應力恒劉建平

（1.寧波職業(yè)技術學院海天學院，浙江 寧波 315800；2.寧波綠凱節(jié)能科技有限公司，浙江 寧波 315800）

基于道路照明的有載調(diào)壓控制電路

應力恒1劉建平2

（1.寧波職業(yè)技術學院海天學院，浙江 寧波 315800；2.寧波綠凱節(jié)能科技有限公司，浙江 寧波 315800）

針對照明控制電路中存在負載供電不連續(xù)和調(diào)壓變壓器大體積高成本的問題，本文設計了一種用于道路照明的有載調(diào)壓控制電路。該電路所接負載供電電壓主要來自于電網(wǎng)電壓，變壓器只提供調(diào)壓電壓，可通過控制電路開關改變所連接變壓器的初級線圈串并聯(lián)結構及數(shù)量，從而調(diào)節(jié)電壓的大小及精度。實際運行結果表明，該基于道路照明的有載調(diào)壓控制電路不僅確保負載供電的連續(xù)性，同時大大減小變壓器體積，降低使用成本，較好地實現(xiàn)預期節(jié)電目標。

照明；節(jié)能；有載調(diào)壓；變壓器

在我國用于照明的電力能源占其總量的10%～12%，大約有7500萬只高壓鈉燈用于道路照明，每年道路照明節(jié)電總量可達98.55億kWh，相當于節(jié)省電費 51.25億元，可見照明節(jié)能不僅是節(jié)約能源的一個重要領域，而且道路照明的節(jié)能潛力巨大［1］。

1 照明節(jié)能方法及存在問題

目前常見的照明節(jié)能方法有兩種：①采用高效的節(jié)能型光源，如高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、LED燈等，由于高效節(jié)能型光源是是普通光源價格的6～10倍，這種節(jié)能方法多用于新建照明系統(tǒng)；②加裝節(jié)能控制設備。這種節(jié)能方法更適用于現(xiàn)有照明系統(tǒng)的改造。采用高效的節(jié)能型光源雖然是未來照明節(jié)能的發(fā)展趨勢，但是這些光源存在路面照度不均勻、空氣介質中衰減高、改造成本高等缺陷，5～10年內(nèi)還無法取代HID燈具，普通燈源在未來可能仍然占有一定的市場比例。針對我國現(xiàn)有照明燈具都采用普通燈源狀況，加裝節(jié)能設備是政府、企業(yè)更愿意選擇的一條有效節(jié)能途徑［2］。

在現(xiàn)有的電力系統(tǒng)傳輸中，由于電能傳輸過程中存在線路電壓損耗，線路末端電壓往往較低，因此電力傳輸中通常都以較高的電壓傳輸。但是這種做法的弊端是在用電低谷時，高電壓不僅會帶來高額的電費支出，并且會加速燈具老化。因此，實時調(diào)壓是目前各類節(jié)能裝置的節(jié)能關鍵點。隔離變壓器作為調(diào)壓設備一般不被采用，因為其體積大和成本高，不利于生產(chǎn)及安裝。常見的節(jié)能裝置是可控硅斬波照明節(jié)能裝置和自耦降壓式調(diào)控裝置［3］。可控硅斬波照明節(jié)能裝置是通過控制可控硅的導通角，斬掉部分輸入正弦波電壓，降低電壓平均值，實現(xiàn)節(jié)電目的，但此裝置容易產(chǎn)生諧波，擴大電網(wǎng)污染。自耦降壓式調(diào)控裝置則是連接一個自耦變壓器，通過改變不同的變壓器固定抽頭，將作為光源電壓的電網(wǎng)電壓降低為固定電壓值，從而實現(xiàn)降壓節(jié)電。該節(jié)能裝置實現(xiàn)了電壓的正弦波輸出，克服了可控硅斬波型產(chǎn)品產(chǎn)生諧波的缺陷，是目前應用最為廣泛的照明節(jié)電裝置。然而，自耦降壓式調(diào)控裝置調(diào)壓時，切換抽頭時會有瞬間斷電情況，該裝置只能在變壓器斷電時才能變換變壓器不同的固定抽頭連接，因此無法保證負載連續(xù)供電，會造成滅燈等一系列問題。

鑒于上述問題，本文給出了一種基于道路照明的有載調(diào)壓控制電路及其控制方法，實現(xiàn)常壓、升壓、降壓、并聯(lián)四種不同狀態(tài)的運行工作狀態(tài)。

