一種新型智能照明節(jié)電裝置的應(yīng)用

丁伯和

摘 要：目前能源問題已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素，如何充分利用電能、節(jié)約電能、保障電能需求來滿足日益增長的工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钚枰?，已是擺在我們面前的緊迫任務(wù)。目前我國照明用電約占全國用電量的13%左右，節(jié)約照明能耗在降低電能中尤為重要。本文通過對各種照明節(jié)能產(chǎn)品及技術(shù)的簡單介紹，提出一種新型智能照明節(jié)電裝置，并介紹其使用效果及節(jié)能原理。

關(guān)鍵詞：智能照明節(jié)電裝置;照明;節(jié)能;靜態(tài)開關(guān);自耦變壓器;升壓變壓器

一、引言

眾所周知，在電能輸送過程中，為了避免輸電線路的損耗以及高峰期用電造成線路末端用戶電壓過低，電力公司通常會以高于燈具的額定電壓輸送電能，造成燈具在高于其額定電壓下長期工作，考慮系統(tǒng)上電壓的波動和諧波影響，將對燈具產(chǎn)生兩大負面影響：浪費電能與縮短燈具壽命。為此近年來國內(nèi)涌現(xiàn)出一批照明節(jié)能產(chǎn)品，根據(jù)其功能特點分為四類，通過對這幾種節(jié)能產(chǎn)品技術(shù)分析對比，提出一種新型智能照明節(jié)電裝置。

二、目前照明節(jié)能的主要技術(shù)方式

（一）無線智能監(jiān)控系統(tǒng)。照明智能監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用于路燈，由中央調(diào)度室的微機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和現(xiàn)場的路燈開關(guān)箱智能終端組成。系統(tǒng)根據(jù)本地的日出日落時間和光照值，采用時控和光控相結(jié)合的控制方法，通過無線通訊自動遙控開/關(guān)燈，并能智能調(diào)節(jié)電壓、遙測現(xiàn)場的工作電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)。智能化程度高，系統(tǒng)安裝復(fù)雜，投資規(guī)模較大，不適合現(xiàn)階段大規(guī)模推廣。

（二）可控硅斬波調(diào)壓節(jié)能。可控硅是傳統(tǒng)的電力電子器件，在上世紀90年代初期開始應(yīng)用到照明節(jié)能上。采用可控硅交流調(diào)壓技術(shù)的原理是利用可控硅在燈具工作時斬波降壓，但其缺點是可控硅交流調(diào)壓會產(chǎn)生高次諧波和線路震蕩，降低燈泡壽命，現(xiàn)已基本淘汰。

（三）單燈節(jié)能控制。單燈節(jié)電控制系統(tǒng)采用扼流技術(shù)達到節(jié)電效果，主要也是應(yīng)用于路燈系統(tǒng)。這種方式的投資較大，200～400元/燈，且需要建設(shè)集中監(jiān)控系統(tǒng)來進行統(tǒng)一控制，目前在國內(nèi)很少采用。

（四）分檔位電磁降壓節(jié)能。以電磁感應(yīng)方式將供電系統(tǒng)的輸入電壓予以優(yōu)化，采用AC-AC直接變換技術(shù)調(diào)整電壓，輸給燈光負載的電壓為最適宜值，達到既節(jié)電又保證照明標準要求的雙重目的。這種方式調(diào)節(jié)精度差，響應(yīng)時間慢。

結(jié)合以上四種照明節(jié)能技術(shù)的優(yōu)缺點，提出一種高效的新型智能照明節(jié)電裝置。

三、智能照明節(jié)電裝置

每相采用多抽頭的自耦變壓器和升壓變壓器為主要器件，使用靜態(tài)開關(guān)作為開關(guān)元件，每相獨立控制，電壓可升可降，無觸點穩(wěn)壓，穩(wěn)壓精度高，安全性和可靠性高。對電網(wǎng)的過壓或欠壓進行快速自動補償，為負載提供穩(wěn)定的正弦波電壓。額定電壓、節(jié)電電壓水平以及斜坡式升壓和降壓都是在約0.1s內(nèi)瞬間完成，因此，照明設(shè)備既不會因突然的電壓過低而滅燈，也不會因電壓過高而燒毀。對電網(wǎng)無任何干擾，同時還可以提高特定負載的功率因數(shù)，減少無功損耗;其軟啟動功能、穩(wěn)壓水平及慢斜坡方式的電壓下調(diào)功能，增加了對照明系統(tǒng)的保護作用。主要應(yīng)用在照明條件極差或?qū)φ彰饕蟾叩膱鏊?，投資回報率較高。

（一）工作原理

每相主要結(jié)構(gòu)元件有：補償變壓器、多抽頭變壓器、自動靜態(tài)旁路、控制單元等組件，其中控制單元由電子控制單元和電壓調(diào)控單元組成。

