专利名称：基于逻辑控制的状态转换无闪断、无过电压照明节电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种节电控制装置，尤其涉及一种从节电到旁路直通的照明电路转换
直O
背景技术：
随着中国经济的飞速发展和工业化程度的不断提高，人们的生活水平也不断提 高，对照明设备和照明工程提出了新的要求，照明工程已经成为城市文明的象征，在推进城 市亮化工程的进程中，照明光源和调控设备得到了空前的发展，城市照明的电能消耗和各 种用电损耗也越来越大，因此，研制和推广高效可靠的照明节电装置，符合我国的国策，也 具有重要的社会意义和经济意义。照明设备具有巨大节电空间的根本原因还是电力部门的供电质量问题。根据电力 系统理论可知，负荷变压器二次出线电压是沿线降落的，由于电力负荷正常运行电压范围 为其额定电压的士 10%，为了保证电力线路末端电压不低于负荷额定电压值的10%，势必 需要变压器出线处电压高于负荷额定电压，一般而言，电力部门都将变压器出线处电压调 整为负荷额定电压值的110%，这样能够尽可能的延长供电距离，减小电力部门投资。但这 种做法使得变压器二次出线供电线路电压是沿线降落的，靠近变压器侧的负载长时间运行 在高于额定电压的状态，既浪费了电能，又影响了设备的使用寿命。因此，将电力线路上这 些负载的电压降低调整到适当水平，既不影响设备性能，又能够节约大量电能，且能够延长 设备寿命。另一方面，对于照明设备负荷来说，其工作原理又具有特殊性，大量的理论分析 和现场试验证明，单相供电的照明设备，其工作电压在205V到220V之间变化时，其发光亮 度基本不变，因此，照明设备实际运行时，将其工作电压保持在205V左右，在保证了照明亮 度的前提下，会大大提高照明设备的节电空间。目前市场上出现的照明节电产品主要有交流可控硅调压节电和电磁降压式节电 两类产品。交流可控硅调压节电是通过某种装置对电压的有效值进行调整的一种方式，主 要采用交流相控式调压，其电路一般由晶间管构成，通过改变控制角实现调压。这类节能调 控设备对照明系统的电压调节速度快，精度高，可分时段实时调整，有稳压作用，因为主要 是电子元件，相对来说体积小、设备轻、成本低。但该调压方式由于输出的正弦波不完整，会 出现大量的谐波，形成对电网系统谐波污染，危害极大，尽管可以通过串入电感的方法来抑 制高次谐波，但所需电感体积较大，且电感引起的压降也不容忽视此外，而且当控制角较大 时，功率因数减少，电流中谐波的幅值相对大，滤波器的体积大。同时，现代照明设计要求规 定，照明系统中功率因数必须达到0. 9以上，而气体放电灯的功率因数一般在0. 5以下，从 而都要设计电容补偿功率因数，但是这类设备不能用在有电容补偿的电路中。另外在启动 控制过程中的冲击电压对照明灯具的寿命也有较大影响，同时其电子元件对恶劣运行条件 的适应能力也较差，目前市场上此类照明节电产品已比较少见。现在市场上多数照明节电产品采用电磁降压方式，它的原理是通过自耦变压器根 据输入电压高低情况，连接不同的固定变压器抽头，将电网电压降低一定的水平，从而达到降压节能的目的。这类产品最大的优点是克服了可控硅调压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，可靠性也比较高。其电路基本原理图如图26 所示，由图26看出，装置串联在用电负载回路中，根据电网电压的波动情况，调节档位开 关，使装置输出保持在一定的电压水平，达到节约电能的目的。
此类产品主要存在下面三个问题(1)当电源电压偏低或节电装置故障时，为了 使负载正常运行，节电装置需要从节电状态转换到旁路状态，当电源电压或节电装置恢复 正常后，节电装置需要从旁路状态转换到节电状态，现有此类照明节电产品的节电、旁路状 态转换均采用节电主接触器KMl和旁路主接触器KM2互锁的方式进行状态转换，即从节电 状态转换到旁路状态时，先断开节电主接触器KMl，然后闭合旁路主接触器KM2的方式实现 状态转换；从旁路状态转换到节电状态时，先断开旁路主接触器KM2，然后闭合节电主接触 器KMl的方式实现状态转换。