2 基于道路照明控制的有載調(diào)壓控制電路

2.1 有載調(diào)壓控制電路結構

該有載調(diào)壓控制電路結構如圖1所示。其主體是具有3個初級線圈和一個次級線圈的變壓器，其中3個初級線圈各有兩個抽頭通過開關控制電路分別與N端及次級線圈相連，次級線圈則分別與L線及負載相連，其中A1、B1、C1與D1互為同名端。通過開關的不同組合模式，達到繞組的不同連接方式，實現(xiàn)改變一二次側各類匝數(shù)比值，達到改變調(diào)壓大小及精度的目的。

圖1 有載調(diào)壓控制電路結構圖

2.2 有載調(diào)壓控制電路的工作原理

由于電網(wǎng)系統(tǒng)電壓會因種種原因發(fā)生波動，接在電力網(wǎng)中變壓器的二次側也會產(chǎn)生相應波動，因此有載調(diào)壓控制電路中的變壓器，一方面要根據(jù)負載需要提供相應電壓，起到節(jié)電作用，另一方面還要起到電壓穩(wěn)定的作用［4］。下面將通過該有載調(diào)壓控制電路原理分析，來闡述其所達到的節(jié)電和穩(wěn)定作用。

1）有載調(diào)壓控制電路的降壓原理

根據(jù)有載調(diào)壓控制電路結構圖，給出降壓原理如圖 2所示。假設初級線圈電壓 U1、次級線圈 U2電壓及負載上電壓URL的參考方向如圖2所示。

圖2 有載調(diào)壓控制電路降壓原理圖

沿回路abcdefgha可列方程：

沿回路jidefghj可列方程：

根據(jù)式（1）、式（2）可得

另由變壓器變電壓原理知：

且根據(jù)式（3）可得

由于初級線圈匝數(shù)比次級線圈匝數(shù)要多，根據(jù)式（1）知，電網(wǎng)電壓 220V基本都降在 U1上，U1近似等于220V。式（4）可變?yōu)?/p>

2）有載調(diào)壓控制電路的升壓原理

根據(jù)有載調(diào)壓控制電路結構圖，給出升壓原理如圖3所示。按照上述方法同樣列寫KVL方程可推得

圖3 有載調(diào)壓控制電路升壓原理圖

由于變壓器初級和次級線圈輸入為異名端，可知：

因此，

從式（5）和式（6）中分析可變參數(shù) N1、N2及U1得到：

（1）可以通過改變繞組匝數(shù) N1、N2，改變變壓器一二側電壓比，實現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓大小的目的。

（2）可通過串聯(lián)或并聯(lián)多個初級線圈改變 U1的大小，實現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓精度的目的。

（3）無論可變參數(shù)N1、N2及U1如何合理地變化，負載上電壓總在 220V上下波動，即使初級線圈出現(xiàn)短暫抽頭更換過程中的瞬間斷電，RL也總在回路L→D1→N1→D2→RL→N中，保證了負載供電的連續(xù)性。

（4）負載上電壓主要來自于電網(wǎng)工作電壓，變壓器提供的電壓只起間接調(diào)節(jié)作用。

2.3 有載調(diào)壓控制電路工作模式及其典型工作回路

根據(jù)上述電路原理分析中3個結論，給出有載調(diào)壓控制電路有4種工作模式為：常壓、降壓、升壓和并聯(lián)。

1）當負載常壓運行時，只將次級線圈 N1連入電路，此時次級線圈 N1相當于一個匝數(shù)很少的電感，其上壓降很小，電源電壓都加在了負載上。其典型工作回路為 L→D1→N1→D2→RL→N，如圖 1所示。

2）當需要降壓運行時，電流從與 D1互為同名端的 A1、B1或C1輸入，起降壓作用，通過控制開關K1～K3選擇初級線圈串聯(lián)接入電路的數(shù)量，改變壓降的大小，起電壓調(diào)節(jié)作用。其典型工作回路分3種情況：

（1）一個初級線圈接入：這里僅給出將線圈N4接入的回路，線圈N3、N2接入的回路類似。

（2）兩個初級線圈串聯(lián)接入：這里僅給出將線圈N3、N4串聯(lián)接入的回路，即

線圈N2、N3串聯(lián)接入的回路類似。

（3）3個初級線圈N2、N3、N4串聯(lián)接入。

3）當需要升壓運行時，電流從與 D1互為異名端的 A2、B2或C2輸入，起升壓作用，通過控制開關K4—K6選擇初級線圈串聯(lián)接入電路的數(shù)量，可以改變壓降的大小，起電壓調(diào)節(jié)作用。

