摘 要：随着“绿色照明工程”在全国各地的开展，城市照明节能工程在各级政府的积极倡导下也纷纷展开。该文分析了目前国内常用的智能控制方式,给出了几种较好的道路照明节能系统的构建方式和注意问题，旨在为建设更好的节能系统出谋献策。
关键词：智能控制系统 光源 选择
1.前言
构建合理的城市照明智能控制系统，首先要建立正确的节能理念。城市照明系统的节能是在合适的照明强度的前提下，极大限度地节约能源，减少无功损耗，延长光源电器使用寿命，降低人力成本。同时也应正确理解城市照明功能的重要性。符合视觉功能的照明质量是保障交通安全、社会治安、人们从事生产及文化娱乐活动等不可缺少的条件。找到两者的结合点，是城市照明设计者必备的素质。
2.智能控制系统
通过检测城市道路车辆及行人的夜间时段的流量规律，获取相应的照度调整率，依此来设计计算机的控制程序，根据照度调整率，从某一时刻开始，可以用集中遥控或延时自控，平滑地对路灯输入电压或电流进行动态调整，使路灯输入电功率与实际光通量要求达到最佳匹配，不仅节约了电能，降低不必要的损耗，而且稳定了电压，延长了路灯的使用寿命，达到了双重意义上的节能。降低功率调节器目前有集中调节和分散调节两种方式。
2.1集中调节
集中调节是指在回路起点（配电箱或路灯专用变压器）进行降低功率的调节。主要有可控硅降压方式，自耦降压方式，补偿变压器调节方式，高频自耦型调节。
第一类大功率可控硅降压方式，是通过控制可控硅的导通角将输入的正弦波电压斩掉一部分，从而降低了输出电压的平均值，实现节能。这种调压节电方式斩波后的电压无法实现正弦波输出，会出现大量谐波，形成对电网的谐波污染，不能用在有电容补偿电路中，不推荐使用。
第二类自耦降压方式，自耦变压器是输出和输入共用一组线圈的特殊变压器，通过输出端的输出接点，实现不同电压值的输出，从而达到调整电压实现节电的目的，可分为固定抽头方式和连续调节方式。
固定多档自耦降压器其核心部件是一个多抽头的变压器，变压比是固定的，一旦接线端固定，降低电压就是固定值，当电网电压波动时，调控装置的输出电压也会上下波动，这样照明的工作电压处在不稳定波动状态。
连续调节自耦型降压器，通过电刷在线圈的表面平滑移动或滚动，改变线圈的变比而调节输出电压。优点是可实现无级平滑调节，调节精度高，但由于电刷调节回路是串在主回路中，因此承受的电流大，电刷接触不良，会产生火花，引起触点磨损。
第三类补偿变压器调节方式，将补偿变压器的二次绕组串联在主电路中，相位和输入电压相反，补偿式调压变压器的一次绕组接入一个补偿电压。若不计补偿变压器阻抗压降，输出电压＝输入电压一补偿电压。由于它的调节是在一次线圈，所以在主回路中是没有任何触点的。
第四类高频调压型调节是将工频50HZ提高到50KHZ频率，采用脉冲宽度调节技术（PWM），控制通过IGBT晶体管开关的脉冲宽度，调节输出电压有效值，并经电感电容滤波，实现电压的不间断连续精密平稳调节。此方式无触点，电磁兼容，输出纯正弦波，电压平滑连续调节，可设置1024个档位，以0.25V为一档，实现从0～250V电压调节，是目前较先进的大功率调节方式。
照明节能调控装置安装于回路起点，可通过内置的智能控制器或可编程控制器、时间继电器、光敏控制器等，对节电系统的工作曲线进行自动控制，调控整条线路上的负载，并检测输出电压、旁路及运行情况，传送校正电压所需要的指令到各相调压器，控制回路正常工作。
集中调节方式具有成本低，便于安装、控制与维护等优点，但是，集中调节方式易导致线路末端电压过低，路灯照度受损，整条线路照度不均，重新起辉、频闪和自熄等问题。
2.2分散调节