根据电路暂态电气特征分析知道，这种状态转换方式，势必造 成负载侧的电源瞬时断电和过电压冲击现象，导致负载不能正常工作(比如电脑由于瞬间 断电重启，丢失运行数据等)，甚至损坏用电设备。此类照明节电产品状态转换过程中在负 载侧产生的电压闪断和过电压典型波形如图27所示。(2)常规节电装置工作在节电状态时，当电网电压波动，需要调节节能档位开关 时，节电装置的η个档位开关也是通过互锁实现档位调节的，这样在档位调节过程中，也会 出现瞬间的电压闪断和过电压现象，严重影响了负载的正常工作，且对负载造成了频繁的 冲击，降低了用电设备使用寿命。(3)常规照明节电装置的电磁档位调节是在火线侧进行，在调节过程中容易产生 电弧，对电网造成了污染。文献《电磁式智能照明节电装置》(中华人民共和国国家知识产权局，实用新型专 利说明书，03225323.0，2004，07，07，王绿莎)公开了一种基于自耦变压器和接触器的抽头 电压调节控制装置，是上述常规照明节电装置的典型代表。文献《调零式智能照明节电器》(中华人民共和国国家知识产权局，实用新型专利 说明书，200820226197.0，2008，11，18，戈长征，孙冬云，张培强等)公开了一种调零式智能 照明节电器，从零线侧实现电压的档位调节，但其自耦变压器结构复杂，设计困难，且档位 调节过程中需要多个接触器的配合才能实现，档位调节工作过程中会对负载产生频繁的过 电压冲击，且文献中对于节电装置从节电状态到旁路状态的转换会存在电压闪断的问题没 有涉及。综上所述，发明一种状态转换过程无电压闪断，无过电压冲击、工作稳定可靠的电 磁式照明节电装置，对于照明设备的电力节能、减少碳排放具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于逻辑控制的状态转换无闪断、无过电 压照明节电装置，本装置在工作状态转换过程无电压闪断，无过电压冲击、工作稳定可靠， 可以解决现有照明节电装置中存在的各种缺陷，并且长时间可靠稳定运行。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是基于逻辑控制的状态转换无闪断、无 过电压照明节电装置，包括连接在市电火线端的节电开关，所述节电开关串联有固定节电 线圈，所述固定节电线圈后串联有节电线圈组，所述节电线圈组包括依次串接在节电线路中的至少两个节电档位线圈，每个所述节电档位线圈的末端分别与所述照明供电电源的零 线之间电连接有节电档位控制开关，每个所述节电档位线圈的末端还电连接有档位辅助缓 冲控制开关，所有所述档位辅助缓冲控制开关的输出端电连接至档位缓冲器的输入端，所 述档位缓冲器的输出端电连接至所述照明供电电源的零线，所述节电线圈组的两端具有节 电照明电源输出端子；所述市电火线端与所述固定节电线圈的末端之间连接有旁路开关。作为一种改进，所述档位缓冲器为阻容缓冲电路。 作为进一步改进，所述阻容缓冲电路包括相互并联的电阻和电容。作为另一种改进，所述固定节电线圈和所述节电线圈组结合为自耦变压器结构。作为进一步改进，所述节电开关为节电接触器的常开触点。作为进一步改进，所述旁路开关为旁路接触器的常开触点。作为进一步改进，所述节电档位控制开关为节电档位接触器的常开触点。作为进一步改进，所述档位辅助缓冲控制开关为档位辅助缓冲接触器的常开触 点ο由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是当电网交流电压作用到基于逻 辑控制的状态转换无闪断、无过电压照明节电装置上时，该装置根据电网电压幅值的变化 自动调整其工作状态。当电网电压偏高时，该装置工作在节电状态下，根据电网输入电压 的具体数值决定工作在哪个节电档位；当电网电压偏低，不具备节电条件时，该装置自动从 节电状态转换到旁路状态，节电装置退出运行；当电网电压再次升高后，该装置会自动从旁 路状态进入节电状态运行。而且该装置的调节都是在交流电压零线侧进行的，使本发明在 实现了档位调节过程中无过电压冲击，在状态转换过程中无电压闪断的功能后，还具有如 下两个特点一、在零线侧调整磁通的方式调节输出电压，电磁调节过渡过程中不易产生电 弧。二、装置在节电状态运行时，即使相应节电档位接触器出现故障断路，负载电压会上升 到电网电压，不会因为节电档位接触器的断路故障使得负载断电，保证了负载供电可靠性。
