Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Воскресенье, 26 января
 
 

Это интересно!

Новости

Приглашение к участию в ежегоднике «Живая Электроника России» 2020


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Рейтинг светодиодных светильников для дорог и магистралей

Lumitek – новое слово в современном освещении

В век инновационных технологий возникла острая необходимость в усилиях светотехнической научной общественности, направленных на сокращение энергопотребления и уменьшения загрязнения окружающей среды. Речь идет о более рациональном и эффективном использовании освещения. Одним из наиболее перспективных шагов на этом пути является создание энергоэкономичных источников света — светодиодов. Как известно, главный недостаток этого оборудования — высокая стоимость светодиодов. А каковы их достоинства?

Мощные компактные люминесцентные лампы – характеристики и особенности эксплуатации. Часть II

В первой части настоящего обзора, посвященного мощным компактным люминесцентным лампам (МКЛЛ), говорилось об их световом потоке, мощности, световой отдаче и цветовых характеристиках. В данной публикации речь пойдет о выполненном NLPIP (Национальная информационная программа об осветительных приборах США) тестировании температурных зависимостей характеристик МКЛЛ.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

28 октября

Димминг – способ эффективного энергосбережения или источник реальных проблем?

Данная статья является результатом экспериментальной работы автора по исследованию энергетических параметров систем питания для источников света в режиме диммирования. Основная задача состояла в определении влияния диммирования на стабильность параметров энергоэффективности и электромагнитной совместимости. Эта публикация обращает внимание разработчиков светотехнических приборов на необходимость более взвешенного подхода при проектировании систем управления освещением объектов.



Вместо предисловия


«Всё смешалось в доме Облонских…»
Л.Н. Толстой

Диммирование (dimming — затемнение) — давно известный технический приём для управления освещением в концертно-сценической практике, который своими «корнями» уходит в эпоху, когда устройств управления электрическими источниками света ещё не существовало, а потребность в таком функционале уже была. И выход был найден. Яркость дуговых и накальных ламп, установленных в прожектор, оставалась постоянной, а регулирование осуществлялось при помощи специальных затемняющих шторок, которые перекрывали собой часть светового потока лампы и позволяли тем самым изменять освещённость на сцене, следуя замыслу театрального режиссёра. Иными словами, незатемненный прожектор светил на полную мощность, а полностью затемненный прибор вовсе не испускал света. Из этого следует очевидный вывод, что управление яркостью и диммирование — это полностью противоположные, по сути, процессы и максимальной яркости соответствует минимальный уровень диммирования. К сожалению, в современной технической литературе эти два понятия смешались и превратились в тождественные. И хотя это не совсем правильно, автор во избежание путаницы в терминологии принимает диммирование не как процесс управления затемнением, а как процесс управления яркостью. Таким образом, 100-% димминг = 100-% яркости.
В любом случае, саму возможность управлять яркостью источника света трудно переоценить. И действительно, в современной сфере развлечений трудно себе представить массовое мероприятие, которое могло бы иметь визуальный успех без игры света и цвета. Однако в сфере развлечений не стоит вопрос об энергоэффективном использовании источников света. Главное в сценической практике — это визуальный, эстетический эффект.
Другое дело — управление светом в системах искусственного освещения. Владельцы офисов, торговых и промышленных объектов готовы пойти на дополнительные финансовые расходы по внедрению систем управления освещением ради снижения (в перспективе) расходов на электроэнергию.
Существует устойчивое мнение, что если уменьшить яркость любого электрического источника света, то автоматически решится вопрос с экономией потребляемой электроэнергии, а, следовательно, все управляемые светотехнические системы автоматически перейдут в разряд энергосберегающих. Так ли это на самом деле? Отчасти, да. Величина активной мощности потребления, хотя и нелинейно, но уменьшается с уменьшением яркости. Однако, наряду с величиной активной мощности, существует ещё целый ряд «скрытых» параметров, которые могут одним разом перечеркнуть все усилия и намерения создать энергосберегающую систему, если при проектировании выбран неоптимальный способ и метод регулирования источников света.
Какой из известных способов управления световыми приборами наиболее энергетически эффективен и одновременно более «безвреден» с точки зрения электромагнитной совместимости (ЭМС)? В этих вопросах мы и попытаемся вместе разобраться.

