照明节电技术及路灯系统节能分析

　　【摘要】我国是能耗大国，电力能源对经济发展的制约也越来越大，因此节约电能就显得格外重要，而照明节电器的广泛应用，是节电有效措施。本文主要对照明节电器及其在路灯系统中的应用进行了分析。
　　【关键词】照明节电器;路灯系统;应用
　　一、照明节电器的构成与工作原理、特性
　　1、照明节电器的构成
　　针对不同的工作场合，照明节电器分为单相和三相两种类型。为方便起见，下面分析以单相照明节电器为主(见图1)，同时给出三相照明节电器的原理可以由单相照明节电器类推而出。
　　
　　图1单相照明节电器原理框图
　　由图1可见，单相照明节电器的构成主要分为三大部分：
　　(1)补偿变压器B。起到改变一、二次侧交流电压和隔离的作用，即将一次侧的可变电压耦合到二次侧形成△u，并与输入电压Ui叠加，来调整输出电压U。的大小。
　　(2)单相固态正弦波电压调整器。在控制信号的作用下，产生与交流电网同步的正弦波补偿电压，并将此电压提供给补偿变压器B。
　　(3)单片机控制、保护电路。单片机按照预先设计好的运行模式来控制照明节电器的正常运行；在线检测外部输入、输出的相关信号(电压、电流、功率、元器件温度等)，在异常状态下进行安全保护。
　　2、照明节电器的工作原理
　　1）电压调整回路
　　由图l输入电压Ui输出电压U0和补偿电压△U关系如下：
　　Ui=U。+△U
　　其输出电压U。=Ui一△U，通过改变电压补偿器B的一次电压及其与控制电路的配合，即可按照节能模式运行。
　　2）单片机控制、保护回路
　　(1)单片机控制部分主要是按照预先设置好的照明节电器运行的模式曲线来控制电压调节器的工作，并稳定在设定的电压上。
　　(2)保护回路将实时监测到的启动、延时、输入电压、输出电压、输出电流的值与事先设定值进行比较分析，一旦出现异常事故将旁路开关自动投入，保证照明系统以市电正常工作。其运行模式如图2所示。
　　
　　图2照明节电器运行模式
　　3、照明节电器的特性
　　1）提高用电器的效率。照明节电器是通过提高用电器的使用效率，降低功耗而节能的，其电压调整器不同于普通的降压变压器，其在降低电压的同时保证电路的功率因数及效率不变，使灯光系统能稳定在低电压及低电流状态下工作。
　　2）照明节电器采用非相控技术调节不产生任何高次谐波，不污染电网。
　　3）其单片机控制模块将微电脑芯片与高效电感换流技术有机结合在一起，通过电感之间的电磁相互作用，回收彼此相反的剩余电流和无功功率，改善供电品质，抑制超标能耗，可以最大限度地降低灯光照明系统的电耗，从而达到延长用电设备使用寿命和节约电能的双重目的。
　　4)整个设备没有需要维护的调整部件(如电机、炭刷等)，几乎可以做到免维护。
　　完善的动态检测功能，具有输入、输出、电压、电流、功率等异常保护功能，可以延长灯管的使用寿命，且不增加交流电网总的谐波含量。设有独立的旁路开关，故障时能及时退出运行，保证照明灯具仍然能够使用。
　　二、几种照明节电器分析
　　1、自耦降压式节电器
　　自耦降压式节电器的原理是通过一个自耦变压器机芯，根据输入电压的高低，用接触器或可控硅连接不同的变压器抽头，将电网电压降低5、10、15、20V或作5、10、15、20、25、30、35V等几挡，从而达到节电的目的。
　　1）使用多挡降压的降压变压器。无法起到对光源保护的作用由于其核心部件是一台多抽头的自耦变压器，变比是固定的，一般的副边有三到五个降压抽头，每一抽头互差5V，即一旦进入某挡，降低的电压就固定，电网电压在上下5V内波动时，控制电路不会动作，即节电器的输出电压也有上下5V的波动，这样照明灯具的工作电压照样仍处在不稳定的工作状态，无法起到对光源保护的作用。而电网电压低时可能还会出现欠压现象，造成灯具无法正常启动点亮，反而会降低
　　灯具的寿命，这是这类装置存在的最大安全缺陷。
　　2）换挡调节时。可产生跳变电压和瞬变冲击电流跳变电压使灯光存在明显的时暗时明的闪亮现象，严重影响正常照明；瞬变冲击电流缩短灯具寿命。
　　2、智能节电器
　　智能节电装置的工作原理，采用微电脑控制系统，实时采集输入、输出电压的信号与最佳的照明电压比较，通过运算进行自动调节，从而能保证灯具长期保持最佳的照明工作电压，能有效地保护灯具和实现最佳的节电效果。智能节电器的优点：
　　1）优化电力质量。节约照明用电