图1是本发明实施例的电路原理图；图2是本发明实施例工作在节电状态1档时的等效电路图；图3是图2中节电档位接触器的常开触点K1断开时的等效电路图；图4是图1中节电档位接触器的常开触点K1闭合状态到档位辅助缓冲接触器的 常开触点k/闭合过程的等效电路图；图5是图1中从档位辅助缓冲接触器的常开触点k/闭合状态到节电档位接触器 的常开触点K1断开过程的等效电路图；图6是图5的仿真模型图；图7是图6仿真后得到的节电线圈组L1的电压波形图；图8是档位缓冲器中C与R参数设置不合适时仿真后得到的节电线圈组L1的电 压波形图；图9是图1中从档位辅助缓冲接触器的常开触点k/闭合状态到节电档位接触器 的常开触点K2闭合过程的等效电路图；图10是图9的仿真模型图11是图10仿真后得到的电感线圈L2的电压波形图；
图12是图1中从节电档位接触器的常开触点K2闭合状态到档位辅助缓冲接触器 的常开触点k/断开过程的等效电路图；图13是图1中从节电档位接触器的常开触点K2断开到节电档位接触器的常开触 点&闭合过程的等效电路图；图14是图1中从节电档位接触器的常开触点K1闭合状态到档位辅助缓冲接触器 的常开触点k2'断开过程的等效电路图；图15是图14的仿真模型图；图16是图15仿真后得到的节电线圈组L1电压波形图；图17是图1中从节电档位接触器的常开触点Kpl闭合状态到节电档位接触器的 常开触点K1断开过程的等效电路图；图18是图1中从节电档位接触器的常开触点K1断开到旁路接触器的常开触点Kp 闭合过程的等效电路图；图19是图1中从旁路接触器的常开触点Kp闭合状态到节电接触器的常开触点Kj 断开过程的等效电路图；图20是图1中从旁路接触器的常开触点Kp闭合状态到节电接触器的常开触点Kj 闭合过程的等效电路图；图21是图1中从节电接触器的常开触点&闭合状态到旁路接触器的常开触点Kp 断开过程的等效电路图；图22是图1中从旁路接触器的常开触点Kp断开到节电档位接触器的常开触点K1 闭合过程的等效电路图；图23是本发明实施例的硬件结构框图。图24是本发明实施例键盘操作模块的按键分布图；图25是本发明实施例控制程序流程图；图26是现有技术的电路原理图；图27是现有技术中节电状态与旁路状态转换时产生的电压闪断和过电压示意 图。
具体实施例方式本发明工作原理图如附图1所示，其中，节电接触器的常开触点为Kp旁路接触器 的常开触点为Kp，IV"Kn为节电档位接触器的常开触点，K1'…Kn'分别为档位辅助缓冲接 触器的常开触点。R、C并联电路为档位缓冲器，L1为节电线圈组的总电感，其余电感符号 L2、L/、L'、‘2代表的电感在附图中已经详细标记，不再说明。附图1中，当电网交流电压作用到装置上时，节电装置根据电网电压幅值的变化 自动调整其工作状态。当电网电压偏高时，节电装置工作在节电状态下，根据电网输入电压 的具体数值决定工作在哪个节电档位；当电网电压偏低，不具备节电条件时，节电装置自动 从节电状态转换到旁路状态，节电装置退出运行，当电网电压再次升高后，节电装置会自动 从旁路状态进入节电状态运行。下面分开描述节电装置在各种不同状态下的基于逻辑控制 的工作过程。
1.节电状态下的节电档位转换过程电网电压是随机变化的，当节电装置工作在节电状态时，节电档位会随着电网电 压的波动而调整档位的变化，当节电状态从某一档位(假设为节电档位X1)切换到另一档 位(假设为节电档位X2)的逻辑控制过程如下①与节电档位接触器的常开触点X1并联的 档位辅助缓冲接触器的常开触点X1'闭合，R、C并联缓冲电路投入电路中。②断开节电档 位接触器的常开触点&。由于在断开节电档位接触器的常开触点X1前，已经将与其并联的 过电压缓冲电路接入，所以在断开节电档位接触器的常开触点X1时不会产生过电压。③闭 合节电档位接触器的常开触点χ2。④断开档位辅助缓冲接触器的常开触点X1'，缓冲电路 退出运行。 经过上述缓冲电路和逻辑控制方法配合的档位转换过程，使得节电装置在节电状 态转换过程中不会产生过电压冲击，保护了节电装置，尤其是节电档位接触器的常开触点， 也避免了状态转换过程中过电压对用电负载的冲击。