否，则比较第四个时间分割点是否大于X，若是，则跳第四时间档指定的档位，退出；

6、若否，则跳第五时间档指定的档位，退出。

本发明能有效地实现节电，不会产生干扰谐波，对电网无污染；且当节电装置内自己的电路有故障时，可切换到旁路，负载仍可正常工作。采用微电脑自动检测电路，根据电路的变化，实时地调整档位接触器的吸合，使节电装置处于最佳的节电状态。

本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (5)

1、一种照明电源智能节电装置，包括变压器、电流检测电路、电压检测电路、档位调节电路和控制器；变压器的输入和输出端分别与电源和负载连接，具有多个档位，每个档位具有不同的输出电压；电流检测电路和电压检测电路分别连接电源和负载，对电源和负载的输入电流和电压进行检测；档位调节电路与变压器和控制器连接，控制器还分别与所述的变压器、电流检测电路和电压检测电路连接，控制器根据对电流和电压的检测结果，通过所述的档位调节电路调节变压器的档位，动态调节输出到负载的电压；其特征在于：所述的节电装置还包括一旁路电路，该旁路电路分别与电源、负载和所述的控制器连接，由控制器控制在电流过小、电流过大、零序电流过大或输入供电电压过低时进行旁通，使电源与负载直接连通。

2、根据权利要求1所述的照明电源智能节电装置，其特征在于：所述的变压器采用零线端多档抽头的自耦变压器。

3、根据权利要求1或2所述的照明电源智能节电装置，其特征在于：所述的控制器在负载起动时，控制旁路电路接通，使负载进行全压启动，并在控制器内设有延时电路，延时一段时间使灯光预热后，控制器使旁路电路关闭，并控制变压器选择合适的档位进行电压调节。

4、根据权利要求3所述的照明电源智能节电装置，其特征在于：所述的控制器上直接或通过网络连接有控制终端，自动根据所述的电压检测电路检测到的供电电压，与通过控制终端所设置的不同档位的电压范围的上、下限进行比较，根据比较结果控制所述的档位调节电路进行变压器的档位调整，当前电压超过某一上限值时，档位调整到高一级的节电档，当前电压低于某一下限值时，档位调整到低一级的节电档；或者根据所述的控制终端上设置的不同时间段所对应的档位，自动在不同的时间段通过控制器控制所述的档位调节电路调整变压器到相应的档位。

5、根据权利要求3所述的照明电源智能节电装置，其特征在于：所述的档位调节电路由若干个继电器组合而成，根据控制器的控制，选择相应档位的电路进行接通。

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