РЕДУКЦИЯ МОЩНОСТИ

Версия для печати (рус)   •   закачать

Версия для печати (укр)   •   закачать

Вступление

В современном городе уличная система освещения является обязательной частью городской инфраструктуры. Уличная система освещения растет синхронно с развитием города.

Статистика свидетельствует, что в среднем на освещение улиц в общественном секторе тратится порядка 30% электроэнергии от всей используемой в освещении.

Для многих городов расходы на освещение улиц и обслуживание осветительных сетей составляют львиную долю городского бюджета. В больших городах уличная система освещения может состоять из нескольких сотен тысяч  светильников над тысячами дорог и пешеходных аллей. Например, в Лос-Анжелесе насчитывается более 240 тысяч светильников, которые установлены на 8500 километров дорог и жилых улиц. Ежегодно муниципальные власти города платят за освещение около 17-ти миллионов долларов.

Из приведенных цифр видно, что сохранение энергии в уличном освещении представляет собой значительный интерес каждого муниципального департамента освещения. Для эффективного использования электроэнергии в секторе уличного освещения город должен иметь хорошо спроектированную осветительную инфраструктуру, энергосберегающие источники света и эффективную систему управления освещением.

Сбережение электроэнергии в секторе уличного освещения перекликается с более глобальной проблемой защиты окружающей среды и так называемого „Зеленого Освещения”. Поскольку глобальный энергетический кризис становится все более и более очевидным, а экологическое загрязнение становится все серьезнее, „Зеленое Освещение” становится важной частью усилий человечества в реализации сохранения энергии и защиты экологии. Уменьшение загрязнения при производстве разнообразных источников света и дополнительного оборудования, применение научнообоснованного подхода к требованиям освещения, а также увеличение жизненного ресурса источников света и их пригодности для повторного использования - вот основные важные признаки реализации разнообразных программ „Зеленого Освещения”. Многие страны мира создали собственные программы, существуют также глобальные программы такого типа, например „Green Lights” – используемая с 1992 года инновационная программа, спонсируемая Агентством по охране окружающей среды США (EPA), которая поощряет американские корпорации применять энергосберегающие технологии в освещении. В Европе действует добровольная программа с похожим названием „GreenLight”, согласно которой частные и общественные организации соглашаются c требованиями Европейской Комиссии относительно сокращения использования электроэнергии в освещении, уменьшая тем самым загрязнение среды. „GreenLight” была начата в феврале 2000-го года.

Общие положения

В начале в уличном освещении экономию электроэнергии осуществляли отключением каждого второго светильника с помощью реле времени (рисунок 1). Это экономит 50% энергии, но уменьшает эффект светового оформления и может быть опасным. Данное решение больше не является приемлемым и не поддерживается национальными и международными стандартами.

Рисунок 1. Упрощенная схема редукции мощности

Упомянутых недостатков можно избежать, если использовать технологию редукции мощности. Системы редукции мощности постепенно уменьшают электрическую мощность и световую отдачу в заданных пределах. Поскольку системы редукции мощности изменяют уровень освещения постепенно, они однозначно более приемлемы для уличного освещения, однако технические средства для таких систем дороже простых систем коммутации мощности. На данный момент существует несколько технологий редукции мощности в освещении:

·     Редукция мощности с помощью двухуровневого электромагнитного балласта

·     Редукция мощности с помощью автотрансформаторов с большим количеством отводов

·     Редукция мощности с помощью обрезания электронными средствами определенной части формы напряжения питания

·     Редукция мощности с помощью управляемых электронных балластов

Рассмотрим эти технологии более подробно.

Редукция мощности с помощью двухуровневого электромагнитного балласта

Редукция мощности для натриевих газоразрядных ламп высокого давления и ртутных газоразрядных ламп возможна путем уменьшения тока лампы. Такое уменьшение достигается с помощью индивидуального электромагнитного балласта с отводами. Схема подобного приспособления приведена на рисунке 2. Двухуровневые электромагнитные балласты являются самыми простыми устройствами редукции мощности. Они позволяют уменьшать интенсивность освещения в ночной период времени, экономят до 20% электроэнергии и их стоимость меньше других устройств редукции мощности. Двухуровневые электромагнитные балласты могут массово производиться любым производителем электромагнитных балластов. На данный момент подобные балласты предлагаются такими производителями, как Philippe Lighting, Thorn Lighting, Vosslosh-Schwable, ATCO.

