详解节能型照明电源的工作原理

        1产品名称

　　ILUEST(伊路斯特)智能照明调控装置

　　2照明电源的特点

　　灯光照明已经成为人类生活、工作、生产、娱乐等所有社会活动中必不可少的重要措施,随着社会与科技的飞速发展,人们对灯光的要求不仅仅局限于借助它来看清物体,已经上升到要求明亮、柔和、环保并给人以视觉美的高度。工业生产规模的扩大,要求与之相配套的照明容量也必然随之增加。近年来,城市夜景照明已经成为夜间供电的主流,明亮的灯光已经使大多数城市成为不夜城,这些给人们的生活、工作、生产、娱乐带来了巨大的经济效益和种种便利与享受。

　　然而,目前许多单位的灯光照明仍然存在着很多亟待解决的问题:大量的电能损耗造成电费居高不下;频繁的更换灯具使单位不得不支付更多的灯具及其附属器材的费用;灯具维修与保养所导致的人力资源的增加;强烈灯光产生的光污染;大面积照明灯具产生的热辐射等等。为了解决这些负面影响,国家能源办公室强制提出了照明工程必须达到绿色、节能、环保的要求。

　　针对上述问题,用电单位已经采取了一些措施来改善并缓解这些矛盾。

　　3节能型照明电源的工作原理

　　3.1照明节能的主要途径

　　照明节能的途径一是采用高效的节能型光源,也就是使用发光效率高的灯泡或灯管;二是在现有照明系统上加装节能控制设备。

　　从实际应用的角度来看,第一种方案适用于新设计的照明回路。对于已有的照明系统,因需要更换所有灯具,初期投入资金和人力比较大,在不能分批分次更新灯具的照明场所,这样做一次性投入太大,使许多单位望而却步。高效节能光源(灯管、灯泡)是传统光源价格的5～10倍,如果采购的节能型灯具本身质量有问题或是电网供电质量不好,节能型灯具使用寿命很短,这样就可能造成使用单位出现“节能不省钱”的不正常现象。

　　对现有照明系统的节能改造,采用加装节能设备较为经济实用。目前国内销售的照明节能设备很多,其中照明控制调控装置所占比例最大。从工作原理上大致分为三大类:

　　(1)晶闸管斩波型照明节能装置

　　采用晶闸管斩波原理,通过控制晶闸管(可控硅)的导通角,将电网输入的正弦波电压斩掉一部分,从而降低了输出电压值,达到控压节电的目的。　　这类节能调控设备对照明系统的电压调节速度快、精度高,可分时段实时调整,有稳压作用,因为主要是电子元器件,相对来说体积小、设备轻、成本低。

　　但该调压方式存在一个致命的缺陷:由于斩波,使电压无法实现正弦波输出,会出现大量谐波,形成对电网系统的谐波污染,危害极大,不能用在有电容补偿的电路中(现代照明设计要求规定,照明系统的功率因数必须达到0.9以上,而气体放电灯的功率因数一般在0.5以下,所以都用电容器补偿功率因数)。在国外,已有明文规定对电气设备的谐波含量作出限制。在国内,北京、上海、广州等大城市,已对谐波含量超标的设备限制接入电网使用。

　　大功率晶闸管斩波型节电设备,因其自身存在谐波污染的缺陷,如果加装滤波设备,成本太高,所以此类设备不宜用于照明电路中。

　　(2)自耦降压式调控装置

　　现在市场上最多的照明节电产品就是此类产品。其原理是,通过一个自耦变压器,根据输入电压高低情况,连接变压器不同的固定抽头,将输入电压降低5、10、15、20V等几个档,从而达到降压节电的目的。

　　这类产品最大的优点是克服了晶闸管斩波型产品产生谐波的缺陷,实现了正弦波电压输出,结构和功能都很简单,当然可靠性也比较高。但存在明显的技术缺陷:

　　①固定多档型降压器

　　由于其核心部件是一个多抽头变压器,变压比是固定的,一般副边有3到5个降压抽头,分别降5V、10V、15V、20V,一旦接线端固定,降低电压就是固定值。当电网电压波动时,调控装置的输出电压也会上下波动,这样照明灯具的工作电压处在不稳定的波动状态,无法起到对电光源的保护作用。当电网电压较高时,节电率不是最佳状态;而电网电压较低时,可能出现欠压现象,造成灯具无法正常点亮,反而降低灯具寿命,这是这类调控装置存在的最大缺陷。当用电高峰时,电网电压过低,照明设备无法正常运行。

