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摘要：随着我国城市化进程的不断加快，人们对于城市道路照明的关注度也越来越高，特别是道路照明节电问题，已成为不少城市在进行规划和建设时的重点考量。本研究介绍了一种新型照明节能电源的工作原理以及设计，电路仿真表明，该节能电源在工作中运行稳定可靠，适合于大功率道路照明节能应用场合。
关键词：道路照明；节能电源；主电路拓扑
随着我国经济建设的高速发展，社会城市化建设突飞猛进，与之相匹配的城市道路照明的建设工程也急剧骤增。伴随而来的是能耗的大幅度提高，为实现党和政府推广低碳经济的战略，在满足照明照度要求的前提下，综合运用各种相适应的照明节能技术措施进行改造，达到良好的節能效果，成为当前城市道路照明工程领域研究的热点。
1.主电路拓扑及工作原理
为了降低斩波主回路的电流，即降低IGBT的容量，照明节能电源采用了交流斩波与补偿变压器相结合的电路拓扑，如图1所示。电路的原理是在IGBT斩波电路的输出端串联一个补偿变压器线，用它所产生的电势与电源电压叠加，从而改变输出电压值。一般道路照明设备节能电压范围为220～380VV，为了得到此电压范围，选择变压器的变比为5∶1，通过调节IGBT斩波电路PWM的占空比使补偿变压器副边得到0～40V且与电源相位相反的电压，从而实现了负载电压在220～380V范围内连续可调，并且IGBT主回路的电流与负载电流之比为1∶5，这就降低了IGBT的容量，提高了IGBT斩波电路的工作可靠性，从而提高了照明节能电源的整机性能，并实现了输出电压线性可调[1]。
图1新型照明节能电源主电路拓扑
2.交流斩波调压控制方式
当负载为纯阻性负载时，电路的IGBT控制信号采用非互补控制时序，如图2所示，在电源电压的正半周，使V1（见图1）维持关断，V2和VF1维持导通，VF2被控制为斩波工作，输出波形受VF2控制；在电源的负半周，关断V2，维持V1和VF2的导通，控制VF1为斩波工作。在这种控制方式下避免了IGBT同时导通造成电源短路，同时无论负载电流是否改变方向，当斩波开关关断时，负载电流都能维持导通，防止了因斩波开关和续流开关同时关断造成的电流开路。
图2阻性负载非互补控制时序图
3.电路仿真
为了验证上述电路拓扑及时序控制方式的可行性，可采用MATLAB软件进行仿真验证。首先在MATLAB软件环境下建立电路仿真结构，可以通过调用Simulink里面的Subsystem模块，根据非互补时序关系建立SUB模块内部结构产生如图2所示的4路IGBT控制信号，然后设置仿真参数，输入电压设置为交流220V（有效值），负载为阻性负载100A，将Subsystem模块产生的PWM波形频率设置为18kHz，根据斩波频率计算输出低通滤波器的截止频率，设置低通滤波器的滤波电感值为50μH，滤波电容值为19.8μF。运行仿真系统可以得到交流斩波波形和滤波之后的交流电压波形如图3所示。
图3阻性负载下斩波输出及负载电压波形
从图3中可以看出，滤波之后的输出电压幅值减小，如果改变Subsystem模块产生的PWM波形占空比从而可以改变输出电压的幅值，即PWM波形占空比从0～100%变化时对应的输出电压从220～380V变化[2]。
如果改变负载性质，将负载设置为感性负载，功率因数为0.87，运行仿真系统可以得到如图4所示波形。
图4感性负载下斩波输出电压波形
从波形图可以看出由于感性负载电流滞后电压一定角度，当电压与电流的方向不一致时会出现斩波失控现象，但这并不影响输出波形形状，只影响斩波输出电压范围，如果采用带电流检测的非互补控制时序可以消除该现象。
4.照明节能电源电压输出控制策略设计
根据前面的分析可知，该智能照明节能电源可以实现输出的无级降压。因此，照明节能电源最佳的闭环控制量就是电源输出的电压值，通过对输出电压值的采样、滤波和计算，可以有效地实现输出电压的精确控制。电压闭环控制的分辨率可以由PWM发生器最小分辨率计算得出，PWM发生器采用的是电压型脉宽调制芯片TL494，当PWM比较器输入管脚电压从0～5V变化时对应输出PWM波形的占空比从0～100%变化，PWM占空比与电源输出成反比，对应的输出电压为220～380V。输出PWM频率控制寄存值是0x1FF，内部PWM发生器的最小分辨率为频率控制寄存器变化一个数，因此，控制器电压控制的分辨率为1/512，考虑到功率器件的开通和关断延时影响，照明节能电源输出电压精度可以达到1V，其电压闭环控制策略框图如图5所示。
5.照明节能电源节能效果
照明节能电源安装于路灯配电柜的输出侧，给路灯配电柜下所有路灯回路供电，如果不安装路灯照明节能电源，路灯回路的供电电压为U1，安装了路灯照明节能电源之后，路灯回路的供电电压为U2，可以计算出安装照明节能电源后的节电率，计算如下：
式中，η为安装照明节能电源后的节电率，该计算公式只是节电率的理论值，可以达到40%～50%[3]。现以安装于工业园区的一台照明节能电源实测数据为例，设置照明节能电源处于旁路状态，此时路灯的供电电压等于路灯配电柜输出电压，旁路工作1h，并记录A、B、C三相输出电压和路灯所消耗的电能，然后设置照明节能电源处于节能调压状态，设置输出电压为203V，节能工作1h，并记录A、B、C三相输出电压和路灯所消耗的电能，数据如表1所示。
图5照明节能电源输出电压闭环控制原理
表1照明节能电源节电率测试数据
其中，U1为旁路状态的平均输出电压，U2为节能调压状态的平均输出电压。
根据实测路灯消耗的电能，计算出安装照明节能电源后的实测节电率为：
其中，P1为照明节能电源处于旁路状态下路灯1h消耗的电能，P2为照明节能电源处于节能状态下路灯1h消耗的电能。从计算可以看出，由于照明节能电源存在负载损耗，实测节电率要稍小于理论值，但安装照明节能电源后，实际节电率仍达到了20%以上，大大节约了电能[4]。
6.结论
总之，城市道路照明工程的节能设计，对于提高能源利用效率，减少能源浪费，有很重大的意义，是时代的要求。本研究提出的这一种照明节能电源电压输出满足照明节能的实际要求，在工作中不仅可以线性调压，而且没有谐波污染，电路运行稳定可靠，适合于大功率道路照明节能应用场合，在实际工作中具有一定的应用价值。
参考文献：
[1]廖桂龙，彭晓春.浅谈我国城市道路照明现状与节能[J].科技致富向导，2012（5）.
[2]金毅.浅谈城市道路照明中的节能改造[J].建筑工程技术与设计，2014（6）.
[3]朱伦思.绿色照明与城市道路照明节能措施的分析[J].科技创新与应用，2013（20）：300-300.
[4]王国治.浅析城市道路照明节能改造的基本原理及措施[J].城市建设理论研究：电子版，2013（28）.