                                             Рисунок 2. Схема двухуровневого электромагнитного балласта

Редукция мощности с помощью автотрансформаторов с большим количеством отводов

В данной технологии используются стандартные балласты и внешний автотрансформатор с большим количеством отводов, управляемый с помощью контроллера. Уменьшение мощности достигается уменьшением напряжения питания с сохранением ее формы (рисунок 3). Подобный подход пригоден для одновременного управления большой группой светильников. Количественно редукция мощности ограничена величиной порядка 40%. Для построения законченной системы кроме автотрансформатора необходимо задействовать контролирующее устройство, блок коммутации, таймер и другие аксессуары.

Рисунок 3. Принцип ограничения мощности  путем уменьшения напряжения питания

Подобные редукторы мощности предлагаются такими производителями, как ESI Lighting Controls, Meridian Technologies.

Редукция мощности с помощью обрезания части формы напряжения питания

Принцип действия данного вида редукторов мощности основывается на обрезании формы волны напряжения питания (так называемом Некритическом Обрезании Формы Волны), которое делает эту технологию особенно пригодной для газоразрядных источников света. Электронные средства используются для обрезания синусоидальной формы напряжения питания не изменяя существенно пиковое значение напряжения и, в то же время, поддерживая небольшой поток электронов в лампе даже при том, что мгновенное значение напряжения уменьшено. Сила света при этом постепенно и непрерывно уменьшается без каких-либо дополнительных циклов коммутации. Потенциал уменьшения мощности составляет около 30%. Данный вид редукторов мощности должен иметь специальный фильтр для ограничения до минимума гармонических составляющих тока и отвечать требованиям и стандартам по электромагнитной совместимости и уровню радиопомех. Пример одного из способов обрезания синусоидальной формы напряжения питания реализован в редукторе фирмы Merloni-Progetti и представлен на рисунке 4.

Рисунок 4. Принцип обрезания синусоидальной формы напряжения питания реализован в редукторе фирмы Merloni-Progetti

Подобные редукторы мощности предлагаются такими производителями как Merloni-Progetti, Thorn Lighting. 

Редукция мощности с помощью управляемых электронных балластов

Редукция мощности для натриевых ламп высокого давления возможна также при использовании управляемого электронного балласта типа ELGADI фирмы Verdeyen N.v. (рисунок 5). Этот электронный балласт имеет близкий к единице коэффициент мощности и низкие гармонические искажения, а цифровой интерфейс управления позволяет изменять мощность лампы от 50% до 100%. Для дистанционного управления и контроля возможна коммуникация с высоковольтным модемом. Данная технология позволяет экономить электроэнергию и увеличивать ресурс источников света. Управляемые электронные балласты экономически целесообразно применять в новых уличных системах освещения небольших городов с общим количеством светильников до 2000 штук.

Рисунок 5. Управляемый электронный балласт ELGADI фирмы Verdeyen N.v.

Подобные редукторы мощности предлагаются такими производителями как Verdeyen N.v., Philippe Lighting, Vlux, Edelcom.

Практические результаты применения редукторов мощности

В данной таблице приведены примеры применения редукторов мощности разных типов в разных проектах систем уличного освещения.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ

Общие положения

Система управления городским освещением выполняет две основные функции: она выключает освещение когда оно не нужно и регулирует его уровень таким образом, что не излучается больше света чем необходимо и соответственно не тратится лишняя электроэнергия. Для достижения этих функций используется оборудование разной сложности: от простого реле времени, до сложного электронного редуктора мощности. Каждая из этих технологий может быть применена индивидуально с достаточной выгодой, но творчески комбинируя разные способы экономии, проектировщики могут получить еще больший эффект от их применения. Сегодняшние системы управления городским освещением входят в новую эру, где они будут рассматриваться не только как средства сохранения электроэнергии, но и как совершенные инструменты для управления уличным освещением. Основываясь на достижениях в современных электронной и информационной технологиях, производители средств освещения осуществляют инвестиции в исследование и развитие технологий и систем управления освещением. Для управления редукторами мощности, как основными элементами системы уличного освещения, применяются главным образом два способа: с помощью встроенного реле времени или астрономического таймера и второй вариант – с помощью дистанционного управления с участием модемов, выделенных линий типа RS485, радиомодемов или GSM-модемов.

Встроенное реле времени

Встроенное реле времени - дешевое и простое решение вопроса контроля за уличным освещением. Такое решение предусматривает применение таймера, реле или контактора и других компонентов. Циклограмма редукции мощности (уменьшение яркости) предварительно программируется для каждого светильника отдельно во время его установки с помощью встроенного реле времени. Данная циклограмма также может быть привязана к географическому расположению, погодным условиям и после установки светильников, но это занимает время и достаточно дорого.

