基于道路照明的有载调压控制电路

应力恒刘建平

（1.宁波职业技术学院海天学院，浙江 宁波 315800；2.宁波绿凯节能科技有限公司，浙江 宁波 315800）

基于道路照明的有载调压控制电路

应力恒1刘建平2

（1.宁波职业技术学院海天学院，浙江 宁波 315800；2.宁波绿凯节能科技有限公司，浙江 宁波 315800）

针对照明控制电路中存在负载供电不连续和调压变压器大体积高成本的问题，本文设计了一种用于道路照明的有载调压控制电路。该电路所接负载供电电压主要来自于电网电压，变压器只提供调压电压，可通过控制电路开关改变所连接变压器的初级线圈串并联结构及数量，从而调节电压的大小及精度。实际运行结果表明，该基于道路照明的有载调压控制电路不仅确保负载供电的连续性，同时大大减小变压器体积，降低使用成本，较好地实现预期节电目标。

照明；节能；有载调压；变压器

在我国用于照明的电力能源占其总量的10%～12%，大约有7500万只高压钠灯用于道路照明，每年道路照明节电总量可达98.55亿kWh，相当于节省电费 51.25亿元，可见照明节能不仅是节约能源的一个重要领域，而且道路照明的节能潜力巨大［1］。

1 照明节能方法及存在问题

目前常见的照明节能方法有两种：①采用高效的节能型光源，如高压钠灯、金属卤化物灯、LED灯等，由于高效节能型光源是是普通光源价格的6～10倍，这种节能方法多用于新建照明系统；②加装节能控制设备。这种节能方法更适用于现有照明系统的改造。采用高效的节能型光源虽然是未来照明节能的发展趋势，但是这些光源存在路面照度不均匀、空气介质中衰减高、改造成本高等缺陷，5～10年内还无法取代HID灯具，普通灯源在未来可能仍然占有一定的市场比例。针对我国现有照明灯具都采用普通灯源状况，加装节能设备是政府、企业更愿意选择的一条有效节能途径［2］。

在现有的电力系统传输中，由于电能传输过程中存在线路电压损耗，线路末端电压往往较低，因此电力传输中通常都以较高的电压传输。但是这种做法的弊端是在用电低谷时，高电压不仅会带来高额的电费支出，并且会加速灯具老化。因此，实时调压是目前各类节能装置的节能关键点。隔离变压器作为调压设备一般不被采用，因为其体积大和成本高，不利于生产及安装。常见的节能装置是可控硅斩波照明节能装置和自耦降压式调控装置［3］。可控硅斩波照明节能装置是通过控制可控硅的导通角，斩掉部分输入正弦波电压，降低电压平均值，实现节电目的，但此装置容易产生谐波，扩大电网污染。自耦降压式调控装置则是连接一个自耦变压器，通过改变不同的变压器固定抽头，将作为光源电压的电网电压降低为固定电压值，从而实现降压节电。该节能装置实现了电压的正弦波输出，克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，是目前应用最为广泛的照明节电装置。然而，自耦降压式调控装置调压时，切换抽头时会有瞬间断电情况，该装置只能在变压器断电时才能变换变压器不同的固定抽头连接，因此无法保证负载连续供电，会造成灭灯等一系列问题。

鉴于上述问题，本文给出了一种基于道路照明的有载调压控制电路及其控制方法，实现常压、升压、降压、并联四种不同状态的运行工作状态。

2 基于道路照明控制的有载调压控制电路

2.1 有载调压控制电路结构

该有载调压控制电路结构如图1所示。其主体是具有3个初级线圈和一个次级线圈的变压器，其中3个初级线圈各有两个抽头通过开关控制电路分别与N端及次级线圈相连，次级线圈则分别与L线及负载相连，其中A1、B1、C1与D1互为同名端。通过开关的不同组合模式，达到绕组的不同连接方式，实现改变一二次侧各类匝数比值，达到改变调压大小及精度的目的。

图1 有载调压控制电路结构图

2.2 有载调压控制电路的工作原理

由于电网系统电压会因种种原因发生波动，接在电力网中变压器的二次侧也会产生相应波动，因此有载调压控制电路中的变压器，一方面要根据负载需要提供相应电压，起到节电作用，另一方面还要起到电压稳定的作用［4］。下面将通过该有载调压控制电路原理分析，来阐述其所达到的节电和稳定作用。

