РЕДУКЦІЯ ПОТУЖНОСТІ

Версія для друку (укр)   •   завантажити

Версія для друку (рос)   •   завантажити

Вступ

У сучасному місті вулична система освітлення є обов'язковою частиною міської інфраструктури. Вулична система освітлення зростає синхронно з розвитком міста.

Статистика свідчить, що в середньому на освітлення вулиць в громадському секторі витрачається порядка 30% електроенергії, що використовується для освітлення взагальному.

Для багатьох міст витрати на освітлення вулиць та обслугування освітлювальних мереж складають левову частку міського бюджету. У великих містах вулична система освітлення може складатися з декількох сотень тисяч  світильників над тисячами доріг і пішохідних алей. Нариклад, в Лос-Анджелесі нараховується більше 240 тисяч світильників, які встановлені на 8500 кілометрах доріг і житлових масивів. Щорічно муніципальні органи влади міста платять за освітлення близько 17-ти мільйонів доларів.

З наведених цифр видно, що  збереження енергії у вуличному освітленні становить значний інтерес кожного муніципального департаменту освітлення. Для ефективного використання електроенергії у секторі вуличного освітлення місто повинно мати добре спроектовану освітлювальну інфраструктуру, енергоощадливі джерела світла і ефективну систему керування освітленням.

Заощадження електроенергії у секторі вуличного освітлення перегукується з більш глобальною проблемою захисту навколишнього середовища і так званого „Зеленого Освітлення”. Оскільки глобальна енергетична криза стає все більш і більш очевидною, а екологічне забруднення стає дедалі серйознішим, „Зелене Освітлення” стає важливою частиною зусиль людства в реалізації збереження енергії і захисту екології. Зменшення забруднення від виробництва різноманітних джерел світла і додаткового устаткування, застосування науково обгрунтованого підходу до вимог освітлення, а також збільшення ресурсу джерел світла і їх придатності для повторного використання – ось основні важливі ознаки реалізації різноманітних програм „Зеленого Освітлення”. Багато країн світу ініціювали власні програми, існують також глобальні програми такого типу. „Green Lights” – розпочата ще в 1992 році інноваційна програма, що спонсорується Агентством по охороні навколишнього середовища США (EPA), яка заохочує американські корпорації встановлювати енергоощадні технології в освітленні. В Європі діє добровільна програма з подібною назвою „GreenLight”, згідно якої приватні і суспільні організації погоджуються на вимоги Європейської Комісії щодо скорочення використання електроенергії в освітленні, зменшуючи тим самим забруднення середовища. „GreenLight” була розпочата в лютому 2000-го року.

Загальні положення

На початку у вуличному освітленні заощадження електроенергії здійснювали вимиканням кожного другого світильника за допомогою реле часу (малюнок 1). Це зберігає 50% електроенергії, але зменшує одноманітність світлового оздоблення і може бути небезпечним. Дане розв’язання більше не є прийнятним та не підтримується ні національними, ні міжнародними стандартами.

Малюнок 1. Спрощена схема редукції потужності

Згаданих недоліків можна уникнути, якщо використовувати технологію редукції потужності. Системи редукції потужності поступово зменшують електричну потужність і світлову віддачу в заданих межах. Оскільки системи редукції потужності змінюють рівні освітлення поступово, вони, вірогідніше, більш прийнятні для вуличного освітлення. Проте технічні засоби для таких систем є більш коштовні ніж для простих систем комутації потужності.

На данний момент існує кілька технологій редукції потужності в освітленні:

• Редукція потужності за допомогою дворівневого електромагнітного баласту
• Редукція потужності за допомогою автотрансформаторів з багатьма відводами
• Редукція потужності за допомогою обрізання електронними засобами певної частини форми напруги живлення
• Редукція потужності за допомогою керованих електронних баластів

Розглянемо ці технології більш докладніше.

