РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ СИСТЕМА ОСВЕЩЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Энерго- и ресурсосберегающая система освещения постоянного тока относится к области уличного (наружного) освещения, а также внутреннего и наружного освещения зданий и сооружений. Система может быть использована для освещения открытых и закрытых пространств в различных режимах освещения.
Известны и нашли самое широкое применение системы наружного освещения городов и поселков, состоящие из светильников, содержащих осветительные приборы, преимущественно с газоразрядными лампами (ГЛ) высокого и низкого давления, и пускорегулирующую аппаратуру (ПРА), подсоединенных через линии питания переменного однофазного и трехфазного напряжения и силовую коммутационную аппаратуру к силовому трансформатору трансформаторной подстанции сетей электропитания общего пользования («Указания по эксплуатации установок наружного освещения городов, поселков и сельских населенных пунктов». Официальное издание, Минжилкомхоз РСФСР, 1990).
Задача энергосбережения в сетях наружного освещения заключается в использовании возможностей стабилизации напряжения питания ГЛ, организации энергоэффективного преобразования напряжения питания сети освещения в напряжение питания ГЛ, управлении мощностью ГЛ в ночном режиме освещения, когда снижаются интенсивность движения транспорта и активность населения.
Меры по энергосбережению, рекомендованные в вышеназванном источнике, реализуются только в ночном режиме освещения за счет пофазного отключения светильников (одной или двух фаз из трех), что приводит к существенной неравномерности освещения. Такой ночной режим освещения не рекомендован к использованию Международной Комиссией по Освещению (МКО).
При использовании в системах освещения ПРА электромагнитного типа регулирование режима работы ГЛ с целью экономии электроэнергии может осуществляться либо с использованием общего для группы ламп регулятора напряжения, либо с использованием схем с включением в каждом светильнике дополнительного последовательного дросселя. Эти варианты не достаточно энергоэффективны ввиду наличия больших потерь мощности в последовательно включенных дросселях.
Другое известное решение, основанное на использовании электронных ПРА (ЭПРА), исключает потери мощности на последовательных дросселях и позволяет осуществлять управление режимом работы ГЛ. Однако при использовании ЭПРА процесс преобразования напряжения питающей линии переменного тока в напряжение питания ГЛ является многоступенчатым, что вызывает снижение ресурса работы осветительных приборов с ЭПРА и не позволяет использовать возможности энергосбережения в полной мере.
Более высокая энергоэффективность и больший ресурс работы осветительного оборудования могут быть достигнуты в системах аварийного освещения зданий и сооружений при питании таких систем от автономных источников постоянного напряжения. ЭПРА при этом выполняются по более простым схемам с меньшим числом преобразований.
Для систем наружного освещения приведенные выше решения обладают либо недостаточной экономичностью ввиду отсутствия в них регулирования напряжения питания ГЛ, либо недостаточным ресурсом работы ГЛ и светильников в целом из-за сложности преобразования электроэнергии в каждом светильнике. Кроме того, системы наружного и внутреннего освещения для обеспечения длительного режима работы должны получать электропитание от электрических сетей напряжения переменного тока общего пользования, а не от автономных источников электроэнергии (например, аккумуляторов).
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемой энерго- и ресурсосберегающей системе освещения постоянного тока является
устройство аварийного освещения по патенту РФ №2265971, принятое за прототип. Устройство содержит источник питания и светильники, в состав которых входят осветительный прибор, соединенный с источником питания через преобразователь напряжения источника в напряжение питания осветительного прибора, и схема управления преобразователем.
Недостаток данного устройства освещения состоит в том, что при его работе осветительные приборы включаются на полную мощность без возможности регулирования тока, при этом энергия источника питания расходуется неэкономно. Эффект экономии электроэнергии достигается только при периодическом отключении осветительных приборов за счет применения модуляторов и полосовых фильтров. Кроме того, применение такого устройства ограничено областью аварийного (эвакуационного) освещения ввиду питания от автономного источника (аккумулятора).
Предлагаемое техническое решение направлено на создание энерго- и ресурсосберегающей системы освещения, наиболее полно использующей возможности энерго- и ресурсосбережения.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в системе освещения, содержащей источник питания 1 и светильники 2, в состав которых входят осветительный прибор (например, газоразрядная лампа высокого или низкого давления) 3, соединенный с источником питания 1 через преобразователь напряжения источника в напряжение питания осветительного прибора 4, и схема управления 5, преобразователь напряжения источника в напряжение питания осветительного прибора 4 выполнен управляемым с возможностью непрерывного или ступенчатого регулирования мощности осветительного прибора 3, схема управления преобразователем 5 выполнена с возможностью реализации требуемого алгоритма управления, а источник питания 1 выполнен в виде преобразователя напряжения сети переменного тока в напряжение сети постоянного тока.
Функциональная схема энерго- и ресурсосберегающей системы освещения постоянного тока приведена на фиг.1.
Работа системы происходит следующим образом. При включении источника питания или поступлении команды на включение освещения схема управления преобразователем 5 осуществляет управление работой регулируемого преобразователя 4 по алгоритмам, обеспечивающим необходимое изменение напряжения на осветительном приборе 3 во времени.
Эти алгоритмы могут включать в себя (фиг.2):
- режим А - поджиг осветительного прибора (например, газоразрядной лампы высокого или низкого давления) 3;
- режим В - ограничение тока на период пуска и зажигания осветительного прибора 3;
- режим С - работа осветительного прибора при номинальной мощности;
- режимы D и Е - регулирование напряжения питания U осветительного прибора;
- режим F - отключение осветительного прибора.