其典型工作回路也分3種情況：

（1）一個初級線圈接入：這里僅給出將線圈N4接入的回路，線圈N3、N2接入的回路類似。

（2）兩個初級線圈串聯(lián)接入：這里僅給出將線圈N4、N3串聯(lián)接入的回路，線圈N3、N2串聯(lián)接入的回路類似。

（3）3個初級線圈N4、N3、N2串聯(lián)接入。

4）當變壓器輸出電壓較高時，流過線圈繞組的電流則會較大，通過控制開關K1—K6、K11—K24可將該繞組與其他繞組并聯(lián)，以此減小繞制時所需導線截面積，進而減小變壓器的體積。此模式的典型工作回路也分4類：

（1）兩個初級線圈并聯(lián)的降壓模式：這里僅給出將線圈N2、N3并聯(lián)接入的回路，線圈N3、N4并聯(lián)接入和線圈N2、N4并聯(lián)接入的回路類似。

（2）兩個初級線圈并聯(lián)的升壓模式：這里僅給出將線圈N2、N3并聯(lián)接入的回路，線圈N3、N4并聯(lián)接入和線圈N2、N4并聯(lián)接入的回路類似。

（3）3個初級線圈 N2、N3、N4并聯(lián)的降壓模式。

（4）3個初級線圈 N2、N3、N4并聯(lián)的升壓模式。

實際應用中，由于HID路燈的正常工作電壓為220V，超過 230V則燈具壽命大大降低，功耗明顯增加，如圖4所示。而實際照明供電均在230V左右，特別在次日凌晨供電電壓會進一步上升，因此，本有載調(diào)壓控制電路以工作在常壓和降壓模式下為主。

圖4 HID燈特性圖

3 有載調(diào)壓控制電路的實際運行情況

具有本有載調(diào)壓控制電路的控制柜已在黃巖市某鎮(zhèn)街道、浙江某科技有限公司、寧波某物流有限公司、寧波某城區(qū)街道等照明工程中使用，其內(nèi)外構造如圖5所示。

圖5 有載調(diào)壓控制電路實物圖

3.1 有載調(diào)壓控制電路的調(diào)壓效果

當電網(wǎng)電壓介于190～220V之間時，該有載調(diào)壓控制電路工作啟動常壓模式。

當電網(wǎng)電壓大于等于 220V時，該有載調(diào)壓控制電路工作啟動降壓模式。其中一個初級線圈接入電路，負載兩端電壓可下降 30V。兩個初級線圈串聯(lián)接入電路，負載兩端電壓可下降 15V。3個初級線圈串聯(lián)接入電路，負載兩端電壓可下降 10V。負載電壓維持在210～190V之間。不僅使HID燈使用壽命提高，而且還顯著降低了其能耗。

當電網(wǎng)電壓小于 190V時，該有載調(diào)壓控制電路工作啟動升壓模式。其中一個初級線圈接入電路，負載兩端電壓可升壓 30V。兩個初級線圈串聯(lián)接入電路，負載兩端電壓可升壓 15V。3個初級線圈串聯(lián)接入電路，負載兩端電壓可升壓 10V，負載電壓維持在220～200V之間。

3.2 有載調(diào)壓控制電路的節(jié)電效果

為了測試本有載調(diào)壓控制電路的節(jié)電效果，依據(jù)CCEC/T 16.1—2006標準對該電路分兩組進行對比測試。第一組為在負載輸入端前接入本有載調(diào)壓控制電路時，本有載調(diào)壓控制電路輸入端的有功功率值。第二組為在負載輸入端直接輸入電壓時，負載輸入端的有功功率值。測試時間統(tǒng)一為 25min。測試負載為FH-06A室內(nèi)加熱器，額定功率為2kW，額定電壓為220V，頻率為50Hz，數(shù)量9臺，總額定功率為1.8kW。表1和表2分別為負載輸入端接入和不接入有載調(diào)壓控制電路的測試結果。

表1 接入有載調(diào)壓控制電路測試結果

表2 不接入有載調(diào)壓控制電路測試結果

根據(jù)測試結果及照明節(jié)電率［5］計算方法：

節(jié)電率=（無節(jié)電器用電量-有節(jié)電器用電量）+無節(jié)電器用電量×100%

可得當有載調(diào)壓控制電路輸出電壓分別為202.5V和185V時，其節(jié)電率分別可達到14.73%和27.85%。

202.5V檔節(jié)電率=（6866.53Wh-5855.2Wh）/6866.53Wh×100%=14.73%

185V 檔節(jié)電率=（6866.53Wh-4954.4Wh）/6866.53Wh×100%=27.85%

表3是本有載調(diào)壓控制電路應用在寧波市某區(qū)城市道路路燈節(jié)能改造工程實際節(jié)電數(shù)據(jù)。此表表明，該有載調(diào)壓控制電路具有較高的節(jié)電率，每年可為市政用電節(jié)省電費百萬元。

