智能穩(wěn)壓電源在路燈照明中的應(yīng)用

引言

現(xiàn)今工業(yè)廠區(qū)普遍有較大的工作區(qū)域，其間路燈眾多，一般采用的是高壓鈉燈，而該燈功耗非常大，導(dǎo)致廠內(nèi)供電電壓不穩(wěn)定，波動(dòng)幅度大。尤其在下半夜，電壓通常高達(dá)250V以上，致使燈泡損耗率極高（達(dá)60%以上）。為節(jié)省能耗，減少浪費(fèi)，降低成本，有必要進(jìn)行節(jié)能改造。

1 節(jié)能改造分析

1.1 供電狀況

供電部門(mén)為了避免輸電過(guò)程中的各種損耗以及用電高峰期造成線路末端電壓過(guò)低對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生的不良影響，而以比標(biāo)稱(chēng)電壓高10%的電壓向用戶(hù)（以單相220V標(biāo)稱(chēng)電壓為例，實(shí)際供電電壓為220+22010%=242V）供電，以確保供電線路遠(yuǎn)端的電壓不會(huì)低于220-22010%=198V。因此供電線路上的絕大部分區(qū)域的電壓都會(huì)等于或高于標(biāo)稱(chēng)電壓（220V）。我國(guó)用戶(hù)變壓器的標(biāo)準(zhǔn)變比為10kV/0.4kV,但10kV高壓線路的實(shí)際供電電壓為11kV（10+1010%=11kV），因而低壓端的單相實(shí)際輸出電壓最高可達(dá)254V（0.4V/10V11kV/1.732=254V）。

1.2 用電狀況

照明用電設(shè)備（燈具）的正常工作電壓范圍（單相，即相電壓）是220（110%）V（即198V~242V）。通常，城市或地區(qū)的供電電壓會(huì)隨該地區(qū)的用電負(fù)荷減少而升高，這種現(xiàn)象在工業(yè)區(qū)尤為突出。

特別是深夜，供電電壓會(huì)比正常值220V高出10%~15%。

照明線路多為未經(jīng)無(wú)功補(bǔ)償即向燈具供電，功率因數(shù)極低，電路的無(wú)功損耗和無(wú)功電流在電路中造成的有功、無(wú)功損耗都比較大，造成了電能的極大浪費(fèi)。

1.3 可行性節(jié)電分析

燈具在運(yùn)行中消耗功率的計(jì)算公式為：

式中P——燈泡消耗的電功率；

U——供給燈泡的電壓；

R——燈泡的阻抗。

燈泡一經(jīng)出廠其阻抗R則已確定，因此改變供給燈具的供電電壓，燈具所消耗的電功率將會(huì)隨供電電壓下降的平方關(guān)系迅速下降。

1.3.1 照明節(jié)電改造主要由以下三方面工程構(gòu)成

（1）穩(wěn)壓控壓，實(shí)現(xiàn)節(jié)能

安裝高精度多時(shí)段可控慢斜坡線性實(shí)時(shí)穩(wěn)壓節(jié)電設(shè)備，分時(shí)段實(shí)時(shí)穩(wěn)壓控壓，根據(jù)燈具和用電場(chǎng)所狀況將毫無(wú)穩(wěn)定可言的市電電壓實(shí)時(shí)精確穩(wěn)定地控制在燈具所需的電壓值上，在確保正常照明的前提下可極大地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。并有效保護(hù)燈泡，延長(zhǎng)燈具壽命。

（2）提高功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能

本文設(shè)計(jì)的智能穩(wěn)壓照明節(jié)電器，可在電路功率因數(shù)較低時(shí)，對(duì)電路實(shí)施無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，減少無(wú)功損耗和無(wú)功電流在電路中有功損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

（3）平衡三相輸出，減少零序電流，實(shí)現(xiàn)節(jié)能

智能穩(wěn)壓照明節(jié)電器具有自動(dòng)平衡三相輸出電壓的功能，輔以工程技術(shù)人員的安裝處理，可極大地平衡三相供電電流，有效地減少在零線電流和環(huán)相電流，極大地降低線路損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