При переходах от режима к режиму регулируемый преобразователь 4 обеспечивает плавное или ступенчатое изменение тока, питающего ГЛ. Такое регулирование обеспечивает увеличение срока службы ГЛ на (20...40)% ввиду отсутствия тепловых ударов при плавном изменении тепловых режимов ГЛ.
При одновременном поджиге всех осветительных приборов пусковой ток в системе может превышать номинальный ток в два и более раз. Кроме упомянутого выше режима В (ограничение тока осветительного прибора на период его пуска) дополнительное снижение пускового тока в системе освещения достигается путем реализации в схеме управления 5 временного сдвига Δt~, определяющего момент включения светильника. При этом существенное уменьшение пускового тока в системе достигается при
временных сдвигах, превышающих длительность режима А и различающихся для каждого светильника.
Такое управление режимами обеспечивает увеличение срока службы осветительных приборов до 40% и уменьшение расхода электроэнергии до 50%.
Уменьшение номинальных и пусковых токов в системе позволяет дополнительно сэкономить расход материалов за счет уменьшения сечения проводов. Кроме того, по сравнению со стандартной трехфазной сетью переменного тока, для прокладки сетей постоянного тока потребуется меньшее количество проводов.
Таким образом, введение функции регулирования выходного напряжения преобразователя, алгоритмически реализуемой в схеме управления, использование в качестве источника напряжения системы освещения преобразователя напряжения сети переменного тока в напряжение сети постоянного тока позволяют получить технический результат, который выражается в существенной экономии электроэнергии и уменьшении расхода материалов, а также расширении области применения. Дополнительно следует отметить эффект повышения ресурса работы осветительного прибора ввиду стабилизации питающего тока и плавного его регулирования при изменении режима работы.
Для обеспечения одновременного перехода всех светильников в экономичный режим освещения преобразователь напряжения сети 1 выполняется регулируемым. При этом переход на пониженное энергопотребление может быть осуществлен за счет уменьшения питающего напряжения в линии освещения.
Для обеспечения непрерывности освещения при сбоях в электроснабжении в системе дополнительно используется автономный источник питания с переключателем. При этом исключается режим перезапуска светильников во всей линии освещения при кратковременных перерывах в питании, вызываемых, например, переключением фидеров в
системе электроснабжения. Это также повышает ресурс светильников и позволяет экономить электроэнергию.
Для обеспечения включения светильников при уменьшении освещенности обслуживаемого системой пространства дополнительно используется датчик освещенности, подключенный к схеме управления 5. За счет точного определения момента включения освещения (при достижении освещенностью порогового значения) исключается перерасход электроэнергии, связанный с возможной преждевременной выдачей команды на включение освещения.
Для обеспечения переключения светильников в режимы работы с пониженной мощностью (например «ночной» режим) используется таймер, подключаемый к схеме управления 5. Это обеспечивает экономию электроэнергии в ночном режиме до 50%.
Для обеспечения централизованного управления всеми светильниками системы освещения используются модемы и контроллер системы освещения. Модемы осуществляют связь между контроллером и схемами управления светильников непосредственно по сети постоянного тока. Реализация управления светильниками по существующей сети постоянного тока позволяет исключить линии связи, чем достигается эффект ресурсосбережения.
Для обеспечения переключения системы освещения в режимы работы с пониженной мощностью при уменьшении интенсивности дорожного движения используется один или несколько датчиков движения, подключаемых к схеме (схемам) управления 5. Экономия электроэнергии достигается в ночное время суток при снижении интенсивности движения на дорогах ниже определенного уровня.
Реализация полезной модели может быть осуществлена на любой системе освещения открытого или закрытого пространства, например, при наружном освещении городской территории. При этом преобразователь напряжения сети переменного тока в постоянный может располагаться в
существующих трансформаторных подстанциях городских энергетических сетей. Прокладка линий напряжения постоянного тока может осуществляться вдоль опор линий освещения подземным кабелем или воздушной линией, выполняемой преимущественно изолированным несущим кабелем, а преобразователь с устройством управления могут размещаться вместе с газоразрядной лампой в светильнике в верхней части опоры освещения.
Энергосбережение в такой системе в сравнении с существующими системами городского освещения достигается за счет трех факторов. Первый - стабилизация напряжения на осветительном приборе при изменении питающего напряжения. Второй - обеспечение эффективного использования осветительного прибора при его питании через преобразователь напряжения от сети постоянного тока на повышенных частотах. Третий - обеспечение снижения мощности осветительного прибора с помощью его автономного или дистанционного управления при снижении активности населения и уменьшении плотности движения автотранспорта в ночные часы. Предполагаемое снижение общего энергопотребления по этим факторам составляет 10%, 15% и 25% соответственно. Суммарная экономия электроэнергии в существующих системах городского освещения может достигнуть 50%.
Экономия ресурсов в заявляемой системе достигается в основном за счет уменьшения числа и сечения проводов при прокладке сетей освещения (с 4-х при трехфазной питающей сети до двух), а также за счет увеличения ресурса работы осветительных приборов при стабилизации режима их работы и использовании режима со снижением мощности.
Срок окупаемости при новом строительстве или капитальной реконструкции такой системы освещения не превышает 4-х лет.