表3 寧波市某區(qū)城市道路路燈節(jié)能改造工程節(jié)電指標

3.3 有載調(diào)壓控制電路的功率因數(shù)

本有載調(diào)壓控制電路一般安裝在照明供電線路的最前端，但這對整個照明線路的功率因數(shù)幾乎沒有本質上的影響。圖6是接入該有載調(diào)壓控制電路的某照明線路有功和無功負荷曲線。根據(jù)負荷數(shù)據(jù)及計算方法cosφ=P/S，可得接入有載調(diào)壓控制裝置后照明線路的功率因數(shù)值為0.925，達到功率因數(shù)要求。

圖6 接入有載調(diào)壓控制電路后的負荷曲線圖

4 結論

道路照明節(jié)能在節(jié)能領域中具有舉足輕重的地位。為了解決道路照明控制中采用自耦變壓器調(diào)壓無法保證供電連續(xù)性；采用隔離變壓器調(diào)壓，變壓器體積和成本大而不利于生產(chǎn)及安裝的問題，本文給出一種用于道路照明的有載調(diào)壓控制電路。其特點有：

1）該裝置負載上電壓主要來自于電網(wǎng)工作電壓，變壓器提供的電壓只起間接調(diào)節(jié)作用。因此即使接上較大的負載，變壓器的線圈容量也很小，體積及成本都大大降低。

2）該裝置負載上電壓由電網(wǎng)直接提供，變壓器的可調(diào)電壓部分位于電路的旁路部分，即使在變壓器抽頭的轉換過程中也不會出現(xiàn)供電不連續(xù)的問題，提高供電的可靠性。

3）該裝置具有4種工作模式：常壓、升壓、降壓和并聯(lián)，可通過開關控制電路選擇連接的初級線圈的數(shù)量及串并聯(lián)結構，從而改變調(diào)壓的大小及精度。

4）該裝置始終工作在全正弦波下，能有效控制諧波產(chǎn)生，提高電網(wǎng)潔凈度。

通過實際運行表明，該基于道路照明的有載調(diào)壓控制電路，不但使照明燈具工作在正常的電壓下，延長燈具的使用壽命，而且較好地達到了預期的節(jié)電目標，符合國家功率因數(shù)標準，大大節(jié)省了電力能源，可滿足現(xiàn)今道路中大量HID燈具的照明節(jié)能需求，具有良好的市場前景。

［1］涂金龍，陳惠桐.道路照明節(jié)能產(chǎn)品研究綜述［J］.燈與照明，2013，37（4）：20-23.

［2］高健.大功率照明節(jié)電設備有載調(diào)壓控制技術的研究［D］.長春：長春工業(yè)大學，2011.

［3］楊超，王志偉.公路隧道照明節(jié)能技術［J］.現(xiàn)代隧道技術，2010，47（2）：102-108.

［4］呂峰，高偉榮，顧克拉.變壓器有載調(diào)壓對電抗的變化及其系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響［J］.湖州師范學院學報，2008（S1）：60-63.

［5］CCEC/T 16.1—2006.電力省電裝置節(jié)能產(chǎn)品認證技術要求［S］.

OLTC Control Circuit based on Road Lighting

Ying Liheng1Liu Jianping2
（1.Haitian Faculty，Ningbo Polytechnic，Ningbo，Zhejiang 315800；2.Ningbo Greentech Energy Management Co.，Ltd，Ningbo，Zhejiang 315800）

Aimed at the problems of uncontinuous power supply to the loads and large volume，high cost of transformer in the lighting control circuit，this paper designs an OLTC control circuit used in road lighting specially.In this OLTC control circuit，the power supply to the loads is not from transformer but grid directly，while the transformer in the circuit only provides adjusted voltage.By changing the circuit's series or parallel structure and the transformer's primary coils quantity through the switches in the circuit，the value and precision of voltage can be adjusted.The actual running results show that the OLTC control circuit can not only ensure continuous power supply to the load but also decrease the transformer's volume and cost.It realizes the goal of energy saving effectively.

lighting； energy saving； OLTC； transformer

應力恒（1979-），女，浙江省寧波市人，碩士研究生，講師，主要從事電氣自動化技術專業(yè)教學及研究工作。

浙江省教育廳2015 年度高等學校訪問工程師校企合作項目（浙教辦高科［64］號）