1.3.2 照明光源狀況

道路、車(chē)間等場(chǎng)所的大功率照明，通常使用的光源為氣體放電燈，如金鹵燈、高壓鈉燈等。下面以高壓鈉燈為例，說(shuō)明光源狀況。

（1）啟動(dòng)電壓低

高壓鈉燈的技術(shù)參數(shù)明確規(guī)定：高壓鈉燈應(yīng)能在低于198V的電壓下啟動(dòng)；高壓鈉燈在啟動(dòng)時(shí)要求其觸發(fā)器輸出的脈沖峰值電壓應(yīng)2kV（2~3kV），而一盞合格的高壓鈉燈在啟動(dòng)時(shí)只要給該燈觸發(fā)器輸入（17510）V的50Hz市電電壓即可產(chǎn)生峰值為2~3kV的高壓脈沖。為確保觸發(fā)器能順利產(chǎn)生2kV以上的高壓脈沖，要求電源電壓應(yīng)大于175V才能觸發(fā)燈泡啟輝并使泡體內(nèi)的氣體充分游離正常發(fā)光。

（2）燈泡使用電壓范圍寬

高壓鈉燈在啟動(dòng)后燈的工作電壓為（10020）V,即高壓鈉燈啟動(dòng)后將工作在80~120V之間，則不能低于80V,為確保這一工作電壓則要求電源電壓不能低于176V（220-22020%=176V）。

（3）高壓鈉燈對(duì)電源電壓波動(dòng)的要求

高壓鈉燈在使用過(guò)程中對(duì)電源電壓的波動(dòng)有較為嚴(yán)格的要求。高壓鈉燈電源電壓不能波動(dòng)過(guò)大，電壓突然下降超過(guò)5%可能自行熄滅，而且電源電壓波動(dòng)時(shí)對(duì)發(fā)光參數(shù)的影響較大。我們認(rèn)為：由于高壓鈉燈屬氣體放電燈類(lèi)，過(guò)高的電壓和經(jīng)常波動(dòng)的電源電壓還會(huì)極大地縮短高壓鈉燈的使用壽命。

（4）影響高壓鈉燈使用壽命的因素

a 電壓幅值對(duì)高壓鈉燈壽命的影響

為使觸發(fā)器能順利產(chǎn)生2kV以上的高壓觸發(fā)脈沖，觸發(fā)燈泡啟輝和使泡體內(nèi)的氣體放電且充分游離并正常發(fā)光，要求電源電壓應(yīng)大于175V。當(dāng)泡體內(nèi)的氣體放電且充分游離并正常發(fā)光后，燈泡的使用壽命與泡體內(nèi)氣體分子運(yùn)動(dòng)的速度成正比，速度越高燈泡壽命越短，而泡體內(nèi)氣體分子運(yùn)動(dòng)的速度與燈泡的端電壓成正比?？梢?jiàn)為延長(zhǎng)高壓鈉燈的使用壽命應(yīng)盡量適當(dāng)降低輸給高壓鈉燈的端電壓。實(shí)踐證明高壓鈉燈在啟輝后長(zhǎng)期工作在180V~200V電壓內(nèi)要比工作在高于200V的壽命要長(zhǎng)得多。

b 電壓波動(dòng)對(duì)高壓鈉燈壽命的影響

高壓鈉燈屬氣體放電燈類(lèi)，輸給燈泡的電壓越穩(wěn)定燈泡的壽命就越長(zhǎng)；經(jīng)常突然跳變的電壓會(huì)使燈泡產(chǎn)生沖擊電流和影響泡體內(nèi)氣體的游離狀態(tài)，以至縮短燈泡的使用壽命。