Дистанционное управление

Этот метод контроля за уличным освещением более результативен и может потенциально обеспечить больший уровень энергосбережения. Метод дистанционного управления требует более сложных технических средств: Центр Управления Освещением, Локальные устройства управления, Интеллектуальные редукторы мощности, комплекс средств связи для всех уровней и программное обеспечение класса GIS (рисунок 6). При этом активно задействуются новейшие сетевые технологии. 

Рисунок 6. Сетевая система контроля за уличным освещением 

Новые методы контроля за уличным освещением, основанные на сетевых технологиях, позволяют научнообоснованно и динамически осуществлять конфигурацию уличного освещения в реальном времени. Такое решение может не только сохранить много электроэнергии, но и сократить загрязнение среды, связанное с производством электроэнергии. Применяя высокоэффективные цифровые электронные балласты, данное решение, кроме того, может гарантировать и продление ресурса газоразрядных источников света высокого давления. Подобные сетевые системы контроля за уличным освещением созданы многими известными компаниями с применением таких сетевых технологий, как I-BUS компании ABB, C-BUS компании Qisheng и DALI компании Osram.

Решение ЧП Электросвит для экономии электроэнергии в освещении с использованием принципа редукции мощности

Решения делятся на 2 группы и отличаются принципом редукции мощности, каждый из которых детально описан выше:

·     Es-BluePower™ - редукция мощности с помощью обрезания электронными средствами определенной части формы напряжения питания, которое приводит к уменьшению освещенности газоразрядных ламп на 7% и уменьшению потребления электроэнергии при этом на 32% благодаря обрезанию ниспадающего фронта переменного напряжения питания, при отсутствии которого газоразрядная лампа светит благодаря инерции газа, который наполняет колбы ламп.

·     ES-RedPower™ - редукция мощности с помощью автотрансформаторов с множеством отводов для пропорционального уменьшения напряжения питания ламп и потребляемой ими электроэнергии.

Система контроля ES-BluePower™ позволяет управлять осветительной сетью и немедленно получать информацию о ее состоянии (в т.ч. аварийном), благодаря использованию связи через сеть GSM. Кроме того, по желанию клиента, возможно использование передачи данных через интерфейсы RS232, RS485. В системе реализовано ограничение мощности, которое заключается в обрезании синусоидальной формы напряжения питания ламп освещения в поздние ночные часы, когда движение автотранспорта практически отсутствует. Ограничение мощности, вызывая незначительное уменьшение яркости свечения ламп, дает экономию на уровне 20-30%, что является главным козырем предлагаемой нами системы. Экономический эффект может быть разным, в зависимости от применяемых источников света и качества подсистем целой осветительной инфраструктуры, однако практика показывает, что можна добиться экономии в среднем на уровне 25%. Как исполнительные элементы в устройстве использованы мощные транзисторы IGBT, управляемые микропроцессором, который связан с коммуникатором ES-ForthLogic™. Это позволяет плавно подстраиваться под актуальную нагрузку, ликвидировать внезапные скачки амплитуды тока при переключениях, а также обеспечивать непрерывную стабилизацию исходного напряжения. Регулирование мощности заключается в обрезании части синусоиды напряжения питания на ее нисходящей части с одновременным сохранением в неизменном виде первой (0 - 90° и 180°- 270°) фазы нарастания. Сохранение возрастающей части синусоиды является чрезвычайно существенным для правильного розжига ламп в каждом цикле переменного напряжения. Благодаря этому, в большей степени, можно уменьшить потребляемую мощность ламп, не вызывая их угасания. Контуры включаются в работу "мягким" способом, то есть в момент, когда мгновенное значение напряжения равно нулю, что значительно уменьшает нагрузку от ударов тока как на выключатели, так и на лампы.

График, объясняющий сказанное выше (зеленая кривая показывает напряжение на лампе):

График изображает время безаварийной работы ламп:

По графику видно, что ресурс лампы с применением редуктора увеличивается больше, чем на 100% и составляет в среднем около 24000 часов. Без редукции среднее время составляет около 12000 часов. 

Транзисторная система редукции мощности на базе электронных однофазных редукторов ES-BluePower™.

Электронные редукторы отличаются меньшими масcогабаритными показателями и позволяют уменьшать потребление электроэнергии газовыми лампами на 32% при уменьшении уровня освещенности на 7% - 25% экономии средств. В данной системе коммуникатор прецизионно настраивает параметры работы электронного редуктора, осуществляет автономное управление освещением и редукцией по заданной программе, передает через сеть GSM показания счетчика для расчета экономического эффекта от редукции и оповещает ответственные лица в случае возникновения нештатных ситуаций. Параметрами редукции можно управлять с помощью SMS или голосового меню коммуникатора, а также через GSM-шлюз и INTERNET.

