路燈節(jié)能器裝置設(shè)計(jì)PPT.ppt

1、路燈節(jié)能器裝置設(shè)計(jì)Design of a Street Light Equipment of Saving Energy,學(xué)生姓名：樂緒鑫 指導(dǎo)教師：王歸新,系統(tǒng)總體介紹與概述,系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 功能描述,系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，道路交通越來越發(fā)達(dá)，主要道路上普遍采用高壓鈉燈等高亮度燈具，給人們的生活帶來了極大的方便，保障道路交通的安全暢通。然而，這些照明裝置一般連續(xù)工作時(shí)間較長，功耗較大，無疑浪費(fèi)了大量的電能，同時(shí)，在傳統(tǒng)的路燈控制方案上，控制操作不夠靈活方便。因而，本次課題研究，主要解決路燈照明裝置功耗較大，控制不夠方便的問題。 基于我國道路照明的特點(diǎn)，對當(dāng)前路燈照明功耗較大和控

2、制不夠靈活等方面進(jìn)行分析研究，尋求一種最佳的技術(shù)解決方案，將極大的改善當(dāng)前我國道路照明的效率和質(zhì)量。 本設(shè)計(jì)構(gòu)建了基于交流BUCK調(diào)壓原理的高性能路燈節(jié)能系統(tǒng)。經(jīng)測試表明，該節(jié)能控制器在犧牲光照度10的情況下節(jié)能達(dá)到40以上。,功能描述,(1)降壓節(jié)能 路燈節(jié)能器裝置根據(jù)預(yù)設(shè)值調(diào)節(jié)并穩(wěn)定輸出電壓幅值，由于降低供電電壓使照明裝置在犧牲一定的光照度但不影響正常工作的情況下，可以極大的降低照明裝置的功耗，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能的目的。 (2)預(yù)設(shè)值輸入與顯示功能 系統(tǒng)裝置輸入設(shè)備采用44鍵盤，可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)設(shè)定輸出電壓幅值；顯示設(shè)備采用液晶顯示器，可同時(shí)顯示三相輸入電壓、輸出電壓和電流、功率因數(shù)及各相輸

3、出電壓預(yù)設(shè)值等參數(shù)； (3)定時(shí)啟停 系統(tǒng)能根據(jù)不同地區(qū)不同季節(jié)，晝夜交替時(shí)間的不同自動(dòng)調(diào)節(jié)外閉路燈開啟時(shí)間和照明亮度。 (4)聯(lián)機(jī)通信與監(jiān)控功能 該系統(tǒng)中各個(gè)單機(jī)既可以獨(dú)立運(yùn)行,也可以聯(lián)機(jī)運(yùn)行。聯(lián)機(jī)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)控制中心可通過無線GPRS或有線通信線路與一個(gè)區(qū)域內(nèi)的各個(gè)路燈節(jié)能裝置進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)檢測和監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并可遠(yuǎn)程對各個(gè)節(jié)能器進(jìn)行控制操作，實(shí)現(xiàn)路燈照明裝置的最優(yōu)化運(yùn)行。,系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,主電路方案選擇 系統(tǒng)控制方案選擇,系統(tǒng)主電路方案選擇,（一）采用整流逆變電路作為系統(tǒng)主電路。 本方案核心是先將輸入的正弦交變電整流為直流電，再通過逆變電路將該直流電逆變?yōu)檎医蛔冸?。并且為了很好的?/p>

4、善系統(tǒng)的功率因數(shù)，可以在整流電路前面加入PFC電路，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。采用此方案，可較為靈活的實(shí)現(xiàn)對輸出電壓幅值、頻率和波形的調(diào)節(jié)，且受輸入電壓、電流波形、頻率的影響小。然而，通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試表明，在整流-逆變電路中，由于所用的整流開關(guān)器件較多，損耗較大，在正常運(yùn)行時(shí)，整流部分效率為97%，逆變部分效率為96%，二者總效率為93.12%，加上前面的PFC電路，效率將會(huì)更低，無法達(dá)到較高的系統(tǒng)效率，起不到明顯的節(jié)能降耗效果。 （二）、采用交流BUCK電路作為系統(tǒng)主電路 本方案是基于直流斬波器原理，構(gòu)建一個(gè)高頻交流斬波器，將輸入的正弦交變電通過指令PWM信號驅(qū)動(dòng)高頻開關(guān)管，將其截?cái)貫楦哳l脈沖電壓

