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照明的节能技术照明的节能技术

复旦大学复旦大学光源照明工程系光源照明工程系

刘跃群 刘跃群

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是当今世界各国普遍关注的三大社会问题，并直接影响到人类社会的可持续发展。

人口、节能和保护环境

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绿色照明的定义： 旨在节约能源和保护环境的照明的一种通俗而形象的描述。其内涵是选用光效高的优质节能的照明产品，再用科学方法经精心的照明设计，从而创造出一个功能合理、经济适用、节约能源的优良照明环境。

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各种光源种类的能耗使用比例

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能耗趋势

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道路照明节能途径道路照明节能途径1.1. 光源光源

例如例如 LED LED 微波硫灯 节能镇流器 微波硫灯 节能镇流器 LCLC 镇流镇流器器

2.2. 光源运行方式光源运行方式例如变功率 过电压保护 电抗法例如变功率 过电压保护 电抗法

3.3. 系统管理系统管理例如智能控制 集中管理例如智能控制 集中管理

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现代传统照明采用光源：• 白炽灯：效率低， 15 lm/W

• 气体放电灯 : 效率高，平均 75 lm/W, 显色性差。二十一世纪的崭新光源： LED ，效率高，期望达到 200lm/W, 其独特的技术优势其他光源无法比拟。色彩范围可以覆盖色度坐标的 80%~90% ，优于 NTSC 电视标准，显色性很高。利用三基色原理，可以得到几乎全部色彩，色彩艳丽，在夜景照明中极为醒目。

LED 的技术优势

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高效率，输入电能转换光能效率最

长寿命，是普通灯具的十数倍乃至几十倍以上

低能耗，与同照度镀内胆漆灯相比，耗电仅 1/8 ～ 1/10

一灯七色，色泽稳定，不受使用年限影响色差

安全可靠， LED 灯属冷光源类，不产生热量

操作方式多样，既可与 PC 联机，又可与普通灯泡一样使用

新技术，发光方式为电子跃迁辐射复合发光

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科学使用1. 在夜景、标识、小光通照明方面， LED

已经牢固确立技术优势。2. 大光通照明方面， LED 代表了技术方向，

实际应用还有很多具体问题。性价比总体光效现在还不很高 ( 约 65Lm/W)光度分布与灯具效率灯具造型与传统审美观念

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微波硫灯

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无极荧光灯 大功率节能灯• 近期的热点

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节能电感镇流器节能电感镇流器

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在绿色照明工程中，镇流器是一个极为重要的光源电器配件。它的发展受到许多方面的关注。 是电子镇流器还是电感镇流器？这是各方面人士存在较大分歧的一个问题。我们认为：根据这两类镇流器的原理、技术依据、历史发展和使用统计来看，小功率气体放电光源（ 40W 以下）应该坚持以电子镇流器为主，因为它节能效果明显，一体化程度高；而对于高强度气体放电光源（ 100W 以上）目前还是应该以电感镇流器为主，因为它节能效果与电子镇流器相当，电路可靠度高。

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电感镇流器必须是节能型的。即节能型电感镇流器。国内大量的电感镇流器仍是传统型老产品，其性能稳定，价格便宜，但功率损耗大。从我国的国情出发，如果把传统电感镇流器更新为节能型的，将会取得可观的节能效果，而且在技术上、经济上皆是可行的。根据预测，如果将目前中国传统电感镇流器年产量 100% 转为节能电感镇流器，每年可以节电 9 亿千瓦小时。这相当于节省 11.16 亿元新建电厂投资，减排 100 万吨二氧化碳。

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节能型电感镇流器的技术特性

节能电感镇流器与一般传统电感镇流器区别在于三个基本参数：

1.镇流器功耗限定的上限值，2.系统功率因素的最小值3.符合要求的启动电流。

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节能要求 灯功率（ W ）

镇流器能耗占灯功率百分比（ % ）普通型 节能型

20 以下 40~50 20~30

30 30~40 〈 15

40 22~25 〈 12

100 15~20 〈 11

250 14~18 〈 10

400 12~14 〈 9

1000 以上 10~11 〈 8

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对镇流器的技术要求（正常使用）

• 灯的电压电流值符合国家标准。• 初始启动电流不超过规定值的上限。• 电流谐波总值不影响灯的寿命。• 电流谐波总值不影响功率因子调整至 0.8 以

上。• 温升不超过 120 度。

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对镇流器的技术要求（非正常使用）

• 电源电压提高 10% （ 243V ），电流有规定值。• 在 200 度烘箱中，能连续工作 7昼夜。• 电气绝缘能耐压 3000V 一分钟，不发生击穿。

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初始启动电流超过规定值的上限，将缩短灯的寿命。大部分传统镇流器由于这时工作在铁心的饱和区，初始启动电流较大。节能型镇流器由于这时工作在铁心的线性区，启动电流不会很大。