Известные способы управления источниками света


Не сделаю никакого открытия, если скажу, что самыми распространёнными на сегодняшний день являются симисторные регуляторы яркости — триаки (Triac Dimmers). Их популярность определяется не только относительно низкой ценой, но и простотой подключения, заключающейся в прямой замене существующего выключателя на малогабаритный настенный диммер. Симисторные диммеры были изначально разработаны для управления только лампами накаливания (ЛН). ЛН являются идеальными потребителями переменного тока с коэффициентом мощности (КМ) близким к единице. И действительно, имея в своей конструкции только спираль накаливания, эти лампы не в состоянии как-либо отрицательно повлиять на сеть с точки зрения ЭМС. Единственным недостатком ЛН является её достаточно низкая световая отдача, которая компенсируется мягким, уютным светом, по своей природе максимально схожим с солнечным светом.
На рисунке 1 (а) представлена структурная схема подключения симисторного диммера в качестве регулятора яркости ЛН. Однако с появлением на светотехническом рынке такого источника света как светоизлучающий диод (СИД) в продаже появились специализированные светодиодные драйверы, способные изменять значение выходного тока под воздействием симисторного диммера. Структурная схема использования таких драйверов представлена на рисунке 1 (б). Как справляются подобные устройства с поставленной задачей, мы разберёмся немного позже, а пока рассмотрим другие методы управления светодиодами как наиболее перспективными и энергоэффективными источниками света.

 

Рис. 1. Применение симисторного диммера


На рисунке 2 представлена схема подключения специализированного светодиодного источника тока, имеющего в своём составе дополнительный вход управления постоянным напряжением 0–10 В. Такая схема при всей простоте имеет ряд существенных особенностей. Одной из них является невозможность уменьшать ток через светодиоды ниже определённого порога (чаще всего, 10–20%), обусловленного схемотехническими особенностями драйвера. С учётом нелинейной зависимости светового потока СИД от протекающего тока, свечение в таком режиме будет восприниматься визуально достаточно интенсивным. К тому же аналоговая схема управления не в состоянии обеспечить идентичность параметров работы драйверов в групповом включении.
Более полное от 0 до 100% и синхронное управление яркостью светодиодных светильников можно получить при манипуляции интегрального импульсного DC/DC-драйвера внешним сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Структурная схема такой системы управления представлена на рисунке 3. Данный способ широко распространён в многоканальных полноцветных (RGB) системах архитектурного освещения ввиду высокой степени стабильности и повторяемости параметров. Однако следует учесть, что для реализации такого метода потребуется двухступенчатая схема питания, состоящая из источника постоянного напряжения (возможно, одного на несколько светильников) и интегральных источников тока, формирующих импульсный ток постоянной величины под воздействием внешнего ШИМ-сигнала.

 

Рис. 2. Применение драйвера, управляемого напряжением

Рис. 3. Управление ШИМ-сигналом


Какой же из представленных способов питания наиболее эффективен, и какие технические параметры следует учитывать при проектировании систем управления освещением?