5、，再通過濾波器將其還原為正弦交變電，在此過程中通過控制指令PWM信號的占空比，就可實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)。由原理可知，單純依靠交流BUCK電路只能實(shí)現(xiàn)降壓功能，而根據(jù)路燈節(jié)能器設(shè)計(jì)的要求，節(jié)能,裝置必須具有升壓功能。因此，在斬波器后面串接一個(gè)變壓器，當(dāng)變壓器同相接入運(yùn)行時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)升壓功能。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)反復(fù)測定，此方案系統(tǒng)效率可高達(dá)到98以上。 綜上所述，方案二與方案一相比具有裝置結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。因而，在設(shè)計(jì)過程中，我們優(yōu)先選取交流BUCK電路作為系統(tǒng)主電路。,圖1 交流buck主電路圖,系統(tǒng)控制方案選擇,系統(tǒng)的主電路采用交流BUCK電路，系統(tǒng)控制采用傳統(tǒng)的電壓型控制策略，具體實(shí)現(xiàn)

6、上有以下兩種方案： 方案一：采用數(shù)字PI控制。單片機(jī)通過電壓傳感器檢測網(wǎng)側(cè)電壓的相位和輸出電壓的大小，一但輸出電壓大于或小于設(shè)定值，通過數(shù)字PI調(diào)節(jié)器計(jì)算調(diào)節(jié)，單片機(jī)內(nèi)部發(fā)出相應(yīng)的PWM信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（交流BUCK斬波器）做出相應(yīng)的動(dòng)作，調(diào)節(jié)輸出電壓值，使之穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值。 方案二：采用模擬PD控制。單片機(jī)發(fā)出給定正弦，分別引入輸出電壓反饋（P調(diào)節(jié)）、電容電流反饋（D調(diào)節(jié)），經(jīng)過精密整流、濾波得到相應(yīng)的直流電平，與三角載波調(diào)制之后得到相應(yīng)PWM指令信號，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（交流BUCK斬波器）對輸入電壓進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以達(dá)到調(diào)壓和穩(wěn)壓的目的。,方案比較： 在模擬PD控制中整流濾波環(huán)節(jié)上有兩種方案：一

7、是精密整流，二是高頻整流。精密整流、濾波之后存在原理上的滯后，滿足不了設(shè)計(jì)要求的調(diào)整時(shí)間。高頻整流技術(shù)復(fù)雜，增加了裝置的復(fù)雜性，并且其電磁干擾大，增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。而且采用模擬PD算法，控制電路較為復(fù)雜。數(shù)字PI控制硬件電路簡單，程序的可移植性較好，系統(tǒng)升級方便，但程序較復(fù)雜，單片機(jī)運(yùn)算量大，可以選擇運(yùn)算速度較快的單片機(jī)加以彌補(bǔ)。由于是PI調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對較慢，但足以滿足設(shè)計(jì)的要求。綜合考慮，單片機(jī)控制方案選擇方案一。,節(jié)能器系統(tǒng)性能分析,系統(tǒng)建模,閉環(huán)控制的構(gòu)成與性能分析,參數(shù)變化對節(jié)能器性能影響,系統(tǒng)建模,(一)主電路拓?fù)浞治?選取交流BUCK電路作為節(jié)能器主電路，由于正負(fù)半波

8、對稱，選取在正半波時(shí)分析電路。圖2為主電路處于正半波時(shí)的原理圖。其工作原理是：當(dāng)電子開關(guān)Q處于通態(tài)時(shí)，電感L儲(chǔ)存能量，同時(shí)給負(fù)載供電。當(dāng)Q關(guān)斷時(shí)，由于續(xù)流二極管D的存在，電感電流不能突變，電感電流逐步消耗到負(fù)載電阻R上，電感儲(chǔ)存的能量釋放，電容C維持輸出電壓基本恒定。,圖2 主電路正半波原理,(二)在輸入波形為正半波的系統(tǒng)小信號模型分析 BUCK 變換器有兩種工作狀態(tài):開關(guān)管導(dǎo)通模式(圖所示)和開關(guān)管關(guān)斷模式(圖4所示) 。為簡單起見, 假定開關(guān)是理想的, 同時(shí)認(rèn)為狀態(tài)轉(zhuǎn)換是瞬間完成的, 且工作于電流連續(xù)的狀態(tài)。若設(shè)占空比為D,則通過圖3和圖4所示兩種工作狀態(tài)：,圖3 開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)等效電路圖,