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电流谐波总值太大使灯的寿命缩短。

以电容镇流为例：

21

电流波形因子与灯寿命的关系

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电流谐波总值太大使灯的功率因子无法用电容补偿。

• 灯电压是基波（ 50Hz),灯电流包括基波和高次谐波，高次谐波与基波的乘积的平均值为零，所以高次谐波电流不作有用功。

• 此高次电流无法用电容补偿。 n coscos 1

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• 电源电压提高 10% （ 243V ），电流有规定值。传统镇流器往往作不到这一点，这是引起事故的重要原因（烧毁、火警）。

• 在 200 度烘箱中，能连续工作 7昼夜。也是为了防止意外事故的发生。传统镇流器往往在这一点上过不了测试检验。

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传统型镇流器与节能型镇流器的比较

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电流波形比较

节能镇流器节能镇流器 传统镇流器传统镇流器

结论：节能镇流器能有效防止波形 结论：节能镇流器能有效防止波形 失真，提高灯的寿命。 失真，提高灯的寿命。

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功率因子补偿比较

节能镇流器节能镇流器 传统镇流器传统镇流器

结论：由于节能镇流器的电流波形失真结论：由于节能镇流器的电流波形失真小，功率因子补偿很容易补偿至最大值。小，功率因子补偿很容易补偿至最大值。

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电压增加 10% 电流增幅比较

节能镇流器节能镇流器 传统镇流器传统镇流器

结论：在异常情况下，传统镇流器电流增幅结论：在异常情况下，传统镇流器电流增幅极大，容易引起事故，而节能镇流器不存在极大，容易引起事故，而节能镇流器不存在这个问题。这个问题。

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镇流器自身能耗比较灯功率

W镇流器损耗占灯功率百分比％

传统型 节能型20 以下 40 ～ 50 20 ～ 30

30 30 ～ 40 <15

40 22 ～ 25 <12

100 15 ～ 20 <11

250 14 ～ 18 <10

400 12 ～ 14 <9

1000 以上 10 ～ 11 <8

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镇流器寿命比较• 镇流器寿命取决于镇流器的温度。• 温度与寿命的关系呈对数关系，温度低 1

0 度，寿命增加一倍。• 节能镇流器的温度比传统镇流器低 40 度

左右，因此它的寿命是传统镇流器的 16倍，理论寿命可以达到 50 年。

30

节能镇流器外形

31

EC 型镇流器外形

32

EC 型镇流器尺寸

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OM型镇流器外形

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OM型镇流器尺寸

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OGOG型镇流器外形型镇流器外形

36

OGOG型型镇流器尺寸镇流器尺寸

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环型镇流器

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节能镇流器的理论依据

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节能设计原则

RIP

RIPUI

RIPU

RIPUI

IRUUIRIPUIU

dI

d

RIPUI

UI

PPUI

UI

PPP

P

C

C

C

C

C

C

MC

MC

2

22

2

22

2

2

0

2

0

＝所以

）＋（＝

）＋（＋－＋即

令

＋＝

＋

＋＝

灯

灯

40

设计方法

mcm

cmmm

mm

ISfNBP

SfNBEV

IVP

8

8

1022

1

102

2

1

镇镇

镇＝

令 j 为电流密度，则线圈导线的截面积为：

j

I

j

Iq m

2

线圈导线截面积之和，即铜的截面积为：

81044.4

2

jSSfBP

Nj

INqS

mcm

mm

引入铁芯的占空系数 kc

和铜线的占空系数 km ，

得：

mcmc kjkfB

PSS

44.4

106

0

41

节能镇流器常用铁心

42

交流电感镇流器的几个实用公式50Hz电源镇流器的铁芯截面的估算

HID灯用镇流器电压

mB

IN

V

VPS

VV

25.0

6.0

12.1

2.1V

22

δ＝

气隙宽度

铁芯截面积

－＝

电源

镇灯

灯电源

镇

2

PS＝

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系统功率因数是节能型镇流器的重要参数

一般情况下将系统功率补偿到 0.85 以上荧光灯每瓦大约需补偿 0.1～0.12μ F; 高压汞灯每瓦大约需补偿 0.1～0. 12μ F ； 高压钠灯每瓦大约需补偿 0.12～0.13μ F :

44

环型镇流器的技术优势

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电感镇流器的自身能耗磁滞损耗——材料涡流损耗——材料与工艺铜阻损耗——材料与磁路结构漏磁损耗——工艺与磁路结构介质损耗——材料延迟损耗——材料

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• 与其他形状相比较，环形的周长最短，所需要的励磁电流最小。

