智能照明调控装置的节能分析

　　建設部、国家发改委[2004]204 号文《关于加强城市照明管理，促进节约用电工作的意见》中第二条第 3 款提出“新建和改建照明項目必须采用科学的照明設計方法，推广采用高效照明电器产品和节能控制技术。”依据此精神，目前国内市场上出現了很多种类的照明节能装置。其中应用最为广泛的是以补偿变压器式交流稳压装置为核心的智能照明调控系统。它的主要原理是根据气体放电灯在允许降压范围内照度下降并不显著的特点，对灯具适度的降压使用从而节能的目的。下面笔者就对這种照明调控装置的原理以及对其在路灯設計中的应用实例进行简单分析。

　　1. 补偿变压器式交流稳压装置的原理

图 1 补偿式无触点照明调控原理图

图 2 补偿式电源的等效电路

　　图1为补偿变压器式交流稳压节能装置的原理图，图2是其等效电路图。它的主要原理是在主回路中串联一套变压器线圈，用它所产生的电势与主电源叠加从而改变输出电压值。补偿变压器的初级绕組由电子功率部件与多抽头变压器的各抽头连接，电子功率部件担负二个任务：1. 按微电脑的指令通、断与头的连接。2. 按微电脑的指令細分电压———即调节导通程度，改变叠加电压的幅值，以增加电压级數和每级的精度。如每级抽头为5V，在 5V 范围内，我们可以再把它分为 1V/ 挡 5 级。由于调节电压是靠改变电子部件的导通程度来实現的，电压的相位等参數并没有改变，所以调节后不会改变输出电压的波形。

　　图2中输入电源端联結在抽头的中间位置，当电子功率部件接通上面抽头，补偿变压器输出一个与电源反向的电势 U+，抵消掉电源 U+ 电压值，总输出相对电源来说为降压，反之为升压。电源允许波动范围設定为：184-244V，則输入相电压范围系數：

　　KSL=(UL-UB)/UB=184-220/220=-16% ;

　　KSH=(UH-UB)/UB=244-220/220=11%

　　式中：KSL—低端稳压范围系數;KSH—高端稳压范围系數;UH—允许最高相电压;UL—允许最低相电压;UB—标称电压

　　由上式得到稳压器适应的稳压范围系數为-16%—11%。稳压器在输出电压 220V 时，输入电压可降压 36V，升压 24V，调节范围共 60V。同理在节能电压输出时(190V)输入相电压范围系數：

　　KSL=(UL-UB)/UB=184-190/190=-3% ;

　　KSH=(UH-UB)/UB=244-190/190=29%

　　稳压器适应的稳压范围系數为-3%—29%。稳压器在输出电压 190V 时，输入电压可降压 5V，升压 55V，调节范围共 60V。输出精度：

　　SU=(UH-UL)/ UB(N+1)=(244-184)/220(9+1)=±2.7%。式中：N—变压器抽头數，這里 N=9。

　　当采样输入电压超过設定值时，微电脑立即指令电子功率部件进行无触点过零切换到合适的抽头处，以保证输出电压稳定在标称电压的±2%—3%(5V)之内。　2. 补偿变压器式交流稳压装置在照明上的应用

　　有了上述的交流调压装置，就具备了使照明灯具工作在最佳狀态和满足人们对照明节能要求的基础。

图 3 按时段运行曲线示意图

　　图3是根据不同时段灯具工作在最佳狀态和满足人们对照明大幅度节能的要求而编制的运行曲线。按順序依次为：软启动→稳压→降压节能→稳压。各时段的说明如下：

　　t0-t1：从 200V 开始软启动。這个电压持续 2 分 30 秒，可以消除40%的灯具启动浪涌。

　　t1-t2：以慢斜坡方式升到 220V。這个过程历时 5 分钟。

　　t2-t3：额定电压运行。

　　t3-t4：发出节能指令，以慢斜坡方式降到节能电压。這个过程历时 10 分钟。依据灯具不同节能电压有所不同，汞蒸气灯 MV 在200V 左右;高压钠灯 HPSV 在 190V 左右(保证末端灯具 MV 电压190V，HPSV 电压 180V)。

　　t4-t5：节能电压运行。时间可根据各地情况，如上海地区一般設定在 23 点至 5 点。

　　t5-t6：解除节能命令。以慢斜坡方式升到 220V，這个过程历时10 分钟。

　　t6-t7：额定电压运行。黎明前光线更暗，车流又多起来。恢复到较明亮的光线。灯具的开和关控制可以根据日照曲线且选用天文钟、光控开关、PLC、遥控装置等很成熟的常用方法来实現。　3. 智能照明调控系统

　　照明稳压节能装置与低压配电一起組成完整的智能照明调控系统。共計由三部分組成：1. 开关灯及节能时间控制部分 2. 主回路保护和控制部分 3. 紧急和维修旁路部分。图4是目前智能照明调控系统的典型原理图，PLC,光控，或手动使 KM1、KM3 吸合，接通照明回路，调控装置开始按图3的 t1-t3曲线段工作。到 PLC 或其它接点給调控装置中的“节能端子”一个短接信号，调控装置按图 3 的 t3-t5 曲线段工作直到该短接信号撤离，此时再按图3的 t5-t7 曲线段工作直到 PLC、光控或手动使KM1、KM3 关断失电为止。一个循环結束。维修时 KM1、KM3 打开，KM2 接通调控装置旁路，电源直接送到输出端。

图4 照明调控系统原理图

　　4. 智能照明调控装置的节能实例分析

　　我们設1公里有100盏路灯，每盏灯400W，平均综合投資(包括箱变、灯杆、电缆等)按1.5万元計，則每公里综合投資150万元。原来用于控制开关的配电箱为1.5万元，現改用智能照明调控装置(该装置已包含原来配电箱的所有功能)为7.5万元，成本增加了6万元，在总投資额中约占 4%的比例。100 盏 400W 灯的总负荷为 40kw，設平时电压高于额定电压10%(常規电压都偏高，但在允许范围内)功率便升高 21%;每天开灯 12 小时;电费为 0.6 元 / 度，而道路照明维修费一般是总电费的30% ，則計算結果如下：

　　一年电费：40kw×12 小时×365 天×1.21×0.6=127195 元

　　维修费： 127195×30%=38158 元

　　综合费用：127195+38158=165353 元

　　安装智能照明调控装置后因后半夜的道路交通流量很少可采取降压运行，节能时电压下降 16%，功率下降 30% ，則計算結果如下：

　　一年电费：(40kw×4 小时×365 天×0.6)+ ( 40kw×8 小时×0.7×365 天×0.6)=84096 元

　　维修费： 84096×30%=25228 元

　　综合费用：84056+25228=109284 元

　　节约费用：165353 元 -109284 元 =56068 元

　　节约比率：56068÷165353=34%

　　由此可见 1-2 年便可回收投資。而這种节能装置的使用寿命一般在 15 年左右，因此业主可从中获益 13 年以上。

　　結束语

　　通过上文的原理分析和实例計算，可以看出這种智能照明调控装置的节能效果还是非常明显的，特别适用于長距离的路灯照明。此外它还能自动的调节电压，有效的防止了电压波动对灯具寿命的影响。其缺点是对气体放电灯节能效果最好，对其它照明灯具效果并不显著。

　　参考文献：

　　[1]《路灯系统管理与电能节约》杜勇《照明与节能》2004 年第 3期.

　　[2]《交流稳定电源》张乃国主编，1999 年 10 月辽宁科学技术出版社出版.

　　[3]《绕組組合型交流稳压电源》王計法《电源技术应用》1999 年第 6 期.