Редукція потужності за допомогою дворівневого електромагнітного баласту

Редукція потужності для натрієвих та ртутних газорозрядних ламп високого тиску можлива шляхом зменшення струму лампи. Таке зменшення досягається за допомогою індивідуального електромагнітного баласту з відводами. Схема подібного пристрою показана на малюнку 2. Дворівневі електромагнітні баласти є найпростішими пристроями редукції потужності. Вони дозволяють зменшувати інтенсивність освітлення протягом нічних періодів вуличного руху і заощаджувати до 20% електроенергії, але коштують менше ніж інші пристрої редукції потужності. Дворівневі електромагнітні баласти можуть масово вироблятися всіма виробниками електромагнітних баластів. На даний момент подібні баласти пропонуються такими виробниками, як Philippe Lighting, Thorn Lighting, Vosslosh-Schwable, ATCO.

Малюнок 2. Схема дворівневого електромагнітного баласту

Редукція потужності за допомогою автотрансформаторів з багатьма відводами

ВВ даній технології використовуються стандартні баласти та зовнішній автотрансформатор з багатьма відводами, який керується за допомогою контролера. Зменшення потужності досягається зменшенням напруги живлення із збереженням її форми (малюнок 3). Подібний підхід придатний для одночасного керування великою групою світильників. Рівень редукції потужності обмежений величиною порядка 40%. Для побудови закінченої системи крім автотрансформатора необхідно задіяти контролюючий пристрій, блок комутації, таймер та інші компоненти.

Малюнок 3. Принцип обмеження потужності  шляхом зменшення напруги живлення

Подібні редуктори потужності пропонуються такими виробниками як ESI Lighting Controls, Meridian Technologies.

Редукція потужності за допомогою обрізання частини форми напруги живлення

Принцип дії даного виду редукторів потужності базується на обрізанні форми хвилі напруги живлення (так званому Некритичному Обрізанні Форми Хвилі), що робить цю технологію особливо придатною для газорозрядних джерел світла.

Електронні засоби використовуються для обрізання синусоїдальної форми напруги живлення не змінюючи суттєво пікове значення напруги і, в той же час, підтримують невеликий потік електронів в лампі навіть при тому, що миттєве значення напруги зменшено. Яскравість світла при цьому поступово і неперервно зменшується без будь-яких додаткових циклів комутації. Потенціал зменьшення потужності складає близько 30%.

Даний вид редукторів потужності має також містити спеціальний фільтр щоб обмежувати до мінімуму гармонічні складові струму і відповідати вимогам і стандартам електромагнітної сумістності та рівня радіозавад.

Приклад одного із способів обрізання синусоїдальної форми напруги живлення, реалізованих в редукторі фірми Merloni-Progetti представлено на малюнку 4

Малюнок 4. Принцип обрізання синусоїдальної форми напруги живлення, реалізований в редукторі фірми Merloni-Progetti

Подібні редуктори потужності пропонуються такими виробниками як Merloni-Progetti, Thorn Lighting.

Редукція потужності за допомогою керованих електронних баластів

Редукція потужності для натрієвих ламп високого тиску можлива також при використанні керованого електронного баласту типу ELGADI фірми Verdeyen N.V. (малюнок 5) Цей електронний баласт має близький до одиниці коефіцієнт потужності і низькі гармонічні спотворення, а цифровий інтерфейс керування дозволяє змінювати потужність лампи від 50% до 100%. Для дистанційного керування і контролю можлива комунікація з модемом. Дана технологія дозволяє як заощаджувати електроенергію, так і збільшувати ресурс джерел світла.

Керовані електронні баласти економічно доцільно застосовувати в нових вуличних системах освітлення невеликих міст з загальною кількістю світильників меншою, ніж 2000 штук.

Малюнок 5. Керований електронний баласт ELGADI фірми Verdeyen N.V.

Подібні редуктори потужності пропонуються такими виробниками як Verdeyen N.V., Philippe Lighting, Vlux, Edelcom.