S

lRnidlH

mm

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• 按照电磁场理论，磁场强度（磁力线）的散度等于零，也即磁力线呈平滑封闭状，不可能出现拐点，环形利于磁力线分布。使铁芯体积最小，减少了铁损。

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• 环形铁芯由铁片卷绕而成，易于大幅度提高紧密度，因而把漏磁减少到最小，漏磁损失和工频基本可以消除。

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铁心损失 :

VBfkfBk memh22

mBV ,

50

智能控制照明节能产品 1. 时间预置型单灯节能器适用于新道路工程适用于老道路改造2. 时间预置型多灯节能器3. 扩频载波式集中控制节能系统4. 无线遥控式集中控制节能系统

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1. 时间预置型单灯节能器(适用于新道路工程 )原理：

• 虽然目前节能型照明器具发展很快，但仍难以获得大幅度降低能耗的效果。时间预置变换式节能电感镇流器，除了优化镇流器本身的结构外，在光源运行的方式上还作了改进，即在不降低道路交通的安全性前提下，根据道路交通的车流与人流统计情况，预置时间进行功率变换。通俗地讲，就是在交通繁忙的时候，灯运行在大功率状态；在车少人稀的时候，镇流器能自动变换，使灯能在 60% 的额定功率处运行，由此达到节能的目的。其运行图如下：

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•组成：时间预置变换式节能电感镇流器由三部分组成：• 节能电感镇流器 专门设计，合理的磁路机构和

铁磁材料使镇流器的自身能耗减少 50% 。节能电感镇流器的设计将在后面详述。

• 时间预置变换电路 电路设三个时间预置端口，使镇流器按照预置条件，变换电感量，使灯功率也随着发生变换。

• 电子启动器 输出符合所接光源的触发脉冲（幅度和宽度）。

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• 特点：• 整套装置运行稳定，可靠性高，节能效

果达到 30% 以上。而且价格低廉，一次性投资的增加，不到五个月就能回收。由于减少了光源和镇流器满负荷运行的时间，使它们的有效寿命也得到提高。

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适用于老道路改造• 原理：

• 基本原理与新道路工程的相同，就是把串联电感与控制电路作成一个整体，独立于原来的照明系统。

运行图：

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• 特点：• 不需要对原来的灯系统进行改动，在进

线处增加一个节能器就可以。节能器全封闭型，能防潮防水，温升 45 度以下。能有效提高灯寿命一倍以上。

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时间预置型多灯节能器• 利用线性电抗器，接入灯电路中，使电路的总阻抗可以进行变换，从而使灯的功率随之发生变化。如果变化次序是根据照明环境的需要而设定，即在正常情况下，灯按设计要求在额定功率下运行；在一些特殊情况下（例如道路照明的深夜；火车站无火车通过时；亮化工程的非重大节日时等等），灯不能熄灭，但不必照度很大，而且又要兼顾均匀性，这时可以使灯降功率运行。具体方法是串联接入电抗器，增大电路阻抗使灯功率下降。这种方法称之为电抗器法。

• 考虑技术工艺和市场等因素，一般而言，电抗器法的变换设为两挡，即满功率与降功率。换档通过机电器件或电子电路来实现。具体电路原理图如下。常规的灯电路在图后。

58

59

60

实际应用是一个电器设备：

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特点：• 节能效果显著，可达 30% 以上。• 线路可靠，基本不需要维修，寿命为 2

0 年以上。• 一次性投入成本很小，不必对原有线路进行大量的改造工作。

•延长灯、灯具与附属电器的寿命 2---4倍。

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扩频载波式集中控制节能系统系统原理图：

63

单灯原理图

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特点：••用中央集中控制的方法，对所有灯具实施用中央集中控制的方法，对所有灯具实施轻松自如调控 轻松自如调控 ••可对系统内任意一套灯实现开、关和降功可对系统内任意一套灯实现开、关和降功

率运行三种状态的调控 率运行三种状态的调控 ••既可程序化自动运行，也可人工操作既可程序化自动运行，也可人工操作••节能效果达到节能效果达到 40%40% ，而且使光源及附件，而且使光源及附件

的寿命延长三至四倍的寿命延长三至四倍

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系统的创新点

•与一般控制系统只控制开、关两种状态不同，增加了降功率运行的控制。使节能效果、光源及附件寿命延长的优点明显突出。

•与一般调控装置（例如西班牙塞里克鲁公司的 NE智能调控装置）不同，通过降低灯电流的方法实现降功率，使灯能使用至极限寿命。此项技术已经通过上海市科委鉴定。而不是通过降低灯电压的方法实现降功率，由于降低了二次启动电压，灯后期无法点燃。