　　②接触器型降压器

　　这类调控装置为了能做到额定电压正常启动,并在过电压和欠电压时跳到旁路(设备的安全保护),一般都用交流接触器来进行切换,这是最简单和常用的办法。但是,如果用接触器作为节电产品的电压调整装置的话,其安全性、可靠性和无故障工作寿命都不能保障,存在安全隐患,因为交流接触器在切换动作时,是机械的吸合和断开,会有短暂的10～20ms断电,一般称之为“闪断”,这样的断电会导致HID灯(HighIntensityDischargedLamp—高压气体放电灯,如高压钠灯、金卤灯、高压汞灯等)熄灭。这种灯的特性决定,在熄灭以后,必须等到灯管冷却,蒸气压下降后才能再次点亮,一般需要5～10min,在使用中,这将是个严重故障。

　　根据以上原因,不能用交流接触器来控制照明调控装置进行频繁切换。所以,生产和销售此类节电产品的厂家,一般做不到实时稳定电压、多时段调控等功能,这也是这类节电产品的严重缺点。

　　(3)采用塞里克鲁生产的智能照明调控装置可以解决传统照明方案存在的问题(后述)

　　综上所述,这些节能方案均不能达到节能、环保的要求,为此西班牙塞里克鲁公司研制生产的ILUEST(伊路斯特)智能照明调控装置,科学地解决了这一系列矛盾与难题。

　　ILUEST智能照明调控系统,具有如下功能:

　　①软启动/软过渡功能

　　减少灯具寿命的最重要的因素之一是来自电网的过电压,特别是照明系统正处于启动过程中的过压。ILUEST的高质量软启动功能可以大大缓解灯具启动过程中冷启动大电流对光源的冲击,从而延长光源的使用寿命,同时减少了灯具及其附属器件的更换费用和人工维护费用,如图3-1所示的采用ILUEST供电的灯具,将有80%的灯具能够工作到24000h。采用市电直接供电的灯具,80%的灯具只能工作到8000～12000h。可以说几乎每个人都见过灯具启动时打火花和不稳定重复启动的现象,这种现象对灯具是致命的打击,严重时灯具可能一次就被打坏。通常，启动一次相当于灯具点燃2～3h，如果出现上述现象对灯具寿命的损伤更是无法估量，而软启动功能则可以很好地避免上述现象。

　　②稳压功能

　　设备的工作状态分为稳压软启动、稳压预热状态(稳定在90%额定电压状态)、稳压运行状态(稳定在额定电压状态)、稳压软过渡1(斜坡方式的平稳降压)状态、节能稳压工作状态、稳压软过渡2(斜坡方式的平稳升压)。不论设备工作在哪一阶段，电网电压如何波动，其输出电压精度均为±2%。

　　灯具在工作过程中的电压波动也是缩短灯具寿命的主要因素之一。当灯具在高于额定电压下工作时,不但会减少灯具的寿命,而且还会造成因电压升高而产生的能源浪费,通过计算可以得知电压与功率(即耗电量)的关系:

　　P=I2R=U2/R

　　例:电压上升10%→U2=U1×1.1

　　P2=U22/R=(U1×1.1)2/R=(U12×1.21)/R=P1×1.21

　　结论:过压10%,功率损耗增加21%!　　③节能功能

　　通过调低电压达到节能目的,节能效果可以达到30%～70%。

　　例:电压下降16%→U2=U1×0.84

　　P2=U22/R=(U1×0.84)2/R=(U12×0.7)/R=0.7P1

　　结论:减压16%,节省功率竟达30%!

　　④智能控制功能

　　ILUEST具有可编程天文控制器，可以根据设备使用地点的经度、纬度准确地自动预知每天的日升日落时间，从而控制线路的开闭时间和节能时间。

　　⑤绿色环保设备

　　ILUEST的谐波畸变为零,不会对供电系统造成污染,同时能避免灯具闪烁、炫光等光污染对人类的危害,是绿色电源设备。

　　3.2ILUEST智能照明调控系统的技术特点

　　(1)功率范围

　　3.5～150kVA,可满足用户各种功率等级要求。

　　(2)输入电压范围宽

　　按输出额定电压而言,其输入范围可达+25%～-5%;按汞灯节电输出电压而言,其输入范围可达+11%～-19%;按钠灯节电输出电压而言,其输入范围可达+10%～-25%。

　　(3)采用多抽头变压器补偿技术

　　可以升降压,输出电压质量高(精度小于±2%),

　　效率高(大于97%)。

　　(4)由于采用快速晶闸管作为电子开关,调压速度快

　　保证负载在额定电压下工作,瞬间的过压不会传输到负载,瞬间的电压跌落不会使灯具熄灭。

　　(5)高智能化控制系统

　　可以根据世界各地的经纬度预知每天日升日落时间,从而控制线路的开闭时间。

　　(6)节电功能

　　根据现场需要,可以在适当时候实行节电控制,其节电可达30%以上。当气体灯完全启动以后,再降低电压到节能电压,从而达到节能目的。根据气体灯特性,钠灯节能电压设为180V,汞灯节能电压设为190V,照度不会有明显的变化。

