專利名稱：變壓器初級無觸點調壓的照明節能裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及照明節能的控制，特別是變壓器初級繞組無觸點調壓的照明節能裝置 的智能控制，屬于無觸點交流調壓技術領域。 背彔技術
當前市場上絕大多數的電磁調壓節能產品都是采用交流接觸器換檔調壓的，由于 觸點動作的響應速度不夠快，加上觸頭的過流能力有限，換檔時存在的沖擊電流常會 引起接觸器觸頭燒焊現象，使接觸器不能分斷，降低了產品的可靠性和使用壽命。因 此,在運行中必須對觸頭進行經常的維護和更換，增加運行成本。另外，采用交流接觸 器換檔調壓的照明節能產品用于高強度氣體放電燈(HID燈)負載時通常會出現燈容易 熄滅、容易損壞等問題。原因是在電壓檔位變化時導致HID燈電流不連續，甚至有可 能產生沖擊電流及瞬時過電壓，容易導致HID燈熄滅或重新點亮，加速HID燈老化、 縮短使用壽命。對于變壓器初級采用交流接觸器換檔調壓的產品，在帶負載變換檔位 調壓的過程中接觸器觸點的瞬時斷開極易產生幾千伏甚至上萬伏的高壓，容易損傷變壓器。
無觸點調壓換檔的過渡時間為微秒級，比常用的交流接觸器的觸點換檔過渡時間 快上千到上萬倍！因而可以做到調壓換檔時電流無間斷、無電流沖擊、無過電壓現象。 但如果無觸點產品換檔調壓的技術未過關，對復雜多變的電網干擾信號不能進行準確 地檢測與判斷，或者是電路不夠合理，就會導致產品自身的可靠性很差。
無觸點電磁調壓的優點是十分明顯的，但是，目前一些大學及企業研制或生產的 無觸點調壓產品只能適應純電阻性負載或前端有整流裝置的負載，采用的是電壓零點 換檔技術，為防止錯誤地換檔，有的產品在無觸點回路中串聯電阻或電感類的元件以 限制換檔帶來的巨大電流沖擊，保護無觸點器件，提高產品的可靠性。而對于高壓鈉 燈之類高強度氣體放電燈，屬于電感性非線性負載，采用無觸點調壓時，存在著被一 些大學及企業稱為容易"炸管"的世界難題，他們曾投入大量人力和物力進行了攻關 研究，但在實際應用中均未成功，他們得出的結論就是在感性負載下無觸點難以可靠 地換檔調壓。《照明工程學報》(道路照明《增刊)2006年第1期的"照明節電器產品 的技術走向與技術規范"一文指出"電磁自耦變壓器抽頭SCR切換產品的優點是效率 比較高，噪音比較低，輸出純正弦波電壓，輸出電壓突變式調節，適應所有燈光負載; 缺點是體積大且笨重，對城市道路照明的HID燈，突變式降壓有滅燈現象，電壓無法 精確控制，由于多SCR開關切換時有共態導通，或短時開路引起過壓，切換時有浪涌電流或浪涌電壓，故障率高。結論是此類產品屬于電磁變壓器與電力電子開關技術結 合，SCR切換技術難以處理或誤觸發，導致可靠性較低，目前沒有成熟產品。"
目前市場上沒有在變壓器初級使用無觸點開關切換檔位的照明節能產品，因為控 制不好就極易在變壓器初級繞組上產生幾千伏甚至上萬伏的高壓，容易損傷無觸點開 關或變壓器。
目前有在變壓器次級用無觸點開關切換檔位的照明節能產品，如專利 ZL200520139604.0,雖然做到了調壓換檔時電流無間斷、無電流沖擊、無過電壓，但 其體積較大，生產成本高。 發明內容
本發明的目的是提供一種高可靠、高性能、低成本、小體積的變壓器初級無觸點 調壓的照明節能裝置，具有電壓保持單元和浪涌保護單元，能夠做到檔位切換時快速 可靠，并且電流無間斷、無電流沖擊、無過電壓產生，在節能的同時還能夠真正延長 燈具的壽命，減少燈具的維護工作量。用戶還可以通過計算機方便地査看或重新配置 該裝置的各種工作參數，并能夠通過網絡實現遠程控制或集中監控。