1）有载调压控制电路的降压原理

根据有载调压控制电路结构图，给出降压原理如图 2所示。假设初级线圈电压 U1、次级线圈 U2电压及负载上电压URL的参考方向如图2所示。

图2 有载调压控制电路降压原理图

沿回路abcdefgha可列方程：

沿回路jidefghj可列方程：

根据式（1）、式（2）可得

另由变压器变电压原理知：

且根据式（3）可得

由于初级线圈匝数比次级线圈匝数要多，根据式（1）知，电网电压 220V基本都降在 U1上，U1近似等于220V。式（4）可变为

2）有载调压控制电路的升压原理

根据有载调压控制电路结构图，给出升压原理如图3所示。按照上述方法同样列写KVL方程可推得

图3 有载调压控制电路升压原理图

由于变压器初级和次级线圈输入为异名端，可知：

因此，

从式（5）和式（6）中分析可变参数 N1、N2及U1得到：

（1）可以通过改变绕组匝数 N1、N2，改变变压器一二侧电压比，实现调节电压大小的目的。

（2）可通过串联或并联多个初级线圈改变 U1的大小，实现调节电压精度的目的。

（3）无论可变参数N1、N2及U1如何合理地变化，负载上电压总在 220V上下波动，即使初级线圈出现短暂抽头更换过程中的瞬间断电，RL也总在回路L→D1→N1→D2→RL→N中，保证了负载供电的连续性。

（4）负载上电压主要来自于电网工作电压，变压器提供的电压只起间接调节作用。

2.3 有载调压控制电路工作模式及其典型工作回路

根据上述电路原理分析中3个结论，给出有载调压控制电路有4种工作模式为：常压、降压、升压和并联。

1）当负载常压运行时，只将次级线圈 N1连入电路，此时次级线圈 N1相当于一个匝数很少的电感，其上压降很小，电源电压都加在了负载上。其典型工作回路为 L→D1→N1→D2→RL→N，如图 1所示。

2）当需要降压运行时，电流从与 D1互为同名端的 A1、B1或C1输入，起降压作用，通过控制开关K1～K3选择初级线圈串联接入电路的数量，改变压降的大小，起电压调节作用。其典型工作回路分3种情况：

（1）一个初级线圈接入：这里仅给出将线圈N4接入的回路，线圈N3、N2接入的回路类似。

（2）两个初级线圈串联接入：这里仅给出将线圈N3、N4串联接入的回路，即

线圈N2、N3串联接入的回路类似。

（3）3个初级线圈N2、N3、N4串联接入。

3）当需要升压运行时，电流从与 D1互为异名端的 A2、B2或C2输入，起升压作用，通过控制开关K4—K6选择初级线圈串联接入电路的数量，可以改变压降的大小，起电压调节作用。

其典型工作回路也分3种情况：

（1）一个初级线圈接入：这里仅给出将线圈N4接入的回路，线圈N3、N2接入的回路类似。

（2）两个初级线圈串联接入：这里仅给出将线圈N4、N3串联接入的回路，线圈N3、N2串联接入的回路类似。

（3）3个初级线圈N4、N3、N2串联接入。

4）当变压器输出电压较高时，流过线圈绕组的电流则会较大，通过控制开关K1—K6、K11—K24可将该绕组与其他绕组并联，以此减小绕制时所需导线截面积，进而减小变压器的体积。此模式的典型工作回路也分4类：

（1）两个初级线圈并联的降压模式：这里仅给出将线圈N2、N3并联接入的回路，线圈N3、N4并联接入和线圈N2、N4并联接入的回路类似。

（2）两个初级线圈并联的升压模式：这里仅给出将线圈N2、N3并联接入的回路，线圈N3、N4并联接入和线圈N2、N4并联接入的回路类似。

（3）3个初级线圈 N2、N3、N4并联的降压模式。

（4）3个初级线圈 N2、N3、N4并联的升压模式。

实际应用中，由于HID路灯的正常工作电压为220V，超过 230V则灯具寿命大大降低，功耗明显增加，如图4所示。而实际照明供电均在230V左右，特别在次日凌晨供电电压会进一步上升，因此，本有载调压控制电路以工作在常压和降压模式下为主。

图4 HID灯特性图

3 有载调压控制电路的实际运行情况

具有本有载调压控制电路的控制柜已在黄岩市某镇街道、浙江某科技有限公司、宁波某物流有限公司、宁波某城区街道等照明工程中使用，其内外构造如图5所示。

图5 有载调压控制电路实物图

3.1 有载调压控制电路的调压效果

当电网电压介于190～220V之间时，该有载调压控制电路工作启动常压模式。

当电网电压大于等于 220V时，该有载调压控制电路工作启动降压模式。其中一个初级线圈接入电路，负载两端电压可下降 30V。两个初级线圈串联接入电路，负载两端电压可下降 15V。3个初级线圈串联接入电路，负载两端电压可下降 10V。负载电压维持在210～190V之间。不仅使HID灯使用寿命提高，而且还显著降低了其能耗。

当电网电压小于 190V时，该有载调压控制电路工作启动升压模式。其中一个初级线圈接入电路，负载两端电压可升压 30V。两个初级线圈串联接入电路，负载两端电压可升压 15V。3个初级线圈串联接入电路，负载两端电压可升压 10V，负载电压维持在220～200V之间。