•采用节能型电感镇流器，能耗下降 50% ，寿命可达 20 年以上。 系统特点：

•舒适的操作性能： 可以简单地同时开启及关闭一个区域内所有的照明灯具，并且按计算机的几个键，就能切换到一个合适灯光情境的场面。

•创造有效率的照明环境、实现节约能源的功能： 整个系统的照明状态可以在监控室、管理室来做集中控制与监视，将可以有效

的做到集中监控管理，以节省更多的能源 •施工简单化：因为采用无线遥控和扩频载波多重传送方式，所以不管是 1 个路或 100 个路皆无需另外敷设讯号线，所以较以往的传统配线器具在配之特性方面可以节省更多的线路，成本简化了许多，同时兼具低电压安全。

•容易设定的方便性：提高了系统设计、成本估算的速度，而材料准备、安装和系统更改也变得简单且更具经济效益。

•可变更设定的经济性：当照明控制范围需要变更时，只需要重新在程序中增设新的地址即可，非常快速与容易，并且不用重新配线。由于系统的弹性设计，只要选用必要的元件，就能做出一个满足需求的最佳系统。

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无线遥控式集中控制节能系统

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中心 系统通讯及管理功能      � 统计查询功能      � 资料维护及管理功能      � 故障报警功能      � 打印报表功能      � 系统维护功能等

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电子地图辅助管理统计查询功能，报表打印功能

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智能执行终端• 智能执行终端以单片机为核心 ,配以各种功

能模块组成，具有智能化的执行能力，可根据调度端的命令完成现场信息的收集、路灯开关灯控制、降功率控制等功能。

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模式 分类

模式名称 优点 缺点

模式 1 无线遥控中央控制室模式

智 能化程 度高，节能

一次性投资大

模式 2 扩频载波式中央控制室

智 能化程 度高，节能

不 能绕过电力变 压器

模式 3 予设时间自动功率转换型

投资小， 无需控 制 ， 节能

智 能化程度低

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降电压法 降电流法

节能效果 好 好

灯寿命 额定值的 50%额定值的 2~4

倍一次性投入 昂贵 少量

维护量 常年维护 基本没有

功率因子校正 较困难 容易

自身能耗 大 小

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、双功率镇流器（与功率转换器结合使用）

所谓双功率镇流器实际是一种节能型的电感镇流器，它的电感量可以进行变换，从而使灯的功率随之发生变化。如果变化次序是根据照明环境的需要而设定，即在正常情况下，灯按设计要求在额定功率下运行；在一些特殊情况下（例如道路照明的深夜；火车站无火车通过时；亮化工程的非重大节日时等等），灯不能熄灭，但不必照度很大，而且又要兼顾均匀性，这时可以使灯降功率运行。具体方法是变换镇流器的电感量，增大电感量能使灯功率下降。这种镇流器称之为双功率镇流器。

73

常规点灯电路

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常规高压钠灯运行时间

75

功率转换型高压钠灯运行电路 1

76

功率转换型高压钠灯运行电路 2

77

功率转换型高压钠灯运行时间 1红色部分为节电部分

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功率转换型高压钠灯运行时间 2红色部分为节电部分

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转换后的光效变化

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转换后的安全性•符合 DIN5044“静止交通照明”的要求。

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双功率镇流器的功率变换时间方法：

1. 可以通过简单的时基电路实现

2. 可以通过智能化集中控制系统实现

由于节能效果明显（ 30% 以上），又能有效地延长灯与电器的寿命（两倍以上），所以双功率镇流器是一种市场前景很好的产品。

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时间控制功率转换器• 分频、编码电路• CPU 电路• RC充电型

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可靠型电子启动器的研制• 要求：长寿命、高可靠性、体积小、• 分类：二端型、三端型

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整体运行电路

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创新点 1. 与一般控制系统只控制开、关两种状态不同，增加了降功

率运行的控制。使节能效果、光源及附件寿命延长的优点明显突出。

2. 与一般调控装置（例如西班牙塞里克鲁公司的 NE智能调控装置）不同，通过降低灯电流的方法实现降功率，使灯能使用至极限寿命。而不是通过降低灯电压的方法实现降功率，由于降低了二次启动电压，灯后期无法点燃。

3. 采用节能型电感镇流器，能耗下降 50% ，寿命可达 20年以上。

4. 此项技术已经通过上海市科委鉴定。

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效益分析

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节能效果

250W HPS 节能效果表250W HPS 常 规 100%

功率降功率转换

总电路功率 278W 145W

每天 12小时工作的年消耗量

1218KwHr

每天 6 小时常规 100% 功率工作， 6小时降功率工作的年消耗量

609KwHr 318KwHr

功率节省量 291KWHr

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400W HPS 节能效果表400W HPS 常规 100% 功

率降功率转换

总电路功率 437W 255W

每天 12小时工作的年消耗量

1914KwHr

每天 6小时常规 100%功率工作， 6小时降功率工作的年消耗量

957KwHr 558KwHr

功率节省量 399KwHr

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我国目前道路照明中高压钠灯的应用情况： 当前我国大陆道路照明和室外照明约有