本發明是這樣實現的變壓器初級無觸點調壓的照明節能裝置，通過檢測單元對 交流電壓及電流進行取樣，通過檢測單元的轉換電路將交流信號線性地轉換為ADC使 用的直流電壓采樣信號，檢測單元同時產生電壓零點信號和電流零點信號；智能單元 將釆樣信號轉換為數字信號并進行相關的計算、分析與處理，與用戶配置的參數比較， 確定是正常輸出還是進行過壓、欠壓、過電流保護或旁路操作，同時對電壓零點信號 和電流零點信號進行數字濾波、變換，確定輸出到無觸點開關的控制代碼；通過無觸 點開關單元接通變壓器初級抽頭確定的檔位；通過電壓保持單元將無觸點開關變換檔 位時的電壓瞬時保持，以確保無觸點切換的準確可靠；通過浪涌保護單元對節能裝置 進行輔助保護，吸收外部雷擊等因素造成的浪涌電壓，保護無觸點開關；通過輸出及 指示單元輸出旁路保護信號及過壓、欠壓、過流等故障指示信號；通過通訊接口單元
實現遠程控制或集中監控等功能，其特征是包括以下硬件電路 電源[l]:為節能裝置提供直流工作電源；
輸入單元[2]:選擇人工旁路或正常穩壓工作方式，與智能單元[3]相連； 智能單元[3]:內含程序存儲器、非易失性可擦寫存儲器、AD轉換電路及控制 程序；
輸出及指示單元[4]:用于輸出旁路保護信號及過壓、欠壓、過流等故障指示信
號，與智能單元[3]相連；
無觸點開關單元[5]:用于接通變壓器初級的抽頭，與智能單元[3]和變壓器 [10]相連；
通訊接口單元[6]:用于與外部通訊，與智能單元[3]相連；
電壓保持單元[7]:用于將無觸點開關變換檔位時的電壓瞬時保持，與變壓器[10]
4相連；
浪涌保護單元[8]:用于吸收外部雷擊等因素造成的浪涌電壓，與變壓器[10] 相連；
檢測單元[9]:對交流電壓及電流進行取樣與轉換，與智能單元[3]和變壓器相連；
變壓器[10]:根據無觸點開關接通初級繞組不同的抽頭進行電磁調壓。
無觸點開關單元[5]中的主要器件為電子開關，可以接通變壓器初級繞組的抽頭。
電壓保持單元[7]中含有電容類的貯能元件，能夠在短時間內保持電壓相對穩定。
本發明是按照上述構思使用上述主要部件組合而成的。其工作原理是通過檢測
單元對交流電壓及電流進行取樣，通過檢測單元的轉換電路將交流信號線性地轉換為
ADC使用的直流電壓采樣信號，檢測單元同時產生電壓零點信號和電流零點信號；智能
單元將采樣信號轉換為數字信號并進行相關的計算、分析與處理，與用戶配置的參數 比較，確定是正常輸出還是進行過壓、欠壓、過電流保護或旁路操作，同時對電壓零 點信號和電流零點信號進行數字濾波、變換，確定輸出到無觸點開關的控制代碼，智
能單元還通過檢測單元提供的信息快速確定熔斷器或可控硅是否處于開路狀態；通 過無觸點開關單元接通變壓器初級抽頭確定的檔位；通過電壓保持單元將無觸點開關 變換檔位時的電壓瞬時保持，以確保無觸點切換的準確可靠；通過浪涌保護單元對節 能裝置進行輔助保護，吸收外部雷擊等因素造成的浪涌電壓，保護無觸點開關；通過 輸出及指示單元輸出旁路保護信號及過壓、欠壓、過流等故障指示信號；通過輸入單 元選擇人工旁路或正常穩壓工作方式；通過通訊接口單元實現遠程控制或集中監控等 功能。利用變壓器的初級繞組調壓，可以使整個裝置的綜合性能高、體積小、成本低。
單片機在上述相關電路及軟件的調度下，構成了高可靠、體積小、各種工作參 數均能方便查看或配置的變壓器初級無觸點調壓的照明節能裝置。
變壓器初級無觸點調壓的照明節能裝置既可以是單相的，也可以是三相的。三相 電路具有三組結構基本相同的單相電路，三相獨立控制，以保證在三相負載不平衡 時各相能夠獨立工作。