2.节电到旁路的状态转换过程当电网输入电压偏低，或者节电装置出现故障，或者负载出现过电流现象时，节电 装置需要由节电状态转换到旁路状态，使节电装置退出运行。假设节电到旁路状态转换前， 节电装置处于某一档位X1,由节电状态转换到旁路状态的逻辑控制过程如下①断开节电 档位接触器的常开触点Xi。②闭合旁路接触器的常开触点κρ。③断开节电接触器的常开触 点Kj O通过上述逻辑控制，实现了节电到旁路的状态转换过程，由于节电接触器的常开 触点&和旁路接触器的常开触点Kp有一个同时闭合的过程，所以在状态转换过程中不产生 电压闪断问题，详细的理论分析与说明见后续具体实施方案。3.旁路到节电的状态转换过程当装置初始上电，或过流等故障排除后，需要节电装置从旁路状态转换到节电状 态，使节电装置投入运行。假设旁路到节电转换需要转入节电档位接触器的常开触点X2 (具 体转入哪个节电档位，由状态转换时电网输入电压的幅值决定)，其逻辑控制过程如下① 闭合节电接触器的常开触点Kj。②断开旁路接触器的常开触点κρ。③闭合节电档位接触器 的常开触点X2。通过上述逻辑控制，实现了旁路到节电的状态转换过程，由于节电接触器的常开 触点&和旁路接触器的常开触点Kp有一个同时闭合的过程，所以在状态转换过程中不产生 电压闪断问题，详细的理论分析与说明见后续具体实施方案。如附图1所示，节电档位接触器的常开触点的调节都是在交流电压零线侧进行 的，且节电装置电路的特殊设计方式使得本节电装置在实现了档位调节过程中无过电压冲 击，在状态转换过程中无电压闪断的功能后，还具有如下两个特点①在零线侧调整磁通的 方式调节输出电压，电磁调节过渡过程中不易产生电弧。②装置在节电状态运行时，即使相 应节电档位接触器出现故障断路，负载电压会上升到电网电压，不会因为节电档位接触器 的断路故障使得负载断电，保证了负载供电可靠性。以上描述的是本实施例的基本工作原理，为便于理解本发明，下面对本实施例作 更进一步地说明。本发明公开的状态转换过程无电压闪断，无过电压冲击、工作稳定可靠的电磁式照明节电装置，适用于三相四线制、相电压为220V的交流照明设备节电。其主电路结构图 如附图1所示。下面详细分析装置在节电状态下、节电和旁路之间状态转换过程的逻辑控 制方法和原理分析，在分析过程中也阐述了本发明节电装置的节电原理与方法。1.该节电装置节电原理分析(增加有点分析，档位断开，依然保持供电可靠性，零 线调磁通等)附图1中，当该节电装置工作在节电状态时，节电装置首先设定好一个输出电压 最优数值，当电网输入电压波动时，节电装置根据电网输入电压的幅值情况，调整节电档位 开关工作在不同的档位，始终使装置的输出电压稳定在最优设定值附近，从而实现了节约 电能和保护设备遭受过电压的双重目的。以装置工作在节电状态1为例，其等效电路图如 附图2所示，由电路图得到U0 = 1^UiKUi 由于照明设备近似可看作阻性负载，当电网电压U1直接作用在负载上时，其功率
TJ2JT2
为尸=i，当电网电压Ui经过节电装置作用在负载上时，其功率为/>’=·^_,可以得到， ZZ
P' <ρ。由于节电装置的输出电压U。是一个优化电压值，所以照明负载在此电压水平下工
作时，并不影响照明负载性能，且节约了电力能源。附图3为节电档位接触器的常开触点K1断开时装置的等效电路，由附图3可知， 当节电档位接触器的常开触点&因故障原因断开或接触不良时，供电工频交流电源Ui可通 过节电接触器的常开触点Kj、小电感L'与负载Z相连，保证了负载供电可靠性，此种情况 对于其它节电状态节电档位接触器的常开触点k2 A kn均适用。此外，因为流经节电装置公共绕组的电流为一次、二次绕组电流之差，电流值较 小，所以该节电装置采用零线调档的方式，降低了接触器的容量，避免了接触器长时间工作 于大电流工作状态，延长了接触器的使用寿命。2.节电状态下的节电档位转换逻辑控制方法及原理分析节电状态之间的相互转换分为两种情况，一种是高档位向低档位的切换，一种是 低档位向高档位的切换。