600万套 HPS装置在运行，预计年增量为 100万套（ 99 年生产 HPS 600万支，电感镇流器 150万个，其中 2/3 用于道路照明），因此， 2000 年道路和室外照明约有 700万套 HPS装置在运行。若其中10% 的传统型 HPS 镇流器由节能型功率变换镇流器替代，则节电效果明显。

90

»节电效果年节电为：700万 x10%x250Wx5小时 /天 x365天 x50%=1.597亿度年节电费：1.597亿度 x0.4元 / 度 =6388万元

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投资回报期传统型电感镇流器 250W 价格为 80

元，预制变换 HPS250W 节能型电感镇流器价格约为 150 元。每换一个镇流器需增加初始费用 70 元。然而，每天可节约电费为：

250W×5 小时×0.4 元 /度 =0.5 元 /每天

则投资回收期： 70÷0.5 元 /天 =140 天

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技术特性功率转换档数：功率转换档数： 400W/250W;250W/150W;150W/100W;100W/70W400W/250W;250W/150W;150W/100W;100W/70W

磁路结构：磁路结构： 插片式单或双磁路插片式单或双磁路

镇流电路结构：镇流电路结构： 串或并联串或并联

镇流器能效值：镇流器能效值： 符合国家有关标准符合国家有关标准

时间转换档数：时间转换档数： 33 档档 /24/24 小时小时

电路输出执行电平：电路输出执行电平： 0V0V 6V6V

电路负载电流：电路负载电流： >10A(400W/250W)>10A(400W/250W)

电路自身能耗：电路自身能耗： <5W(400W/250W)<5W(400W/250W)

93

双功率镇流器的设计 假如满功率时的灯的功率为 P 灯 1 ，降功率

时的功率为 P 灯 2，双功率镇流器的结构为单铁心抽头式，设计可分为四个步骤：

         满功率镇流器的设计         根据降功率的幅度作线圈修正         几何尺寸的确定         镇流器自身能耗的计算

94

满功率镇流器的设计 ： 求镇流器工作电压 选择铁芯截面 计算线圈匝数 计算所需导线直径

95

根据降功率的幅度作线圈修正：计算降功率时的线圈圈数 N

需要增加的线圈圈数 N2

计算所需导线直径为

96

几何尺寸的确定 ：计算线圈厚度 铁心窗口尺寸 铁心迭厚 空气隙长度

97

镇流器自身能耗的计算：由硅钢片的比耗求铁心损耗（主要由涡流损耗与磁滞损耗构成）

由公式 I2R计算铜耗

98

双功率镇流器的设计举例 设计高压钠灯 400W/250W双功率镇流器。已知：

型号 电源电压 (V) 功率 (W) 灯管电压 (V) 工作电流 (A)NG400 ~220 50Hz 400 110+20 3 ． 00NG250 ~220 50Hz 250 110+20 1． 80

99

满功率镇流器的设计 :求镇流器工作电压：

选择铁芯截面：

计算线圈匝数：

线径D：

VVV

V 17612.1

11012.1220

12.1

12.1 2222

灯镇

－＝

)(1.16110

22040057.0 21 cm

V

VPKS S

灯

灯＝

匝）＝ 镇 (4091.1612000

17610451045 44

1

SB

VN

m

)(0.13

00.313.113.1 2

1

11 mm

J

ID ＝

100

根据降功率的幅度作线圈修正 : 计算降功率时的线圈圈数 N:

需要增加的线圈圈数 N2: N2=N—N1=517-409=106

计算所需导线直径为 :

匝）＝灯

灯 (517250

400409

2

11 p

PNN

)(88.03

8.113.113.1 2

2

22 mm

J

ID ＝

101

几何尺寸的确定： 计算线圈厚度：

铁心窗口宽度为：铁心窗口高度为 :铁心迭厚：

空气隙长度：

mm

H

DNNC 5.13

80

03.00.1517203.02'

2121

mmmmCC 5.14)(1'