計算機通過通訊接口單元[6]給智能單元[3]發送相應的指令，可以方便地 讀取或重新配置各種參數。通訊方式可以是直接與智能單元相連的方式，也可以是 通過有線網絡或無線網絡遠程通訊方式。
本發明的優點及效果
(1) 集中了自耦變壓器、無觸點開關等先進的交流調壓技術為一體，具有效率高、 調節快、無機械運動部件、可靠性高、使用壽命長、適用范圍廣等特點。
(2) 調壓回路中沒有串接電阻、電感類的限流元件，通過電壓保持單元可確保檔位變換時對電網無沖擊，不會影響周邊設備用電。
(3) 內嵌快速工作程序、全檔位快速自動循環測試程序，以便加速產品檢驗過程， 或隨時驗證產品在無觸點切換時的可靠性。
(4) 在一定的輸入電壓范圍內具有穩壓功能，從一檔切換到另一檔的過渡時間為 微秒級，能夠保證切換快速、可靠、無電流沖擊或過電壓現象。
(5) 能適應阻性、感性、容性、高強度氣體放電燈等各種負載，通過對電壓電流 信號的檢測與數字處理，能在計算機軟件上顯示功率因數、視在功率、有功功率、節 能率等。
(6) 無觸點開關工作在全周波導通狀態，因而穩壓器基本無附加諧波產生，屬于 綠色環保節電產品。
(7) 電壓及電流均采用有效值采樣，精度高。
(8) 隨時監控每相工作狀態，具有過壓、欠壓、過流等指示，及時采取保護動作， 大大提高了產品的可靠性和安全性。
(9) 能快速檢測熔斷器或可控硅的開路狀態， 一旦發現故障，立即自動旁路工 作并告警，保證了用電設備不斷電。
(10) 可配置的工作參數在停電的情況下仍然不會丟失。
(11) 通過使用通訊模塊，可以方便地進行遠程控制或集中監控可以遠程査看或 更改工作參數。
(12) 具有雙重智能節能控制，可以遠程控制其工作的節能檔位，也可以令其自動 穩壓工作。
(13) 體積小，重量輕，成本低。以下結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是本發明的電路原理方框圖。
圖2是實施例的變壓器與無觸點開關連接的電路原理圖。 圖3是實施例智能單元及相關單元的控制電路原理圖。 圖4是實施例檢測單元的電路原理圖。
具體實施方式
參看圖1，智能單元[3]分別與輸入單元[2]、輸出及指示單元[4]、無觸點 開關單元[5]、通訊接口單元[6]、檢測單元[9]構成電氣連接；變壓器[10]的 初級具有多個抽頭，與電壓保持單元[7]、無觸點開關單元[5]、浪涌保護單元[8]、 檢測單元[9]構成電氣連接；電源[1]為整個裝置提供直流工作電壓和電流，與 相關的部分構成電氣連接。智能單元在上述相關電路及軟件的調度下，構成了變壓 器初級無觸點調壓的照明節能裝置。
參看圖2,變壓器Tl的初級有W2 W5共4個繞組，S1 S4組成無觸點開關單元，本實施例中P采用雙向可控硅作為無觸點開關，通過G1 G4的控制信號可以控 制相應的雙向可控硅接通變壓器Tl不同繞組的抽頭，以改變串聯在主回路中繞組 Wl的輸出電壓，從而改變輸出到負載的電壓，以達到節能的目的，F1 F3是保護無 觸點開關的熔斷器。壓敏電阻RV1 RV4組成浪涌保護單元，用于吸收外部雷擊等因 素造成的浪涌電壓，保護無觸點開關。電容C1、電阻R1、 R2組成電壓保持單元，將無 觸點開關變換檔位時的電壓瞬時保持，以確保無觸點切換的準確可靠。模塊M2用于檢 測變壓器的初級電流，提供給圖4中的電路進行處理。
