绿色照明与智能照明节能控制系统设计

　　1、概述

　　据统计，我国照明用电占全国总发电量的12％左右，这是一个不小的比例。来自中国照明学会的报道表明，2001年我国总发电量为14 332．5 亿kW．h，年照明耗电达l 433．25～l 719．9亿kW．h，相当于三峡水力发电工程年发电能力（840亿kW．h）的2倍左右，2004年总发电量为2l 870亿kW-h，照明耗电约占当年发电量的10％，约为2 187亿kW-h，相当于三峡水力发电工程年发电能力的近3倍。

　　城市公共照明在我国照明耗电中约占30％的比例，每年开支高达数百亿元。在市政开支比较紧张的今天，国内绝大部分城市和地区仍然采用一些国家在 20世纪70年代就抛弃了的路灯隔盏关灯的省钱方法，其中的弊病不言而喻——不仅导致路面照度分布不均匀，给治安及交通安全埋下了隐患，而且不能避免后半夜电网电压的升高对路灯寿命的减损，这不是真正意义上的绿色照明与节能。

　　2、绿色照明的基本要求

　　1）光源的发光效率高主要包括：高压钠灯、金属卤化物灯、节能荧光灯等气体放电灯以及LED新光源。
　　2）不能对电网造成谐波污染排除了晶闸管移相降压节能的可行性，排除了谐波含量超出5％的电子镇流器或节能产品使用的可行性。
　　3）节能化对于HID灯，一是提高功率因数、降低镇流器损耗；二是对光源进行大范围调光，不仅能够大范围大比例节能，而且有利于合理地使用光源、保护视力、保护照明产品和灯具。
　　4）没有光污染。
　　5）灯具分布与灯具功率的优化设计。

　　3、HID灯照明节能原理

　　目前广泛使用的高压钠灯发光的最高效率与供给灯具的电压有着密切的关系。该电压与很多因素有关，且随着环境温度的不同而不同，最低可达 175～185v。因此，HID灯的节能原理就是通过降低灯具的工作电压，在不影响视觉照度的前提下，让灯具尽可能地靠近最高发光效率点工作。

　　4、HID灯对节能产品的要求

　　HID灯的绿色照明理论指出，在一般的城市路灯夜间背景亮度条件下，采用降低电压的方法可以有效地降低眩光的强度，可以有效地提高照明质量，改善城市交通条件，而且能够大量地节约能源和几倍地延长灯具使用寿命。

　　美国照明科技协会的试验报告显示：灯具电压超压10％时，灯具寿命降低一半，电压越高，灯具寿命越短，灯具电压为额定电压的90％时，灯具寿命提高一倍，此时与过压10％相比寿命延长4倍。而且照度值与额定状态相比仅衰减7％，人眼很难察觉到。

　　最高光效的理论表明高压钠灯发光的最高效率发生在灯具电压为175～200 V（最佳电压）。因此HID灯节能产品必须能提供和保持灯具的最佳电压，这就是HID灯对节能产品的要求。它包括两层含义：一是输出电压要能达到相对较低的灯具最佳电压（确保HID灯不熄灭）；二是在最佳电压值附近能够稳压工作，不随电网电压或负载的变化而变化。

　　5、HID灯节能产品的主要技术要素

　　我们知道，HID灯节能原理的实质性内容是降压与稳压，对于道路照明中使用的高压钠灯在供电电压低于200 V时就难以触发点亮，接近老化的 HID灯，可能需要达到220 V或更高的电压才能触发点亮，HID灯对电流和电压的切断十分敏感，几毫秒的间断就可能引起灯管电弧的不稳和熄灭（某些灯熄灭后要冷却几分钟后才能再次点亮）。因此，HID灯节能产品的主要技术要素如下：

　　1）具有较宽范围的降压与稳压功能。
　　 2）在降压或稳压过程中，保持电流连续、无冲击、无过压，确保HID灯不熄灭、不重启、不损伤HID灯。此为HID灯节能产品的关键技术，采用有触点装置（如继电器、接触器）进行电压档位切换的难以实现此关键技术。
　　3）能适应不同类型的HID灯或混合的HID灯负载。
　　4）能适应小同的环境、不同的道路类型、不同的时间或不同人员对照明的参数的不同要求。

　　6、当前HID灯节能产品存在的主要问题及分析

　　目前，HID灯照明节能产品中的可控硅相控降压节能产品，因对电网造成谐波污染逐步趋于淘汰，电磁变压器或电感器降压节能产品是当前的主导产品。当前多数电磁类照明节能产品的主要问题大致如下。