　　(7)软启动功能

　　根据气体放电灯的特点,在启动时有一定的预热时间,可以延长气体放电灯的使用寿命,减少维护费用,节省人力资源。

　　(8)三相独立调节功能

　　对于三相负载设备,具有三相独立调节功能,可操作性强,可以承受100%三相不平衡负载。　　(9)计算机远程控制及遥控功能

　　在需要对智能照明调控装置进行调控时,可以通过RS232接口实行远程控制。

　　(10)自动静态旁路

　　固态旁路无噪音零切换,三相负载各相均配有静态旁路,保证输出电压无间断,更好地满足现场的需要。

　　3.3ILUEST的工作原理

　　ILUEST智能控制器的主要结构有(见图3-2):

　　·补偿变压器

　　·多抽头变压器

　　·自动静态旁路

　　·带有微处理器的电子组件(每一相上)　　·时间程序器

　　设备通电后,每日正常的循环工作过程即可开始。系统的软启动从200V开始并在这个水平上保持2.5min,在这之后5min进入“慢斜坡”点亮模式直至电压缓慢上升到220V的额定电压为止,如图3-3所示。

　　在启动过程中,输出电压稳定在与之相应的数值上,一旦启动过程完成,设备将会给所连接的装置提供稳定的额定电压,直至设备收到降低供电电压的指令。

　　该指令由外部设备发出(如智能控制器、遥控装置等),这个外部设备可作为遥控装置与ILUEST设备的接线端子相连接。之后,电压处于“慢斜坡”降压模式并持续10min,直至电压降至节电水平。这个过程设定为多次重复,即使在出现电源故障的情况下也可以做到。

　　通过调节系统的输出电压来达到软启动、软过渡、稳压、节能的目的。采用微处理器控制与多抽头变压器各抽头相连接的晶闸管静态开关的位置,进而调节补偿变压器的补偿电压△U,从而达到调节输出电压的目的。因此，

　　Uout=Uin+△U(△U可正可负)

　　4ILUEST的节能效果

　　以厂房使用较多的荧光灯为例:

　　每年照明的总时间(平均每天12h)为4380h，

　　在额定电压下工作的总时间为1095h，

　　在节能电压下工作的总时间为3285h，

　　每kWh费用为0.9元，

　　照明灯具的设计寿命为3000h，

　　40W的荧光灯费用为10元，

　　节能百分比(额定220V,节能190V)为26%。

　　4.1直接节能效益(40W/盏,1500盏)

　　照明总功率为60kW,每天按用电12h计算,每天用电量:60kW×12h=720kWh。

　　每度电费按0.9元计算,

　　每天用电费用:720×0.9=648元。

　　采用本系统后,节能按26%计算:

　　每天节约电费:60kW×9h×0.9×0.26=126.36元。

　　每年节约电费:126.36×365=46121.4元。　　4.2间接效益

　　采用本系统后,灯具寿命延长2～3倍,按2倍计算,一般灯具的实际使用寿命为4000h,采用本系统后可达8000h,灯具总数为1500盏。

　　采用本系统前,每年更换灯具约1.09次。

　　采用本系统后,每年更换灯具约0.54次。

　　每盏荧光灯(40W)按10元计算(以1500盏为例):

　　每年节约灯具费用:10×1500×(1.09-0.54)=

　　8250元

　　这样每年直接和间接总节省费用达54371.4元,而且还会减少维护人员的工作量。

　　如果电网电压经常在230V上下波动,则节能收益更为明显,如表3-1所示。

　　若节能百分比为48%,每年节省费用可达93397.3元!

　　可见,两年以内就可以收回成本,而此设备的使用寿命长达15年。　　5ILUEST的安装方法

　　ILUEST的安装或在原线路中加装均非常简便,如图3-4所示。

　　ILUEST可以在照明线路的起始点直接与输入主电源的ON/OFF开关相连,无需任何附加连线。　　ILUEST分为室内型与室外型两种,配置灵活。室内型可安装在室内的控制配电盘上,组成照明控制配电屏;室外型为高级聚脂材质,防护等级为IP54的机箱结构,可根据用户需要选择安装位置。

　　用户既可单独采购ILEUST照明调控器和智能控制器,自行配置低压照明供电装置,也可订购ILUEST成套装置。

　　6ILUEST主要技术参数(见表2)