3.2 有载调压控制电路的节电效果

为了测试本有载调压控制电路的节电效果，依据CCEC/T 16.1—2006标准对该电路分两组进行对比测试。第一组为在负载输入端前接入本有载调压控制电路时，本有载调压控制电路输入端的有功功率值。第二组为在负载输入端直接输入电压时，负载输入端的有功功率值。测试时间统一为 25min。测试负载为FH-06A室内加热器，额定功率为2kW，额定电压为220V，频率为50Hz，数量9台，总额定功率为1.8kW。表1和表2分别为负载输入端接入和不接入有载调压控制电路的测试结果。

表1 接入有载调压控制电路测试结果

表2 不接入有载调压控制电路测试结果

根据测试结果及照明节电率［5］计算方法：

节电率=（无节电器用电量-有节电器用电量）+无节电器用电量×100%

可得当有载调压控制电路输出电压分别为202.5V和185V时，其节电率分别可达到14.73%和27.85%。

202.5V档节电率=（6866.53Wh-5855.2Wh）/6866.53Wh×100%=14.73%

185V 档节电率=（6866.53Wh-4954.4Wh）/6866.53Wh×100%=27.85%

表3是本有载调压控制电路应用在宁波市某区城市道路路灯节能改造工程实际节电数据。此表表明，该有载调压控制电路具有较高的节电率，每年可为市政用电节省电费百万元。

表3 宁波市某区城市道路路灯节能改造工程节电指标

3.3 有载调压控制电路的功率因数

本有载调压控制电路一般安装在照明供电线路的最前端，但这对整个照明线路的功率因数几乎没有本质上的影响。图6是接入该有载调压控制电路的某照明线路有功和无功负荷曲线。根据负荷数据及计算方法cosφ=P/S，可得接入有载调压控制装置后照明线路的功率因数值为0.925，达到功率因数要求。

图6 接入有载调压控制电路后的负荷曲线图

4 结论

道路照明节能在节能领域中具有举足轻重的地位。为了解决道路照明控制中采用自耦变压器调压无法保证供电连续性；采用隔离变压器调压，变压器体积和成本大而不利于生产及安装的问题，本文给出一种用于道路照明的有载调压控制电路。其特点有：

1）该装置负载上电压主要来自于电网工作电压，变压器提供的电压只起间接调节作用。因此即使接上较大的负载，变压器的线圈容量也很小，体积及成本都大大降低。

2）该装置负载上电压由电网直接提供，变压器的可调电压部分位于电路的旁路部分，即使在变压器抽头的转换过程中也不会出现供电不连续的问题，提高供电的可靠性。

3）该装置具有4种工作模式：常压、升压、降压和并联，可通过开关控制电路选择连接的初级线圈的数量及串并联结构，从而改变调压的大小及精度。

4）该装置始终工作在全正弦波下，能有效控制谐波产生，提高电网洁净度。

通过实际运行表明，该基于道路照明的有载调压控制电路，不但使照明灯具工作在正常的电压下，延长灯具的使用寿命，而且较好地达到了预期的节电目标，符合国家功率因数标准，大大节省了电力能源，可满足现今道路中大量HID灯具的照明节能需求，具有良好的市场前景。

［1］涂金龙，陈惠桐.道路照明节能产品研究综述［J］.灯与照明，2013，37（4）：20-23.

［2］高健.大功率照明节电设备有载调压控制技术的研究［D］.长春：长春工业大学，2011.

［3］杨超，王志伟.公路隧道照明节能技术［J］.现代隧道技术，2010，47（2）：102-108.

［4］吕峰，高伟荣，顾克拉.变压器有载调压对电抗的变化及其系统电压稳定的影响［J］.湖州师范学院学报，2008（S1）：60-63.

［5］CCEC/T 16.1—2006.电力省电装置节能产品认证技术要求［S］.

OLTC Control Circuit based on Road Lighting

Ying Liheng1Liu Jianping2
（1.Haitian Faculty，Ningbo Polytechnic，Ningbo，Zhejiang 315800；2.Ningbo Greentech Energy Management Co.，Ltd，Ningbo，Zhejiang 315800）

Aimed at the problems of uncontinuous power supply to the loads and large volume，high cost of transformer in the lighting control circuit，this paper designs an OLTC control circuit used in road lighting specially.In this OLTC control circuit，the power supply to the loads is not from transformer but grid directly，while the transformer in the circuit only provides adjusted voltage.By changing the circuit's series or parallel structure and the transformer's primary coils quantity through the switches in the circuit，the value and precision of voltage can be adjusted.The actual running results show that the OLTC control circuit can not only ensure continuous power supply to the load but also decrease the transformer's volume and cost.It realizes the goal of energy saving effectively.

lighting； energy saving； OLTC； transformer

应力恒（1979-），女，浙江省宁波市人，硕士研究生，讲师，主要从事电气自动化技术专业教学及研究工作。

浙江省教育厅2015 年度高等学校访问工程师校企合作项目（浙教办高科［64］号）