　　1）不能满足HID灯对节能产品的要求对于单灯控制采用串电感降压进行节能，控制电路简单是其优点，但由于电感降压太少或降压太多，难以集中控制道路的照度。如果增加电感的抽头数量并采取稳压控制电路，必然增加电路的复杂程度和成本，并降低产品的可靠件；对于集中控制的，多数采用自耦变压器调整电压，难以根据输入电压的变化在带HID灯负载时动态进行档位切换，在供电质量较差时切换档位容易烧坏无触点开关或者导致HID灿熄灭，也有因此而烧坏路灯的，因而一些产品只能是固定档位输出，或通过手动换档，有的虽然使用了智能芯片，但也只是在开机时检测电压自动切换档位，而在通电带HID灯负载期间不能进行档位切换或不能进行高可靠的档位切换。

　　2）节能率较低  些产品的最大节能率只有10％～20％，其根本原因是产品关键技术没有过关，不能带HID灯动态切换，电压变化范围小，难以达到灯具的最佳电压，节能率小可能高。节能率是衡量节能产品的项主要技术指标，既不能太高，又不能太低，设计时应考虑到一个适当的数值上。

　　3）HID  灯容易熄灭如果在电压档位变化时导致HID灯电流不连续，容易导致HID灯熄灭并重启，甚至有可能产生瞬时过电压，如果档位切换后的输出电压较低，便会导致HID灯熄灭，并且不能在低电压下重新点亮。

　　4）HID  灯容易损坏、从理论及大量的试验和报道可以看到，使用节能产品后HID灯的使用寿命应该明显增加。但如果在电压档位变化时导致HID灯熄灭并重启，将加速HID灯老化、缩短使用寿命。

　　5）产品自身不可靠  主要原因是产品关键技术没有过关，从理论上讲，在感性负载下，只要无触点器件质量过关，只要关键技术过关，无触点产品的寿命肯定比有触点产品的寿命长很多。如果采用有触点产品或关键技术未过关的无触点产品，对复杂多变的电网干扰信号不能进行准确地检测与判断，就会导致产品的可靠性较差。

　　7、智能照明节能控制系统剖析

　　江苏省泰州市前进机电制造有限公司生产的RZM5系列智能照明节能控制系统是比较理想的智能照明节能控制系统，符合绿色照明的要求，是中国节能协会推荐的产品。该产品已获得国家专利，下面对该系统介绍如下。

　　7．1系统结构

　　智能照明节能控制系统由采用天文算法的经纬度开关灯控制器、单相或三相自耦变压器无触点稳压调压单元、含经纬度参数的微电脑路灯控制器软件、照明节能控制柜调压系统参数设置与监控软件组成。单相或三相调压单元能与开关灯控制器进行通信，系统对外的通信接口来自开关灯控制器的通信接口，计算机通过该接口既能与开关灯控制器通信，也能与各相的调压单元通信，以便能够对系统的全部工作参数和保护参数进行修改和监控。在计算机端，通过含经纬度参数的微电脑路灯控制器软件可以监控与修改开关灯控制器的参数，也可以读取各相调压单元的工作状态；通过照叫节能控制柜调压系统参数设置与监控软件可以监控或修改各相调压单元的工作参数或保护参数

　　经纬度开关灯控制器直接根据天文算法计算天亮天黑的时间控制开关路灯，此外，还具有光控、通过有线网络、GPRS或CDMA无线网络远程控制路灯开关的功能；能够实现多个回路的独立控制：能够通过计算机方便地查看或更改相关的参数；能够通过网络宴现远程控制或集中监控。

　　单相或三相自耦变压器无触点稳压调压单元解决了当前电磁技术中多灯集中控制不能带高强度气体放电灯高可靠动态切换的技术难题，能够确保HID灯在电压档位切换时不熄灭，并提高最大节能率，充分延长灯具的使用寿命。同时根据照明节能的各种特殊情况，充分发挥智能产品的作用，各种工作参数均可以通过电脑串口或网络远程方便地查看或重新设定，以适应任何地方不同的环境或不同人员的具体需求。

　　7．2技术原理

　　7．2．1经纬度开关灯控制器的电路原理框图

　　7．2．2采用天文算法的经纬度开关灯控制器的控制方式

　　控制器内设置实时时钟集成电路，运行的日期及时间与当前实际的时间一致；利用高性能单片机作为控制器．用户可将控制器配置为按天亮天黑时间自动调整的方式。或配置为每天以固定时间开关灯的方式。此外，还可以进行光控、人工控制、网络控制开关灯，这些开灯信号以或的关系确定最终的开灯信号，此信号通过驱动电路控制继电器或无触点开关接通或断开路灯的供电同路，从而完成路灯的多功能开关灯智能控制。当路灯开启后，如果需要临时关闭．可以在控制器上通过开关或远程发送指令强制关闭开启的路灯。装置内部设置多个回路的开关灯控制，每个回路可设置两次开关灯时间，因此可以组合成整夜灯控制、半夜灯控制、每天两次独立控制的照明方案。每个回路的功能相同，因此可以控制多个回路的路灯。

　　开关灯控制器采用的天文算法基于开普勒的行星运动三定律和牛顿的万有引力定律，而不是普通的近似算法，近似算法的计算误差较大，有时相差达10 min以上。经过实测，该产品的计算误差在100年之内不超过3 s。