分布调节是指对每一盏路灯镇流器或变压器输出功率分别进行调节的方式。此方式用于有路灯专变系统中，以保护后半夜过电压对每盏路灯控制器的损坏。目前，主要的降功率方式有四种，变频型调节、变感抗型调节、变容型调节、Mni智慧芯型调节，除电子类外，均可用于一拖多灯系统。
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变频型调压主要是指通过使用可调光型电子镇流器，在一个降压信号的控制下，对单个路灯进行平滑降压的过程。调光原理是通过各种传感器，调节输入到电子镇流器控制工作频率的直流电平，改变工作频率，调整输出到HID灯的功率，达到调光目的。
气体放电灯的光通量，随着工作频率的提高而提高，当工作频率达到某值后，光通量增长很慢，如图1，因此在调频时必须确定此值。适当调节，进行多波段调光控制，就是根据实际需要，设定不同时间内输出不同的功率，自动调节，以达到节能的目的，时段可任意设定。
调光型高强度气体放电灯电子镇流器用于占空比调光，它包括主电路、控制电路和点火电路，主电路包括功率因数校正器或整流电路、逆变器及具有变压器和高强度气体放电灯组成的谐振电路、控制电路包括调光信号电路和驱动脉冲发生电路，在保护恒定工作频率、恒定母线电压的前提下实现很宽的调光范围，同时在调光工作过程中，灯电流波峰因数一直被控制在较低的范围，有利于延长灯的寿命。可广泛应用于各种不同功率等级的有调光和无调光要求的高强度气体放电灯电子镇流器中。适用于高压钠灯、金属卤化物灯等各种大小功率等级高强度气体放电灯。
此类调节方式具有成本低，线路简单，易于维护，节能效率高，减少浪涌电流，无频闪，功率因素高等优点，与传统电感式镇流器相比，节电30%以上，是最优秀的单灯调光器，替代原有电感镇流器，推荐使用。
变感抗型调节就是从感抗式镇流器中抽出多根抽头，抽头数固定，通过变换电子开关或是可控硅电流过零技术的快速机械开关在抽头中切换，改变镇流器阻抗，使其输出到灯的功率不同来调光。但是，切换时对部分老化灯容易引起熄灭。
变容型调节是通过改变LC顶峰超前式镇流器工作电容的容抗，降低镇流器的输出功率来调光。这种调光电路可用于高压钠灯和脉冲启动型金卤灯的调光。
变容型调节方式最大的优点是电源电压波动时，灯泡功率及光电参数波动很小，很稳定，具有稳流特性。但此镇流器自身耗能大，发热量大，电容长期超额定值工作，易损坏等原因，不适宜在节能系统中使用。
Mni智慧芯型调节方式，与集中高频调压型工作原理相似，但体积更小，功率更小，没有后续的滤波电感和电容，适用于电感型HID气体灯，具有智能检测路灯老化程度并实时调节的功能。在一拖多灯系统中，按RS232协议，可无源控制驱动6个HID灯，是目前较好的分布式调节器，推荐使用。
2.3调节方式
以上所讨论的各型调节器其调节方式可分为有触点（机械类）和无触点（电子类）、有级调节（有固定数抽头）和无级连续调节（无固定数抽头）几种方式。
有触点有级切换调节会产生瞬时断电的现象，照度难保障。触点器件带负荷断开合闸触点容易粘结烧毁，此方式已不再使用。
变频、变容、变阻抗、补偿型，均可实现无触点调节，选择时尤其应注重它是有级调节，还是无级调节。目前常用的可控硅电流过零技术是有级调节型的代表，其基本原理是利用可控硅对电压斩波特性，电压过零时，后半周期短时无电压，此时在各抽头间进行切换，以减少带负荷调节时的触点损耗。抽头数是固定的，假如，有10个抽头，系统从240v降到190，每档压降平均在5v,但是，实践证明，金卤灯瞬时降压3v以上易产生熄弧现象，钠灯5v以上易产生熄弧，系统的可靠性大大降低了。较好的调节方式为无触点无级连续调节，推荐使用脉冲宽度调制（pwm）技术，在单片机芯片控制下，切换过程在IGBT晶体管中进行，以达到调频，调压的目的。理论上说，可设每档调节值为任意大小，可调档数任意多少，作到无级精密调节。