參看圖3，從插座CZ1輸入交流市電，經過電源模塊Ml穩壓輸出+9V和一9V 的直流電壓，為本裝置供電，Ml可以使用市場上通用的開關電源模塊或線性穩壓電 源。+9V電源通過穩壓集成電路U1 (型號為LM7805)輸出5V電壓，為相關的電路 供電，Dl是發光二極管，作為電源指示用。再通過穩壓集成電路U2 (型號為LD33) 輸出+3.3V電壓，為智能單元及相關的電路供電。C2 C5是電源濾波用的電容。電 阻R5和電容C6給智能單元提供上電復位信號。
插座CZ2輸入人工旁路和穩壓工作方式的信號，與單片機模塊U3構成電氣連接。 1、 2腳間短路時，表示進入人工旁路工作方式；2、 3腳間短路時，表示進入穩壓節 能工作方式；1、 2、 3引腳都開路時，表示本裝置工作在用戶配置的按檔位延時節 能工作方式。電阻R6 R9、電容C7、 C8是抗干擾用的元件，D2 D5是保護用的二 極管。
插座CZ3是備用的擴充接口，用于輸入外部旁路裝置的控制信號和溫度開關的 信號，與單片機模塊U3構成電氣連接。用戶根據需要選用此功能，使用此功能時需 要在智能單元中增加相應的軟件控制功能。電阻R10 R13、電容C9、 C10是抗干擾 用的元件，D6 D9是保護用的二極管。
智能單元[3]由高速、高性能單片機模塊U3構成，模塊型號為MCT801C，其 內部集成有振蕩器、在系統可編程的FLASH存儲器、JTAG調試電路、溫度傳感器、 模數轉換電路(ADC)、通用16位定時器/計數器、硬件SMBus (12C兼容)、UART串 口等，它是本裝置的核心控制器件。智能單元通過檢測單元提供的信息能快速確定 熔斷器或可控硅是否處于開路狀態。
通訊接口單元[6]由插座CZ4、電阻R15 R18、光電耦合器U4、 U5組成，與 單片機模塊構成電氣連接。CZ4的第2、 3引腳分別為數據接收引腳和數據發送引腳， 第1、 4引腳為通訊用電源。單片機通過此接口與計算機串口或用戶的GPRS/CDMA模 塊連接，以便通過計算機對本裝置進行直接監控或無線遠程監控。
插座CZ5是備用的擴充接口，是輸出及指示單元的輸出控制部分，可用于擴充 外部的輸出控制及旁路控制。
插座CZ6是單片機模塊的編程接口，僅當軟件需要更新或升級時，才使用此接 口進行編程操作。插座CZ7是檢測單元接口，與圖4中的CZ9的對應引腳構成電氣連接。
輸出與指示單元[4]的指示部分由發光二極管D10 D15、電阻R22 R28、三 極管V1、電容C13、蜂鳴器FM1組成，與單片機模塊構成電氣連接。當單片機模塊 檢測到過壓時第33腳輸出高電平，發光二極管D15點亮；當單片機模塊檢測到欠壓 時第32腳輸出高電平，發光二極管D14點亮；當單片機模塊檢測到過電流時第31 腳輸出高電平，發光二極管D13點亮；當單片機模塊檢測到過壓、欠壓、過電流、 熔斷器開路或其它故障時，第26腳輸出間斷的高電平，發光二極管D10閃亮，通過 三極管VI驅動FM1發出提示音。
隔離與驅動模塊DRV1 DRV4的輸入端與單片機模塊構成電氣連接，輸出端與圖 2中作為無觸點開關的雙向可控硅的控制極構成電氣連接，用于根據無觸點開關的控 制代碼控制相應的雙向可控硅選擇接通變壓器相應的抽頭，以便調整輸出電壓。
參看圖4， U6及周圍的相關元器件構成檢測單元的轉換電路，插座CZ8是交流電 壓和電流采樣信號的輸入端，其中1、 2腳是電流信號輸入端，4、 5腳是電壓信號 輸入端。變壓器T2的作用是隔離與降壓，給電壓有效值轉換模塊提供適當的電壓信 號。電阻R30 R33、 二極管D16、 D17構成分壓電路，電位器RP1、 RP2是分別校準 電壓和電流測量值的，電壓有效值轉換模塊U6 (型號為MVI — 2C)將2路交流電壓 信號的有效值轉換為直流信號，從第9腳和第10腳輸出，通過CZ9與單片機模塊連 接，由單片機模塊將模擬信號轉換為數字信號。電阻R34 R37、 二極管D18、 D19、 可控穩壓器U7、 U8 (型號為TL431)的作用是防止電壓有效值轉換模塊的輸出電壓 過高，對單片機模塊進行保護。
