丁伯和

摘 要：目前能源問(wèn)題已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(lái)滿足日益增長(zhǎng)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(guó)照明用電約占全國(guó)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(guò)對(duì)各種照明節(jié)能產(chǎn)品及技術(shù)的簡(jiǎn)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(kāi)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(guò)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(guò)低，電力公司通常會(huì)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(zhǎng)期工作，考慮系統(tǒng)上電壓的波動(dòng)和諧波影響，將對(duì)燈具產(chǎn)生兩大負(fù)面影響：浪費(fèi)電能與縮短燈具壽命。為此近年來(lái)國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出一批照明節(jié)能產(chǎn)品，根據(jù)其功能特點(diǎn)分為四類，通過(guò)對(duì)這幾種節(jié)能產(chǎn)品技術(shù)分析對(duì)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(wú)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(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)的路燈開(kāi)關(guān)箱智能終端組成。系統(tǒng)根據(jù)本地的日出日落時(shí)間和光照值，采用時(shí)控和光控相結(jié)合的控制方法，通過(guò)無(wú)線通訊自動(dòng)遙控開(kāi)/關(guān)燈，并能智能調(diào)節(jié)電壓、遙測(cè)現(xiàn)場(chǎng)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?？煽毓枋莻鹘y(tǒng)的電力電子器件，在上世紀(jì)90年代初期開(kāi)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(shí)斬波降壓，但其缺點(diǎn)是可控硅交流調(diào)壓會(huì)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(dá)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(lái)進(jìn)行統(tǒng)一控制，目前在國(guó)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(fù)載的電壓為最適宜值，達(dá)到既節(jié)電又保證照明標(biāo)準(zhǔn)要求的雙重目的。這種方式調(diào)節(jié)精度差，響應(yīng)時(shí)間慢。

結(jié)合以上四種照明節(jié)能技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，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(kāi)關(guān)作為開(kāi)關(guān)元件，每相獨(dú)立控制，電壓可升可降，無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓，穩(wěn)壓精度高，安全性和可靠性高。對(duì)電網(wǎng)的過(guò)壓或欠壓進(jìn)行快速自動(dòng)補(bǔ)償，為負(fù)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(huì)因突然的電壓過(guò)低而滅燈，也不會(huì)因電壓過(guò)高而燒毀。對(duì)電網(wǎng)無(wú)任何干擾，同時(shí)還可以提高特定負(fù)載的功率因數(shù)，減少無(wú)功損耗;其軟啟動(dòng)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(duì)照明系統(tǒng)的保護(hù)作用。主要應(yīng)用在照明條件極差或?qū)φ彰饕蟾叩膱?chǎng)所，投資回報(bào)率較高。

（一）工作原理

每相主要結(jié)構(gòu)元件有：補(bǔ)償變壓器、多抽頭變壓器、自動(dòng)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(bǔ)償變壓器一次側(cè)串聯(lián)連接在照明一次系統(tǒng)，補(bǔ)償變壓器二次側(cè)抽頭向升壓變壓器的次級(jí)提供電壓，而電源是經(jīng)過(guò)磁熱開(kāi)關(guān)之后直接連接到補(bǔ)償變壓器的。受電子控制單元的靜態(tài)開(kāi)關(guān)，使補(bǔ)償變壓器的二次抽頭和升壓變壓器次級(jí)連接起來(lái)，因此始終只有一套半導(dǎo)體組件處于工作狀態(tài)。通過(guò)上述提及的升壓變壓器的次級(jí)，該電壓將以正相或反相方式加入供電網(wǎng)絡(luò)，對(duì)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(dòng)。

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

在這個(gè)啟動(dòng)周期，可以減少約40%的照明啟動(dòng)過(guò)電流，電壓隨即在大約6分鐘，緩慢上升至額定值220VAC。“軟啟動(dòng)”功能對(duì)照明燈具起到非常理想的保護(hù)作用。完成啟動(dòng)過(guò)程后，電壓將持久穩(wěn)定在對(duì)應(yīng)的電壓水平。啟動(dòng)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(lái)自自選的外部裝置（時(shí)段編程器、天體鐘、遙控器、中控單元，手動(dòng)觸發(fā)組件等）。這些外部指令被連接到節(jié)電裝置上標(biāo)有“節(jié)電輸入”的標(biāo)記處。隨后裝置的軟降壓功能啟動(dòng)，約12分鐘時(shí)間內(nèi)電壓將降至節(jié)電電壓水平。該節(jié)電電壓對(duì)應(yīng)于水銀燈和高壓鈉燈具有不同的數(shù)值。該過(guò)程會(huì)依照編程的內(nèi)容重復(fù)多次，同時(shí)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(fù)責(zé)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(cè)輸出電壓進(jìn)入微處理器，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)一個(gè)窗口與參考電壓進(jìn)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(bǔ)償變壓器的抽頭變換。

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

啟動(dòng)時(shí)可將給定電壓作為啟動(dòng)電壓。隨后，微處理器將緩慢地將電壓升高至參考水平。當(dāng)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(shí)與給定電壓進(jìn)行比較，并且保持穩(wěn)定，即使在供電電壓發(fā)生變化時(shí)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(kāi)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(kāi)關(guān)連接補(bǔ)償變壓器二次側(cè)抽頭和向升壓變壓器的次級(jí)抽頭。靜態(tài)開(kāi)關(guān)是受電子系統(tǒng)控制的半導(dǎo)體器件，當(dāng)電子控制單元連接Cont_SCR1的I/O口為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的第一組SCR1導(dǎo)通，任何時(shí)候都只有一個(gè)半導(dǎo)體組件處于工作狀態(tài)，電子控制單元負(fù)責(zé)做出決定。通過(guò)記錄在EEPROM內(nèi)的參考電壓值，它實(shí)時(shí)監(jiān)控輸出電壓的變化，以決定接通這一個(gè)或者另一個(gè)靜態(tài)開(kāi)關(guān)。靜態(tài)開(kāi)關(guān)的選擇是取決于轉(zhuǎn)接到哪一個(gè)補(bǔ)償變壓器的抽頭能夠補(bǔ)償輸出電壓的變化，靜態(tài)開(kāi)關(guān)投切時(shí)刻由過(guò)零采集電路和微處理器決定。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的智能照明節(jié)電裝置，其三相獨(dú)立過(guò)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(kāi)關(guān)應(yīng)用在變壓器二次側(cè)，故系統(tǒng)無(wú)諧波干擾，且能抑制高次諧波，變壓器采用優(yōu)質(zhì)導(dǎo)磁材料，空載損耗小，使用壽命長(zhǎng)，該裝置在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試節(jié)電效率達(dá)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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