Практичні результати застосувань редукторів потужності

В даній таблиці узагальнено приклади застосувань редукторів потужності різних типів в різних проектах систем вуличного освітлення.

СИСТЕМА КЕРУВАННЯ ОСВІТЛЕННЯМ

Загальні положення

Система керування міським освітленням виконує дві основні функції: вона вимикає освітлення тоді, коли воно не потрібне, і регулює його рівень таким чином, що не випромінюється більше світла ніж необхідно, і відповідно не витрачається зайва електроенергія. Для досягнення цих функцій використовується устаткування різної складності: від простого реле часу до складного електронного редуктора потужності. Кожна з цих технологій може бути застосована індивідуально з достатньою вигодою, але творчо комбінуючи різні способи економії, проектувальники можуть отримати ще більший ефект від їх застосування.

Сучасні системи керування міським освітленням входять в нову еру, де вони розглядатимуться не тільки як засоби збереження електроенергії, але і як досконалі інструменти для управління вуличним освітленням. Грунтуючись на досягненнях в сучасних електронній та інформаційнії технологіях, виробники засобів освітлення здійснюють інвестиції в дослідження і розвиток технологій та систем керування освітленням.

Для керування редукторами потужності, як основними елементами системи вуличного освітлення, використовуються головним чином два способи: вбудоване реле часу або астрономічний таймер, та другий спосіб - дистанційне керування за допомогою модемів, виділених ліній типу RS485, радіомодемів або GSM-модемів.

Вбудоване реле часу

Вбудоване реле часу – дешеве та просте вирішення контролю за вуличним освітленням. Таке рішення складається з таймера, реле або контактора та інших компонентів. Циклограма редукції потужності (зменшення яскравості) заздалегідь програмуюється під час монтажу світильника і виконується для кожного світильника за допомогою вбудованого реле часу. Дана циклограма також може бути пристосована до географічного розташування, погодних умов та щільності руху і після монтажу світильників, але це займає час і є досить коштовним.

Дистанційне керування

Другий метод контролю за вуличним освітленням є більш результативним і може потенційно забезпечити більший рівень енергозбереження. Метод дистанційного керування вимагає більш складних технічних засобів: Центр Керування Освітленням, Локальні пристрої керування, Інтелектуальні редуктори потужності, комплекс засобів зв’язку для всіх рівнів та програмне забезпечення класу GIS (малюнок 6). При цьому активно задіюються новітні мережеві технології.

Малюнок 6. Мережева система контролю вуличного освітлення

Нові методи контролю за вуличним освітленням, засновані на мережевих технологіях, дозволяють науково-обгрунтовано і динамічно здійснювати конфігурацію вуличного освітлення в реальному часі. Таке рішення може не тільки зберегти багато електроенергії, але і зменшити забруднення середовища, пов’язане із виробленням електроенергії. Застосовуючи високоефективні цифрові електронні баласти, дане рішення, крім того, може гарантувати і збільшення ресурсу газорозрядних джерел світла високого тиску.

Подібні мережеві системи контролю вуличного освітлення створені багатьма відомими компаніями із застосуванням таких мережевих технологій, як I-BUS компанії ABB, C-BUS компанії Qisheng та DALI компанії Osram.

Рішення ПП Електросвіт для економії електроенергії в освітленні з використанням принципу редукції потужності

Рішення поділяються на 2 групи і відрізняються принципом редукції потужності, кожен з яких детально описаний вище:

• ES-BluePower™ - редукція потужності за допомогою обрізання електронними засобами певної частини форми напруги живлення, що призводить до зменшення освітленості газорозрядних ламп на 7% та зменшення споживання електроенергії при цьому на 32% завдяки обрізанню спадаючого фронту змінної напруги живлення, при відсутності якого газорозрядна лампа світить завдяки інерціїї газу, що наповнює колби ламп.
• ES-RedPower™ - редукція потужності за допомогою автотрансформаторів з багатьма відводами для пропорційного зменшення напруги живлення ламп і споживаної ними електроенергії

Система контролю ES-BluePower™ дозволяє керувати освітлювальною мережею і моніторувати її, даючи можливість отримання негайної інформації про її стан (в т.ч. аварійний), завдяки використанню зв’язку через мережу GSM. Окрім того, за побажанням клієнта можливим є використання передачі даних через інтерфейси RS232, RS485.

