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

供電部門為了避免輸電過程中的各種損耗以及用電高峰期造成線路末端電壓過低對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生的不良影響，而以比標(biāo)稱電壓高10%的電壓向用戶（以單相220V標(biāo)稱電壓為例，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)稱電壓（220V）。我國(guó)用戶變壓器的標(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)無功補(bǔ)償即向燈具供電，功率因數(shù)極低，電路的無功損耗和無功電流在電路中造成的有功、無功損耗都比較大，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)施無功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，減少無功損耗和無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)過大，電壓突然下降超過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，過高的電壓和經(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?？梢姙檠娱L(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，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)電器安裝到用戶電路后，需根據(jù)用戶的現(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%以內(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)用戶實(shí)際的照明需求，調(diào)控裝置還可通過程序進(jìn)行多時(shí)段節(jié)能電壓設(shè)置，從而滿足用戶不同光源、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)和慢斜坡控制過程。燈具在啟動(dòng)時(shí)，采用低壓軟啟動(dòng)，充分預(yù)熱。該過程可減少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

通過加裝智能穩(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。