2.4控制方式
路灯智能控制系统主要采用载波遥控、光控、延时控制、手动控制四类控制方式。
载波控制通过电力线载波或无线(GPRS/CDRA/Cadio)通信两种方式与后台控制室连接，收集各调节器和各线路工作状态的信息，并实时发送控制指令，调整调节器工作状态，达到远程采集和控制的目的，是路灯智能控制系统主要的控制方式。
光控是使用光敏二级管收集道路日光亮度，决定每天系统开关时间，是定时控制系统的有效补充。
延时控制是指将调节时间，调节幅度等控制信息存储起来，在无后台操控的情况下，自动对调节器直接操作，使路灯工作在预期状态。
2.5几点要注意的问题
笔者认为，不宜使用开灯软启动。HID灯泡在启动的3-5分钟内，必须满功率工作，保证路灯系统运行可靠性。否则，出现灯管早期发黑现象，影响灯使用寿命。另外，电子触发器开启电压为175V～185V,对于半老化的光源，以低压启动，无法启辉时， 触发器已开始工作，产生大量高压脉冲，既耗能，又可能损坏镇流器、灯座和灯泡。
必须具备无条件保障照明功能，集中调节系统中，控制设备故障时，旁路照明电路，保障路灯无条件启动。分布调节系统中，智能检测光源老化程度，在原有设置不能启动时，自动调节，提高电压，保障光源的启动，并上传后台监控系统。毕竟，灯亮起来是第一位的，不能因为节能的原因，而损失正常照明。
在选择智能控制系统时，不仅要注重后台监控系统和信号传输方式，还要重视调节器自身耗能情况，尤其在一拖多灯的系统中。但应注意补偿电容移到调节器前端，否则容易烧毁调节器。
3.选择节能的光源器件
3.1灯的选择
高压钠灯是高强度气体放电灯中光效最高的一种，可达到120lm/w，是高压汞灯的2.4倍，白炽灯的8～10倍。而且高压钠灯的特性稳定，光通维持性最好，点燃八千小时后光通量仍可为初始值的80％～90%，寿命可达到24000h，加之其不锈蚀，透光性能强等优点，高压钠灯已成为用途广泛又节能的光源。
普通钠灯色温2000k值偏低，光色偏红，显色指数为25Ra,显色性较差，只适用于道路和广场。但是可以通过提高钠蒸气压和氙气压力，增大电弧管管径，在电弧管两端裹上一层铌箔，提高冷端温度，改变电弧温度分布等措施来改善显色性，这种钠灯叫高显色高压钠灯，其显色指数为70Ra，能大大的拓宽了钠灯的应用领域。
经测量以及人工观测，以高压钠灯为例，如图2,当电压在220V附近小范围下降时（220V～198V），电压下降，功率成平方快速下降，此时光通量只是轻微下降，节电率在15%以内。在198V继续下降，光通量出现比较大的下降幅度。因此建议对照度要求比较高的场所，控制电压在198V以上。
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金属卤化物灯电弧管内充氩气、汞和金属卤化物，能在大多数波谱的区域产生出光，光效达90～110lm/w,显色60～70Ra,寿命可达20000h以上，12000h后光通量维持率还高达75%～80%。部分高品质金卤灯电弧管中加入了微量85Kr启动剂，能明显改善产品的启动性能，提高灯泡的光通维持率，延长使用寿命。
电弧管主要有石英玻璃电弧管和多晶氧化铝陶瓷电弧管两种，两种电弧管相比，陶瓷金卤灯有更多的优点：钠金属不会通过陶瓷管迁移到放电管外，在灯的寿命期内光色更稳定，频闪减小，陶瓷电弧管寿命更长，可任意角度燃点，使灯具设计更灵活。允许更高的电弧管温度，从而光效率更高（高20%)，显色性更好(Ｒa达82～85)。陶瓷金卤灯的唯一缺点是启动时间长，但并不影响它在今后照明领域的应用前景。
金属卤化物灯以其发光效率高、显色性好、寿命长、应用范围广泛成为国民经济各行业首选的绿色节能电光源。
