李 正

（菏澤城建建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 菏澤 274000）

0 引言

城市道路照明系統(tǒng)可以提高人們生活的便利性，同時(shí)可以增強(qiáng)城市美觀度，輔助人們?cè)谝归g更加安全的出行，避免發(fā)生安全事故。因?yàn)楦鞒鞘械慕?jīng)濟(jì)發(fā)展情況是不同的，而各城市對(duì)于路燈照明提出了不同的要求。一些中小城市人口數(shù)量比較少，再加上經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較低，導(dǎo)致城市道路照明系統(tǒng)發(fā)展水平需要進(jìn)一步提高。因此在城市道路照明電氣設(shè)計(jì)階段，需要結(jié)合城市發(fā)展情況，提出科學(xué)的應(yīng)對(duì)措施，根據(jù)城市道路照明系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，解決城市道路照明系統(tǒng)電氣節(jié)能問(wèn)題。

城市路燈照明系統(tǒng)中可加入能耗補(bǔ)償設(shè)計(jì)，通過(guò)補(bǔ)償技術(shù)來(lái)降低能耗。電路補(bǔ)償技術(shù)是運(yùn)用電子器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)使用自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置降低能耗，可以提高城市路燈電能供應(yīng)效率和質(zhì)量，從而在定功率下可以更好地滿(mǎn)足路燈工作要求。無(wú)功率損耗補(bǔ)償可以維護(hù)路燈照明系統(tǒng)在低功率狀態(tài)下的運(yùn)行，從而可以顯著減少剩余功率輸出造成的能源浪費(fèi)。而且運(yùn)用電路節(jié)能設(shè)計(jì)方式，可以在路燈電源上進(jìn)行控制，使輸出功率與使用功率相吻合，避免供電線路發(fā)熱以及損壞路燈燈具等，是重要的路燈照明節(jié)能及安全措施。

1 無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括控空氣開(kāi)關(guān)、避雷針、雙向晶閘管、三相電容器、熔斷器、可控開(kāi)關(guān)、觸發(fā)裝置和串聯(lián)電抗器等，見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了確定系統(tǒng)需要的無(wú)功功率大小，首先對(duì)供電系統(tǒng)的三相電源電流值和電壓值進(jìn)行采樣，然后將采集信號(hào)輸送至控制器中，控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析，從而計(jì)算出無(wú)功功率?？刂破鞲鶕?jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)確定電容器投入數(shù)量，將投入數(shù)量指令發(fā)送至觸發(fā)晶閘管來(lái)執(zhí)行。

2 控制電路設(shè)計(jì)

2.1 人機(jī)交換模塊

本文設(shè)計(jì)的人機(jī)交換模塊的顯示電路見(jiàn)圖2，其中液晶顯示器采用1602 型，顯示器主要可以顯示系統(tǒng)檢測(cè)到的電壓、電流及功率因數(shù)等參數(shù)。

圖2 1602 液晶初始化顯示

1602 與點(diǎn)偏激的連接見(jiàn)圖3。

圖3 顯示的電路圖中，其中LCDRS 端是表示數(shù)據(jù)/命令選擇端，LCDEN 是表示原始信號(hào)。接腳3 是與可調(diào)電位器連接，主要是實(shí)現(xiàn)顯示器字體灰度調(diào)節(jié)。接腳5 接地。

圖3 1062 液晶接線原理圖

圖4 顯示的是鍵盤(pán)電路圖。

圖4 鍵盤(pán)電路接線原理圖

2.2 通信電路設(shè)計(jì)

本論文中采用美信公司的MAX232 芯片以及9芯RS-232 插座，其原理圖見(jiàn)圖5 。

圖5 RS-232 串口通信接線原理圖

2.3 投切控制電路

控制器是整個(gè)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的核心裝置，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣信息進(jìn)行分析處理，計(jì)算出無(wú)功功率，然后確定投切電容器數(shù)量，同時(shí)發(fā)出投切指令。最終指令執(zhí)行裝置為觸發(fā)晶閘管，如何確保電容器在投切時(shí)不會(huì)受到電流沖擊是TSC 型無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，采用的晶閘管觸發(fā)電路是相互獨(dú)立的，這樣導(dǎo)通或切斷時(shí)，互不干擾，有效地解決了電流沖擊問(wèn)題。城市道路照明系統(tǒng)可以提高人們生活的便利性，同時(shí)可以增強(qiáng)城市美觀度，輔助人們?cè)谝归g更加安全的出行，避免發(fā)生安全事故。因?yàn)楦鞒鞘械慕?jīng)濟(jì)發(fā)展情況是不同的，而各城市對(duì)于路燈照明提出了不同的要求。一些中小城市人口數(shù)量比較少，再加上經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較低，導(dǎo)致城市道路照明系統(tǒng)發(fā)展水平需要進(jìn)一步提高。因此在城市道路照明電氣設(shè)計(jì)階段，需要結(jié)合城市發(fā)展情況，提出科學(xué)的應(yīng)對(duì)措施，根據(jù)城市道路照明系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，解決城市道路照明系統(tǒng)電氣節(jié)能問(wèn)題。城市路燈照明系統(tǒng)中可加入能耗補(bǔ)償設(shè)計(jì)，通過(guò)補(bǔ)償技術(shù)來(lái)降低能耗。電路補(bǔ)償技術(shù)是運(yùn)用電子器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)使用自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置降低能耗，可以提高城市路燈電能供應(yīng)效率和質(zhì)量，從而在定功率下可以更好地滿(mǎn)足路燈工作要求。無(wú)功率損耗補(bǔ)償可以維護(hù)路燈照明系統(tǒng)在低功率狀態(tài)下的運(yùn)行，從而可以顯著減少剩余功率輸出造成的能源浪費(fèi)。而且運(yùn)用電路節(jié)能設(shè)計(jì)方式，可以在路燈電源上進(jìn)行控制，使輸出功率與使用功率相吻合，避免供電線路發(fā)熱以及損壞路燈燈具等，是重要的路燈照明節(jié)能及安全措施。

