一种新型智能照明节电装置的应用

丁伯和

摘 要：目前能源问题已经成为制约我国经济和社会发展的重要因素，如何充分利用电能、节约电能、保障电能需求来满足日益增长的工业生产和人们日常生活需要，已是摆在我们面前的紧迫任务。目前我国照明用电约占全国用电量的13%左右，节约照明能耗在降低电能中尤为重要。本文通过对各种照明节能产品及技术的简单介绍，提出一种新型智能照明节电装置，并介绍其使用效果及节能原理。

关键词：智能照明节电装置;照明;节能;静态开关;自耦变压器;升压变压器

一、引言

众所周知，在电能输送过程中，为了避免输电线路的损耗以及高峰期用电造成线路末端用户电压过低，电力公司通常会以高于灯具的额定电压输送电能，造成灯具在高于其额定电压下长期工作，考虑系统上电压的波动和谐波影响，将对灯具产生两大负面影响：浪费电能与缩短灯具寿命。为此近年来国内涌现出一批照明节能产品，根据其功能特点分为四类，通过对这几种节能产品技术分析对比，提出一种新型智能照明节电装置。

二、目前照明节能的主要技术方式

（一）无线智能监控系统。照明智能监控系统主要应用于路灯，由中央调度室的微机网络系统、无线通信系统和现场的路灯开关箱智能终端组成。系统根据本地的日出日落时间和光照值，采用时控和光控相结合的控制方法，通过无线通讯自动遥控开/关灯，并能智能调节电压、遥测现场的工作电压、电流、功率等数据。智能化程度高，系统安装复杂，投资规模较大，不适合现阶段大规模推广。

（二）可控硅斩波调压节能。可控硅是传统的电力电子器件，在上世纪90年代初期开始应用到照明节能上。采用可控硅交流调压技术的原理是利用可控硅在灯具工作时斩波降压，但其缺点是可控硅交流调压会产生高次谐波和线路震荡，降低灯泡寿命，现已基本淘汰。

（三）单灯节能控制。单灯节电控制系统采用扼流技术达到节电效果，主要也是应用于路灯系统。这种方式的投资较大，200～400元/灯，且需要建设集中监控系统来进行统一控制，目前在国内很少采用。

（四）分档位电磁降压节能。以电磁感应方式将供电系统的输入电压予以优化，采用AC-AC直接变换技术调整电压，输给灯光负载的电压为最适宜值，达到既节电又保证照明标准要求的双重目的。这种方式调节精度差，响应时间慢。

结合以上四种照明节能技术的优缺点，提出一种高效的新型智能照明节电装置。

三、智能照明节电装置

每相采用多抽头的自耦变压器和升压变压器为主要器件，使用静态开关作为开关元件，每相独立控制，电压可升可降，无触点稳压，稳压精度高，安全性和可靠性高。对电网的过压或欠压进行快速自动补偿，为负载提供稳定的正弦波电压。额定电压、节电电压水平以及斜坡式升压和降压都是在约0.1s内瞬间完成，因此，照明设备既不会因突然的电压过低而灭灯，也不会因电压过高而烧毁。对电网无任何干扰，同时还可以提高特定负载的功率因数，减少无功损耗;其软启动功能、稳压水平及慢斜坡方式的电压下调功能，增加了对照明系统的保护作用。主要应用在照明条件极差或对照明要求高的场所，投资回报率较高。

（一）工作原理

每相主要结构元件有：补偿变压器、多抽头变压器、自动静态旁路、控制单元等组件，其中控制单元由电子控制单元和电压调控单元组成。

升压变压器和补偿变压器一次侧串联连接在照明一次系统，补偿变压器二次侧抽头向升压变压器的次级提供电压，而电源是经过磁热开关之后直接连接到补偿变压器的。受电子控制单元的静态开关，使补偿变压器的二次抽头和升压变压器次级连接起来，因此始终只有一套半导体组件处于工作状态。通过上述提及的升压变压器的次级，该电压将以正相或反相方式加入供电网络，对应于升压或降压功能，从而纠正可能引致的额定电压波动。

装置通电后将启动日常工作周期，通过每一相的微处理器，检测装置的所有参数，然后进入照明系统“软启动”过程。从200VAC（或者其它设置的电压）开始启动，然后停留在220VAC的电压水平。

在这个启动周期，可以减少约40%的照明启动过电流，电压随即在大约6分钟，缓慢上升至额定值220VAC。“软启动”功能对照明灯具起到非常理想的保护作用。完成启动过程后，电压将持久稳定在对应的电压水平。启动周期结束后，装置继续向照明系统提供稳定的额定电压，直至它接收到降低照明亮度的指令。该指令来自自选的外部装置（时段编程器、天体钟、遥控器、中控单元，手动触发组件等）。这些外部指令被连接到节电装置上标有“节电输入”的标记处。随后装置的软降压功能启动，约12分钟时间内电压将降至节电电压水平。该节电电压对应于水银灯和高压钠灯具有不同的数值。该过程会依照编程的内容重复多次，同时还受供电中断的影响。

（二）电子控制单元

每相电子控制单元所采用最新型的微处理器STM32F103VET6，负责以下工作：作出决定并连续地采样装置的主要参数，输入输出电压、频率等，以及控制旁路的工作状态和RS-485、CAN串行通讯器。

微处理器的EEPROM存貯照明系统的参数，检测输出电压进入微处理器，并转换成数字量，通过一个窗口与参考电压进行比较，从而决定照明节电装置的输出精度。另外比较窗口引入一定的迟滞值，以防止不必要的振荡和补偿变压器的抽头变换。

微处理器在任何时候都将输出电压和参考电压进行比较，根据比较结果发出“伺服系统信号”，由该信号决定在何时切换补偿变压器的哪一组抽头，以获取正确的输出电压。

启动时可将给定电压作为启动电压。随后，微处理器将缓慢地将电压升高至参考水平。当节电指令发出后，微处理器将缓慢地降低参考电压至节电电压水平，输出电压随时与给定电压进行比较，并且保持稳定，即使在供电电压发生变化时也一样保持稳定。

（三）电压调控单元

每相电压调控单元由七组静态开关BTA80、光耦P181、三极管BD437、电阻、电容、二极管等组成，其静态开关连接补偿变压器二次侧抽头和向升压变压器的次级抽头。静态开关是受电子系统控制的半导体器件，当电子控制单元连接Cont_SCR1的I/O口为低电平时，对应的第一组SCR1导通，任何时候都只有一个半导体组件处于工作状态，电子控制单元负责做出决定。通过记录在EEPROM内的参考电压值，它实时监控输出电压的变化，以决定接通这一个或者另一个静态开关。静态开关的选择是取决于转接到哪一个补偿变压器的抽头能够补偿输出电压的变化，静态开关投切时刻由过零采集电路和微处理器决定。

四、结束语

本文介绍的智能照明节电装置，其三相独立过零平滑调节，具备降压、稳压、升压及故障静态旁路功能，因静态开关应用在变压器二次侧，故系统无谐波干扰，且能抑制高次谐波，变压器采用优质导磁材料，空载损耗小，使用寿命长，该装置在现场运行测试节电效率达30%以上。该装置可以视为照明节能行业发展的新方向。

参考文献：

【1】王兆安，张明勋.电力电子设备设计和应用手册【M】.2版。北京：机械工业出版社，2002.

【2】电子工程师手册编委会.电子工程师手册【M】.北京：机械工业出版社，1995.

【3】刘利军.节电技术及其工程应用.北京：中国电力出版社，2010.9.

【4】齐义禄.节能降损技术手册.北京：中国电力出版社，1998.