Параметры и требования к устройствам управления

Существует целый ряд нормативных документов, регламентирующих технические параметры светильников и систем на их основе. В их числе — всем известный СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-10 и обновлённый СНиП (ныне свод правил СП 52.13330.2011) и ряд технических регламентов, которые в ближайшее время будут подписаны в рамках Таможенного союза. Одним из последних документов, интересных с точки зрения светотехники, является Постановление Правительства РФ от 20 июля 2011 г. №602 «Об утверждении требований к осветительным устройствам и электрическим лампам, используемым в цепях переменного тока в целях освещения». В этом документе строго указаны минимальные значения световой отдачи и коэффициента мощности для большинства применяемых источников света. Не забыты в нём и СИД. В частности, для светодиодных осветительных устройств величина минимальной световой отдачи установлена на уровне 50 лм/Вт, а коэффициент мощности — не менее 0,7 при мощности до 25 Вт и 0,85 при мощности, превышающей 25 Вт. Казалось бы, что тут особенного? Параметры вполне достижимые, однако возможно ли сохранение этих величин при всех режимах управления яркостью? Ведь суть реализации энергосберегающих функций путем управления яркостью заключается в том, что большую часть времени светильник находится в «затемнённом» режиме, и, следовательно, его параметры должны соответствовать всем указанным нормам. Именно поэтому вся последующая экспериментальная часть посвящена анализу изменения основных технических параметров систем питания при частичном и глубоком диммировании.
Поддерживать величину световой отдачи на допустимом уровне можно только при условии, что КПД источника питания относительно стабилен и существенно не ухудшается в процессе диммирования, иначе энергосбережение не будет обеспечено. Именно поэтому в программе экспериментов особое внимание было уделено динамике изменения потребляемой мощности (как активной, так и реактивной) и построению графиков зависимости КПД источника питания от управляющего си­гнала.
Одновременно с этим важную роль играет уровень достигаемых пульсаций тока (и, как следствие, светового потока источника света), который может существенно повлиять на сферу применения системы освещения. Нормы допустимых пульсаций светового потока строго регламентированы в указанном выше СанПиНе.
Не менее важной задачей экспериментов было желание проследить изменение величины КМ и динамику эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока. Принятие и подписание на межправительственном уровне технического регламента «Электромагнитная совместимость технических средств» ужесточит требования к ЭМС и будет контролироваться соответствующими органами уже существующего Таможенного союза.

Экспериментальная часть. Постановка задачи и результаты

Итак, для экспериментального изучения стабильности параметров систем питания в режиме диммирования были созданы измерительные электрические стенды согласно структурам, изображённым на рисунках 1–3, включая хорошо известную 60-Вт лампу накаливания. Во всех случаях производились измерения полной (активной и реактивной) мощности, потребляемой из сети переменного тока, с анализом формы волны методом быстрого преобразования Фурье (БПФ) для получения точных значений, вплоть до 39-й гармоники.
Все указанные параметры снимались в пяти режимах работы: 100%, 75%, 50%, 25% яркости и в зоне минимально возможного для наблюдения уровня, близкого к нулю. Все результаты были занесены в таблицы с последующим их представлением в виде графиков и диаграмм.
В рамках данной публикации не представляется возможным привести все результаты измерений, осциллограммы и графики, поэтому были выбраны наиболее показательные представители в каждой группе измеряемых приборов. Измерения производились анонимно. Типы приборов и компании производители в статье не указаны, т.к. целью статьи не являлось продвижение того или иного бренда.
На рисунках 4–6 представлены результаты измерений системы управления 60-Вт ЛН с помощью симисторного диммера (см. рис. 1а). На рисунке 4 представлена диаграмма, наглядно показывающая пропорциональное уменьшение активной мощности (синий цвет) в зависимости от положения ручки диммера. Однако резкие «изломы» формы волны потребляемого тока, обусловленные принципом работы симистора, приводят к росту гармонических составляющих (см. рис. 6) и увеличению уровня реактивной составляющей (красный цвет) в составе полной мощности потребления (сумма синего и красного цветов). Эти процессы неизбежно отрицательно сказываются и на величине КМ (PF), график зависимости которого представлен на рисунке 5. Вывод неутешительный… Идеальный при 100-% яркости потребитель энергии с КМ = 1 при управлении симистором превратился в источник реактивной энергии, нагружающий сеть на 20 ВА даже тогда, когда активная мощность потребления в 10 раз ниже. Уровень пульсаций светового потока при измерениях не превышал 23%.