В системі реалізовано обмеження потужності, яке полягає на обрізанні синусоїдальної форми напруги живлення ламп освітлення в пізні нічні години, коли рух автотранспорту є практично відсутнім. Обмеження потужності, спричинюючи незначне зменшення яскравості світіння ламп, дає економію на рівні 20-30%, що є головною перевагою пропонованої нами системи. Вказані норми економії можуть бути різні, в залежності від застосованих джерел світла і якості підсистем цілої освітлювальної інфраструктури, проте практика показує, що можливим є досягнути економії в середньому на рівні 25%.

Як виконавчий елемент, у пристрої використані потужні транзистори IGBT, керовані власним мікропроцесором пристрою. Мікропроцесор співпрацює із комунікатором

ES-ForthLogic™. Це дозволяє плавно підстроюватися під актуальне навантаження, ліквідовувати раптові стрибки амплітуди струму при перемиканнях, а також забезпечувати безперервну стабілізацію вихідної напруги. Регулювання потужності полягає в обрізанні частини синусоїди напруги живлення на її спадаючій частині з одночасним збереженням у незмінному вигляді першої (0 - 90° та 180°- 270°) фази наростання. Збереження зростаючої частини синусоїди є надзвичайно суттєвим для правильного запалювання ламп в кожному циклі змінної напруги. Завдяки цьому можна зменшити споживану потужність ламп в більшій степені, не викликаючи їх згасання. Контури вмикаються в роботу "м'яким" способом, тобто в момент, коли миттєве значення напруги рівне нулю, що значно зменшує навантаження від ударів струму як на вимикачі, так і на лампи.

Графік, що пояснює сказане вище (зелена крива показує напругу на лампі):

Графік зображає час безаварійної роботи ламп:

Як видно з малюнку, ресурс лампи із застосуванням редуктора збільшується більше, ніж на 100% і становить в середньому близько 24000 годин. Без редукції середній час становить біля 12000 годин.

Транзисторна система редукції потужності на базі електронних однофазних редукторів ES-BluePower™.

Електронні редуктори відрізняються меншими масогабаритними показниками та дозволяють зменшувати споживання електроенергії газовими лампами на 32% при зменшенні рівня освітленості на 7% - 25% економії коштів. В даній системі комунікатор прецизійно налаштовує параметри роботи електронного редуктора, здійснює автономне керування освітленням та редукцією по заданій програмі, передає через мережу GSM дані показів лічильника для обрахунку економічного ефекту від редукції та сповіщає відповідальних осіб в разі виникнення нештатних ситуацій. Параметрами редукції можна керувати за допомогою SMS або голосового меню комунікатора, а також через GSM-шлюз та INTERNET.

На схемі:

1 - Однофазний лічильник електроенергії з телеметричним виходом

2 - Датчик відкривання дверей електрощита

Трансформаторна система редукції потужності на базі керованих одно- та трифазних трансформаторів

ES-RedPower™.

Трансформатори здійснюють пропорційне до зниження освітленості зменшення споживання електроенергії. В даній системі комунікатор також здійснює автономне керування освітленням та редукцією по заданій програмі, передає через мережу GSM дані показів лічильника для обрахунку економічного ефекту від редукції та сповіщає відповідальних осіб в разі виникнення нештатних ситуацій. Параметрами редукції можна керувати за допомогою SMS або голосового меню комунікатора а також через GSM-шлюз та INTERNET.