本发明中的高档位是指节电装置输出电压等级较高的档位，低档 位是指节电装置输出电压等级较低的档位，如附图1中，节电档位接触器的常开触点IqAkn 为节电装置从高档位到低档位的排列，其中，&投入工作时代表装置工作在节电状态1，kn 投入工作时代表装置工作在节电状态η。两种情况的等效电路和分析方法不同，但是逻辑控 制方式类似。下面对两种情况进行分析2. 1高档位向低档位的切换分析当节电装置由高档位向低档位切换时，假设装置目前工作在节电状态1，从节电状 态1向节电状态2切换，此时Ic1处于闭合状态，具体的逻辑控制操作过程如下从Ic1闭合状 态(装置工作在节电状态1) —k/闭合一Ic1断开一k2闭合一k/断开。从而完成了节电 状态1到节电状态2的无过电压冲击状态转换。下面详细分析论证各步逻辑控制策略，证明状态转换过程无过电压冲击。(1)从1^闭合状态(装置工作在节电状态1) —k/闭合过程，其等效电路如附图 4所示，(附图4中，巧为电感L1的内阻，设巧=0.01Ω，Γ为线路内阻，设r = 0. 1 Ω )，当ki ‘闭合，接入缓冲支路，但是ki支路将缓冲支路短路，变压器维持在节电状态1运行，此过 程无过电压产生。(2)从k/闭合状态一Ic1断开过程，其等效电路如附图5所示。Ic1 断开瞬间，初始条件为 Uc (0+) = Uc (0J = 0，L (0+) = iLi (0+ ) = iLx (0_) 二 I0。由附图5电路列微分方程得
权利要求
基于逻辑控制的状态转换无闪断、无过电压照明节电装置，其特征在于包括连接在市电火线端的节电开关，所述节电开关串联有固定节电线圈，所述固定节电线圈后串联有节电线圈组，所述节电线圈组包括依次串接在节电线路中的至少两个节电档位线圈，每个所述节电档位线圈的末端分别与所述照明供电电源的零线之间电连接有节电档位控制开关，每个所述节电档位线圈的末端还电连接有档位辅助缓冲控制开关，所有所述档位辅助缓冲控制开关的输出端电连接至档位缓冲器的输入端，所述档位缓冲器的输出端电连接至所述照明供电电源的零线，所述节电线圈组的两端具有节电照明电源输出端子；所述市电火线端与所述固定节电线圈的末端之间连接有旁路开关。
2.如权利要求1所述的基于逻辑控制的状态转换无闪断、无过电压照明节电装置，其 特征在于所述档位缓冲器为阻容缓冲电路。
3.如权利要求2所述的基于逻辑控制的状态转换无闪断、无过电压照明节电装置，其 特征在于所述阻容缓冲电路包括相互并联的电阻和电容。
4.如权利要求1所述的基于逻辑控制的状态转换无闪断、无过电压照明节电装置，其 特征在于所述固定节电线圈和所述节电线圈组结合为自耦变压器结构。
5.如权利要求1所述的基于逻辑控制的状态转换无闪断、无过电压照明节电装置，其 特征在于所述节电开关为节电接触器的常开触点。
6.如权利要求1所述的基于逻辑控制的状态转换无闪断、无过电压照明节电装置，其 特征在于所述旁路开关为旁路接触器的常开触点。
7.如权利要求1所述的基于逻辑控制的状态转换无闪断、无过电压照明节电装置，其 特征在于所述节电档位控制开关为节电档位接触器的常开触点。
8.如权利要求1所述的基于逻辑控制的状态转换无闪断、无过电压照明节电装置，其 特征在于所述档位辅助缓冲控制开关为档位辅助缓冲接触器的常开触点。全文摘要
本发明公开了一种基于逻辑控制的状态转换无闪断、无过电压照明节电装置及其控制方法，包括节电开关，所述节电开关依次串联有固定节电线圈和节电线圈组，所述节电线圈组包括依次串接在节电线路中的至少两个节电档位线圈，每个所述节电档位线圈的末端分别通过节电档位控制开关电连接零线，每个所述节电档位线圈的末端还电连接有档位辅助缓冲控制开关，所有所述档位辅助缓冲控制开关通过档位缓冲器电连接零线，所述节电线圈组的两端连接负载；所述市电火线端与所述固定节电线圈的末端之间连接有旁路开关。本发明根据电网电压的波动自动调整供电状态，在状态转换过程中不会产生过电压冲击，也不会出现电压闪断及电弧现象，保证了负载供电可靠性。
文档编号H05B37/02GK101965081SQ201010152499
公开日2011年2月2日 申请日期2010年4月17日 优先权日2010年4月17日
发明者季涛 申请人:季涛