升壓變壓器和補償變壓器一次側(cè)串聯(lián)連接在照明一次系統(tǒng)，補償變壓器二次側(cè)抽頭向升壓變壓器的次級提供電壓，而電源是經(jīng)過磁熱開關(guān)之后直接連接到補償變壓器的。受電子控制單元的靜態(tài)開關(guān)，使補償變壓器的二次抽頭和升壓變壓器次級連接起來，因此始終只有一套半導體組件處于工作狀態(tài)。通過上述提及的升壓變壓器的次級，該電壓將以正相或反相方式加入供電網(wǎng)絡(luò)，對應(yīng)于升壓或降壓功能，從而糾正可能引致的額定電壓波動。

裝置通電后將啟動日常工作周期，通過每一相的微處理器，檢測裝置的所有參數(shù)，然后進入照明系統(tǒng)“軟啟動”過程。從200VAC（或者其它設(shè)置的電壓）開始啟動，然后停留在220VAC的電壓水平。

在這個啟動周期，可以減少約40%的照明啟動過電流，電壓隨即在大約6分鐘，緩慢上升至額定值220VAC。“軟啟動”功能對照明燈具起到非常理想的保護作用。完成啟動過程后，電壓將持久穩(wěn)定在對應(yīng)的電壓水平。啟動周期結(jié)束后，裝置繼續(xù)向照明系統(tǒng)提供穩(wěn)定的額定電壓，直至它接收到降低照明亮度的指令。該指令來自自選的外部裝置（時段編程器、天體鐘、遙控器、中控單元，手動觸發(fā)組件等）。這些外部指令被連接到節(jié)電裝置上標有“節(jié)電輸入”的標記處。隨后裝置的軟降壓功能啟動，約12分鐘時間內(nèi)電壓將降至節(jié)電電壓水平。該節(jié)電電壓對應(yīng)于水銀燈和高壓鈉燈具有不同的數(shù)值。該過程會依照編程的內(nèi)容重復(fù)多次，同時還受供電中斷的影響。

（二）電子控制單元

每相電子控制單元所采用最新型的微處理器STM32F103VET6，負責以下工作：作出決定并連續(xù)地采樣裝置的主要參數(shù)，輸入輸出電壓、頻率等，以及控制旁路的工作狀態(tài)和RS-485、CAN串行通訊器。

微處理器的EEPROM存貯照明系統(tǒng)的參數(shù)，檢測輸出電壓進入微處理器，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過一個窗口與參考電壓進行比較，從而決定照明節(jié)電裝置的輸出精度。另外比較窗口引入一定的遲滯值，以防止不必要的振蕩和補償變壓器的抽頭變換。

微處理器在任何時候都將輸出電壓和參考電壓進行比較，根據(jù)比較結(jié)果發(fā)出“伺服系統(tǒng)信號”，由該信號決定在何時切換補償變壓器的哪一組抽頭，以獲取正確的輸出電壓。

啟動時可將給定電壓作為啟動電壓。隨后，微處理器將緩慢地將電壓升高至參考水平。當節(jié)電指令發(fā)出后，微處理器將緩慢地降低參考電壓至節(jié)電電壓水平，輸出電壓隨時與給定電壓進行比較，并且保持穩(wěn)定，即使在供電電壓發(fā)生變化時也一樣保持穩(wěn)定。

（三）電壓調(diào)控單元

每相電壓調(diào)控單元由七組靜態(tài)開關(guān)BTA80、光耦P181、三極管BD437、電阻、電容、二極管等組成，其靜態(tài)開關(guān)連接補償變壓器二次側(cè)抽頭和向升壓變壓器的次級抽頭。靜態(tài)開關(guān)是受電子系統(tǒng)控制的半導體器件，當電子控制單元連接Cont_SCR1的I/O口為低電平時，對應(yīng)的第一組SCR1導通，任何時候都只有一個半導體組件處于工作狀態(tài)，電子控制單元負責做出決定。通過記錄在EEPROM內(nèi)的參考電壓值，它實時監(jiān)控輸出電壓的變化，以決定接通這一個或者另一個靜態(tài)開關(guān)。靜態(tài)開關(guān)的選擇是取決于轉(zhuǎn)接到哪一個補償變壓器的抽頭能夠補償輸出電壓的變化，靜態(tài)開關(guān)投切時刻由過零采集電路和微處理器決定。

四、結(jié)束語

本文介紹的智能照明節(jié)電裝置，其三相獨立過零平滑調(diào)節(jié)，具備降壓、穩(wěn)壓、升壓及故障靜態(tài)旁路功能，因靜態(tài)開關(guān)應(yīng)用在變壓器二次側(cè)，故系統(tǒng)無諧波干擾，且能抑制高次諧波，變壓器采用優(yōu)質(zhì)導磁材料，空載損耗小，使用壽命長，該裝置在現(xiàn)場運行測試節(jié)電效率達30%以上。該裝置可以視為照明節(jié)能行業(yè)發(fā)展的新方向。

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