　　(1)稳定最佳工作电压：根据电网电压偏高和经常波动的现象，慢斜坡智能节电器可实时在线调控输出最佳的照明工作电压，并能将其稳定在±2％以内，有效提高电力质量，从而达到节电10％～45％的效果。
　　(2)多时段节电运行，实现最佳节能：根据实际用电场所需求，通过程序进行多时段节能电压设置，从而可满足不同场所不同光源、不同时间的需求，实现最佳照明状态和最大节电率。
　　2）有效保护电光源．延长灯具的使用寿命
　　(1)软启动和慢斜坡控制：慢斜坡处理智能节电装置能够实现灯具的软启动和慢斜坡控制过程。灯具在启动时，采用软启动预热，可大量减少启动电流的冲击，有效提高灯具的寿命。
　　(2)慢斜坡处理：在调压和稳压过程中，慢斜坡智能节电装置采用慢斜坡调控方式，使电压在设定时间内缓慢过渡，保证光源不受电压、电流波动的冲击，从而减少电光的损坏，延长使用寿命。
　　三、照明节电器在路灯系统中的应用分析
　　下面以常用的高压钠灯为例简单介绍当前路灯系统的现况。
　　高压钠灯是目前应用最广泛的道路照明光源，而高压钠灯及灯具技术已发展得较为成熟，高光效高压钠灯已普遍应用，光效最高可以达到150lm／W，而灯具的效率也提高到75％、甚至80%以上。以广州市的主干道为例，按平均照度不低于30lux时，照明功率密度(LPD)值不高于1．05，仅有25％道路因光源、灯具效率较低而难以达到此标准，因此现有高压钠灯是完全能满足照明功率密度标准要求的。
　　以主干道为例，按高光效400W高压钠灯(发光效率138lm／W考虑了镇流器的功耗后系统光效为120lm／W)、维护系数0．7、灯具利用系数0．5，主干道平均照度30lux，按平均照度公式计算：
　　
　　式中K——维护系数0．7
　　ϕ——单位安装间距内总的光源光通量
　　U——利用系数0．5
　　S——路灯安装间距
　　W——道路宽度
　　ƞ——光源发光效率1381m／W
　　P——单位安装间距内总光源功率
　　从以上公式可以进一步推导出功率密度P和平均照度、光源发光效率、灯具利用系数、维护系数的关系：
　　
　　即LPD为0．71时即可满足30lux的平均照度要求，比照明功率密度标准1．05低了32％，如果采用250W高压钠灯(光效为128lm／W考虑了镇流器的功耗后，系统光效为～111lm／w)，则该LPD值为0．77，由此得出高光效高压钠灯是完全可以满足节电标准、且作为道路照明节电方案实施的。
　　在对现有路灯节电改造中，高压钠灯也要根据道路实际情况来确定实施方案，比如对主要因道路亮(照)度过高而造成的LPD超标问题，应对道路的LPD、照度进一步核对，对灯具效率有效合理情况下，可降低光源功率或通过节电设备(调压节电或单灯功率镇流器)节电。如对使用400W高压钠灯(光通量55000lm)、平均照度大于50lux的主干道，可以更换为250W高压钠灯(33000lm)。改造后照度降低为：50×33000／55000=30lux，仍满足设计要求改造后节电率：(400—250)／400=37．5％。
　　同时虽然LED路灯价格在不断下降，但价格基本在4000元以上，是高压钠灯(含电器、光源、灯具)3倍以上，一个中型规模城市5、6万盏路灯更换成LED，其投入是相当大的，而采用更新高压钠灯的改造方式则要经济的多，尤其仅需更换光源、电器时，改造成本更低，高压钠灯节电改造是低投入、高回报。高压钠灯日常维护主要是光源和电器，在故障时易于维修，产品标准统一，不同厂家光源、电器可以互换，维护成本低。
　　可见高压钠灯使用时，具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不诱虫等优点。而城市道路照明要实现有效节电、降低成本、保证照明功能指标、维护便利的目标，选择高压钠灯节电还是最简单、直接有效的节电方法。
　　结语
　　总之，我国电力能耗大，电力节能是我国减能减排的重要举措，照明节能器在节能上有很大优势。在实际的使用过程中应根据照明的实际环境需求来加以综合考虑，这样既能达到节约电能的目的，又能满足实际的使用要求。
　　参考文献
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　　[2]杨光.照明节电器及其应用[J].电工技术杂志,2004(10)
　　[3]林振刚.高压钠灯在城市道路照明节电的应用[J].照明工程学报,2009,20(4)