金卤灯电压与光通量特性曲线如图3，当电流或电压下降时，功率和光通量成平方下降，可调节性不及钠灯。因此，在有金卤灯的智能控制系统中，调节范围较小，不可盲目调节，影响光通量，甚至熄弧。一般电压要保证在198V以上。
无极灯采用了电磁感应、高频触发(2.65～3.0MHZ)和独特的灯泡制作工艺，使整灯的可靠性极高，大大减少了维护成本。寿命长达6万小时
以上，是白炽灯的60倍，节能灯的12倍，高压钠灯的4倍。功率因数可高达95%以上，减少了无功消耗，节能降耗效果显著，比高压汞灯、高压钠灯、金卤灯节能50%以上，85W的高频无极灯的光通量与450W白炽灯光通量大致相当，具有极低的运行成本和维护成本。
即开即亮，启动和再启动时间均小于0.5秒，完全消除了HID启动的弊端。显色指数大于80，光色柔和，呈现被照物体的自然色泽。使用固体汞齐，即使打破也不会对环境造成污染，有99%以上的可回收率。随着近几年的发展，此项技术日趋成熟，已在许多城市得到广泛应用，但在使用中要注意散热问题。
无极灯电源电压范围在8 5 ～ 2 7 7 V 之间。在150～250V的电压范围内，无极灯能够照常启动并输出恒定的光通量。适用于智能控制系统，是今后路灯发展的必然趋势。
3.2 选择优质的镇流器
因为高压气体放电灯具有负伏一安特性，即灯泡电流上升，而灯泡电压却下降。在恒定电压条件下，电路中必须串联一具有正伏一安特性的电路元件来平衡这种负阻特性，稳定工作电流，该元件称为镇流器或限流器。
常用的气体放电灯的镇流装置有电感式和电子式两种。
电子镇流器工作原理，电子镇流器是将50HZ工频电源先整流为直流电能，再经高频振荡电路变为高频交流电能亮灯。电子镇流器采用有源功率因数校正的方法，功率因数可达0.99，降低了输入电流，从而减少了线损，降低了供电线路的负荷与损耗。与电感镇流器相比，自身功耗节电30%以上，对电网输电损耗减少达80%，对供电系统的容量需求，减轻70%以上。
电子镇流器种类繁多，功能不一，参数差异很大，可靠性低的节能产品被用户讽刺为“节能不节钱”。因此在选择产品时，其可靠性，稳定性至关重要。
因为电子镇流器固有的需要并联电容产生高压谐振，点亮灯的特点，所以，谐波控制不当，会增强电极溅射，电磁波污染严重等缺点，但其具有高节能性，大量节约有色金属等优点。
节能型电感镇流器有Ｃ型，E型，环形镇流器，建议使用环形硅钢片镇流器。根据数学极值理论可知，在镇流器截面为矩形时，正方形具有最小的周长，而圆形截面在相同截面情况下周长最小，这意味着可最大限度地减少铜线的长度，减少铜电阻损耗。
环形铁芯卷片的几何形状与磁力线回路和曲线相适应，磁路分布合理，实现最佳磁通，铁损小。它还具备了体积小、重量轻、温升低、动态宽、噪音小等特点。节能电感镇流器额定启动电流值一般是灯工作电流的 1.2～1.4倍左右，可以有效的减少浪涌电流，延长HID灯寿命，是一种理想的节能型镇流器。
100W以上镇流器的功耗占灯功率的百分比分别为：传统型1 0 %～2 0 % ,节能型7 %～1 0 %，电子型4%～8%。可见，电子型是最节能的，但150W以上的电子镇流器可靠性相比之下较差。
构建城市照明节能控制系统要从多方面入手，全面系统的进行设计施工。以保证正常照明，最大限度节能为出发点，选择适合于本地实际的节能方式，不盲从，不生搬硬套别人的方案，合理预算，严把施工质量，把我们的城市建设得更高，更美，更环保。
参考资料：
[1] 高延英 柴玉华 杨方东中 气体放电灯电感镇流器与电子镇流器性能的比较[J]农机化研究2006年3期
[2] 石定良 补偿变压器式照明稳压节能装置[J]电世界 2006 年4期
[3] 上海觅得光电科技有限公司 H.I.D灯电器配套问题浅淡[J] 中国照明 2005年8期