mmmmHh 5.40)(5.02

1

cma

Sb 2.7

3.2

1.1603.103.1

mmB

IN

m

09.01200013.1

4093

13.1

102

镇流器自身能耗的计算 :铁耗：

铜耗：

总损耗为 31.7W

WGrVPFe 7.74.555.7)3.245.10.8(1.160

WRIPCu 247.2322

103

三、 LC 镇流器利用 LC 镇流器特有的镇流特性，能够设计出节能

型、适合高管压气体放电光源的镇流器。这里介绍了这种镇流器的设计原理及方法步骤。

104

LC 镇流器的特性 优点：(1) 稳流特性好(2) 功率因数比一般的电感镇流器高。

(3) 电路处于准谐振状态时，可以输出较高的工作电压，适合于灯管电压较高的光源。

105

稳流特性

n

n

PPmmLC tn

n

Vt

VtVVtVV

3

sin4

sin4

)(sin)(sin

灯

n

n

PPP

CnLnn

tnV

CL

tV

CL

tVi

3 )1

(

cos4

1

cos41

)cos(2

)1(

121)9.0(

)1(

11)9.0(

)1(

cos2

322

222

2

2

322

222

2

222

PL

Pn

PVV

PL

Pn

PVV

PL

VVI

n

nP

n

nP

灯

)1(

121)9.0(9.0

9.02

322

222

PL

Pn

PVVV

IVW

n

nPP

P 灯灯

106

LC 镇流电路的稳流特性较好，当电源电压增加 10% 时， W 灯 110/W 灯比值可以计算，以 400 瓦高压汞灯为例：采用电阻镇流时： W 灯 110/W 灯=1.25采用电感镇流时： W 灯 110/W 灯=1.17采用 LC 镇流时： W 灯 110/W 灯=1.12

107

短路电流控制 短路电流：

两者之比： 如果 400 瓦高压汞灯，采用 LC 镇流可以从上式计算短路电流 (取 P2=2)：

)1( 2

PL

VI S

23

22

222 )

121()9.0(

VPn

PVV

I

I

n

nP

S

P

AIPn

P

V

VI P

n

n

PS 57.3)

121()

9.0(1

1

322

22

108

功率因数校正 LC 镇流电路的矢量图如图 ，从图可以看出， LC

镇流电路的功率因数比普通的电感镇流高的多。从图中也可以看出 LC 镇流电路为什么能用于高灯管电压的光源。

109

利用漏磁变压器的漏磁电感进行工作。图 18这种 LC 电路可以利用 C 很方便地校正电路的功率因数。

线路电流由三部分组成，初级线圈的电流 ( 滞后 ) ，灯管的电流 (超前 ) 和次级线圈的反射电流。

线路电流所包含的三部分中，两部分超前，一部分落后。只要初级线圈的电感和电路中 C设计适当，电路的功率因数可得到校正。

110

重复着火的能力

灯

灯

灯

灯

V

LP

LCV

LC

W

LCVV mb

22

11

1

22

1

11

1sin

22

在 LC 镇流中，重复电离电压 Vb 与 ωL 有关。为了使重复电离增高，必须增大电感量 L 。因此 LC 镇流的重复电离的能力不如电感镇流。如 400W 高压汞灯，镇流器 ωL=45Ω, 则：

VV

LWVb 209

1352

440014.3

2

灯

111

LC 镇流器的设计原理

已知电源电压 V ，灯电压 VP ，灯电流 iP ，计算 L 、 C 值 ：

确定 P 值 ：

)1(

121)9.0(9.0

9.02

322

222

PL

Pn

PVVV

IVW

n

nPP

P 灯灯

112

计算 L 值

灯

灯

灯

灯

V

LP

LCV

LC

W

LCVV mb

22

11

1

22

1

11

1sin

22

113

计算 C 值 根据 P2=1/(ω2LC)，求未知量 C

计算功率因子：

n

n

Pn

n

P

Pn

P

V

V

Pn

P

V

V

322

2

322

2 11

9.011

22cos

校正：由于 LC 镇流器的二次启动电压 Vb 值不是一个精确的值，在一定的范围内随灯管不同而不同，在整个寿命期间也会发生变化，因此，合理地选取此值很重要。

L 、 C 值确定后，必须根据实验进行验证，校正。

114

四、光源变功率运行的电抗法原理 1. 概论

2. 电抗器法的原理

3. 电抗器法的技术优点

4. 与降电压法的比较

5. 电抗器的设计

6. 各类光源降功率的幅度控制值

115

概论 • 近几十年来，为了提高照明的质量，也即提高安全性，降低事故率，设计者在进行照明设计时把照明亮度提得越来越高。高强度气体放电灯被大量广泛地使用，伴随而至的是能耗大幅度提高。特别是近年来，能源价格大幅度提升，使电力耗费成为负担。因此，有必要加强技术改进，以期减缓能耗上升的趋势。

• 虽然目前节能型照明器具发展很快，但仍难以获得大幅度降低能耗的效果。我们设计的电抗器法控制变换灯功率，除了优化镇流器本身的结构外，在光源运行的方式上还作了改进，即在不降低安全性的前提下，根据车流与人流统计情况，或自动或手动进行功率变换。通俗地讲，就是在繁忙的时候，灯运行在大功率状态；在车少人稀的时候，能自动变换，使灯能在 60% 的额定功率处运行，由此达到节能的目的。

