浅谈电子镇流器在道路照明节能中的应用

　　提要：本文主要介绍了电子镇流器在城市道路节能中的应用，对常用的道路照明节能措施进行了比较和分析。通过对电子镇流器的节能原理分析，可为人们选用道路节能产品提供参考。
　　关键词：功率因数，谐波，道路照明
　　一、前言
　　我国实施的“绿色照明促进工程”，旨在节约能源，提高照明质量，促进城市照明节能技术的发展。电子镇流器凭借其自身的优点，很好地解决了电感式镇流器的存在的问题，对城市道路照明节能技术的发展具有深远的意义。
　　二、常用的道路照明节能措施的分析
　　就道路照明节能方法而言，主要有两中途径：1）从光源的角度考虑，通过提高光源自身的发光效率从而节约能源；2）从照明控制的角度考虑，根据不同的照明需求，通过采用高效的控制器件或控制措施，提高能源的利用率。
　　几种常用的道路照明节能措施的比较：
　　（1）LED光源路灯。LED光源具有能效高、工作电压低、耗电量小、响应时间短等特点，逐渐应用于照明领域，成为道路照明的新兴产品。然而，LED光源用于道路照明时，存在一下缺点：a.照度均匀度低，容易出现光斑现象；b.基于LED自身的特点，所产生的热量很难散发出去，加速老化现象，使光衰严重；c.单灯功率低。LED光源在道路照明的普及应用仍处于发展阶段，无论从价格、技术、质量综合方面来看，现在还处于一种过渡期。
　　（2）无极灯。无极灯具有发光效率高、高显色性、功率因数高、响应时间短、高节能比等特点，节能效果好，但由于散热问题是限制大功率无极灯的瓶颈，并且，无极灯采用高频电磁感应（无灯丝、无电极）方式触发灯内壁的三基色荧光粉发光，从而大量高频谐波，对电网造成严重污染。高低频无极灯与大功率LED照明同属过渡阶段，由于路灯改造属市政工程，从投资角度来说，产品的稳定性是改造的前提，其次才是节能空间，无极灯在市政应用领域从技术性能、质量稳定方面还需要一个跨度时期。
　　（3）电容就地补偿方式。电容就地补偿方式是最常用的方法，操作简单，成本低，是有效降低电感镇流器灯具视在电流，减少无功功率，提高电网功率因数的方法。但理论上不能降低有功功率，镇流器自身损耗仍是一个比较严重的问题，且补偿电容容易失效，需要经常维护。
　　（4）双功率电感镇流器。双功率电感镇流器是通过预定时间进行调压切换，实现变功率输出。由于采用变功率输出，可以只采用单回路控制方式，从而减少工程投资，又可以弥补下半夜隔盏亮灯方式中出现的光斑现象，提高道路的照明均匀度。但电感镇流器仍需采用电容就地补偿方式进行无功补偿。
　　（5）电子镇流器。电子镇流器是在电源与高压钠灯等气体放电灯之间整体替代电感镇流器，触发器，补偿电容器的装置，其安装使用更加方便，节能效果更好（自身功耗比电感镇流器节省80%以上）。由于电子镇流器在线路开路或短路时进线电流自动减少为零，因此电子镇流器自身不易损坏，并且还具有无频闪，无噪声，无声频共振，使用寿命长等优点。在对现状道路照明状况改变较少的情况下，采用电子镇流器是相对比较经济可靠的方法。
　　三、电子镇流器的节能原理
　　实验表明，当功率因数cosα≥0.98时，可实现电网电能最佳传输。除热损耗外，几乎100%地输出到负载。在实际应用中电感镇流器由于无功功率过大，加大了线路的无功负载，从而增大了电网损耗。而电子镇流器可最大限度地使用线路供电能力，减少电网损耗，节约电能。高压钠灯的气体辉光放电电弧V-I特性表明，用电感镇流器时的灯头电压呈马鞍型曲线，流过的电流中间高，两边低。做傅利叶展开后，电流波形包含大量的奇次谐波（见图1）。
　　           
　　                                                 图1                                                                                                               图2
　　以250W高压钠灯为例，电感镇流器的每周期稳定过程分为：
