路燈照明中智能穩壓電源的應用

　　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(xiàn)路末端電壓過(guò)低對用電設備產(chǎn)生的不良影響，而以比標稱(chēng)電壓高10%的電壓向用戶(hù)（以單相220V標稱(chēng)電壓為例，實(shí)際供電電壓為220+22010%=242V）供電，以確保供電線(xiàn)路遠端的電壓不會(huì )低于220-22010%=198V。因此供電線(xiàn)路上的絕大部分區域的電壓都會(huì )等于或高于標稱(chēng)電壓（220V）。我國用戶(hù)變壓器的標準變比為10kV/0.4kV,但10kV高壓線(xiàn)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254V（0.4V/10V11kV/1.732=254V）。

　　1.2 用電狀況

　　照明用電設備（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，城市或地區的供電電壓會(huì )隨該地區的用電負荷減少而升高，這種現象在工業(yè)區尤為突出。

　　特別是深夜，供電電壓會(huì )比正常值220V高出10%~15%。

　　照明線(xiàn)路多為未經(jīng)無(wú)功補償即向燈具供電，功率因數極低，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。

　　1.3 可行性節電分析

　　燈具在運行中消耗功率的計算公式為：

　　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(chǎng)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 照明節電改造主要由以下三方面工程構成

　?。?）穩壓控壓，實(shí)現節能

　　安裝高精度多時(shí)段可控慢斜坡線(xiàn)性實(shí)時(shí)穩壓節電設備，分時(shí)段實(shí)時(shí)穩壓控壓，根據燈具和用電場(chǎng)所狀況將毫無(wú)穩定可言的市電電壓實(shí)時(shí)精確穩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)現節能。并有效保護燈泡，延長(cháng)燈具壽命。

　?。?）提高功率因數，實(shí)現節能

　　本文設計的智能穩壓照明節電器，可在電路功率因數較低時(shí)，對電路實(shí)施無(wú)功補償，提高功率因數，減少無(wú)功損耗和無(wú)功電流在電路中有功損耗，實(shí)現節能。

　?。?）平衡三相輸出，減少零序電流，實(shí)現節能

　　智能穩壓照明節電器具有自動(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(xiàn)電流和環(huán)相電流，極大地降低線(xiàn)路損耗，實(shí)現節能。

　　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。

　?。?）啟動(dòng)電壓低

　　高壓鈉燈的技術(shù)參數明確規定：高壓鈉燈應能在低于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，要求電源電壓應大于175V才能觸發(fā)燈泡啟輝并使泡體內的氣體充分游離正常發(fā)光。

　?。?）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）。

　?。?）高壓鈉燈對電源電壓波動(dòng)的要求

　　高壓鈉燈在使用過(guò)程中對電源電壓的波動(dòng)有較為嚴格的要求。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)對發(fā)光參數的影響較大。我們認為：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。

　?。?）影響高壓鈉燈使用壽命的因素

　　a 電壓幅值對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的氣體放電且充分游離并正常發(fā)光，要求電源電壓應大于175V。當泡體內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氣體分子運動(dòng)的速度成正比，速度越高燈泡壽命越短，而泡體內氣體分子運動(dòng)的速度與燈泡的端電壓成正比?？梢?jiàn)為延長(cháng)高壓鈉燈的使用壽命應盡量適當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(cháng)期工作在180V~200V電壓內要比工作在高于200V的壽命要長(cháng)得多。

　　b 電壓波動(dòng)對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定燈泡的壽命就越長(cháng)；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 智能照明節電器工作原理、特性、效果

　　2.1 智能照明節電器的簡(jiǎn)單工作原理

　　智能照明節電器的設計源于電磁補償和閉環(huán)跟蹤實(shí)時(shí)穩壓原理，是一款高精度多時(shí)段可控慢斜坡線(xiàn)性實(shí)時(shí)穩壓節電設備，徹底克服了斬波節電器固定式自耦變壓器降壓節電器、分檔調節式自耦變壓器降壓節電器等存在的波型畸變、諧波污染、電壓不穩定、閃斷沖擊（10~20ms）等弊端。智能照明節電器在道路照明節電應用中一般分三時(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)段的工作電壓和節能效果見(jiàn)圖1。

　　智控照明節電器主要由主變壓器、補償供給器、數據采集與編程處理、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為節電器的輸出電壓。

　　2.1.2 簡(jiǎn)單工作原理

　　智控照明節電器在設計和制作中嚴格規定了主變壓器輸入輸出繞組與補償供給變壓器繞組的同名端。如圖2及電工原理可知該節電器的輸出電壓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)數據采集處理和編程處理后由補償供給變壓器根據輸出電壓的需要線(xiàn)性變化電壓，U3的最小連續變化量為0.5V,即U2的最小連續變化量為0.1V。

　　節電器安裝到用戶(hù)電路后，需根據用戶(hù)的現場(chǎng)用電需要設定時(shí)間段、時(shí)間常數以及輸出電壓參數等。

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

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

　　2.2 智能照明節電器的特性

　　2.2.1 穩定最佳工作電壓

　　針對電網(wǎng)電壓偏高和波動(dòng)等現象，調控裝置可根據用戶(hù)現場(chǎng)實(shí)際需求，實(shí)時(shí)在線(xiàn)調控輸出最佳照明工作電壓，并能將其穩定在2%以?xún)?，有效提高電力質(zhì)量，從而達到節電10%~40%的效果。

　　2.2.2 多時(shí)段節能運行

　　根據用戶(hù)實(shí)際的照明需求，調控裝置還可通過(guò)程序進(jìn)行多時(shí)段節能電壓設置，從而滿(mǎn)足用戶(hù)不同光源、不同時(shí)間的需求，實(shí)現最佳照明狀態(tài)和最大節電率。

　　2.2.3 有效保護電光源，延長(cháng)其使用壽命

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

　　智能調控裝置能夠實(shí)現燈具的軟啟動(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。在調壓、穩壓的過(guò)程中，智能調控裝置采用慢斜坡線(xiàn)性調節的方式處理電壓，讓電壓在設定時(shí)間內緩慢過(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(cháng)使用壽命。

　　2.2.4 實(shí)時(shí)穩壓、控壓

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

　　2.2.5 適用性強、可靠性高

　　調控裝置每相可獨立調節，可操作性強，可以承受三相100%的不平衡負載，且保證單相的故障不影響其他兩相的正常運行。同一個(gè)裝置可以帶不同類(lèi)型光源負載，還可以獨立調節每相的輸出電壓。

　　調控裝置采用手動(dòng)和自動(dòng)雙旁路系統，以保證照明設備不斷電，正常安全運行；調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全球實(shí)時(shí)（手機）監控系統，通過(guò)顯示、聲音等信號監測設備運行，故障報警，及時(shí)采取保護措施。

　　這一照明節電產(chǎn)品可實(shí)現智能照明調控、有效保護電光源、降低電能消耗的功能。

　　2.3 智能照明節電器的使用效果

　　2.3.1 直接效果

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

　　2.3.2 間接效果

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

　　3 結語(yǔ)

　　通過(guò)加裝智能穩壓照明節電器，照明的平均節電率達到33%以上，大大減少了燈泡的損耗。