116

电抗器法的原理 • 所谓电抗器法实际是利用线性电抗器，接入灯电路中，

使电路的总阻抗可以进行变换，从而使灯的功率随之发生变化。如果变化次序是根据照明环境的需要而设定，即在正常情况下，灯按设计要求在额定功率下运行；在一些特殊情况下（例如道路照明的深夜；火车站无火车通过时；亮化工程的非重大节日时等等），灯不能熄灭，但不必照度很大，而且又要兼顾均匀性，这时可以使灯降功率运行。具体方法是串联接入电抗器，增大电路阻抗使灯功率下降。这种方法称之为电抗器法。

• 考虑技术工艺和市场等因素，一般而言，电抗器法的变换设为两挡，即满功率与降功率。换档通过机电器件或电子电路来实现。

117

原理图

118

控制方法

• 有线控制• 无线遥控• 扩频载波

119

附加设备：智能执行终端• 智能执行终端以单片机为核心 ,配以各种功能模块组成，具有智能化的执行能力，可根据调度端的命令完成现场信息的收集、路灯开关灯控制、降功率控制等功能。

120

电抗器法的技术优点 1. 节能效果显著，可达 30% 以上。2.线路可靠，基本不需要维修，寿命为 20 年

以上。3. 一次性投入成本很小，不必对原有线路进大

量的改造工作。4. 延长灯、灯具与附属电器的寿命 2---4 倍。

121

与降电压法的比较   降电压法 电抗器法

节能效果 好 好

灯寿命 额定值的 50%额定值的 2~4

倍

一次性投入 昂贵 少量

维护量 常年维护 基本没有

功率因子校正 较困难 容易

自身能耗 大 小

122

电抗器的设计

1.确定铁心的截面2. 几何尺寸的确定3.镇流器自身能耗的计算

123

各类光源降功率的幅度控制值

光源种类 发光机理 降功率的幅度控制值

建议值

白炽灯 黑体辐射 任意值 小于 50% ，否则光效降低较大

荧光灯 低气压汞放电 30%~40% 30%~40%

高压钠灯 高气压钠放电 30%~40% 30%~40%

金卤灯 高气压金属放电 30% 15% ，否则光色发生变化较大

124

五、智能化集中控制

125

节能型智能照明控制系统

126

目前现状：作为高效光源，气体辉光、弧光放电灯已经广泛地应用于户内、户外照明。由于气体放电光源工作过程复杂，传统的控制节 能方案根本无法进行。 因此，目前状况是：包括街灯、集中照明区域等，一旦灯具安装，则几乎永久地保持着恒定甚至超量的功耗，不管交通是繁忙还是寥落。照明不能按需调控，仅电费一项每年就会多支出不少。

127

本项节能型智能照明控制系统 特点：

• 用中央集中控制的方法，对所有灯具实施轻松自用中央集中控制的方法，对所有灯具实施轻松自如调控如调控

• 可对系统内任意一套灯实现开、关和降功率运行可对系统内任意一套灯实现开、关和降功率运行三种状态的调控三种状态的调控

• 既可程序化自动运行，也可人工操作既可程序化自动运行，也可人工操作• 节能效果达到节能效果达到 40%40%，而且使光源及附件的寿命，而且使光源及附件的寿命延长三至四倍 延长三至四倍

128

系统的创新点 • 与一般控制系统只控制开、关两种状态不同，增加了降功率运行的控制。使节能效果、光源及附件寿命延长的优点明显突出。

• 与一般调控装置（例如西班牙塞里克鲁公司的 NE智能调控装置）不同，通过降低灯电流的方法实现降功率，使灯能使用至极限寿命。此项技术已经通过上海市科委鉴定。而不是通过降低灯电压的方法实现降功率，由于降低了二次启动电压，灯后期无法点燃。

• 采用节能型电感镇流器，能耗下降 50% ，寿命可达 20年以上。

129

系统特点： • 舒适的操作性能： 可以简单地同时开启及关闭一个区域内所有的照明

灯具，并且按计算机的几个键，就能切换到一个合适灯光情境的场面。 • 创造有效率的照明环境、实现节约能源的功能： 整个系统的照明状态可以在监控室、管理室来做集中控制与监视，将可以

有效的做到集中监控管理，以节省更多的能源 • 施工简单化：因为采用无线遥控和扩频载波多重传送方式，所以不管是

1个路或 100 个路皆无需另外敷设讯号线，所以较以往的传统配线器具在配之特性方面可以节省更多的线路，成本简化了许多，同时兼具低电压安全。

• 容易设定的方便性：提高了系统设计、成本估算的速度，而材料准备、安装和系统更改也变得简单且更具经济效益。

• 可变更设定的经济性：当照明控制范围需要变更时，只需要重新在程序中增设新的地址即可，非常快速与容易，并且不用重新配线。由于系统的弹性设计，只要选用必要的元件，就能做出一个满足需求的最佳系统。