　　7．2．3稳压调压单元的电路原理框图

　　稳压调压单儿的电路原理框图见圈2

　　7．2．4稳压调压单元的技术原理

　　单片机对真有效值线性采样电路模块检测到的照明负载的当时电压和电流与设定的电压l乜流值进行比较，确定当前电压或电流是正常还是异常，若属于正常，则计算出当前电压应处的档位，并在零点处给出相应档位的触发信号，经电气隔离与放大，驱动无触点开关切换到规定的档位。同时，单片机还对内部的温度进行测量与计算，并与设定的温度保护值进行比较，若电压、电流、温度等参数异常，则单片机发出相应的故障指示信号、报警，自动切断输出或将输出旁路，存加电的情况下，各种工作参数可以通过通信接口远程查看或重新设定。

　　7.3产品特点

　　RZM5节能产品系列以新型高速微处理器为核心，不断对电压、电流等参数进行取样，并通过无触点开关高可靠地动态调整输山电压，产品集成了自动开关灯控制、人工旁路控制、自动旁路控制、快速测试控制、电压校调控制、状态指示控制、自动延时节能定时器等，具有如下特点：

　　1）高效节能RZM5系列产品节能率高达20％～50％。
　　2）自动开关灯根据不同地点的经纬度，依据地球自转与公转的变化规律，利用天文算法自动精确计算当地的天亮天黑时间，自动修正每天的开灯与关灯时间，避免了靠人工修正和开关灯控制的麻烦。
　　3）集成的GPS测量软件，通过GPS接口，可以读出当地的经纬度，时间等参数。
　　4）可以向电脑输出任何连续若干天的丌关灯时间，让管理人员对开关灯时间做到心中有数。
　　5）采用双重智能节能控制技术，既可以通过方便的节能档位设定来控制节能水平，又可以保证在市电电压大幅度波动情况下相对稳定照度。
　　6）小含相控调节电路，因而不产生高次谐波，并有助于抑制电网巾的高次谐波，属丁典型的环保型节能产品。
　　7）有效延长灯具使用寿命2倍以上，大大地降低维护费用，减少维修工作量。
　　8）强电控制采州无触点切换，通过独特的算法保证切换准确、快速、可靠、无任何电压或电流冲击，使产品的寿命和可靠性人人地提高，解决，有触点切换以及某些产品在切换时引起的大电流冲击和瞬时过电压或灯熄灭的现象，使产品的寿命和可靠性大大地提高。
　　9）具有自动保护和旁路自动识别功能。
　　10）每相独立调节，允许100％不平衡负载。
　　11）随时监控每相工作状态，及时采取保护动作或自动旁路，大大提高了产品的可靠性和安全性。
　　12）可根据各地点对照度的实际需要灵活方便地设置各种工作参数。
　　13）能在不断电的情况下带负荷调整各种电压、电流和时间等工作参数。
　　14）可以方便地进行远程控制、集中控制，町以远程配置设备的工作参数。
　　15）可通过面板上手动旁路开关控制系统旁路工作。
　　16）各相具有声光告警指示，便于快速维修。
　　17）适用所有的气体放电灯：高压汞灯、金属卤化灯、高压钠灯、日光灯等。
　　18）控制系统能与路灯变压器配合使用，只需在路灯变压器上增加几个抽头。

　　8、智能照明节能控制系统的应用案例

　　泰州市前进机电制造有限公司针对HID灯生产的RZM5系列集中控制式智能照明节能控制系统含有天文算法的多功能开关灯控制器，采用自耦变压器及无触点开关技术进行降压与稳压．具有较宽范围的降压与稳压功能，在档位切换或稳压过程中，能够从一个稳态立即过渡到另一稳态，无瞬间过压或电压振荡现象，电流连续且无冲击，能够确保HID灯不熄灭、不重启，能自动适应不同类型的HID灯或混合的HID灯负载，并且各种参数均可由用户自已修改或查看（通过串口或有线网络、无线网络），完全满足HID灯对节能产品的要求。其产品已在多个城市中使用，最早在江苏泰州市道路照明以及居民小区照明中使用的已经有1年多，历经风霜雨雪，未出现任何问题，从每天的电表读数可以看出，在不改变原来的半夜灯和整夜灯（全夜灯）工作方式的前提下，与未使用节能控制柜相比，平均节电率达38.5%，若全部采用整夜灯工作方式，节电率将会更高。

　　9、结束语

　　照明节电，意义重大。建设部、国家发展和改革委员会在《关于加强城市照明管理、促进节约用电工作的意见》中明确指出，要大力推广节能技术，提高电能利用效率。要以节约能源、保护环境、促进健康为宗旨，积极推广绿色照明，抓好城市绿色照明示范工程，提高城市照明质量、努力改善城市人居环境。我衷心希望大家通过各种渠道交流节能技术与经验、介绍好的节能产品，相互取长补短，合作生产，加快城市绿色照明工作，共同为建设节约型社会贡献力量。