На схемі:

1 - Трифазний лічильник електроенергії з телеметричним виходом

2 - Контактор

3 - Датчик відкривання дверей електрощита

В поєднанні з аналізаторами якості параметрів електромережі можна реалізувати більш складні алгоритми керування та моніторингу вуличного освітлення.

Економічний розрахунок використання пристроїв редукції:

Таблиці, наведені в кінці цього розділу, є усередненими (на 15 число кожного місяця) погодинними графіками роботи освітлення заправочної станції - "Запаравка", освітлення операційного залу супермаркета - "Суперм.-зал" та вуличного освітлення супермаркета - "Суперм.-вул.". Для заправочної станції прийнятий умовний режим роботи - "доба" (але, при цьому, освітлення здійснюється тільки в темну пору доби), для супермаркета є два режими роботи: "день" - з 8:00 до 23:00 та "ніч" - з 23:00 до 8:00.

В таблицях також приведено наближені з точністю ±15хв графіки світлового дня для України на 15-те число кожного місяця 2007-го року. Вартість 1 кВт електроенергії освітлення для різних режимів роботи для кожного місяця представлено в гривнях без врахування ПДВ. Формула обчислення вартості 1 кВт електроенергії освітлення заданого режиму роботи для одного місяця:

((Год.роб.пік × Тар.коеф.пік) + (Год.роб.напівпік × Тар.коеф.напівпік) + (Год.роб.ніч × Тар.коеф.ніч)) × Дні місяця × Тариф2классу,

де Тариф2классу = 33,73 коп за 1 кВт електроенергії без врахування ПДВ; Тар.коеф.пік. = 1,8; Тар.коеф.напівпік = 1,02; Тар.коеф.ніч = 0,25.

Сумарна вартість 1 кВт електроенергії освітлення за 1 рік розраховується простим додаванням місячних вартостей і представлена в таблиці (з врахуванням ПДВ).

Ціни на модельний рід пристроїв редукції потужності серій

ES-BluePower™ та ES-RedPower™

Приклад розрахунку терміну окупності редукторів потужності серії

ES-BluePower™ для освітлення операційного залу супермаркета "АРСЕН":

1. Загальна потужність освітлення операційного залу 26,4 кВт

2. Вартість редукторів потужності серії ES-BluePower™ загальною потужністю 27,6 кВт: 3 × (ціна моделі 40А) = 19860 грн

3. Режим роботи: "Суперм.-зал", "день" - 75% повної потужності (редукція ввімкнена постійно)

4. Економія від застосування редукції потужності серії ES-BluePower™: 26,4 × 0,25 × 2943,61 = 19427,82 грн

5. Термін окупності: 19860 ÷ 19427,82 = 1,02 роки (~1 рік)

Приклад розрахунку терміну окупності редукторів потужності серії

ES- RedPower™ для освітлення операційного залу супермаркета "СІЛЬПО":

1. Загальна потужність освітлення операційного залу 12,32 кВт

2. Вартість редукторів потужності серії ES-RedPower™ загальною потужністю 13,1 кВт: (ціна моделі 25 А) + (ціна моделі 32 А) = 3080 грн

3. Режим роботи "Суперм.-зал", "день" - повна потужність, "Суперм.-зал", "ніч" - 75% повної потужності (ввімкнена редукція з пропорційним зменшенням рівня освітленності)

4. Економія від застосування редукції потужності серії ES-RedPower™: 12,32 × 0,25 × 558,38 = 1719,81 грн

5. Термін окупності: 3080 ÷ 1719,81 = 1,79 роки (1 рік 10 міс.)

6. У вартість пристроїв редукції включена вартість комутації ступеню редукції, але не включена вартість пристроїв керування через мережу GSM та пристроїв автоматичного включення (астрономічних таймерів).

7. Вартість пристроїв ES-RedPower™ включає в себе вартість комутаційних пристроїв, електрощита і трансформатора. Ціна цих пристроїв є в прямій залежності від актуальних цін на трансформатори, тобто від світових цін на мідь.