130

系统模式分类 • 模式 1 无线遥控中央控制室模式（结合扩频载

波）

131

每个灯具的框架原理：

132

控制中心

系统通讯及管理功能 统计查询功能 资料维护及管理功能 故障报警功能 打印报表功能 系统维护功能等

133

电子地图辅助管理

134

统计查询功能，报表打印功能

135

智能执行终端

智能执行终端以单片机为核心 ,配以各种功能模块组成，具有智能化的执行能力，可根据调度端的命令完成现场信息的收集、路灯开关灯控制、降功率控制等功能。

136

智能执行终端RTU

137

技术参数如下： • 输入量： 8路模拟量，其中 3路电压 ,3路电流 ,2路备用。 1路脉冲量 ,用于脉冲电度表计量用电量。

3路开关量 ,用于检测交流接触器触点开关状态。

• 输出量：3路开关量 ,用于控制交流接触器触点开关状

态。 1路模拟量 ,用于同步遥调三相电压。

138

节能型路灯前端控制器 • 路灯开关控制功能• 路灯降功率及节能运行控制功能 • 可构成联网控制的分布式路灯运行状态远程监控系统

• 独立应用时，可按预定时序进行降功率运行 。

139

模式 2 扩频载波式中央控制室

•框架原理图

140

每个灯具的框架原理 • 除了遥控部分，其他与模式 1 相同

141

模式 3 予设时间自动功率转换型

• 独立应用，无中央控制室，可按预定时序进行降功率运行，以达到节能的目的。

142

每个灯具的框架原理

143

三种模式特点比较： 模 式 分类

模式名称 优点 缺点

模式 1 无线遥控中央控制室模式

智 能化程 度高，节能

一 次 性 投资大

模式 2 扩频载波式中央控制室

智 能化程 度高，节能

不 能 绕 过电 力 变 压器

模式 3 予设时间自动功率转换型

投资小， 无需控制，节能

智 能 化 程度低

144

投资预算：（与传统型比较） 模式 1 无线遥控中央控制室模式增加部分： 中央控制室（包括远端控制器） 50 万 /全套

前端控制器 600 元 /每套灯替代部分： 节能电感镇流器 180 元 /每套灯其它： 与传统型相同（灯具、触发器等）

145

模式 2 扩频载波式中央控制室

• 增加部分：中央控制室（包括远端控制器） 20 万 /全套前端控制器 600 元 /每套灯

• 替代部分：节能电感镇流器 180 元 /每套灯

• 其它：与传统型相同（灯具、触发器等）

146

模式 3 予设时间自动功率转换型 • 增加部分：

时间控制器 80 元 /每套灯• 替代部分：

节能电感镇流器 180 元 /每套灯

• 其它：与传统型相同（灯具、触发器等）

147

其他技术参数        科学技术的发展已使微机无线路灯监控系统十

分成熟，并在许多城市得到使用        新型通过降电流技术来实现路灯降功率的技术

和产品已经出现，并且得到实际使用的检验，证明是成熟的技术和产品 。（并且通过了上海市科学技术委员会的科技成果鉴定 ）

       电力载波通讯技术已经成熟，传统的技术已经发展到扩频电力载波通讯的新阶段。不仅可减少对电力系统的污染，同时也增加了抗干扰能力。

148

社会、经济效益分析        社会效益：改善城市形象、提高管理水平、降低犯罪率、节能环保等。

       经济效益：提高管理、节能、延长灯具使用寿命等，初步估算大约在 2-3年内收回投资。

       实际效果：统一开关灯控制、路灯亮灯率控制、节能、保证符合路灯照度要求 。

149

系统设计内容包括：               调度端的设计               远动控制终端的设计               节能路灯前端控制器设计               无线通讯信道的设计               系统可靠性、安全性设计               系统环境适应性设计

150

设计原则  可行性和适应性       实用性和经济性       先进性和成熟性              开放性和标准性        可靠性和稳定性       安全性和保密性              可扩展性和易维护性

151

主要技术参数        系统容量 : 1 ： 1024       有效通讯距离： 20KM       通讯频率： 230MHz频段       通讯传输方式： 半双工同频传输       系统传输速率： 600bit/s 或 1200bit/s       数传方式： 异步       系统数传误码率： 小于 1x10-5（无人为干扰）

       信息传输的调制方式： FSK-FM       功率： 主台 10-25W

从台 5-10W

152

       工作环境温度 : -30℃ - 85℃       数据采集精度： 模拟量优于 2%

脉冲量优于 7% 。

开关量差错率低于10-7

153

谢谢大家复旦大学光源与照明工程系

刘跃群

谢谢大家复旦大学光源与照明工程系

刘跃群