2 智能照明節(jié)電器工作原理、特性、效果

2.1 智能照明節(jié)電器的簡(jiǎn)單工作原理

智能照明節(jié)電器的設(shè)計(jì)源于電磁補(bǔ)償和閉環(huán)跟蹤實(shí)時(shí)穩(wěn)壓原理，是一款高精度多時(shí)段可控慢斜坡線性實(shí)時(shí)穩(wěn)壓節(jié)電設(shè)備，徹底克服了斬波節(jié)電器固定式自耦變壓器降壓節(jié)電器、分檔調(diào)節(jié)式自耦變壓器降壓節(jié)電器等存在的波型畸變、諧波污染、電壓不穩(wěn)定、閃斷沖擊（10~20ms）等弊端。智能照明節(jié)電器在道路照明節(jié)電應(yīng)用中一般分三時(shí)段處理：第一時(shí)段為啟動(dòng)期，第二時(shí)段為上半夜，第三時(shí)段為下半夜。

各時(shí)段的工作電壓和節(jié)能效果見(jiàn)圖1。

2.1.1 節(jié)電器的組成

智控照明節(jié)電器主要由主變壓器、補(bǔ)償供給器、數(shù)據(jù)采集與編程處理、輸出和操作控制等四大部分組成（見(jiàn)圖2）。

智控照明節(jié)電器組成框圖中的U1為市電輸入電壓，U2為主變壓器副邊電壓，U3為補(bǔ)償供給變壓器的輸出電壓（也是主變壓器的輸入電壓，或叫主變壓器的原邊電壓），U0為節(jié)電器的輸出電壓。

2.1.2 簡(jiǎn)單工作原理

智控照明節(jié)電器在設(shè)計(jì)和制作中嚴(yán)格規(guī)定了主變壓器輸入輸出繞組與補(bǔ)償供給變壓器繞組的同名端。如圖2及電工原理可知該節(jié)電器的輸出電壓U0是由U1,U2,U3聯(lián)合確定的。即U0=U1-U2U2=nU3（n為主變壓器的變比，即n=U2:U3=1:5）U3為受閉環(huán)數(shù)據(jù)采集處理和編程處理后由補(bǔ)償供給變壓器根據(jù)輸出電壓的需要線性變化電壓，U3的最小連續(xù)變化量為0.5V,即U2的最小連續(xù)變化量為0.1V。

節(jié)電器安裝到用戶(hù)電路后，需根據(jù)用戶(hù)的現(xiàn)場(chǎng)用電需要設(shè)定時(shí)間段、時(shí)間常數(shù)以及輸出電壓參數(shù)等。

接通電源后，節(jié)電器數(shù)據(jù)采集與編程處理電路將采集到的輸出電壓數(shù)據(jù)與設(shè)定的時(shí)段電壓參數(shù)作實(shí)時(shí)處理，并根據(jù)U0=U1-U2與U2=nU3的需要，即時(shí)控制和指令補(bǔ)償供給變壓器輸出精確的U3,以確保輸出精確穩(wěn)定的輸出電壓U0。

由于采用了線性慢斜坡補(bǔ)償原理，三相的主變壓器可分相獨(dú)立制作，且三相輸出電壓共用一組設(shè)定參數(shù)，故不管輸入電壓如何變化或是負(fù)載如何變化，節(jié)電器的三相輸出電壓都是基本相等的，可以承受三相100%的不平衡負(fù)載。

2.2 智能照明節(jié)電器的特性

2.2.1 穩(wěn)定最佳工作電壓

針對(duì)電網(wǎng)電壓偏高和波動(dòng)等現(xiàn)象，調(diào)控裝置可根據(jù)用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，實(shí)時(shí)在線調(diào)控輸出最佳照明工作電壓，并能將其穩(wěn)定在2%以?xún)?nèi)，有效提高電力質(zhì)量，從而達(dá)到節(jié)電10%~40%的效果。