本設(shè)計(jì)投切控制電路中采用MOC3061 型芯片，該芯片是一款過(guò)零觸發(fā)的光耦合芯片，其輸出輸出額定電壓為600V，重復(fù)涌流電流不大于1A。

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 MOC3061 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

觸發(fā)晶閘管的控制是通過(guò)控制器發(fā)出的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)，控制器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)由MOC3061 芯片輸出至晶閘管模塊，然后投切控制電路執(zhí)行電容器投切指令，具體投切控制電路見(jiàn)圖7。

圖7 中輸入電阻Rin是限制發(fā)光管的電流大小，其值為：

圖7 雙向晶閘管控制電路原理圖

式中：VF為紅外線發(fā)光二極管的正向電壓，一般取1.2～1.4V；IF為紅外發(fā)光二極管觸發(fā)電流，15 mA。

電阻R1用來(lái)限制通過(guò)觸發(fā)器的電流大小，其由系統(tǒng)電壓峰值和除法器輸出端允許的重復(fù)沖擊電流峰值來(lái)決定。電阻R2是晶閘管的門(mén)極電阻，可以提高抗干擾能力。電阻R3和電容CS 組成的浪涌吸收電路防止涌流電壓損壞晶閘管。

3 無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)能浖O(shè)計(jì)

3.1 有效值采樣程序設(shè)計(jì)

首先系統(tǒng)會(huì)對(duì)分別對(duì)電源的A 相、B 相、C 相電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采集，然后采用互感器將采集信號(hào)轉(zhuǎn)換成小信號(hào)，再經(jīng)過(guò)濾波處理后，采用信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)有效值的直流信號(hào)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換電路，采集信號(hào)將會(huì)輸入至控制器中進(jìn)行處理分析，具體程序見(jiàn)圖8。

圖8 有效值采樣程序流程圖

3.2 功率因數(shù)采樣程序設(shè)計(jì)

本文選擇的單片機(jī)晶振頻率是fc=11.0592 MHZ，因此運(yùn)行周期是12/fc，也即運(yùn)行周期為0.02 ms。單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器和中斷系統(tǒng)即可檢測(cè)出正弦波信號(hào)的脈寬差τ，從而可以計(jì)算得到電流和電壓值，最終得到檢測(cè)功率因數(shù)φ，其計(jì)算公式為：

電路信號(hào)采集過(guò)程中，會(huì)存在一些噪聲，會(huì)對(duì)結(jié)果造成較大的影響。為了使得檢測(cè)更過(guò)更加準(zhǔn)確，需要對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行濾波處理。算術(shù)平均濾波法只能減小噪聲的影響，而無(wú)法將其消除。為了提升采樣檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性，本文選擇去極平均濾波法，其是將采集的6 組脈寬計(jì)數(shù)值信號(hào)中最大值和最小值去除，然后將剩下4 組進(jìn)行平均化處理。由此可以看出，此濾波方法可以將較為明顯的噪聲去除，使采集獲得的信號(hào)值更加接近真實(shí)值。圖9 為功率因數(shù)的采樣程序圖。

圖9 功率因數(shù)的采樣程序圖

3.3 電容器投切程序設(shè)計(jì)

設(shè)Q 為無(wú)功功率，若系統(tǒng)欠補(bǔ)償，則Q 為正；若過(guò)補(bǔ)償，Q 為負(fù)。檢測(cè)到的無(wú)功為Qm，I 為電容器的組合數(shù)，Qi為對(duì)應(yīng)組合的投切容量。如果此時(shí)沒(méi)有電容器投入運(yùn)行，則搜索電容器容量組合，找出滿(mǎn)足Qm-Qi≥0 差值最小的組合，并投入對(duì)應(yīng)的電容器；若此時(shí)已經(jīng)有電容器投入運(yùn)行，其電容容量為Qt，此時(shí)系統(tǒng)值缺的總無(wú)功功率為Qz=Qt+Qm，搜索電容器組容量組合，找出滿(mǎn)足Qm-Qi≥0 時(shí)差值最小組合。

TSC 投切原則為：首先計(jì)算需要投切的電容器數(shù)量，如果需要投入的電容器組合已投入運(yùn)行，則正常運(yùn)行即可；而無(wú)需投入的電容器組合則退出運(yùn)行。在電容器投切過(guò)程中，著需要根據(jù)上述過(guò)程選擇相應(yīng)的電容器組合進(jìn)行投切即可。圖10 為電容器投切程序流程圖。

圖10 電容器投切程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

市政路燈照明系統(tǒng)是保障人們生產(chǎn)活動(dòng)的重要保障，市政路燈照明系統(tǒng)普遍存在于廣場(chǎng)、道路等基礎(chǔ)設(shè)施，每年消耗的能源數(shù)量巨大。為了建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，目前普遍采用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行改善。從我國(guó)電網(wǎng)功率因數(shù)和補(bǔ)償深度來(lái)看，我國(guó)與世界發(fā)達(dá)國(guó)家有不小差距。因此，在市政路燈照明系統(tǒng)中大力推廣無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)是非常必要的。