運算放大器U9A、 U9B的作用是檢測出電壓零點及電流零點信號，通過CZ9與單 片機模塊連接，單片機模塊將此信號作為測量交流電源頻率和電流相位的信號，同 時對該信號進行進行數字濾波、變換，以便確定輸出到無觸點開關的控制代碼。電阻 R38、電容C14是濾波電路，電阻R39 R46是配合電路檢測的工作電阻。CZ9與圖3 中的CZ7構成電氣連接。
圖2、圖3、圖4中網絡編號相同的均構成電氣連接。
權利要求1、變壓器初級無觸點調壓的照明節能裝置，通過檢測單元對交流電壓及電流進行取樣，通過檢測單元的轉換電路將交流信號線性地轉換為ADC使用的直流電壓采樣信號，檢測單元同時產生電壓零點信號和電流零點信號；智能單元將采樣信號轉換為數字信號并進行相關的計算、分析與處理，與用戶配置的參數比較，確定是正常輸出還是進行過壓、欠壓、過電流保護或旁路操作，同時對電壓零點信號和電流零點信號進行數字濾波、變換，確定輸出到無觸點開關的控制代碼；通過無觸點開關單元接通變壓器初級抽頭確定的檔位；通過電壓保持單元將無觸點開關變換檔位時的電壓瞬時保持，以確保無觸點切換的準確可靠；通過浪涌保護單元對節能裝置進行輔助保護，吸收外部雷擊等因素造成的浪涌電壓，保護無觸點開關；通過輸出及指示單元輸出旁路保護信號及過壓、欠壓、過流等故障指示信號；通過通訊接口單元實現遠程控制或集中監控等功能，其特征是包括以下硬件電路電源[1]為節能裝置提供直流工作電源；智能單元[3]內含程序存儲器、非易失性可擦寫存儲器、AD轉換電路及控制程序；輸出及指示單元[4]用于輸出旁路保護信號及過壓、欠壓、過流等故障指示信號，與智能單元[3]相連；無觸點開關單元[5]用于接通變壓器初級的抽頭，與智能單元[3]和變壓器[10]相連；通訊接口單元[6]用于與外部通訊，與智能單元[3]相連；電壓保持單元[7]用于將無觸點開關變換檔位時的電壓瞬時保持，與變壓器[10]相連；浪涌保護單元[8]用于吸收外部雷擊等因素造成的浪涌電壓，與變壓器[10]相連；檢測單元[9]對交流電壓及電流進行取樣與轉換，與智能單元[3]和變壓器[10]相連；變壓器[10]根據無觸點開關接通初級繞組不同的抽頭進行電磁調壓。
2、 根據權利要求1所述的變壓器初級無觸點調壓的照明節能裝置，其特征是電壓保持單元[7]中含有電容類的貯能元件，能夠在短時間內保持電壓相對穩定。
3、 根據權利要求1所述的變壓器初級無觸點調壓的照明節能裝置，其特征是無 觸點開關單元[5]中的主要器件為電子開關，可以接通變壓器初級繞組的抽頭。
專利摘要變壓器初級無觸點調壓的照明節能裝置，具有電壓保持單元和浪涌保護單元，智能單元將采樣信號轉換為數字信號并進行相關的計算、分析與處理，同時對電壓零點信號和電流零點信號進行數字濾波、變換，以確保檔位切換時快速可靠，并且電流無間斷、無電流沖擊、無過電壓產生，在節能的同時還能夠真正延長燈具的壽命，減少燈具的維護工作量。利用變壓器的初級繞組調壓，可以使整個裝置的綜合性能高、體積小、成本低。用戶還可以通過計算機方便地查看或重新配置該裝置的各種工作參數，并能夠通過網絡實現遠程控制或集中監控。
文檔編號H05B41/14GK201238413SQ20082003914
公開日2009年5月13日 申請日期2008年8月8日 優先權日2008年8月8日
發明者涂金龍 申請人:翁玉琴