9、圖4 開關(guān)管關(guān)斷時(shí)等效電路圖,對于上述圖3電路, 設(shè)電感電流iL , 電容電壓Vc為該變換電路的狀 態(tài)變量, 則 , 系統(tǒng)輸出電壓為v0 ,設(shè)系統(tǒng)輸入電壓VS 保持恒定不變,當(dāng)狀態(tài)變量有小擾動(dòng)變化時(shí), 則系統(tǒng)狀態(tài)變量、占空比、輸出,電壓分別為: 對于S 閉合期間的工作狀態(tài)有: 得到S 閉合期間狀態(tài)方程： 同理可得S 斷開期間狀態(tài)方程： 對上述兩種狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)平均，可以得到小信號模型下Buck 變換器的傳遞函數(shù)為:,閉環(huán)控制的構(gòu)成與性能分析,單片機(jī)通過對網(wǎng)側(cè)電壓的相位進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，使給定正弦與網(wǎng)側(cè)電壓信號無相位差。假設(shè)輸入電壓的有效值偏離給定電壓的有效值，輸入電壓信號與鍵盤輸入的預(yù)設(shè)值比較之后得

10、到誤差量，數(shù)字PI調(diào)節(jié)器對誤差量進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算得出對應(yīng)的PWM指令信號，由單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器發(fā)出相應(yīng)占空比的PWM信號，經(jīng)驅(qū)動(dòng)后接入主電路。輸出電壓只與占空比和電源電壓有關(guān)。交流buck電路作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)相應(yīng)占空比的PWM信號對輸入電壓進(jìn)行相應(yīng)的升壓或降壓，以達(dá)到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的目的。其電壓控制環(huán)的框圖如圖5所示。,圖5 控制系統(tǒng)方框圖,控制器采用PI 控制策略,則有: 其中為積分時(shí)間常數(shù) 系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 穩(wěn)定性分析 由系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)并根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是系統(tǒng)各參數(shù)必須滿足： 1+K( - C)0 穩(wěn)態(tài)誤差 設(shè)系統(tǒng)參考給定為單位階躍信號, 令系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤

11、差為,根據(jù)終值定理：,MATLAB系統(tǒng)仿真,參數(shù)變化對節(jié)能器性能影響,圖6系統(tǒng)仿真圖,(一)數(shù)字PI參數(shù)值對節(jié)能器性能的影響 經(jīng)過前面系統(tǒng)模型分析，節(jié)能器采用交流BUCK變換器在閉環(huán)特征上為一個(gè)低阻尼的系統(tǒng)，為了使節(jié)能器工作時(shí)具有較高的穩(wěn)定性，在控制算法上必須充分考慮比例、積分參數(shù)值。根據(jù)數(shù)字PI控制算法原理，在閉環(huán)低阻尼系統(tǒng)中，當(dāng)P、I環(huán)節(jié)參數(shù)值過大時(shí)，將導(dǎo)致閉環(huán)控制系統(tǒng)震蕩，抗干擾性能差，輸出不穩(wěn)定。而在本次課題設(shè)計(jì)中，路燈節(jié)能器裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性為核心性能指標(biāo)。因而，在盡量保證節(jié)能器裝置瞬態(tài)響應(yīng)速度滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，減小比例P、積分I參數(shù)值，使得系統(tǒng)具有較高的工作穩(wěn)定性。,(二)儲(chǔ)能電

12、感量L和濾波電容量C對節(jié)能器性能影響 根據(jù)電感伏秒平衡和電容充電平衡可以得到BUCK變換器電感計(jì)算公式和電容計(jì)算公式。如下： BUCK變換器電感計(jì)算公式：,電容計(jì)算公式： 其中，的典型值是在變換器滿載時(shí)的直流分量I的1020。在選取的值時(shí)不宜過大，否則增大流過電感和開關(guān)器件的電流峰值，從而將增大功率損耗和體積。 根據(jù)實(shí)際要求的紋波電壓來確定。 經(jīng)過MATLAB仿真，給出了在不同L、C參數(shù)值下電感電流和電容電壓波形。CH1為電感電流波形，CH2為電容電壓波形。,圖7 C為47uH ，L為1.5uF時(shí)電感電流和電容電壓波形（左）， 變換器輸出波形（右）,由實(shí)驗(yàn)計(jì)算仿真可得，在不同的L、C值下，輸出

13、電壓諧波含量不同，合理選擇L、C參數(shù)值，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定性高，輸出電壓諧波含量少，波形特征好。,圖8 C為470uH ，L為15uF時(shí)電感電流和電容電壓波形（左）， 變換器輸出波形（右）,系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì),節(jié)能器實(shí)驗(yàn)裝置制作,系統(tǒng)整機(jī)調(diào)試與結(jié)果分析,系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì),(一) PWM調(diào)制信號的產(chǎn)生及實(shí)現(xiàn),分析系統(tǒng)交流BUC斬波器工作原理及各個(gè)開關(guān)管的狀態(tài)，得到下圖所示各開關(guān)管PWM信號邏輯時(shí)序：,圖9 各開關(guān)管PWM信號時(shí)序圖,PWM波由單片機(jī)按照指令發(fā)出后經(jīng)CD4011及其外圍電路組成的脈沖分配及邏輯產(chǎn)生電路，將產(chǎn)生的PWM分裂為互補(bǔ)的兩路。分別驅(qū)動(dòng)主開關(guān)管和續(xù)流開關(guān)管。,圖10 脈沖分配邏輯電路,(二

14、)驅(qū)動(dòng)與信號檢測電路設(shè)計(jì),圖11 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì),圖12 緩沖吸收保護(hù)電路圖,下圖為Linux操作系統(tǒng)啟動(dòng)的界面:,(三)控制與信號檢測電路設(shè)計(jì),1、電壓電流檢測電路設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)思路，在控制中需要對輸入電壓、輸出電壓和電流信號進(jìn)行采樣監(jiān)測，為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，檢測電路必須實(shí)現(xiàn)控制電源和主電源隔離，因而設(shè)計(jì)時(shí)采用電壓電流互感器。 采用電壓、電流互感器對輸入、輸出電壓和輸出電流進(jìn)行取樣，取樣信號經(jīng)過精密全波整流之后送入AD轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換，供單片機(jī)讀取，在實(shí)際中如果輸入電壓超出了電壓互感器的測量范圍，采用分壓電路對輸入進(jìn)行分壓。,2、相位檢測電路設(shè)計(jì) 由于在控制程序設(shè)計(jì)思想中，要求

15、斬波器驅(qū)動(dòng)信號的分配必須嚴(yán)格跟蹤輸入電壓相位，時(shí)刻保持相位一致，因而我們必須選擇相移較小的電壓互感器對輸入電壓進(jìn)行取樣，所得到的正弦信號經(jīng)過零比較器后變?yōu)榉讲ㄐ盘?，方波的上升沿就是正弦的過零點(diǎn)。引起單片機(jī)的外部中斷，進(jìn)行相位跟蹤。,(四)聯(lián)機(jī)監(jiān)控通訊設(shè)計(jì),為了充分體現(xiàn)節(jié)能器智能化的優(yōu)點(diǎn)，按照設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)必須具有遠(yuǎn)程監(jiān)控和聯(lián)機(jī)檢測通信功能，在選擇遠(yuǎn)程通信方案時(shí)，我們主要采用以下兩種技術(shù)： 1.通過串口進(jìn)行有線通信 2.通過GPRS實(shí)現(xiàn)無線通信,(五)人機(jī)界面設(shè)計(jì),信息顯示器采用RA8803控制的12864液晶。顯示出系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。包括系統(tǒng)裝置各相輸入電壓、輸出電壓、輸出電流和預(yù)設(shè)各相電壓值。輸入設(shè)備采用自制的4*4矩陣鍵盤。,系統(tǒng)整機(jī)調(diào)試與結(jié)果分析,圖13 A、B相輸出電壓和A相輸出電流波形,圖14 主開關(guān)管與續(xù)流管PWM驅(qū)動(dòng)波形與死期時(shí)間,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，節(jié)能器裝置在輸出波形特征、抗負(fù)載擾動(dòng)和效率上均達(dá)到設(shè)計(jì)值，符合理論分析結(jié)果。系統(tǒng)效率達(dá)到98%以上，當(dāng)負(fù)載大范圍波動(dòng)時(shí)，裝置輸出電壓仍能穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值，極限波動(dòng)在0.4%以內(nèi)，試驗(yàn)裝置測試結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求。,表1 實(shí)測各種情況下電壓電流值,總結(jié),本課題設(shè)計(jì)出了一種基于交流BUCK調(diào)壓原理的高性能路燈節(jié)能系統(tǒng)，從理論上找到一種使節(jié)能器成本最低，結(jié)構(gòu)最簡單的系統(tǒng)模型，使節(jié)能器實(shí)現(xiàn)起來簡單，輸出波形好，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行效率高，達(dá)