一種新型智能照明節電裝置的應用

丁伯和

摘 要：目前能源問題已經成為制約我國經濟和社會發展的重要因素，如何充分利用電能、節約電能、保障電能需求來滿足日益增長的工業生產和人們日常生活需要，已是擺在我們面前的緊迫任務。目前我國照明用電約占全國用電量的13%左右，節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能產品及技術的簡單介紹，提出一種新型智能照明節電裝置，并介紹其使用效果及節能原理。

關鍵詞：智能照明節電裝置;照明;節能;靜態開關;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，考慮系統上電壓的波動和諧波影響，將對燈具產生兩大負面影響：浪費電能與縮短燈具壽命。為此近年來國內涌現出一批照明節能產品，根據其功能特點分為四類，通過對這幾種節能產品技術分析對比，提出一種新型智能照明節電裝置。

二、目前照明節能的主要技術方式

（一）無線智能監控系統。照明智能監控系統主要應用于路燈，由中央調度室的微機網絡系統、無線通信系統和現場的路燈開關箱智能終端組成。系統根據本地的日出日落時間和光照值，采用時控和光控相結合的控制方法，通過無線通訊自動遙控開/關燈，并能智能調節電壓、遙測現場的工作電壓、電流、功率等數據。智能化程度高，系統安裝復雜，投資規模較大，不適合現階段大規模推廣。

（二）可控硅斬波調壓節能。可控硅是傳統的電力電子器件，在上世紀90年代初期開始應用到照明節能上。采用可控硅交流調壓技術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壓會產生高次諧波和線路震蕩，降低燈泡壽命，現已基本淘汰。

（三）單燈節能控制。單燈節電控制系統采用扼流技術達到節電效果，主要也是應用于路燈系統。這種方式的投資較大，200～400元/燈，且需要建設集中監控系統來進行統一控制，目前在國內很少采用。

（四）分檔位電磁降壓節能。以電磁感應方式將供電系統的輸入電壓予以優化，采用AC-AC直接變換技術調整電壓，輸給燈光負載的電壓為最適宜值，達到既節電又保證照明標準要求的雙重目的。這種方式調節精度差，響應時間慢。

結合以上四種照明節能技術的優缺點，提出一種高效的新型智能照明節電裝置。

三、智能照明節電裝置

每相采用多抽頭的自耦變壓器和升壓變壓器為主要器件，使用靜態開關作為開關元件，每相獨立控制，電壓可升可降，無觸點穩壓，穩壓精度高，安全性和可靠性高。對電網的過壓或欠壓進行快速自動補償，為負載提供穩定的正弦波電壓。額定電壓、節電電壓水平以及斜坡式升壓和降壓都是在約0.1s內瞬間完成，因此，照明設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。對電網無任何干擾，同時還可以提高特定負載的功率因數，減少無功損耗;其軟啟動功能、穩壓水平及慢斜坡方式的電壓下調功能，增加了對照明系統的保護作用。主要應用在照明條件極差或對照明要求高的場所，投資回報率較高。

（一）工作原理

每相主要結構元件有：補償變壓器、多抽頭變壓器、自動靜態旁路、控制單元等組件，其中控制單元由電子控制單元和電壓調控單元組成。

升壓變壓器和補償變壓器一次側串聯連接在照明一次系統，補償變壓器二次側抽頭向升壓變壓器的次級提供電壓，而電源是經過磁熱開關之后直接連接到補償變壓器的。受電子控制單元的靜態開關，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。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絡，對應于升壓或降壓功能，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，然后進入照明系統“軟啟動”過程。從200VAC（或者其它設置的電壓）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，電壓將持久穩定在對應的電壓水平。啟動周期結束后，裝置繼續向照明系統提供穩定的額定電壓，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，手動觸發組件等）。這些外部指令被連接到節電裝置上標有“節電輸入”的標記處。隨后裝置的軟降壓功能啟動，約12分鐘時間內電壓將降至節電電壓水平。該節電電壓對應于水銀燈和高壓鈉燈具有不同的數值。該過程會依照編程的內容重復多次，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：作出決定并連續地采樣裝置的主要參數，輸入輸出電壓、頻率等，以及控制旁路的工作狀態和RS-485、CAN串行通訊器。

微處理器的EEPROM存貯照明系統的參數，檢測輸出電壓進入微處理器，并轉換成數字量，通過一個窗口與參考電壓進行比較，從而決定照明節電裝置的輸出精度。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，根據比較結果發出“伺服系統信號”，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。當節電指令發出后，微處理器將緩慢地降低參考電壓至節電電壓水平，輸出電壓隨時與給定電壓進行比較，并且保持穩定，即使在供電電壓發生變化時也一樣保持穩定。

（三）電壓調控單元

每相電壓調控單元由七組靜態開關BTA80、光耦P181、三極管BD437、電阻、電容、二極管等組成，其靜態開關連接補償變壓器二次側抽頭和向升壓變壓器的次級抽頭。靜態開關是受電子系統控制的半導體器件，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，電子控制單元負責做出決定。通過記錄在EEPROM內的參考電壓值，它實時監控輸出電壓的變化，以決定接通這一個或者另一個靜態開關。靜態開關的選擇是取決于轉接到哪一個補償變壓器的抽頭能夠補償輸出電壓的變化，靜態開關投切時刻由過零采集電路和微處理器決定。

四、結束語

本文介紹的智能照明節電裝置，其三相獨立過零平滑調節，具備降壓、穩壓、升壓及故障靜態旁路功能，因靜態開關應用在變壓器二次側，故系統無諧波干擾，且能抑制高次諧波，變壓器采用優質導磁材料，空載損耗小，使用壽命長，該裝置在現場運行測試節電效率達30%以上。該裝置可以視為照明節能行業發展的新方向。

參考文獻：

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