 

Рис. 4. Триак + 60-Вт лампа накаливания. Компоненты полной мощности

Рис. 5. Триак + 60-Вт лампа накаливания. Динамика КМ

Рис. 6. Триак + 60-Вт лампа накаливания. Динамика эмиссии гармоник


Ещё хуже обстоит дело со специализированным светодиодным драйвером, который рассчитан на питание через диммер (см. рис. 1б). Результаты измерений активной и реактивной мощности представлены на рисунке 7. Невооружённым взглядом видно, как гипертрофируется уровень полной электрической мощности с максимумом в районе 50-% управления. Это обусловлено резким ростом реактивной составляющей из за узко-импульсной формы потребляемого из сети тока и, как следствие, ростом спектрального «частокола» гармоник, хорошо видимых на рисунке 9. Такое положение дел не могло не оказать отрицательного влияния на КМ и КПД системы питания в целом (см. рис. 8). Пульсации тока в светодиодной нагрузке превышает 30%, что ставит «крест» на применении данного технического решения в офисном освещении. А низкий уровень КПД не позволяет назвать данное решение энергосберегающим. Напротив, при мощности нагрузки 10 Вт (50-% управления) нагрузка на сеть составляет более 35 (!!!) ВА.

 

Рис. 7. Триак + драйвер. Компоненты полной мощности

Рис. 8. Триак + драйвер. Динамика КМ и КПД

Рис. 9. Триак + драйвер. Динамика эмиссии гармоник


Лучше обстоят дела у светодиодного драйвера, управляемого напряжением (см. рис. 2). Результаты измерений его мощностей представлены на рисунке 10. В отличие от предыдущего случая, видно, что под воздействием управляющего сигнала активная мощность потребления изменяется равномерно в равных пропорциях с реактивной составляющей. И хотя при «старте» уровень 3-й гармоники достаточно велик (на грани допустимого), с уменьшением тока в нагрузке она приходит в норму (см. рис. 12). Графики динамики КМ и КПД (см. рис. 11) также имеют приемлемые показатели, что позволяет рекомендовать данное техническое решение в качестве энергосберегающего. Однако уровень пульсаций выходного тока достаточно велик (около 30%), что не позволяет применить это решение в системах офисного освещения. Однако его вполне можно использовать в других приложениях. Следует отметить, что в некоторых моделях управляемых напряжением драйверов были зарегистрированы пульсации выходного тока ниже 6%.

 

Рис. 10. Управляемый драйвер 0–10 В. Компоненты полной мощности

Рис. 11. Управляемый драйвер 0–10 В. Динамика КМ и КПД

Рис. 12. Управляемый драйвер 0–10 В. Динамика эмиссии гармоник


Последние результаты измерений относятся к системе управления яркостью светодиодов при помощи ШИМ-сигнала (см. рис. 3). На рисунках 13–15 видна схожая с предыдущим экспериментом картина, которая указывает на равномерное уменьшение активной и реактивной составляющих полной мощности при воздействии ШИМ-сигнала. В области небольших уровней яркости наблюдается незначительный рост реактивной мощности. Важным фактором, влияющим на общий КПД и параметры ЭМС, является правильный выбор источника постоянного напряжения. В данном примере резкий спад показателей КПД и КМ был обусловлен именно свойствами источника напряжения. Измерение «сквозных» энергетических показателей с импульсного DC/DC-преобразователя показало его высокую эффективность на всех уровнях управляющего ШИМ-сигнала.

 

Рис. 13. Управление ШИМ-сигналом. Компоненты полной мощности

Рис. 14. Управление ШИМ-сигналом. Динамика КМ и КПД

Рис. 15. Управление ШИМ-сигналом. Динамика эмиссии гармоник


В сферах применения подобных систем, управляемых ШИМ, следует разобраться отдельно. Мнения разных экспертов в этом вопросе диаметрально расходятся из-за отношения к уровню восприятия пульсаций светового потока. Одни считают, что 100-% модуляция света оказывает значительное влияние на работу мозга независимо от частоты ШИМ, другие, ссылаясь на низкие показания приборов, не чувствительных к пульсациям света выше 100 Гц, готовы применять данное решение даже в офисном освещении. Истина где-то рядом… Но это уже другая тема для размышлений и новый повод встретиться с читателем на страницах этого журнала.
P.S. Когда статья была уже написана, пришло сообщение о подписании на межправительственном уровне давно ожидаемого технического регламента Таможенного союза:  «Электромагнитная совместимость технических средств».



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Геннадий Терехов, creeator@mail.ru



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2020 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты