专利名称：一种单相照明系统节电装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种照明灯具节电装置；特别是涉及一种单相照明系统的节 电装置及其方法。
背景技术：
现阶段配电系统中，为了补偿送电过程中的电能损耗， 一般常用的方法 都采用提高输送电压的手段，这时，用户实际承受的电压会高于照明灯具的 额定电压。而当电网在用电低峰时，供电电网的输送电压会更高，过高的供 电电压，不仅会使用电设备耗能增加，而且，会使电光源的使用寿命大大縮 短；供电电压的波动，造成对电光源和照明灯具的冲击，也导致降低了照明 灯具的使用寿命，增加了照明成本，也增加了更换、维护照明灯具的工作量。
下面比较两组实验数据
当施加在气体放电照明灯具两端的 工作电压230V时，功耗109W，照度92，灯具使用寿命4千小时； 工作电压205V时，功耗85 W，照度89，灯具使用寿命9千小时。
由此对比可以看出当照明灯具在超压运行时，亮度变化不大，而灯具 的使用寿命却显著縮短，用电耗能则大幅增加。
当照明灯具使用电压在额定范围内变化时，功耗损失为109-85=24;照 度变化为92-90=2;灯具使用寿命却由4千小时延长到9千小时。
因此得出结论是气体放电灯具的工作电压由230V下降至205V时，功 率下降22%，照度变化仅为2.2%，灯具的使用寿命却延长l倍多。而照度变 化却并不明显，只是减少了灯具在过电压情况下产生的眩光，而气体放电照 明灯具的功耗却显著减小，寿命也会延长很多。基于以上原因，很有必要适当降低用电设备的终端电压。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服已有技术的缺点，提供一种可适当 降低用电设备的终端电压的单相照明系统的节电装置及方法。
本发明所采用的技术方案是 一种单相照明系统节电装置，包括电压 调整电路、市电电压检测电路、基准电压电路、比较电路和正、负补偿切换 触发电路，所述电压检测电路通过检测本装置的输入、输出电压的变化，并 将检测结果输出给所述比较电路，经所述基准电压电路和所述比较电路输出 的比较信号，通过所述正、负补偿切换触发电路控制所述电压调整电路对市 电电压进行正、负补偿，稳定本装置的输出电压。
所述的比较电路包括两个比较器U1、 U2和一个三角波发生器，所述 三角波发生器电路，由一个方波电压发生器U7和一个积分器U8组成。
所述的三角波频率与方波电压发生器U7的频率相同，当方波电压发生 器U7中的电阻R8^.86R9时，三角波频率为fc-l/ (1/2R10C2)。
所述对市电电压波动进行正、负补偿的触发电路(33)是由比较器U1、 U2，比例放大器PIl、 PI2，及EPWM、比较器U3、 U4，和基准电压设定电 路R3 R5组成，两个基准电压设定值为Url及Ur2， Url对应于市电电压的 218V; Ur2对应于市电电压的222V。
实现权利要求1所述的单相照明系统节电装置的方法，包括以下步骤 第一步骤检测本装置的输入、输出电压；
第二步骤将检测结果与两个基准电压设定值Url及Ur2进行比较;
第三步骤通过正、负补偿切换触发电路控制电压调整电路； 第四步骤通过电压调整电路稳定本装置的输出电压。
所述第二步骤，将检测结果与所述基准电压电路两个基准电压设定值Url及Ur2进行比较，是通过比较电路进行的，所述比较电路包括两个比 较器U1、 U2和一个三角波发生器，所述三角波发生器电路，由一个方波电 压发生器U7和一个积分器U8组成。
所述的三角波频率与方波电压发生器U7的频率相同，当方波电压发生 器U7中的电阻R8^.86R9时，三角波频率为fc-l/ (1/2R10C2)。
所述对市电电压波动进行正、负补偿的触发电路(33)是由比较器U1、 U2，比例放大器PIl、 PI2，及EPWM、比较器U3、 U4，和基准电压设定电 路R3 R5组成，两个基准电压设定值为Url及Ur2， Url对应于市电电压的 218V; Ur2对应于市电电压的222V。
本发明的有益效果是本发明可以有效降低照明系统终端的用电电压， 节省电能，减少电能瞬间变化对负载及电网的影响，延长了灯具的使用寿命， 电压调整电路是以隔离变压器来进行能量交换无触点运行的，在补偿后电路 稳定运行时装置本身不消耗电能。
图1是本发明节电装置的电路组成方框图2是本发明节电装置的简化电路原理框图3是本发明节电装置的桥式斩波器电压调整电路图4是本发明节电装置的电原理图。
图中
11:市电电压检测电路 22:比较电路
33:正、负补偿切换触发电路 44:电压调整电路 55:基准电压
具体实施例方式
下面，结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。 图1是本发明节电装置的电路组成方框图，如图1所示，本发明单相照 明系统节电装置包括电压调整电路44、市电电压检测电路11、比较电路
22和正、负补偿切换触发电路33，基准电压电路55、电压检测电路]l通过 检测本装置的输入、输出电压的变化，并将检测结果输出给比较电路22，经 基准电压电路55和比较电路22输出的比较信号，通过正、负补偿切换触发 电路33控制电压调整电路44对市电电压进行正、负补偿，稳定本装置的输 出电压。
图4是本发明节电装置的电原理图，如图4所示，比较电路22包括 两个比较器和一个三角波发生器，三角波发生器电路，由一个方波电压发生 器(U7)和一个积分器(U8)组成。
如图4中的U7及U8所示，三角波频率与方波电压发生器的频率相同， 当方波电压发生器中的电阻R8-0.86R9时，三角波频率fc-l/ (1/2R10C2)。
图2是本发明节电装置的简化电路原理框图；如图2所示。它是由电压 调整电路44和控制电路两大部分组成的。电压调整电路44是由EPWM (EPWM——equal pulse width modulation)桥式斩波器V1 V4及其输出变 压器Tr、直流整流电源VD1 VD4和输出交流滤波器LF、 CF组成。桥式斩 波器通过其输出变压器Tr的次级串联在市电电源与负载之间，以便对市电电 压的波动进行正、负补偿。桥式斩波器输出电压中的谐波，由滤波器LF、 CF来滤除。桥式斩波器所需的直流电源，取自稳压电源输出端的市电电源， 通过整流器VD1 VD4来供给。其中，EPWM桥式斩波器V1 V4并不是 工作在逆变器状态，而是工作在桥式斩波器状态。这是由它的EPWM工作方 式、直流电源电压波形和直流电容Cd值的大小及其功能来区分的。图3是本发明节电装置的桥式斩波器电压调整电路图；如图3所示，桥 式斩波器的直流电压，不是通过电容Cd把整流电压滤波成为恒定的平滑直
流电压，而是仍然为单相桥式整流电压的波形。直流电容Cd不再具有直流
滤波功能，而只是为了创造一个续流通路而设置的。对于感性负载，在一个
斩波开关周期内续流的能量是很小的(由于斩波频率较高)，所以Cd的值 也很小，Cd的充放电速度很快，不会影响整流电压的上升或下降速度，使 Cd上的电压与未进行滤波的整流电压波形相同。也就是说，由于电容Cd的 值很小，它只允许续流电流通过，不再具有直流滤波功能，因此对整流波形 不会产生影响。这就说明桥式斩波器是工作在EPWM斩波状态，而不是工作 在逆变状态。
采用图3所示电压调整电路44对市电电压波动进行补偿的关键有两点 一是EPWM; 二是电容Cd的值要小到不影响整流电压ucd的变化，g卩使Cd 小到不再具有直流滤波功能。
斩波式交流稳压电源的控制电路，是由市电输入电压整流检测电路11、 比较电路22、EPWM电路和桥式斩波器开关V1 V4工作状态的切换和触发 电路组成。在市电电压整流检测电路ll中，加入对滤波电感LF上的电压检 测的目的，是为了减小滤波电感LF的电抗对稳压精度的影响。
图2是本发明节电装置的简化电路原理框图；如图2所示，当市电电压 波动时，通过对市电输入电压us及滤波电感LF上电压的市电电压检测电路 11，得到电压信号US丄，将电压信号US丄与基准参考电压Ur进行比较， 得到误差电压AU。
当电压信号US,L〉Ur时(市电电压上波动)得动态+AU，动态+AU使 EPWM调制器中的比较器U2不工作，仅能使比较器U1工作，动态+AU通 过与三角波uc在比较器Ul中进行比较，在动态+AU大于三角波的部分产 生出EPWM脉冲信号，此信号通过正、负补偿切换触发电路33对桥式斩波器中的晶闸管V1 V4进行控制，在其输出变压器Tr次级产生负补偿电压一 uco，使负载电压UL-US—Uco-Ur。
当电压信号US丄〈Ur (市电电压下波动)得动态一AU，动态一AU使 EPWM调制器中的比较器U1不工作，仅能使比较器U2工作，动态一AU通 过与三角波uc在比较器U2中进行比较，在动态AU大于三角波的部分产生 出EPWM脉冲信号，此信号通过正、负补偿切换触发电路33对桥式斩波器 中的晶闸管Vl V4进行控制，在其输出变压器Tr次级产生负补偿电压+uco， 使负载电压UL=US+Uco=Ur。
对市电电压的正、负补偿，是通过正、负补偿切换触发电路33，切换桥 式斩波器中晶闸管V1 V4的工作顺序来实现的。如果对应于市电的正半周 V1及V4导通，对应于市电的负半周V2及V3导通，是对市电电压进行正 补偿，如图3中的虚线路径所示。
图4是本发明节电装置的电原理图，如图4所示，市电电压的检测电路 11，由两个相同的变压器Tr2、 Tr3及二极管VD9 VD12，电容器Cd2组成。 市电电压检测的采样点取法，对稳压精度影响很大。
如果采样点取自输入端，检测市电输入电压，对补偿电压的稳定性是有 利的，但不能补偿因变压器Trl次级漏抗及滤波电感LF电抗引起的电压降， 使补偿精度变差。
如果采样点取自输出端，检测输出负载电压，这样可以对变压器Trl次 级漏抗及电感LF的电抗引起的电压降进行补偿，但补偿后由于UI^Ur就不 能继续保持变压器Trl次级补偿电压uco的存在，出现补偿不稳定现象；如 果像多个补偿变压器无触点补偿式交流稳压电源那样，采样点取自输入端与 输出端，对市电输入电压与负载电压同时检测，然后将它们相加并除以2， 即(Us+UL)/2，当IS邦时，如果令变压器Trl次级漏抗XT与电感LF的电抗 XL之和XT+XI^X，贝U US_XIS=UL，所以(Us+UL)/2-(Us+Us+XIs)/2二US_(XIs)/20
由此可知，这种检测法虽然可以对因X而造成的电压降进行补偿，也不 会出现补偿不稳定现象，但只能补偿一半的XIS，还有一半XIS不能进行补 偿。比较好的检测法是采样点取自输入端，检测市电输入电压US及检测X 上的电压降XIS，用US—XIS作为检测到的电压。这样，既能保证补偿电压
的稳定性，也能使补偿的精度提高。
串联补偿变压器的次级漏电抗XT, —般为变压器Trl容量的(3 5) %。而变压器Trl的容量与市电电压的波动范围有关，当市电电压波动范围 为±15%时，变压器Trl的容量仅为稳压电源标称容量的17.6%。所以，补偿 变压器Trl折算到负载额定电压Ur的次级漏抗压降标示值为 XTIS=(0.03 0.05)x0.176=0.00528 0.0088
XTIS的值很小，可以认为XTIS-O，此时只需对电感LF的电抗XL引起 的电压降进行补偿就可以了。变压器Tr2检测的是市电输入电压US，变压器 Tr3检测的是电感LF上的电压降，用变压器Tr2及Tr3的次级电压相减后再 进行整流，就可以得到反映US—XLIS数值的直流电压USL。
对市电电压波动进行正、负补偿的触发电路是由比较器Ul、 U2，比例 放大器PIl、 PI2，及EPWM比较器U3、 U4，和基准电压设定电路R3 R5 组成。它分成上下两个支路，上支路由比较器U1、 PIl、 U3组成，用于对市 电电压的负波动进行正补偿控制；下支路由比较器U2、 PI2、 U4组成，用于 对市电电压的正波动进行负补偿控制。与此相应基准电压设定电路也设定了 两个基准电压给定值Url及Ur2。 Url对应于市电电压的218V; Ur2对应于 市电电压的222V。
当市电电压US〈218V时上支路工作，下支路不工作，直流电压USL与 基准电压给定值Url在U1中进行比较，产生出正误差电压+AU，十AU经 过PIl放大后与三角波uc在U3中进行比较，产生出使桥式斩波器对市电电压进行正补偿的控制。
当市电电压US》22V时下支路工作，上支路不工作，USL与Ur2在U2 中进行比较，产生出正误差电压+AU，十AU经过PI2放大后与三角波uc在 U4中进行比较，产生出使桥式斩波器对市电电压进行负补偿的控制。基准电 压设定电路设定出两个基准电压(Url^218V与Ur2二222V)的目的，是为了 当市电电压US在218V 222V之间时使本节电装置不工作，以避免市电电 压US在(220±2) V区间内稳压电源产生正负补偿振荡，使输出电压不稳定。 需要指出的是，运放PIl和PI2的放大倍数，与补偿变压器Trl的初次 级变比《1: 1、检测变压器Tr2、 Tr3 (两个变压器完全相同)的初次级变比 《2: 1、三角波的电压幅值Ucm及市电电压的幅值Um有关。PI1及PI2的放 大倍数为K》《lX《2XUcm/Um。
三角波发生器电路，由一个方波电压发生器U7和一个积分器U8组成。 三角波频率与方波电压发生器U7的频率相同，当方波电压发生器U7中的电 阻R8^.86R9时，三角波频率fc-l/ (1/2R10C2)。
状态切换是由脉冲变压器Tr4、 Tr5、 Tr6、 Tr7及两个三极管组成。比 较器U9、 U10是将市电电压变换成与其相对应的正、负半周方波电压。比较 器U9得到与us正半周相对应的方波电压，比较器U10得到与us负半周相 对应的方波电压。电路的切换采用的是三极管与门的工作原理，触发电路采 用的是脉冲变压器输出形式。切换电路有两组输入信号，每组两个输入信号， 即正补偿与负补偿，正半周方波与负半周方波。因此，有4组触发电路，即 由脉冲变压器Tr4、三极管V5、 V6组成的正补偿正半周触发电路； 由脉冲变压器Tr6、三极管V9、 V10组成的正补偿负半周触发电路； 由脉冲变压器Tr7、三极管Vll、 V12组成的负补偿正半周触发电路； 由脉冲变压器Tr5、三极管V7、 V8组成的负补偿负半周触发电路。 每一个触发电路，只有两个三极管同时导通时才能输出触发脉冲。其中一个受正负补偿信号的控制，另一个受正负半周方波电压的控制。因此，四种触 发电路对应于市电电压的每半个周期中，只有一个触发电路输出触发脉冲，
其它3个触发电路不工作。由于正负方波电压的加入，4个触发电路之间每
半个周期转换一次，而且转换是在市电电压过零时进行。因此，触发电路的 切换不会对输出产生冲击。
实现单相照明系统节电装置的方法，包括以下步骤
第一步骤检测本装置的输入、输出电压；
第二步骤将检测结果与两个基准电压设定值Url及Ur2进行比较;
第三步骤通过正、负补偿切换触发电路33控制电压调整电路44; 第四步骤通过电压调整电路44稳定本装置的输出电压。
所述第二步骤，将检测结果与两个基准电压设定值Url及Ur2进行比较，是 通过比较电路22进行的，所述比较电路22包括两个比较器U1、 U2和一 个三角波发生器，所述三角波发生器电路，由一个方波电压发生器U7和一 个积分器U8组成。
三角波频率与方波电压发生器U7的频率相同，当方波电压发生器U7 中的电阻R8二0.86R9时，三角波频率fc-l/ (1/2R10C2)。
对市电电压波动迸行正、负补偿的触发电路33是由比较器U1、 U2， 比例放大器PI1、PI2，及EPWM、比较器U3、U4，和基准电压设定电路R3 R5组成，两个基准电压设定值为Url及Ur2， Url对应于市电电压的218V; Ur2对应于市电电压的222V。
本发明可以有效降低照明系统终端的用电电压，节省电能，减少电能瞬 间变化对负载及电网的影响，延长了灯具的使用寿命，本发明电压调整电路 是以隔离变压器来进行能量交换无触点运行的，在补偿后电路稳定运行时装 置本身不消耗电能。
值得指出的是，本发明的保护范围并不局限于上述具体实例方式，根据本发明的基本技术构思，本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联 想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种单相照明系统节电装置，其特征在于，包括电压调整电路(44)、市电电压检测电路(11)、基准电压电路(55)、比较电路(22)和正、负补偿切换触发电路(33)，所述电压检测电路(11)通过检测本装置的输入、输出电压的变化，并将检测结果输出给所述比较电路(22)，经所述基准电压电路(55)和所述比较电路(22)输出的比较信号，通过所述正、负补偿切换触发电路(33)控制所述电压调整电路(44)对市电电压进行正、负补偿，稳定本装置的输出电压。
2. 根据权利要求l所述的单相照明系统节电装置，其特征在于，所述的比较电路(22)包括两个比较器U1、 U2和一个三角波发生器，所述三角波发生器电路，由一个方波电压发生器U7和一个积分器U8组成。
3. 根据权利要求2所述的单相照明系统节电装置，其特征在于，所述的三角波频率与方波电压发生器U7的频率相同，当方波电压发生器U7中的电阻R8-0.86R9时，三角波频率为fc-l/ (1/2R10C2)。
4. 根据权利要求1或2或3所述的单相照明系统节电装置，其特征在于，所述对市电电压波动进行正、负补偿的触发电路(33)是由比较器U1、U2，比例放大器PIl、 PI2，及EPWM、比较器U3、 U4，和基准电压设定电路R3 R5组成，两个基准电压设定值为Url及Ur2， Url对应于市电电压的218V; Ur2对应于市电电压的222V。
5. 实现权利要求l所述的单相照明系统节电装置的方法，其特征在于，包括以下步骤第一步骤检测本装置的输入、输出电压；第二步骤将检测结果与两个基准电压设定值Url及Ur2迸行比较;第三步骤通过正、负补偿切换触发电路(33)控制电压调整电路(44);第四步骤通过电压调整电路(44)稳定本装置的输出电压。
6. 根据权利要求5所述的实现单相照明系统节电装置的方法，其特征在于，所述第二步骤，将检测结果与所述基准电压电路(55)两个基准电压设定值Url及Ur2进行比较，是通过比较电路(22)进行的，所述比较电路(22)包括两个比较器U1、 U2和一个三角波发生器，所述三角波发生器电路，由一个方波电压发生器U7和一个积分器U8组成。
7. 根据权利要求6所述的实现单相照明系统节电装置的方法，其特征在于，所述的三角波频率与方波电压发生器U7的频率相同，当方波电压发生器U7中的电阻R8^.86R9时，三角波频率为fc-l/ (1/2R10C2)。
8. 根据权利要求5或6或7所述的实现单相照明系统节电装置的方法，其特征在于，所述对市电电压波动进行正、负补偿的触发电路(33)是由比较器U1、 U2，比例放大器PIl、 PI2，及EPWM、比较器U3、 U4，和基准电压设定电路R3 R5组成，两个基准电压设定值为Url及Ur2， Url对应于市电电压的218V; Ur2对应于市电电压的222V。
全文摘要
本发明公开了一种单相照明系统节电装置及其方法，包括电压调整电路、市电电压检测电路、基准电压电路、比较电路和正、负补偿切换触发电路，所述电压检测电路通过检测本装置的输入、输出电压的变化，并将检测结果输出给所述比较电路，经所述基准电压电路和所述比较电路输出的比较信号，通过所述正、负补偿切换触发电路控制所述电压调整电路对市电电压进行正、负补偿，稳定本装置的输出电压。有益效果是本发明可以有效降低照明系统终端的用电电压，节省电能，减少电能瞬间变化对负载及电网的影响，延长了灯具的使用寿命，电压调整电路是以隔离变压器来进行能量交换无触点运行的，在补偿后电路稳定运行时装置本身不消耗电能。
文档编号H05B41/36GK101553073SQ20091006881
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月12日 优先权日2009年5月12日
发明者郑镇朋 申请人:天津博大元通科技有限公司