На схеме:

1 - Однофазный счетчик электроэнергии с телеметрическим выходом

2 - Датчик открывания дверей электрощита

однофазная электросеть

к фонарям уличного освещения 

Трансформаторная система редукции мощности на базе управляемых одно- и трехфазных трансформаторов ES-RedPower™.

Трансформаторы осуществляют пропорциональное к снижению освещенности уменьшение потребления электроэнергии. В данной системе коммуникатор также осуществляет автономное управление освещением и редукцией по заданной программе, передает через сеть GSM данные показаний счетчика для подсчета экономического эффекта от редукции и оповещает ответственных лиц в случае возникновения нештатных ситуаций. Параметрами редукции можно управлять с помощью SMS или голосового меню коммуникатора, а также через GSM-шлюз и INTERNET.

На схеме:

1 - Трехфазный счетчик электроэнергии с телеметрическим выходом

2 - Контактор

3 - Датчик открывания дверей электрощита

трехфазная электросеть

к фонарям уличного освещения

В сочетании с анализаторами качества параметров электросети, можно реализовать более сложные алгоритмы управления и мониторинга уличного освещения.

Экономический расчёт использования устройств редукции:

Таблицы, приведенные в конце этого раздела, являются усреднёнными (на 15-е число каждого месяца) почасовыми графиками работы освещения заправочной станции - "Заправка", освещения операционного зала супермаркета - "Суперм.-зал" и уличного освещения супермаркета - "Суперм.- ул.". Для заправочной станции принят условный режим работы - "сутки" (но, при этом, освещение осуществляется только в темную пору суток), для супермаркета есть два режима работы: "день" - с 8:00 до 23:00 и "ночь" - с 23:00 до 8:00.

В таблицах также приведены приблизительные, з точностью ±15мин. графики светового дня для Украины на 15-е число каждого месяца 2007 года. Стоимость 1кВт электроэнергии освещения для разных режимов работы, для каждого месяца представлены в гривнях без учета НДС. Формула вычисления стоимости 1кВт электроэнергии освещения заданного режима работы для одного месяца:

 ((Вр.раб.пик x Тар.коэф.пик) + (Вр.раб.полупик x Тар.коэф.полупик) + (Вр.раб.ночь x Тар.коэф.ночь)) x Дни месяца x Тариф 2 класса, где Тариф 2 класса = 33,73 коп за 1 кВт электроэнергии без учета НДС; Тар.коэф.пик. = 1,8; Тар.коэф.полупик = 1,02; Тар.коэф.ночь = 0,25.

Суммарная стоимость 1кВт электроэнергии освещения за 1 год рассчитывается простым добавлением месячных стоимостей и представлена в таблице (с учетом НДС).

Цены на модельный ряд устройств редукции мощности серий

ES-BluePower™ и ES-RedPower™

Пример расчета срока окупаемости редукторов мощности серии

ES-BluePower™ для освещения операционного зала супермаркета "АРСЕН":

1. Общая мощность освещения операционного зала 26,4 кВт

2. Стоимость редукторов мощности серии ES-BluePower™ общей мощность 27,6 кВт: 3 * (цена модели 40 A) = 19860 грн

3. Режим работы: "Суперм.-зал", "день" - 75% полной мощности (редукция включена постоянно)

4. Экономия от применения редукции мощности серии ES-BluePower™: 26,4 * 0,25 * 2943,61 = 19427,82 грн

5. Срок окупаемости: 19860 / 19427,82 = 1,02 год (1 год)

Пример расчета срока окупаемости редукторов мощности серии

ES-RedPower™ для освещения операционного зала супермаркета "СЕЛЬПО":

1. Общая мощность освещения операционного зала 12,32 кВт

2. Стоимость редукторов мощности серии ES-RedРower™ общей мощность 13,1 кВт: (цена модели 25 А) + (цена модели 32 А) = 3080 грн

3. Режим работы "Суперм.-зал", "день" - полная мощность, "Суперм.-зал", "ночь" - 75% полной мощности (включена редукция с пропорциональным уменьшением уровня освещённости)

4. Экономия от применения редукции мощности серии ES-RedРower™: 12,32 * 0,25 * 558,38 = 1719,81 грн

5. Срок окупаемости: 3080 * 1719,81 = 1,79 год (1 год 10 мес.)

6. В стоимость устройств редукции включена стоимость коммутации степени редукции, но не включена стоимость устройств управления через сеть GSM и приборов автоматического включения (астрономических таймеров).

7. Стоимость устройств ES-RedPower™ включает в себя стоимость коммутационных устройств, электрощита и трансформатора. Цена этих устройств в прямой зависимости от актуальных цен на трансформаторы, тоесть от мировых цен на медь.