　　1、电源正半周：电压开始上升，但电压较低，无法形成放电，先形成的等离子体复合恢复成分子期；电压击穿半恢复的等离子气体期；流过电弧的电流开始增加，电流辉光放电期；电压瞬时值下降；无法维持气体放电后，等离子气体开始进入复合恢复期。
　　2、电源负半周：负电压值开始上升，但电压较低；无法形成放电，原先形成的等离子体复合恢复成分子期；电压击穿半恢复的等离子气体期；流过电弧的电流开始增加，电流辉光放电期；电压瞬时值下降；无法维持气体放电后，等离子气体开始进入复合恢复期。
　　由于每次放电周期间隔达10毫秒(50HZ)，等离子体数目减少，气体在复合恢复期的发光强度明显减弱。用分色盘很容易检出光亮的脉动。电流和灯发光强度是非线性的，典型曲线见图2：
　　由于电流零歇时发光为零，大脉动电流工作方式的效率比较低。在相同照度下耗电多，照明质量差。典型的电感镇流器，当250W高压钠灯满功率运行时其总功率约285W。将工作过程与波形对照，并以傅利叶展开灯电流后发现，波形中含有很高的奇次谐波成分（3/5/7/9/11次谐波为主），电网电压被奇变成馒头波，功率因数低，而且无法用电容补偿。
　　电子镇流器工作频率约50KHz，每放电周期仅10微秒，气体击穿所需的链式增值过程达2-8微秒，恢复时间约1毫秒。在电感限流作用下，电弧中的等离子气体在电压过零时根本来不及恢复及倍增，所以灯的每周期稳定过程中只有稳定的辉光放电效应，并通过其功率校正（PFC）电路，使得其功率因数达0.95以上。另外，从电弧工作状况看，十分类似直流供电，但没有电极转移效应。由于灯电极没有长时间的高峰值电流流过，电极温度稳定，磨损减小，而高压钠灯灯管的主要失效模式为电极老化，这样一来，使用电子镇流器将有效延长灯管寿命。
　　图3所示为使用电子镇流器时钠灯两端的典型工作波形，与电感式镇流器相比，工作过程明显不同，在工作的所有时间内，灯都在稳定的发光；没有频闪，用分光盘无法测出，大大提高了照明质量。
　　                       
　　                                                       图3
　　电子镇流器采用恒功率控制，在电压大幅度波动的情况下，提供给灯的功率保持不变，而且电子镇流器的工作频率为30KHz~45KHz，减少了高压钠灯的电光转换中的脉动，提高了效率和舒适度。同时，由于电子镇流器可实现定时变功率输出的功能，可在约定的时间内自动降低输出功率，弥补下半夜隔盏亮灯方式中出现的光斑现象，提高道路的照明均匀度。
　　实验表明，250W高压钠灯电感镇流器总功率约285W，在同等光照度下，电子镇流器总功率仅需262W。从理论上看，使用电子镇流器每只灯节省23W，若每天工作10小时，可节省电0.23度，即每年节电约82度，再加上高功率因数间接节能效果，每年至少节电约120度以上。以某中型城市有5万只高压钠灯为例，可年节电600万度。
　　四、结论
　　高压钠灯因其具有极好的光效(80~140lm/W)和合适的光波长，而被广泛用于户外照明。在LED、无极灯等新兴光源技术仍有待进步的时候，高压钠灯是道路照明光源的首选。传统的电感式的镇流器存在功率因数低和自身损耗大的缺点。
　　随着我国绿色照明工程的日益深入，人们对绿色照明产品的需求日益增大，特别是高性能电子镇流器以其卓越的性能、适中的价格、功率因数高、能效高、灯电流波峰比低、良好的电磁兼容性：不会污染电网、不会干扰其它医疗仪器设备、计算机系统等用电设备正常工作的特点及优越性将逐步替代电感镇流器。电子镇流器的广泛应用，也是解决城市道路照明中节能环保和照度要求之间矛盾的最理想方法。
　　参考文献：
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　　【4】毛兴武、祝大卫，电子镇流器原理与制作[M].，人民邮电出版社
　　【5】路秋生，电子镇流器的设计与调光控制[M]，.科学出版社