2.2.2 多時(shí)段節(jié)能運(yùn)行

根據(jù)用戶(hù)實(shí)際的照明需求，調(diào)控裝置還可通過(guò)程序進(jìn)行多時(shí)段節(jié)能電壓設(shè)置，從而滿(mǎn)足用戶(hù)不同光源、不同時(shí)間的需求，實(shí)現(xiàn)最佳照明狀態(tài)和最大節(jié)電率。

2.2.3 有效保護(hù)電光源，延長(zhǎng)其使用壽命

影響電光源壽命的一個(gè)重要因素是，啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)電流和電壓對(duì)光源的沖擊。為了有效地降低電流沖擊和延長(zhǎng)燈具的使用壽命，在國(guó)外高檔燈具產(chǎn)品中，要求燈具有軟啟動(dòng)功能。

智能調(diào)控裝置能夠?qū)崿F(xiàn)燈具的軟啟動(dòng)和慢斜坡控制過(guò)程。燈具在啟動(dòng)時(shí)，采用低壓軟啟動(dòng)，充分預(yù)熱。該過(guò)程可減少40%的啟動(dòng)電流沖擊，有效提高光源壽命。在調(diào)壓、穩(wěn)壓的過(guò)程中，智能調(diào)控裝置采用慢斜坡線性調(diào)節(jié)的方式處理電壓，讓電壓在設(shè)定時(shí)間內(nèi)緩慢過(guò)渡，保證光源不受電壓、電流波動(dòng)的沖擊，從而降低電光源損壞，延長(zhǎng)使用壽命。

2.2.4 實(shí)時(shí)穩(wěn)壓、控壓

在電壓波動(dòng)較大的地方，如電氣設(shè)備比較多的場(chǎng)所，有些時(shí)段1min內(nèi)的電壓波動(dòng)甚至高達(dá)15%以上；路燈后半夜的供電電壓有些道路會(huì)達(dá)到240V以上。智能調(diào)控裝置高穩(wěn)定的最佳輸出電壓，能夠延長(zhǎng)電光源壽命2~4倍，能極大地降低運(yùn)行、維護(hù)成本30%~50%。

2.2.5 適用性強(qiáng)、可靠性高

調(diào)控裝置每相可獨(dú)立調(diào)節(jié)，可操作性強(qiáng)，可以承受三相100%的不平衡負(fù)載，且保證單相的故障不影響其他兩相的正常運(yùn)行。同一個(gè)裝置可以帶不同類(lèi)型光源負(fù)載，還可以獨(dú)立調(diào)節(jié)每相的輸出電壓。

調(diào)控裝置采用手動(dòng)和自動(dòng)雙旁路系統(tǒng)，以保證照明設(shè)備不斷電，正常安全運(yùn)行；調(diào)控裝置控制部分不含交流接觸器，無(wú)觸點(diǎn)和移動(dòng)元件，保證高可靠性和低功耗。

可選配GSM/GPRS全球?qū)崟r(shí)（手機(jī)）監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)顯示、聲音等信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行，故障報(bào)警，及時(shí)采取保護(hù)措施。

這一照明節(jié)電產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)智能照明調(diào)控、有效保護(hù)電光源、降低電能消耗的功能。

2.3 智能照明節(jié)電器的使用效果

2.3.1 直接效果

經(jīng)安裝使用智能照明節(jié)電器后，路燈照明用電電費(fèi)開(kāi)支下降33%以上，降低了公司的運(yùn)營(yíng)成本。

2.3.2 間接效果

從安裝使用智能照明節(jié)電器后，大大降低了燈泡的損壞和更換率，間接地降低了運(yùn)營(yíng)成本。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)加裝智能穩(wěn)壓照明節(jié)電器，照明的平均節(jié)電率達(dá)到33%以上，大大減少了燈泡的損耗。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)踐，已取得了明顯的節(jié)能效果。然而一些大型企業(yè)，更為耗電，需要加大節(jié)能投入，全面、穩(wěn)妥開(kāi)展節(jié)能降耗工作，這對(duì)企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益具有重大現(xiàn)實(shí)意義。